基于PLC的恒压供水系统设计毕业论文Word下载.docx
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社会经济飞升,伴随着我们对于生活水平的要求也提高了,政府加强了城市的建设规划。
大部分的一线城市资源几乎达到饱和状态,城市也不断地增加高楼大厦的数量。
传统的供水方式不能满足供水系统运行起来节能经济,所以通过变频恒压调速实现恒压供水。
伴着变频器的发明问世,变频调速系统已广泛用于以交流电为主要电源的电源应用中。
根据用户用水需求,自动调整恒压供水系统的运行参数。
近年来,据了解,中国逆变器的增长率一直保持12-15%。
逆变器技术目前正朝着专业化,模块化,集成化,智能化和环境保护的方向快速发展。
技术发展提供了保证。
1.2本设计的研究内容
根据我国供水系统的现状设计本供水系统的需求,进行的研究任务和所做的一些设计内容:
(1)构思系统总体设计方案,确定整个系统的功能;
(2)分析性能性能需求,确定需要使用的操作系统以及所需设备;
(3)完成系统以及所使用到相关软件的安装以及环境配置;
(4)分别完成各个功能程序的编写,最后进行程序的整合;
(5)记录调试过程中的数据以及实现效果并进行分析;
(6)根据作品结果,完善系统,完成论文的撰写。
2供水系统的设计方案
2.1供水系统的设计要求
(1)开机上电,正常工作的流程工作在压力低于允许的范围内,水泵开始变频运行。
(2)正常运行后,水泵变频运行,如果压力低于设定值,变频泵的频率达到50后,超过了十秒,开启下一个水泵的变频,复位初始水泵变频。
下一次判断压力值小于设定值时,切换变频水泵为工频运行,且开启下一水泵变频运行(为了错开同一台水泵从变频到工频的转换),依此类推正常工作运行。
(3)如果开机上电初始水泵产生故障,压力低于下限,通过判断后,检测下一水泵的状态,无故障就转到下一泵的运行,若有故障,再转到下一泵判断有无故障后选择是否运行。
(4)当水泵判断无故障运行时,下一水泵无故障就开始变频运行,上一个水泵变频切换工频运行,以此类推。
(5)当检测水泵只有初始泵无故障变频运行时,就保持初始泵的变频运行。
(6)压力值若低于下限且变频器的输出为0时,延时五秒后复位水泵工频,根据正在工作的水泵数量以及工作状态来确定在什么时候停止工作。
(7)水泵变频运行超过八小时,复位水泵,开启下一个水泵的变频运行。
2.1.1系统设计方案的比较与选择
方案的设计主要是使用由专用的变频器控制器单元控制变频器或控制单个泵或一个周期来控制多个泵来实现,并且可以自动在变频和工频之间切换电动机,根据水压的变化来实现供水来维持管道的水压的恒定,还能通信传输运行的数据。
按照系统的设计任务的需求,有多种选择,并对控制方案进行阐述并比较,选出最适合的控制方案。
(1)专用变频器控制系统
由专用变频器,带有供水基板和压力传感器组成的信号检测电路用于控制水系机组。
在设置反馈、参考压力值等显示功能上,操作较为麻烦,无法自动实现水泵运行的实时控制,并且它的缺点为其输出接口的扩展功能缺乏灵巧性,以至于数据通信困难,限制了拖动操作的能力,所以只用于要求不高的、小容量的场所。
(2)单片机控制系统
用单片微处理器和通用变频器的组合用作核心控制系统,并通过处理由压力传感器反馈的电信号来控制泵单元的运行。
这种方法控制误差小,算法灵活,性价比高,但程序开发所需时间长,程序运行之后如果出现问题,想要修正错误是困难的。
同时在变频器运行时,必须采取相应的抗干扰措施来避免干扰才能确保系统的可靠性和稳定性。
由此得知,此方案也不是最佳的选择方案。
(3)可编程序控制器控制
这样的控制方式端口具有灵活,可扩展的优点,简化了电路结构,并在出现故障时方便了故障排除。
它还提升了系统的可靠性和抗干扰能力。
由此可知,这个系统与供水机组的负荷大小无关,能合用于各类不同要求的恒压供水场合。
本控制系统正是采用smart200配合西门子MM430变频器。
通过以上方案的比较得出,第三种控制方案是更适合此系统的设计方案,系统的核心为PLC和通用变频器变频恒压控制方式通过控制水泵机组来实现。
基于第三个控制方案开展开阐述和设计。
2.1.2调速控制方式的选择
二十多年来,随着交流调速技术以及变频器制造技术的迅速发展。
交流电机在调速性能、可靠性及造价等方面,都能与直流调速系统媲美。
实现恒压供水可以通过改变变频器电源的频率能够调节异步电动机的速度,改变了泵的水流量来实现。
也可以通过改变电动机的磁极对
的数量和改变电动机的转差率
来实现三相异步电动机的速度调节。
已知三相异步电动机的转速公式为:
其公式中
为异步电机的同步转速,它是电源频率
与电动机极数
的60倍之比;
为异步电动机转差率,它是异步电动机的同步转速
与电动机的转子转速
的差值与同步转速
之比。
从上式可知,当磁极对数P和转差率
固定时,电机转子转速
与只定子功率频率
成正比,因此,可以连续且平滑地调节异步电动机的电源
的频率。
实现恒压供水通过控制三相异步电动机的速度以控制泵的循环。
2.2变频器
2.2.1变频器结构
变频器就是通过整流、滤波、逆变把原f=50Hz的交流电变成其他频率的交流电,从而完成对电机的调速控制。
交流电电压和频率都可调,称为直接变频器,交一直-交变频器的基本结构图如图2.1所示。
图2.1变频器结构
2.2.2变频器的选择
本控制系统从安全性、舒适性、经济性角度来看,选用西门子生产的MM430型变频器,它可以适用于各类变频调速系统,它在调节水泵、风机类负载的速度方面具有杰出优势。
选取的时候还要注意一个问题——必须根据变频器手册中的说明为其配备电机水泵容量。
此型号的变频器的操作面板和通讯模块可以直接手动更换。
它还适用于各种变速传动系统装置如水泵、风机、输送系统等。
MM430型变频器相对MM420型变频器来说,有较多的输入端子和输出端子,设计更加优化,具有利用率高、稳定性好的优点,操作面板更适用于工作人员来操作。
MM430变频器针对不同场合而开发了许多功能。
变频器的大部分参数无需设置,本文的水泵只用到变频器的几个功能,仅用对风机水泵这类负荷的参数进行设置。
2.3PLC的选择
PLC已经在各个领域广泛地使用。
在基本逻辑控制、网络通讯、位置控制、处理数据以及闭环控制几个方面PLC性价比和应用范围一直不断地扩展。
在整个控制系统中,PLC起到核心控制作用,在选择PLC时,选择一部满足控制要求的可编程控制器是使设计得以实现至关重要的一步。
主要的输入信号包括急停、手动/自动、缺水保护、水泵1号至5号的故障、辅助泵故障、变频器故障等,共10个输入信号;
水泵变频/工频运行、辅助泵变频/工频运行、报警喇叭等13个输出信号。
在PLC品牌的选择上,通过给水电气控制系统的功能条件,斟酌系统的市场接受度,工作平稳性,可靠性和卓越的性价比,PLC选择的型号为smart200sr40。
2.4水泵的选取
供水系统的运行是整个系统的执行机构,通过抽水来实现。
所以正确地选择合适的水泵也是影响供水系统运行的重要因素。
2.4.1选用水泵的标准
选择水泵时,要求水泵扬程不低于实际使用中标准扬程的
来防止电动机过载,电动机容易过载,产生热量,甚至可能烧毁电机。
(1)按照泵的流量以及供水的总扬程来选择。
原理应该是确保泵在有效且稳定的区域内工作。
考虑到系统运行期间的各种原因,泵的输出将减少,选择水泵按照扬程值×
1.05-1.1系数来选择。
(2)应尽量选用能效高的水泵,不能选用市场淘汰产品。
(3)根据实际供水系统负荷、水泵数量等合理确定。
如果多台泵必须并联运行以满足供水需求,每台泵的品牌和型号应尽可能一致。
(4)采用的水泵扬程、主泵之间的供水流量尽可能一致,辅泵供水与主供水泵的流量的比值应该大于1/3。
2.5.压力传感器的选取
系统检测环节中格外紧要的一部分为压力传感器。
它将检测控制量(水压)并将其反馈给系统以实现自动恒压控制。
安装在出口管网上的压力传感器将发送出口压力信号。
将变为电压信号(在0至10V之间变化)或电流信号(在4至20mA之间变化)的标准信号传输到PLC设备模块EM235。
PLC主机执行数据计算处理,并将计算结果与给定的标准值进行比较以获得调整。
调节参数将发送到变频器然后由其来控制泵的速度,想要维持管网中的压力保持在给定值,所以要调节系统的供水量。
输入电机的电压和频率会随着供水的负荷改变而发生变化。
供水系统的压强是
,以下单位都是估计标准单位
。
体积小,重量轻,结构简单,运行可靠是该传感器的特点,采用YTZ-150电位器式压力传感器。
它可以将0~1Mpa范围内的压力转换成0-10V的电信号。
供水高度一般小于19层楼高,因此本系统供水系统输出压力不大于0.6Mpa,水压检测范围、检测精度分别为0~1MPa、0.01Mpa。
3系统硬件配置
3.1特性阐述
图3.1显示了离心水泵的基本特性,其中
和
分别表示系统的扬程和流量。
图中的两条曲线是扬程特性曲线和管道阻力特性曲线。
图3.1供水系统基本特征
由以上曲线可以看出,供水系统水头
越小,管道供水流量
越大。
管道阻力特性是基于泵的速度恒定的前提,它表示系统扬程
和一定开度下的流量
之间的关系。
管阻力特性反映了水头
和供水流量
当泵的速度和阀门的开合程度都不变时,用户在不同时间段的用水量决定流量。
因此,扬程特性反映了水流量
和扬程
与
曲线的交点如图3.1中的点
所示,称为供水系统的工作点。
此时,用户和供水系统的水量
处于平衡状态。
系统运行稳定是因为供水系统同时符合了扬程特性以及管道阻力特性。
3.2系统的组成
一般来说,供水控制系统的结构包括机械部分和电气控制系统。
机械部分为供水系统管网系统,系统的重要部分是电气控制系统,它由控制电路-PLC、变频器;
信号检测电路——压力传感器,压力控制器;
执行电路——水泵机组组成。
3.3系统整体框图
供水电气控制系统的整体框图如图3.2所示。
它通过CPU周期收集各种主信号,压力传感器信号和其他相关的模拟信号,并进行算术处理以获得输出响应控制变频控制器,从而完成相关设备的运行,停止和速度控制。
图3.2供水电气控制系统总体框图
3.4变频器参数设置和调试
参数过滤和选择用户访问级别—P0010以及P0003是变频器的两个重要的参数(参数设置值P0010=1,然后选取变频器来快速调试)。
MM430共有专家、标准、以及拓展这三个用户访问级别。
只能看到少量的参数是因为大多数参数的数值在变频器进行快速调试的时候,由于其较低的访问级别导致自动地计算或者缺省设置的结果。
P0010=1:
使变频器快速调试;
P0003:
利用用户访问级别来选取参数,之后还可以运用在用户定义的参数表。
在设定P3900=1前完成了快速调试的所有步骤,这样方便计算电动机的相关数据。
快速调试法在设定P3900=1时结束调试后其余全部的参数全部复原到参数缺省设置状态,P0010=1除外。
设定P3900=1的同时,完成快速调试后,变频器可运行(快速调试时才成立)。
根据控制系统的需求,变频器参数设置表如表3.1所示。
表3.1变频器参数设置表
参数设置值
参数标号
说明
21
P0005
显示实际运行频率
5
P0700
端子排控制
P1000
模拟设定值
按实际选用电动机设置
P0300
电动机类型(异步、同步)
P0304
确定电机
P0305
P0310
电动机额定频率(50Hz)
P0311
确定电机额定转速
在实际情况中,把变频器中的所有参数复位到出厂时的缺省设置值是可能需要的。
3.5PLC的I/0资源配置
通过系统的功能的条件和上面选型分析,并,对PLC的I/0进行配置。
(1)数字I/0信号
该供水系统的控制信号主要包括数字输入,例如各种按钮,旋钮和开关。
本设计在PLC种总共使用了9个数字量输入以及11个输出口;
PLCI/O口的分配如表3.2所示。
表3.2I/O口分配
输入信号地址
输入设备
输出信号地址
输出设备
I0.0
急停
Q0.0
变频命令源
I0.1
手动/自动
Q0.1
1#泵变频KA1
I0.2
缺水保护
Q0.2
1#泵工频KA2
I0.3
1#泵故障
Q0.3
2#泵变频KA3
I0.4
2#泵故障
Q0.4
2#泵工频KA4
I0.5
3#泵故障
Q0.5
3#泵变频KA5
I0.6
4#泵故障
Q0.6
3#泵工频KA6
I0.7
5#泵故障
Q0.7
4#泵变频KA7
I1.2
变频器故障
Q1.0
4#泵工频KA8
Q1.1
5#泵变频KA9
Q1.2
5#泵工频KA10
Q1.5
报警喇叭
(2)模拟量输信号
需要扩展模拟输入/输出模块来收集压力传感器反馈的数据信号,具体的I/O分配输入地址为AIW0,输入设备为压力传感器。
4系统硬件设计
4.1PLC控制系统与端口接线
设计接线图基于控制系统的功能要求和I/O口分配的PLC控制系统和端口组件,如图4.1所示。
图4.1控制系统端口硬件连线图
4.2接触器
三相交流异步电动机的启停、工频/变频切换等控制都直接受与交流接触器控制通断电的控制。
本文设计的系统共五台电机,5#为小泵,手动模式可以手动工频,自动控制下只能变频运行;
1#~4#、辅助泵都为要进行工频/变频转换的大泵。
手动和自动控制相互独立不干扰。
所以需要选用12个交流接触器。
分别编号为:
1#泵工频KA2、2#泵工频KA4、3#泵工频KA6、4#泵工频KA8、5#工频KA10、1#泵变频KA1、2#泵变频KA3、3#泵变频KA5、4#变频、5#变频、配置见表3.1和图3.2。
接触器的配置含义如表4.1所示。
表4.1接触器配置
接触器编号
含义
用途
将1#泵连接到交流电网的接触器
通过PLC输出信号地址Q0.1状态控制泵处于停止状态还是工频运行状态
连接2#泵到交流电网的接触器
通过PLC的输出信号地址Q0.4状态控制泵处于停止状态还是工频运行状态
连接3#泵到交流电网的接触器
通过PLC的输出信号地址Q0.6状态控制泵处于停止状态还是工频运行状态
将4#泵连接到交流电网的接触器
通过PLC输出信号地址Q1.0状态控制泵处于停止状态还是工频运行状态
5#泵连接到交流电网的接触器
通过PLC输出信号地址Q1.2状态控制泵处于停止状态还是工频运行状态
1#泵接变频器的接触器
输出信号地址Q0.1通过PLC状态控制泵处于停止状态还是工频运行状态
2#泵变频器KA3
连接2#泵到变频器的接触器
通过PLC输出信号地址Q0.3状态控制泵处于停止状态还是工频运行状态
3#泵与变频器连接的接触器
输出信号地址Q0.5通过PLC状态控制泵处于停止状态还是工频运行状态
4#泵变频器KA7
连接4#泵到变频器的接触器
通过PLC输出信号地址Q0.7状态控制泵处于停止状态还是工频运行状态
5#泵变频器KA9
连接5#泵到变频器的接触器
通过PLC输出信号地址Q1.1状态控制泵处于停止状态还是工频运行状态
4.3主令电器
接通和断开电路是主令电器主要作用,在手动控制和自动控制系统时,还起到位置保护、系统切换等功能。
常用的主令电器有开关、按钮、行程开关等。
本文的控制系统使用的主令电器为按钮和开关。
手动控制系统的按钮用来对控制系统进行调制和启动时选择转换开关;
点动按钮则用作自动控制系统;
急停按钮按下后系统暂停工作,此按钮选择旋转复位按钮,,旋转后按钮自动弹起复位;
当系统处于手动启动控制状态时选用旋转按钮可以起到调节的作用。
4.4系统硬件连接图
最后定下来供水系统的硬件连接图根据PLC、变频器、水泵和压力传感器、接触器等设备的确定,如图4.2所示。
图4.2系统硬件连接图
5软件系统的设计
软件的设计采用STEP7-MicroWINSMART软件来编写程序。
在第五节中,第一要做的就是按照设计需求功能来画流程图,然后再根据流程图来编写所相应的程序。
5.1手动控制设计
每一个设备都准备了一个启停按钮,这样可以独立控制每一台设备的状态,在手动模式的情况下,手动控制的流程图如图5.1所示。
图5.1手动控制模式的流程图
5.2流程图
对供水系统的控制要求画出流程图。
(1)水池水位的监测流程图
(2)自动控制的工作流程图
(3)工频运行泵切除流程图
图5.2水池水位检测工作流程图
图5.3自动运行工作流程图
5.4工频运行泵切除流程图
5.3对软元件进行设置
上一节对I/O的资源配置,在按照需求设计供水系统的功能中还会用到一些软元件,前先列出软元件,以便程序的修改和编写,如表5.1所示。
表5.1元件的设置
元件
意义
M0.0
手动自动HMI
M15.1
唤醒标志位
M0.1
手动自动
M15.3
总过载报警
M0.2
自动开始
T47
变频延时命令源
M0.3
自动停止
T51
zd变频延时命令源
M0.5
爆管
T106
爆管定时器
M0.6
变频故障
VD1000
检测压力0到量程
M1.0
PID手动自动转换
VD1010
手动值
M1.1
VD1036
休眠频率设定
M1.2
1#水泵故障
VD1042
最低频率设定
M
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