PLC和变频器在城市节能供水系统中的应用文档格式.docx
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4.1主电路控制电路图10
5软件设计11
5.1水位控制部分11
5.2压力控制部分13
5.3机械故障处理部分16
6结束语17
致谢17
参考文献18
1绪论
目前,在城市供水系统中,还有很多高楼、生活小区、边郊企业等采用高位水塔或直接水泵加压供水方式,在用水量大时电机满负荷运行,而在用水量小时则会停机或切换到空运行状态。
这种情况下,一方面要消耗大量的电能,造成能源的浪费;
另一方面由于用水量具有很大随机性,传统方式在用水波动时难以保持其实时性。
针对这一情况,设计了一套变频恒压供水系统,将模糊控制技术应用到系统的控制过程中,采用了PLC控制及交流变频调速技术,并在控制算法的实现上提出了一种利用PLC梯形图编程语言实现模糊控制的新方法,彻底取代了高位水塔或直接水泵加压供水方式,为城市供水系统的建设提出了一条极具推广应用的新途径。
当前国内多数企业中仍使用传统的恒速泵组切换加压的供水方式,其水压不稳且浪费电能。
有文献介绍,我国每年水泵消耗的电能约占电能总耗的20%以上,而电耗又占水费成本的60%以上,故如何优化对水泵的控制具有重要的意义,很多文献曾做过有益的探索,本文针对小区的工况开发出以可编程控制器,和变频调速为核心的恒压供水控制系统其结构简易紧凑水压波动小、运行平稳可靠,运行一年节约的电费就为该企业收回技改设备投资。
2设计功能及方案论证
2.1设计功能
本控制系统具有供水机组的启动、变频运行、工频运行和过热保护手动/自动转换、在线监控及在现场调试、驱动通风机的电机过热保护,故障报警等功能。
其具体控制要求如下:
(1)本系统提供手动/自动两种工作模式,具有状态显示以及故障报警等功能。
(2)模拟量压力输入经PID运算,输出模拟量控制变频器
(3)在自动方式下,当系统水压力低于设定压力下限时,三组电机将根据系统水压与设定水压的比较投入工作运行,分为工频运行、变频运行和停止三种工作状态
(4)根据水位限制和压力限制来确定系统的故障现象,并能够实时报警。
(5)根据压力的变化能够确定用水量是否超过供水负荷,并能够及时的预警和报警。
(6)系统可以在线调试及现场在线监控。
2.2系统设计方案分析及方案论证
目前国内多数供水企业水泵类机械的典型电气传动仍是用鼠笼式异步电动机驱动,因为它具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格低廉等优点。
但其本身调速较难,故常为恒速运转;
当需要调节流量时,则采用调节阀门的方法,这至少浪费20%的能源。
统计表明,我国每年水泵消耗的电能约占电能总耗的20%以上,而电耗又占水费成本的60%以上。
随着变频调速控制技术日益完善,采用变频调速控制方式来调节流量,在节电方面是有效的方法,因为流量与转速成正比,而电动机的消耗功率与转速的立方成正比。
因此,当电动机转速降低使泵出口流量减少时,消耗功率会大幅度下降,从而达到节电目的。
例如转速降低20%~50%,可节电50%~80%,经济效益显著。
由于居民区用水量变化大,电气传动方案宜采用多台拖动水泵的电机并联传动取代拖动1台大水泵的电机传动,这样可以根据不同用水情况合理地增加或切掉水泵,从而提高水泵工作效率,增加灵活性。
根据供水量和扬程量确定水泵的容量和数量,通常是1~3台泵和1台辅助小泵。
如果只采用一台变频调速器(VVVF)顺序拖动各台泵的电机,那么可减少投资,因为变频调速装置的成本一般要占整个调速系统成本的四分之三。
由PLC控制四台拖动水泵的电机启动和停止,及在工频电网与变频器输出之间进行切换运行,并可通过程序控制自动实现(任意一台泵连续运行超过规定时间)停机轮休,防止烧坏变频器,以延长泵组的使用寿命。
以上系统功能的实现有以下方案可供选择:
(1)单片机控制,利用压力变送器和水位限制器、及A/D转换和D/A转换电路,89C51、变频器及一些附属电路和相关参数的继电器,也可以实现上述功能,利用单片机控制具有控制单元小、,占地面积小、成本低、控制电路电耗小等优点,但是,单片机及相关的附属电路工作在大电流、高冲击的电磁环境,具有比较差的稳定性,另外,由于长期的连续运行,元器件老化比较快,因此,利用单片机控制具有故障率高,寿命短的缺点。
(2)恒压供水控制器控制,利用恒压供水控制器、变频器及附属电路和相关参数的继电器也可以实现恒压供水功能,但是恒压供水控制器具有不可编程性,因此在现场调试和现场监控性能差,不易实现PID运算,控制的精度不够高,相关的报警、故障诊断电路比较复杂。
(3)PLC控制,利用PLC、变频器及相关的继电器控制,可以完全实现上述的控制功能,具有控制精度高,高度节能、具有良好的人机界面、现场监控和现场调试方便、能够适应复杂的电磁环境、具有寿命长、故障率低等一系列的优势。
因此,经过慎重的论证,本设计采用PLC控制作为核心的控制单元。
2.3系统控制方框图
本控制系统有可编程控制器(PLC)、A/D转换模块、D/A转换模块、变频器、传感器部分、监控对象和电控回路组成。
其硬件功能框架图如图1所示。
图1恒压供水控制系统示意图
3系统硬件选型
3.1PLC可编程控制器部分
3.1.1PLC概述
PLC是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机[1],其结构与一般的计算机相类似,由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM、EPROM、EEPROM等)、输入接口、输出接口、I/O扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。
CPU单元由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器等组成,它是PLC的核心部件,是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成,主要完成运算和控制任务,可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。
进入运行状态后,用扫描的方式接收输入装置的状态或数据,从内存逐条读取用户程序,通过解释后按指令的规定产生控制信号。
分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程,完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务,并根据运算结果控制输出设备。
存储器单元按照物理性能分为两类,随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
随机存储器由一系列寄存器阵组成,每位寄存器可以代表一个二进制数,在刚开始工作时,它的状态是随机的,只有经过置“1”或清“0”的操作后,它的状态才确定。
若关断电源,状态丢失。
这种存储器可以进行读、写操作,主要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。
为防止断电后数据丢失,可采用后备电池进行数据保护,一般可以保存5年,当电池电压降低时,欠电压指示灯发光,提醒用户更换电池。
只读存储器在两种,一种是不可擦除ROM,这种ROM只能写入一次,不能改写。
另一种是可擦除ROM,这种ROM经过擦除以抂这可以重写。
其中EPROM只能用紫外线探险内部信息,E2PROM可以用电擦除内部信息,这两种存储器的信息可以保留10年左右。
输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成,是PLC与现场输入输出设备或其他外部设备之间的连接部件。
PLC通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入中央处理单元,通过用户程序的运算与操作,把结果通过输出模块输出给执行单元。
输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部,输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行单元的作用,还具有功率放大的作用。
输出模块有晶体管输出模块、晶闸管输出模块和继电器输出模块。
程序存储器
4096字
用户存储器
2560字
存储器类型
EEPROM
存储卡
数据后备(超级电容)
190h
编程语言
LAD、FBD和STL
程序组织
1个组织块(可以包含子程序和中断程序)
本机I/O
24点输入/16点输出
扩展模块数量
7个模块
数字量I/O映像区
256点(128点输入/128点输出)
数字量I/O物理区
248点(128点输入/240点输出)
模拟量I/O映像区
32路畭32路输出
模拟量I/O物理区
35路(28路畭7路输出)或14路输出
布尔指令执行速度
0.37μs/指令
计数器/定时器
256/256个
顺序控制继电器
256个
基本运算指令
11项
增强功能指令
8项
FOR/NEXT循环
有
整数运算(算术运算)
实数运算(算术运算)
内置高速计数器
6个(30kHz)
内置模拟电位器
2个(8位分辩率)
脉冲输出
2个高速输出(20kHz)
通信中断
1发送器/2接收器
定时中断
2个(1~255ms)
输入中断
4个
口令保护
3级口令保护
通信
2个2个RS-485通信接口可用作PPI接口、MPI从站接口和自由口
表1CPU226技术指标
接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。
扩展接口是用于扩展输入输出单元。
它使PLC的控制规模配置得更加灵活。
这种接口为总线形式,可以配置开关量的I/O单元,也可以配置如模拟量、高速计数等特殊I/O单元及通信适配器等。
编程器接口是连接编程器的,PLC本体通常是不带编程器的。
为了能对PLC编程及监控,PLC上专门设置有编程器接口。
通过这个接口可以接各种形式的编程装置,还可以利用此接口做通信、监控工作。
存储器接口是为了扩展存储器而设置的。
用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区,可以根据使用的需要扩展存储器。
其内部也是接到总线上的。
通信接口是为了在微机与PLC、PLC与PLC之间建立通信网络而建立的接口。
3.1.2PLC内部分配
CPU226I/O接口及内部寄存器分配如表2和表3。
表2内部存储器使用
触摸屏PID参数设定置
VW10
触摸屏PID参数增益
VW12
触摸屏PID参数采样时间
VW14
触摸屏PID参数积分时间
VW16
触摸屏PID参数微分时间
VW18
PID反馈量(PVn)
VD100
PID给定置(SPn)
VD104
PID输出置(Yn)
VD108
PID增益(KC)
VD112
PID采样时间(T)
VD116
PID积分时间(TI)
VD120
PID微分时间(TD)
VD124
模拟输入压力值存储
VD128
压力下限存储
VD132
3.1.3PLC选型和性能指标
根据系统的应用领域、采集数据的类型和大小、I/O点数、以及设置数据需要得内存大小,本文中所选用的PLC是西门子公司的产品S7-200系列,CPU的型号是CPU226[2]。
CPU226集成了24点输入和16点输出,共有40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块,最大扩展至248点数字量I/O点或35路模拟量I/O。
CPU226有13KB程序和数据存储空间,6个独立的30kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。
CPU226配有2个RS-485通信编程口,具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力,用于较高要求的中小型控制系统。
其性能指标如表1。
表3I/O接口分配表
输入
输出
电机启动
SB1
I0.0
1#工频输出
KM1
Q0.0
电机停止
SB2
I0.1
2#工频输出
KM2
Q0.1
手动自动转换
SB3
I0.2
3#工频输出
KM3
Q0.2
变频工频转换
SB4
I0.3
1#变频输出
KM4
Q0.4
报警解除按钮
SB5
I0.4
2#变频输出
KM5
Q0.5
急停
SB6
I0.5
3#变频输出
KM6
Q0.6
压力变送器输入
AIW0
蜂鸣器报警输出
Q0.7
水位变送器输入
AIW2
压力模拟量输出
QW0
3.2变频器的概述及选型
(1)变频器的选用:
变频器的选用应满足以下规则,变频器的容量应大于负载所需的输出;
变频器的容量不低于电机的容量;
变频器的电流大于电机的电流。
参数号
设定值
说明
P0100
欧洲/北美设定选择
P0300
1
电机类型选择(异步电机)
P0304
380
电机额定电压
P0305
75
电机额定电流
P0307
37
电机额定功率
P0308
0.87
电机额定功率因数
P0309
0.925
电机额定效率
P0310
50
电机额定频率
P0311
1450
电机额定转速
P0700
基本操作板(BOP)设置
P1000
2
变频器频率设定值通过外部模拟量给定
P1060
5
点动斜坡上升时间
P1061
点动斜坡下降时间
P1300
20
变频器频率的运行方式为无速度反馈的矢量控制
P0701
16
Din1选择固定频率1运行
P0702
Din2选择固定频率2运行
P0705
Din5控制变频器启停
P1001
固定频率1
P1002
30
固定频率2
表4变频器性能参数设置
由于本设计以风机组2×
30kW为例,因此可选用37kW,额定电流75A的变频器。
考虑到改进设计方案的可行性,调速系统的稳定性及性价比,
我们采用西门子MM440,2×
37kw,
额定电流为75A
的通用变频器。
该变频器采用高性能矢量控制技术,提供低速高转矩输出和良好的动态特性,
同时具备超强的过载能力,
可以控制电机从静止到平滑起动期间提供3S,有200%
的过载能力
。
(2)变频器参数的设置:
负载为一大惯性负载,在停车时,为防止因惯性而产生的回馈制动使泵升电压过高的现象,加入制动电阻,斜坡下降时间设定长一些。
外接制动电阻的阻值和功率可按公式R≥2Ud/1P≥(0.3—0.5)选取。
式中:
U
为变频器直流侧电压,d
为变频器的额定电流。
本次设计采用西门子与37kW电机配套的制动电阻响和对转速调整的要求,系统用模拟量输入作为附加给定,与固定频率设定相叠加以满足不同型号模具特殊要求。
调速系统电路图如图2。
制动电阻的热敏开关4BD22-2EAO,1.5Q,2.2kW[3]。
变频器的各项参数设置如表4所示。
3.3传感器的介绍及选型
该控制系统中存在大量的模拟量信号,这些信号的输入都要通过传感器是进行模拟量采集,将采集的模拟量信号送入PLC输入模块进行模数转换,
表5HM23Y型压力变送器性能参数
测量范围
0~0.5MPa~220MPa
过载能力
2倍满量程压力(其中100Mpa以上过压为1.1倍)
压力类型
表压或绝压
测量介质
与316不锈钢兼容的气体或液体
供电电源
12~36VDC(一般为24V)
信号输出
4~20mA/1~5VDC/0~5VDC/0.5~4.5VDC
综合精度
±
0.1%FS
0.25%FS
0.5%FS
长期稳定性
0.1%FS/年
使用温度范围
-40~+150℃
补偿温度范围
-40~+120℃
温度性能
零点温度系数:
≤±
0.02%FS/℃
灵敏度温度系数:
接液材料
膜片:
17-4PN
连接件:
1Cr18Ni9Ti
响应时间
≤2毫秒
负载电阻
≤(U-10)/0.02Ω
绝缘电阻
100MΩ,50VDC
外壳防护
插头型(IP65);
电缆型(IP67)
安全防爆
ExiaⅡCT5
重量
约0.25公斤
将连续的变化量(大部分为4-20mA的电流信号,0-5V或0-10V的电压信号)转换离散的数字量,存储到PLC内存里;
输出是由模拟量输出模块将我们要输出的存储在内存中的数字离散信号转换为电压信号或者电流信号。
HM23Y型压力变送器[4]采用欧洲先进的溅射薄膜压力传感器作为敏感元件,和电子线路做成一体化结构该型号压力变送器为全不锈钢圆柱型结构,使用方便。
特别适用于井田测井、制药、纺织等粘稠宜堵、强振动的工业现场。
并在国内油田得到很好的应用效果。
该压力变送器有高温、高压、高精度、高稳定性、抗振动、冲击、耐腐蚀全不锈钢结构、体积小、重量轻直接过程安装等特点。
其性能参数如表5所示。
水位传感器的测量范围是20m,输出的信号为电流信号,输出电流的范围为4-20ma;
PLC把0-20m的水位信号转换成0-10V的电压信号输出。
采用人机交互界面显示实际的水位值,水位传感器有很多类型,如超声波水位传感器、浮子式水位传感器、压力式水位传感器等。
其中以压力式水位传感器应用再为广泛。
本设计采用的水位传感器是美国先进的WL450压力水位传感器,该传感器使用的是美国先进碳氟化合物感压膜,WL450型投入式压力水位传感器是最新升级产品。
WL450水位传感器探头采用316L不锈钢封装,全温区、全量程数字温度补偿。
电缆封装采用杜邦Hytrel材料,应用范围广泛,长期工作稳定可靠,适合江河、水库、地下水等永久安装使用。
该传感器的相关参数如下:
测量范围:
0.9m;
4.5m;
9m;
18m;
36m;
76m。
测量精度:
0.1%
数据接口:
4-20mA和RS485
工作电压:
10~28VDC
工作温度:
-10~+80℃
探头材料:
316L不锈钢外壳,碳氟化合物感压膜
3.4模数转换模块
模数转换模块分为A/D转换模块和D/A转换模块。
PLC模拟量处理功能主要通过模拟量输入输出模块及用户程序来完成。
模拟量输入模块接受各种传感器输出的标准电压信号或电流信号,并将其转换为数字信号存储到PLC中。
PLC根据生产实际要求,通过用户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果通过模拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行元件[5]。
本系统设计有6路模拟量输入和1路模拟量输出,其中有四路是温度传感器输入。
所以本设计选用一块EM231热电偶模拟量输入模块,模拟量输入模块接受各种传感器输出的标准电压信号或电流信号,将其转换为数字信号存储到PLC中。
该模块完成四路温度传感器的模数字量转换功能;
一块EM235模拟量输入输出模块,该模块完成两路传感器的模数转换和一路数模转换功能。
EM231性
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