PLC在变频调速恒压供水系统中的应用设计Word文件下载.docx
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前言
随着变频调速技术的发展和人们节能意识的不断增强,变频恒压供水系统的节能特性被广泛地应用于住宅小区、高层建筑的生活及消防供水系统。
在智能建筑教学领域,恒压供水系统已成为一个研究的重要课题,其典型结构是由压力传感器、可编程控制器(PLC)、变频器、供水泵组等组成。
随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大,人口的增多以及人们生活水平的提高,对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求,机组的控制主要依靠值班人员的手操作,控制过程烦琐,而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。
为了保证供水,机组常保持在超压的状态下运行,爆损现象也挺严重。
本论文结合现状,设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。
本课题满足了变频恒压供水系统中的基本要求,是由储水系统、动力系统,回水系统和控制系统(手动控制、自动控制)组成。
对象系统由四台不同功率的水泵机组组成,都为常规变频循环泵,用于模拟正常模式下的生活供水动力系统。
回水系统采用有机玻璃材料结构,以使实验系统具有可观察性。
第一章绪论
1.1本课题设计的背景
随着变频器调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高,变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统,然而,由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备(水泵),在对原有供水系统进行变频改造的实践中,往往会出现一些在理论上意想不到的问题.本课题介绍的变频控制恒压供水系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题,既体现了变频控制恒压供水的技术优势,同时有效的实现节水、节电、节省人力,最终达到高效率的运行目的。
PLC是继电器逻辑控制系统发展而来,所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。
继电器在控制系统中主要起两种作用:
(1)逻辑运算
(2)弱电控制强电。
PLC是集自动控制技术,计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置,已跃居工业自动化三大支柱(PLC、ROBOT、CAD/CAM)的首位。
可编程控制器,简称PLC。
它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的的一中新型工业控制设备。
具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易,维护工作量少3.功能强、通用性好4.开发周期短,成功率高5.体积小,重量轻、功耗底等优点,已经广泛应用于自动化控制的各个领域,并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。
与继电——接触器系统相比系统更加可靠;
占位空间比继电——接触器控制系统小;
价格上能与继电——接触器控制系统竞争;
易于在现场变更程序;
便于使用、维护、维修;
能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构;
能向中央执行机构;
能向中央数据处理系统直接传输数据等。
因此,进行变频恒压供水系统的PLC控制系统的设计,可以推动变频恒压供水系统行业的发展,扩大PLC在自动控制领域的应用,具有一定的经济和理论研究的价值。
1.2本课题设计的内容
本设计将在以下几个方面对恒压供水控制系统进行研究和论证。
1.2.1恒压供水系统的选型
该系统是由储水系统、动力系统,回水系统和控制系统(手动控制、自动控制)组成。
对象系统由四台不同功率的水泵机组组成,都为常规变频循环泵,用于模拟正常模式下的生活供水动力系统;
1.2.2系统的硬件设计
PLC变频恒压供水控制系统由4台水泵,一台智能型电控柜(包括变频器、PLC、交流接触器、继电器等),一套压力传感器、缺水保护器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。
1.2.3系统的软件设计
系统的软件设计包括PLC的程序设计和变频器的功能参数设定。
这里主要讨论PLC的程序设计。
PLC的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计,手动部分是通过按钮控制水泵在工频下运行和停止,主要考虑系统调试或检修时用。
当选择开关打到"
自动"
时,系统能够进入自动工作状态,由PLC和变频器联合控制各台电机的投入或切除、工频或变频运行方式。
供水系统共有4台泵组电机,在根据水压决定投入泵组台数后,只有最初投入的电机进行变频调速,其它后投入的电机则在工频下全速运行,泵组电机的切换过程由逻辑控制单元PLC实现。
1.3本课设计的目的和意义
随着电力技术的发展,以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备,起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击;
由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命;
可以消除起动和停机时的水锤效应。
其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能,将使供水实现节水、节电、节省人力,最终达到高效率的运行目的。
用户用水的多少是经常变动的,因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。
而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上,即用水多而供水少,则压力低;
用水少而供水多,则压力大。
保持供水压力的恒定,可使供水和用水之间保持平衡,即用水多时供水也多,用水少时供水也少,从而提高了供水的质量。
PLC恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。
例如在某些生产过程中,若自来水供水因故压力不足或短时断水,可能影响产品质量,严重时使产品报废和设备损坏。
又如发生火灾时,若供水压力不足或或无水供应,不能迅速灭火,可能引起重大经济损失和人员伤亡。
所以,某些用水区采用PLC恒压供水系统,具有较大的经济和社会意义。
PLC是面向工业生产过程控制的,特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器-接触器控制系统,使控制装置的可靠性大为提高,在改造传统工业控制设备和开发研制机电一体化高新技术产品中发挥了巨大作用。
而变频器能节能和调速,并能实现自动控制程高精度控制,还能在恒压恒温控制应用实现了智能控制等。
本课程的基本要求是在了解PLC一般性硬软件基本构成和工作原理的基础上,并和变频器综合利用,根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力,达到恒压供水的目的。
改造提高了系统的工作稳定性,得到了良好的控制效果。
第二章系统控制方案的确定
2.1变频调速
2.1.1变频调速的工作原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”,以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
控制电路是给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,它有频率、电压的“运算电路”,主电路的“电压、电流检测电路”,电动机的“速度检测电路”,将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”,以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
2.1.2变频器的技术特点及应用
变频器的主要技术特点有减少功耗降低成本和简化机构提高性能。
所以它在现代工业中起着重要的作用,广泛应用于航空航天,基础工业,自动控制等行业。
2.2系统控制方案
PLC变频恒压供水控制系统是以PLC为控制核心,由PLC控制器、变频调速器、压力传感器、等其他电控设备以及4台水泵组成,如图2-1所示。
图2-1变频调速恒压供水控制系统的原理图
其工作过程:
设定一个水压值后,根据变频恒压供水原理,利用安装在供水管网上的压力传感器,连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号,并将水压信号转换为电信号(模拟量)通过PLC中的I/O模块转换为数字量送入PLC,PLC根据实际水压值与设定水压值进行比较和经PID运算,并将运算结果转换为电信号,输出送到变频器的信号给定端,变频器根据给定信号,调节水泵的电源频率,从而调整水泵的转速,以维持供水管网中水压值在设定的水压范围内,当变频器频率到达最大最小时,由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水,从而达到恒压供水的目的。
这样也就形成了一个闭环控制的恒压供水系统。
其中变频器的作用是为水泵电机提供可变频率的电源,实现水泵电机的无级调速,从而使管网水压连续变化,同时变频器还可作为电机软启动装置,限制电机的启动电流。
压力变送器的作用是检测管网水压。
智能PID调节器实现管网水压的PID调节。
PLC控制单元则是泵组管理的执行设备,同时还是变频器的驱动控制,根据用水量的实际变化,自动调整其它工频泵的运行台数。
变频器和PLC的应用为水泵转速的平滑性连续性调节提供了方便。
实现了水泵电机的变频软启动,消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击,延长机电设备的使用寿命。
该系统的特点:
(1)四台水泵都能自动变频软启动,并根据用水量大小自动调节泵台数。
(2)电控自动状态时,四台水泵自动轮换变频运行,工作泵故障时备用泵自动投入,可转换自动或人工手动开、停机。
(3)设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电气保护功能,具有相序保护防止水泵反转抽空,并具有缺水保护及水位恢复开机功能。
(4)有设备工作、停机、报警指示。
该系统可分为手动和自动两种运行方式,四台水泵均可以在工频或变频调速状态下工作。
1、手动运行
当用手动方式时,把转换开关切换到手动挡。
按下启动按钮,启动电机变频运行;
当系统压力不够需要增加泵时,此时切断电机变频,同时PLC控制电机变频运行。
为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击,在切换时,用时间继电器作了0.5的时间延迟,当压力过大时,可以手动按下停止按钮,切断工频运行的电机。
使用该方式时,可根据需要,停按不同电机对应的启停按钮,可以依次实现手动启动和手动停止水泵。
该方式仅供自动故障时使用。
2、自动运行
由PLC在条件成立时,进行增泵升压和减泵降压控制。
(1)升压控制:
系统工作时,每台水泵处于三种状态之一,即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态。
系统开始工作时,供水管道内水压力为零,在控制系统作用下,变频器开始运行,第一台水泵软启动且转速逐渐升高,当输出压力达到设定值,其供水量与用水量相平衡时,转速才稳定到某一定值,这期间第一台泵处在调速运行状态。
当用水量增加水压减小时,通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速;
反之用水量减少水压增加时,水泵按设定的速率减速到新的稳定转速。
当用水量继续增加,变频器输出频率增加至工频(即50HZ)时,水压仍低于设定值,锁相同步控制器控制变频器频率与工频同步,由PLC控制切换至工频电网后恒速运行;
同时,使第二台水泵,投入变频器并变速运行,系统恢复对水压的闭环调节,直到水压达到设定值为止。
在第二台投入变频运行以前,使变频器输出频率降至起动频率,然后再投入。
如果用水量继续增加,每当加速运行的变频器输出频率达到工频时,将继续发生如上转换,并有新的水泵投入并联运行。
当最后一台水泵投入运行,变频器输出频率达到工频,压力仍未达到设定值时,控制系统就会发出故障报警。
(2)降压控制:
当用水量下降水压升高,变频器输出频率降至起动频率时,水压仍高于设定值,系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉,恢复对水压的闭环调节,使压力重新达到设定值。
这样每台水泵的启动均经变频器的控制,全部机组实现循环软启动,即每台泵的启动频率先从设定的最低频率开始逐渐上升,并遵循“先开的泵先停,先停的泵先开”的原则。
当用水量继续下降,每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时,将继续发生如上转换,直到剩下最后一台变频泵运行为止。
当一台水泵变速运行,用水量接近于零,水泵最小转速为临界转速时(这是变速运行水泵最小工作转速),可根据这一工作状态的长短和系统用水的特点,使系统转入间歇运行或小容量水泵运行。
除了具有上述自动切换功能外,系统具有一次水位检测功能,即在水位低限时报警和切断输出。
该系统还设有多种保护、人机交互、强电逻辑硬件互锁、报警及上位连接功能,从而保证正常供水,且可以做到无人值守.
第三章系统硬件设计
3.1可编程控制器(PLC)的选型
3.1.1PLC概述
可编程控制器,英文称ProgrammableController,简称PLC,本课题中用PLC作为它的简称。
PLC是用于工业现场的电控制器。
它源于继电器控制技术,但基于电子计算机。
它通过运行存储在其内存中的程序,把经输入电路的物理过程得到的输入信息,变换为所要求的输出信息,进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。
PLC基于电子计算机,但并不等同于普通计算机。
普通计算机进行入出信息变换时,大多只考虑信息本身,信息入出的物理过程一般不考虑的。
而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性,以及信息的实际使用。
特别要考虑怎么适应于工业环境,如便于安装,便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现,可以说是PLC实现控制的两个基本要点。
PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。
其功能要比继电控制装置多的多、强的多。
PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接,外部根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
PLC有丰富的指令系统,有各种各样的I/O接口、通信接口,有大容量的内存,有可靠的自身监控系统,因而具有以下基本的功能:
1逻辑处理功能;
2数据运算功能;
3准确定时功能;
4高速计数功能;
5中断处理(可以实现各种内外中断)功能;
6程序与数据存储功能;
7联网通信功能;
8自检测、自诊断功能。
可以说,凡普通小型计算机能实现的功能,PLC几乎也都可以做到。
像PLC这样。
集丰富功能于一身,是别的电控器所没有的,更是传统的继电控制电路所无法比拟的。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能,同时,也为节水行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。
3.1.2PLC的选型
在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
因此,工程设计选型和估算时,应详细分析工艺过程的特点、控制要求,明确控制任务和范围确定所需的操作和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等,最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
1.输入输出(I/O)点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量,通常根据统计的输入输出点数,再增加10%~20%的可扩展。
余量后,作为输入输出点数估算数据。
实际订货时,还需根据制造厂商PLC的产品特点,对输入输出点数进行圆整。
根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入5点,输出10点。
2.存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段,由于用户应用程序还未编制,因此,程序容量在设计阶段是未知的,需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算,通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式,许多文献资料中给出了不同公式,大体上都是按数字量I/O点数的10~15倍,加上模拟I/O点数的100倍,以此数为内存的总字数(16位为一个字),另外再按此数的25%考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图,这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
3.机型的选择
目前,国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的PLC产品,使用户眼花缭乱、无所适从。
通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分许。
我决定使用的三菱公司生产的FX2N列的FX2N-32M型号的可编程控制作为变频调速恒压供水系统的控制器,但是由于和变频器之间的信号不同,我们要添加一个有A/D、D/A转换功能的模拟输入输出模块,将信号进行转换输入变频器。
3.2变频器的选型
在传统的变频控制系统中,变频器的启动/停止由PLC通过开关量输出控制,变频器频率是由PLC通过模拟量输出端口输出0~5(10)V或4~20mA信号控制的,这需要购买PLC比较昂贵的模拟量输出端口模块。
对变频器故障的检测是只是由PLC读取变频器的故障报警触点,只是知道变频器出现故障,但具体什么故障并不清楚,需操作人员查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才知道,这对于一般值班人员来说太难了。
因此在本系统中PLC对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的,我选用的是的三菱系列F500变频器风机/泵类专用变频器,采用最适磁通控制方式,实现更高节能运行。
内置PID,变频/工频切换和多泵循环运行功能。
PLC通过自由通讯口方式与变频器通讯,控制变频器的运行,读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数。
其实物图如图3-1所示。
图3-1三菱F500变频器的实物图
3.3水泵的选型
根据我们的需要,并结合它所具有的特点,我选用上海沪龙公司的IS式离心泵,它供输送清水及物理化学性质类似于清水的其他液体之用,适用于工业和城市给排水、高层建筑增压送水、园林喷灌、消防增压、远距离输送、暖通制冷循环、浴室等冷暖水循环增压及设备配套,使用温度T:
≤80
℃。
其实物图如图3-2所示。
图3-2ISG型立式离心泵的实物图
3.4压力传感器的选型
根据我们的需要,并结合它所具有的特点,我选用PTH503压力传感器。
它采用全不锈钢封焊结构,具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。
输出信号:
4~20mA(二线制)、0~5V、1~5V、0~10V(三线制)供电电压:
24DCV(9~36DCV)。
广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制,具有高精度、高稳定性、高重复性、量程范围宽、介质兼容性好等优点。
其实物图如图3-3所示。
图3-3PTH503压力传感器的实物
3.5PLC及变频器控制
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- PLC 变频 调速 供水系统 中的 应用 设计