电气与电子工程系 学生毕业论文净.docx
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电气与电子工程系学生毕业论文净
AnhuiVocactional&TechnicalCollegeofIndustry&Trade
毕业论文
PLC变频器在恒压供水上的应用
TheapplicationofPLC,frequencyconverterinconstantpressurewatersupply
所在系院:
电气与电子工程系
专业班级:
机电一体化技术(6)班
学生学号:
2014350614
学生姓名:
刘军伟
指导教师:
李言武
2017年5月20日
安徽工贸职业技术学院
毕业设计(论文)任务书
系(院)电气与电子工程系专业机电一体化技术班级(6)
学生姓名刘军伟学号2014350614
一、题目:
PLC变频器在恒压供水上的应用
二、内容与要求:
内容:
1.独立完成PLC变频器在恒压供水上的应用设计。
2.运用相关知识完成各模块的详细设计,调试及测试。
要求:
1.通过变频器控制水泵的转速。
2.能够读懂变频恒压供水系统结构。
3.能够看懂PLC变频器的工作原理。
三、设计(论文)起止日期:
任务下达日期:
2016年5月25日
完成日期:
2017年5月20日
指导教师签名:
2016年5月25日
四、教研室审查意见:
教研室负责人签名:
2016年5月25日
安徽工贸职业技术学院
毕业设计(论文)指导教师、评阅人评语
专业、班级机电一体化6班学生姓名刘军伟完成日期2017.5.20
题目:
PLC变频器在恒压供水上的应用
毕业设计(论文)共×××页,其中:
图×××幅,表×××个
指导教师评语:
建议成绩指导教师(签名):
年月日
评阅人评语:
建议成绩评阅人(签名):
年月日
安徽工贸职业技术学院
毕业设计(论文)成绩评定
专业、班级机电一体化6班学生姓名刘军伟完成日期2017.5.20
题目:
PLC变频器在恒压供水上的应用
毕业设计(论文)共×××页,其中:
图×××幅,表×××个
毕业设计(论文)指导小组评定意见:
毕业论文成绩的评定:
指导教师审阅成绩(70%)
评阅教师评阅成绩(30%)
总分
系(院)负责人签名:
年月日
PLC变频器在恒压供水上的应用
摘要建设节约型社会,合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。
根据用水时间集中,用水量变化较大的特点,分析了供水系统存在成本高,可靠性低,水资源浪费,管网系统待完善的问题。
提出以利用自来水水压供水与水泵提水相结合的方式,并配以变频器、软启动器、PLC、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能等传感器,根据管网的压力,通过变频器控制水泵的转速,使水管中的压力始终保持在合适的范围。
从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。
另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系,所以水泵调速运行的节能效果非常明显,平均耗电量较通常供水方式节省近四成。
结合使用可编程控制器,可实现主泵变频,副泵软启动,具有短路保护、过流保护功能,工作稳定可靠,大大延长了电机的使用寿命。
关键词:
变频调速PLC恒压供水自动控制
TheapplicationofPLC,frequencyconverterinconstantpressurewatersupply
AbstractBuildaconservation-mindedsociety,reasonabledevelopment,economicalutilizationandeffectiveprotectionofwaterresourcesisadifficulttask.Accordingtothecharacteristicofthelargechangesinwaterconcentration,watersupply,watersupplysystemareanalyzedisthehighcost,lowreliability,wastewater,pipenetworksystemtoimprovetheproblem.PutforwardbyuseoftapwaterandwaterpressurewaterpumpwaterthewayofcombiningPLCandfrequencyconverter,softstarter,andmicroleakcompensator,pressuresensor,liquidlevelsensor,anddifferentfunctionssuchassensors,accordingtothepipenetworkpressure,throughtheinvertercontrolofpumpspeed,tokeepthepressureinthepipeisalwaysintherightrange.Tosolvetheinsufficientpressureasaresultofflooristoohighandtheproblemofenergyconsumptionwhensmallflow.
Anotherpumppowerconsumptionpowerthreetimesofthedirectrelationshipwiththemotorspeed,sothepumpspeedrunenergy-savingeffectisveryobvious,theaveragepowerconsumptionisusuallysavenearlyfortypercentwatersupplyway.Combinedwiththeuseofprogrammablecontroller,whichcanrealizethemainpumpfrequencyconversion,theauxiliarypumpsoftstart,withshortcircuitprotection,overcurrentprotectionfunction,stableandreliablework,greatlyextendtheservicelifeofthemotor.
Keywords:
FrequencycontrolofmotorspeedPLCConstantpressurewatersupplyTheautomaticcontrol
第1章引言
1.1变频恒压供水产生的背景和意义
近年来我国中小城市发展迅速,集中用水量急剧增加。
据统计,从1990年到1998年,我国人均日生活用水量(包括城市公共设施等非生产用水)有175.7升增加到241.1升,增长了37.2%,与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。
在用水量高峰期时供水量普遍不足,造成城市公用管网水压浮动较大。
由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大,仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。
这种情况造成用水高峰期时供水压力不足,用水低峰期时供水压力过高。
供水厂希望通过对原有系统的技术改造,提高生产过程的自动化水平。
并在此基础之上配备相应的系统管理软件,改变传统的落后管理方式,使管理工作规范化,提高水厂的业务管理水平。
由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统,所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行,设计一套取水和供水的自动控制系统,克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题,降低能源消耗和资源浪费,提高设备的可维护性和运行的可靠性,以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。
在相当比较大规模的工业生产供水系统,变频调速恒压供水有它自身的特点:
1.供水量在短时间内(一天时间内)变化大,这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。
2.对供水压力的要求比较严格,供水的压力随供水的流量的变化而变化,甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。
从上即可结论:
以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要,也提高整个系统的效率,延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。
恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速,依据用水量的变化(实际上为供水管网的压力变化)自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能,对合理设计变频器调速恒压供水设备,降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
1.2变频恒压供水系统的国内研究现状
目前,就国内而言,归结起来主要采用以下三种方法:
(1)水池-水泵(恒压变频或气压罐)-管网系统-用水点
这种方式是集中供水。
对于一、二层是商业群房,群房上建有多幢住宅的建筑,目前较多采用此种供水方案。
一般设计有地下生活水池一座,集中恒压变频供水,不设屋顶水箱。
主水泵一般有三台,二开一备自动切换,副泵为一般为一小流量泵,夜间用水量小时主泵自动切换到副泵,以维持系统压力基本不变。
恒压变频供水是较为理想和先进的。
首先恒压变频供水保证出水压力不变,根据用水量大小进行变频供水,既节约电能,又保证水泵软启动(对电网电压冲击不大),延长了水泵寿命。
各台水泵自动轮换使用,即最先投入使用的水泵最早退出运行,这样各台水泵寿命均等,而且一旦水泵出现故障,该系统能自动跳过故障泵运行。
如图1-1所示。
图1-1传统恒压供水方式
(2)水池-水泵-高位水箱-用水点
此方式也是集中供水。
单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。
一般也需要设计有一座地下水池,通过两台水泵(一用一备)抽水送至高位水箱,再由高
位水箱向下供水至各用水点。
该方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。
(3)单元水箱-单元增压泵-单元高位水箱-各单位用水点
此方式已简化为单元总水表进水。
单元水箱和单元增压泵实际上是一个整体,我们称之为单元增压器。
由于有屋顶水箱,高水位时停泵,低水位时启泵,这样,水泵也有了停息时间,既省电又不至于一停电就停泵无水供应,用水有了保障,社会效益较好。
水池-水泵(恒压变频或气压罐)-管网系统-用水点是目前国内外普遍采用的方法。
该系统供水采用变频泵循环方式,以“先开先关”的顺序关泵,工作泵与备用泵不固定死。
[1]这样既保证供水系统有备用泵,又保证系统泵有相同的运行时间,有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象,提高了设备的综合利用率,降低了维护费用。
水池-水泵-高位水箱-用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱,再由高位水箱向下供水至各用户。
[2]但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染,影响居民的身体健康。
所以这种方案并不可取,终将淘汰。
单元水箱-单元增压泵-单元高位水箱-各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标,但是它的投资较大,总费用比上两种方式增加一、二十万元。
第2章变频恒压供水系统结构及工艺流程
2.1恒压供水系统原理
本文的供水系统可适用于生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水。
以三台水泵组成的供水系统为例[3],变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、PLC控制系统、变频器、人机界面、上位连接以及报警装置等部分组成。
其工作过程:
PLC首先检测给水池液位保护开关是否动作,否则直接由变频器启动第一台水泵;同时由远传压力表测出出水口管路水压,将模拟量送到PLC控制器,与给定水压值(设定上下限)比较后,控制变频器输出频率,调节水泵转速。
当变频器频率到达最大或最小时,由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水,这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统。
如图2-1所示。
图2-1恒压供水系统
由图可见市网来水用高低水位控制其EQ来控制注水阀YV1,它们自动把水注满水池,只要水位低于高水位,则自动向水池注水。
水池的高低水位信号也直接送给PLC最为报警用。
位保证供水的连续性,水位上下限传感器高低距离相差不是很大。
生活供水和消防供水公用三个水泵。
平时电磁阀YV2处于失电状态,关闭消防管网,三台水泵根据生活用水的多少按一定逻辑控制运行,使生活供水在恒压条件下运行。
当有火灾发生时,电磁阀YV2得电,关闭生活用水管网,三台水泵供消防用水使用,并根据用水量的大小,使消防供水也在恒压状态下进行。
火灾结束后,三台水泵再改为生活供水使用。
对生活/消防恒压供水的要求:
1.生活供水时,系统应低恒压值运行;消防供水时,系统应高恒压值运行。
2.三台水泵根据恒压的需要,采取“先开后停”的原则接入和退出。
3.在用水量较小时,如果一台泵连续运行超过3小时,则要切换到下一系统,具有”倒泵功能”避免某一台泵工作时间过长。
4.要用完善的报警功能。
5.对泵的操作要有手动控制功能,手动只在应急或检修时使用。
2.2工艺流程
系统采用3台水泵并联运行方式,把水泵M1,M2,M3分别和电网及变频器连接,实现变频运行。
为保护电机,水泵M1,M2和M3可以通过变频器逐步启动,启动参数可调,即平滑加速,减速,逐渐停机,它可以克服瞬间断电停机冲击电流大的弊病,减轻对管道的冲击,避免高程供水系统的“水锤效应”,减少设备损坏。
在工作过程中,压力传感器将主管网水压变换为电流信号,经模拟量输入模块,输入PLC,PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算,输出控制信号经模拟量输出模块至变频器,调节水泵电机的运行频率。
如图2-2所示。
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M1,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M1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5OHz)时,水压仍低于设定值,PLC自动将第二台泵M2启动投入到变频运行,同时将变频泵M1切换到工频运行,系统恢复对水压的闭环调节,直到水压达到设定值为止。
如果用水量继续增加,变频器输出频率增加至工频(即5OHz)时,水压仍低于设定值,PLC自动将最后一台水泵M3启动投入到变频运行,同时将变频泵M2切换到工频运行,系统恢复对水压的闭环调节。
此时如果变频器输出频率达到工频及3台泵全负荷工作,压力仍未达到设定值时,控制系统就会发出故障报警。
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,系统将工频运行的水泵M3关掉,恢复对水压的闭环调节,使压力重新达到设定值。
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。
图2-2工作流程图
第3章硬件设计
3.1主要器件选型
3.1.1PLC简洁
PLC即可编程控制器(ProgrammablelogicController,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:
一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路,也是一种和硬件结合很紧密的语言,在半导体方面有很重要的应用,可以说有半导体的地方就有PLC。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
1PLC具有以下特点:
(1)可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
(2)配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
(3)易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
(4)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
(5)体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
2PLC的应用领域:
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。
(1)开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
(2)模拟量控制
在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。
(3)运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
(4)过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
(5)数据处理
现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
(6)通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
3PLC的国内外状况:
在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。
传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字设备公司(DEC)研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程序控制器,称Programmable,是世界上公认的第一台PLC.
限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术
人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机(简称PC)发展起来后,为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController(PLC)。
20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定
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