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毕业论文变频供水系统设计
摘要
随着社会经济的迅速发展,人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高,再加上目前能源紧缺,利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术,设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。
本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线,阐明了供水系统的变频调速节能原理,接着分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构。
本文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。
然后用PID对系统中的恒压控制器进行设计,并对系统的硬件设计进行了详细的介绍。
本文构建了基于力控软件的泵站监测系统框架,提出了以力控软件为监控软件,可编程序控制器(PLC)采用西门子S7-200系列作为下位机的泵站分布式控制系统方案。
初步实现了泵站的自动动态采集信号,对监控参数进行趋势分析、趋势预报且能实施报警功能,对各种监控参数的报表也能自动生成并打印,同时利用基于GPRS无线网络,实现了泵站的远程监控,基本满足了用户的需求。
关键词:
变频调速恒压供水;PLC可编程控制器;数据采集
Abstract
Withtherapiddevelopmentofsocialeconomy,itdemandsthebetterofwatersupply’squalityandreliabilityofwatersupplysystem.Meanwhileenergyresourcesareseriouslylack.Soitisinevitabletendencytodesignwatersupplysystemwhichhashighfunctionandsavesonenergywell,withthehelpofadvancedtechniqueofautomation,controlandcommunication.Atthesametimethissystemcanadapttodifferentwatersupplyfields.
Thispaperexplainsestersupplysystem’senergy-savingprincipleofpumpVFspeedcontrolaccordingtocharacteristiccurveofrunningpipelinesandwaterpump,analyzesthestructureofVFspeedregulatingconstantpressurewatersupply.Inthispaper,onthebasisofabovePLCandinverter’smethodfitswatersupplysystemanddatatransmissionverywell.ThenconstantpressuresupplywatercontrollerisdesignedbyPIDcontrolrespectively,andthedesignofthesystem’shardwareandsoftenisintroduced.
Thispaperestablishestheframeofpumpingstationsupervisorysystemwhichisbasedonconfigurationsoftware,andproposestheprojecttodevelopthedistributedcontrolsystemofpumpingstationusingconfigurationsoftwareassupervisorysoftwareandSiemensS7-200ashypogenousmachine.Itcancollectsignalautomatically,executetrendanalysisaboutthesupervisoryprinttheparameteranddata.Soitfulfillsreused,extendedandmaintainedeasily,parameter,forecastalarm,andsatisfiesthemainneedofuser.
Keywords:
VFspeedfrequencytoworkingconstantpressurewatersupply;ProgrammableLogicalController;
Datacollection
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题来源及其设计意义1
1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状2
1.3水泵电机的调速技术2
1.3.1水泵电机的调速原理3
1.3.2调速控制节能分析3
1.3.3变频恒压供水系统的特点4
1.4变频恒压供水控制系统的常用控制方式5
1.5本文的主要设计内容5
1.6本章小结7
2PLC可编程控制器简介8
2.1PLC的起源与发展8
2.2可编程控制器的基础知识10
2.2.1可靠性高10
2.2.2易操作性10
2.3PLC控制系统的组成13
2.3.1硬件的组成13
2.3.2软件的组成16
2.4PLC控制系统的发展趋势20
2.5本章小结21
3变频恒压供水自动控制系统的总体设计22
3.1变频恒压供水系统工作原理简述22
3.2系统控制方式23
3.2.1全自动恒压控制方式23
3.2.2全自动-手动工频运行方式23
3.3供水自动控制系统总体方案设计24
3.3.1功能设定24
3.3.2总体结构关系25
3.3.3总体工作流程25
3.4系统硬件设计26
3.4.1主电路设计26
3.4.2控制电路设计26
3.4.3控制电路分类27
3.5主要器件的选择33
3.5.1PLC的选择33
3.5.2变频器的选择33
3.5.3变送器的选择34
3.6PLC的配置34
3.6.1S7-200型PLC的特点34
3.6.2PLC的开关量输入、输出点34
3.6.3PLC程序设计34
3.7I/O口分配35
3.8本章小结36
4泵站局部监控及远程监控38
4.1泵站监控的功能要求38
4.2泵站局部监控实施方案39
4.3力控主控界面39
4.4泵站计算机监控系统的构成39
4.5远程控制40
4.6本章小结41
5经济可行性分析42
6结论43
6.1设计工作总结43
6.2设计展望43
致谢44
参考文献45
附录146
附录250
科技文章摘译51
1绪论
1.1课题来源及其研究意义
众所周知,水是生产生活中不可缺少的重要组成部分,在节水节能己成为时代特征的历史条件下,我们这个水资源和电能短缺的国家,长期以来在市政供水、小区供水、高层建筑供水等方面技术一直比较落后,自动化程度低。
主要是由于受陈旧的供水设备和输送管路的限制,在用水高峰期,水的供给量常常低于需求量,出现水压降低水供不应求的现象。
传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压,依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。
这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点;不仅生活用水容易受到二次污染,而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高,检修、维护也存在困难,而且像水塔这样传统的供水系统,在维护和升级系统方面,也是非常昂贵的。
因此,如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水,己是迫在眉睫。
随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、计算机技术和智能控制技术的迅速发展并日趋完善,变频调速技术在供水领域得以运用,实现了水泵电机无级调速,能够极大地改善给水管网的供水环境。
系统可根据供水管网的用水情况,按照管网瞬间压力变化,通过智能控制器,实时自动调节水泵电机的转速和多台水泵电机的投入及退出,使管网主干出口端压力保持在恒定的压力设定值,有效地防止水路管网湍振而出现管路爆裂现象。
相比传统的恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统和气压罐供水系统,变频恒压供水系统不仅具有供水质量高、灵活性强、电机起制动平稳、无水锤效应、占地面积小、设备投资少、噪音低等优点,而且提高了供水系统的稳定性和可靠性,节水、节能效果显著,具有很好的社会效益和经济效益。
本设计针对中小城市,一般中小城市人口在一百多万,人口分为多个区居住。
本课题是其中的一个泵站的电气控制设计和施工,该泵站配有7台45kw水泵,供水能力为1300T/H,4条专用蓄水水管,3条专用供水水管,建有1座共4500吨的蓄水池,配备7台大流量高扬程水泵。
本系统的水泵用户选用上海双轮泵业有限公司的产品,参数如表1.1所示:
表1-1系统中所选用的水泵参数表
型号
流量(m3/h)
扬程(m)
转速(r/min)
功率(kw)
150TSWA2
155
60
1450
45
1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
在早期,由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中,变频器仅作为执行机构,为了满足供水量大小需求不同时,保证管网压力恒定,需在变频器外部提供压力控制器和压力变送器,对压力进行闭环控制。
随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后,国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器,像日本Samco公司,就推出了恒压供水基板,备有“变频泵固定方式”,“变频泵循环方式”两种模式。
它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能,只要搭载配套的恒压供水单元,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作,可构成最多7台电机(泵)的供水系统。
这类设备虽微化了电路结构,降低了设备成本,但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,系统的动态性能和稳定性能不高,与别的监控系统和组态软件难以实现数据通信,并且限制了带负载的容量,因此在实际使用时其范围将会受到限制。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程,大多采用国外的变频器控制水泵的转速,水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现,有的采用单片机及相应的软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标方面,还远远没能达到所有用户的要求。
原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw-22kw),无需外接PLC和PID调节器,可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现,但其输出接口限制了带负载容量,同时操作不方便且不具有数据通信功能,因此只适用于小容量,控制要求不高的供水场所。
可以看出,目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中,对于能适应不同的用水场合,结合现代控制技术、网络和通讯技术的大功率变频恒压供水系统的水压闭环控制及监控研究的不够。
因此,有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能,使其能被更好的应用于生活、生产实践。
1.3水泵电机的调控技术
在供水企业中,水泵的电能消耗及设备的维护管理费用,在生产成本中占有很大的比例;水泵电机作为一种高耗能通用机械,其耗电量占全国总耗电量的2196以上,具有很大的节能潜力。
由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的,而轴功率与转速的三次方成.正比,造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。
因此,这种调控方式虽然简单,但从节约能耗的角度来看,很不经济。
近年来,电机调速技术的应用,为水泵电机的节能开辟了一个新途径。
它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化,使水泵始终在高效区工作,将大大地降低水泵能耗,合理地进行设备管理与维护,对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。
1.3.1水泵变频调速原理
异步电动机定子三相对称绕组空间相隔120度,当通以三相对称电流时,产生旋转磁场,旋转磁场的转速,即同步转速为
n=60f/p(r/min)(1.1)
异步电动机的转差率为:
s=(n-n)/n1(l.2)
n=nl(1-s)=60f(1-s)/p(l.3)
式中:
f,一定子绕组电源频率
P一磁场极对数
s一转差率
n,一同步转速((r/min)
n一异步电动机转速(r/min)
因此,改变电源频率,就可以改变电动机的转速。
从而可以调节水泵的转速,这就是水泵变频调速的基本原理。
1.3.2调速控制节能分析
水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。
但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量,其流量随外界用水情况在变化,扬程也因流量和水位的变化而变化。
因此水泵不能总保持在一个工况点,需要根据实际情况进行控制。
通常采用的方法有阀门控制和调速控制。
阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的,因而浪费了能量;而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点,使其流量与扬程适应用水量的变化,维持压力恒定,从而达到节能效果。
水泵扬程一流量特性(h-q)曲线如图
1-1所示。
图1-1水泵h-q特性图
1.3.3变频恒压供水系统的特点
滞后性
供水系统的控制对象是用户管网的水压,它是一个过程控制量,同其他一些用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
非线性
用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响,同时又由于水泵的一些固有特性,使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比,因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。
多变性
变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性,面向各种各样的供水系统。
而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异,因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
时变性
在变频调速恒压供水系统中,由于有定量泵的加入控制,而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)是时时发生的,同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数,使其不确定性地发生变化,因此可以认为,变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。
1.4变频恒压供水控制系统的常用控制方式
在发达国家,城市的供水系统普遍采用无塔上水的调节方式,按管网各节点的需求实时分配水量,即依照各分区的需水量来调节各分区管网入口的水压和流量。
这种系统庞大复杂,目前多采用集散控制等分散化、网络化和智能化的控制系统进行局部调节、集中管理。
整个系统有较强的控制能力和灵活性。
对于一个园区的供水控制系统,可以看作城市供水网络中的单节点。
单节点供水管网水压的闭环控制,目前主要有如下几种控制方式:
PID控制
PID控制算法简单并且实用,已成为标准算法。
对于小型或用水量变化不大的供水系统,PID控制是常用的控制方式。
一般的变频器均带有PID控制单元,仅需将反馈量接入到变频器的反馈端子或PLC的输入端并设定好参数,即可投入使用。
目前国内多数的供水系统采用这种控制方式。
模糊控制
模糊控制是处理复杂非线性系统的有效方法之一,已成为供水行业研究的热点。
但是常规模糊控制的稳态响应不及PID控制,为此有不少文献中将模糊控制与PID控制结合起来形成恒压供水的自整定模糊PID控制,改善了供水系统的静动态特性。
自适应控制
除了模糊控制之外,自适应控制也是处理被控对象的时变性和不确定性的重要方法。
国外有文献针对供水系统进行了自适应控制的实验研究。
主要方法是采用自校正调节器(STR),其框图如图1-2所示。
图中输出是水压值,输入是变频器设定值,参考输入是水压设定值。
这类自适应控制系统的基本思想是在系统中加入对象参数的递推估计器,并根据对象估计参数设计调节器参数。
系统由内环和外环两个环路组成,内环包括被控对象和一个普通的线性反馈调节器,该调节器的参数由外环调节,外环则由一个递推估计器和一个设计机构组成。
系统的过程建模和控制的设计都是自动进行,每个采样周期都更新一次。
但是控制算法采用的是对象的局部线性模型,要在不同条件下都能获得高性能指标是困难的。
1.5本文的主要研究内容
经过系统的调研和分析,并结合需求方的生产实际,本次研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供水系统的研制及远程监控,该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速,摒弃了原有的自藕降压起动装置,同时把阀门控制和水泵电机控制都纳入自动控制系统。
整个系统的操作控制实现微机自动化管理,设备管理达到最优效果,运行调节达到最佳节能,运行参数有记录。
具体而言,论文包括以下内容:
对水泵电机的调控技术进行分析和比较,并对多泵恒压供水系统中的关键问题进行了论述;在此基础上,提出了本文的主要研究内容和研究方法。
介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统,该系统由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。
压力变送器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器,变频器根据压力大小调整电机转速,改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节,保证管网压力恒定。
重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程、控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。
根据现场需要,对上位机上的监控软件进行总体方案设计。
通过对PID控制器的基本原理的介绍,深入的分析德国SIMENS公司的S7-200系列CPU中的PID算法的实现。
在PID分析的基础上设计一个用于供水系统压力控制的PID控制算法,并通过现场调试,调整和检验PID算法的参数。
用力控软件完成了系统上位机监控软件的开发,使用以太网和GPRS技术构成变频调速恒压供水计算机和数据采集系统(SCADS)的控制网络。
图1-2自校正调节器图
1.6本章小结
本章首先介绍了课题的来源和研究意义,在查阅了大量相关文献和进行了许多调查研究的基础上,对水泵电机的各种调控技术及节能原理进行分析和比较,指出交流电机的变频调速作为一种有效的电机调速技术,能够提高生产自动化程度并大大节约能源。
对于我国广大的中小型水厂和单位供水来说,应用此项技术能有效的提高生产管理水平和市场竞争力。
本章对我国目前的变频调速恒压供水研究现状进行了总结,并在此基础上提出了本文的主要研究内容:
设计一套基于PLC的变频调速恒压供水系统,对系统中控制技术及远程监控问题进行研究。
2PLC可编程序控制简介
2.1PLC的起源与发展
在可编程控制器诞生之前,继电器控制系统已广泛的用于工业生产的各个领域,继电器控制系统通常可以看承由输入电路,控制电路,输出电路和生产现场这4个部分组成的。
其中输入电路也是由按钮,行程开关,限位开关,传感器等构成。
用已向系统送入控制信号。
输出电路部分是由接触器,电磁阀等执行元件构成,用以控制各种被控制对象,如电动机,电炉,阀门等。
继电器控制电路部分是控制系统的核心部分。
它通过导线将各个分立的继电器,电子元器件连接起来对工业现场实施控制;生产现场是指被控制的对象(如电动机等)或生产过程。
继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用,随着生产规模的逐步扩大,市场经济竞争日趋激烈,继电器控制系统已越来越难以适应,因为继电器控制电路通常是针对着某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。
它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制,定时,计数等这样一些简单的控制,一旦动作顺序或生产工艺发生变化,就必须进行重新设计,布线,装配,和调试。
显然,这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。
这就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统,研制可以替代继电器控制系统的新型的工业控制系统。
出于上述考虑,美国通用汽车公司(GM)于1968年提出了公开招标研制新型的工业控制器的设想,第二年,即1969年美国数字设备公司(DEC)就研制出了世界上第一台可编程序控制器。
在这一时期,可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想,但实际上只能完成顺序控制,仅有逻辑运算,定时,计数等顺序控制功能。
所以人们将可遍程序控制器称之为PLC(ProgrammableLogicalController),即可编程序逻辑控制器。
20世纪70年代末80年代初,微处理器技术日趋成熟,使可编程序控制器的处理速度大大提高,增加了许多特殊,如浮点运算,函数运算,查表等。
这样可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制,还可以对模拟量进行控制。
因此,美国电气制造协会NEMA(NationalElectricalManufacturersAssociation)将之正式命名为PC(ProgrammableController)。
值得注意的是,因为个人计算机的简称也是PC(PersonalComputer),有时为了避免混淆,人们习惯上仍将可编程序控制器简称PLC(尽管这是早期的名称)。
本书采用PLC的称呼。
20世纪80年代后,随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展,以16位和32位微处理器够成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展,使之在概念上,设计上,性能价格比等方面有了重大突破。
可编程序具有了高速计数,中断技术,PID控制等功能,同时联网通信功能也得到了加强,这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。
为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化。
国际电工委员会(IEC)制定了PLC的标准,并给出了它的定义。
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计,它采用可编程序的存储器,用来在其内部储存执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术运算等才操作,并通过数字式,模拟式的输入与输出,控制各类的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充功能的原则设计。
”
综上所述,PLC是以微处理器为基础,综合了计算机技术,自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。
这种装置具有体积小,功能强,程序设计简单,灵活通用,维护方便等优点,特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力,得到了用户的公认和好评。
他经过短短的几十年发展后,现在已成为现代工业控制的三大支柱(PLC,机器人和CAD/CAM)之一,被广泛地应用于机械,冶金,化工交通,电力等领域中。
以PLC作为控制器的PLC控制系统是从根本上改变了传统的继电器控制系统的工业原理和方式。
继电器控制系统是控制功能是通过采用硬件接线的方式来实现的,而
PLC控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的,不仅可以实现开关量控制,还可以进行模拟量控制,顺序控制。
另外,它的定时和计数功能也远比继电器控制系统强很多,一般可以为用户提供几十个甚至上百个定时器,计数器。
随着计算机和通信几刷的发展,现代PLC控制系统已远不是几十年前的哪个样子,PLC的控制从早期的单机控制发展到多机控制,实现了工厂自动化。
尽管现在的
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