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基于PLC的变频调速恒压供水系统xiugai
安徽马钢技师学院
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年 月 日
基于PLC的变频调速恒压供水系统
1引言
在供水系统中,恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时,出口压力保持不变的供水方式。
本文采用计算机(PC)、可编程控制器(PLC)、变频器组成变频恒压供水监控系统,通过变频调速实现恒压供水、满足节能降耗的要求,而且有利于实现生产的自动化及远程监测。
用水量变化具有随机性,用水高峰时水压不足,低谷时又造成能量浪费。
变频恒压供水系统根据公共管网的压力变化,通过PLC和变频器自动调节水泵的增减、水泵电机的运行方式及电机的转速,实现恒压供水,既防止了能量空耗,又避免出现电机启动时冲击电流对设备的影响。
2工作原理
变频恒压供水系统采用一台变频器拖动两台大功率电动机,可在变频和工频两种方式下运行;一台低功率的电机,作为辅助泵电机
多泵切换:
根据恒压的需要,采取无主次切换,即“先开先停”的原则接入和退出。
在PLC的程序中,通过设置变频泵的工作号和工频泵的台数,由给定频率是否达到上限频率或下限频率来判断增泵或减泵。
在用水量较小的情况下,采用辅助泵工作。
为了避免一台泵长期工作,任一泵不能连续变频运行超过3小时。
当工频泵台数为零,有一台运行于变频状态时,启动计时器,当达到3小时时,变频泵的泵号改变,即切换到另一台泵上。
当有泵运行于工频状态,或辅助泵启动时,计时器停止计时并清零。
3PLC控制电路
系统采用S7-200PLC作下位机。
S7-200PLC硬件系统包含一定数量的输入/输出(I/O)点,同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。
输入点为6个,其中水位上、下限信号分别为I0.0、I0.1。
输出点为10个,O0.0-O1.0对应PLC的输出端子。
对变频器的复位是由输出点O1.0通过一个中间继电器KA的触点来实现的。
根据控制系统I/O点及地址分配可知,系统共有5个开关量输入点,9个开关量输出点;1个模拟量输入点和1个模拟量输出点。
可以选用CPU224PLC(14DI/10DO),再扩展一个模拟量模块EM235(4AI/1AO)。
4PLC通信程序
S7-200PLC硬件功能完善,指令系统丰富。
可为用户提供多种通讯方式:
PPI方式,MPI方式,自由通讯口方式等。
应用自由通讯口方式,使S7-200PLC可以与任何通信协议已知,具有串口通讯的智能设备和控制器(如打印机、变频器、上位PC机等)进行通信,也可以用于两个CPU之间简单的数据交换。
该通信方式使可通信的范围大大增大,使控制系统配置更加灵活、方便。
目录
第1章
1.1PLC的变频调速恒压供水系统的目的和意义
第2章变频调速恒压供水分析
2.1变频恒压供水的调速原理
第3章恒压供水系统
3.1恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理
3.1.1恒压供水系统的工作原理
3.1.2调速泵系统构成
第4章PLC控制系统输入输出分配
4.1输入口
4.2输出口
4.3辅助触点
第5章SIMATICS7系列
5.1S7-200系列可编程序控制器
5.2程序设计步骤
结束语······································
参考文献·······································
PLC的变频调速恒压供水系统的目的和意义
我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一
直比较落后,工业自动化程度低。
主要表现在用水高峰期,水的供给量常常低于
需求量,出现水压降低供不应求的现象;而在用水低峰期,水的供给量常常高于
需求量,出现水压升高供过于求的情况,此时会造成能量的浪费,同时还有可能
造成水管爆裂和用水设备的损坏。
传统调节供水压力的方式,多采用频繁启/停电。
机控制和水塔二次供水调节的方式,前者产生大量能耗的,而且对电网中其他负荷造成影响,设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。
且由于是二次供水,不能保证供水质的安全与可靠性。
而变频调速式的运行十分稳定可靠,没有频繁的启动现象,启动方式为软启动,设备运行十分平稳,避免了电气、机械冲击,也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。
由此可见,变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势,具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
变频调速恒压供水分析,变频恒压供水的调速原理
水泵的恒速调节主要有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节三种.
(1)节流调节
节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板,通过改变阀门或挡板的开度,使装置需要扬程曲线发生变化,从而导致水泵工作点位置的变化。
节流调节优点是调节简单、可靠、方便,且调节装置的初投资很少,故以前各种离心泵多采用这种调节方式。
缺点是能量损失很大,目前正逐渐被其它调节方式所取代。
(2)动叶调节
采用动叶调节的水泵,在泵的轮毅内部安装动叶调节机构,从而使动叶调节得以实现。
对于大型的泵,可以采用液压传动调节.
动叶调节的优点是:
在调节过程中其效率变化很小,能在较大范围保持高效率。
缺点是:
动叶调节机构复杂,控制自动化程度低;成本高,通常适用大容量水泵,对中小供水厂的水泵通常不适用。
(3)改变机泵运行台数调节
改变机泵运行台数调节是根据不同的流量要求,采用不同数量和型号的机泵进行并联运行,来满足供水量要求.优点是:
它不改变电机和水泵的电气及机械结构,在水泵台数众多、搭配合理的情况下,可以达到较好的调节效果。
缺点是:
不能实现连续调节、需要大量的机泵进行合理搭配、随着供水量的变化要不断启停电机;电能损失较大。
因此,目前此种方法虽大量使用,但正逐步被新的流量调节方式取代。
从恒速调节的分析可以看出,由于恒速调节要不结构复杂,要不能量损失很大,因此,正逐步被变速调节所取代.
这里所指的速度是水泵的转速.水泵的变速调节可分为变速传动装置调节和变电动机转速调节。
(1)变速传动装置
定速电动机驱动的水泵可以通过传动装置来实现变速调节。
变速传动装置按其工作特性可分为两类。
一类是有级变速装置,如齿轮变速等;另一类是无级变速装置,主要有液力祸合器、油膜转差离合器、电磁转差离合器等。
液力祸合器、油膜转差离合器及电磁转差离合器在传动变速时具有一个共同的特点:
传动装置产生的传动损失在其所传递功率中所占的比例与水泵的转速变化的大小成正比,转速变化越大,传动损失所占的比例也越大,因此,这类变速调节方式也被称为低效变速调节方式。
1)液力祸合器
水泵通过液力祸合器实现变速调节,从液力藕合器的特性来看,其调节效率等于转速比,故当调节量越大,其转速比越低,传动效率也越低。
调速型液力祸合器用于叶片式水泵的变速调节时,主要具有以下优点:
可以输出连续的、无级的、变化的转速;可以平稳的启动、加速;电动机能空载或轻载启动,降低启动电流,节约电能;液力祸合器是无级调速,故便于实现自动控制,适用于各伺服系统控制:
与阀门节流调节相比较,节能效果显著。
液力祸合器的缺点:
在电动机额定转速较低的场合,要求同样的转矩而采用较小的转速时,液力祸合器的工作腔直径将加大,这不但增加了造价,而且还会使祸合器调速的延迟时间增加;大功率的液力祸合器设备复杂;在运转中随着负载的变化,转速比也相应变化,因此不可能有精确的转速比:
液力祸合器一旦产生故障,水泵也不能继续工作。
2)电磁转差离合器
电磁转差离合器又称电磁离合器、涡流联轴器等。
电磁调速电动机的主要优点是:
可靠性高,只要把绝缘处理好,就能长期无检修运行;控制装置的容量小;结构简单、加工容易,价格便宜。
电磁调速电动机的缺点是:
存在转差损失,尤其是对凡较低的电磁调速电动机,运行经济性较低;调速时响应时间较长:
噪声较大。
(2)变电动机转速
由电机学得知,交流电动机的同步转速n,与电源频率fl、极对数p之间的关系式为:
由式2.4可以看出,要实现交流电动机的调速,可以通过改变磁极对数p和改变电源频率fl实现,下面就两种变速调节方式进行比较1161一即气1)异步电动机的变极调速
变极调速原理:
异步电动机在正常运行时,通常其转差率5很小,则由式2.4知,在电源频率fl不变的情况下,改变电动机绕组的极对数,就可改变同步转速n:
从而改变异步电动机的转速no
变极调速的主要优点是:
调速效率高,仅是因在设计变极电动机时要兼顾不同转速时的性能指标,与普通的全速电动机相比较,其效率和功率因数要稍低一些:
调速控制设备简单,仅用转换开关或接触器;初投资低,特别是中小型变极电动机价钱和定速电动机相差不是很大:
维护方便,除轴承外,不需要特别的维修,可靠性较高,在相当恶劣的环境下可使用。
变极调速的主要缺点是:
有级调速,不能进行连续调速。
此外,变极电动机在变速时电力必须瞬间中断,不能进行热态变换,因此在变速时电动机有电流冲击现象发生.高压电动机若需进行频繁地切换变速时,则其切换装置的安全可靠性尚需进一步完善提高。
因此,变极调速目前应用较少。
2)异步电动机的变频调速
由式2.4可知,极对数p一定的异步电动机,在转差率变化不大时,转速基本上与电源频率成正比。
因此,只要能设法改变fl.即可改变n。
基于这个原理,变频调速就是用晶闸管等变流元件组成的变频器作为变频电源,通过改变电源频率的办法,实现转速调节。
图2.2为变频调速系统的示意图。
在对变速传动装置和变电动机调节方式进行比较时,我们以两者的代表,也是目前运用最广的两种变速方式:
液力祸合器调速和变频器调速进行对比,如表21,从中可以看出,采用变频器进行转速调节,具有较大的优势。
恒压供水系统
恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理
恒压供水系统的控制方案有多种,有1台变频器控制1台水泵的简单控
制方案,也有1台变频器控制几台水泵的方案,下面将分别加以叙述.
(l)单台变频器控制单台水泵
单台变频器控制单台水泵的控制方案在国内通常是指是一台变频器控制一台水泵。
由于全部变频系统中,变频器、控制器、电机均无备份设备,出现问题无法切换,故目前多适用于用水量不大,对供水的可靠性要求不高的场合。
该控制方案的控制原理框图见图3.2,电路见图3.3。
恒压供水系统的工作原理
根据系统用水量的变化,控制系统控制2台水泵按1一2一3一4一1的顺序运行,以保证正常供水。
开始工作时,系统用水量不多,只有1号泵在变频器控制下运行,2号泵处于停止状态,控制系统处于状态1。
当用水量增加,变频器输出频率增加,则1号泵电机的转速也增加,当变频器增加到最高输出频率时,表示只有1台水泵工作己不能满足系统用水的要求,此时,通过控制系统,1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源,而变频器电源启动。
2号泵电机,控制系统处于状态2.
当系统用水高峰过后,用水量减少时,变频器输出频率减少,若减至设定频率时,表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求,此时,通过控制系统,可将1号泵电机停运,2号泵电机仍由变频器电源供电,这时,控制系统处于状态3。
当用水量再次增加,变频器输出频率增加,则2号泵电机的转速也增加,当变频器增加到最高输出频率时,表示只有1台水泵工作已不能满足系统用水的要求,此时,通过控制系统的控制,2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源,而变频器电源启动1号泵电机,控制系统处于状态4
当控制系统处于状态4时,用水量又减少,变频器输出频率减少,若减至设定频率时,表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求,此时,通过控制系统的控制,可将2号泵电机停运,1号泵电机仍由变频器供电,这时,控制系统又回到了状态1。
如此循环往复的工作,以满足系统用水的需要。
(3)单台变频器控制单台水泵以及其他水泵
单台变频器控制单台水泵以及其他水泵启停的控制方案与控制方案2有许多相同之处,只是方案2中,变频器可在水泵电机间轮换工作,而控制方案3则不同,变频器只控制某1台泵,不能去控制其它泵,其它泵工作在普通电源的控制下.下面以2台泵中的1台由变频器供电,另外1台由普通交流电源供电的恒压供水系统来加以说明。
2台水泵中,1台是由变频器供电的变速泵,另外1台为普通交流电压供电的定速泵。
当系统用水量较小时,可以只用变频器供电的变速泵,当变频器供电的频率达到最大时,表明1台水泵己不能满足系统用水要求,此时需要启动1台定速泵,由1台变速泵与1台定速泵同时工作。
当系统用水量减小到使变频器的输出频率低于某一设定值时,此时控制系统就将定速泵停运,只应用变速泵工作。
当变频器供电的频率再次达到最大时,又表明1台水泵已不能满足系统用水要求。
此时又需要启动1台定速泵,由1台变速泵与1台定速泵同时工作,循环往复。
这种控制方式的优点是结构简单,安装调试方便.但在整个供水过程中由变频器供电的变速水泵总在工作,该水泵一旦出现故障将会影响整个系统的供水。
采用变频恒压供水,如果变频器出现故障,应及时报替,并使整个供水过程中由变频器供电的水泵改又普通交流电压供电,使水泵全速运行。
为了应付这种事情的发生,在选用水泵时就应考虑到用水系统管网的承受压力,选用流量扬程曲线平缓型的水泵,使管网能够承受水泵全速运行时的全扬程水压.
当由多台水泵组成恒压供水系统时,对于控制系统也有一定的要求,应选用功能强大的控制器如Pm调节器及用可编程序控制器进行控制。
按照先启动先停止,后启动后停止的原则运行,使水泵能循环运行,通过可编程序控制器的编程,使各台水泵的运行概率相同,避免出现某台水泵经常工作,而其他水泵经常停歇,甚至受潮和生锈的情况I32H3slo
调速泵系统构成
从变频恒压供水的原理分析可知,该系统主要有压力传感器、压力变送器、
变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成.系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵,实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换,同时还要能对运行数据进行传输。
(2)通用变频器十单片机(包括变频控制、调节器控制)十人机界面+压力传感器;
通过变频恒压供水系统我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构信
号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。
如图3.1.
3.1供水泵系统组成
PLC控制系统的输入输出分配输入口
其输入口I模块组的的输入元件组成是由;控制按钮、行程开关、接近开关、压力开关、玩控开关组成。
输入又分为如图5-15;
输出口
其输入口O模块组的的输入元件组成是由;接触器、继电器、来组成的。
而输出方式又分为如图;
辅助触点
主要用于二次回路中,容量小,分常开触电和常闭触电两种,主要用于控制、测量、仪表、信号、保护等回路。
我们在进行操作时,就是利用小小的辅助触电去接通和断开主触点去接通和断开主触点的线圈,从而控制主回路。
SIMATICS7系列
SIMATICS7系列主要有S7—200、S7—300、S7--400、m7等。
S7-200系列可编程序控制器
外部接线图
程序设计步骤
初始化程序:
LDSM0.0//开机始终为ON
MOVB16#9,SMB30
file:
//自由口通信,选择9600波特,8位数据位,无校验
MOVB16#2,VB0file:
//预设PLC地址
MOVD&VB1000,VD20
file:
//设置接收缓冲区,将其首地址传给指针VD20
MOVD&VB1200,VD30
file:
//设置发送缓冲区,将首地址传给VD30
MOVDVD20,VD24file:
//指针值保存
MOVDVD30,VD34
MOVB8,SMB34
file:
//设置8ms的定时器0时基中断
ATCH0,8
file:
//接收字符连接到中断0,连接静止线定时器和接收器
ATCH1,10
file:
//定时中断0,连接到中断1
ENIfile:
//开中断
为了保证通讯接收的可靠性,程序采用前导符,PLC地址,静止线接收,结束字符。
首字符的确认可通过设置前导符来完成,并且通过比较还可以剔除部分干扰字符。
首字符确认:
Network1file:
//判断前导符
LDSM0.0
AB<>SMB2,16#40
file:
//不是前导符则跳出中断
RETI
Network2file:
//终止定时中断
LDSM0.0
DTCH10file:
//断开时基中断
Network3
file:
//是前导符则连接中断3
LDSM0.0
AB=SMB2,16#40
ATCH3,8
静止线是通讯过程中的一个检测用时间,即设定的数据传输过程中无任何数据的任意2点的间隔时间。
静止线的设计和处理包括长度的确定及定时器和接收器的设计。
INT_//静止线定时器
LDSM0.0
ATCH1,10
file:
//静止线定时器采用8ms的时基中断。
INT_1//静止线接收器
LDSM0.0
ATCH2,8file:
//开始接收字符
尾字符的确认和校验处理:
Network1//接收及计算校验码
LDNM0.0
LDB<>SMB2,16#2A
//判断是否为第一个结束符
MOVBSMB2,*VD24
file:
//不是则保存数据并计算异或值
XORWSMW1,AC0
INCDVD24
INCDVB40
Network2
file:
//如果是第一个结束符,则对M0.0置位,并跳出中断,
file:
//接收下一个字符,看是否为第二个结束符
LDNM0.0
AB=SMB2,16#2A
SM0.0,1
MOVBSMB2,AC1
RETI
Network3
LDM0.0
AB<>SMB2,16#0A
file:
//判断第二个结束符,如不是则继续执行
AB<>SMB2,16#2A
file:
//判断又是第一个结束符?
不是则执行保存数据,
file:
//异或运算,并对M0.0复位。
XORWAC1,AC0
MOVBVB300,*VD24
INCDVD24
MOVBSMB2,*VD24
XORWSMW1,AC0
INCDVD24
INCDVB40
INCDVB40
RM0.0,1
RETI
Network4
file:
//如果又是第一个结束符,则上一个是有用的数据,需要保存
LDM0.0
AB=SMB2,16#2A
XORWAC1,AC0
MOVBVB1300,*VD24
INCDVD24
MOVBSMB2,AC1
RETI
Network5
file:
//如前一个为2A,现在接收到0A,则接收完毕,启动延时中断
LDM0.0
AB=SMB2,16#0A
DTCH8
file:
//断开接收状态,准备组织发送
MOVB20,SMB34
ATCH5,10
结束语
通过这一阶段的毕业设计,我受益匪浅,不仅锻炼了良好的逻辑思维能力,而且培养了弃而不舍的求学精神和严谨作风。
回顾此次毕业设计,是大学四年所学知识很好的总结。
此次编制招标文件不仅重温了过去所学知识,而且学到了很多新的内容,深切的体会到了理论和实践的结合,相信这次毕业设计对我今后的工作会有一定的帮助。
所以,我很用心的把它完成。
在设计中体味艰辛,在艰辛中体味快乐。
最后,我要感谢我的指导老师廉老师,她对我的毕业设计进行了多次的提议,我的毕业设计才得以顺利完成。
同样我也要衷心的感谢教育过和指导过我的各位老师,感谢给予我帮助的朋友们,谨献上我最真挚的祝福。
参考文献
《变频调速技术与应用》编著丁斗章机械工业出版社
《变频器调速系统设计与应用》编著王树机械工业出版社
《典型自动化设备及生产线应用与维护》编著鲍风雨机械工业出版社
《可编程控制器原理于应用》编著史增芳中国林业出版社
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