PLC的变频恒压供水系统(共39页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上浙江工业职业技术学院毕业论文 PLC的变频恒压供水系统学生姓名 周方斌 学 号 分 院 电气工程分院 专 业 电气自动化技术 指导教师 黄旭伟 完成日期 2012年 4 月 25日 PLC的变频恒压供水系统 摘 要 随着社会主义市场经济的发展,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的趋势。本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。本论文设计与实现通过MCGS进行数据传输的远程网络巡回监控系统。具体
2、讲述了系统的总体设计与软件的实现,并对系统采取的可靠性措施进行了说明。关键词 变频调速 恒压供水 MCGS 监控系统 目录引 言 变频器恒压供水是以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点,变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术与一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性,方便的实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能性,这在能量日益紧缺的今天尤为重要,所以研究设计该系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。专心-专注-专业第一章
3、变频恒压供水系统简介1.1 变频恒压供水系统简介 随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高,变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点,广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速,依据用水量的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,是当今最先进、合理的节能型供水系统。变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求,该系统具有以下特点:1、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,同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样,对控制作用的
4、响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。2、用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响,同时又由于水泵自身的一些固有特性,使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比,因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。3、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。4、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(包括定量泉的停止和运行)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
5、水系统的控制对象是时时变化的。5、当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时,系统能根据泵及变频器或软启动器的状态,电网状况及水源水位,管网压力等工况点自动进行切换,保证管网内压力恒定。在故障发生时,执行专门的故障程序,保证在紧急情况下的仍能进行供水。6、水泵的电气控制柜,其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口,能与控制信号或控制软件相连,能对供水的相关数据进行实时传送,以便显示和监控以及报表打印等功能。7、用变频器进行调速,用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水,节能效果显著,对每台水泵进行软启动,启动电流可从零到电机额定电流,减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性
6、对设备的大惯量的转速冲击,延长了设备的使用寿命。1.1.1 变频恒压供水系统节能原理供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提,表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f(Q),如图1-1所示:图1-1供水系统的基本特征由图可以看出,流量Q越大,扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下,流量的大小主要取决于用户的用水情况,因此,扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q(u)间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提,表明阀门在某一开度下,扬程H与流量Q之间的关系H J (Qu )。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流
7、动阻力的变化规律。由图可知,在同一阀门开度下,扬程H越大,流量Q也越大。由于阀门开度的改变,实际上是改变了在某一扬程下,供水系统向用户的供水能力。因此,管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H f (Qc )。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为供水系统的工作点,如图中A点。在这一点,用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态,供水系统既满足了扬程特性,也符合了管阻特性,系统稳定运行。变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵做成一体,通过变频器调节异步电机的转速,从而改变水泵的出水流量而实现恒压供
8、水的。因此,供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。1.1.2 本课题的主要内容本系统以一个供水系统作为被控对象,研究基于MCGS组态软件的供水监控系统设计,使系统获得较好的性能指标。主要设计内容为:了解供水系统的运行工艺情况,设计恒压供水控制系统的硬件电路;研究恒压变频供水的控制方法,开发MCGS组态软件的监控界面,完成系统监控调试,实现对系统的高性能控制。第二章 变频恒压供水系统的分析22.1 变频恒压供水控制系统构成变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,并
9、且把电机和水泵连成一体,通过变频器调节异步电机的转速,从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此,供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。变频器水泵用户管网压力压力变送器给定值+- 图1-3恒压供水系统方框图水压由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块,与用户设定的压力值进行比较,并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号,以调整水泵电机的电源频率,从而实现控制水泵转速。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法,所以使水压的调节十分平滑,稳定。同时,为了保证水压反馈信号值的准确、不失值,可对
10、该信号设置滤波时间常数,同时还可对反馈信号进行换算,使系统的调试更为简单、方便。22.12.2变频恒压供水控制方式的优点变频恒压供水设备的优点: 1变频供水设备具有最佳的节能效果。2水泵机组实现软启动方式,多台水泵实现循序启动运行,噪音低并可延长其使用寿命和保证运行的可靠性。3调速运行,可方便地实现恒压供水、压力可调,可避免在火灾初期阶段或水泵检验时的超压问题。4变频供水设备全自动运行,使用方便。图2.2 供水系统方案图2.3变频构成恒压供水系统的及工作原理2.3.1 系统的构成图2.3 系统原理图如图2.3所示,整个系统由三台水泵,一台变频调速器,一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成
11、。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀,以供维修和调节水量之用,三台泵协调工作以满足供水需要;变频供水系统中检测管路压力的压力传感器,一般采用电阻式传感器(反馈05V电压信号)或压力变送器(反馈420mA电流);变频器是供水系统的核心,通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。从原理框图,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、以及报警装置等部分组成。1、执行机构执行机构是由一组水泵组成,它们用于将水供入用户管网,图2.3中的3个水泵分为二种类型:调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵,用以根据用水量的变化改变电机的转速,以
12、维持管网的水压恒定。恒速泵:水泵运行只在工频状态,速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时,对供水量进行定量的补充。2、信号检测在系统控制过程中,需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:(1)水压信号:它反映的是用户管网的水压值,它是恒压供水控制的主要反馈信号。(2)报警信号:它反映系统是否正常运行,水泵电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。3、控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中,包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。(1)供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集,对来
13、自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法,得出对执行机构的控制方案,通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。(2)变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率,完成对调速泵的转速控制。(3)电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。4、人机界面人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面,使用者可以更改设定压力,修改一些系统设定以满足不同工艺的需求,同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的
14、运行过程进行监示,对报警进行显示。5、通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分,通过该接口,系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换,同时通过通讯接口,还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来,例如可以对系统进行远程的诊断和维护等6、报警装置作为一个控制系统,报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域,所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行,防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障,因此系统必须要对各种报警量进行监测,由PLC判断报警类别,进行显示和保护动作控制,以免造成不必要的损失。2.3.2工作原理合上空
15、气开关,供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上,系统进入全自动运行状态,PLC中程序首先接通KM6,并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节,并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内,实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限,会将频率到达信号送给PLC,PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号,由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。当变频器运行频率达到频率上限值,并保持一段时间,则PLC会将当前变频
16、运行泵切换为工频运行,并迅速起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断,进一步控制变频器的运行频率,使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。增泵工作过程:假定增泵顺序为l、2、3泵。开始时,1泵电机在PLC控制下先投入调速运行,其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高,水泵转速上升,反之下降。当变频器的输出频率达到上限,并稳定运行后,如果供水压力仍没达到预置值,则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开,1泵电机切换到工频运行,同时变频器与2泵电机连接, 控制2泵投入调速运行。如果还
17、没到达设定值,则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行,控制3泵投入变频运行。减泵工作过程:假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时,变频器输出频率降低,水泵速度下降,当变频器的输出频率达到下限,并稳定运行一段时间后,把变频器控制的水泵停机,如果供水压力仍大于预置值,则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行,并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时,当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时,如果供水压力仍大于设定值,则停机并启动辅泵投入调速运行,从而达到节能效果。2.4 主电路接线图 电机有两种工作模式即:在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、 KM3、 KM5 分别为电动机M
18、1 、M2 、M3 工频运行时接通电源的控制接触器,KM0、 KM2 、KM4 分别为电动机M1、M2、 M3 变频运行时接通电源的控制接触器。热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路,它在电路中的用作电动机的过载保护。熔断器(FU)是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中,由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路,防止电气设备短路和严重过载。第三章 器件的选型及介绍33.1 变频器简介3.1.1 变频器的基本结构与分类1、变频器的基本结构变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备。变频器包括控制电路、整流电
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