plc变频恒压供水系统毕业设计.docx

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1、plc变频恒压供水系统毕业设计 攀枝花学院本科毕业设计基于plc的变频恒压供水系统 学生姓名：曲斌 学生学号： 202210503053 院（系）：电气信息工程学院 年级专业： 08自动化 指导教师：伍刚教授 助理指导教师：唐老师副教授 二一二年六月 攀枝花学院本科毕业设计（论文）摘要 摘要 随着人民生活水平的日益提高，新技术和先进设备的应用，给给供水设计得到了发展的机遇。于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计构成了新的挑战。本系统采用PLC 进行逻辑控制，采用带PID 功能的变频器进行压力调节，系统有工作可靠，使用方便，压力稳定，无冲击等优越性。 变频恒

2、压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成下列功能: (1)维持水压恒定；(2)控制系统可手动/自动运行；(3) 系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；(4) 多台泵自动切换运行；(5)在线调整PID参数； (6)泵组及线路保护检测报警等。 关键词变频器，变频恒压供水，PLC 攀枝花学院本科毕业设计（论文）ABSTRACT ABSTRACT In company with the improvement of peoples living standard, the application of new

3、technique and advanced equipment provide a new development for the design of water supply. It is a challenge for us to select a way of water supply with high standard, secure and healthy, economical, and reasonable. This system adopts PLC logic control, and transducer with PID function to adjust the

4、 pressure, which presents many advantages, such as high reliability, convenience in use, stability in pressure，and without impact. Advanced technology and constant pressure water supply, water pressure constant, easy, reliable operation, saving energy, high degree of automation in the water supply p

5、umping station to be completed by the following functions: (1) maintaining the pressure constant; (2) control system manual / Automatic operation; (3) system sleep and wake up. When the outside to stop water, the system is in sleep mode until a wake-up automatically when water demand; (4) multiple p

6、ump automatic switching operation; (5) On-line adjustment of PID parameters; (6) pump and line protection detection alarm. Key words inverter, VF constant pressure water supply, plc 目录 摘要 () ABSTRACT () 第1章绪论 (1) 1.1 选题背景 (1) 1.2选题意义 (2) 1.3国内外在该方向的研究概况 (2) 第2章系统总体分析和设计 (12) 2.1系统概述 2.2恒压供水系统的节能原理 2

7、.3变频恒压供水系统的组成及原理 2.4变频恒压供水系统控制流程 2.5 水泵切换条件分析 第3章系统电路设计思路 3.1 系统电路结构及原理图 3.2 系统电路工作原理 第4章器件的选型及介绍 4.1.1 简介PLC的产生 4.1.2 简介PLC的发展状况及其发展趋势 4.1.3 简介PLC的应用领域 4.1.4 PLC的工作过程 4.1.5 PLC的选型 4.1.6 PLC的I/O端口分配 4.2.1 变频器的构成 4.2.2 变频器的特点 4.2.3 变频器的选型 4.3压力传感器的接线图 4.4 液位变送器的选型 4.5元器件的选型 第5章控制系统的软件设计 5.1主程序流程图 5.2

8、系统程序自 第1章绪论 1.1选题背景 压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压等设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“增大”水量，其结果增大了水泵的轴功率和损耗。自从变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90 年代初经历了一次质的飞跃。恒压供水调速系统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始终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。在实际应用中得到了很大的发展。伴随着电力电子技术

9、的飞速发展，变频器的功能也越来越强大。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着重要的意义。而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也体现了小区物业管理水平的高低。 1.2选题意义 传统的供水方式普遍在不同程度上存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水质量。目前的供水方式朝

10、向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定且可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果最为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击和对供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。 基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以增强供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天显得尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高

11、企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面都具有重要的现实意义。 1.3国内外在该方向的研究概况 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、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统，使其能更好的应用于生活、生产实践中。 采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效地延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管(市

12、政来水管)进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最具有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等优点。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、维修方便和低成本低能耗等诸多优点。 第2章系统总体分析和设计 2.1系统概述 如

13、图2.1所示，为该系统的供水流程。 图2.1 供水流程简图 变频恒压供水方式与传统的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等各方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向高可靠性、全数字化微机控制、系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的趋势。 2.2恒压供水系统的节能原理 在变频恒压供水系统中, 关键是对水泵的控制.泵的转速n 与流量Q、扬程H 及泵的轴功率N 的关系如下式： (1) 泵用电动机驱动时,电动机功率

14、P 可用下式表示: (2) 式中: 泵的流量Q 和扬程H 的关系曲线见图 2.2 . 曲线、分别对应转速n1 、n2( n1 n2) 时的H - Q 特性曲线, 曲线、为管阻特性曲线. 当调节流量时, 通常采用调节阀门和变频调速两种方式. 图2.2 泵的流量 Q 和扬程H 的关系曲线 假设泵的额定工作点为N 点, 额定流量QN 为100 % ,此时轴功率P1 与图中QNNHN0 区域面积成正比. (1) 调节阀门法 当流量从QN 减小到QA 时,采用调节阀门法, 管阻特性曲线从切换至, 扬程H 增大, 工作点由N 切换至 A. 此时轴功率P2 与图中QAHAA 0 区域面积成正比. (2) 变

15、频调速法 由式( 1) 可知,泵的流量Q 与转速n 成正比, 要将流量从QN 减小到QA 时,可将泵转速从n1 降至n2 , 工作点从N 切换至B, 扬程H 减小. 在同样流量QA 下, 轴功率P3 与图中QAHBB 0 区域面积成正比. 由图可知,P3 P2 ,在同样流量QA 下, 采用调速法节省的轴功率与图中阴影部分( BAHAHB) 区域面积成正比, 节能效果非常明显 .对于电机的转速,可用下式表示: 式中: n电机转速,r/ m in ; f 电源频率,H z ; p 电机极对数; s 转差率. 因此,当调节泵的流量时, 通过改变频率调节电机速度,即采用变频调速法, 比采用调节阀门法节

16、能. 2.3 变频恒压供水系统的组成及原理图 图2.3变频恒压供水系统控制流程图 PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图 2.3所示。 从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为： 根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有2种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中切出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机

17、；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另外一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择，本设计中采用前者。 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，因此为了保证系统安全、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、供水水源中断造成故障，所以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。 变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供

18、水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个分段函数，在每一个段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。变频恒压供水系统的结构框图如图2.4所示 变频恒压供水系统的结构框图2.4 恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力值，并将其转换为420mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水控制的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号成

19、为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，来控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水 2.4 变频恒压供水系统控制流程 变频恒压供水系统控制流程如下: 1) 全自动运行 合上自动开关后，1#泵电机得电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节程序将接收到自远传压力表的信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如果压力不够，则频率上升，直到50Hz，1#泵由变频运行切换为工频，同时对2#泵进行变频启动，变频器频率逐渐上升至需要值，加泵依次类推；如用水量减小(供水压力过大)，变频器下限频率持续出现，则将先启动的泵先切除。若有电源瞬

20、时停电的情况，则系统停机。待电源恢复正常后，系统自动 恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。变频自动控制是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵的软启动、停止、循环变频的全部操作过程。 2) 手动运行 当远传压力表发生故障或变频器发生故障时，为确保用水，3台泵可分别以手动控制方式工频运行。 3) 停止 转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，所有设备不能启动。 4) 采用“自动切换”和“先启先停”原则 “自动切换”是指当一台单独运行水泵或者有两台同时运行的水泵，运行在这种状态下持续时间达到设定时间间隔时自动换泵运行。“先启先停”是指哪一台先启动的水泵在压力过

21、大时也先被切除，这样保证系统的每台泵运行时间互相接近，防止有的泵运行时间过长，而有的泵长时间不用而锈死，从而延长了设备的使用寿命。 5) 平稳切换，恒压控制 远传压力表将主水管网压力信号经PLC的扩展模块PID运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速以使管网的压力达到稳定。当在运行的水泵全速运行，还未达到给定压力时，变频运行的泵被切换到工频运行，变频器将启动另一台泵(采用软启动)。 6) 完善的各种保护、报警功能 对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现机械和电气的互锁，防止短路产生。当水泵的功率较大时，为防止直接启动电流过大，需要采用软启动方法，即用变频器来启动水泵。运行的水泵在断开电源后，利用其运行的惯性切换到工频，可避免切换过程中产生过电流。 电动机的热保护。虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小，但是当用户用水量变化频繁时，电动机将频繁处于升速、降速状态，这时电动机的电流有可能超过额定电流，导致电动机过热。因此电动机的热保护是必须的。 2.5水泵切换条件分析 在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要依靠增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要依靠减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的。