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基于plc的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)學士學位論文(專業(yè)版)

2024-08-03 18:23上一頁面

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【正文】 在我做畢業(yè)設計的過程中得到了高老師的悉心指導。 城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控界面山東科技大學學士學位論文 結(jié)束語6 結(jié)束語本文針對城市小區(qū)供水的特點,設計開發(fā)了一套基于PLC的變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)。圖形界面系統(tǒng)用于生成現(xiàn)場過程圖形畫面;實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于實時存儲現(xiàn)場控制點的參數(shù);第三方程序接口組件用于組態(tài)軟件與其他應用程序交換數(shù)據(jù);控制功能組件用于生成監(jiān)控所需的控制策略。實際控制中多采用增量式PID控制算法,其表達式為: ()式中:為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量;;。在連續(xù)控制系統(tǒng)中,常采用Proportional(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式,稱之為PID控制。當故障信號產(chǎn)生時,相應的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象,同時報警電鈴響起。梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖,是應用最多的一種編程語言,與計算機語言相比,梯形圖可以看作是PLC的高級語言,幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯,因此,它很容易被一般的電氣工程設計和運行維護人員所接受,是初學者理想的編程工具。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計的基本要求如下:(1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同,本設計采用白天供水和夜間供水兩種模式,兩種模式下設定的給定水壓值不同。手動運行時,可用按鈕SB1~SB6控制三臺水泵的啟/停;自動運行時,系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì),一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。 變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機構(gòu)的硬件,通過頻率的改變實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),從而改變出水量。在極端的情況下,運行機組增加后,實際供水壓力超過設定供水壓力,而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行,此時又滿足了機組切換的停機條件,需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。(2) 當用水量增加水壓減小時,壓力變送器反饋的水壓信號減小,偏差變大,PLC的輸出信號變大,變頻器的輸出頻率變大,所以水泵的轉(zhuǎn)速增大,供水量增大,最終水泵的轉(zhuǎn)速達到另一個新的穩(wěn)定值。此信號是模擬信號,讀入PLC時,需進行A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)主要的任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵,實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換,同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸和監(jiān)控。在供水系統(tǒng)中,通常以流量為控制目的,常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。根據(jù)公式可知,當轉(zhuǎn)差率變化不大時,異步電動機的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比。 20世紀末期,可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。 PLC概述 可編程控制器的定義可編程控制器,簡稱PLC(Programmable logic Controller),是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。從20世紀80年代后半期開始,美、日、德、英等發(fā)達國家的基于VVVF技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應用。通過工控機與PLC的連接,采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控,實現(xiàn)了運行狀態(tài)動態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報警的查詢。(2) 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點,但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機為硬起動且起動頻繁,對電器設備要求較高、系統(tǒng)維護工作量大,而且為減少水泵起動次數(shù),停泵壓力往往比較高,致使水泵在低效段工作,而出水壓力無謂的增高,也使浪費加大,從而限制了其發(fā)展。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究與現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平,早期的PLC主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成,可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。S7200有5種CPU模塊,最多可擴展7個擴展模塊,擴展到248點數(shù)字量I/O或38路模擬量I/O,最多有30多KB的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間;(2) 先進的程序結(jié)構(gòu),功能強大、使用方便的編程軟件;(3) 靈活方便的尋址方法;(4) 強大的通信功能和品種豐富的配套人機界面;(5) 有競爭力的價格;(6) 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持等。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下,流量的大小主要取決于用戶的用水情況,因此,揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Qu間的關(guān)系H=f(Qu)。因此,揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變,但管阻特性不變。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。當用水量繼續(xù)下降,并且滿足減少水泵的條件時,將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換,將另一臺工頻泵M3關(guān)掉。實際的機組切換判別條件如下[11]:加泵條件: 且延時判別成立 ()減泵條件: 且延時判別成立 ()式中: :上限頻率 :下限頻率:設定壓力 :反饋壓力75山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的硬件設計3 系統(tǒng)的硬件設計 系統(tǒng)主要設備的選型根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理,: 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設備應包括以下幾部分:(1) PLC及其擴展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵機組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。由于本設計中PLC選擇的西門子S7200型號,為了方便PLC和變頻器之間的通信,我們選擇西門子的MicroMaster440變頻器。壓力表測量范圍0~1Mpa,;數(shù)顯儀輸出一路4~20mA電流信號,送給與CPU226連接模擬量模塊EM235,作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號,可設定壓力上、下限,通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。本系統(tǒng)在手動/自動控制下的運行過程如下:(1) 手動控制:手動控制只在檢查故障原因時才會用到,便于電機故障的檢測與維修。(4) 三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能,對水泵的操作要有手動/自動控制功能,手動只在應急或檢修時臨時使用。除此之外,泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制,本設計中使用泵號加1的方法實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制,用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的。 PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為: ()式中:Kp為比例系數(shù);Ti為積分時間常數(shù);Td為微分時間常數(shù)。本系統(tǒng)是一個單閉環(huán)系統(tǒng)。 通信協(xié)議的設置 新建工程與組態(tài)變量雙擊“”啟動工程管理器,新建一個工程,名為“恒壓供水系統(tǒng)”,雙擊新建工程打開工程瀏覽器,點擊工程瀏覽器中的“數(shù)據(jù)詞典”圖標,右面工作區(qū)會出現(xiàn)系統(tǒng)定義好的內(nèi)存變量。系統(tǒng)采用PLC實現(xiàn)對多泵切換的控制。當我遇到困難時,他們給了我許多好的建議和無私的幫助。在提高自己的同時,我也更加清楚的認識到自己的一些不足之處。(4) 按鈕、指示燈組態(tài)設定按鈕或文字鏈接的對象,按鈕既可以用來執(zhí)行某些命令,還可以 數(shù)據(jù)詞典中的變量列表輸入數(shù)據(jù)給某些變量,當和外部的一些智能儀表、PLC等進行連接時,會大大增加其數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮啙嵭裕恢甘緹艚M態(tài)后用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。s=feedback(sk,)。(3) 微分環(huán)節(jié):對偏差信號的變化趨勢做出反應,并能在偏差信號變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減少調(diào)節(jié)時間。假設所選變頻器的輸出頻率范圍為0~100HZ,則上下限給定值分別為16000和6400。當?shù)谝淮紊想姟⒐收舷蛘弋a(chǎn)生1泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復位1水泵變頻運行信號、1泵未工作在工頻狀態(tài)時,KM2常開觸點閉合接通變頻器,使1水泵變頻運行,同時KM2常閉觸點打開防止KM1線圈得電,從而在變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖,KM2的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。白天模式系統(tǒng)設定值為滿量程的90%,夜間模式系統(tǒng)設定值為滿量程的70%。~;;;;;;AQW0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。單刀雙擲開關(guān)SA打至2端時開啟自動控制模式,自動控制的工作狀況由PLC程序控制。 系統(tǒng)控制電路分析及其設計系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設備是PLC,控制電路的合理性,程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行性能。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式,即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行,其余水泵在工頻下做恒速運行,在用水量小的情況下,如果變頻泵連續(xù)運行時間超過3h,則要切換下一臺水泵,即系統(tǒng)具有“倒泵功能”,避免某一臺水泵工作時間過長。 水泵機組的選型水泵機組的選型基本原則,一是要確保平穩(wěn)運行;二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運行,以求取得較好的節(jié)能效果。PLC和上位機的通信采用PC/PPI電纜,支持點對點接口(PPI)協(xié)議,PC/PPI電纜可以方便實現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機的通信接口RS232的轉(zhuǎn)換,用戶程序有三級口令保護,可以對程序?qū)嵤┌踩Wo[12]。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。設定的供水壓力可以是一個常數(shù),也可以是一個時間分段函數(shù),在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。通過對以上這幾種方案的比較和分析,可以看出第三種控制方案更適合于本系統(tǒng)。而揚程則從H0上升到H1,運行工況點從E點移到F點,此時水泵的輸出功率正比于H1Q2。在這一點,用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài),供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性,也符合了管阻特性,系統(tǒng)穩(wěn)定運行。硬件設備選型、PLC選型,估算所需I/O點數(shù),進行I/O模塊選型,繪制系統(tǒng)硬件連接圖:包括系統(tǒng)硬件配置圖、I/O連接圖,分配I/O點數(shù),列出I/O分配表,熟練使用相關(guān)軟件,設計梯形圖控制程序,對程序進行調(diào)試和修改并設計監(jiān)控系統(tǒng)。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標來說,還遠遠沒能達到所有用戶的要求?;赑LC和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。山東科技大學學士學位論文 摘要基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)摘要本論文根據(jù)中國城市小區(qū)的供水要求,設計了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng), 并利用組態(tài)軟件開發(fā)良好的運行管理界面。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展,變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式,在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設備上廣泛應用,特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng),居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中,變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出,其優(yōu)越性表現(xiàn)在:一是節(jié)能顯著;二是在開、停機時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊;三是能減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗[2]。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程,大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速,水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制,有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現(xiàn);有的采用單片機及相應的軟件予以實現(xiàn)。20世紀70年代中末期,可編程控制器進入實用化發(fā)展階段,計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中,使其功能發(fā)生了飛躍。根據(jù)以上控制要求,進行系統(tǒng)總體控制方案設計。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點,稱為供水系統(tǒng)的工作點。 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線當用閥門控制時,若供水量高峰水泵工作在E點,流量為Q1,揚程為H0,當供水量從Q1減小到Q2時,必須關(guān)小閥門,這時閥門的摩擦阻力變大,阻力曲線從b3移到b1,揚程特性曲線不變。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合,并且與供水機組的容量大小無關(guān)。變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標,在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。因為當水泵機組運行,電機帶動水泵向管網(wǎng)供水時,由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵,給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩,同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網(wǎng),因此,當電機運行頻率下降到一個值時,水泵就己經(jīng)抽不出水了,實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高,可擴展性好,又有較豐富的通信指令,且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點;PLC可以上接工控計算機,對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連,更便于設備之間的通信。接觸器KMKMKM5分別控制MMM3的工頻運行;接觸器KMKMKM6分別控制MMM3的變頻運行;FRFRFR3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器;QSQSQSQS4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關(guān);FU為主電路的熔斷器。當采用手動控制時,必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流,本系統(tǒng)采用軟啟動器。(2)自動控制:在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有11個數(shù)字量輸出信號和1個模擬量輸出信號。白天、夜間模式的給定壓力值不同,兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設定的。(4) 各水泵變頻運行控制邏輯程序各水泵變頻運行控制邏輯大體上是相同的,現(xiàn)在只以1水泵為例進行說明。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖 2泵變頻運行控制流程圖 2泵工頻運行控制流程圖 控制系統(tǒng)子程序設計(1) 初始化子程序SBR_0首先初始化變頻運行的上下限頻率,在第二章水泵切換分析中已說明水泵變頻運行的上下限頻率分別為50HZ和20HZ。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti,Ti越大,積分作用越弱,易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大,反之則越強,易引起系統(tǒng)振蕩。sk=s1
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