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正文內(nèi)容

plc在恒壓給水系統(tǒng)中的應用(編輯修改稿)

2024-09-24 17:43 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 ,能夠更加靈活地完成自動化任務。 課題研究的對象 此次設計研究的對象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。這棟樓有 10 層,由于高層樓對水壓的要求高,在水壓低時,高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況,水壓高時將造成能源的浪費。如圖 所示,是這棟小樓的供水流程。自來水廠送來的水先儲存的水池中再通過水泵加壓送給用戶。通過水泵加壓后,必須恒壓供給每一個用戶。 恒壓供水系統(tǒng)控制方式介紹 本系統(tǒng)采 用 PLC 外加變頻器的控制方式,主要設備有壓力傳感器,可編程控制器,變頻器已經(jīng)水泵 。其中傳感器主要是檢測管網(wǎng)中水壓,轉(zhuǎn)化為電信號傳送到 PLC 中與壓力設定值進行 PID 運算,輸出結果到變頻器,通過變頻器改變泵的電源頻率,控制電機轉(zhuǎn)速,達到恒壓供水的目的。 系統(tǒng)方案結構 如圖 所示。 用戶用水 水泵組 水池 圖 供水系統(tǒng)方案圖 變頻構成恒壓供水系統(tǒng)的及工作原理 系統(tǒng)的構成 整個恒壓供水系統(tǒng)硬件結構如圖 所示。 P 壓力變送器 變 頻器 PLC M 攀枝花學院本科畢業(yè)設計(論文) 2 恒壓給水系統(tǒng)簡介 7 圖 系統(tǒng) 結構 圖 如圖 ,系統(tǒng)由三臺水泵,一臺變頻器,一臺 西門子 200可編程控制器 和一個壓力傳感器 組 成。三臺泵 循環(huán)運行,延長水泵使用壽命,系統(tǒng)中的壓力傳感器 一般采用壓力變送器 ,它將檢測到的壓力值以 4~ 20mA的信號傳送給 PLC,整個系統(tǒng) 變頻器 和 PLC是核心 不見 ,通過 變頻器 改變電機的頻率 實現(xiàn)電機的無極調(diào) 。 從原理框圖,我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由 信號檢測,執(zhí)行機構,調(diào)節(jié)機構,控制系統(tǒng)組成。 (1)執(zhí)行機構 執(zhí)行機構包括三臺水泵,它們是為用水供水的直接動力部件,三臺泵都分變頻運行和工 頻運行,之間的切換有 PLC程序指令控制,變頻運行時 PLC中 PID運算結果控制變頻器的輸出,使得三臺泵變頻運行。 (2)信號檢測 整個系統(tǒng)中的信號檢測主要是管網(wǎng)水壓的檢測,為系統(tǒng)的運行提供數(shù)據(jù)。 (3)控制系統(tǒng) PLC作為系統(tǒng)的控制器,是整個系統(tǒng)的核心,數(shù)據(jù)處理中心,當壓力傳感器將管網(wǎng)水壓信號傳輸過來以后 PLC的 PID模塊進行運算后得出一個輸出結果到變頻器,完成恒壓的控制,同時, PIC程序指令還將完成泵之間的循環(huán)切換,增泵減泵等功能,是整個系統(tǒng)的大腦,根據(jù)收集到的條件,告訴執(zhí)行機構如何操作。 ( 4) 通訊接口 在自動 化項目中,通信永遠是重要的一環(huán),通過通信,能實現(xiàn)與上位機或監(jiān)控軟件之間的數(shù)據(jù)交換,更加方便的了解系統(tǒng)運行狀態(tài)及控制 [4]。 工作原理 合上空氣開關,供水系統(tǒng)投入運行。將自動開關 SB0閉合 , 再按下 SB3啟動, SB2確認后系統(tǒng)正式開始運行。 PLC首先 接通 KM4, 第一臺泵變頻運行, 并 接通 KM7起動變頻器。 通過壓力傳感器傳來的管網(wǎng)水壓與設定的值以下 PID運算 , 控制變頻器改變水泵電源頻率,控制電機轉(zhuǎn)速,達到恒壓供水的目的。同時 PID模塊能提供高低限報警,當控制面板 P L C 變頻器 M1 M2 M3 用 戶 管 網(wǎng) 攀枝花學院本科畢業(yè)設計(論文) 2 恒壓給水系統(tǒng)簡介 8 PID控制變頻器的輸出達到設定高值(設定為變頻器輸 出頻率 50HZ), ,表示一臺泵不能滿足供水功率需要,此時 PLC程序會自動執(zhí)行增泵程序,當 PID控制變頻器的輸出達到設定低值(設定為變頻器輸出 20HZ), ,自動化程序會自動執(zhí)行減泵程序。 增泵 工作過程為 假定開始時 二號泵變頻運行 , 則二號 泵電機在 PLC控制下先投入 工頻運行 , 三號泵變頻啟動, 其運行速 度由變頻器調(diào)節(jié)。當供水壓力小于壓力預置值時變頻器輸出頻率升高,水泵轉(zhuǎn)速上升,反之下降。 減泵工作過程 為 假定 開始時二號泵工頻運行,三號泵變頻運行, 當供水壓力大于預置值時,變頻器 輸出頻率降低,水泵速度下降,當變頻器的輸出頻率達到下限,并穩(wěn)定運行一段時間后,把 三號 水泵停機 ,二號變頻運行。 變頻恒壓供水系統(tǒng)中 增 減水泵 過程 分析 工作原理介紹中講到的 PID模塊高限報警表示運行的水泵已經(jīng)達到額定頻率額定轉(zhuǎn)速,此時如果在提高電源頻率就會降低電機的轉(zhuǎn)矩,但是此時系統(tǒng)管網(wǎng)水壓還達不到我們的要求,所以必須啟動下一臺泵來增加整個供水系統(tǒng)的功率, 以便保持系統(tǒng)水壓恒定 。反過來講,當因為高限報警后執(zhí)行了增泵程序,用戶用水量降下來以后,兩臺泵運行的功率過剩,此時就需要將其中一臺泵停下來,另一臺泵變 頻運行。那么什么情況下增哪一臺?怎么增?減泵又是減哪一臺?怎么減?這些問題在后面的程序及仿真中再一一介紹。 就變頻器本身而言,它的變頻范圍是很廣的 , 一般都是 0到幾百赫茲,但我們在此系統(tǒng)中應用卻不能使頻率過大或過小,頻率過大將導致電機轉(zhuǎn)矩不足等問題,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,整個系統(tǒng)中電機可能在工頻與變頻之間切換,當變頻切工頻時 只能 是工頻頻率在 50Hz時進行。 如果變頻頻 率已經(jīng)達到 50HZ,依舊達不到設定的壓力值, PID高限報警 ,此時延時 2S后就需要增加一臺泵以滿足供水需要。相對的,當用水量比較少時, 變頻頻率就會降低,但也不能無限將至 0HZ甚至以下,在實際應用中 , 因為管網(wǎng)中是存在水壓的,所以會施加一個反向力給水泵,同時也會阻止水池的水進入管網(wǎng),所以變頻頻率不可能降至 0HZ,甚至在 10~ 20HZ時水泵已經(jīng)無法將水送入管網(wǎng),所以 PID模塊低限報警設定值一般就為水泵不能送水的臨界值,此值更加管網(wǎng)水壓以及其他原因會有所不同,此系統(tǒng)中低限報警值設為 20HZ。 在實際應用中,應當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。即在接到高低限報警時不是立即執(zhí)行增減泵操作,而是進行一定時間的延時,防止因偶然情況導致不必要 的增減泵,這樣不僅會影響管網(wǎng)水壓穩(wěn)定,還使得泵起停頻繁,使用壽命減短。在本系統(tǒng)中定時為 30S,為了程序仿真方便,在仿真時此值設為 2S。 主電路接線圖 電機有兩種工作模式即:在工頻電下運行和在變頻電下運行。 KM KM KM3 攀枝花學院本科畢業(yè)設計(論文) 2 恒壓給水系統(tǒng)簡介 9 分別為電動機 M1 、 M2 、 M3 工頻運行時接通電源的控制接觸器, KM KM5 、 KM6 分別為電動機 M M M3 變頻運行時接通電源的控制接觸器。 熱繼電器 (FR)是利用電流的熱效應原理工作的保護電路,它在電路中的用作電動機的過載保護。 熔斷器 ( FU) 是電路 中的一種簡單的短路保護裝置。使用中,由于電流超過允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路,防止電氣設備短路和嚴重過載 [5]。 水泵主回路接線如圖 所示。 工頻電 QS FU1 FU2 FU3 KM7 KM1 KM2 KM3 KM4 FR1 KM5 FR2 KM6 FR3 圖 水泵主回路接線圖 R S T 變 頻 器 U V W M1 M3 M2 攀枝花學院本科畢業(yè)設計(論文) 3 恒壓供水系統(tǒng)硬件配置 10 3 恒壓供水系統(tǒng)硬件配置 可編程控制器 選型 簡介 PLC 可編程控制器是 60 年代末在繼電器系統(tǒng)上 發(fā)展起來的,當時稱作可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller),簡稱 PLC。可編程控制器是以微處理器為基礎,綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術,用面向控制過程、面向用戶的簡單編程語句,適應工業(yè)環(huán)境,是簡單易懂,操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制器,是當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。可編程控制器具有豐富的輸入 /輸出接口,并具有較強的驅(qū)動能力,但它的產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用,其靈活標準的配置能夠適應工業(yè)上的各種控制。在實際應用中,其硬件可根據(jù)實際需要選用配置,其軟 件則需要根據(jù)要求進行設計 [6]。 PLC 結構如圖 所示。 圖 PLC的硬件結構框圖 初期 的 PLC 只能進行開關量的控制,比較簡單,系統(tǒng)的限制比較多隨著自動化技術,計算機技術的發(fā)展, PLC 的功能越來越完善,順序控制,模擬量處理讓 PLC 在自動化領域扮演著越來越重要的角色 [7]。 現(xiàn)代可編程控制器不僅能實現(xiàn)對開關量的邏輯控制,還具有數(shù)學運算、數(shù)學處理、運動控制、模擬量 PID 控制、通信網(wǎng)絡等功能。在發(fā)達的工業(yè)化國家,可編程控制器已經(jīng)廣泛的應 用在所有的工業(yè)部門,其應用已擴展到樓宇自動化、家庭自動化、商業(yè)、公用事業(yè)、測試設備和農(nóng)業(yè)等領域。歸納可編程控制器主要有以下幾方面的優(yōu)點: 1)編程方法簡單易學 2)功能強,性能價格比高 3)硬件配套齊全,用戶使用方便,適應性強 電源模塊 存儲器模塊 CPU 模塊 控制對象 編程器 通信模塊 智能模塊 操作模塊 輸出模塊 輸入模塊 攀枝花學院本科畢業(yè)設計(論文) 3 恒壓供水系統(tǒng)硬件配置 11 PLC 是在系統(tǒng)軟件的控制和指揮下,采用循環(huán)順序掃描的工作方式,其工作過程就是程序的執(zhí)行過程,它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段,如圖 所示。 掃描周期 輸入采樣 程序執(zhí)行 輸出刷新 程 刷新 輸出 . ..... . ..... 讀 序 寫 ........ 圖 PLC的掃描工作過程 PLC 的選型 首先是選擇 PLC 的品牌,根據(jù)供水系統(tǒng)要求,結合可靠性,市場認可度及成本,泵課題選用西門子 S7 系列 PLC 作為控制器,因控制電路 I/O 點較少,選用小型 PLC 西門子 200PIC 即可 [8]。 水泵 M M2, M3可變頻運行,也可工頻運行,需 PLC的 6個輸出點,變頻器的運行與關斷 需 由 PLC的 1個輸出點, 三臺泵的運行反饋停止反饋共需 6個輸入點,系統(tǒng)的起??刂乒残?7個輸入點,三臺泵的工頻開關需 3個輸入點,壓力檢測需一個模擬量輸入點,變頻器的 PID調(diào)節(jié)需一個模擬量輸出點一個,所以本系統(tǒng)數(shù)字輸入點共 19個,數(shù)字輸出點共 7個,模擬輸入點 1個,模擬量輸出點 1個 [9]。系統(tǒng)符號表如 圖 。 圖 系統(tǒng)符號表 輸入端 輸入寄存器 元件寄存器 輸出寄存器 輸出端 攀枝花學院本科畢業(yè)設計(論文) 3 恒壓供水系統(tǒng)硬件配置 12 由于西門子 224XP包含 2個模擬量輸入和 1個模擬量輸出,不必額為添加模擬量出來模塊,所以本系統(tǒng)選用門子 224XP作為控制器,技術參數(shù)如下: 表 CPU 常規(guī)參數(shù) 訂貨號 模塊名稱 模塊描述 尺寸( mm) 重量 功耗 6ES7 2142BD230XB8 CPU224XP AC/DC/繼電器 14輸入 /10繼電器輸出 140*80*62 440g 11W 表 CPU22X 相同的參數(shù) PID 控制器 位處理數(shù)據(jù) 標志 /定時器 /計數(shù)器 集成通信端口 電源電壓 數(shù)字量輸入 數(shù)字量輸出 最多 8個 256/256/256 RS 485 接口支持下列工 作模式: PPI 主站或從站/MPI 從站 /自由口 85264VAC 24V DC 5 – 30 V DC 或 5–250 V AC,最大 2 A(繼電器) 表 CPU 特定數(shù) 據(jù)技術 規(guī)范 由于本系統(tǒng)共數(shù)字量輸入點 19 個,輸出點為 7 個, 224XP 自身集成的 I/O 點不能滿足系統(tǒng)需要,需增加一個數(shù)字量擴展
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