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基于plc變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計畢業(yè)設計(編輯修改稿)

2025-07-24 18:01 本頁面
 

【文章內容簡介】 10003. 根據(jù)供水量和高度確定水泵型號和臺數(shù),并對電動機進行選型,見下表。表33 水泵,電機和變頻器選型表用水量/(/h)揚程/m水泵型號電機功率/KW配用變頻器/KW50xN6080LG5020x315158080LG5020x410080LG5020x5222212080LG5020x63030100xN40100DL260100DL3303080100DL43737100100DL54545120100DL65555注:N為水泵臺數(shù)4. 設定供水壓力經(jīng)驗數(shù)據(jù):平方供水壓力P=;樓房供水壓力 P=(+樓層數(shù))MPa ():(1)貯水池本身容量必須大于每小時總供水量峰值;(2)水泵揚程一定要超過實際供水高度;(3)水泵流量總和必須大于實際用水峰值。 系統(tǒng)主要設備的選型依據(jù)基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)的原理,系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖31所示:由以下電氣總框圖能夠總結出,該系統(tǒng)的硬件設備大體上包括以下5大部分:(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。圖31 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 PLC及其擴展模塊的選型一、可編程控制器的定義可編程控制器英文縮寫為PC,英文全稱為Programmable Controller,經(jīng)過了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC(英文全稱:Programmable Logic Controller)和可編程控制器PC幾個不同階段。為與個人計算機(PC)進行辨別,而今依然采取可編程邏輯控制器這個老叫法。1987年國際電工會員會(International Electrical Committee)頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下解釋:“PLC是一種產生于特定工業(yè)運行條件下的數(shù)字運算操作的電子自動控制裝置。它采取的存儲器能夠編制程序,該存儲器可在其內部存儲單元進行邏輯運算、計時、算術運算等功能的指令,且可以利用設計數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出,完成控制不同種類的機械或生產過程。PLC及其相連的外圍部件都應當按照方便和工業(yè)控制系統(tǒng)結合為一個有機整體,還應方便于擴展其性能的原則而設計。”二、PLC的工作原理 當PLC正常啟動運行,該控制流程大致分為三個部分,輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個部分。完整的完成以上三個部分稱之為一個掃描周期。整個運行過程中PLC的CPU都在以相應的掃描速度循環(huán)執(zhí)行以上三個操作。(一) 輸入采樣階段 輸入采樣階段,PLC用連續(xù)掃描的方式依次地讀入所有輸入信息,并將該信息存入I/O映像區(qū)的對應結構中。完成輸入采樣后,轉入到用戶程序輸出刷新和執(zhí)行過程。即使在兩個階段輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)產生了改變,I/O映像區(qū)中的對應單元的信息也不會發(fā)生改變。假使輸入信號是脈沖信號,則該脈沖信號的寬度必須得超過一個掃描周期,這樣才能確保在任何情形下,該輸入信息都能被準確讀入。(二) 用戶程序執(zhí)行階段用戶程序執(zhí)行階段,PLC通常掃描用戶程序的順序是由上而下的依次地開始。掃描梯形圖的過程是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的連接線路,按照先左后右、先上后下的即定順序對由觸點構成的整個線路進行邏輯運算,而后依據(jù)邏輯運算得出的結論,重新調節(jié)邏輯線圈在系統(tǒng)RAM中相對應位置的運行狀態(tài);確定是否應該完成對該梯形圖所規(guī)定的特殊性能指令。 (三) 輸出刷新階段 掃描用戶程序過程結束后,PLC就開始進入輸出刷新過程。在此過程內,CPU根據(jù)I/O映象內對應的信息刷新全部輸出鎖存電路,再利用輸出電路驅動與之相對應的外部設備。三、PLC的特點(1)可靠性相對比較高,抗干擾能力也較強。(2)硬件配套比較齊全,性能比較齊全。(3)方便學習與應用,被廣大工程技術人員所接受。 (4)系統(tǒng)建造的周期大為縮短,維護相對簡單,改造十分容易。(5)體積僅相當于幾個繼電器的大小,重量輕且能耗低。 四、PLC的應用和發(fā)展世界上公認的首臺PLC是美國數(shù)字設備公司所研發(fā)的。受限于當時元器件條件及計算機發(fā)展應用水平,早期的PLC通常由分立組件和集成電路兩部分組成,可以實現(xiàn)相對簡單的邏輯控制過程及定時、計數(shù)過程。20世紀70年代初產生了微處理器,人們迅速將該器件引入到PLC,使PLC增加了許多新興功能如運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等,真正實現(xiàn)了具備計算機特征的工業(yè)自動控制系統(tǒng)。為了方便人們了解熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的使用,可編程控制器利用與繼電器電路圖比較相似的梯形圖作為重要編程工具 ,且將在計算機中參與計算及處理過程的存儲組件都用繼電器加以命名。此時的可編程控制器是微機技術與繼電器常規(guī)控制理論相總結的結晶。20世紀70年代中末期,可編程控制器進入到實際應用發(fā)展階段,計算機技術已經(jīng)全方面被應用到可編程控制器,使其結構功能發(fā)生了巨大飛躍。更高的運算速度、更小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾能力、模擬量運算、PID功能及較高的性價比奠定了它在當今控制領域中的重要地位。20世紀80年代初,可編程控制器在眾多發(fā)達國家中已取得普遍運用。那個時代可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。該階段的另一個特點是世界上發(fā)展可編程控制器的國家數(shù)量日趨上升,產量日益增加。這意味著可編程控制器已步入成熟發(fā)展的新階段。20世紀末期,可編程控制器的發(fā)展特點是更加迫切地滿足于現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。從發(fā)展規(guī)模上來講,這個階段研發(fā)了各種功能大型機和超小型機;從控制能力上來講,產生了形形色色的特殊功能單元,用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制情形;從產品的配套能力上講,開發(fā)了各種人機界面單元、通信單元,使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套變得十分簡單。日前,PLC在國內外已普遍使用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、輕紡、交通運輸、及文化娛樂等不同行業(yè),被稱為現(xiàn)代控制技術的三大砥柱之一。五、西門子S7200PLC簡介西門子公司擁有品種十分充裕的PLC產品。S7系列屬于傳統(tǒng)意義的PLC產品,S7200屬于小型PLC,在1998年衍生為第二代 產品,隨后升級為第三代產品,其多方面優(yōu)點如下:(1) 功能相對較為強大。S7200擁有共5種不同的CPU模塊,可進行擴展至最多7個擴展模塊,擴展到248點數(shù)字量或38路模擬量,最多有超過30KB的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間;(2) 先進的程序結構,強大的功能編程軟件;(3) 相對較為靈活方便的尋址方法;(4) 強大的通信功能和品種齊全的配套人機界面;(5) 比較有競爭力的市場價格;;(6) 完善的互聯(lián)網(wǎng)技術支持等。六、PLC及其擴展模塊的選型PLC是整個供水控制系統(tǒng)中的核心器件,該器件需要實現(xiàn)對系統(tǒng)中所有輸入信號的收集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的信息交換。所以當我們在挑選PLC時,需充分考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令種類豐富程度、內存空間大小、通訊接口及協(xié)議是否簡單方便、擴展模塊的能力等諸多方面條件。因為恒壓供水自動控制系統(tǒng)的主要控制設備相對較少,所以PLC選用德國SIEMENS公司的S7200型。S7200型PLC的結構相對緊湊,成本十分低廉,具備較高的性價比,能夠普遍應用于一些小型控制系統(tǒng)。SIEMENS公司的PLC具備高可靠性,擴展性較高,又擁有比較齊全的通信指令系統(tǒng),且通信協(xié)議十分簡單等優(yōu)點;PLC能夠與工業(yè)控制用的計算機系統(tǒng)進行連接,對自動控制系統(tǒng)進行一定的監(jiān)測與控制。依據(jù)控制系統(tǒng)具體所需端子數(shù)量,考慮PLC端子數(shù)量需要有一定的預留量,所以主模塊是CPU226。由于實際中需要模擬量輸入點1個,模擬量輸出點1個,所以還需擴展,擴展模塊選用的是EM235。EM235模塊能夠針對各種標準的輸入信號,利用DIP開關進行相應的設定。 變頻器的選型一、變頻器的定義變頻器是利用變頻技術與微電子技術通過改變電機工作電源頻率方法來調節(jié)交流電動機的電力調節(jié)設備。整流(交流變直流)、逆變(直流變交流)、濾波、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等不同種類功能的單元組成了變頻器。通過調節(jié)電源的頻率來實現(xiàn)對電源電壓的調節(jié),依據(jù)電機的實際需求來提供其所需要的電源電壓,進而達到節(jié)能調速的目的。二、變頻器的工作原理變頻器的工作原理從主電路和控制電路兩大方面來闡明。第一、主電路為電力變換部分,他為異步電動機提供了調壓調頻電源,變頻器的主電路大體上可分為兩類:將電壓源的直流變換為交流的變頻器屬于電壓型,電容是該直流回路的濾波。將電流源的直流變換為交流的變頻器屬于電流型,電感是該直流回路濾波。 它由三部分構成,吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波回路”,將工頻電源變換為直流功率的“整流器”,以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 (1)整流器最近廣泛使用的是二極管的變流器,它可以將工頻性質的電源變換為直流性質電源。也可使用兩組晶體管變流器構成功率方向可逆、可進行再生運轉的可逆變流器。 (2)平波回路整流器整流后的直流電壓系統(tǒng)中含有的脈動電壓電源頻率的6倍,此外逆變器產生的脈動電流也使電壓系統(tǒng)中的直流電壓發(fā)生改變。實際電路為了抑制電壓波動,采取利用電感和電容等原件去吸收脈動電壓(電流)。裝置容量相對較小時,假使電源和主電路之間構成的器件有余量,能夠省去電感而采用相對較為容易的平波回路。 (3)逆變器與整流器所相比,逆變器是將直流性質的電流變換為需要的頻率的交流性質的電流,在已經(jīng)確定的時間使6個開關元件進行導通、關斷就能夠獲得3相交流輸出。利用電壓型PWM逆變器為例表示出關斷時間及電壓波形。 第二、控制電路是給電機提供電能(電壓、頻率可調)的主電路,該電路還能提供控制信號,通常由將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”,頻率、電壓的“運算電路”,主電路的“電壓、電流檢測電路”,電動機的“速度檢測電路”,以及逆變器和電動機的“保護電路”組成 。(1)運算電路:對外部電路各種速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號開始進行比較運算,從而決定逆變器的輸出電壓和輸出頻率。 (2)電壓電流檢測電路:與主回路相電位隔離,用于檢測電壓、電流等。 (3)驅動電路:能夠驅動主電路器件。與控制電路隔離使主電路器件進行導通、關斷。 (4)速度檢測電路:用安裝在異步電機軸機上的速度檢測器的信號作速度信號,送至運算回路,依據(jù)指令和運算可讓電動機依據(jù)指令進行工作。 (5)保護電路:當發(fā)生過載或過電壓等異常時,令逆變器工作停止或抑制電壓、電流值,測量主電路的電壓。 三、變頻器的節(jié)能變頻節(jié)能、功率因數(shù)補償節(jié)能和軟啟動節(jié)能這三個方面的節(jié)能構成了變頻器節(jié)能的內容。(1)變頻節(jié)能變頻器節(jié)能主要反映在風機、水泵這兩類生產設備的應用上。為了確保生產的可靠性這個關鍵前提,各類不同的生產機械在設計配用動力驅動時,一般都設有一定的富余量。假使電機不能在滿負荷得條件下工作時,除滿足動力驅動需求之外,剩余的力矩大大增加了有功功率的消耗,并且造成能源的白白浪費。風機、泵類等設備過去的調速方法是通過調節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來控制給風量和給水量,輸入功率一般較大,并且大量能源消耗在多余的擋板、閥門截流的過程中。當使用變頻調速時,假使流量要求減小,只需要使泵或風機的轉速的降低即可達到要求。 電動機使用變頻器的目的就是為了降低啟動電流并調速。該設備首先需把電源的交流電變換為直流電(DC),這樣做的目的為了產生可變的電壓和頻率,這個過程叫整流。把直流電(DC)變換為交流電(AC)的裝置,術語稱之為為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。逆變?yōu)轭l率可調、電壓可調的逆變器我們將它稱之為變頻器。變頻器輸出的模擬正弦波多是用在三相異步電動機調速過程中,故而又叫做變頻調速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設備中,對波形要求相對較高的可變頻率逆變器,要對波形進行相應的處理工作。能夠輸出標準正弦波的通常是變頻電源。通常變頻電源的價格是變頻器的15-20倍。變頻器設備中產生變化的電壓或頻率裝置叫“inverter”,所以該產品被命名為“inverter”,(即變頻器)。 變頻不是處處可以省電,且有許多場合用變頻并不一定能省電。 作為電子電路,變頻器本身也需要消耗電能(約額定功率的35%)。,相當于一盞長明燈. 工頻下運行的變頻器具有節(jié)能功能是事實。但是他的前提條件是: 第一、為風機/泵類負載且功率相對較大; 第二、裝置本身具備軟件支持的節(jié)電功能; 第三、處于長期持續(xù)的工作狀態(tài)。 這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個基本條件。除此之外,節(jié)不節(jié)電并沒有什么現(xiàn)實意義。假使不加前提條件的盲目探討變頻器工頻運行的節(jié)能性,就是夸大變頻器的作用或者商業(yè)炒作。徹底了解了本質,就能巧妙的利用他為你服務。注意使用場合和使用條件才能正確運用,反之就是盲目跟從、不注重實際。 (2)功率因數(shù)補償節(jié)能無功功率增加線路損耗、設備的發(fā)熱以及降低了功率因數(shù),功率因數(shù)的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低,致使大部分無功電能消耗在線路當中,且設備使用效率相當?shù)拖拢速M情況十分嚴重,采用變頻調速裝置降低了無功損耗。由于變頻器內部濾波電容的功能,從而也增加了電網(wǎng)的有功功率。 (3)軟啟動節(jié)能電機硬啟動會對電網(wǎng)系統(tǒng)造成相當大的沖擊,同時對電網(wǎng)容量要求也比較高,正常啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大,對設備、線路的使用壽命十分有害。然而采用變頻節(jié)能裝置后,利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零增大,最大電流值也低于額定電流,從而減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的苛刻要求,大大延長設備和閥門的使用年限。設備的維護費用也得到減少。 從理論上分析,變頻器可以用在所有帶有電機的機械生產裝置中,啟動電動機時電流會高出額定值56倍,電機的轉速通常是保持不變的,但在具體使用過程中,有時要以較低或者較高的速度運行,
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