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畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于plc的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)-wenkub.com

2025-01-13 23:54 本頁(yè)面
   

【正文】 白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 90%, 夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 70%。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成,這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。在本設(shè)計(jì)中,控制要求中規(guī)定任一臺(tái)泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過 3h,因此每次需啟動(dòng)新水泵或切換變頻泵時(shí),以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。判斷需啟動(dòng)新水泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。~ 分別輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻 /變頻運(yùn)行信號(hào); 輸出水位超限報(bào)警信號(hào); 輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào); 輸出白天模式運(yùn)行信號(hào); 輸出報(bào)警電鈴信號(hào); 輸出變頻器復(fù)位控制信號(hào); AQW0輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。AC。 (4) 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能,對(duì)水泵的操作要有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能,手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。白天,小區(qū)的用水量大,系統(tǒng)高 恒壓值運(yùn)行;夜間,小區(qū)用水量小,系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。當(dāng) 輸出 1 時(shí), KM2 線圈得電, 1水泵變頻運(yùn)行指示燈 HL2 點(diǎn)亮,同時(shí) KM2 的常閉觸點(diǎn)斷開,實(shí)現(xiàn) KM KM1 的電氣互鎖。同理,可以通過按下 SB SB5 啟動(dòng)電機(jī) M M3,通過按下 SB SB6 來(lái)使電機(jī)M M3 停機(jī)。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 27 本系統(tǒng)在手動(dòng) /自動(dòng)控制下的運(yùn)行過程如下: (1) 手動(dòng)控制: 手動(dòng)控制只 在檢查故障原因時(shí)才會(huì)用到 ,便于 電機(jī) 故障的檢測(cè)與維修 。 圖中的 HL10 為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。 PLC 主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制,要完成以下功能:自動(dòng)控制三臺(tái)水泵的投入運(yùn)行; 能在三臺(tái)水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換;三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有 軟啟動(dòng)功能;對(duì)水泵的操作要有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能,手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用;系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。為提高變頻器的功率因數(shù),必須接電抗器。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個(gè)電壓表顯示不同相之間的線電壓。而且變頻器的輸出端絕對(duì)不允許直接接電源,故必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn),當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí),變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。 NL 1L 2L 3F U變 頻 器Q S 1RSTU VWQ S 2K M 2F R 1K M 1M 13 ~K M 3M 23 ~K M 5M 33 ~K M 4F R 2Q S 3 Q S 4K M 6F R 3 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 三相電源經(jīng)低壓 熔 斷 器、 隔離開關(guān) 接至變頻器的 R、 S、 T 端,變頻器的輸出端 U、 V、 W 通過接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。 系統(tǒng) 主 電路分析及其設(shè)計(jì) 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 所示 :三臺(tái)電機(jī)分別為 M M M3,它們分別帶動(dòng)水泵 3。壓力表測(cè)量范圍 0~1Mpa,精度 ;數(shù)顯儀輸出一路 4~20mA 電流信號(hào),送 給 與 CPU226 連接模擬量模塊山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 23 EM235, 作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào),可設(shè)定壓力上、下限,通 過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào) 。 因此本設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)功率為 75KW 的上海 熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵 3 臺(tái)。 。 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(shè)備之間的通信。它是用于三相交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品,由微處理器控制,采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件,具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控,所以變頻器 還 應(yīng)具有通訊功能 。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 A/D 的轉(zhuǎn)換,標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng) (16bit)的數(shù)字信號(hào) ; 輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換,一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高,可擴(kuò)展性好,又有較豐富的通信指令,且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn); PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī), 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。 主要 設(shè)備選型如表 所示: 表 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號(hào)及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器( PLC) Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水 泵機(jī)組 SFL 系列水泵 3 臺(tái)( 上海 熊貓機(jī)械有限公司) 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270 數(shù)顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26(淄博丹佛斯 公司 ) 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 20 PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心,它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。這樣的工作狀態(tài)既無(wú)法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力,也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損,減少運(yùn)行壽命 。 當(dāng) 輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí),實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行,電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí),由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵,給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力 矩,同時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng),因此,當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí),水泵就己經(jīng)抽不出水了,實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。 水泵切換條件分析 在上述的系統(tǒng)工作流程中,我們提到當(dāng) 變頻 泵己運(yùn)行在上限頻率,此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力,此時(shí)需要增加水泵來(lái)滿足供水要求,達(dá)到恒壓的目的 ; 當(dāng) 變頻 泵和工頻泵都在運(yùn)行且 變頻 泵己運(yùn)行在下限頻率,此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力,此時(shí)需要減少工頻泵來(lái)減少供水流量,達(dá)到恒壓的目的。 (3) 當(dāng)用水量繼續(xù)增加,變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz時(shí),若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力,并且滿足增加水泵的條件 (在下 節(jié) 有詳細(xì)闡述 )時(shí),在變頻 循環(huán) 式的控制方式下,系統(tǒng)將 在 PLC的控制下自動(dòng)投入 水 泵 M2(變速 運(yùn)行 ), 同時(shí) 變頻泵 M1做工頻運(yùn)行, 系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié),直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。由于電信號(hào)為模擬量,故必須通過 PLC的 A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較 ,將比較后的偏差值進(jìn)行 PID運(yùn)算,再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過 D/A 轉(zhuǎn)換 模塊 轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及 控制方案確定 16 器的輸入信號(hào),控制變頻器的輸出頻率,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而控制水泵的供水流量,最終使用戶供水管道上的壓力恒定,實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。 變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo),在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集,對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法,得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案,通過變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵機(jī)組 )進(jìn)行控制 ; 變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元,其跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率,完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。信號(hào)有效時(shí),控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制,以防止水泵空抽而損壞電 機(jī)和水泵。 (2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu) : 在系統(tǒng)控制過程中,需要檢測(cè)的信號(hào)包括 管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水 位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合,并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。 (3) 通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu),降低了設(shè)備成本,但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩,無(wú)法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求,在調(diào)試時(shí), PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難,調(diào)節(jié)范圍小,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能不易保 證。 所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多,節(jié)能效果顯著 。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及 控制方案確定 11 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 圖 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 當(dāng)用閥門控制時(shí),若供水量高峰水泵工作在 E 點(diǎn),流量為 Q1,揚(yáng)程為H0,當(dāng)供 水量從 Q1 減小到 Q2 時(shí),必須關(guān)小閥門,這時(shí)閥門的摩擦阻力變大,阻力曲線從 b3 移到 b1,揚(yáng)程特性曲線不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來(lái)改變流量,因此,管阻將隨閥門開度的改變而改變,但揚(yáng)程特性不變。因此,供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn),稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn),如圖 中 A 點(diǎn)。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?,表明閥門在某一開度下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系 曲線, 如圖 所示 。但是,單一地調(diào)節(jié)電源頻率,將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級(jí)調(diào)速的方式,其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率,節(jié)能效果好,且調(diào)速性能也好,但由于線路過于復(fù)雜,增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗 [7],且成本高而影響它的推廣價(jià)值。 根據(jù)以上控制要求,進(jìn)行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對(duì)象,采用 PLC 和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù),設(shè)計(jì)一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng),并引用計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠,安全節(jié)能,獲得最佳的運(yùn)行 工況。 目前, PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、及文化娛樂等各個(gè)行業(yè),被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多,產(chǎn)量日益上升。 20 世紀(jì) 70 年代中末期, 可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段,計(jì)算機(jī)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。 20世紀(jì) 70 年代 初出現(xiàn)了微處理器。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器, 用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令,并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程??梢钥闯?,目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中,對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合,結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 5 得不夠。目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程,大多采用國(guó)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(tái)水泵的循環(huán)控制,有的采用可編程控制器 (PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn) ; 有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。在早期,由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起動(dòng)控制 以及 制動(dòng)控制、壓頻比控制 以 及各種保護(hù)功能?,F(xiàn)在,我國(guó)約有 200 家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作,但自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品和國(guó)際市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品相比,還有比較大的技術(shù)差距。 1964 年,最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制 PWM技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中的是德國(guó)人。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動(dòng)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(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛 應(yīng)用,特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級(jí)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(jī)時(shí)能減小電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊 ; 三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗 [2]。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式簡(jiǎn)單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時(shí)間維修山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 2 或停電可不停水等優(yōu)點(diǎn),但存在基建投資大,占地面積大,維護(hù)不方便,水泵電機(jī)為硬起動(dòng),啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn),頻繁起動(dòng)易損壞聯(lián)軸器,目前主要應(yīng)用于高層建筑。s urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data system is made up of PLC, transducer,units of pumps,pressure sensor and control machine and so on. This system is formed by three
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