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基于plc變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(參考版)

2025-07-06 14:05本頁面
  

【正文】 三、液位變送器的選型 。 液位變送器是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理,采用國外 領(lǐng)先 的隔基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 第 22 頁 共 63 頁 離型擴(kuò)散硅敏感元件的壓阻效應(yīng),將靜壓 信號 轉(zhuǎn)換為電信號,再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正,轉(zhuǎn) 換 成標(biāo)準(zhǔn)電信號 (一般為 4~ 20mA)。壓力表測量 的 范圍 0~1Mpa,精度 ;數(shù)顯儀輸出一路 4~20mA電流信號,送 至 與 CPU226相連的 模擬量模塊 EM235, 當(dāng)做 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號,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 。在 工作工程 中, 若 壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障,系統(tǒng) 則 有可能開啟所有的水泵, 而此時的用水量又達(dá)不到,這就使水管中的 壓力升高 ,為了 避免 爆管和超高水壓損壞 居民 的用水設(shè)備 (熱水器、抽水馬桶等 ),本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出,作為 PLC 的一個數(shù)字 信號 輸入, 若 壓力超 過 上限, 則會 關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報警輸出。 由此 推 出一個壓力和電壓或電流的 線性 關(guān)系式 。 該 原理大 體 是:將水壓這 種壓力的力學(xué)信號 轉(zhuǎn)換為 電 子信號 ( 420mA), 通常 壓力和電壓或電流大小成線性關(guān)系,一般是正比關(guān)系 。 壓力變送器 依據(jù)檢測 范圍一般可分成壓力變送器 、 微差壓變送器和負(fù)壓變送器三類 。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 共 63 頁 壓力變送器的選型 一、壓力變送器定義和分類 壓力變送器 一般由 測量電路 、過程連接件和測 壓 元件 傳感器三 模塊 組成。 MicroMaster440 變頻器的適用于要求高、功率大的 情形 ,恰好其輸出信號能作為 75KW 的水泵電機(jī)的輸入信號。它采用模塊化結(jié)構(gòu),組態(tài) 十分 靈活,有完善的變頻器和電動機(jī)保護(hù) 系統(tǒng) ,內(nèi)置的 RS485/232C 接口 和 PI閉環(huán)控制器 能夠依據(jù) 用戶的特殊需要對 I/O 端子 完成許多功能 自定義。 因?yàn)?本設(shè)計中 PLC 選 用的型號是 西門子 S7200, 為了方便于 PLC 與 變頻器之間的通信,變頻器選擇西門子的 MicroMaster440。 依據(jù) 控制功能 區(qū)別 ,具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻器 、 普通功能型 U/f 控制變頻器、以及矢量控制高功能型變頻器是通用變頻器 3 個基本組成部分。變頻器的選擇必須 依 據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行 適當(dāng) 選擇。 ( 4) 控制器: 按設(shè)定 好 的程序 開始運(yùn)行 ,控制輸出方波的幅度與脈寬使 之 疊加為 相近 正弦波的交流電, 進(jìn)而帶動 交流電動機(jī)。 ( 2) 高容量電容: 將 轉(zhuǎn)換后的電能 存儲起來 。 四、 變頻器的基本組成部分 整流單元、高容量電容、 逆變器 和控制器 4 個 部分 組成了變頻器 。 從理論上 分析 ,變頻器可以用在所有 帶有 電機(jī)的機(jī)械 生產(chǎn)裝置 中,啟動電動機(jī)時電流會 高出額定值 56 倍,不 僅 會消耗較多的電量且影響電機(jī)的使用壽命 .系基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 第 20 頁 共 63 頁 統(tǒng)在 進(jìn)行 設(shè)計時 都會在 電機(jī)選型上留有一定的余量,電機(jī)的 轉(zhuǎn)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(yùn)行,因此進(jìn)行變頻改造是非常有必要的。 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(shè)備和閥門的使用 年限 。 由于變頻器內(nèi)部濾波電容的 功能,從而也 增加了電網(wǎng)的有功功率。 注意使用場合和使用條件才 能 正確 運(yùn) 用 , 反之 就是盲 目跟 從、 不注重實(shí)際 。 假使 不加前提條件的 盲目探討 變頻器工頻運(yùn)行 的 節(jié)能 性 ,就是夸大 變頻器的作用 或 者 商業(yè)炒作。 這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個 基本 條件。一臺 匹的空調(diào)自身耗電算下來也有 2030W, 相當(dāng)于一盞長明燈 . 工頻下運(yùn)行 的 變頻器具有節(jié) 能 功能是事實(shí)。 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。 通常 變頻電源的價格是變頻器 的 15- 20 倍。對于主要用在儀器儀表的檢測設(shè)備中 ,對 波形要求 相對 較高的可變頻率逆變器,要對波形 進(jìn)行相應(yīng)的處理工作。逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們 將它 稱 之 為變頻器。把直流電( DC)變換為交流電( AC)的裝置,術(shù)語 稱之為 為“inverter”(逆變器 )。 電動機(jī)使用變頻器的 目的 就是為了降低啟動電流并調(diào)速。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備 過去 的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來 控制 給風(fēng)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。為了 確保 生產(chǎn)的可靠性 這個關(guān)鍵前提 ,各 類不同的 生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時, 一般 都 設(shè)有一定的富余量。 三、 變頻器的節(jié)能 變頻節(jié)能 、功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能和軟啟動節(jié)能這三個方面 的節(jié)能構(gòu)成了 變頻器節(jié)能 的內(nèi)容。 ( 4)速度檢測電路 : 用安 裝在異步電機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器的信號 作 速度信號,送 至 運(yùn)算回路, 依 據(jù)指令和運(yùn)算可 讓 電動機(jī) 依據(jù) 指令 進(jìn)行工作 。 ( 3)驅(qū)動電路: 能夠 驅(qū)動主電路器件。 ( 1)運(yùn) 算電路: 對 外部 電路各種 速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號開始進(jìn)行 比較運(yùn)算, 從而 決定逆變器的輸出電壓 和輸出 頻率。 利用基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 第 18 頁 共 63 頁 電壓型 PWM 逆變器為 例表示出 關(guān)斷 時間 及 電壓波形。裝置容量 相對較 小時, 假使 電源和主電路 之間 構(gòu)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。 ( 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(chǎn)生的 脈動電流 也使 電壓系統(tǒng)中的 直流電壓 發(fā)生改變 。 ( 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(zhì)的 電源變換為 直流 性質(zhì) 電源 。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。 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。整流(交流變直流)、逆變(直流變交流)、 濾波、制動單元、驅(qū)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。 EM235 模塊 能夠 針對各種 標(biāo)準(zhǔn) 的 輸入信號, 利用 DIP 開關(guān)進(jìn)行 相應(yīng)的 設(shè) 定 。 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(yù)留量, 所以 主模塊 是 CPU226。 S7200 型 PLC的結(jié)構(gòu) 相對 緊湊, 成本十分 低廉,具 備 較高的性價比, 能夠普遍應(yīng)用 于一些小型控制系統(tǒng)。 所以當(dāng) 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(nèi)存空間 大小 、通訊接 口及協(xié)議 是否簡單方便 、擴(kuò)展模塊的能力等 諸 多方面 條件 。 S7200 擁有共 5 種 不同的 CPU 模塊,可 進(jìn)行 擴(kuò)展 至最多 7個擴(kuò)展模塊,擴(kuò)展到 248 點(diǎn)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(jìn)的程序結(jié)構(gòu),強(qiáng) 大的 功能編程軟件; (3) 相對較為 靈活 方便的尋址方法; (4) 強(qiáng)大的通信功能和品種 齊全 的配套人機(jī)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(shù)支持等。 五、西門子 S7200PLC 簡介 西門子公司 擁有 品種 十分充裕 的 PLC 產(chǎn)品。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(jī)和超小型機(jī);從控制能力上來 講 , 產(chǎn) 生了 形形色色 的特殊功能單元,用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制 情形 ;從產(chǎn)品的配套能力 上講 , 開發(fā) 了各種人機(jī)界面單元、通信單元,使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套 變得十分簡單 。這 意味 著可編程控制器已步入成熟 發(fā)展的新 階段。 那個時代 可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。更高的運(yùn)算速度、 更 小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾 能力 、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及 較高 的性價比奠定了它在 當(dāng)今控制領(lǐng)域 中的 重要 地位。此時的 可編程控制器 是 微機(jī)技術(shù) 與 繼電器常規(guī)控制 理論相總結(jié) 的 結(jié)晶 。 20 世紀(jì) 70 年代 初 產(chǎn)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(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等 ,真正 實(shí)現(xiàn) 了具 備 計算機(jī)特征的 工業(yè)自動控制系統(tǒng) 。 四、 PLC 的應(yīng)用和發(fā)展 世界上公認(rèn)的 首 臺 PLC 是美國數(shù)字設(shè)備公司 所 研發(fā) 的 。 (4)系 統(tǒng) 建造的周期大為縮短 ,維護(hù) 相對簡單 ,改造 十分容易。 (2)硬件配套 比較齊全 , 性能比較齊全。在此 過程 內(nèi) , CPU根據(jù) I/O 映象內(nèi) 對應(yīng) 的 信息 刷新 全部 輸出鎖存電路,再 利用 輸出電路驅(qū)動 與之相對應(yīng)的外 部 設(shè) 備 。掃描梯形圖 的過程 是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)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(diǎn)構(gòu)成的 整個線 路 進(jìn)行 邏輯運(yùn)算, 而 后 依 據(jù)邏輯運(yùn)算 得出 的結(jié) 論 , 重新調(diào)節(jié) 邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 中 相對 應(yīng)位 置 的 運(yùn)行 狀態(tài) ; 確定是否 應(yīng)該完成對 該梯形圖所 規(guī)定 的特殊 性能 指令。 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(zhǔn)確 讀入。 完成 輸入采樣后,轉(zhuǎn)入 到 用戶程序輸出刷新和執(zhí)行 過程 。整個運(yùn)行 過程中 PLC 的 CPU 都在以相應(yīng) 的掃描速度 循環(huán) 執(zhí)行 以上 三個 操作。 ” 二、 PLC 的工作原理 當(dāng) PLC 正常啟動運(yùn) 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 。它 采取 的存儲器 能夠 編制程序, 該存儲器可在其內(nèi)部存儲單元進(jìn)行邏輯運(yùn)算 、計時、算術(shù)運(yùn)算等 功能 的指令, 且可以利用設(shè)計 數(shù)字式或模擬式的輸入 、 輸出,完成 控制 不同種類 的機(jī)械或生產(chǎn)過程。為與個人計算機(jī)( PC) 進(jìn)行辨別 , 而今依然采取 可編程邏輯控制器這個老 叫法 。 系統(tǒng)主要設(shè)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(jié) 出 ,該系統(tǒng)的硬件設(shè)備 大體上 包括以下 5 大 部分: (1) PLC 及其擴(kuò)展模塊; (2) 變頻器; (3) 水泵機(jī)組; (4) 壓力變送器; (5) 液位變送器。 表 32 供水規(guī)模換算表 戶數(shù) 用水標(biāo)準(zhǔn)( 3m /人日) ( 3m /h) ( 3m /h) ( 3m /h) ( 3m /h) 450 500 600 700 800 1000 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 共 63 頁 3. 根據(jù)供水量和高度確定水泵型號和臺數(shù) ,并對電動機(jī)進(jìn)行選型 ,見下表。 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)《城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)》 GB/T 5033120xx,節(jié)錄如表 32。 各類 住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn), 依照 《城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)》 GB/T 5033120xx,節(jié)錄如下表。 具體 選擇依據(jù)使用表格 如 下 表 。 實(shí)際的機(jī)組切換判別 情況 如下 : 加泵條件: UPff ? 2dsf PPP ??? 且延時判別成立 () 減泵條件: LOWff ? 2dSf PPP ??? 且延時判別成立 () 式中: UPf :上限頻率 LOWf :下限頻率 sP :設(shè)定壓力 fP :反饋壓力 基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 第 12 頁 共 63 頁 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 供水設(shè)備的選擇原則 在 設(shè)計本 系統(tǒng)時, 第一步是 選擇水泵和電機(jī),選 擇 的 依據(jù)是供水規(guī)模。 此外 ,具體 供水 水壓 超調(diào)的 現(xiàn)象 以及 機(jī)組 的干擾使實(shí)際壓力的測量值 出現(xiàn)峰值 ,這兩種 條件 都可能在短時間內(nèi)滿足機(jī)組切換的判別條件。 假使 用水狀況 保持 不變,供水泵站中的所有 可以 自動投切的機(jī)組將循環(huán) 這樣一個循環(huán)模式: 投入 — 切出 — 再投入 — 再切出, 大大 增加了機(jī)組切換次數(shù),使系統(tǒng) 始終處在 不穩(wěn)定的 運(yùn)行 狀態(tài), 具體的供水壓力也會在 較 大的壓力范圍內(nèi) 浮動 。 如果滿足 fs PP? 時就 開始相應(yīng)的 機(jī)組切換, 也有 可能 因?yàn)?新增加了一臺機(jī) 組 參與工作 ,供水壓力 瞬間 就超 出 了設(shè)定壓力。 因此人們規(guī)定 50HZ 和 20HZ 作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。這個頻率在 具體情形 中就是電機(jī) 運(yùn)行 的下限頻率。 此 外,變頻器的輸出頻率 也不可能 為負(fù)值,最低 也 只能是 0HZ。
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