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本科畢業(yè)論文-基于plc的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計-文庫吧資料

2025-06-13 15:24本頁面
  

【正文】 變 壓 器 圖 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(shè)備應(yīng)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 。另外, 實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰,這兩種情 況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。 如果用水狀況不變,供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入 — 切出 — 再投入 — 再切出地循環(huán)下去,這增加了機 組切換的次數(shù),使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中, 實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。 若出現(xiàn) sfPP? 時就 進行機組切換,很可能由于新增加了一臺機組運行,供水壓力一下 就超過了設(shè)定壓力。 所以選擇 50HZ 和 20HZ 作為水泵機組切換的上下限頻率。這個頻率在實際應(yīng)用中就是電機運行的下限頻率。其實,在實際應(yīng)用中,變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。那么何時進行切換,才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力,同時使機組不過于頻繁的切換呢 ? 由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制, 50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。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 。如果用水量繼續(xù)增加,滿足增加水泵的條 件,將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換, 將另一臺工頻 泵 M3投入運行,變頻器輸出頻率達到上限頻率 50Hz 時,壓力仍未達到設(shè)定值時,控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。 反之,當用水量減少水壓增加時,通過壓力閉環(huán),減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 如下 : (l) 系統(tǒng)通電,按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后,首先啟動變頻器拖 動變頻 泵 M1工作, 根據(jù) 壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的偏 差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率,控制 Ml的轉(zhuǎn)速,當輸出壓力達到設(shè)定值,其供水量與用水量相平衡時,轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值,這期間 Ml 工作在調(diào)速運行狀態(tài)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)框圖如圖 所示: P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定-管 網(wǎng) 壓 力P L C圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng) 通過安裝在用戶 供水管道上的壓力變送器 實時地測量參考點的水壓,檢測管網(wǎng)出水壓力,并將其轉(zhuǎn)換為 4—20mA 的電信號 ,此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù) 。設(shè)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)。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域,所 以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行,防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障,因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測,由 PLC 判斷報警類別,進行顯示和保護動作控制,以免造成不必要的損失。 根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同,變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式,變頻循環(huán) 式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵,當這臺水泵運行在 50Hz 時,其供水量仍不能達到用水要求,需要增加水泵機組時,系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出,將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機 ; 變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵,當這臺水泵運行在 50Hz 時,其供水量仍不能達到用水要長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 15 求,需要增加水泵機組時,系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵,變頻器不做切換,變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可 以選擇 [9], 本 設(shè)計中采用 前 者 。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng) 的核心。此信號來自安裝于水池中 的液位傳感器 ; 報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行,水泵電機是否過載、變頻器是否有異常,該信號為開關(guān)量信號。另外為加強系統(tǒng)的可靠性,還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測,檢測結(jié)果可以送給 PLC,作為數(shù)字量輸入 ;水池水 位信號反映水泵的進水水源是否充足。 管網(wǎng) 水壓 信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值,它是恒壓供水控制的主要反饋信號。 變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)的 組成 及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng), 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 所示: 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號報 警 信 號水 池 水 位 信 號 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出 ,系統(tǒng)可分為 : 執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分,具體為 : (l) 執(zhí)行機構(gòu) : 執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成,它們用于將水供入用戶管網(wǎng),其中由 一臺 變頻泵和 兩臺工頻 泵構(gòu)成,變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵,用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速,以維長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 14 持管網(wǎng)的水壓恒定 ;工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài),用以在用水量很大(變頻泵達到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時) 的情況下 投入工作 。 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)。同時由于 PLC 的抗 干長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 13 擾能力強、可靠性高,因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。具有良好的通信接口,可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換 ,通用性強; 由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化,用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。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。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性,數(shù)據(jù)通信困難,并且限制了帶負載的容量,因此僅適用于要求不高的小容量場合。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求,有以下幾種方案可供選擇 [8]: (1) 有供水基板的變頻器 +水泵機組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上,通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。 變頻 恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 控制 方案的比較和確定 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有 壓力變送器、 變頻器、恒壓控制單元、水泵長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 12 機組以及低壓電器組成。此時水泵輸出功率 正比于 H0Q2,由于 H1H0,所以 當用閥門控制流量時,有正比于 (H1- H0) Q2 的功率被浪費掉 ,并且隨著閥門的不斷關(guān)小,閥門的摩擦阻力不斷變大,管阻特性曲線上移,運行工況點也隨之上移,于是 H1增大,而被浪費的功率要隨之增加。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 H1 Q2。由上述關(guān)系有,水泵的輸出功率P 與轉(zhuǎn)速 n 三次方成 正 比,即 : 1P kHQ? ( ) 2n kQ? ( ) 23H kQ? () 3P kn? () 式中 k、 k k k3 為比例常數(shù)。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速,使管網(wǎng)壓力始終保持恒定,當用水量增大時電機加速,用水量減小時電機減速。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。由于實際用水中,需水量是變化的,若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變,必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量,水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。通常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水,并且把電機和水泵做成一體,通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速,從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 10 水的。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。因此,管阻特性所反映的是揚程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系H=f(Qc)。 管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。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)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置, 它們促進 了 變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率,就可以平滑地改變電動機的轉(zhuǎn)速。下面重點分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點。 從上式可知,三相異步電動機的調(diào)速方法有 : (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機極對數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 改變電機極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單,投資省,節(jié)能效果顯著,效率高,但需要專門的變極電機,是有級調(diào)速,而且級差比較大,即變速時轉(zhuǎn)速變化較大,轉(zhuǎn)矩也變化大,因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器。硬件設(shè)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(shè)計梯形圖控制程序,對程序進行調(diào)試和修改并設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng) 。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),本設(shè)計中有 3 個貯水池, 3 臺水泵,采用部分流量調(diào)節(jié)方法,即 3 臺水泵中只有 1 臺水泵在變頻器控制下作變速運行,其余水泵做恒速運行。 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; 長春工業(yè)大學(xué)人文信息 學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 7 (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。 西門子 S7200PLC 簡介 西門子公司具有品種非常豐富的 PLC產(chǎn)品。從控制規(guī)模上來說,這個時期發(fā)展了大型機和超小型機;從控制能力上來說,誕生了各種各樣的特殊功能單元,用于 壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合;從產(chǎn)品的配套能力來說,生產(chǎn)了各種人機界面 單元、通信單元,使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易 。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。更高的運算速度 、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)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。此時的 PLC 為微機技術(shù)長春工業(yè)大學(xué)人文信息 學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 6 和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物 。人們很快將其引入可編程控制器,使 PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能,完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。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。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體,易于擴展其功能的原則而設(shè)計 。在 1987 年國際電工委員會(International Electrical Committee)頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義 :“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng) 用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。因此,有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能,使 其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐 [4]。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn),但其輸出接口限制了帶負載容量,同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能,因此只適用于小容量,控制要求不高的供水場所。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。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu),降低了設(shè)備成本,但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性,系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高,與別的監(jiān)控系統(tǒng) (如 BA 系統(tǒng) )和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,并且限制了帶負載的容量,因此在實際使用時其范圍將會受到限制 [3]。應(yīng)用在
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