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基于plc的恒壓供水泵站系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文-文庫吧資料

2025-07-10 21:23本頁面
  

【正文】 所帶負(fù)荷情況,合理確定水泵的臺數(shù)。 實(shí)際使用時(shí),只能按標(biāo)牌所注揚(yáng)程和流量的80%~90%估算,水泵配套動力的選擇,可按標(biāo)牌上注明的功率選擇,但為了使水泵啟動迅速和使用安全,動力機(jī)的功率也可略大于水泵所需功率,一般高出10%左右為宜。 (3)要適當(dāng)超標(biāo)選水泵。 ~。然后設(shè)置變頻器控制端口開關(guān)操作控制參數(shù), 表 設(shè)置電動機(jī)參數(shù)表參數(shù)表設(shè)置值說明P0031用戶訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級P01001快速調(diào)試P0100功率以KW為單位,頻率為50HZP0304380電動機(jī)額定電壓(V)P0305電動機(jī)額定電流(A)P0307電動機(jī)額定功率(KW)P031050電動機(jī)額定頻率P0311電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速(r/min) 控制端口開關(guān)開關(guān)操作控制參數(shù)參數(shù)號設(shè)置值說明P00031/2用戶訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級/擴(kuò)展級P0004命令和數(shù)字I/OP07002命令源選擇“由端子排輸入”P07011數(shù)字輸入端1接通正轉(zhuǎn),斷開停止P07022數(shù)字輸入端2接通反轉(zhuǎn),斷開停止P10002頻率設(shè)定值選擇為“模擬輸入”P1080電動機(jī)運(yùn)行的最低頻率(HZ)P108250電動機(jī)運(yùn)行的最高頻率(HZ)P1120斜坡上升時(shí)間(s)P1121斜坡下降時(shí)間(s) 供水系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)是依靠水泵抽水來實(shí)現(xiàn)的,水泵作為整個系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),因此,水泵型號選擇是否合適將影響系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能高效、安全穩(wěn)定的重要因素。首先按下P鍵對變頻器進(jìn)行復(fù)位,使變頻器的參數(shù)值回到出廠時(shí)的狀態(tài)。(1) PLC部分設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng)使用CPU226(此部分暫不做分析)和模擬量擴(kuò)展模塊EM235 AIW0 EM235模擬量輸入通道1,接一精密電位器; AQW0 EM235模擬量輸出通道1,接MM440的端口3和4。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。其采用模塊化結(jié)構(gòu),組態(tài)靈活,有完善的電動機(jī)和變頻器保護(hù)功能,內(nèi)置RS485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器,可根據(jù)用戶特殊需要對I/O端子進(jìn)行自定義。由于本設(shè)計(jì)中PLC選擇的西門子S7200型號,為了方便PLC和變頻器之間的通信,我們選擇西門子的MicroMaster440變頻器。根據(jù)不同控制功能,變頻器可分為三種類型:普通功能型U/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。變頻器須根據(jù)水泵電機(jī)的電流和功率進(jìn)行選擇。針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號,EM235模塊可以通過DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn)1個,模擬量輸出點(diǎn)1個,所以需要擴(kuò)展,擴(kuò)展模塊選擇的是EM235,該模塊具有4個模擬輸入(AIW)通道,1個模擬輸出(AQW)信號通道。 3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間小于250us。 (3) EM235:模擬量混合輸入/輸出(AI/AO)模塊, 1) 4路模擬量輸入,一路模擬量輸出。 2) 數(shù)據(jù)字格式:電壓:32000~+32000;電流0~+32000。 3) 最大輸入電壓30VDC,最大輸入電流32mA。 (1) EM231:4路12位模擬量輸入(AI)模塊 1) 差分輸入,輸入范圍:電壓:0~10V、0~5V;電流:0~20mA。本次設(shè)計(jì)中需要擴(kuò)展一個采集處理壓力信號的模擬信號,應(yīng)擴(kuò)展一個模擬量輸入/輸出(AI/AO)模塊。為了擴(kuò)展I/O點(diǎn)和執(zhí)行特殊的功能,S7200系列PLC可以連接擴(kuò)展模塊(CPU221除外)。 (6) 大范圍的集成功能使得它的功能非常強(qiáng)勁。 (4) 具有13KB的程序和數(shù)據(jù)存儲空間、6個獨(dú)立的30kHZ的高速計(jì)數(shù)器、兩路獨(dú)立的20kHZ的高速脈沖輸出、PID控制器、1個RS485通信/編程口、點(diǎn)對點(diǎn)接口PPI通信協(xié)議、多點(diǎn)接口MPI通信協(xié)議和自由通信口,絕對滿足設(shè)計(jì)需求。 (2) SIMENS S7200可編程序控制器是模塊化中小型PLC系統(tǒng),能滿足中等性能要求的應(yīng)用。 S7200 PLC的各種CPU特性比較CPU型號外形尺寸/mm數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊數(shù)量CPU221908062 6 4 0CPU222908062 8 6 2CPU224 14 10 7CPU226/CPU226XM1908062 24 16 7 根據(jù)系統(tǒng)要求和功能(具體I/O分配見下文),考慮到I/O分配留有一定裕量,設(shè)計(jì)選用西門子S7200系列的CPU226型。由于目前I/O點(diǎn)數(shù)較多的PLC價(jià)格也較高,若備用的I/O點(diǎn)是數(shù)量太多,將使成本增加。 (2) 功能強(qiáng)弱適當(dāng)對于開關(guān)量控制的工程項(xiàng)目,由于現(xiàn)代PLC具有足夠高的速度處理大量的I/O數(shù)據(jù)和解算梯形圖邏輯,因此對于大多數(shù)應(yīng)用場合來說,PLC的響應(yīng)時(shí)間并不是主要的問題,所以對速度要求不高,一般選用低檔的PLC,如西門子公司的S7200系列機(jī)。 可編程序控制器(PLC)的選型 機(jī)型的選擇:PLC機(jī)型的選擇應(yīng)是在滿足控制要求的前提下,保證可靠、維護(hù)使用方便以及最佳的性能價(jià)格比。它是衡量PLC能力強(qiáng)弱的指標(biāo),決定了PLC處理能力、控制能力的強(qiáng)弱。功能更改靈活。與其他控制方式相比,性價(jià)比較高。它采用可以編制程序的存儲器,用來在其內(nèi)部存儲執(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。 PLC及其擴(kuò)展模塊選型 PLC特點(diǎn)及性能指標(biāo) (1)PLC的定義可編程控制器,簡稱PLC(Programmable logic Controller),是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。 擴(kuò)充臨界比例帶法PID參數(shù)整定控制度調(diào)節(jié)規(guī)律Ts/TcrKc/KcrTi/TcrTd/TcrPIPIDPIPIDPIPIDPIPID模擬控制器PIPID(3)擴(kuò)充響應(yīng)曲線法擴(kuò)充響應(yīng)曲線法是模擬控制器響應(yīng)曲線補(bǔ)充,是一種開環(huán)整定方法。 5) 按求得的參數(shù)值,在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)定運(yùn)行,并觀察控制效果??刂贫仁且阅M控制器為基礎(chǔ),定量衡量計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制器對同一對象的控制效果。 2)逐漸增大比例增益Kc,直到控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定邊界達(dá)到等幅振蕩,此時(shí)的比例增益為臨界比例增益Kcr,振蕩周期稱為臨界振蕩周期Tcr。 表 被控過程特點(diǎn)和控制器參數(shù)項(xiàng)目流量、液體壓力氣體壓力液位溫度、蒸汽壓力成分時(shí)滯容量數(shù)周期噪聲無多容量1~10s有無單容量0無無單容量1~10s有變動3~6Min~h無恒定1~100Min~h往往存在比例度積分作用微分作用100%~500%50%~200%重要不用0~5%不必要不必要5%~100%少用不用10%~100%用重要100%~1000%重要可用 (2) 擴(kuò)充臨界比例法 這是一種基于系統(tǒng)臨界振蕩參數(shù)的閉環(huán)控制法,實(shí)際上也是模擬控制器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣,用來整定數(shù)字PID算式中的Ts、Kc、Ti和Td。經(jīng)驗(yàn)整定法可先設(shè)置一個比例度,確定出系統(tǒng)振蕩周期Tp,然后根據(jù)被控過程的特點(diǎn),當(dāng)采用PI控制時(shí),設(shè)置Ti=(~1)Tp;對溫度、成分等被控過程,可采用PID控制,設(shè)置Td=(~)Ti。微分環(huán)節(jié)主要作用是控制被調(diào)量的振蕩,減小超調(diào)量,加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間,改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越大,積分作用則越弱,引起系統(tǒng)超調(diào)量增大,反之越強(qiáng),引起系統(tǒng)振蕩。(2) 積分環(huán)節(jié):只要偏差存在,控制就會發(fā)生改變,直到系統(tǒng)偏差變?yōu)榱恪? PID控制原理圖PID控制規(guī)律: ()式中:Kc為比例系數(shù);Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器作為一種線性控制器,它是對設(shè)定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t): ()經(jīng)比例(P) 、積分(I) 和微分(D) 運(yùn)算后經(jīng)線性組合構(gòu)成控制量u(t),對被控對象進(jìn)行控制,所以稱之為PID控制器。在連續(xù)控制系統(tǒng)中,常采用Proportional (比例)、Integral (積分)、Derivative (微分)控制方式,即PID控制。 (3)通信接口方式 可以通過通信接口,如RS48PROFIBUS等,來進(jìn)行遠(yuǎn)程的頻率給定。由模擬量進(jìn)行頻率設(shè)定時(shí),給定頻率與對應(yīng)的給定信號X(電壓或電流信號)之間的關(guān)系曲線,稱做頻率給定線。外接數(shù)字量信號接口可用來設(shè)定電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,以及完成分段頻率的控制。 有3種方式可以完成變頻器的頻率設(shè)定: (1)面板設(shè)定方式 通過面板上的按鍵完成頻率給定。變頻應(yīng)用大大提高了工藝的高效性,使變速不依賴于機(jī)械部分,同時(shí)可以比原來的定速運(yùn)行電機(jī)更加節(jié)能。變頻器已在國民經(jīng)濟(jì)各部門廣泛使用。目前,變頻調(diào)速給水在建筑給水中應(yīng)用越來越廣,其主要原因是: (1)變頻調(diào)速給水的供水壓力可調(diào),可以方便地滿足各種供水壓力的需要。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的變頻原理在本次變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,根據(jù)上文提及的電動機(jī)調(diào)速原理可知,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,在改變電動機(jī)頻率方面出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速裝置,它們促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用,變頻器在其中扮演著舉足輕重的角色。此情況下水泵輸出功率正比于H0Q2,由于H1H0,所以當(dāng)使用閥門控制流量時(shí),有正比于(H1-H0)Q2的功率被損耗,并伴隨著閥門開度減小,閥門摩擦阻力變大,管阻特性曲線將上移,運(yùn)行工況點(diǎn)也將隨之上移,于是H1增大,而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 當(dāng)使用閥門控制時(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,閥門的摩擦阻力變大,管阻特性曲線從b3移到b1,揚(yáng)程特性曲線不變,揚(yáng)程從H0上升到H1,運(yùn)行工況點(diǎn)從E點(diǎn)轉(zhuǎn)移到F點(diǎn),水泵的輸出功率正比于H1Q2。從流體力學(xué)可得,水泵向管網(wǎng)供水時(shí),水泵的輸出功率P與出水流量Q和管網(wǎng)的水壓H的乘積成正比;水泵轉(zhuǎn)速n與出水流量Q成正比;管網(wǎng)水壓H與出水流量Q的平方成正比。變頻調(diào)速的供水方式為轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速控制法則是通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供水流量,不改變閥門開度,是通過改變水的動能來改變流量。其實(shí)質(zhì)為經(jīng)調(diào)節(jié)水路中的阻力以改變流量,因此,管阻隨閥門開度變化而變化,但是其揚(yáng)程特性不變。在供水系統(tǒng)中,通常以流量為控制目的,常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。所以,異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)。 恒壓供水系統(tǒng)基本特征水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成變頻恒壓供水系統(tǒng)供水部分。管阻特性曲線和揚(yáng)程特性曲線的交點(diǎn),稱之為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。改變閥門開度,實(shí)際上改變的是在某一揚(yáng)程下,供水系統(tǒng)面向用戶的供水能力。管阻特性則是以水泵的轉(zhuǎn)速恒定為前提的,表示揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系曲線(閥門在某一開度下)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理供水系統(tǒng)的揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q兩者之間的關(guān)系曲線。但僅通過電源頻率調(diào)節(jié),最終導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能的惡化。由公式可得,轉(zhuǎn)差率基本不變的情況下,三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本與電源頻率f成正比。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速中為確保其較大的調(diào)速范圍在一般情況下采用串級調(diào)速方式,它的最大優(yōu)點(diǎn)在于可回收轉(zhuǎn)差功率,具有良好的節(jié)能效果,且其調(diào)速性能好,但是其線路過復(fù)雜,中間環(huán)節(jié)的電能損耗增加,由于成本較高而影響了其推廣使用價(jià)值。而異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速 ()式中異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率,一般小于3%。由于水泵功率較大,為了避免直接啟動電流過大,需要采用軟啟動方法,即用變頻器來啟動水泵[9]。當(dāng)正在運(yùn)行的供水泵全速運(yùn)行,但仍未達(dá)到給定壓力值時(shí),切換變頻泵到工頻運(yùn)行,通過變頻器軟啟動另一臺供水泵。 這樣保證系統(tǒng)的每臺泵運(yùn)行時(shí)間接近,防止個別供水泵運(yùn)行時(shí)間過長損耗,而有的泵因長時(shí)間不用而銹死,從而有效的延長了設(shè)備的壽命。(3) 停止轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置,設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài),任何設(shè)備不能啟動。該系統(tǒng)最基本的功能是變頻自動控制,系統(tǒng)可自動實(shí)現(xiàn)對水泵的軟啟動、循環(huán)變頻、停止等操作過程。若出現(xiàn)電源瞬時(shí)停電的情況,系統(tǒng)立即停止運(yùn)行。由于本系統(tǒng)在不同的供水領(lǐng)域均可適用,所以為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠、平穩(wěn)、安全 的運(yùn)行,防止因?yàn)殡姍C(jī)過載、變頻器運(yùn)行報(bào)警、電網(wǎng)波動過大、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等原因造成的故障,因此系統(tǒng)需要對各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測,然后通過PLC判斷報(bào)警類別,進(jìn)行報(bào)警顯示和保護(hù)動作控制,以免造成
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