基于PLC的恒压变频供水系统毕业设计论文(DOC 44页).docx
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1、绪论近年来我国中小城市发展迅速,集中用水量急剧增加。据统计,从 1990 年到 1998 年,我国人均日生活用水量(包括城市公共设施等非生产用水)有 175.7 升 增加到 241.1 升,增长了 37.2% ,与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在 逐年提高。传统的自来水厂的供水模式在用水量高峰期时供水量普遍不足,造成城市公 用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大,仅仅 靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情 况造成用水高峰期时供水压力不足,用水低峰期时供水压力过高,不仅十分浪费 能源而且存在事故隐患。供水厂以前虽然也进行过一些技术
2、改造,但是生产系统大部分仍然采用人工 手动控制,生产过程中的重要参数仍然依靠人工定时记录,例如清水池水位、电 机运行时间、耗电量等都是由值班人员定时记录。随着地区经济的发展,城区居 民生活用水和工业用水量大幅度上升。经过改造和扩建,供水厂目前的日供水能 力在 7.5 万立方米左右, 仍然不能完全满足用水需求。 由于城区用水量中居民生活 用水所占的比例比较大,用水量的需求具有时变性。在用水高峰期时,清水池的 水位达不到要求高度 ,管网压力达不到规定的标准压力,造成高层建筑断水。用水 低峰期时,管网压力经常超过规定的压力上限,极易造成爆管事故并且能源损耗 严重。供水厂原有的生产设备的控制方式比较落
3、后,控制过程烦琐,大部分需要 人工进行手动操作,能耗高,而且不能保证供水压力达到压力标准。此外,水厂 作为城市供水系统的重要组成部分,其日常的生产、计划、运行和管理都直接影 响到城市的安全供水。在这种供水模式下长期以来许多水厂各部门的管理人员采 用传统的人工管理模式,通过手工从事繁重的业务管理、各种日报表、月报表、 年报表的统计汇总等工作。由于对大量的统计报表的基础数据缺乏科学的分析手 段,因此很难为运行管理以及调度提供强有力的决策支持。所以对供水系统的技 术改造已经迫在眉睫,技术改造的目的是提高生产过程的自动化水平。并在此基 础之上配备相应的系统管理软件,改变传统的落后管理方式,使管理工作规
4、范化, 提高水厂的业务管理水平,这为现在化的恒压供水控制广泛应用提供了条件。恒压供水系统具有如下几个优点:1节电节水 变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能,节能量通常在 10-40%。从单台水泵的节能来看,流量越小,节能量越大,优化的节能控制软件, 使水泵实现最大限度地节能运行;根据实际用水情况设定管网压力,自动控制水 泵出水量,减少了水的跑、漏现象。2恒压供水 变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围 内连续变化,从而可以保证用户任何时候的用水压力,不会出现在用水高峰期热 水器不能正常使用的情况。3运行可靠 由变频器实现泵的软起动,使水泵实现由工频到变频的无冲击 切换,防止
5、管网冲击、避免管网压力超限,管道破裂。系统实行闭环供水后,用 户的水全部由管道直接供给,避免了用水的 “二次污染 ”,安全卫生。4自动运行、管理简便新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠 压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时 轮换控制、密码设定等功能,功能完善,全自动控制,自动运行,泵房不设岗位, 只需派人定期检查、保养。5联网功能, 采用全中文工控组态软件, 实时监控各个站点, 如电机的电压、 电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量,累积每 台泵的出水量,同时提供各种形式的打印报表,以便分析统计。6延长设备寿命、保护电网稳定
6、使用变频器后,机泵的转速不再是长期维 持额定转速运行,减少了机械磨损,降低了机泵故障率,而且主泵定时轮换控制 功能自动定时轮换主泵运行,保证各泵磨损均匀且不锈死,延长了机泵使用寿命。 变频器的无级调速运行,实现了机泵软启动,避免了电机开停时的大电流对电机 线圈和电网的冲击,消除了水泵的水锤效应。7控制灵活、 自我保护功能完善 分段供水,定时供水,手动选择工作方式。 如果某台泵出现故障,主动向上位机发出报警信息,同时启动备用泵,以维持供 水平衡。万一自控系统出现故障,用户可以直接操作手动系统,以保护供水。本设计就真对恒压供水控制系统包括软硬件方面在工业实际应用中具体作用 进行详细的介绍。系统将
7、PID调节、PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有 机地结合起来,并发挥各自优势,这个操作方便的自动控制系统,以变频调速为 核心,以智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备,起动平稳, 起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平 均转速降低了,从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命;可以消除起动和停机时 的水锤效应。使得系统调试和使用都十分方便,而且大大简化了水厂在管理、数 据统计和分析等方面的工作量。变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大 程度满足需要,其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的 功能,将使供水实现节水、节电、节省人力,
8、最终达到高效率优质运行,降低自 来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。第 1 章 恒压供水系统的设计方案1.1 本设计系统的方案分析本设计的内容如下:恒压供水的基本控制策略是:采用可编程控制器(PLC)与变频调速装置构成 控制系统,进行优化控制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供 水压力的闭环控制,即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量 自动补偿用水量的变化,以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求,还可节约电能,使系统处于可靠工作状态,实现恒压供水。本系统是基 于S7-200变频调速恒压供水系统的设计。以西门子 S7-200系列PLC和西门子专 用
9、变频器为核心的恒压供水控制系统设计系统设计采用一控 3(3 台水泵)自动切 换模式,方案由西门子可编程控制器一台、西门子变频器一台、水泵机组(3台)、压力传感器、工控机、及控制柜等组成。系统采用一台变频器拖动 3 台电机的运 行,起动,调速。其中一台大机(45kW)和两台小机(22kW)采用循环使用的方 式运行。通过工控机和 PLC 连接,实现监测控制。通过压力传感器检测管道压力 信号不断反馈给变频器,有变频器自动调节所控制水泵的电机转速,当变频器所 控制的水泵达到工频时还不能满足要求时由 PLC 自动把那台水泵切换到工频运 行,把变频器自动切换到下一台水泵使其软启动运行,当供水量减少时在自动
10、进 行切换,减少水泵运行台数,实现自动控制。系统设计时考虑到水泵切换时电机 的自感电动势现象,各种连锁保护及报警、应急措施。还要根据工作情况实时的 对水泵进行切换使大泵轮流担任主泵。其具体设计思路如下:1 通过介绍恒压供水应用研究的目的和意义。介绍变频器和PLC等技术的原理、应用、发展及其各自的特点和在恒压供水系统中的发展前景。2变频恒压供水系统的理论原理硬件设计。主要介绍由 PLC 和变频器控制的变频调速恒压供水系统的工作原理;以及系统调速范围的确定。硬件设计包括 了设计框图、原理图、 PLC 外部接线图、确定安装模拟控制板的元器件数量等内 容。3系统软件设计。主要介绍变频调速恒压供水运行软
11、件的总体结构设计,写 出语句表。软件设计主要包括了编程软件的简介和梯形图的基本绘制规则、控制 系统主程序设计、软件设计、编程中应注意的细节问题、系统控制方式选择、 S7-200/CPU226内置PID功能及其编程介绍等内容。4.结合电力安全章程, 把安全问题作为本套设计方案的一切设计过程的重要参 照条件。1.2变频供水系统的介绍及变频器的控制方式变频器主要是用来调速的,变频调速有很多的优点。变频调速恒压供水系统 由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能 PID调节器、压力变送器、pic 控制单元等部分组成,控制系统原理图如图1-1所示。图1-1恒压供水系统控制原理框图三相异步电动机具有维修方
12、便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点,所 以在实际应用中异步电动机的应用最为广泛。异步电机的调速方法很多,例如无 极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样 的缺点没有得到广泛的应用。随着电子技术的发展、完善,变频调速所具有的调 速的机械特性好,效率高,调速范围宽,精度高,调整特性曲线平滑,可以实现 连续的、平稳的调速,体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优 点而倍受人们的青睐。而发展到现在为止交流电机的变频调速技术已经发展成为 一项成熟的技术,它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流, 再由IGBT或GTR莫块等器件逆变成频率可调的交流电
13、源,以此电源拖动电机在变 速状态下运行,并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能 以额定功率、定转速的单一运行方式,从而达到节能目的。现代变频调速技术应 用于电力水泵供水系统中,较为传统的运行方式可节电40%60%,节水15%30%。通用变频器的发展正是把变频调速和电力电子技术完善的结合起来,特别是 近几年来随着微机技术的日新月异 ,现代技术的迅速发展和现代调速控制理论的 长足进步,通用变频器不仅用于一般性能的调速控制而且已经用于高性能、高转 速、大容量调速控制方面。其多用途,高可靠性和明显的节电效果迅速广泛地应 用各种大型自动化生产线和各类电机控制上,变频器不仅可以单台工作,
14、也可以 多台分别控制各自的被控对象,并相互串联,与计算机进行通迅,采用计算机对 变频器网络的集中控制,形成连续生产线的调速控制系统。变频器内置的各种功 能,对合理设计变频调速恒压供水设备,降低成本,保证产品质量等方面有着非 常重要的意义。在恒压供水控制系统中变频器可以根据用水及管压情况适时的调 节控制水泵的电机,且一台变频器通过自动切换可以控制多台水泵的运行,这种 多泵调速系统投资更为节省,运行效率高,被实际证明是最优的系统设计,很快 发展成为主导产品。在变频调速供水系统中,是通过变频器来改变水泵的转速,从而改变水泵工 作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工 况
15、点,是指水泵在确定的管路系统中,实际运行时所具有的扬程、流量以及相应 的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中,水泵工况点的调节是一个十分 关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远,不仅会引起水泵运行效率降 低、功率升高或者发生严重的气穴现象,还可能导致管网压力不稳定而影响正常 的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实 际扬程,这三种因素任一项发生变化,水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵 工况点的确定和工况调。变频器有多种结构类型,但工业主流的变频器不论交一交变频器还是交一直 交变频器都有类似的结构如下:图1-2变频器的基本结构变频器的作用是为电机提供可变
16、频率的电源,实现电机的无级调速,从而使 管网水压连续变化,同时变频器还可作为电机软启动装置,限制电机的启动电流。 压力变送器的作用是检测管网水压。通常在同一路供水系统中,设置多台常用泵, 供水量大时多台泵全开,供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供 水时,就用两种方式,其一是所有水泵配用一台变频器;其二是每台水泵配用一 台变频器。后种方法根据压力反馈信号,通过 PID运算自动调整变频器输出频率,改变电动机转速,最终达到管网恒压的目的,就一个闭环回路,较简单,但成本 高。1.3 变频调速的节能、调速原理1V/F 控制 异步电动机的转速与定子电源频率 f 和极对数有关,改变 f 就 可以
17、平滑的调节同步转速,但是频率 f 的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩 不足的现象,所以在改变 f 的同时,还需要调节定子的电压,使气隙磁通保持不 变,电动机的效率不下降,这就是 V/F控制。V/F控制简单,通用性优良。2转差频率控制 检测出电机转速、构成闭环、速度调节器的输出为转差频 率,然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。由电机学的基础 知识可知只要保持气隙中磁通 一定,控制转差频率f2就可以控制电动机的转矩, 这就是转差频率控制。与 V/F 控制相比其加减特性和限制过电流的能力得到提高。(压力),流量Q与转速N的-P 与转速 N 的立方成正比,如 N 可成比例的下降,而此
18、时轴3矢量控制 矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律, 将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量,并分别进 行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制,获得和直流电动机一样的优良的调 速性能。由流体力学可知,P (功率)=Q (流量)XH 次方成正比,压力 H 与转速 N 的平方成正比,功率 果水泵的效率一定,当要求调节流量下降时,转速输出功率 P 成立方关系下降。 即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。 如:一台水泵电机功率为 55KW,当转速下降到原转速的4/5时,其耗电量为28.16KW,省电48.8%,当转速下降到原转速的1/2时,其耗电量为6.
19、875KW,省 电 87.5。在对水水泵控制过程中 ,水泵工控点的确定对系统稳定高效有着重要的作用。 水泵工作点(工况点)是指水泵在确定的管路系统中,实际运行时所具有的扬程、 流量以及相应的效率、功率等参数。水泵的扬程 H 计算公式如下 :H=P R-Pv+(V2-Vi)/2g+ z (1.1)H 水泵的扬程,单位:米;Pr水泵出口压力表读数,单位:米; Pv水泵进口压力(真空)表读数; V2、V1水泵出口、入口处的流速,单位:米/秒; z 出口、入口表计的安装高差,单位米;G 重力加速度,米 /秒。 一般工程计算中扬程简化计算公式如式( 1.2)。H=Pr-Pv ( 1.2)式(1.2)给出
20、了水泵的扬程与出水压力间的相互关系。水泵的工作曲线均表示为流量Q扬程H曲线,而纵观调速水泵的控制方式,则以水泵出水压力Pr作为控制参数,因而,笔者利用水泵的流量 Q出水压力PR曲线作辅助分析,为有所 区别,将曲线上的点分别称为工况曲线及工况点。 如果把某一水泵的性能曲线(即 H-Q曲线)和管路性能曲线画在同一坐标系中(图 1-3),则这两条曲线的交点 A,就是水泵的工作点。 工作点A是水泵运行的理想工作点,实际运行时水泵的工 作点并非总是固定在A点。若把水泵的效率曲线 n-Q也画在同一坐标系中,在图 1-3中可以找出A点的扬程HA、流量QA以及效率?A。图1-3 水泵工作点的确定401-4所示
21、:从图1-3中可以看出,水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头相等, 水泵抽送的流量等于管路所需的流量,从而达到能量和流量的平衡,这个平衡点 是有条件的,平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化 时,平衡就被打破,并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保 证供水工作点的参数,反映水泵装置的工作能力,是泵站设计和运行管理中一个 重要问题。在变频调速恒水位供水过程中,水泵工况点的变化如图A1、A2P2、P1逐渐下降,当A0移动,使管网系统供i3-P当P1、P2高于P0时,说明管网系统用水量减少,管路阻力特性曲线 向A0方向变化,此时水泵转速逐渐降低,管网口压力也由
22、 P1低于P0时,其工况点变化与上述相反即由 A1逐渐向 水始终保持恒定。根据1-5图水泵变速恒压工况分析:当管网用水由 Q2、Q1.向Q0移动时, 通过改变水泵转速使P0保持恒定。变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程如下: 首先,交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系:n =60 f(1-s)/p(1.3)式中S为转差率,P为极对数。电动机的转速从 ni降低到n2。另外根 n,可使供水泵流量Q、扬程H和轴功率不改变电动机的极对数,只改变电源的频率,电动机的转速就按比例变动。 在变频调速恒压供水系统中,通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n。 改变水泵的转速,可以使水泵性能曲线改
23、变,达到调节水泵工况目的。当管网负 载减小时,通过VVVF降低交流电的频率, 据叶片泵工作原理和相似理论,改变转速 N以相应规律改变。(1.4)(1.5)(1.6)(1.7)Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n 1/n2)23P1/P2 =(n 1/n2)2H =KQ式1-5是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程,在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况,所以称为相似工况抛物线。在变频调速恒水位供水系统中,单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n,从而改变水泵性能曲线得以实现的。其工况调节过程可由图1-6来说明。图1-6变频调速恒压供水水泵工况调节图由图 工况点为1-6
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