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机电一体化毕业设计(论文)-基于PLC控制的变频调速恒压供水系统设计.doc

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机电一体化毕业设计(论文)-基于PLC控制的变频调速恒压供水系统设计.doc

1湖南生物机电职业技术学院毕业设计(论文)题目PLC恒压供水系统专业机电一体化技术班级姓名指导教师2011年05月14日2摘要随着人们对生活水平要求的不断提高和经济社会发展的需求再加上目前能源紧缺,严重制约着经济社会的发展。利用现有的成熟技术,设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统,由PLC进行逻辑控制,由变频器进行压力调节。在经过PID运算,通过PLC控制变频与工频切换,实现闭环自动调节恒压变量供水。运行结果表明,该系统具有压力稳定,结构简单,工作可靠等特点。而本设计是针对居民生活用水而设计的。电动机泵组成由三台水泵组成,由变频器或工频电网供电,根据供水系统出水口的压力和流量来控制变频器电动机泵的速度和切换,使系统运行在最合理状态,保证按需供水。关键词变频器恒压供水PLC3目录摘要.........................................................................................................................................2第一章绪论................................................................................................................................41.1变频恒压供水系统的国内研究现状....................................................................................41.2课题来源及本文的主要研究内容.......................................................................................51.3本论文中所做的工作..........................................................................................................51.4恒压供水系统的基本构成..................................................................................................5第二章PLC功能选择及应用.....................................................................................................72.1PLC模拟量扩展单元的配置及应用.....................................................................................72.1.1模拟量输入模块的功能及与PLC系统的连接..............................................................72.1.2模拟量输入模块缓冲存储器(BFM)的分配................................................................82.1.3模拟量输出模块的功能及PLC系统连接...................................................................8第三章变频器和压力传感器......................................................................................................93.1变频器的分类及工作原理..................................................................................................93.2变频器硬件选择..............................................................................................................103.3压力传感器......................................................................................................................11第四章系统的设计...................................................................................................................124.1系统要求.........................................................................................................................124.2控制系统的I/O及地址分配.............................................................................................124.3PLC系统选型....................................................................................................................134.4电气控制系统原理图.......................................................................................................134.4.1主电路图....................................................................................................................134.4.2控制电路图...............................................................................................................144.5.系统的运行分析...............................................................................................................154.6系统程序设计..................................................................................................................164.6.1由恒压要求出发的工作泵组数量管理................................................................174.6.2多泵组泵站泵组管理规范.......................................................................................174.6.4程序的结构及程序功能的实现.................................................................................174.6.5系统的运行分析.........................................................................................................18致谢.........................................................................................................................................20参考文献..............................................................................................................................214第一章绪论随着社会经济的迅速发展,水对人民生活与工业生产的影响日益加强,人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域,成为对供水系统的新要求。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性,方便地实现供水系统的集中管理与监控同时系统具有良好的节能性,这在能量日益紧缺的今天尤为重要,所以研究设计该系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.1变频恒压供水系统的国内研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期,由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中,变频器仅作为执行机构,为了满足供水量大小需求不同时,保证管网压力恒定,需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看,国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式,几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况,因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后,国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器,像日本三菱公司,就推出了恒压供水基板,备有变频泵固定方式,变频泵循环方式两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能,只要搭载配套的恒压供水单元,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作,可构成最多7台电机泵的供水系统。这类设备虽微化了电路结构,降低了设备成本,但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,系统的动态性能和稳定性不高,与别的监控系统如BA系统和组态软件难以实现数据通信,并且限制了带负载的容量,因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程,大多采用国外的变频器控制水泵的转速,水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用可编程控制器PLC5及相应的软件予以实现有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说,还远远没能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团森兰变频器也推出恒压供水专用变频器5。5kW22kW,无需外接PLC和PID调节器,可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现,但其输出接口限制了带负载容量,同时操作不方便且不具有数据通信功能,因此只适用于小容量,控制要求不高的供水场所。可以看出,目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中,对于能适应不同的用水场合,结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性EMC的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此,有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能,使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.2课题来源及本文的主要研究内容1、课题来源本课题来源于生产、生活供水的实际应用。2、研究的主要内容本系统是三泵生活/消防双恒压供水系统,变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、压力传感器组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升,使系统的稳定性和节能效果进一步提高,操作更加简捷,故障报警及时迅速,同时具有开放的数据传输。该系统可以生活供水和消防供水的双用供水系统。1.3本论文中所做的工作根据系统要求,设计出满足要求的恒压供水系统,对PLC、变频器、压力传感器进行选型,根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路和控制程序。1.4恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需没多台水泵及电机,这比设单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机及水泵时,它们的功率必须足够的大,在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的.电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候,备用是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定,水泵电机的转速要跟随用水量的变化6而变化,这就要用变频器为水泵电机供电。这也有两种配置方案,一是为每台水泵电机配一台变频器,这当然方便,电机与变频器间不须切换,但购变频器的费用较高。另一种方案是数台电机配一台变频器,变频器与电机间可以切换,供水运行时,一台水泵变频运行。其余水泵工频运行,以满足不同用水量的需求。调节器是一种电子装置,在系统中完成以下几种功能1设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远,用水地点越高,系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的,如将生活用水与消防用水共用一个泵站,水压的设定值可能不止一个,一般消防用水的水压要高一些。也有的调节器以模拟量方式设定。2接收传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置成为反馈,调节器是反馈的接收点。3根据结定值与实测值的综合,依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接收了水压的实测反馈信号后,将它与结定值比较,得到给定值与实测值之差。如给定位大于实际值,说明系统水压低于理想水压,要加大水泵电机的转速.如水压高于理想水压,要降低水泵电机的转速。这些都由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性,调节器工作中还有个调节规律问题,传统调节器的调节规律多是比例积分微分调节,俗称PID调节器。调节器的调节参数,如P、I、D参数均是可以由使用者设定的。PID调节过程视调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类,以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。调节器的输出信号一般是模拟信号,4~20mA变化的电流信号或0~10V间变化的电压信号。信号的量值与前边提到的差值成比例,用于驱动执行设备工作。在变频恒压供水系统中,执行设备就是变频器。7第二章PLC功能选择及应用2.1PLC模拟量扩展单元的配置及应用PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口,为了使PLC能完成模拟量的处理,常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的,单独用于数/模转换的,也有兼具模/数及数/模两种功能的。以下介绍三菱FXN2系列PLC的模拟量模块以及,它们分别具有FXN24AD及FXN22DA,它们分别具有4路模拟量输入及2路模拟量输出,可以用于恒压供水控制中。2.1.1模拟量输入模块的功能及与PLC系统的连接FXN24AD4模拟量输入模块具有4个通道,可同时接受并处理4路模拟量输入信号,最大分辨率为12位。输入信号可以是10~10V的电压信号(分辨率为5Mv),也可以4~20mV(分辨率为16μA)或20~20mA(分辨20μA)的电流信号。模拟量信号可通过双绞屏蔽电缆接入,连接及方法如图21所示,当使用电流输入时,需将V及I端短接。图21FXN24AD模块的连接图FXN24AD的宽及高与FXN2相同,在安装时装在FXN2基本单元的右边,将总线连接器接入左侧单元的总线插孔中。FX系列可编程控制器中,与PLC连接的特殊功能扩展模块位置从左至右依次编号(扩展单元不所示。占编号),如图4所示FXN24AD将消耗基本单元或电源扩展单元的5VDC电源(内部电源)30mA电流,24VDC电源(外部电源)55mA电流。其通常转换速度为15ms/道,高速转换速度为6/ms道。

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