变频恒压供水控制系统设计课程设计报告.doc

交流电机变频调速及其应用 交流调速课程设计报告书题 目 变频恒压供水控制系统设计 学院(部) 电子与控制工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 2011320401 学生姓名 学 号 6 月 23日至 6月29日 共 1 周指导教师(签字) 系 主 任(签字) 目 录摘要2关键词2第一章 引言3第二章 方案的论证及确定4第三章 控制系统各部分的设计5第四章 元器件的选择7第五章 系统综述及总结10附录一 使用说明书13 附录二 输入/输出设备及i/o分配表 14附录三 指令语言程序15附录四 元器件明细表17 变频恒压供水控制系统设计 摘要： 随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，人们居住的楼房越来越高，这对基础设施建设提出了更高的要求。其中城市供水系统的建设是一个重要方面，供水的安全性、可靠性、稳定性、经济性将直接影响用户的正常工作和生活。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，传统的供水方式已不能满足现代人们的生活要求，所以利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。为了满足设计的基本要求及功能，本文分析了变频器恒压调速的工作机理，通过对pid模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成了闭环调节系统，控制水泵的运行，保证了用户水压的恒定。设计过程中，其主电路用两台电动机带动水泵运行，同时采用两个接触器实时对水泵工作启停的控制，用热继电器和断路器对电路进行过载和短路保护。在控制电路部分，用了omron cpm1a plc为主要控制单元，再和一些继电器辅助触点、开关、接触线圈、热继电器等器件组合构成基本的控制电路。主电路和控制电路的合理配合实现了对变频恒压供水系统的控制，并且有手动和自动的切换。安全可靠，节能有效。本次设计旨在学习和了解如何让设计一个电气控制系统。故在该设计中主要进行的是控制系统方案的确定，系统的工作原理，对水泵电机容量及个设备型号的选择，最后用cad画出主电路和控制原理图。通过这些琐碎的工作，从而更多地了解和掌握相关的设计方法。关键词：变频调速 恒压供水 omron cpm1a plc 富士变频器 闭环控制 第一章 引言 随着城市化的不断发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高,楼宇自动化给水已成为一个趋势，而衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，于是变频恒压供水进入人们的视野，受到人们的青睐。本文就是采用富士变频器结合欧姆龙可编程序plc实现变频恒压供水。 一、设计内容变频调速是一种新兴的技术，将变频调速技术用于供水控制系统中,具有高效节能、水压恒定等优点。本课程设计是电气工程及其自动化专业交流调速课程的实践性环节，其主要目的是培养学生初步掌握交流变频调速系统的设计方法及理论知识的应用能力。本课程设计的基本任务是提高学生在调速系统设计方面的实践技能，培养学生综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。 二、设计原始资料及要求 一楼宇供水系统，正常供水量为20m3/小时，最大供水量30m3/小时，扬程60米。采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。 设计要求： 1、设二台水泵。一台工作，一台备用。正常工作时，始终由一台水泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。 2、二台泵可以互换。 3、给定压力可调。压力控制点设在水泵出口处。 4、具有自动、手动工作方式，各种保护、报警置。 5、采用omron cpm1a plc、富士变频器完成设计。 三、设计完成后提交的文件和图表 1、 课程设计说明书，包括：1 方案的确定2 系统的工作原理3 水泵电机的容量、元件型号。4 操作使用说明书。 2、图纸部分：电气控制原理图四、进程安排 1、确定设计方案 2014.6.23 2、完成控制系统设计 2014.6.24-6.26 3、完成设计说明书 2014.6.27-6.29五、主要参考资料 1、建筑电气控制技术 马小军 机械工业出版社 2、过程控制 金以慧 清华出版社 3、水暖空调电气控制技术 孙光伟 建筑工业出版社 4、交流电机变频调速及其应用张承慧 机械工业出版社 5、富士变频器使用手册 6、有关杂志、资料 第二章 方案的论证及确定该系统为变频恒压供水控制系统，通过变频器输出变频变压信号来控制水泵从而实现电机的调速。小功率水泵采用变频器的直接启动方式，变频器的启停，水泵的启停，故障的显示报警均采用欧姆龙cpm1a系列plc。其压力的测试点定于水泵的出水口处，用远传压力表输送压力信号给变频器的电流输入，通过pid调节达到变频的效果，从而实现对系统的闭环稳定控制。其控制原理图如图11所示。 图11由图可知，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力值时，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。 本系统采用omron cpm1a plc控制两台水泵m1和m2电机的工作，具有手动、自动两种工作方式，两台水泵分工作泵和备用泵，可以互换。正常工作时始终只有一台水泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。在水泵工作过程中，通过压力传感器远程测定水压，并将测量结果反馈给pid调节器，再将调节结果输出到变频器，进而控制电机水泵的运行。通过分析系统所需要的i/o口，可以选择plc，由于omron系列的plc种类很多，并且plc的点数越多，价格越贵，因此应在程序上减少输入输出点数。初步可确定系统的输入为12点，输出为10点；考虑到经济和裕量的关系，最终确定的是omron cpm1a20cdrd型号的plc。 第三章 控制系统各部分的设计 该控制系统主要分为主电路和控制电路两大部分。一、主电路的设计该电路中由于两台泵工作与备用可以互换，所以需要两台电机m1和m2分别对其进行控制。两台水泵m1和m2均采用触点控制的直接启动方式，熔断器fu起短路保护作用，热继电器fr1和fr2起过载保护作用。又由于电机的功率都比较小，所以两台水泵电机均可直接启动。故主电路需要一个隔离开关，两台电机各需要用两个接触器控制其电源的通断，其中一个是工频工作控制触点，另一个是变频工作控制触点。1个热继电器进行电机的过载保护，1个低压断路器保证电路正常工作，保护变频器的低压断路器。即主电路的组成器件为：1个熔断器fu，1个qs，三个低压断路器qf1、qf2、qf3，4个接触器的主触头km1、km2、km3、km4，2个热继电器fr1、fr2，2台三相交流电机m1、m2，1台富士变频器。其主电路图见图纸201。二、控制电路的设计在该部分的设计中，控制电路是由plc进行控制的。在进行了一次又一次的修改和调试后，最后定下的电路有12个输入点，10个输出点，故最终决定采用omron cpm1a20cdrd型号的plc，该plc有30个点，其中18个输入点，12个输出点，完全能满足设计的基本要求，并留有一定的裕量。控制电路系统的输入/输出设备及i/o分配表见附录表二。三、梯形图的设计与分析 根据设计的基本要求及功能，设计的梯形图设计见图纸202。现对其分析如下： 1、手动、自动工作方式的选择： 将旋钮sa2拨至00002输入点所对应的档位时，系统进入手动工作状态。此时若按下按钮sb3或sb5，则对应的电动机m1或m2启动并开始工频工作，相对应的指示灯l1或l2亮；若按下按钮sb4或sb6，则对应的电动机停止工作；当将旋钮sa0拨到00000输入点对应的档位时，系统进入自动工作状态，且此时m1为主用工作泵，m2为备用泵；当将旋钮sa1拨至00001输入点对应的档位时，系统进入另一种自动工作状态，m2为主用工作泵，m1为备用泵。系统处于自动工作状态时，按下总启动按钮sb1，则主用工作泵开始工作，此时根据出水口的压力大小，变频器调节电动机的转速从而达到出水口压力恒定的目的。在运行过程中，若主用工作泵出现故障，备用泵将自动投入使用，系统报警指示灯亮，同时相应的备用泵指示灯亮。 2、机组的启动和停止条件及其操作： 在自动工况下，为了对出水口的水压进行检测，用远传压力表进行检测，并将检测结果通过pid调节后传送给变频器的输入端。根据设计要求给定的水压值，使水压稳定在给定值下。 在手动情况下，电机的启停不再受出水口压力的限定，直接通过人为操作来实现电机的启动和停止：按钮sb3、sb4和sb5、sb6分别控制m1和m2的启动和停止，使电机工作在工频状态下。 3、备用泵自投功能的实现： 设计任务中要求当工作泵出现故障时，备用泵经过一定的延时应自动投入使用。因此，在设计程序的过程中电机的启动方式除了自动和手动两种方式外，还应再加一种备用泵自投的启动方式，即在自动工作模式下当工作泵出现故障故障灯亮时，在系统仍满足起泵的条件下，应开始延时，设定延时时间为5s后备用泵启动投入使用。因此控制回路得在加两个时间继电器控制m1和或m2电机的延时起动，从而实现了备泵延时自投的功能。 4、信号灯和报警器的指示： 在该系统的设计中，共使用了4个指示灯，一个蜂鸣报警器。分别为m1、m2电机的正常工作指示灯l1、l2，m1、m2电机的故障指示灯l3、l4，故障报警器ha。 总梯形图及对应的指令语言程序见附录表三。 第四章 设备及元器件的选一、水泵电机容量的选择 水泵电机功率计算计算工式如下： p=pe/=qh/1000 (kw) （ 41） 其中式中各符号意义：p：泵的轴功率(kw)，又叫输入功率，即电动机传到泵轴上的功率；pe：泵的有效功率(kw)。又叫输出功率，即单位时间输出介质从泵中获得的有效能量；：泵输送介质的密度(kg/ m3)。一般水的密度为1000kg/ m3(比重为1)； q：泵的流量(m3/s)。当流量单位为m3/h时，应注意换算成m3/s； h：泵的扬程(m)；g：重力加速度(m/s2),为9.8 m/s2； ：水泵的效率。一般取0.8。 由设计原始资料可知：q=20m3/小时，q最大=30m3/小时，h=60m。代入公式（ 41）可得： p=pe/=qh/1000 =1000（kg/ m3）9.8（m/s2）30（m3/小时）60（m）/36001000 0.8=6.13(kw) 一般取1.2倍的裕量：则p=1.26.13=7.34(kw)所以综合水泵的一般功率模数，可选出最后水泵电机的功率为7.5kw。查阅相关资料，最后确定选150qj20-60/10型号潜水泵。其参数如下： 参考扬程：48-72m 电机功率：7.5kw 额定电流：18.5a 出水管直径：2寸2、 变频器的选择 由上可知，电机的功率为7.5kw，根据水泵电机的参数选择富士变频器。 查阅资料可知，frenic-vp系列富士变频器为风机、水泵专用型变频器。其具有以下功能。 1、工频/变频切换：装载了通过外部时序对应工频/变频器切换时变频器工频起动处理。内置工频运转切换时序有：富士标准时序以及变频器报警时自动工频切换时序2种。 2、转载完备的pid控制功能：运行温度、压力、流量等控制的pid调节器中附加了“低水量停止功能”、“偏差报警绝对值报警输出”。还通过防止pid控制过冲的反重置终结功能、pid输出限位器、积分保持/复位信号，使得pid控制功能的调整更为容易。 3、瞬间停电在起动：瞬间停电后恢复供电时，可以自动重新起动。可以选择从发生瞬间停电的频率起动和从0hz起动。当发生瞬间停电时，还可以选择利用具有负载惯性的运动能量降低频率并继续运转的模式。 4、可实现变频器远程/面板控制方式切换：通过切换频率设定1/频率设定2、运转停止指令1/运转停止指令2以及本地运转（操作面板运转），不仅可以切换运转指令、频率指令，还可以切换远程/面板控制方式。 5、可实现多种频率设定方法：可以配合使用的频率设定信号，选择最合适的频率设定方法。操作面板运转键、模拟输入、多步频率8步（0-7段）设定、up/down、通信等方式。 6、空转过程中电动机的引入：即使在自然对流等导致电动机空转的情况下，也可以通过运行频率的检测，顺利起动。 7、下限限位器实现睡眠功能：在风机水泵等最低运转速度的下限限位器中附加了在下限值以下停止的功能，也可作为低水量停止功能使用。 上面所述功能均符合该设计额基本要求，结合水泵电机的功率和额定电流，可选出frn11f1s-4c型号的变频器，其具体参数如下： 装置容量：17kva 额定电流：23a 配置电机：11kw 输入电压：3相ac380v/50hz/63hz三、交流接触器的选择 单个电机回路中的电流估算如下：取cosa=0.8 由pn=1.732*un*in*cosa可知：当un=380v时 有 inpn/(1.732uncosa)=7500/(3801.7320.8)14.24a。又电机的额定电流为18.5a，线圈的额定电压为220v，所以选交流接触器cj20-25，数量为4个。四、热继电器系统所用的电机为7.5kw，一般功率大于4kw的电机绕组多为三角形接法，所以应该选用具有断相保护功能的热继电器。电源线电压为380v，又电机的额定电流约为18.5a，即热元件的动作电流也为18.5a，故选用的热继电器的型号为jr16-20/3d，该热元件的额定电流为18.5a，将其整定为19a。数量为2个。五、熔断器选择 因为熔体最大电流im（1.52.5）in，等式右边in为支路启动电流，此处使in=18.5a，则得熔体最大电流im=（27.7546.25）a，则选用熔断器型号为rl1-60/60，共1个。6、 低压断路器的选择 低压断路器具有过电流、失压、分断等脱扣机构以及良好的延时特性,是比较完善的自动化保护电器。该系统中主电路选用dw17-630型号的断路器，共3个。七、指示灯及报警器的选择 各种指示灯的额定电压及报警器的电压都是220v交流电源，指示灯用zsq3，共4个；报警器用la16j-v，1个。 第五章 系统综述及总结一、本系统设计优点 1、能完成控制要求中所有的控制要求。 2、当系统正常运行时，有指示灯亮，当出现故障时有指示灯报警，这样有利于检修及手动操作。 3、当系统出现故障时，备用泵可以及时地投入使用，保障了正常的生活及生产供水。 4、有手动和自动两种工作方式，可灵活方便切换。 5、系统通过变频器控制达到恒压供水的目的，既保证了用户的用水质量，有节约能源。二、控制系统设计过程中出现的问题 1、在设计梯形图时，没有真正读懂设计要求，导致设计出的梯形图只能实现一部分功能，不过经过反复的修改，最后成功了。 2、对欧姆龙系列的plc指令不太熟悉，对应的功能不能完全发挥其作用，设计中浪费了时间。 3、对各种型号的变频器的功能不清楚，导致在选型方面有困难。三、总结与体会一个学期就要结束了，学习了一学期的交流调速，我掌握了很多关于建筑电机变频器方面的知识，在这次的课程设计当中更是学到了许多以前不知道的专业知识。通过这次课程设计，我才发现自己对这门课还存在很多盲区，对理论知识的理解只停留在表面。通过这次的设计与调试，我学会了用不同的方法处理同一个问题。课程设计是培养学生综合运用所学知识发现提出分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.而我在这次课程设计中获益匪浅。首先，从课程设计本身来说，我学到了很多，不仅巩固了课堂上学到的理论知识，而且让我对书本知识有了更进一步的认识与理解。其次，要设计出一个完整且实用的控制系统，必须要有扎实的基础知识，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对调试中出现的问题进行分析、解决。第三，一个人的知识思维想法是有限的，要想做好一件事要做到不耻下问，同时还要有足够的耐心和毅力。最后，使我认识到我们要认真对待每一个实验，学习更多的知识和方法，锻炼自己的能力，为以后走上社会打好基础。真的很喜欢类似的实践，可以锻炼我们各个方面的能力,希望以后有更多这样的机会。四、参考文献 1、建筑电气控制技术 马小军 机械工业出版社 2、过程控制 金以慧 清华出版社 3、水暖空调电气控制技术 孙光伟 建筑工业出版社 4、交流电机变频调速及其应用 张承慧 机械工业出版社 5、plc控制程序精编108 王阿根 电子工业出版社 6、常用低压电器手册 杨国福 化学工业出版社 7、 富士变频器使用手 8、有关杂志、资料五、鸣谢非常感谢刘老师这学期为我们教授建筑电气控制技术这门课程，并在课程设计中为我解答各种问题，同时也感谢其他为我解答疑问的老师，谢谢各位同学的帮助。六、图表说明 序号 图号 图名尺寸12-01电气原理主电路图a322-02控制梯形图和plc接线图a3 附录一：使用说明书 本系统以plc为中心控制器件，能自动检测水压的变化情况。共设置两台水泵，一台为工作泵，另一台为备用泵，两泵的工作状态可以在任意时刻进行切换。让两台电动机分时工作，并且在工作泵出故障时，备用泵能在短暂延时后自启动投入使用，并在运行或出现故障时有指示灯和报警。本系统常用于楼宇供水，自来水厂的水压不能直接为大厦的高层和中层供水。安装本系统后，可以保证大厦的高层和中层正常的供水需求。 一、主要技术指标：1. 额定电压和频率：380v/220v；50hz 2. 备用泵投入工作延时时间：5秒 二、安装和调试方法： 1、启动水泵，则指示灯l1亮，m1电机启动。检查运行情况，若一切正常运行，再设置人为故障，此时显示灯报警。再检查2号电机能否经过秒延5时后自启动。 2、在一台泵工作若干小时后进行主/备泵切换，看切换能否正常进行，若能自动切换，则说明设计成功。3、在该系统中，应保持用水设备干净，以免影响到远程压力传感器的检测。4、定期排专人进行维护管理，防止线路出现人为损坏或老化，及时排除故障隐患。 三、使用方法： 1、主/备泵切换：sa0和sa1旋钮为主/备泵切换旋钮。 2、手/自动切换：sa2为手动旋钮，当需要手动时，将sa2旋向相应的位置。sa0、sa1旋钮进行自动切换，其中sa0为m1主用泵m2备用泵，sa1为m1备用泵m2主用泵。通常情况下，控制系统处于自动状态下，在系统调试或是出现故障时，使系统处于手动状态下，便于检修。 3、手动起停：sb1和sb2为自动状态下的总起总停按钮。sb3、sb4、sb5、sb6分别为m1和m2的启动和停止按钮。附录二： 输入/输出设备及i/o分配表输入说明输出说明00000m1主用m2备用旋钮sa001000m1变频工作接触器线圈km100001m2主用n1备用旋钮sa101001m1工频工作接触器线圈km200002手动模式旋钮sa201002m2变频工作接触器线圈km300003自动时总启动按钮sb101003m2工频工作接触器线圈km400004自动时总停机按钮sb201004变频器启停控制线圈ka00005手动时m1启动按钮sb301005 m1运行指示灯l100006手动时m1停机按钮sb401006m2运行指示灯l200007手动时m2启动按钮sb501007变频器故障报警器ha00008手动时m2停机按钮sb601008m1故障指示灯l300009手动m1停止按钮sb301009m2故障指示灯l400010m1热继电器fr100011m2热继电器fr2附录三： 指令语言程序 序号指令代码 序号指令代码1ld0000243ldtr12out2000044and010083ld0000045ldtr14ld not2000046and0000