毕业设计（论文）-基于PLC变频恒压供水系统.doc

毕 业 设 计题 目： 基于PLC变频恒压供水系统 作 者： 学 号： 系 ： 自动控制系 专 业： 电气自动化技术 班 级： 2013 年 6 月 目 录第一章 概述31.0内容摘要31.1变频恒压供水产生的背景和意义31.2 变频供水系统的发展趋势41.3 本文主要内容4第二章 变频恒压供水系统构成及工作原理62.1系统的构成62.1.1执行机构72.1.2信号检测72.1.3控制系统72.1.4通讯接口82.1.5报警装置82.2工作原理82.3 变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析92.4主电路接线图103.1控制要求113.2 变频器的选择与接线113.3 原其它元器件的选择133.7基于PLC的变频恒压供水系统程序流程153.8控制方式163.8.1 手动运行163.8.2 自动运行173.9主要程序说明17结束语25致谢26参考文献28 南京铁道职业技术学院（毕业设计）第1章 概述1.1内容摘要随着住房制度改革的深入，人民生活水平的提高，城市发展很快，也提出了更高的要求，在基础设施建设。城市供水系统的建设是一个重要的方面比正常的工作和生活，可靠性，稳定性，经济性直接影响到用户的供水，也直接反映了供水管理水平。传统的供水厂，特别是小型和中小型水厂恒压供水水泵的效率低的缺点，可靠性不高，其自动化程度低，难以满足当前经济生活的需要。于人们对水的质量和不断提高供水系统可靠性的要求，需要采用自动化技术，先进的控制和通信技术，高性能的设计要求，高效节能，可以适应一个恒压供水系统，供水厂复杂环境趋势。阐述了变频供水系统的节能原理，详细分析了组成和原理和变频恒压供水系统。结构，不同的控制方案，通过研究和比较，得出结论：频率控制优于调压调速，速度控制和其他控制方案，也最高，效益最好的性能，使用最广泛的速度控制技术的未来发展。它集成了计算机控制技术，电力电子技术、电机驱动技术，实现工业交流电机调速，具有效率高，范围宽、精度高的特点。本文变频器和PLC相结合的制度，逐步阐明如何实现水压恒定。最后，从变频恒压供水的可行性分析，对理论，技术，经济可行性的转化，确定主电路的参数，频率设计变频，变频电机的运行方式，控制方式与过程。最后，从分析恒压变频供水的可行性，改造的理论、技术、经济可行性等方面，确定变频器的参数，设计变频主电路、变频电机的运行模式、控制模式及流程。1.2变频恒压供水产生的背景和意义随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。如何使用专用变频器内置完全在实际应用中的各种功能，变频恒压供水设备，合理的设计，降低成本，必须保证产品质量的重要意义。变频恒压供水，在加压供水方式的水塔或水池，设备投资，经济运行，或系统的稳定性，可靠性，自动化程度等方面都具有无可比拟的优势，但也有明显的节能效果。目前，变频恒压供水系统的可靠性高，全数字控制，品种系列化的方向。高度智能化，系列，标准化的追求，是供水设备适应未来的发展，该地块城市建设总体规划的智能建筑，供水管网调度的要求和必然趋势变频恒压供水系统能适用于生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点：对恒压供水系统变频供水需求可以应用于多种场合的生活用水，工业用水和消防用水，系统具有以下特点：（1）供水系统的控制对象是液压用户网络，这是一个过程控制，与其他一些过程控制量（如如：温度，流量，浓度），在响应于控制动作滞后。在泵的转速控制variablethe变频器同时具有一定的滞后效应。（2）在网络用户由于管电阻，水锤等因素的影响，而且由于泵本身固有的一些特性，使水水泵转速的变化与管道压力成正比所以，变频调速恒压供水系统是一个线性系统。（3）变频恒压供水系统是通用的，不同的供水系统，供水系统和不同的水和电梯，差别大的网络结构，系统，其控制对象模型具有很强的实用性。（4）在变频调速恒压供水系统，由于定量泵（即，理论容量不变的泵转速）控制，和泵定量控制始终处于运行状态，在定量泵直接影响同一时间供水系统的模型参数，改变，不确定性，使控制对象，控制的变频调速恒压供水系统是不断变化的。（5）当一个意想不到的情况（如突然停水，动力，水泵，变频器和软启动器故障），根据泵变频器或软起动器状态，电源状态和水位，自动交换网的压力条件下，保证管网压力 （7）采用变频器进行调速，通过调节泵和固定泵恒压供水，节能效果显著，为每个水泵软启动，启动电流可从零到额定电流，减少了启动对电网冲击电流和减少启动对大惯性速度影响设备的惯性，延长了设备的使用寿命。1.3 变频供水系统的发展趋势变频供水系统是目前集成，操作和维护简单的发展。在国内外，特别是水供给逆变器更综合的，许多特殊的逆变电源与PLC、PID综合，甚至压力传感器集成到频率成分。在同一时间维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前，在国内许多企业发展和逆变器的变频恒压供水普及，主要进口或直接进口变频器，结合PLC和PID控制器来实现恒压供水，在体积小，恒压供水领域的控制要求，国内逆变器的快速发展，和占据了变频恒压供水市场容量小的相当一部分以其低成本优势。但在高功率逆变器，国产变频器需要进一步的改进和完善。1.4 本文主要内容本文在通过对PLC恒压变频供水的技术和原理分析的基础上，提出了一套基于PLC变频恒压供水系统的可行性方案，并选择出了相应的器件，从而使系统通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成420mA的模拟信号，通过变频器来控制改变水泵转速。随着水位控制器来控制注水阀YV1，当自动装满水的储水箱，只要水位低于高位水箱，自动水。高，低水位信号的游泳池也直接向PLC作为低水位报警用。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离相差不是很大。使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行。第2章 变频恒压供水系统构成及工作原理此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。如图2-1所示，是这栋小楼的供水流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。图2-1 供水流程简图市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，只要水位低于高水位自动水箱，水。高，低水位信号的游泳池也直接向PLC作为低水位报警。为了能够确保供水的连续性，汛限水位传感器高度相差不是很大。水使用。下图2-2即为生活恒压供水系统工艺流程图。2号泵1号泵3号泵水池EQ图2-2 双恒压供水系统工艺流程图2.1系统的构成整个系统由三台泵，变频器，PLC、压力传感器和多个辅助部件。三出水管各泵配有手动阀，修复和水分利用的调控，三泵一起工作来满足供水需求；管道压力传感器变频供水系统的检测，一般采用电阻式传感器的反馈（0 5vthe电压信号）或压力变送器（4 20mA电流反馈）；逆变器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。2.1.1执行机构 执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网.通常这些水泵包括: （1）采用变频调速器，泵的转速控制：可泵变频调整，根据水化电机计算机辅助速度的变化，以保持恒定的压力。（2）恒速泵：泵的运行频率，恒定的速度，他们使用的水的速度增加泵的最大供水能力，对供水量的补充。此外，一些通常的转换系统将增加附属小泵，它只运行在启，停两种工作状态，在水面很少量的情况下（例如：夜）水的一点补充。2.1.2信号检测方法控制系统，需要检测的信号包括液压信号，液位信号和报警信号：（1）水压信号：它反映了用户管网压力值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。这个信号模拟信号，读取PLC，需要跑边转换。此外，该系统的可靠性，为水接点压力表需要检测压力和极限压力。检测结果可以发送给PLC，数字输入。（2）液位信号：它反映了进水水量。信号是有效的。控制系统来实现控制保护系统，防止泵抽到电机和泵的损坏。安装在水的液位传感器的信号。（3）报警信号：它反映系统是否正常运行，水泵电机过载2.1.3控制系统 供水控制系统一般安装在供水控制柜，包括三个部分供水控制器，逆变器和控制设备：（1）供水控制器：它是变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力，液位，报警信号的采集，分析，从人机接口和通讯接口的数据控制算法，对执行机构的控制方案，该变频调速器和接触器的执行机构（即水泵控制线。（2）：它是在泵一种变频调速控制装置。逆变器跟踪控制信号发送到控制器的操作频率改变供水泵的转速，泵完成速度的速度控制。根据水泵机组在逆变器驱动的情况不同，该逆变器具有以下两种工作模式：1）转换周期：逆变器驱动水泵为变频泵，该泵在工频运行时，水的供应是仍然无法满足用水要求，需要提高泵单元，逆变系统出现从水泵电机，泵切为频率和频率相互拖动泵电机。固定：2）变频器驱动水泵为变频泵，该泵在工频运行时，水的供应仍然是否满足用水要求，需要提高泵机组，系统直接启动另一个恒速泵，不要开关变换器，固定拖泵变频器可以选择前的系统中运行。变频器是由一组接触器，继电器电气控制设备，用于给水控制开关和其他电气元件的泵。开关完成，人在控制器的控制下自动切换和地方性工作集中。2.1.4通讯接口 通信接口是该系统的重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他工业供水系统进行数据交换；同时通过通讯接口，也可以是一个现代和先进的网络技术应用到系统中。例如，可以对系统的远程诊断与维护。2.1.5报警装置作为一个控制系统，报警的不可缺少的一部分。由于本系统可以应用于不同的供水，为了保证安全，可靠，稳定运行，以防止过载，变频器报警，电源波动，水供应中断所造成的故障，因此系统必须监控报警不同，不是由分子不判断报警，显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。2.2工作原理合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。提高泵的工作过程：假设增加泵的序列是l，2，3泵。1年初，PLC的控制下泵电机输入速度，通过变频器调节速度。当水压力小于压力设定值变频器的输出频率的增加，泵的转速上升和下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行，如果供水压力仍达不到预置值，是进入泵。在PLC的逻辑控制下电磁开关与1泵电机与变频器断开连接，1泵电机开关工作频率，频率转换器与2泵电机连接，泵输入转速控制2。如果你还不到setValue，继续按照上面的步骤2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。降低泵的工作过程：假设降低泵的序列为3，2，1泵。当水的压力大于设定值时，变频器的输出降低泵的转速，泵的速度下降，当逆变器的输出频率，达到了它的极限，稳定运行一段时间后，变频器控制水泵停止，如果水的压力大于设定值时，它将操作开关频率下泵，并继续减少泵工作过程。在晚上的水如果不长的时间内，当主泵和低速，如果供水压力大于设定值，然后停止和启动辅助泵输入转速，从而达到节能的效果。2.3 变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析在这一过程中，我们提到，当变速泵的频率上限运行，在网络的实际压力设定压力，需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的。当泵的速度和恒速泵在运转时的速度和泵和恒速水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泉来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，刁能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换。当网络仍然低于设定压力的实际压力，需要增加供应以满足恒速，达到恒压的目的。当速度运行中的泵与定速泵和泵的速度是低频率的限制，实际运行，管网压力仍高于设定压力，需要不断减少，水以减少水的流量，实现恒压力。所以当开关，调可以使系统提供稳定可靠的供水压力，同时，单位不太频繁的。尽管通用变频器的频率可在0 - 400HZ的范围内调节，但当它用于供水系统，的范围内的频率是有限的，不是无限制的增加和减少。当水泵电机的频率条件下，开关频率为50Hz的条件，只能进行。随着电网和限制的逆变器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率上的频率调整。当变频器的输出频率达到了50Hz，即使实际供水小于设定压力，又不增加变频器的输出频率。增加实际供水压力，所以，只能通过水泵开关，增加单位数的操作实现。此外，输出频率不能为负，最小的只有0Hz。事实上，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能减少to0hz。由于操作时，水泵，电机带动泵供水管网，管网的压力会因为反泵，驱动泵运行反扭矩，而有一定程度的压力，防止源在一个池的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵抽水没有水，供水电机频率下降。这个频率在实际中应用变频电动机运行的下限。这个频率是高于0Hz大得多，具体数值，用于将水泵和系统的特点，一般约为。在变工况运行时，电机的泵单元操作的频率是由逆变器的输出频率决定，下限下变频器频率调节。在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。所谓延时判别，是指条件为压力是不够的，如果你真的想设置标准的切换，切换所要求的频率和压力建立并维持一段时间（1-2分钟），如果在这段时间延迟开关状态的切换操作仍然成立，单位的实际；如果切换条件不能保持延迟时间的要求，达到这样的标准只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。2.4主电路接线图图2-3 主接线图第三章 基于PLC的变频恒压供水系统设计与实现水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。系统所需的输入输出点数量共为24个点。本系统选用FX2N-48MR型三菱PLC.3.1控制要求对三泵生活恒压供水系统的基本要求如下：（1） 生活供水时，系统应保持低恒压值运行。（2） 三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。（3） 再用水量较小的情况下，如果一台泵连续工作运行时间超过3h，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台工作时间过长。（4） 三台泵再起动时要有软起动功能。（5） 要有完善的报警功能（6） 对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。3.2 变频器的选择与接线根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，如下图所示：图3-1 FR-A540的管脚说明管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。图3-2变频器接线图3.3 原其它元器件的选择水泵：M1、M2选用40-160(I)A型，M3选用40-160(I)型，参数见表3.1示。 热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR，FR1 FR2可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流58A，FR3可选用规格其型号为TK-E02U-C，额定电流为69 A熔断器的选择：在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。接触器的选择：对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C,功率3Kw按钮SB的选择：PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY311型，其主要技术参数为：UN=24VDC，IN=0.3A，含1对常开和1对常闭触点。表3-1元件表总图元件符号型号个数可编程控制器PLCFX2N-48MR型三菱PLC1变频器FR-A540系列5.5型1接触器KMSC-E03-C7水泵M1,M240-160(I)A2M340-160(I)1闸刀开关QSHD11-100/181熔断器FU1，FU2RT18 6A2FU3RT18 8A1热继电器FR1 FR2TK-E02T-C2FR3K-E02U-C1按钮SBLAY31110水泵符号型号流量(m3/h)扬程(m)转速(r/min)电机功率(kw)M1,M240-160(I)A112829002.2M340-160(I)12.53229003.0表3-2水泵的参数变频器适用电机容量（KW)输出额定容量(KVA)输出额定电流（A）过载能力电源额定输入交流电压/频率冷却方式FR-A540系列5.5型（三菱）5.59.112150%60s ,200% 0.5s (反时限特性)3相，380V至480V 50Hz/60Hz强制风冷表3-3 变频器的参数3.7基于PLC的变频恒压供水系统程序流程（1）在控制系统中，变频器通过PLC 通过对电机厂压力变送器反馈信号压力设定点，一个单一的闭环控制。此外，为了适应水供给的突然变化，必要时，可实现手动控制的频率函数。P比程序设计的主要任务是接受输入信号和压力信号和水管的网络信号的水位，确定当前的系统状态是否正常，然后执行程序，由输出信号去控制接触器，继电器和逆变装置，以完成相应的控制任务，除了PID运算，开关PLC主控制任务的输出频率的计算和频率，频率转换。在设计中，需要注意的是，由于供水系统是一个大惯性不能突变的系统，不需要太大，优先设计思想中的查询中断模式，是次要的。当系统开始工作，系统初始化，当第一次开始，对测试的一部分，当前状态的系统，如错误报警，然后模拟量（管网压力，液位数据。）数据表处理，给出一定的价值。 （2）恒前压力控制程序设计的恒压供水压力控制系统的程序设计流程如图43所示，试验压力，信号传输到PLC系统的最佳选择，数值分析，确认数据是正常的，与压力设定值的判断，如果与设定值相同，下一个采样周期，如果不同，PID控制，PLC控制变频器改变频率参数，从而实现恒压供水。在恒压供水方案的设计，还应考虑到报警的问题，通常设计为中断处理信号报警，随着小水厂的条件，除了报警等。通常液位报警和过载，也应检测仪，浊度，余氯分析仪报警信号接入PLC，以水厂流量严重异常或质量事故时可以实现紧急停机实现。PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频变频的切换和水泵工作数量的调整。工作流程如图5.1所示。图3-6 PLC程序流程图系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。手动模式主要是解决系统出错或器件出问题在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态。3.8控制方式3.8.1 手动运行当按下SB7按钮，用手动方式。按下SB10手动启动变频器。当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn（n=2,4,6）按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵.该方式仅供自动故障时使用.3.8.2 自动运行由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制.升压控制：系统工作时，在三个国家各泵，即电网状态，拖动变频器调速驱动和停止状态。系统开始工作，供水压力供水管道是零，在控制系统作用下，逆变器的运行，第一泵M1，起动和转速逐渐升高，当输出压力达到设定值时，水的供需平衡，速度稳定在一定值，这期间M1处在调速运行状态当输出压力达到设定值时，水的供需平衡，速度稳定在一定值的速度，M1期。当水以增加水的压力降低，压力闭环控制泵按设定的速度加速到另一个稳定的速度和减少水的压力增加，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速.当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行;同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行.当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警.降压控制：当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值.当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。3.