电力拖动程设计.doc

课程设计名 称： PLC变频调速恒压供水系统 班 级： 11 电 气 大 专 班 姓 名： 高 磊 指导老师： 王 迎 军 时 间: 2014年5月5日 摘要论文对变频调速恒压供水系统的节能原理做了较详细的分析和研究，变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。特别是在供水行业中，由于生产安全和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格要求，变频调速技术也得到了更加深入的应用。运用变频器技术设计了本系统的生活泵主电路部分，在此基础上设计了整个系统的控制电路，实现了PLC对变频器控制来满足建筑小区恒压供水的目的。论文为自动控制供水系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。关键字：PLC变频调速 恒压供水目录摘要.2第一章 绪论.41.1变频恒压供水的背景和意义.41.2国内外研究概况.4第二章 控制方案选择.6第三章 系统电路设计思路.73.1主电路图.73.2 PLC控制电路PLC.8第四章 器件选择及介绍.104.1 PLC的选型.104.1.1 PLC简介.104.1.2机型的选择.104.1.3 输入/输出的选择.114.1.4 PLC存储器类型及容量选择.124.2变频器选型.124.3液位传感器选型.144.4 元器件的选型.144.5 元器件的参数.15第五章 流程图.16结论.17第一章 绪论1.1变频恒压供水的背景和意义泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率:降低能耗，对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是由于我国居民多，用水量大，造成用电量大:另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理。造成不必要的能量浪费。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。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。1.2国内外研究概况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、变压变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。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的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(PLC)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、抗干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。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)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。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、生产实践中。采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。第二章 控制方案选择本课题设计系统控制方案采用一台变频器的PID调节功能实现恒压供水。三菱FR-A540变频器应用广泛，采用磁通矢量控制技术 ，使得驱动性能达到最优，Soft-PWM调制原理和智能功率模块 IPM 使变频器输出波形更好电动机的噪音更低，抗干扰的能力更强，同时为了满足各种工业现场应用 FR A540变频器有内置PID控制 ，停电时减速停止 ，变频/工频顺序切换和顺序制动等功能。三菱FR-A540型变频器的内置PID控制功能可用图1来说明1 通过对水压设定值与压力传感器的反馈信号进行比较，产生差值，其偏差值由变频器内部PID调节器按预先规定的调节规律进行运算，得出调节信号，用来控制变频器的输出电压和频率 ，从而改变水泵的转速以保持管网恒定的水压。PID运算KP(1+1/Ti*S+Td*S)变频器驱动回路M设定值偏差执行量电机反馈值其中：KP=比例因子 Ti=积分时间 S=演算子 Td=微分时间第三章系统电路设计思路3.1主电路图电气系统控制原理图包括主电路，控制电路图, PLC外围接线图以及变频器控制电路接线图。图3.1控制系统的主电路恒压供水是指用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定，这样即可满足各楼层的住户对水压的要求，又不使电机空转，造成电能的浪费。为实现上述目标,恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器PLC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，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是：泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，差值由系统运算处理后发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。控制系统由一台三菱FR-A540型变频器 ，一台三菱 FX2N-32MR-001可编程控制器 ，压力传感器，显示报警 装置及2台50DL12，12米离心清水泵和电气控制柜组成。其中，FX2N-32MR-001作为主控基本单元，它共有 32个I/0口 ，16个开关量输入口，16个输出口 ，存储容量大(16k)，运行速度快(基本指令0.08!S/指令) 。通过 RS232C通信板可与个人电脑连接，在线改变程序不会损失工作时间或停止设备运转，程序设计调试方便，可为恒压供水系统的应用提供最大的灵活性和控制能力。3.2 PLC控制电路PLC控制器是电路整个系统的核心，担负着系统的流程的控制，它要介绍来自传感器以及其他的信息，根据这些信号对电机发出控制命令从而完成系统功能。其控制电路图如图3.2。图3.2 PLC控制电路图第四章 器件选择及介绍4.1 PLC的选型4.1.1PLC简介 可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC，目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。 70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。 可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 可靠性高，抗干扰能力强； 编程直观、简单； 适应性好； 功能完善，接口功能强。4.1.2机型的选择PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，所以我们选择的是三菱2N48型PLC。对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各读立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。4.1.3 输入/输出的选择PLC的输入/输出选择包括以下几部分：1）确定I/O点数根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加10%20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。2）开关量输入/输出通过标准的输入/输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入/输出信号为24240V，直流输入/输出信号为5240V。3）模拟量输入/输出模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为1010V、010V、420mA或1050mA。4）特殊功能输人/输出5）智能式输入/输出4.1.4 PLC存储器类型及容量选择PLC系统所用的存储器基本上由PROM、E-PROM及PAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于6kB，中型机的最大存储能力可达64kB，大型机的最大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。PLC的存储器容量选择和计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的,为了使用方便，一般应留有25%30%的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。4.2变频器选型4.2.1 变频器简介变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电电源变换为另一频率的电能控制装置。可分为交交变频器，交直交变频器。交交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交直交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器主要是由主电路、控制电路组成。主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。4.2.2 变频器选型通用变频器的选择包括通用变频器的型式选择和容量选择两个方面，选择的原则是：首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械（如造纸机械、注塑机、轧钢机等），应采用矢量控制或直接转矩控制型通用变频器。此次课程设计选择两台变频器，互为备用，保证系统可靠运行。变频器选FRA540三菱变频器。变频器的频率参数PID参数设定。变频器的参数设定有一定规律可循 ，主要从供水系统的特性水泵为平方律负载等方面来考虑 。变频器的参数设定注意如下几点：Z #最高频率Z水泵属于平方律负载 ，当转速超过其额定转速时 ，转矩将按平方律增加。因此变频器的工作频率不允许超过额定频率，最高只能和额定频率相等。上限频率Z一般来说，以等于额定频率为宜，但变频器内部往往具有转差补偿功能，因此也可设置略低些。下限频率Z在供水系统中转速过低会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成水泵空转的现象，所以，下限频率不宜太低。 PID参数 PID参数的选择须保证系统运行稳定动态响应快 静差小。调试中要观察供水系统压力检测点的实际测量值，维持系统的稳定性OPID参数可按表l设置。4.3液位传感器选型选用UHZ系列磁性浮子液位变送器。液位计由现场指示、液位报警器和液位远程传装置三部分组成。基本型根据磁性浮子在液体中产生浮力和磁钢同性相斥，异性相吸的性质研制而成。根据上述原理，将液位的变化线性量经磁传递给现场指示器，液位为红色，气相为白色。液位远传装置由磁性材料将液位的变化性的转换直流4。20mA的电流信号，传给二次仪表实现液位的远传、测量、控制和记录。本装置采用UHZ系列磁性浮子液位变送器：量程(0550mm)；输出信号范围；电流输出为420mA。指示精度120。4.4 元器件的选型本设备中，已知M1,M2电动机功率为7.5KW，额定电压为380V。根据公式:P=0.8UI 得：I=24.7A根据经验法：1KW=2A M1,M2电机额定电流为2P=15A4.4.1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可和FR3选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流58A。4.4.2选择这种热继电器的原因：符合各国规格的标准型产品（GB，IEC，EN，UL）并取得了认证海外规格。 电气寿命（AC-3）：150万次（E02-E3型）;辅助触头的双触化，提高了接触的可靠性（E02-N12型），对应不同接线的需要，提供直接接线对应型与0型端子对应型两种方式（SC-E02-SC-E7），通过搭载IC超磁铁（AC输入,DC励磁方式）实现了高可靠性运行（E5-N16），不会因为电压波动而引起线圈烧损，运作混乱，防止接头熔敷，损伤电源通过时有正规的额定电压，主接头接触时即使电压下降至额定电压的65%也能正常使用，防止电动机的欠电压启动大幅降低了工作线圈的耗电功率及工作VA线圈额定范围较宽，且为AC/DC公用线圈，内置电涌吸收功能具备形式多样的可选单元。 4.4.3熔断器的选择：根据系数 IRN(1.52.5)INM1，M2熔断器电流为IRN(1.52.5)IN15(22.537.5)IN在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。4.4.4接触器的选择：对于接触器KM选择的是规格SC-E03功率9.5Kw。接触器功率为：P=UI=380V*25=9.5KW。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。一台三菱FR-A540型变频器，一台三菱 FX2N-32MR-00，可编程控制器，压力传感器，显示报警装置及2台50DL12 ，12米离心清水泵和电气控制柜组成。4.5元器件的参数如下图元件名称符号型号个数闸刀开关QSHD11-100/183熔断器FU1 FU2 FU3RT18 40A3变频器VVVFFR-A5401热继电器FR1 FR2 FR3TK-E02T-C3按钮SBLAY3119转换开关SALW18-16 Q1 5.5 21接触器KMSC-E03-C6可编程控制器PLCFX2N-32MR-0011第五章 流程图变频恒压供水控制流程图结论本论文研究的是变频恒压供水系统。恒压供水系统以PLC和变频器为核心进行设计，借助于PLC强大而灵活的控制功能和内置PID的变频器优良的变频调速性能，实现了恒压供水的控制。该系统采用PCL控制变频器进行PID调节，按实际需要随意设定压力给定值，根据压差调整水泵的工作情况，实现恒压供水，使给水泵始终在高效率下运行，在启动时压力波动小，可控制在给定值的5%范围内。恒压供水在日常生活中非常重要，基于PLC和变频器技术设计的生活恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。对整个供水过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制。a diferents nivells: funcions de oficina destalvi denergia de x empresa (89), 148th; botiga 97 estalvi gesti responsabilitats equip: 1 implantaci del sistema gesti energtica per completar els lmits de consum energtic i estalvi denergia les tasques assignades per la fbrica, colpejar a lenergia economia raonable. 2, el treball de publicitat dunitats, es beneficien de lestalvi i establir un sentit de pertinen