恒压供水系统设计[1]

内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 恒压供水系统恒压供水系统设计设计 摘要摘要 建设节约型社会 合理开发 节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务 由于 传统供水方式的缺陷 本文设计了一套 PLC 控制的变频调速恒压供水系统 恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时 出口压力保持不变的供水方式 系统由可编程控制器 变频器 水泵电机组 压力变送器等构成 共三台电机 其中 由一台变频器拖动 2 台电动机的起动 运行与调速 1 台电机备用 控制系统中采用德 国 SIEMENS 公司的 S7 300 可编程控制器来控制水泵电机的投入台数及运行方式 同 时利用其中的数字 PID 控制器 由 FB41 将压力给定值与测量值的偏差进行处理 实 时控制变频器的输出频率 进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量 实现 管网压力的自动调节 使管网压力稳定在设定值附近 此方法具有短路保护 过载保 护功能 工作稳定可靠 大大延长了电机的使用寿命 关键词关键词 PLC 变频调速 恒压供水 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 The Constant Pressure Water Supply System Design Abstract Building the conservation oriented society the reasonable development saves and the effective protecting water resources is an arduous task As a result of the flaw of the tradition water supply system a set of PLC control s frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system is designed Constant pressure water supply means that the water supply networks in the event of changeable water consumption but the exports still remain the same pressure The component of this system includes the PLC tranducer pump motor group and the pressure sensor This design uses one transducer drivers 2 Motors starting running and speed control Another motor is used to be reserved The control system used S7 300 programmable controller which be made in Germany SIMENS corporation Through the PID controllers pressure will be given the fixed value and processing error of the measurement by FB41 Using the controllers to control the voltage and frequency of the frequency converter in real time and then change the pump motor Speed to change the pump outlet flow the pressure on the pipe network to achieve automatic adjustment so that the pressure pipeline network settings stability in the vicinity the auxiliary pump soft start has the short circuit protection the overflow protection function stably the work reliable lengthened electrical machinery s service life greatly Key words PLC constant pressure water supply variable frequency speed regulating 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 目录目录 摘要摘要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1 1 课题提出的背景 1 1 2 课题研究的目的和意义 1 1 3 国内外在变频恒压供水系统研究现状及分析 2 1 3 1 变频恒压供水系统的国内外研究现状 2 1 3 2 可编程序控制器技术国内外发展现状 3 1 4 设计主要内容 4 第二章 恒压供水基本原理 6 2 1 供水系统简介 6 2 2 恒压供水基本原理 6 2 2 1 恒压供水原理 6 2 2 2 系统结构框图设计 6 2 3 恒压供水的优点 8 2 4 本章小结 9 第三章 恒压供水系统部件选择 10 3 1 变频恒压供水系统的构成 10 3 1 1 变频恒压供水系统硬件结构 10 3 1 2 恒压供水系统构成 11 3 2 S7 300 系列 PLC 简介 12 3 2 1 S7 300 的概况 12 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 3 2 2 S7 300 的模拟量输入 输出模块 14 3 2 3 S7 300 的 PID 模块 FB41 17 3 3 变频器的介绍 17 3 3 1 选择变频器规格 17 3 3 2 开关指令信号的输入 18 3 3 3 变频器与 PLC 的连接 19 3 4 传感器 19 3 5 本章小结 21 第四章 恒压供水系统软件设计 22 4 1 系统设计 22 4 1 1 系统主电路的设计 22 4 1 2 PLC 控制电路设计 23 4 2 程序设计 24 4 2 1 控制系统主程序设计 24 4 2 2 水泵电机切换程序 25 4 2 3 西门子 S7300 系列 PLC 通信程序设计 27 4 2 4 量程转换程序设计 29 4 3 PID 设计 29 4 3 1 PID 控制 29 4 3 2 恒压供水 PID 调节过程分析 31 4 3 3 PID 控制器的应用 31 4 4 本章小结 32 第五章 总结 33 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 5 1 全文总结 33 5 2 研究展望 33 参 考 文 献 35 附录 A PLC 与变频器接线图 37 附录 B 控制系统主电路图与控制电路图 38 附录 C PLC 程序梯形图 39 致谢 51 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 第一章第一章 绪论绪论 1 1 课题提出的背景课题提出的背景 随着社会经济的飞速发展 城市建设规模的不断扩大 人口的增多以及人们生活 水平的不断提高 对城市供水的数量 质量 稳定性提出了越来越高的要求 而我们 国家是个水资源和电能短缺的国家 长期以来在市政供水 小区供水 尤其县城 乡 镇供水等方面技术一直比较落后 自动化程度低 而其中的老水厂自动控制系统配置 相对落后 机组的控制主要依赖值班人员的手工操作 控制过程繁琐 而且手动控制 无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应 在用水高峰期 水的供给量 常常低于需求量 出现水压降低供不应求的现象 传统的解决办法是采用高位水箱 水塔和各种气压罐进行蓄水加压 依赖挡板和阀门的阻力调节水流量 这种靠水的势 能或气压供水方式具有占地面积大 投资高 水泵电机启动频繁 耗电多 管网水压 不稳 爆管现象频繁 漏失严重等缺点 不仅生活用水容易受到二次污染 而且水泵 电机的频繁开启使设备故障率高 检修 维护也存在困难 而且像水塔这样传统的供 水系统 在维护和升级系统方面 是非常昂贵的 因此 如何利用有效的水源和电能 保证各行各业正常供水 己是迫在眉睫 同时随着现代电力电子技术 交流变频调速技术 信息技术 计算机技术和智能 控制技术的迅速发展并日趋完善 变频调速技术在供水领域得以运用 实现了水泵电 机无级调速 能够极大地改善给水管网的供水环境 所有这些现代自动化控制技术的 发展与应用 无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能 利用 PLC 控制技术和变频 调速技术开发的全自动恒供水系统 管道内水压恒定 既可以满足供水要求 避免出现供水 事故 还可节约电能 1 2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 众所周知 水是人类生活 生产中不可缺少的重要物质 在节水节能已成为时代 特征的现实条件下 我们这个水资源和电能短缺的国家 长期以来在市政供水 高层 建筑供水 工业生产循环供水等方面技术一直比较落后 自动化程度低 而随着我国 社会经济的发展 人们生活水平的不断提高 以及住房制度改革的不断深入 城市中 各类小区建设发展十分迅速 同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求 小区 供水系统的建设是其中的一个重要方面 供水的可靠性 稳定性 经济性直接影响到 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 小区住户的正常工作和生活 也直接体现了小区物业管理水平的高低 传统的小区供水方式有 恒速泵加压供水 水塔高位水箱供水 气压罐供水 液力 藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式 单片机变频调速供水系统等方式 其优 缺点如下 1 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应 水泵的增减都 依赖人工进行手工操作 自动化程度低 而且为保证供水 机组常处于满负荷运行 不但效率低 耗电量大 而且在用水量较少时 管网长期处于超压运行状态 爆损现 象严重 电机硬起动易产生水锤效应 破坏性大 目前较少采用 2 水塔高位水箱供水具有控制方式简单 运行经济合理 短时间维修或停电可 不停水等优点 但存在基建投资大 占地面积大 维护不方便 水泵电机为硬起动 启动电流大等缺点 频繁起动易损坏联轴器 目前主要应用于高层建筑 3 气压罐供水具有体积小 技术简单 不受高度限制等特点 但此方式调节量 小 水泵电机为硬起动且起动频繁 对电器设备要求较高 系统维护工作量大 而且 为减少水泵起动次数 停泵压力往往比较高 致使水泵在低效段工作 而出水压力无 谓的增高 也使浪费加大 从而限制了其发展 4 液力涡合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油 发热需冷却 效率低 改造麻烦 只能是一对一驱动 需经常检修 优点是价格低廉 结构简单明了 维修方 便 5 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速 自动化程度要优于上面 4 种供 水方式 但是系统开发周期比较长 对操作员的素质要求比较高 可靠性比较低 维 修不方便 且不适用于恶劣的工业环境 综上所述 传统的供水方式普遍存在不同程度的浪费水力 电力资源 效率变频调 速恒压供水技术其节能 安全 供水高品质等优点 在供水行业得到了广泛应用 恒 压供水调速系统实现水泵电动机无级调速 依据用水量的变化 实际上为供水管网的 压力变化 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 是当今先进 合理的节能型供水系统 在实际应用中如何充分利用变频器内置 的各种功能 对合理设计变频器调速恒压供水设备 降低成本 保证产品质量等具有 重要的现实意义 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 1 3 国内外在变频恒压供水系统研究现状及分析国内外在变频恒压供水系统研究现状及分析 1 3 1 变频恒压供水系统的国内外研究现状变频恒压供水系统的国内外研究现状 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 早期 变频器的功 能主要是应用在频率控制 升降速控制 正反转控制 起制动控制 及各种保护功能 上 用在变频恒压供水系统中 变频器仅作为执行机构 为了满足需求不同时的供水 量 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变送器 对压力进行 闭环控制 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 Samc0 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 此类设备简化了电路结构 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能不高 与其它的监控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 在实际 的应用中受到限制 目前国内有很多公司在做变频恒压供水的工程 多数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 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 抗扰性能等多方面的综合技术指标方面 还未能达到所有用户的 要求 艾默生电气公司和成都希望集团 森兰变频器 也推出了恒压供水专用变频器 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 网络和通讯技术的大功率变频恒压供水系统的 水压闭环控制及监控研究的不够 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 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 1 3 2 可编程序控制器技术国内外发展现状可编程序控制器技术国内外发展现状 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司 DEC 研制的 限于当 时的元器件条件及计算机发展水平 早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路 组成 可以完成简单的逻辑控制及定时 计数功能 20 世纪 70 年代初出现了微处理器 使 PLC 增加了运算 数据传送及处理等功能 变成了真正具有计算机特征的工业控制 装置 为了便于使用 可编程控制器采用梯形图作为主要编程语言 并将参加运算及 处理的计算机存储元件都以继电器命名 此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概 念相结合的产物 20 世纪 70 年代中末期 可编程控制器进入实用化发展阶段 计算机技术已全面引 入可编程控制器中 使其功能发生了飞跃 更高的运算速度 超小型体积 更可靠的 工业抗干扰设计 模拟量运算 PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地 位 20 世纪 80 年代初 可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用 此时它的特 点是大规模 高速度 高性能 产品系列化 这个阶段的另一个特点是世界上生产可 编程控制器的国家日益增多 产量日益上升 这标志着可编程控制器已步入成熟阶段 20 世纪末期 可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要 从控制规 模上来说 这个时期发展了大型机和超小型机 从控制能力上来说 诞生了各种各样 的特殊功能单元 用于压力 温度 转速 位移等各式各样的控制场合 从产品的配 套能力来说 生产了各种人机界面单元 通信单元 使应用可编程控制器的工业控制 设备的配套更加容易 目前 可编程控制器在机械制造 石油化工 冶金钢铁 汽车 轻工业等领域的应用都得到了长足的发展 我国可编程控制器的引进 应用 研制 生产是伴随着改革开放开始的 最初是 在引进设备中大量使用了可编程控制器 接下来在各种企业的生产设备及产品中不断 扩大了 PLC 的应用 目前 我国自己已可以生产中小型可编程控制器 上海东屋电气 有限公司生产的 CF 系列 杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列 大连组合机床研究 所生产的 S 系列 苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模 并在工业产品中获得了应用 此外 无锡华光公司 上海乡岛公司等中外合资企业也 是我国比较著名的 PLC 生产厂家 1 4 设计主要内容设计主要内容 变频恒压供水系统是利用变频器 PLC 等器件的有机结合 构成控制系统 调节 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 水泵的输出流量 取代水塔 水箱 气压罐等 实现恒压供水 通过对水泵的智能变 频调速控制不仅能实现节能降耗 而且有利于实现供水的自动控制 远程监测 实现 生产的自动化 对供水系统进行的控制 归根结底是为了满足用户对水的压力的需求 本文介绍 的恒压供水系统是采用可编程序控制器进行逻辑控制 采用变频器进行压力调节 变频 器 可编程序控制器作为系统控制的核心部件 时刻跟踪管网压力与给定压力的偏差变 化 经 PID 运算 通过可编程序控制器控制变频与工频切换 自动控制水泵投入的台数和 电机转速 实现闭环自动调节恒压变量供水 在保持恒压下达到控制流量的目的 本文首先对供水系统的特性和变频调速的原理进行介绍 在此基础上 提出了本 文的主要研究内容和研究方法 对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程 控制系 统的硬件设计进行研究 通过学习德国 SIEMENS 公司的 S7 300 的硬件及其编程语言 做出控制用的相关程序 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 第二章第二章 恒压供水基本原理恒压供水基本原理 2 1 供水系统供水系统简介简介 自 80 年代初 全国各行业大力开展节能工作 自此 住房小区的给水系统已逐步 取消了高位水箱 而采用变频调速恒压供水代替以前的重力供水 气压供水 克服了 传统供水方法的缺点 这种供水方式既满足供水安全 又避免水质的二次污染 对于 多层住宅来说 是一种比较完善的供水系统 在自动恒压供水系统中 由于管网是封闭的 泵站供水的流量是由用户实际用水 量决定的 根据反馈原理 要维持一个物理量的数值大小恒定或者基本不变 就应该引 入这个物理量跟该恒定值比较 形成闭环系统 因为在恒压供水系统中 我们要想保 持的供水管网的压力恒定 因此就必须引入水压反馈值与给定的压力值比较 从而形 成闭环系统 2 2 恒压供水基本原理恒压供水基本原理 2 2 1 恒压供水原理恒压供水原理 对供水系统进行控制 是为了满足用户对流量的需求 所以 流量是系统的基本 控制对象 但是 流量的大小取决于扬程 扬程难以进行具体测量和控制 考虑到在 动态情况下 管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关 供水能力 QG 用水需求 QU 则压力上升 供水能力 QG 用水需求 QU 则压力下降 供水能力 QG 用水需求 QU 则压力不变 可见 供水能力与用水需求之间的矛盾反映在流体压力的变化上 因此 压力可 以用来作为控制流量大小的参变量 即保持供水系统中某处压力的恒定 也就保证了 该处的供水能力和用水流量处于平衡状态 恰到好处地满足了用户所需的用水流量 2 2 2 系统系统结构框图设计结构框图设计 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 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较 其差值输入经运算处理后 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 从而达到给水总 管压力稳定在设定的压力值上 恒压供水就是利用 PID 或 PI 功能实现的工业过程的闭 环控制 即将压力控制点测的压力信号 4 20mA 直接输入到变频器中 由变频器将其 与用户设定的压力值进行比较 并通过变频器内置 PID 运算将结果转换为频率调节信 号调整水泵电机的电源频率 从而实现控制水泵转速 恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机 这比设单台水泵电机节能而可靠 配 单台电机及水泵时 它们的功率必须足够大 在用水量少时来开一台大电机肯定是浪 费的 电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足 而且水泵与电机维修的时候 备用泵是必要的 而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 跟随用水量的变化而变化的 那么这就是要用变频器为水泵电机供电 在此这里有两 种配置方案 一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器 从解决问题方案这个比 较简单和方便 电机与变频器间不须切换 但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵 另一种方案则是数台电机配一台变频器 变频器与电机间可以切换的 供水运行时 一台水泵变频运行 其余的水泵工频运行 以满足不同的水量需求 图 2 1 为恒压供水的系统构成框图 图中压力传感器用于检测管网中的水压 常装 设在泵站的出水口 当用水量大时 水压降低 用水量小时 水压升高 水压传感器 将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器 交流接触器组 PLC 内置 PID 管道电机泵组变频器 压力传感器 图 2 1 系统结构框图 调节器是一种电子装置 它具有设定水管水压的给定值 接受传感器送来得管网 水压的实测值 根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等 功能 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 信号的量值与前边的提到的差值成正比例 用于驱动执行器设备工作 在 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 变频器恒压供水系统中 执行设备就是变频器 用 PLC 代替调节器 其控制性能和精 度大大提高了 因此 PLC 作为恒压供水系统的主要控制器 其主要任务就是代替调 节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作 实现数字 PID 调节 它还控制水泵 的运行与切换 在多泵组恒压供水泵站中 为了使设备均匀的磨损 水泵及电机是轮 换的工作 如规定和变频器相连接的泵为主泵 主泵也是轮流担任的 主泵在运行时达 到最高频时 须增加一台工频泵投入运行 PLC 则是泵组管理的执行设备 PLC 同时 还是变频器的驱动控制 恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式 这需采用 PLC 的模拟量控制模块 该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号 输 出端送出经给定值与反馈值比较并经 PID 处理后得出的模拟量信号 并依此信号的变 化改变变频器的输出频率 另外 泵站的其他控制逻辑也由 PLC 承担 如 手动 自 动操作转换 泵站的工作状态指示 泵站的工作异常的报警 系统的自检等等 2 3 恒压供水的恒压供水的优点优点 对供水系统进行的控制 归根到底是为了满足用户对流量的需求 所以 流量是 供水系统的基本控制对象 而流量的大小又取决于扬程 但扬程难以进行具体测量和 控制 考虑到动态情况下 管道中水压的大小与供水能力 供水流量 和用水需求 用水 流量 之间的平衡情况关系有关 即供水能力大于用水需求时压力上升 供水能力小于 用水需求时压力下降 当两者相等时压力不变 供水能力和用水需求之间的矛盾具体 反映在水压的变化上 从而压力就成为用来作为控制流量大小的参变量 当供水系统 中某处压力恒定时 供水与用水处于平衡状态 恰好满足用户所需的用水流量 恒压 供水有以下优点 1 节能 可以实现节电 20 40 能实现绿色用电 2 占地面积小 投入少 效率高 3 配置灵活 自动化程度高 功能齐全 灵活可靠 4 运行合理 由于是软起和软停 不但可以消除水锤效应 而且电机轴上的平均扭矩 和磨损减小 减少了维修量和维修费用 并且水泵的寿命大大提高 5 由于变频恒压调速直接从水源供水 减少了原有供水方式的二次污染 防止了很多 传染疾病的传染源头 6 通过通信控制 可以实现无人值守 节约了人力物力 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 2 4 本章小结本章小结 对供水系统进行控制 是为了满足用户对流量的需求 所以 流量是系统的基本 控制对象 但是 流量的大小取决于扬程 扬程难以进行具体测量和控制 通过控制 压力可以达到控制流量的目的 本章先对恒压供水的原理进行介绍 再进行方案设计 最后阐述恒压供水的优点 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 第三章第三章 恒压供水系统部件选择恒压供水系统部件选择 3 1 变频恒压供水系统的构成变频恒压供水系统的构成 3 1 1 变频恒压供水系统硬件结构变频恒压供水系统硬件结构 系统的硬件原理图如图 3 1 所示 由图可知 该系统主要由压力传感器 差压变 送器 变频器 PLC 控制单元 水泵机组等组成 系统主要的设计任务是利用 PLC 控制 单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵 实现管网水压的恒定和水泵电机的 软启动以及变频水泵与工频水泵的切换 同时还要能对运行数据进行传输 上位 计算机 外部 控制 电接点 压力表 管 道 机 组 变 频 器 电 器 组 P L C 水池 液位 开关 A DD A 用用 户户 变频器输出标准信号 模拟量信号 标 准 电 信 号 开 关 量 信 号 变频器故障及频率到达信号 内置 PID 图 3 1 系统硬件原理图 系统可分为 执行机构 信号检测机构 控制机构三大部分 具体为 1 执行机构 执行机构是由三台水泵组成 它们用于将水供入用户管网 2 信号检测机构 在系统控制过程中 需要检测的信号包括水压信号 液位信号和 报警信号 水压信号反映的是用户管网的水压值 它是恒压供水控制的主要反馈信号 此信号是模拟信号 读入 PLC 时 需进行 A D 转换 另外为加强系统的可靠性 还需 对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测 检测结果可以送给 PLC 作为 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 数字量输入 液位信号反映水泵的进水水源是否充足 信号有效时 控制系统要对系统 实施保护控制 以防止水泵空抽而损坏电机和水泵 此信号来自在安装于水源处的液 位传感器 报警信号反映系统是否正常运行 水泵电机是否过载 变频器是否有异常 该信号为开关量信号 3 控制机构 供水控制系统一般安装在供水控制柜中 包括供水控制器 PLC 系统 变频器和电控设备三个部分 供水控制器是整个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 报警信号进行采集 对来自人机接口和通讯接口 的数据信息进行分析 实施控制算法 得出对执行机构的控制方案 通过变频调速器 和接触器对执行机构 即水泵 进行控制 变频器是对水泵进行转速控制的单元 其跟踪 供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率 完成对调速泵的转速控制 3 1 2 恒压供水系统构成恒压供水系统构成 为保证供水压力恒定 系统采用压力闭环控制的方式 来自压力传感器的信号与 压力设定信号比较 控制变频器的频率大小 从而控制电机的转速 水泵启动后 压 力传感器向控制器提供控制点的压力值 当压力低于控制器设定的压力值时 控制器 向变频调速装置发送提高水泵转速的控制信号 当压力高于设定压力值时 则发送降 低水泵转速的控制信号 变频调速装置则依次调节水泵工作电源的频率 改变水泵的 转速 以此构成以设定压力值为参数的恒压供水自动调节闭环控制系统 系统构成与设计 变频恒压供水系统由控制柜 压力传感器 异步电动机及水泵组成 由此构成一 个压力负反馈闭环控制系统 压力传感器将管道中的水压值变换成电信号 4 20mA 送入系统内置数字 PID 控制器进行比较 其偏差值经控制运算后 去控制变频器的输 出频率 通过上位机对当前压力信号的反应 再由 PLC 控制三台水泵电机在工频电网 与变频器输出之间切换 改变三台水泵的运转状态和转速 实现压力调节 控制部分是以德国 SIEMENS 可编程序控制器 S7 300 为核心 实现信号采集 巡 检综合判定 控制输出三个逻辑过程 电气部分包括对水泵电机 变频器的启动 停 止 以及故障检测 指示灯的控制 S7 300 据有丰富的指令系统 并且依托 STEP7 V5 3 良好的编程界面 很方便程序编制和现场调试 S7 300 属于模块式 PLC 主要由机架 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 CPU 模块 信号模块 功能模块 接口模块 通信处理器 电源模块和编程设备组成 传动装置用了富士变频器 适用于异步电机无级调速控制 该变频器的输出控制 方式为恒压频比以及 IGBT 大功率晶体管模块 其优点之一是具有高的切换频率 可 输出低谐波分量的正弦波 在低速时电机有更大的输出转矩 降低电机的损耗和噪音 减少了电机运行时的温升 变频器可将输出频率在控制范围内连续可调 控制精度为 0 1Hz 从而达到电机依据负载的变化连续平滑调速 减轻了电机的运转抖动 由于变 频调速实现异步电机软起动 降低电网的损耗提高了电机运行时的 cos 中 以致于可 以省去为改善功率因数的电容补偿以及相应控制设备 传感器选用了设计中需要测量管道出口处的压力值 故采用远传压力表 可就地 显示压力值 还可以将信号送到控制器 青岛奥斯特技术开发有限公司的 HR YTZ 电 阻远传压力表 外围设备选型 外围设备主要包括执行设备 如水泵 接触器 按钮 选择开关 电流互感器等 设备 由于外围设备种类较 型号较杂 且不是本设计的技术难点 故对其选型说明 简述至此 3 2 S7 300 系列系列 PLC 简介简介 3 2 1 S7 300 的概况的概况 S7 300属于模块式PLC 主要由机架 CPU 模块 信号模块 功能模块 接口模 块 通信处理器 电源模块和编程设备组成 PLC 采用循环执行用户程序的方式 OB1 是用于循环处理的组织块 主程序 它可以调用别的逻辑块 或被中断程序 组织块 中断 在起动完成后 不断地循环调用OB1 在OB1 中可以调用其它逻辑 块 FB SFB FC 或SFC 循环程序处理过程可以被某些事件中断 在循环程序处理过 程中 CPU 并不直接访问I O 模块中的输入地址区和输出地址区 而是访问CPU 内部 的输入 输出过程映像区 批量输入 批量输出 S7 300PLC是模块式的PLC 本设计主要用得的有以下部分 1 中央处理单元 CPU 各种CPU有不同的性能 例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入 输出点 有的 CPU集成有PROFIBUS DP等通信接口 CPU前面板上有状态故障指示灯 模式开关 24V电源端子 电池盒与存储器模块盒 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 3 信号模块 SM 信号模块是数字量输入 输出模块和模拟量输入 输出模块的总称 它们使不同的过 程信号电压或电流与PLC内部的电信号电平匹配 信号模块主要有数字量输入模块 SM321和数字量输出模块SM322 模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332 模 拟量输入模块可以输入热电阻 热电偶 DC4 20mA和DC0 10V等多种不同类型和 不同量程的模拟信号 每个模块上有一个背板总线连接器 现场的过程连接到前连接 起的端子上 本设计主要用到的是模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332 4 功能模块 FM 功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务 例如计数器模块 快 速 慢速进给驱动位置控制模块 电子凸轮控制器模块 步进电动机定位模块 伺服电 动机定位模块 定位和连续路径控制模块 闭环控制模块 工业标识系统的接口模块 称重模块 位置输入模块 超声波位置解码器等 水位上限 水位下限 变频器报警 消铃按钮 试验按钮 1号泵工频运行 I0 1 1号泵变频运行 2号泵工频运行 2号泵变频运行 3号泵工频运行 变频器报警 高低液位报警 报警声 I0 0 I0 2 I0 3 I0 4 L 2L 1M FR1 FR2 FR3 KA3 KA4 Y5A 1号泵过载 2号泵过载 3号泵过载 I0 4 I0 5 I0 6 SB1 SB2 CPU314 2DP KM1 Q0 0 HL1 FR1 KM2 KM2 Q0 1 HL2 KM1 KM3 Q0 2 HL3 FR2 KM4 KM4 HL4 KM3 KM5 HL6 KM3 FR3 Q0 3 Q0 4 Q0 5 Q0 6 Q0 7 Q1 0 Q1 1 Q1 2 2M 3L 3M HL5 HL7 HA KM0 I0 7 I1 0 I1 1 SB3 SB4 FR1 FR2 图3 2 PLC I O点及地址分配图 PLC 的接线如图附录 B 所示 根据控制系统的要求 控制系统应具备的输入 输出 点数 名称及地址编号如下表 3 1 所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 表 3 1 I O 点及地址分配 名称地址编码名称地址编码 输入信号输出信号 水位上限 I0 0 1 号水泵工频运行 Q0 0 水位下限 I0 1 1 号水泵变频运行 Q0 1 变频器报警 I0 2 2 号水泵工频运行 Q0 2 消铃按钮 I0 3 2 号水泵变频运行 Q03 试验按钮 I0 4 3 号水泵工频运行 Q0 4 变频器启动 I0 4 高低液位报警 Q0 5 变频器停止 I0 5 变频器报警 Q0 6 报警声 Q0 7 3 2 2 S7 300 的模拟量输入的模拟量输入 输出模块输出模块 输入 输出模块统称为信号模块 SM 包括数字量 或称开关量 输入模块 数字 量输出模块 数字量输入 输出模块 模拟量输入模块 模拟量输出模块和模拟量输入 输出模块 S7 300 的输入 输出模块的外部接线接在插入式的前连接器的段子上 前连接器插 在前盖后面的凹槽内 不需要断开前连接器上的外部接线 就可以迅速地更换模块 第一次插入连接器时 有一个编码元件与之啮合 这样该连接器就只能插入同样类型 的模块中 本设计所用到的S7 300 的模拟量I O模块是模拟量输入模块SM331和模拟量输出模 块SM332 本设计用到的SM331模块为4通道组8点输入 与传感器接线方式为四线制 输入 为4 20mA电流信号 SM332模块为4通道组4点输出 分辨率为16位 支持同步模式 输出为4 20mA电流信号 在PID控制中 PLC采集到的实际值要与设定值进行比较 然而设定值为实际的工 程量 而采集值为电流信号 无法进行比较 所以这里涉及到量程转换的问题 需要 用到模块FC105与模块FC106 具体过程如下 压力变送器输出4 20mA电流信号到 SM331模拟量输入模块 SM331模块将该信号转换成0 27648的整形数 然后在程序 中要调用FC105将该值转换成0 10 0 MPa 的工程量 实数 经PID运算后得到的 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 结果仍为实数 要用FC106转换为整形数0 27648后 经SM332模拟量输出模块输出 4 20mA电流信号到变频器 FC105 是处理模拟量 1 5V 4 20MA 等常规信号 输入的功能块 在中 打开 Libraries standard library Ti S7 Converting Blocks fc105 将其调入 OB1 中 给各个 管脚输入地址 如下 图3 3 FC105模块图 其中 管脚的定义如下 IN 模拟量模块的输入通道地址 在硬件组态时分配 HI LIM 现场信号的最大量程值 LO LIM 现场信号的最小量程值 BIPOLAR 极性设置 如果现场信号为 10V 10V 有极性信号 则设置为 1 如果现场信号为 4MA 20MA 无极性信号 则设置为 0 OUT 现场信号值 带工程量单位 信号类型是实数 所以要用 MD200 来存放 RET VAL FC105 功能块的故障字 可存放在一个字里面 如 MW50 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 FC106 是处理模拟量 1 5V 4 20MA 等常规信号 输出的功能块 在中 打开 Libraries standard library Ti S7 Converting Blocks fc106 将其调入 OB1 中 给各个 管脚输入地址 如下 图3 4 FC106模块图 其中 管脚的定义如下 IN 模拟量模块的输入通道地址 在硬件组态时分配 HI LIM 现场信号的最大量程值 LO LIM 现场信号的最小量程值 BIPOLAR 极性设置 如果现场信号为 10V 10V 有极性信号 则设置为 1 如果现场信号为 4MA 20MA 无极性信号 则设置为 0 OUT 现场信号值 带工程量单位 信号类型是实数 所以要用 MD200 来存放 RET VAL FC105 功能块的故障字 可存放在一个字里面 如 MW50 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 3 2 3 S7 300 的的 PID 模块模块 FB41 PID 模块是进行模拟量控制的模块 可以完成恒压 恒温等控制功能 在中 打开 Libraries standard library PID Control block FB41 将其调入 OB1 中 首先分配背景 数据块 DB41 再给各个管脚输入地址 如下 图3 5 FB41模块图 3 3 变频器的介绍变频器的介绍 3 3 1 选择变频器规格选择变频器规格 变频器产品说明书都提供了标称功率数据 但实际上限制变频器使用功率的是定 子电流参数 因此 直接按照变频器标称功率进行选择 在实践中可能会行不通 根 据具体工程情况 可以有几种不同的变频器规格选择方式 1 按照标称功率选择 一般而言 按照标称功率选择只适合作为初步投资估算依据 在不清楚电动机额 定电流时使用 比如电动机型号还没有最后确定的情况 作为估算依据 在一般恒转 矩负载应用时可以放大一级估算 例如 90KW 电动机可以选择 110KW 变频器 在需 要按照过载能力选择是 可以放大一倍来估算 例如 90KW 电动机可以选择 185KW 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 变频器 2 按照电动机额定电流选择 对于多数的恒转矩负载新设计项目 可以按照这个方式选择变频器规格 Ievf K1Ied 3 1 式中 Ievf 是变频器额定电流 Ied是电动机额定电流 K1是电流裕量系数 根据 应用情况一般可取为 1 05 1 15 一般情况可取小值 在电动机持续负载率超过 80 时 则应该取大值 因为多数变频器的额定电流都是以持续负载率不超过 80 来确定 的 另外 启动停止频繁的时候也应该考虑取大值 这是因为启动过程以及有制动电 路的停止过程电流会短时超过额定电流 频繁启动停止则相当于增加了负载率 3 按照电动机实际运行电流选择 这个方式用于改造工程 对于原来电动机已经处于大马拉小车的情况 可以选择 功率比较合适的变频器以节省投资 Ievf K2Id 3 2 式中 K2是电流裕量系数 考虑到测量误差 可取 K2 1 1 1 2 在频繁启动停止 时应该取大值 Id是电动机实测运行电流 指的是稳态运行电流 不包括启动 停止 和负载突变的动态电流 实测时应该针对不同工况作多次测量 取其中最大值 4 按照转矩过载能力选择 变频器的电流过载能力通常比电动机的转矩过载能力低 因此 按照常规配备变 频器时电动机转矩过载能力不能充分发挥作用 由于变频器能够控制在稳定转矩下持 续加速直到全速运行 因此 平均加速度并不低于直接启动的情况 一般应用中没有 什么问题 通过上述论述和系统要求 决定选用富士公司的 P11S 系列变频器 P11S 系列是 风机泵用标准系列 采用高性能和多功能的理想结合动态转矩矢量控制 能在各种运 行条件下实现对电动机的最佳控制 动态转矩矢量控制是一种先进的驱动控制技术 10 3 3 2 开关指令信号的输入开关指令信号的输入 变频器的输入信号中包括对运行 停止 正转 反转 微动等运行状态进行操作 的开关型指令信号 数字输入信号 变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关 特性的元器件 如晶体管 与 PLC 连接 获取运行状态指令 使用继电器接点时 常因 接触不良而带来误动作 使用晶体管进行连接时 则需要考虑晶体管本身的电压 电流 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 容量等因素 保证系统的可靠性 在考虑变频器的输入信号电路时还应该注意到 当 输入信号电路连接不当时有时会造成变频器的误动作 如当输入信号电路采用继电器 等感性负载 继电器开闭时产生的浪涌电流带来的噪声有可能引起变频器的误动作 应该尽量避免 这时可以考虑采用阻容振荡吸收 光电隔离的方式 3 3 3 变频器与变频器与 PLC 的连接的连接 VVVF R S T U V W M Y2 Y1 CME Y5C X1 FWD 12 CM 频率到达50HZ 频率到达5HZ 11 Y5A QF KM KA3 KA4 24V FR 图 3 6 变频器 变频器与 PLC 的连接如附录 B 所示 其中变频器各端子功能如下 R S T 端子为主电路的电源输入端子 连接三相电源 不需考虑连接相序 U S W 端子为变频器输出连接端子 连接三相电机水泵 如电机转动方向不对 则可交换其 中的任意两相 G 端子为接地端子 端子 11 为模拟输入信号的公共端子 端子 12 为 设定电压输入端 输入 PID 控制的反馈信号 以此来设定频率 FWD 端子为正转运行 停止命令 端子 端子 FWD CM 间 闭合 ON 正转运行 断开 OFF 减速停止 此端子有 PLC 输出点控制 接点输入公共端 CM 为接点输入信号的公共端子 X1 为 选择输入 1 端子 作为报警复位命令信号端子 Y1 Y2 为晶体管输出 1 端子与晶体管 输出 2 端子 为水位上限与下限报警端子 晶体管输出公共端 CME 为晶体管输出信 号的公共端子 端子 CM 和 11 在变频器内部相互绝缘 可选信号输出继电器端子 Y5A Y5C 为变频器报警输出端子 3 4 传感器传感器 在工程上 所谓压力 是指一定介质垂直作用于单位面积上的力 压力测量有很 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 多方法 有利用液体在重力作用下液位发生改变与被测压力平衡的液柱测压法 有根 据弹性原件受力变形的测压法 也有将被测压力转换成各种电量的电测法等 在压力测量中 常有绝对压力 表压力 负压力或真空度之分 绝对压力是指被 测介质作用在单位面积上的全部压力 用 PA表示 用来测量绝对压力的仪表称为绝对 压力表 地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力 用 P0表示 用来测量大气 压力的仪表叫气压表 绝对压力与大气压力之差称为表压力 用 PI表示 即 PI PA P0 3 3 由于工程上需测量的往往是物体超出大气压力之外所受的压力 因而所使用的压 力仪表测量的值称为表压力 显然当绝对压力值 PA 小于大气压力值 P0时 表压力为 负值 所测值称为负压力或称真空压 它的绝对值称为真空度 压力在国际单位制中 的单位是牛顿 平方米 通常称为帕斯卡或简称帕 Pa 工业上常采用千帕 kPa 或兆帕 MPa 作为压力的单位 设计中需要测量管道出口处的压力值 故采用远传压力表 可就地显示压力值 还可以将信号送到控制器 青岛奥斯特