【毕业学位论文】（Word原稿）PLC恒压供水系统-机电一体化

1 湖南生物机电职业技术学院 毕业设计（论文） 题 目： 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 制的 变频调速供水系统，由 行逻辑控制，由变频器进行压力调节。在经过 算，通过 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； 3 目 录 摘 要 . 2 第一章 绪论 . 4 频恒压供水系统的国内研究现状 . 4 题来源及本文的主要研究内容 . 5 论文中所做的工作 . 5 压供水系统的基本构成 . 5 第二章 能选择及应用 . 7 拟量扩展单元的配置及应用 . 7 拟量输入模块的功能及与 统的连接 . 7 拟量输入模块缓冲存储器（ 分配 . 8 模拟量输出模块的功能及 统连接 . 8 第三章 变频器和压力传感器 . 9 频器的分类及工作原理 . 9 频器硬件选择 . 10 力传感器 . 11 第四章 系统的 设计 . 12 统要求 . 12 制系统的 I/O 及地址分配 . 12 统选型 . 13 气控制系统原理图 . 13 电路图 . 13 制电路图 . 14 . 15 统程序设计 . 16 “恒压”要求出发的工作泵组数量管理 . 17 多泵组泵站泵组管理规范 . 17 序的结构及程序功能的实现 . 17 统的运行分析 . 18 致 谢 . 20 参 考 文 献 . 21 4 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。 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 过设置指令代码实现 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 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 (5 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。 5无需外接 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 (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。 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。 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 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。 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 微分调节，俗称 节器的调节参数，如 P、 I、 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 20 10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 能选择 及应用 拟量扩展单元的配置及应用 了使 见的方法是为整体式 拟量扩展 单元可将外部模拟量转换为 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 们分别具有 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。 拟量输入模块的功能及 与 统的连接 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辨率为 5，也可以 420辨率为 16 A）或 +20辨 20 A）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 2使用电流输入时，需将 V+及 I+端短接。 图 2块的连接图 安装时装在 总线连接器接入左侧单元的总线插孔中。 展单元不所示。占编号），如图 45部电源） 30 +24部电源）55通常转换速度为 15道，高速转换速度为 6/ 8 拟量输入模块缓冲存储器（ 分配 为了能适用于多种规格的输入、输出量，模拟量 处理模块都设成可编程的。 简称 模 设置完成编辑工作。 目前只使用了以下 21个 A/D A/D D/A #0 #1 #2 2模拟量输出模块的功能及 统连接 块用来将 12 位数字信号转换成模拟电压或电流输出。它具有 2 个模拟量输出通道。这两个通道都可以输出 010辨率 2。 5 05分辨率1。 25电压信号，或 420辨率为 4 A)的电流信号。模拟量输出可通过双绞屏蔽电缆与驱动负载相连，当使用电压输出时，需要 短接。 图 2 块的连接图 5 内部电源） 20+24换时间为 4道。 本单元 录仪器 电流输出 变频器等 电压输出 9 第三章 变频器和压力传感器 交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是 每秒 50交流电动机的同步转速。 1 60（ 3 式中 1N r/ 1f P 而异步电动机转速 )1(60)1( 11 sP （ 3 式中 s 11 /)( ，一般小于 3%。 均与送入电机的电流频率 /成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。 频器的分类及工作原理 变频器的较详细的工作原理还与变频器的工作方式有关，通用变频器按工作方式分类如下： （ 1） 制。 制即电压与频率成比例变化控制。 由于通用变频器的负载主要是电动机，出于电动机磁场恒定的考虑，在变频的同时都要伴随着电压的调节。 低频段工作特性不理想。因而实际变频器中采用 制。采用 制方式的变频器通常被称为普通功能变频器。 （ 2） 转差频率控制 。转差频率控制是在 制基础上增加转差控制的一种控制方式。从电动机的转速角度看，这是一种以电动机的实际运行速度加上该速度下电动机的转差频率确定变频器的输出频率的控制方式。更重要的是，在 常数的条件下，通过对转差率的控制，可以实现对电机转矩的控制。采用转差频率控制的变频器通常属于多功能型变频器。 10 （ 3） 矢量控制 。矢量控制是受调速性能优良的直流电动机磁场电流及转矩电流可分别控制启发而设计的一种控制方式。矢量控制将交流电动机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定 子电流的磁场分量及转矩分量，并分别控制，从而大大提高了变频器对电动机转速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的变频器通常称为高功能变频器。 通用变频器按工作方式分类的主要工程意义在于各类变频器对负载的适应性。普通功能型变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，而高功能变频器可适用于位能性负载。 频器硬件选择 根据设计要求，变频器选用日本三菱变频器 品。该产品可以和三菱 变 频器选用日本三菱变频器 品，适配电机 15 变频器基本配置中带有 通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的压力信号 (0 10 V)接至变频器的辅助输入端 为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上。 信号进 为泵变频与工频切换的控制信息之一，变频器的极限输出频率通过面板可以设定 。 两端连接信号灯，以显示变频器故障，变频器面板上有故障复位按键，轻故障用复位按键复位，可重新启动变频器。 2 短接，并与 输出点上，由 制变频器的运行与关断； U、 V、 W 输出端并联三个接触器分别接 电机，变频器可分别驱动三台泵，另外这三台泵电机还通过另外三个接触器并联到工频电源上，这 6 个接触器线包连接到 四个输出点上，由 频切换工作。 通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值 (14端 )，压力传感器反馈来的压力信号 (0 10V)接至变频器端子的 7端、 8端，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。变频器端子的 19端和 20端是传感器压力设定的上、下限值，该信号进 为工频切换的控制信息，由 变频器有 2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。下图 3 11 图 3本 三菱 变频器 力传感器 在智能系统中检测是非常重要的一部分，它将检测到控制量反馈给系统，才能实现自动控制，给系统所用的检测的是水压，这个系统中选用压力传感器，它的 作用是通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成 4 20化的电流信号或 010V 间变化的电 压信号 的标准信号送入 端口进行 节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过 据用水量的大小由 现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基 准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件 /软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。供水系统的压强是 P ，下面单位都是估计标准单位 310 ， g=般情况下，h60 米，所以本系统供水系统输出压力一般小于或等于 统选用 带电接点式的压力传感器，其水压检测范围为 0 1测精度为土 传感器将 0 1围的压力对应转换成 0 10V 的电信号 。该传感器还具有体积小，重量轻、结构简单、工作可靠的特点。 R S T U V W I 1 接 接指示灯 接 电 机 380V 7 8 12 第四章 系统 设计 统要求 对三泵生活 /消防双恒压供水系统的基本要求是： (1)生活供水时，系统低恒压值远行，消防供水时高桓压值远行。 (2)三台泵根据恒压的需要采取“先开先停”的原则接人和退出。 (3)在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过 3h，则要切换下即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。 (4)三台泵在启动时都要有软启动功能。 (5)要有完善的报警功。 (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。 制系统的 I/O 及地址分配 将系统所有的输入信号和输出信号统一进行编址，该系统有 7个输入信号和 13个输出信号，表 4码及地址编号。水位上下限信号分别为 ，时为 1。 名 称 代码 地址编号 输入信号 手动和自动消防信号 0 水池水位下限信号 1 水池水位上限信号 2 变频器报警信号 3 消铃按钮 4 试灯按钮 5 远程压力表模拟量电压值 拟量输入模块电流通道 输出信号 1#泵工频运行接触器及指示灯 0 1#泵变频运行接触器及指示灯 1 2#泵工频运行接触器及指示灯 2 2#泵变频运行接触器及指示灯 3 13 3#泵工频运行接触器及指示灯 4 3#泵变频运行接触器及指示灯 5 生活消防供水转换电磁阀 10 水池水位下限报警指示灯 11 变频器故障报警指示灯 12 火警报警指示灯 13 报警电铃 14 变频器频率复位控制 15 控制变频器频率用电压信号 拟量输入模块电流通道 表 4 输入输出点代码及地址编号 统选型 从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点 6 个、开关量输出点 12 个；模拟量输入点 1个、模拟量输出点 1个。选用 上一个模拟量输入扩展模块 扩展一个模拟量输出扩展模块 样的配置是最经济的。整个 图 4 统的组成 气控制系统原理图 电气控制原理图包括主电路图、控制电路图。 电路图 如图 4台电机分别为 触器 1、 机分别为 触器 拟量 输入模块拟量输入 14 分别控制 日本三菱变频器 。 图 4控系统主电路 制电路图 如图 4中 转换开关， 在 1的位置为手动控制状态；打在 2 的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮 制三R S T U V W M M M N 2 5 2 15 台泵的启 /停和电磁阀 通断；自动运行时，系统在 序控制下运行。图中的变频器 于个输出点为一组共用一个 本系统又没有剩下单独的 以通过一个中间继电器 动运行 按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制 1# 3#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。 动运行 合上自动开关后， 1#泵电机通电，变频器输出频率从 0 升， 同时 节程序将接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到 50 1#泵由变频切换为工频，对 2#泵进行变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据 有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动 1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频 的全部操作过程。 （ 1）设备控制 3台水泵电机 低峰供水时，工作一台水泵电机变频调速 ,用水量加大时，首台工作水泵由低速向高速调频，当工作频率达到 50 首台工作水泵切换至工频运转，变频调速器控制第二台水泵调频运转，同时工作 2台水泵。如用水量进一步增加，第二台水泵切换至工频运转 ,变频调速器控制第三台水泵调频运转 ,同时工作 3台水泵。供水量减少时，调速工作水泵首先由高频段向低频段调速运转，水泵工作频率达到柜内微机控制器预先设定的下限工作频率而实测水 压仍高于水压设定值时，直接停止首台工作水泵，第二台泵工频运转，第三台泵调频运转保持系统水压恒定，如 2台水泵同时工作实际水压仍高于设定值，直接停止工频运转水泵，第三台调频运转保持系统水压恒定。 （ 2）安全问题 在软件方面设置多个保护环节，时时检测系统状态，安全报警等。硬件方面设置 16 安全链机械保护，经多个闭合触点组成，包括紧急停车，压力超上下限开关，水位超上下限开关，电机过热保护继电器，空载保护等。安全链多个触点均为常闭触点，其中任一触点断开，安全链即失效，系统处于停机状态。须排除故障，系统才能进行正常工作 。 图 4控系统控制电路图 统程序设计 硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现结合前述泵站的控制要求， 17 对泵站软件设计分折如下： “恒 压”要求出发的工作泵组数量管理 前边已经说过，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台泵或第三台泵。判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中考虑采取时间滤波。 多泵组泵站泵组管理规范 由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有个管理规范。在该系统中 ，控制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过 3h，因此每次需启动新泵或切换变额泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体的操作时，将现行运行的变频泵从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本例中使用泵号加 1 的方法实现变频泵的循环控制 (3 再加 1 等于 0)，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。 根据可知， 在恒压供水系统中的功能较多，由于模拟量单元及 ，本程序分可为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成。这样可节省扫描时间。利用定时器中断功能实现 程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序。生活及消防双恒压的两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。生活供水时系统设定值为满量程的 70，消防供水时系统设定值为满量程的 90。在本系统 是用了比例和积分控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控 制效果。初步确定的增益和时间常数 ) 积分时间 18 器件地址 功能 器件地址 功能 程变量标准值 频泵减泵滤波时间控制 力给定值 频 /变频转换逻辑控制 障结束脉冲信号 例系数 变频启动脉冲 样时间 泵中间继电器 分时间 泵变频启动脉冲 分时间 位 当前变频泵运行脉冲 频运行频率下限值 前泵运行启动脉冲 活供水变频运行上限值 泵变频启动脉冲 防供水变频运行上限值 工频 /变频转换逻辑控制 工频 /变频转换逻辑控制 频工作泵泵号 工频 /变频转换逻辑控制 频工作泵的总台数 障信号汇总 泵时间存储器 池水位下限故障逻辑 频 /变频转换逻辑控制 池水位下限故 障消铃逻辑 频 /变频转换逻辑控制 频器故障消铃逻辑 频泵增泵滤波时间控制 灾消铃逻辑 表 4 程序中使用 内器件及功能 统的运行分析 （ 1）设备控制 3台水泵电机 低峰供水时，工作一台水泵电机变频调速 ,用水量加大时，首台工作水泵由低速向高速调频，当工作频率达到 50 首台工作水