小区恒压供水系统设计.doc

目录 0 前言 1 1 概述 2 1 1 变频恒压供水产生的背景和意义 2 1 2 变频恒压供水系统的国内研究现状 3 1 3 课题来源及本文的主要研究内容 4 1 4 本论文中所做的工作 4 2 恒压供水系统的基本构成 5 3 变频器和压力传感器 7 3 1 变频器的基本结构 7 3 2 变频器的分类及工作原理 9 3 3 变频器的操作方式及使用 10 3 4 变频器硬件选择 11 3 5 压力传感器 11 4 PLC 选择及应用 13 4 1 PLC 在恒压供水泵站中的主要任务 13 4 2 PLC 模拟量扩展单元的配置及应用 13 4 2 1 模拟量输入模块的功能及与 PLC 系统的连接 13 4 2 2 模拟量输入模块缓冲存储器 BFM 的分配 14 4 2 3 模拟量输出模块的功能及 PLC 系统连接 15 4 2 4 模拟量输出模块的偏置 增益及分配 17 5 系统的设计 18 5 1 系统要求 18 5 2 控制系统的 I O 及地址分配 18 5 3 PLC 系统选型 18 5 4 电气控制系统原理图 18 5 4 1 主电路图 19 5 4 2 控制电路图 20 5 5 系统程序设计 22 5 5 1 由 恒压 要求出发的工作泵组数量管理 22 5 5 2 多泵组泵站泵组管理规范 22 5 5 3 系统流程图设计与程序的结构及程序功能的实现 22 5 5 4 系统的运行分析 29 6 经济技术分析 31 7 结论 32 致谢 33 参考文献 34 附录 B 外文文献 45 1 0 前言 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 使监控时系 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 第一部分 简要介绍了本设计选题的目的和意义 介绍了恒压供水产生的背景和意 义以及课题来源及本文的主要研究内容 第二部分 介绍了恒压供水的基本构成 第三部分 主要介绍变频器及压力传感器 通过基本结构分析工作原理 第四部分 主要介绍本设计中PLC的相关内容 第五部分 系统的设计 包括主控电路图 软件的设计 PLC的程序及其梯形图 第六部分 经济技术分析 主要根据自己的设计内容 分析选择的合理性 第七部分 结论 主要对自己本次设计的总结 得出结论 分析不足 2 1 概述 1 1 变频恒压供水产生的背景和意义 众所周知 水是生产生活中不可缺少的重要组成部分 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 主要表现在用水高峰 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 而在用水低峰期 水 的供给量常常高于需求量 出现水压升高供过于求的情况 此时将会造成能量的浪费 同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏 在恒压供水技术出现以前 出现过许多供水 方式 以下就逐一分析 1 一台恒速泵直接供水系统 这种供水方式 水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户 有的甚至连蓄水池也没有 直接从城市公用水网中抽水 严重影响城市公用管网压力的稳定 这种供水方式 水泵 整日不停运转 有的可能在夜间用水低谷时段停止运行 这种系统形式简单 造价最低 但耗电 耗水严重 水压不稳 供水质量极差 2 恒速泵加水塔的供水方式 这种方式是水泵先向水塔供水 再由水塔向用户供水 水塔的合理高度是要求水塔 最低水位略高于供水系统所需要压力 水塔注满后水泵停止 水塔水位低于某一位置时 再启动水泵 水泵处于断续工作状态中 这种供水方式 水泵工作在额定流量额定扬程 的条件下 水泵处于高效区 这种方式显然比前一种节电 其节电率与水塔容量 水泵 额定流量 用水不均匀系数 水泵的开与停的时间比 开与停的频率等有关 供水压力 比较稳定 但这种供水方式基建设备投资最大 占地面积也最大 压不可调 不能兼顾 近期与远期的需要 而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降 故 还存在一些能量损失和二次污染问题 而且在使用过程中 如果该系统水塔的水位监控 装置损坏的话 水泵不能进行自动的开和停 这样水泵的开和停 将完全由人操作 这 时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降 3 恒速泵加高位水箱的供水方式 这种方式原理与水塔是相同的 只是水箱设在建筑物的顶层 高层建筑还可分层设 立水箱 占地面积与设备投资都有所减少 但这对建筑物的造价与设计都有影响 同时 水箱受建筑物的限制 容积不能过大 所以供水范围较小 一些动物甚至人都可能进入 3 水箱污染水质 水箱的水位监控装置也容易损坏 这样系统的开 停 将完全由人操作 使系统的供水质量下降能耗增加 4 恒速泵加气压罐供水方式 这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水 通过监测罐内压力来控制泵的开 停 罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小 而且可以放在地上 设备的成本比水 塔要低得多 而且气压罐是密封的 所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性 但气压罐供水方式也存在着许多缺点 气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水 气压 罐配套水泵运行时 水泵在额定转速 额定流量的条件下工作 当系统所需水量下降时 供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费 同时水泵是工频率启动 且启 动频繁 又会造成一定的能耗 频繁启动会造成系统的不稳定性 5 变频调速供水方式 这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作 比较 再通过控制器调节变频器的输出 无级调节水泵转速 使系统水压无论流量如何 变化始终稳定在一定的范围内 变频调速式供水系统具有节约能源 节省钢材 节省占地 节省投资 调节能力大 运行稳定可靠的优势 具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益 1 2 变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Samco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 4 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 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BA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 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 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 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 网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频 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 1 3 课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 1 4 本论文中所做的工作 根据系统要求 设计出满足要求的恒压供水系统 对 PLC 变频器 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 5 2 恒压供水系统的基本构成 恒压供水泵站一般需设有多台水泵及电机 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 备用泵是必要的 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 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 图2 1为恒压供水系统构成示意图 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 图2 1 恒压供水系统示意图 Fig 2 1 Constant pressure water supply system schematic drawing 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 量进行设定 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 P L C 送水 消防 生活 变 频 器 工频 变频 切换 电路 1 号泵 2 号泵 3 号泵 压 力 罐 压力传感器 调 节 器 调 节 器 6 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 积分 微分调节 俗称PID调节器 调节器的调节参数 如P I D参数均是可以由使用者设定 的 PID调节过程视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船是模拟信号 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 控制指令 中间直流环节 AC 控 制 指 令 控 制 指 令 网侧变流器 整流器 逆变器 AC M 运行指令 3 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 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50Hz 而交流电动机的同步转速 3 1 P f N 1 1 60 式 3 1 中为同步转速 单位r min 为定子频率 单位Hz 为电机的磁极 1 N 1 fP 对数 而异步电动机转速 3 2 1 60 1 1 1 s P f sNN 式 3 2 中 为异步电机转差率 一般小于3 与送入电机的电s 11 NNNs 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速来说是十分合适的 3 1 变频器的基本结构 从频率变换的形式来说 变频器分为交 交和交 直 交两种形式 交 交变频器可将工 频交流电直接变换成频率 电压均可控制的交流电 称为直接式变频器 而交 直 交变频 器则是先把工频交流电通过整流变成直流电 然后再把直流电变换成频率 电压均可控 制的交流电 又称间接式变频器 市售通用变频器多是交 直 交变频器 其基本结构图如 图3 1所示 图3 1 交 直 交变频器的基本结构 Fig3 1 The basic structure of TAC straight Cycloconverter 8 由主回路 包括整流器 中间直流环节 逆变器和控制回路组成 现将各部分的功 能分述如下 1 整流器 电网侧的变流器是整流器 它的作用是把三相 也可以是单相 交流整流 成直流 2 直流中间电路 直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑 以保证逆变 电路及控制电源得到质量较高的直流电源 由于逆变器的负载多为异步电动机 属于感 性负载 无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为1 因此 在中间直 流环节和电动机之间总会有无功功率的交换 这种无功能量要靠中间直流环节的储能元 件 电容器或电抗器 来缓冲 所以又常称直流中间环节为中间直流储能环节 3 逆变器 负载侧的变流器为逆变器 逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将 直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源 逆变电路 的输出就是变频器的输出 图3 2 电压型变频器和电流型变频器主电路基本结构 a 电压型变频器主电路 b 电流型变频器主电路 Fig3 2 Voltage frequency changer and current mode frequency changer main circuit basic structure a voltage frequency changer main circuit b current mode frequency changer main circuit 4 控制电路 变频器的控制电路包括主控制电路 信号检测电路 门极驱动电路 电源 M 电动机平 滑 电 容 M 电动机 平滑电感 电源 a b 9 外部接口电路及保护电路等几个部分 其主要任务是完成对逆变器的开关控制 对整流 器的电压控制及完成各种保护功能 控制电路是变频器的核心部分 性能的优劣决定了 变频搏的性能 一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成 直流中间电路的储能元件在整 电路是电压源时是大容量的电解电容 在整流电路是电流源时是大容量的电感 为了电 动机制动的需要 中间电路中有时还包括制动电阻及一些辅助电路 逆变电路最常见的 结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路 有规律的控制逆变器中主 开关的通与断 可以得到任意频率的三相交流输出 现代变频器控制电路的核心器件是 微型计算机 全数字化控制为变频器的优良性能提供了硬件保障 图3 2为电压型变频器 和电流型变频器的电路基本结构示意图 3 2 变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 控制 控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fUfU 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 控制由于忽略了电动机漏阻抗的作用 在低频段工作特性不理想 因而实际变频器fU 中采用控制 采用控制方式的变频器通常被称为普通功能变频器 fEfU 2 转差频率控制 转差频率控制是在控制基础上增加转差控制的一种控制方式 fE 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fE 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 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高性 10 能性负载 3 3 变频器的操作方式及使用 和PLC一样 变频器是一种可编程的电气设备 在变频器接入电路工作前 要根据通 用变频器的实际应用修定变频器的功能码 功能码一般有数十甚至上百条 涉及调速操 作端口指定 频率变化范围 力矩控制 系统保护等各个方面 功能码在出厂时已按默 认值存储 修订是为了使变频器的性能与实际工作任务更加匹配 变频器与外界交换信息的接口很多 除了主电路的输入与输出接线端外 控制电路 还设有许多输入输出端子 另有通信接口及一个操作面板 功能码的修订一般就通过操 作面板完成 变频器的输出频率控制有以下几种方式 1 操作面板控制方式 这是通过操作面板上的按钮手动设置输出频率的一种操作方 式 具体操作又有两种方法 一个按面板上频率上升或频率下降的按钮调节输出频率 另一个方法是通过直接设定频率数值调节输出频率 2 外输入端子数字量频率选择操作方式 变频器常设有多段频率选择功能 各段频 率值通过功能码设定 频率段的选择通过外部端子选择 变频器通常在控制端子中设置 一些控制端 这些端子的接通组合可通过机外设备 如PLC控制实现 3 外输入端子模拟量频率选择操作方式 为了方便与输出量为模拟电流或电压的调 节器 控制器的连接 变频器还设有模拟量输入中的端口 当接在这些端口上的电流或 电压量在一定范围内平滑变化时 变频器的输出频率在一定范围内平滑变化 4 通信数字量操作方式 为了方便与网络接口 变频器一般都设有网络接口 都可 以通过通信方式接收频率控制指令 不少变频器生产厂家还为自己的变频器与PLC 通信 设计了专用的协议 3 4 变频器硬件选择 根据设计要求 变频器选用日本安川变频器 CIMR P5A45P5 产品 该产品可以和三 菱 PLC 工作协调 变频器选用日本安川变频器 CIMR P5A45P5 产品 适配电机 15 kW 该变频器基本配置中带有 PID 功能 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 FI FC 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 控制管网压力保持在 给定压力值上 M1 M2 为变频器的极限输出频率的检测输出信号端 该信号进 PLC 11 作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 MA MC 为变频器发生故障的输出信号 该两端连接信号灯 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 S1 和 S2 短接 并与 S3 连接到 PLC 的输出点上 由 PLC 控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 M1 M2 M3 泵电机 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 PLC 的四个输出 点上 由 PLC 控制其工频 变频切换工作 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PLC 作为工频切换的控制信息 由PLC控制水泵的工频或变频运行 变频控制系统主回路如图5 2所示 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 3为日本安川变频器CIMR P5A45P5在电路中 的接线图 R S T S1 U S2 V S3 W VVVF FI FC MA MC FC M1 M2 M3 M4 接 PLC 接 PLC 接指示灯 接 电 机 380V 7 8 图 3 3 日本安川变频器 CIMR P5A45P5 在电路中的接线图 Fig 3 3 Japan s converter CIMR P5A45P5 Yasukawa in the circuit in the wiring diagram 3 5 压力传感器 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 20mA 变化的电流信号或 0 10V 间变化的电压信号的标准信号送入 PLC 的端口进行 PID 调节 经运算与给定压力 12 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 PLC 控制切换器进行加减泵 根据用水量的大小由 PLC 控制工作泵数量的增减及变 频器对水泵的调速 实现恒压供水 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 下面单位都是估计标准单位 g 9 8 一般情况gh P 3 10 下 hD180 D162 T37 K50 X000 D180 D162 T32 38 D184 K1 PLS M11 M11 INC D184 符合增泵条件时 工频泵运行那个数加 1 50 D184 K0 PLS M12 M12 67 DEC D184 符合减泵条件时 M11 工频泵运行数减 1 71 SET M20 变频增泵或倒泵时 位置 M20 M13 M20 T33 K1 复位变频器频率 微软启动作准备 T33 Y015 PLS M14 产生关断当前变频泵脉冲信号 M21 82 SET M21 M21 INC D182 变频泵号加 1 87 T34 K2 T34 91 PLS M15 产生当前泵工频启动脉冲信号 26 M15 94 SET M21 M15 96 SET M22 M22 98 T39 K30 T39 102 PLS M16 产生下一台变频运行启动信号 M16 105 RST M22 M16 107 RST M20 109 D182 K3 MOV K1 D182 变频工作泵的泵号转移 M8014 119 K184 K0 INC D190 一个变频泵运行持续时间判断 K180 D190 PLS M13 3 时间到 则产生下一台泵 MOVP K0 D190 的变频启动信号 143 D184 K0 MOV K0 D190 有工频泵运行时复位到 M8002 M30 M14 Y000 D190 153 D182 K1 Y001 M10 1 号泵变频运行控制逻辑 M16 Y001 M16 M30 M14 Y000 167 D182 K2 Y003 Y003 2 号泵变频运行控制逻辑 M16 M30 M14 Y004 179 D182 K3 Y005 Y005 3 号泵变频运行控制逻辑 27 M15 Y001 191 D182 K2 D184 K0 Y000 Y000 D182 K3 D184 K1 1 号泵工频运行控制逻辑 M15 Y003 217 D182 K3 D184 K0 Y000 Y000 D182 K1 D184 K1 2 号泵工频运行控制逻辑 M15 Y003 243 D182 K1 D184 K0 Y000 Y000 D182 K2 D184 K1 3 号泵工频运行控制逻辑 X000 269 Y010 火灾时 阀 YU2 打开 X001 X002 271 M33 水池低水位信号处理 M31 28 M8014 M31 275 Y011 M32 水池水位下限信号灯 X005 M8014 X003 281 Y012 M3 变频器故障控制信号 X005 M8014 X000 287 Y013 M34 火灾指示灯 X005 X004 M31 293 M32 M32 水池水位下限故障消铃逻辑 X004 X003 297 M33 M33 变频器故障消铃逻辑 X004 X000 301 M34 火灾消铃逻辑 M31 M32 305 Y014 X003 M33 X000 M34 X005 29 M31 315 M30 X003 MOV K0 D182 MOV K0 D184 PLF M10 334 FEND 主程序结束 P10 M8000 MOV K225 D150 初始化子程序 MOV K2800 D160 MOV K3600 D162 MOV K500 D110 MOV H0001 D111 MOV K60 D112 MOV K8000 D113 MOV K600 D114 MOV K0 D115 MOV K0 D116 RST D180 T0 K0 K0 H3331 K1 M8000 399 FROM K0 K9 D102 K1 中断程序 PID D100 D102 D110 D180 419 T39 K25 M8000 434 MOV D180 K4M100 TO K1 K16 K2M100 K1 TO K1 K17 H0004 K1 TO K1 K17 H0000 K1 TO K1 K16 K1M108 K1 TO K1 K17 H1002 K1 TO K1 K17 H0000 K1 494 END 5 5 4 系统的运行分析 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 Hz 即水泵满负荷工作时仍不能满足用水要求时 将首台工作 30 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 31 6 技术经济分析 1 本系统供水电压稳定 设备的压力调节精度为设定压力的 整个系统具有结 5 构简单紧凑 自动化程度高 水压波动小 运行平稳可靠等特点 仅靠节约的电费就能很 快收回设备投资 2 应用变频调速可以根据用水需求量对水泵流量进行无级调整 减少开停工频泵次 数 减少对电网及水泵机械的冲击 延长设备的使用寿命 大大减少保管的危险性 减 少工程维修费用和跑水的浪费 间接节约了成本 3 本系统一般每天可分为三个档次的压力供水 其直接节电率在 10 以上 考虑减 少维修费用 延长设备使用寿命 提高管理水平和自动化见空能力等间接节能效率 节 能通过调整频率来改变泵的转速 使水泵处于最佳运行状态 实现节能约 35 4 延长电动机的使用寿命 由于电动机的启动电流为额定电流的 5 7 倍 冲击转矩 很大 变频启动是一种软启动方式 可避免对电机的机械冲击 而且保护了管路系统 5 有可靠的保护措施 高可靠性是 PLC 最突出的特点之一 由于变频器自身设置过 流 过压 欠压保护 消除了电机因过载或单相运行而烧坏电机的现象 确保了安全生 产 6 减少设备的磨损 由于电动机的转速一般都降至额定的转速以下 水泵电机工作 电流下降 电机温升明显下降 使泵及管路的磨损程度大大减少 7 提高了工作效率 系统能自动控制泵的启停 不需专人启动泵及调节阀门开度 因而工作效率大为提高 节约了人力资源成本 32 7 结论 本设计在分析和比较用于供水行业的控制系统的发展和现状的基础上 结合我国城 市供水厂的现状 设计了一套以 PLC 控制的恒压供水自动控制系统 在本恒压供水系统 中无需高位水塔或水箱 与常规的高位水箱供水设备相比 节约了大量基建设投资 设 备电机在交流变频器控制下软启动 无大启动电流 机组运行经济合理 与普通水泵站 相比较 每日可节省 10 15 电能 系统供水电压稳定 设备的压力调节精度为设定压力 的 系统自动化程度高 性能可靠 本系统适用于生活区高层楼宇用水 以及解决 5 夏天水压低的问题 设计中介绍了 PLC 控制系统的工作原理 设计方法 PLC 与工控机的通信问题 PLC 控制系统的程序设计 以及 PLC 的硬件及软件的抗干扰措施 但受本人知识面窄 实际 经验不足的限制 设计中的一些内容未能考虑到 比如现场调试的内容等 在设计中出 现的理论上或实际上的问题 谨盼老师给予指正 33 参考文献 1 张万钟 可编程控制器入门与应用 中国电力出版社 2005 2 吴忠智 吴加林 变频器应用手册 机械工业出版社 2000 3 陈伯时 陈敏逊 交流调速系统 机械工业出版社 1998 4 厉无咎 顾明时 应用变频调速恒压变流量供水系统 中国第四届交流电机调速传动学术会议1995 5 孙增析 张再兴等智能控制理论与技术 清华大学出版社 1997 6 电机工程手册编辑委员会 电机工程师手册机械工业出版社 1987 7 姜兴忠 戴恒阳 变频恒压控水系统的机理分析 电气传动自动化 2004 4 8 张扣宝 基于PLC 和变频器控制的恒压供水系统设计2007年第11 期电气技术 2007 9 滕俊沛 基于PLC 变频调速恒压供水系统的设计 2007 3 10 李关飞 变频器在恒压供水控制系统中的应用 变频器世界 2007 03 11 李丽敏 自动化与仪器仪表 2008 01 12 孔亮 基于PLC的变频器 拖四供水控制系统应用 可编程控制器与工厂自动化2007 10 13 王树主 变频调速系统设计与应用 M 机械工业出版社 2006 14 黄耀群 变频调速恒压供水系统中的PID控制研究 煤炭技术 2007 08 15 陈新恩变频调速恒压供水系统中的PID控制研究机床电器2007 04 16 龙章春PLC与变频器在自动恒压供水教学设备中的应用科技信息2007 03 17 卢光源S7 200在变频调速恒压供水系统中的应用现代制造技术与装备2007 01 18 Microsoft Corporation Microsoft extensible firmware initiative FAT32File system specification M 北 京微软公司 2000 19 Siler W and Ying H 1989 fuzzy control theory The lineer case Fuzzy Sete and Systems33 275 290 34 附录A 译文 系统中各个部分的特征 1 PLC PLC 即可编程控制器 是为了在机械控制中代替必要的继电器时序电路而发明的一 种设备 PLC 必须考虑它的输入端口并且以它们的状态为依据 来断开和接通它的输出 端口 用户通常经过能给出理想结果的软件或者是编成器进入程序当中 PLC 被用在很多领域中 人们在从事机械制造 包装 材料加工等不计其数的工业 生产中 PLC 是必不可少的 如果不用 PLC 那么将浪费大量的时间和金钱 几乎任何 需要电气控制的设备都需要 PLC 例如 在开关闭合时需要一个线圈接通 5 秒 然后不 管开关接通多长时间都将线圈断开 借于此我们可以做一个简单的外部定时器 如果过 程中有更多的开关和线圈时 那就需要更多的外部定时器 正如人们所见 越大的操作系统就越能应用到 PLC 我们可以编写 PLC 的程序来计 算输入量并且在特定的时候接通线圈 PLC 主要由 CPU 存储器 和输入 输出端口等组成 我们可以把 PLC 看成是一个里 面充满了成百上千的继电器 计数器 定时器 和数据存储单元的一个大盒子 1 1 PLC 每个元件的作用 1 输入继电器 接触器 输入接触器是 PLC 与外界的连接口 输入继电器能接收 到开关 传感器等元件发出的信号 并且不仅仅当作继电器使用而且还可以用来做晶体 管 2 计数器 计数器用来计数 有普通计数器和高速计数器两类 普通计数器主要用来 对程序中反映的信号进行计数 高速计数器则用来对高于 PLC 扫描频率的机外脉冲计数 计数器工作中需一个表示计数器状态的位元件及一个存储计数当前值的字元件 也为位 复合元件 3 定时器 定时器相当于继电接触器系统中的时间继电器 用于时间控制 PLC 中的 定时对脉冲计数实现 由于定时器以对时基计数的方式计时 在存储器数值的存储单元 字长一定时 定时器的计时时间长短就受到分辨率的影响 4 输出继电器 输出继电器存储程序执行的结果 每个输出继电器在存储区中占一位 35 每一个输出继电器与一个输出口相对应 输出继电器上通过隔离电路 将程序运算结果 送到输出口并决定输出口所连接器件的工作状态 正常运行中输出继电器的状态只由程 序的执行决定 5 数据存储单元 数据存储单元用来存放 数字 类数据 占用的存储单元可以是字 节 字 也可以是双字 数据存储单元存储数据量大 1 2 PLC 的工作过程 PLC 的工作过程是一个持续扫描的过程 通常分为 3 个重要的阶段 如图 1 所表示 输入处理 PLC 在输入采样阶段 首先扫描所有输入端子 并将各输入状态存入内 存中各对应的输入映像寄存器中 此时 输入映像寄存器被刷新 接着 进入程序执行 阶段 在程序执行阶段或输出阶段 输入映像寄存器与外界连接 无论输入信号如何变 化 其内容保持不变 直到下一个扫描周期的输入采样阶段 才重新写入输入端的新内 容 程序执行阶段 根据 PLC 梯形图程序扫描原则 当指令中涉及到输入输出状态时 PLC 就从输入映像寄存器中 读入 上一阶段采入的对应采入的对应输入端子状态 从 输出映像寄存器 读入 对应元件映像寄存器的当前状态 然后 进行相应的运算 运 算结果再存入元件的寄存器中 输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后 输出映像寄存器中所有输出继电器的状态 接通 断开 在输出刷新阶段存到输出锁存器中 通过一定方式输出 驱动外部负载 输入采样阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段 图 1 PLC 的工作过程 Fig 1 The process of the PLC 2 变频器 在调速方法中 变频调速 通过改变电动机电源频率来改变电动机的速度 的调速 范围大 平滑高 变频时同时改变定子外加电压 可实现恒功率或恒转矩调速以适应不 36 同负载的要求 低速时特性的静差率较高 调速的效率和功率因数高 是异步电动机调 速方法中最有发展前途的一种 其缺点是必须有专用的变频电源 在恒转矩调速时 低 速段电动机的过载倍数大为降低 甚至不能带动负载 长期以来由于缺乏理想的变频电 源 影响了变频调速的应用 直到晶闸管以及大功率晶体管等半导体电子器件问世以后 由于它们具有理想开美元件的性能 通态压降小 断态阻抗大 开关速度快等 促进 了各种静止变频器的飞速发展 60 年代以来 各种类型的变频调速装置相继出现 并迅 速得到推广应用 特别是半导体器件制造工艺的成就与微电子技术相结合 促使变频装 置向大容量 高性能发展 日前 国外生产的变频装置容量巳达 1 万 kw 以上 交流电动 机的变频调速系统已具有调速范围觉调速精度高等特点 而且价格和性能可与直流拖动 相比拟 2 1 变频器基础 1 VVVF 改变电压 改变频率 VariableVoltageandVariableFrequency 的缩写 2 CVCF 恒电压 恒频率 ConstantVoltageandConstantFrequency 的缩写 各国使用的交流供电电源 无论是用于家庭还是用于工厂 其电压和频率均为 200V 60Hz 50Hz 或 100V 60Hz 50Hz 等等 通常 把电压和频率固定不变的交流 电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作 变频器 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 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 由 于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫 inverter 故该产品本身就被命名为 inverter 即 变频器 变频器也可用于家电产品 使用变频器的家电产品中不仅有电机 例如空调等 还有荧光灯等产品 用于电机控制的变频器 既可以改变电压 又可以改变频率 但用 于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率 汽车上使用的由电池 直流电 产生 交流电的设备也以 inverter 的名称进行出售 变频器的工作原理被广泛应用于各个领域 例如计算机电源的供电 在该项应用中 变频器用于抑制反向电压 频率的波动及电源 的瞬间断电 电机的旋转速度为什么能够自由地改变 1 r min 电机旋转速度单位 每分钟旋转次 数 也可表示为 rpm 例如 4 极电机 60Hz1 800 r min 4 极电机 50H 旋转速度同频率成比 37 旋转速度同频率成比例本文中所指的电机为感应式交流电机 在工业领域所使用的 大部分电机均为此类型电机 感应式交流电机 以后简称为电机 的旋转速度近似地确 决于电机的极数和频率 由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的 由于该极数 值不是一个连续的数值 为 2 的倍数 例如极数为 2 4 6 所以不适和改变该值来调 整电机的速度 另外 频率是电机供电电源的电信号 所以该值能够在电机的外面调节 后再供给电机 这样电机的旋转速度就可以被自由的控制 因此 以控制频率为目的的 变频器 是做为电机调速设备的优选设备 n 60f pn 同步速度 f 电源频率 p 电机极数改变 频率和电压是最优的电机控制方法如果仅改变频率 电机将被烧坏 特别是当频率降低 时 该问题就非常突出 为了防止电机烧毁事故的发生 变频器在改变频率的同时必须 要同时改变电压例如 为了使电机的旋转速度减半 变频器的输出频率必须从 60Hz 改变 到 30Hz 这时变频器的输出电压就必须从 200V 改变到约 100V 如果要正确的使用变频器 必须认真地考虑散热的问题 变频器的故障率随温度升高而 成指数的上升 使用寿命随温度升高而成指数的下降 环境温度升高 10 度 变频器使用 寿命减半 因此 我们要重视散热问题啊 在变频器工作时 流过变频器的电流是很大 的 变频器产生的热量也是非常大的 不能忽视其发热所产生的影响通常 变频器安装在 控制柜中 我们要了解一台变频器的发热量大概是多少 可以用以下公式估算 发热量的近 似值 变频器容量 KW 55 W 在这里 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的 过流能 力 150 60s 如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器 并且也在柜子里面 这时发热量会 更大一些 电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好 这时可以用估算 变频器容量 KW 60 W 因为各变频器厂家的硬件都差不多 所以上式可以针对各品牌的产品 注意 如果有制动电阻的话 因为制动电阻的散热量很大 因此最好安装位置最好和变频器隔 离开 如装在柜子上面或旁边等 那么 怎样采能降低控制柜内的发热量呢 当变频器安装在控制机柜中时 要考虑变频 器发热值的问题 根据机柜内产生热量值的增加 要适当地增加机柜的尺寸 因此 要 使控制机柜的尺寸尽量减小 就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少 如果在变 频器安装时 把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面 将会使变频器有 70 的发热 量释放到控制机柜的外面 由于大容量变频器有很大的发热量 所以对大容量变频器更 加有效 还可以用隔离板把本体和散热器隔开 使散热器的散热不影响到变频器本体 这 样效果也很好 变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的 横着放散热会变差的 关于 冷却风扇一般功率稍微大一点的变频器 都带有冷却风扇 同时 也建议在控制柜上出 38 风口安装冷却风扇 进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜 注意控制柜和变频器上的 风扇都是要的 不能谁替代谁 其他关于散热的问题 1 在海拔高于 1000m 的地方 因为空气密度降低 因此应加大柜子的冷却风量以改 善冷却效果 理论上变频器也应考虑降容 1000m 每 5 但由于实际上因为设计上变频 器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大 所以也要看具体应用 比方说在 1500m 的地方 但是周期性负载 如电梯 就不必要降容 2 开关频率 变频器的发热主要来自于 IGBT IGBT 的发热有集中在开和关的瞬间 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了 有的厂家宣称降低开关频率可以扩容 就是这个道理 矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的 转矩提升此功能增加变频器的输出电压 以使电机的输出转矩和电压的平方成正比 的关系增加 从而改善电机的输出转矩 改善电机低速输出转矩不足的技术使用 矢量控 制 可以使电机在低速 如 无速度传感器时 1Hz 对 4 极电机 其转速大约为 30r min 时的输出转矩可以达到电机在 50Hz 供电输出的转矩 最大约为额定转矩的 150 对 于常规的 V F 控制 电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加 这就导致由于励磁 不足 而使电机不能获得足够的旋转力 为了补偿这个不足 变频器中需要通过提高电 压 来补偿电机速度降低而引起的电压降 变频器的这个功能叫做 转矩提升 转矩提升