【大学本科毕业设计】基于PLC的变频调速恒压供水系统-----自动化等专业

摘要根据我国城市社区供水的需求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统，并利用组态软件开发了良好的运行管理界面。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工业控制计算机等组成。该系统包括三个水泵电机，形成变频循环运行模式。变频器用于实现三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启动，后停止”的原则。压力传感器检测当前的水压信号，与设定值比较后送至可编程控制器进行PID计算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工业控制计算机与可编程控制器的连接，利用组态软件完成系统监控，实现运行状态的动态显示以及数据和报警的查询。关键词：变频调速、恒压供水、可编程控制器、软配置介绍1.1项目建议书水和电是人类生活和生产中不可缺少的重要物质。在节水节能成为时代特征的现实条件下，我国水、电资源短缺，城市供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等技术长期相对落后，自动化程度低。然而，随着我国社会经济的发展，人民生活水平不断提高，随着住房制度改革的深入，城市中各种住宅小区的建设发展非常迅速，同时对住宅小区的基础设施建设提出了更高的要求。社区供水系统的建设是其中一个重要方面。供水的可靠性、稳定性和经济性直接影响到社区居民的正常工作和生活，也直接反映了社区物业管理的水平。传统的住宅供水方式包括：恒速泵压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑动离合器调速供水方式、单片机变频调速供水系统等。它的优点和缺点如下1:(1)恒速泵压供水不能及时响应供水管网的压力。水泵的增减取决于手动操作。自动化程度低。为了保证供水，机组经常满负荷运行，不仅效率低、耗电量大，而且当用水量小时，电网长期处于超压运行状态，造成严重的爆炸破坏。电机的硬起动容易产生水锤效应，具有破坏性，目前很少使用。(2)气压罐供水具有体积小、工艺简单、不受高度限制的特点。但是，这种方法调节量小，泵电机启动困难，启动频繁，对电气设备要求高，系统维护工作量大。为了减少泵的启动次数，泵的停止压力通常相对较高，导致泵在低效段工作，出口压力的不必要增加也增加了浪费，从而限制了其发展。(3)水塔高位水箱具有控制方式简单、运行经济合理、无需停水即可进行短期维护或停电等优点。但是，它存在投资大、占地面积大、维护不方便、泵电机启动困难、启动电流大等缺点。频繁启动容易损坏联轴器，目前主要用于高层建筑。(4)液力偶合器和蓄电池滑动离合器调速的供水方式容易漏油，加热需要冷却，效率低，改造麻烦。它只能一对一驱动，需要常规主综上所述，传统的供水方式普遍不同程度地浪费水和电资源。低效率；可靠性差；自动化程度低等缺点严重影响了居民和工业系统的用水量。目前，供水方式正朝着高效、节能、自动可靠的方向发展。变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，广泛应用于风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备中。特别是在城乡工业用水的各级增压系统和生活用水的恒压供水系统中，变频调速泵的节能效果尤为突出，其优点有：一是节能显著；第二，它可以减少电流对电网的影响和供水压力在启动和关闭时对管网系统的影响。第三是减少水泵和电机的机械冲击损失2。基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术和现代控制技术于一体。使用该系统供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，并且该系统具有良好的节能性，这在能源日益稀缺的今天尤为重要。因此，该系统的研究和设计对于提高企业效率、人民生活水平、降低能耗等具有重要的现实意义。1.2国内外变频恒压供水系统的研究现状1.2.1国内外变频调速技术的发展及现状变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术、自动控制技术和电机控制理论的发展。1964年，德国第一个提出将通信技术中的脉宽调制技术应用于交流传动。20世纪80年代初，日本学者提出了一种基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。自20世纪80年代后半期以来，美国、日本、德国和英国等发达国家基于VVVF的通用变频器已经商业化并广泛使用。在我国，60%的发电量是由电动机消耗的。因此，如何利用电机调速技术来改变电机的运行方式以节约电能一直受到国家和行业的关注。目前，我国约有200家公司、工厂和科研机构从事变频调速技术的工作。然而，与国际市场上的同类产品相比，自主开发和生产的变频调速产品仍存在较大的技术差距。随着改革开放和经济的快速发展，我国要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么采取内外结合的方式，即采用国外进口的先进变频调速设备或合资企业自行设计制造成套设备，然后开发自己的应用软件，为国内重大工程项目的电气传动控制系统提供了很好的解决方案，满足了社会的需求。总之，虽然国内变频调速技术取得了良好的效果，但总体来看，国内开发和生产相关设备的能力还比较薄弱，对国外公司的依赖还很严重。1.2.2国内外变频恒压供水系统的研究及现状变频恒压供水是在变频调速技术发展后逐步发展起来的。早期，国外生产的变频器的功能主要限于频率控制、升降速控制、正反转控制、起动控制、制动控制、电压频率比控制和各种保护功能。当应用于变频恒压供水系统时，变频器仅用作执行机构。为了满足不同的供水要求，保证管网压力恒定，变频器外应设置压力控制器和压力传感器，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在稳定性、可靠性、自动化程度高、节能效果显著等方面的优势被大家所发现和认可，许多国外变频器制造商开始重视和引进具有恒压供水功能的变频器，如日本的Samco公司就引进了恒压供水基板。配有“变频泵固定模式”和“变频泵循环模式”两种模式。在变频器的控制基板上集成了PID调节器、PLC可编程控制器等硬件，通过设置命令代码实现PLC、PID等电气控制系统的功能。只要配有配套的恒压供水装置，就能直接控制多个内置电磁接触器的运行，并能形成一个最多有7台电机(泵)的供水系统。虽然这种设备使电路结构小型化，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，很难实现与其他监控系统(如BA系统)和组态软件的数据通信，负载能力有限，因此在实际使用中其范围将受到限制3。目前，国内许多公司都在从事变频恒压供水项目。它们大多采用国外变频器来控制水泵转速、水管网压力的闭环调节以及多台水泵的循环控制。其中一些使用可编程逻辑控制器和相应的软件来实现它们。其中一些是由单片机和相应的软件实现的。然而，从系统的动态性能、稳定性、抗干扰性能、开放性等综合技术指标来看，仍远远不能满足所有用户的要求。原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器(5.5千瓦 22千瓦)，可完成多达4台水泵的循环切换、定时启停和定时循环，无需外部可编程控制器和PID调节器。变频器集压力闭环调节和循环逻辑控制于一体，但其输出接口受负载限制，操作不便，不具备数据通信功能，因此仅适用于容量小、控制要求低的供水场所。可见，在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究和设计中，将现代控制技术、网络技术和通信技术相结合，同时考虑系统的电磁兼容性，能够适应不同用水场合的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究还不够。因此，需要进一步的研究来改善变频恒压供水系统的性能，使其能够更好地应用于生活和生产实践4。1.3 PLC概述1.3.1可编程控制器的定义可编程控制器(PLC)是一种基于计算机技术的新型工业控制设备。在1987年国际电气委员会发布的可编程逻辑控制器标准草案中，可编程逻辑控制器的定义如下：“可编程逻辑控制器是专门为工业环境中的数字操作而设计的电子设备。它使用可编程存储器来存储指令以执行逻辑操作、顺序操作，世界上第一台可编程逻辑控制器是由美国数字设备公司于1969年开发的。受当时元件条件和计算机发展水平的限制，早期的可编程逻辑控制器主要由分立元件和中小型集成电路组成，能够完成简单的逻辑控制、计时和计数功能。微处理器出现于20世纪70年代初。人们很快将其引入可编程控制器，使可编程控制器增加了计算、数据传输和处理等功能，完成了具有真正计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器和接触器系统的工程师和技术人员，可编程逻辑控制器使用类似继电器电路图的梯形图作为主要编程语言5，并将参与操作和处理的所有计算机存储组件命名为继电器。此时，可编程控制器是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中后期，可编程控制器进入实用化发展阶段。计算机技术已经完全引入可编程控制器，使它们的功能实现了飞跃。更高的运行速度、超小的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟运算、PID功能和极高的性价比在现代工业中确立了它的地位。20世纪80年代早期，可编程控制器在发达工业国家被广泛使用。这一时期可编程控制器的发展特点是产品的大规模、高速度、高性能和系列化。这一阶段的另一个特点是，世界上生产可编程控制器的国家越来越多，产量也在增加。这表明可编程控制器已经进入成熟阶段。20世纪末，可编程控制器的发展更适合现代工业的需要。就控制规模而言，大型机和超小型计算机是在这一时期发展起来的。在控制能力方面，各种特殊功能单元诞生于各种控制场合，如压力、温度、转速、位移等。就产品的匹配能力而言，已经生产了各种人机接口单元和通信单元，使得使用可编程控制器来匹配工业控制设备更加容易。目前，可编程控制器已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通、文化娱乐等国内外各个行业。它被称为现代技术的三大支柱之一。1.3.3西门子S7-200可编程控制器简介西门子拥有非常丰富的可编程逻辑控制器产品。S7系列是传统的可编程控制器。S7-200是一个小型可编程控制器。1998年升级到第二代，2004年升级到第三代。其特点如下6:(1)功能强大。S7-200有5种中央处理器模块，最多可扩展7个扩展模块至248点数字量输入/输出或38通道模拟量输入/输出，最大程序存储空间和数据存储空间超过30KB；(2)先进的程序结构，强大便捷的编程软件；(3)灵活方便的寻址方式；(4)强大的通讯功能和丰富的匹配人机界面；(5)有竞争力的价格；(6)完善的在线技术支持等。1.4本课题的主要研究内容本次设计以住宅供水系统为控制对象，采用可编程控制器和变频技术设计了一套城市住宅区恒压供水系统，并利用计算机对供水系统进行远程监控和管理，确保整个系统运行可靠、安全、节能，获得最佳运行条件。PLC控制变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、压力变送器和现场水泵机组组成完整的闭环调节系统。在这个设计中，有三个储水罐和三个水泵。采用分流调节方式，即三台水泵中只有一台水泵在变频器的控制下变速运行，而其他水泵则恒速运行。可编程控制器根据管网压力自动控制各水泵之间切换，根据压力检测值与给定值之间的偏差进行PID运算，并将PID运算输出到变频器，控制输出频率，调节测试根据上述控制要求，设计了系统的总体控制方案。硬件设备选择、可编程控制器选择、所需输入输出点估算、输入输出模块选择、系统硬件连接图绘制：包括系统硬件配置图、输入输出连接图、输入输出点分配、输入输出分配表列表、相关软件的熟练使用、梯形图控制程序设计、程序调试和修改、监控系统设计。6山东科技大学学士学位论文系统的理论分析与控制方案确定2系统理论分析和控制方案确定2.1变频恒压供水系统的理论分析2.1.1电机调速原理水泵电机大多采用三相异步电机，其转速公式为：(2.1)其中：f代表电源频率，p代表电机的极数，s代表转差率。根据以上公式，三相异步电动机的调速方法如下：(l)改变电源频率(2)改变电机的极数(3)改变滑移率改变电机极对调速的控制方式，控制简单，节省投资，节能效果显著，效率高，但需要一种特殊的变极电机，这种变极电机是一种步进式调速，具有很大的步进差，即在变速过程中速度变化很大，转矩变化很大，因此只适用于特定速度的生产机械。为了保证其较大的调速范围，一般采用串级调速。其最大的优点是可以回收转差功率，节能效果好，调速性能好。然而，由于电路的复杂性，它增加了中间链路7中的功率损耗，并且它的高成本影响了它的推广价值。下面着重分析改变工频调速的方法和特点。根据公式，当转差率变化很小时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。通过连续调节电源频率，电动机的转速可以平滑地变化。然而，功率频率的单一调整将导致电机性能的恶化。随着电力电子技术的发展，出现了各种性能良好、运行可靠的变频调速电源装置，促进了变频调速的广