恒压供水设计.

毕业设计题目：变频器在工业的应用——恒压供水设计系别：电气系专业：班级：学生姓名：指导教师：完成日期：摘要本文介绍了以可编程逻辑控制器与变频器为核心的控制系统，并对其控制原理、硬件选择、软件设计进行重点阐述，从而对传统的城市供水系统进行改造，可以有效的解决以前供水压力波动大、系统故障率高、能源浪费严重等一系列问题。同时，系统具有自动和手动两种控制方式，便于对系统进行维护修理，并能通过应用软件对供水系统进行监控和远距离控制。提高效率，实现自动化供水。在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n,从而改变水泵的性能曲线来实现的。分析水泵的能耗比较图，可以看出利用变频器实现调速恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式阀门节流控制相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。该系统能够对供水系统进行自动控制，有效的降低能耗，保持系统维持在最佳运行状态，提高生产管理水平。关键字：PLC；变频器；自动控制；恒压供水目录第1章引言...................................................4第2章控制系统的工作原理......................................52.1变频调速原理...............................................52.2系统工作原理...............................................7第3章硬件选择...............................................113.1PLC的选择................................................113.2变频器的选择..............................................123.3变送器的选择..............................................133.3.1压力变送器的选择....................................133.3.2温度变送器的选择....................................14第4章软件设计...............................................144.1I/O口分配...............................................154.2程序流程图..............................................154.3PLC接线图................................................164.4PLC控制程序..............................................16第5章供水系统调试...........................................17总结.........................................................19致谢.........................................................20参考文献....................................................21附录一(PLC程序梯形图).........................................22附录二(PLC程序指令表).........................................26第1章引言一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，而对6层以上的则须提升水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、气压罐式的增压设备，或是通过在楼顶建蓄水池来实现的，蓄水池中的水是由一个或多个水泵提供，而且这些水泵电机有很大一部分是不能变速的拖动系统，不能变速电机的电能大多消耗在为了适应供水量的变化而不得不频繁的启、停水泵中。这样不但会使水泵电机工作在低效率区，缩短电机的使用寿命，而且电机的频繁启动和停止会产生很大的冲击，从而导致设备故障率很高，造成水资源的严重浪费，而且使系统的维护、维修费用较多，工作量较大。随着社会主义现代化建设的迅速发展和人们住房条件的提高，高位生活用水和工业用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。以前采用人工进行控制蓄水池的水位，由于不可能每时每刻对水位进行准确的定位监测，并且带有很大的主观性，所以很难准确控制水泵电机的起停；使用浮子或其它机械水位控制装置使供水状况有了一些改善，但由于机械控制装置的故障率高，可靠性差，给日常维护和维修带来很大的麻烦。针对以上所存在的问题，结合工控行业的发展，特别是PLC和变频技术在社会各个领域的应用，可以用它来解决水压控制系统存在的以上问题。并且变频技术在城市供水领域有节能、安全与恒压方面的优越性。为了实现供水的自动控制，一般选用以单片机与变频器或PLC与变频器结合为核心，这样所构成的系统都能达到较为理想的控制效果。对PLC与单片机在供水系统中应用的一些主要方面做了简单的比较如表1所示。表1PLC与单片机在供水系统中应用的比较硬件软件抗干扰能力经济成本单片机电路相对复杂需要有较多的外围元件程序设计复杂程序修改麻烦较差低ＰＬＣ体积小、高集成有多种扩展模块编程简洁直观程序修改简单很强高通过上表的比较，从经济方面考虑，由于PLC工艺的日渐成熟，小型PLC的成本与单片机相差不大，为了实现通用性，要求能够根据现场的使用情况方便的修改、调整系统控制参数，对于供水系统来说，时间参数变化较多，与单片机相比PLC的软件中时间参数的调整更简单。基于以上原因，选用了PLC与变频器结合来实现对高楼的恒压供水，再加上变频器内置的PID调节与DBS316A型压力变送器，使软件程序的设计简单化，硬件接口简易可行、提高系统运行的可靠性，特别是整个系统的稳定性和抗干扰能力很强，不仅改变传统用阀门控制水量的多少，也改善了传统控制方法的故障率较高的弱点，而且在节能、恒压控制等方面均有非常好的使用效果。第2章控制系统的工作原理2.1变频调速原理变频供水设备主要由变频器、控制系统及传感器等部分组成。控制系统通过控制变频调速器，将50Hｚ的交流电调到以0～50Hｚ之间任意频率输出，实现交流电机的无极调速，最终达到生产过程的定量控制及最优化控制，当变频系统为开环时，设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速；当变频系统为闭环时，随着反馈等要求的变化，根据设定的系统供水压力值，自动跟踪输出相应的频率。水泵电机通常由三相交流异步电动机来拖动，对水泵的调速是通过对其电机转速的调节来实现。我们知道：异步电动机转速ｎ=60ｆ(1—S)/P。在这个公式中，ｆ为电机电源的频率，P为电机的磁极对数，S为转差率(0～3%或0～6%)。由上述电机的转速公式可见：要想改变电机的转速，可以通过三种方法来实现：(1)改变电动机的频率f；(2)改变电动机的转差率S；(3)改变电动机的磁极对数P。通过对上面三种方法的分析可以知道：改变电动机的转速的最好方法是改变电动机电源的频率。因为，转差率S的范围在(0～3%或0～6%)之间，由此转差率S对电动机的影响不大，调速效果不明显，效率相对较低；改变磁极对数P这种方法，首先它不容易实现，其次，由电机的工作原理决定了电机的磁极数是固定不变的。由于该磁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），所以一般不适合通过改变该磁极对数P来调整电机的速度。电动机的转速ｎ和供电电源的频率f成正比，要设法改变三相交流电动机的频率ｆ，就能十分方便地改变电动机的转速ｎ，另外，频率f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。比改变磁极对数Ｐ和转差率Ｓ两个参数简单方便得多。而实际上如果仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。如果电压不变，频率下调至小于50Ｈｚ时，会使电机气隙磁通φ(约等于Ｖ/ｆ)饱和；反之，电压不变，频率上调至大于50Ｈｚ时，则使磁通减弱。所以真正应用变频调速时，需要同时改变电压V和频率f，以保持磁通基本恒定。变频调速装置又称为VVVF装置。VVVF是VariableVoltageandVariableFrequency的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们所说的变压变频。根据水泵叶轮相似定律及其特例比律，水泵供水量Ｑ与电机转速ｎ成正比，供水扬程H与ｎ的平方成正比，水泵轴功率N与ｎ的3次方成正比。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。失量控制具有转矩提升功能，它能增加变频器在低频时的输出电压，以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。改善电机低速输出转矩不足的情况，使用矢量控制，可以使电机在低速时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩。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。转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量。矢量控制把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量的数值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机输出大的转矩。2.2系统工作原理整个控制系统是由PLC、变频器、压力变送器、温度变送器，水泵电机等组成，水泵均采用三相异步电动机来拖动，在这个控制系统中共有4台水泵电机，因为在不同的时间段内人们所用水量是不同的，根据人们的用水规律：在白天用水量很大，晚上特别是零点以后，人们的用水量又是特别小。为了不使能源浪费，选用1台小功率电机和3台大功率电机。用一台小功率电机来拖动一个水泵，以便于晚上或白天的某个时间段用水量很小的时候工作，在用水量大的时候，就让3个大功率电机的某台或其中的两台电机工作，当用水量特别大的时候就让3台电机同时运行，来满足人们用水的要求。同时，由于系统中采用了压力变送器，可以方便的调节变送器，通过控制系统使管道内的水压稳定在一个基本不变或者变化量极小的范围内，从而实现恒压供水。整个系统的工作原理方框图如（图1）所示。由图1可知，控制信号的采集是由压力变送器和温度变送器来完成的，由压力变送器采集的管道中的压力信号，经过PLC的智能扩展模块A21来进行模数转换，A21根据变送器传递来的标准的电流或电压信号的大小，把模拟量按一定的关系转换成PLC内部的数字信号，然后由PLC将转换后的数字信号与事先设定的压力值相比较，根据比较的结果，控制相应的输出来决定让哪一个水泵电机工作，并且决定是以工频方式工作还是以变频方式工作，在这个恒压供水系统中，一台变频器带4台水泵电机，每台水泵电机既可以在常规工频模式下工作，也可以在变频模式下工作。但是每台水泵电机在任一时刻只能处于变频工作模式或工频工作模式中的一种，在设计中通过PLC内部的输出继电器进行互锁，为了确保水泵电机安全工作，同时在外部用两个交流接触器互锁来保证它的安全与可靠。图1系统工作原理方框图变频器与其外围设备之间的接线图如（图2）所示；图2变频器与其外围调设备的接线图图2变频器与外围设备的接线图松下FP0—32CP系列PLCA21扩展单元AMB—G9—110T3安邦信变频器继电器组水泵电机风扇电机温度变送器压力变送器在图2中，MCCB的作用为：快速切断变频器的故障电流并防止变频器及其线路故