PLC-控制的变频调速恒压供水毕业论文.doc
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1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书(毕业论文)题 目:PLC 控制的变频调速恒压供水 系统 学生姓名:王小艳学 号:200440509126专 业:电气工程及其自动化班 级:电气2004-1班指导教师:李子剑 讲师54内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)PLC控制的变频调速恒压供水系统摘要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、远传压力表等构成。共三台电机,其中由一台变频器拖动2台大功率电动机的起动、运行与调速,1台小容量电机备用。控制系统中采用德国
2、SIMENS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SFB41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电压和频率,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。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)PLC control of the Frequency Control Water Supply SystemAbstractBecause the flaw of the tradition water supply system,
3、 I designed a PLC control of the Frequency Control Water Supply System.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, Drives, pump motor g
4、roup, and the pressure sensor. This design uses one transducer drivers 2 Motors starting, running and speed control. Another small capacity 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, p
5、ressure will be given the fixed value and processing error of the measurement by SFB41. 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
6、automatic adjustment so that the pressure pipeline network settings stability in the vicinity.Key words: PLC; constant pressure water-supply ; variable frequency speed-regulating目录摘要IAbstractII第一章 引言11.1 课题提出的背景11.2 课题研究的目的和意义11.3 国内外在该方向的研究现状及分析21.3.1 变频恒压供水系统的国内外研究现状21.3.2 可编程序控制器技术国内外发展现状31.4 主要研
7、究内容4第二章 变频调速恒压供水系统简述52.1 供水系统概述52.2 供水系统的主要特性52.2.1 供水系统的主要参数52.2.2 供水系统的特性与工作点62.3 变频调速的原理及节能原理72.3.1 变频调速的原理72.3.2 变频调速运行的节能原理82.3.3 转速控制法节能的3个方面92.4 恒压供水的特点92.5 本章小结10第三章 恒压供水系统部件选择113.1 系统概述113.2 S7-300系列PLC简介113.2.1 S7-300的概况113.2.2 S7-300的组成部件133.2.3 S7-300的系统结构143.2.4 CPU模块的元件153.2.5 S7-300 的
8、输入/输出模块163.2.6 S7-300 的编程语言183.3 变频器的介绍193.3.1 变频器的基本结构193.3.2 变频器的工作原理223.3.3 选择变频器规格243.4 变频器与PLC的连接253.4.1 开关指令信号的输入253.4.2 数字信号的输入253.5 传感器263.6 本章小结28第四章 恒压供水电控系统设计304.1 变频恒压供水系统的构成及工作原理304.1.1 变频恒压供水系统控制方案的设计与选择304.1.2 恒压供水系统构成314.2 系统设计324.2.1 系统主电路的设计324.2.2 PLC控制电路设计344.2.3 控制系统主程序设计354.3 P
9、ID控制在变频调速恒压供水系统中的应用374.3.1 PID控制器374.3.2 PID控制器的应用384.4 本章小结38第五章 总结395.1 全文总结395.2 研究展望39参考文献40附录A PLC程序梯形图41附录B 电气接线图52附录C PLC端子接线图53致谢54内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)第一章 引言1.1 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,
10、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,出现水压降低水供不应求的现象。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
11、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随着我国工业建设的迅速发展和人们生活水平的不断提高,城市供水的矛盾也越来越突出。传统的解决办法是采用高位
12、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有很多缺点。变频调速供水系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将采集到的系统压力信号与压力设定值作比较,通过控制器调节变频器的输出,实时自动地调节水泵电机的转速和多台水泵电机的投入及退出,使管网主干出口端压力保持为恒定的压力设定值,有效地防止水路管网管路爆裂的现象。相比传统的恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统和气压罐供水系统,变频恒压供水系统不仅具有供水质量高、灵活性强、电机起制动平稳、无水锤效应、占地面积小、设备投资少、噪音低等优点,而且提高了供水系统的稳定性和可靠性,节水、节能效果显著,具有
13、很好的社会效益和经济效益1。1.3 国内外在该方向的研究现状及分析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
14、Samc。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。2 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
15、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
16、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。1.3.2 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
17、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
18、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
19、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 主要研究内容 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
20、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。 论文首先对水泵电机的调控技术进行分析和比较,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SIMENS公司的S7-300,的硬件及其编程语言,做出控制用的相关程序。第二章 变频调速恒压供水系统简述2.1 供水系统概述 自80年代
21、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。但由于供水系统一个非线性、大惯性的时滞系统,
22、并且无法获得其相应的精确数学模型,所以传统的经典控制理论已经不能满足要求,而采用自适应控制与模糊控制相结合的控制方法,可以很好的满足压力恒定的要求。2.2 供水系统的主要特性2.2.1 供水系统的主要参数流量:是单位时间内流过管道内某一截面的水量,符号是Q,常用单位是m3/s、m3/ m、m3/ h等。供水系统的基本任务就是要满足用户对流量的需求。扬程:是单位质量的水被水泵上扬时所所获得的能量,符号是H,常用单位是m。扬程主要包括三个方面:(1)提高水位所需的能量;(2)克服水在管道中的流动阻力(管阻)所需的能量;(3)使水流具有一定流量所需的能量。由于在同一个管路中,上述的(2)和(3)基本
23、不变,在数值上也相对较小。可以认为,提高水位所需的能量是扬程的主体部分。因此,在同一管路内进行分析时,常简略地把水从一个位置“上扬”到另一个位置时,水位地变化量(即对应地水位差),用来表示扬程。3管阻:是表示管道系统(包括水管、阀门等)对水流阻力的物理量,符号是R,因为不是常数,难以简单地用公式来定量地计算,通常用扬程与流量之间的关系曲线来描述。压力:是表示供水系统中某个位置(某一点)水压的物理量,符号是P。其大小在静态时主要取决与管路的结构和所处的位置,而在动态情况下,还与供水流量和用水流量之间的平衡情况有关。转速:每分钟泵轴的旋转次数,常用n表示,单位是转/分(rpm)。功率:泵的功率大多
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