变频恒压供水控制系统毕业设计.docx
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变频恒压供水控制系统毕业设计
变频恒压供水控制系统毕业设计
1前言
1.1背景
随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大,人口的增多以及人们生活水平的提高,对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求,我国中小城市供水的自动化配置相对落后,机组的控制主要依靠值班人员的手动操作,控制过程烦琐,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。
为了保证供水,机组常保持在超压的状态下运行,爆损现象也挺严重。
在农村中,传统的水塔供水方式存在许多实际问题,如顶层水箱结构和建筑设计、水箱易对水源造成二次污染、水塔供水无法维持供水压力的恒定等问题。
近年来,随着异步电动机变频调速技术的迅速发展,居民区供水系统正逐步采用无塔变频供水,利用变频调速技术,不仅可使水泵供水系统取得显著的节能效果,还可以极改善系统的工作性能,并能延长系统的使用寿命,克服传统供水方式的种种缺点。
随着工业企业和人们生活用水量的增大以及对供水要求不断的提高,恒压供水变得也来越重要。
目前国多数企业仍使用传统的恒速泵组切换加压供水方式,其水压不稳而且浪费电能。
我国每年水泵消耗电能约占电能总消耗量20%以上,而电能消耗又占水费成本60%以上,故优化对水泵的控制,具有重要意义。
在生活用水过程中存在不同时间段用水量不均现象。
如果不对供水量进行调节,管网压力的波动也会很大,容易出现管网失压或爆管事故,同时也浪费了大量能源。
为了节约电能,又能保证正常用水,供水部门也采取了不少措施。
近几年最为常用的变频恒压供水系统能根据压力变化情况及时调整电机转速,将供水压力控制在一定围之,既满足了变化的用水需求,也起到了节能降耗的目的[1]。
1.2变频调速恒压供水的基本原理[2]
变频恒压供水,一般由压力变送器采样水压信号与系统设定压力值比较后产生输出信号,再经变频器控制水泵电机转速,实现恒压供水。
水泵转动的越快,产生的水压越高,才能将水输送到远处或较高的楼层。
恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式,这需采用PLC的模拟量控制模块,该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号,输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号,并依此信号的变化改变变频器的输出频率。
采用PLC控制,不仅可减少系统控制接线,提高可靠性,用软件实现上述硬件,维修简易,充分发挥了可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点,使整个系统的稳定性有了可靠的保障。
1.3变频调速使水泵电机节能的原理[3]
水泵额定运行状态下的输出功率:
式中:
Q为输出流量,单位为
;p为泵的水压,单位为MPa;H为泵的扬程,单位为m;r为重要系数,单位为
。
根据泵的相似律,当驱动转速改变时,输出流量Q、泵的水压p、扬程H分别与驱动转速的一次方、二次方和三次方成正比例。
图1示出水泵Q-p运行特性,其中曲线①、②分别是转速为n1、n2时的特性曲线,曲线③、④是转速为n2时的等效管阻特性,曲线⑤是转速为n1时的等效管阻特性。
设水泵电机由电网直接供电驱动,水泵运行于A点,此时泵功率为:
N1=Q1p1,对应于图中的矩型面积Ap1OQ1,若将水量减为Q2,工作点将由A滑向B,水压增为p2,功率N2则由面积Bp2OQ2描述。
若水泵改为变频调速驱动,在小水量时降为低速n2,水泵可运行于C点稳定,功率N3由面积Cp1OQ2描述,而水压则维持为p1,节约的能耗对应阴影面积Bp2p1C。
图1Q-p运行特性及管阻特性
以下以数值定性说明节能效果。
因流量与转速成正比,功率与转速立方成正比,总需求为Q,在某一工作点时,Q是一定值。
当变频器运行在45Hz时,Q∝f=45Hz,节
电率
;
当变频器运行在40Hz时,f=40Hz,节电率
;
当变频器运行在35Hz时,f=35Hz,节电率
;
以75kW为例,平均运行在45Hz,1年可节约
电能75×24×365×27.1%=178047kWh。
若电价为0.85元/kWh,则1年可节约电
费0.85×178047=151339.95元。
1.4国外的研究现状及分析
针对目前国民用建筑行业的发展,特别是卫星城和小区建设的发展,给各个技术行业带来的许许多多的研究课题。
小区供水系统的设计与研究,从工程而言是成熟的,己有规的设计和施工标准,但从多方面的综合技术指标来说,还远远没能达到用户的要求。
从目前的供水行业调查结果表明,变频调速是一项有效的节能降耗技术,其节电率很高,几年能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来,又由于其具有调速精度高,功率因数高等特点,使用它可以提高出水质量,并降低物料和设备的损耗,同时也能减少机械磨损和噪声,改善车间劳动条件,满足生产工艺要求。
因此利用微电脑与交流电机变频调速技术对管网供水进行自动控制,近几年在国得到了极大发展,从目前情况看,微机控制变频调速自动供水技术可分为恒水压控制与恒水流控制两种主流。
前者强调对水泵出口压力进行给定跟踪控制,使出口水压基本保持恒定,而出口流量则依用户需求随时可变。
这种控制方法的优点是供水品质优良,可在任何情况下同时满足全网各用户对供水流量与扬程的不同要求。
不足之处是过于强调恒压指标,对低区用户扬程指标订得太高,水压过高,用户不得不用阀门限流,造成能源浪费,且由于水压过高,管网耐压水平必须提高,造成材料浪费。
恒水流控制则强调对出口流量进行宏观总量控制,对水压与扬程指标则放松,其优点是在满足用户对用水量的基本要求前提下,可最大限度节能。
但缺点也是显然的,其一是仅控制用水总量,而无法分配水流去向,势必造成分配不均,特别在低层用水量大时,造成高层断流。
而在高层用水量大时又造成低层水压过高。
其二是水的流量检测难度较大,闭环控制困难。
国的许多专家,学者从70年代起,开始尝试将计算机技术应用于供水系统的模拟,优化设计及供水系统控制等方面[4]。
目前国供水系统采用的自动控制技术不少,其特点是变频技术与其它其术的结合。
如最初的恒压供水系统采用继电接触器控制电路,是与开关技术结合,通过人工起动或停止水泵和调节泵出口阀开度来实现恒压供水。
该系统线路复杂,操作麻烦,劳动强度大,维护困难,自动化程度低,应用前景不大。
后来增加了微机加PLC监控系统,提高了自动化程度。
但由于驱动电机是恒速运转,水流量靠调节泵出口阀开度来实现,浪费大量能源,也没有很好的发展。
2系统总体设计方案
系统总体方案原理如图2所示
图2控制系统原理示意图
本系统是一个以变频调速为主要控制目的的控制系统。
工作时可以通过触摸屏设定PID调节参数,由系统根据部时钟的判断自动调整目标值,然后通过A/D转换模块从外部压力变送器输入外部压力信号,与目标值比较后进行PID调节并输出控制量,通过D/A转换模块输出模拟量控制变频器的输出频率以达到调节水泵电机速度的最终目的。
系统拟采用两台水泵及电机,这比设单台水泵及电机节能又可靠。
配单台电机及水泵时,其功率必须足够大,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。
该系统在单台水泵电机长时间运行时能定时自动切换水泵电机的运行,达到系统设备的平均利用,防止系统设备因长时间无运作而生锈损坏等。
3系统硬件设计
3.1系统总电路
系统原理图见附图,说明如下:
电源进线控制:
此部分主要是为方便对系统电源的操作而设计的,使得不必打开控制柜就可以对系统的总电源进行控制,既安全又方便。
此部分中的交流接触器要求有常开和常闭的辅助触点,而且考虑到两个水泵电机同时工作时功率很大,故选此交流接触器型号为正泰CJX1F系列(具体选择视水泵电机现场实际所需功率而定,下同)。
按钮SB1和SB2选用带灯显示类型,且SB1选择为绿色(作为电源启动按钮),SB2选择为红色(作为电源停止按钮)。
急停开关作为紧急情况时的电源切断开关,此为设计时的常规考虑。
水泵电机切换:
此部分为整个控制系统的主要控制对象部分(两个水泵电机),包括有4个同型号的交流接触器、一个变频器(FVR-E11S)和一个热继电器,其中的两个小型断路器的设置主要是作为下面元器件更换时的电路可靠切断用的(下同)。
4个同型号的交流接触器用来实现两个水泵电机的定时切换和水压压力在单个电机运行而不足时投入工频电机运行设置的,对此4个交流接触器的控制由PLC控制实现。
热继电器的设置则是对水泵电机在工频运行状态下起过载保护的作用。
强弱电隔离:
此部分是为保护PLC输出点而设置的。
由中间继电器的触点实现对4个交流接触器线圈的控制,而中间继电器的触点的控制则由PLC控制继电器的线圈实现,这样就在实际上实现了PLC对4个交流接触器的控制,也实现了对PLC输出点的保护。
热继电器的常闭辅助触点串联在中间继电器中,使得在出现电机过载情况下热继电器主触点动作断开时能同时使交流接触器线圈断电而动作切断电路连接,起到双重保护作用。
控制系统供电:
此部分的作用是为PLC、模拟量输入/输出模块和人机界面等提供正常工作电源。
在器件的选型中,由于交流接触器使用类别为AC-3(即频繁控制异步电动机的启动和分断),故接触器分断电流为电动机额定电流Ie。
选用的方法有查表法和查选用曲线法,在产品样本中直接列出在不同额定工作电压下的额定工作电流和可控制电动机的功率,按电动机功率或额定工作电流,用查表法选用接触器,也要通过计算来得到电动机额定电流Ie,再选取相应的交流接触器,计算公式如下所示:
电动机的额定输出功率=3UeIeCOSΦη
其中:
Ue-电动机的额定电压;
Ie-电动机的额定电流;
COSΦ-电动机的功率因数;
η-电动机的效率。
热继电器的额定电流应略大于水泵电机额定电流,本系统中其整定电流选为水泵电机额定电流的1.1~1.15倍。
3.2系统硬件构成
3.2.1PLC控制器[5][6][7][8][9]
PLC即可编程控制器,(ProgrammablelogicController),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿,第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义:
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。
PLC具有以下特点:
⏹可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
⏹配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
⏹易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
⏹系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
⏹体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械部,是实现机电一体化的理想控制设备。
本系统的控制器为松下FP0—C32CT型PLC。
FP0系列PLC是松下电工推出的一种超小型的PLC产品,体积小,功能强,还增加了一些大型机的功能和指令,其编程口为RS—232C,可以直接和编程器或计算机连接,此PLC的输入输出端子由公头式接插件组成(如下图所示),使用非常方便。
图3I/O连接器前视图
FP0—C32CT型PLC只有晶体管式输出型,为无触点输出方式,用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载,其NPN晶体管输出型和PNP晶体管输出型如图4所示:
(a)NPN型(b)PNP型
图4两种晶体管输出型示意图
3.2.2模拟量输入/输出模块
FP0—A21型特殊功能模块。
此功能模块体积小巧、性能先进,能与松下FP系列PLC组合使用,非常方便。
FP0—A21模块有2个模拟输入通道(CH0,CH1)、一个模拟输出通道。
此模块的I/O接口如下图所示,其中V表示电源模拟信号,I表示电流模拟信号[11]。
图5模拟量输入/输出模块的I/O接口
FP0-A21的I/O分配是由安装的位置来决定的,其I/O编号如表1所示。
表1FP0-A21的I/O编号
单元
第一扩展单元
第二扩展单元
第三扩展单元
输入
CHO(16点)
WX2(X20~X2F)
WX4(X40~X4F)
WX6(X60~X6F)
CH1(16点)
WX3(X30~X3F)
WX5(X50~X5F)
WX7(X70~7F)
输出(16点)
WY2(Y20~Y2F)
WY4(Y40~Y4F)
WY6(Y60~6F)
3.2.3人机界面[10][11]
触摸屏即根据显示屏表面接触(如用手指、笔或其它物),靠电脑来识别其位置的装置。
当手指、笔或电流等接触到触摸屏,则接触点信号改变(光,声或电流等)传感器接收后根据算法,确定触点X或Y的坐标,配以应用软件,便可执行相应的操作,它比键盘操作更直观。
从精度、灵敏度和密闭性上考虑,应选用电容或电阻型触摸屏。
电阻型触摸屏比其它类型的触摸屏可靠性高,适用于各种工业环境。
工作时,我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏,然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。
触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成;触摸检测部件安装在显示器屏幕前面,用于检测用户触摸位置,接受后送触摸屏控制器;而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息,并将它转换成触点坐标,再送给CPU,它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。
触摸屏主要有以下几种类型:
(1)电阻式触摸屏;
(2)电容式触摸屏;
(3)红外线触摸屏;
(4)表面声波触摸屏。
比较之模拟仪表、操作台控制的优点:
(1)体积小,几乎不占空间;
(2)连线简单化;
(3)能储存大量的数据(配方数据和采样数据);
(4)通过标准的Ethernet实现数据共享和机器的远程监控。
本系统中采用Pro—faceGP32W2型触摸屏。
GP系列触摸屏工业图形显示器(简称触摸屏)是一种连接人类和机器的(主要为PLC)的人机界面(国外称为HMI或MMI),被称为PLC的脸面。
它是替代传统的控制面板和键盘的智能化操作显示器。
可用于参数的设置、数据的显示和存储、并以曲线、动画等形式描绘自动化控制的过程,并可简化PLC的控制程序。
GP系列触摸屏的主要作用:
监视:
以数据、曲线、图形、动画等各种形式来反映PLC的部状态,存储器数据,从而直观反映工业控制系统的流程、走向。
控制:
可以通过触摸来改变PLC部状态位,存储器数值,从而参与过程控制。
数据处理:
通过标准的大容量CF卡存储配方数据,实时采样的数据和历史报警信息。
还可以通过标准的Ethernet不增加工厂成本的情况下接入工厂现有的局域网从而实现数据共享和机器的过程监控。
3.2.4变频器[12][13]
如图(图6变频器的构成)所示为通用变频器的结构原理,用变频器把工作电流(50HZ或60HZ)变换成各种频率的交流电路,以实现电机的变速运行。
变频器由主电路和控制电路构成。
图6变频器的构成
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,称为主电路。
包括整流电路(工频电源的电流变换成直流电且对直流电进行平滑滤波)和逆变电路(直流电路变换成各种频率的交流电)两部分。
给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,称为控制电路。
控制电路完成对主电路的控制。
控制电路由以下电路组成:
频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路,电动机的速度检测电路,将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路,以及逆变器和电动机的保护电路。
对于通用变频器单元,变频器一般是指包括整流电路和逆变电路部分的装置。
本系统中采用富士FVR—E11S型变频器。
此变频器体积小,但性能高,0.5Hz时电动机的起动转矩能达到200%,低速围转矩脉动小,具有各种智能化的功能,如自动节能、自整定和RS485通信等,并增强了维护/保护功能,适用于供水系统、潜水泵、冷却塔风机、食品搅拌机、起重机、印染机械等种类场合。
图7富士FVR—E11S型变频器
3.3系统硬件设计
3.3.1PLC的硬件配置
PLC都是按点数设计的,点数和成本直接相关。
因此在设计PLC控制系统时,选择合适PLC输入输出点数就成为一个重要的考虑因素。
应根据需要选择点数,少了当然不行,但过多就会造成浪费。
一般PLC的输入输出点数在选择时都要稍微多一点。
最严格的要多出三分之一。
本课题因考虑到能扩展FP0—A21模拟量输入/输出模块以及能与触摸屏的通信问题,选用了FP0—C32CT型PLC。
FP0—C32CT型PLC共有32点(输入16点,输出16点),可单独使用,也可以和扩展单元任意组合,最多可配置3个扩展模块。
I/O点可以从最少的10点扩展到最多的128点,使用时可根据实际需要进行适当的组合。
主机和扩展单元都有专用的扩展口,在扩展时可以直接连接,不需要连接电缆。
3.3.2PLC输入输出端子的电路连接
PLC和模拟量输入/输出模块的工作电源以及输入输出端子都由24V直流电源供电,其中输入输出端子的电路连接方式如下图所示(图中的电源均为24V直流电源):
图8FP0—C32CT端子接线图(I/O连接器)
在此系统设计中,PLC的输出共用到4点,对应如下:
Y1————KA1Y2————KA4
Y3————KA2Y4————KA3
图9PLC输出点与继电器线圈接法示意图
此连接中还使用二极管与中间继电器线圈并联以保护PLC输出点免受电流的冲击。
在实际接线中,继电器KA的线圈的两个接线端编号为13、14且不分正负极(柳工HH54P)。
3.3.3模拟量输入/输出模块的设置
要正确进行A/D或D/A转换,还需要进行模式设置。
在FP0—A21上部,有如图10所示的一个模式切换开关,改变切换开关的方向,可控制开或关,对1~5个切换进行不同的组合,可以等到不同的结果。
表XXX列出了模拟模式切换开关的设置组合。
图10A/D和D/A模式切换开关
表2模拟模式切换开关设置表[9]
模式
切换数
幅值
模
拟
模
式
切
换
开
关
的
设
置
1,3,5
0~5
0~20mA
-10~+10V
K型热电偶
J型热电偶
T型热电偶
无平均
有平均
无平均
有平均
<1000℃
-100~+1000℃
<750℃
100~+750℃
<350℃
-100~350℃
4
0~20mA
-10~+10V
在本系统设计中,采用-10~+10V的有平均电压模式,故模式设置为1,4,5为ON,2,3为OFF,如下图所示:
图11模拟量输入/输出模块设置示意图
3.3.4变频器接线
变频器的接线由强电和弱电两部分组成。
变频器的电源进线和与电机的连接为强电连接部分,与PLC以及模拟量输入/输出模块的连接为弱电连接部分。
表3此系统中变频器所连接端子说明
端子记号
端子名称
容说明
L1,L2,L3
电源输入
连接工频电源
U,V,W
变频器输出
连接水泵电机
11,12
电压模拟量输入
连接FP0—A21模拟量输出端子
PLC
PLC端子
防止外部电源窜扰连接
FWD
正转运行
控制电机的正转运行
接地
变频器外壳接地用,必须接
3.3.5触摸屏接线
触摸屏的接线非常简单,包括直流24V电源进线和一条与PLC的通信线。
触摸屏与PLC的通信线部构成:
在PLC连接端,通信线由三苾组成,标号分别为S、R、G;在触摸屏连接端,由一个25苾的接线端子组成,通信线中对应S、R、G的三苾分别与2、3、7号针连接,同时必须把4号针和5号针短接,示意图如下:
图12PLC—GP通信连接示意图
4系统软件设计
本系统的软件设计包括PLC的编程、触摸屏监控界面的制作以及变频器运行模式的参数设置。
4.1PLC编程
4.1.1PLC编程软件与语言介绍
目前PLC程序的编写大部分是在计算机上运用编程软件编写的。
松下FP系列PLC的编程软件为FPWINGR软件。
该软件采用的是典型的Windows界面,菜单界面、编程界面、监控界面等可同时以窗口形式重叠或平铺显示,甚至可以把两个不同的程序在一个屏幕上同时显示,可以通过Ctrl+Tab或Ctrl+F6键在各个窗口之间进行移动切换。
各种功能切换和指令的输入既可以使用键盘上的快捷操作键操作,也可用鼠标单击图标操作,使用很方便。
其他功能也更
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