基于plc的变频调速恒压供水系统-毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的变频调速恒压供水系统-毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。 由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。 转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。 因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。 变频调速供水方式属于转速控制。 其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。 由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率 P 与管网的水压 H 及出水流量 Q 的乘积成正比；水泵的转速 n 与出水流量 Q 成正比；管网的水压 H 与出水流量 Q 的平方成正比。 由上述关系有，水泵的输出功率P 与转速 n 三次方成正比，即： 1P kHQ （ ） 2n kQ （ ） 23H kQ () 3P kn () 式中 k、 k k k3 为比例常数。 山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定 11 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 图 管网及水泵的运行特性曲线 当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在 E 点，流量为 Q1，扬程为H0，当供水量从 Q1 减小到 Q2 时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从 b3移到 b1，扬程特性曲线不变。 而扬程则从 H0上升到 H1，运行工况点从 E 点移到 F 点，此时水泵的输出功率正比于 H1 Q2。 当用调速控制时，若采用恒压 (H0)，变速泵 (n2)供水，管阻特性曲线为 b2，扬程特性变为曲线 n2，工作点从 E 点移到 D 点。 此时水泵输出功率正比于 H0Q2，由于 H1H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于 (H1－ H0) Q2 的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是 H1增大，而被浪费的功率要随之增加。 所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。 变频恒压供水系统控制方案的确定 控制方案的比较和确定 恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定 12 机组以及低压电器组成。 系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定 和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。 根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择 [8]： (1) 有供水基板的变频器 +水泵机组 +压力传感器 这种控制系统结构简单，它将 PID 调节器和 PLC 可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能。 它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时， PID 调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性 能不易保证。 其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。 (2) 通用变频器 +单片机 (包括变频控制、调节器控制 )+人机界面 +压力传感器 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。 该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。 (3) 通用变频器 +PLC(包括变频控制、调节器控制 )+人机界面 +压力传感器 这种控制方式灵活方便。 具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于 PLC 产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。 在硬件设计上，只需确定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过 PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。 同时由于 PLC 的抗干山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定 13 扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。 该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。 通过对 以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。 这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。 变频恒压 供水 系统的 组成及原理图 PLC 控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和 现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统， 该系统的控制流程图如图 所示： 用 户M压 力 变 送 器变 频 器P L C( 含 P I D )液 位 变 送 器水 池水 泵 机 组管 网 压 力 信 号报 警 信 号水 池 水 位 信 号 图 变频恒压供水系统控制流程图 从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分 ，具体为： (l) 执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定 14 持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。 (2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。 管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。 此信号 是模拟信号，读入 PLC 时，需进行 A/D 转换。 另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给 PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。 信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。 此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。 (3) 控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器 (PLC 系统 )、变频器和电控设备三个部分。 供 水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。 供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构 (即水泵机组 )进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。 根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在 50Hz 时，其供 水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在 50Hz 时，其供水量仍不能达到用水要山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定 15 求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择 [9]，本设计中采用前者。 作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。 由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电 网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由 PLC 判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。 变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。 设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。 所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水 压力上 [10]。 变频恒压供水系统的结构框图如图 所示： P I D D / A变 频 器接 触器水 泵机 组管 道压 力 变 送 器A / D给 定－管 网 压 力P L C图 变频恒压供水系统框图 恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为 4—20mA 的电信号 ，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。 由于电信号为模拟量，故必须通过 PLC的 A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行 PID运算，再将运算后的数字信号通过 D/A 转换模块转换成模拟信号作为变频山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定 16 器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。 变频恒压供水系统控制流程 变频恒压供水系统控制流程如下 : (l) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵 M1 工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制 Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间 Ml工作在调速运行状态。 (2) 当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大， PLC 的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达 到另一个新的稳定值。 反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。 (3) 当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率 50Hz 时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件 (在下节有详细阐述 )时，在变频循环式的控制方式下，系统将在 PLC 的控制下自动投入水泵 M2(变速运行 )，同时变频泵 M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。 如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵 M3 投入运行，变频器输出频率达 到上限频率 50Hz 时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。 (4) 当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定 17 工频泵 M2 关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。 当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵 M3关掉。 水泵切换条件分析 在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到 恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的。 那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢 ? 由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制， 50HZ 成为频率调节的上限频率。 另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是 0HZ。 其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降到 0HZ。 因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机 一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。 这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。 这个频率远大于 0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在 20HZ 左右。 所以选择 50HZ 和 20HZ 作为水泵机组切换的上下限频率。 当输出频率达到上限频率时，实际供。