毕业论文-基于西门子s7-200型plc的消防给水泵控制系统设计

毕业论文-基于西门子s7-200型plc的消防给水泵控制系统设计内容摘要：

设计 6 3 消防给水系统的特性及原理 给水系统基本特性 给水系统的参数表明了给水的性能。 但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。 这种联系和变化规律可用给水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特 性曲线和管阻特性曲线。 见图。 水系统的基本特性和工作点扬程特性是以给水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程 H 与流量 Q 之间的关系曲线 f（ Q）。 由图 可以看出，流量 Q 越大，扬程 H越小。 由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于消防的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程 H 与用水流量 Qv 之间的关系。 而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程 H与流量 Q 之间的关系 H=f(Qv)。 管阻特性反映了水泵的能量用来克 服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。 由图可知，在同一阀门开度下，扬程 H越大，流量 Q 也越大。 由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，给水系统向消防的给水能力。 因此，管阻特性所反映的是扬程与给水流量 Qg之间的关系 H=f(Qg)。 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为给水系统的工作点，如图 中 A点。 在这一点，消防的用水流量 Qv和给水系统的给水流量 Qg 处于平衡状态，给水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。 图 给水系统的基本特性 基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 7 给水系统实现方 式 实现对给水系统的控制就是为了满足消防对流量的需求。 所以，流量是给水系统的基本控制对象。 而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。 考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与给水能力 (由流量Qg 表示 )和用水需求 (由用水流量 Qg表示 )之间的平衡情况有关。 若：给水能力 Qg 用水需求 Qv，则压力 P上升。 若：给水能力 Qg 用水需求 Qv，则压力 P下降。 若：给水能力 Qg用水需求 Qv，则压力 P不变。 由此可见，流体压力 P的变化反映了给水能力 Qg 与用水需求 Qv 之间的矛盾。 从而，选择压力控制来调节管道流量大小。 这说明，通过恒压给水就能保证给水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了消防所需的用水流量。 将来消防需求发生变化时，需要对给水系统做出调节，以适应流量的变化。 这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。 常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。 阀门控制法 转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。 实质是水泵本身的给水能力不变，而通过改变 水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应消防对流量的需求。 这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。 转速控制法 阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。 实质是通过改变水泵的给水能力来适应消防对流量的需求。 当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。 异步电动机调速的方法及其原理 通过转速控制法实现恒压给水，需要调节水泵的转速。 水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是异步电动机转速的调节 [9][10]。 异步电机的转差率定义为： %10011  n nns （ ） 异步电机的同步速度为： pfn 601  （ ） 异步电机的转速为： psfn )1(60  （ ） 其中： s为转速差； n1 为异步电机的理想 空载转速， r/min； n为异步电机转子转速， r/min； f是异步电机的定子电源频率； p为异步电机的极对数。 可知调速方法有：变极调速、变转差调速和变频调速。 基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 8 变极调速 在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。 磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。 这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于给水系统中转速的连续调节。 变转差调速 通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。 三相异步电动机的转子铜损耗为： emCu sPrIP  39。 39。 3 2222 （ ） 该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。 电动机工作在额定状态时，转差率 s 很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。 但在给水系统中由转速控制法实现恒压给水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率 s 增大，转差功率增大，电机运行效率降低。 虽然变转差调速中的串级 调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。 因此变转差调速方法不适用于恒压给水系统中的转速控制法。 变频调速 从公式 ()可知，当极对数 p 不变时，电机转子转速 n 与定子电源频率 f 成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。 这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。 最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为 VVVF (Variable voltage Variable Frequency)。 在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通 m 基本不变，其关系为： U1/f1=常数 式中： U1 为变频器输出电压； f1 为变频器输出频率。 变频调速方式时，电动机的机械特性表达式：     2212211221139。 39。 2/39。 xxsrrfsrpUmT （ ） 式中： m1 为电机相数； r1 为定子电阻； X1 为定子漏电抗； x2’为转子漏电抗折算值。 频率 f 从额定值 fn 往下调时，电机机械特性的变化情况，如图 所示。 图中 Fnf1f2f3f3f4。 基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 9 nT0fNf1f2f3f4 图 变频调速机械特性 水泵调速运行节能原理 在给水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。 阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。 其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随着阀门开度的改变而改变，但其扬程特性不变。 由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门 的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，但管阻的特性不变。 变频调速给水方式属于转速控制。 其工作原理是根据消防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。 Q ( m3/ s )H ( m / s )Q1Q2H1H00FDEn1n2β1β2β3H2 图 管网及水泵的运行特征曲线 用阀门控制时，若给水量高峰期水泵工作在 E 点，流量为 Q1，扬程为 H0，当给水量从 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β 3移到β 1，扬程特性曲线不变。 而扬程则从 H0 上升到 H!，运行的工况点从 E 点移到 F 点，此时水泵输出功率用图形表示为 (0 ,Q1 ,F ,H1)围成矩形部分，其值为 : 基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 10 102 21QHPd  （ ） 用调速控制时，若采用 恒压 (H0)、变速泵 (n2)给水，管阻特性曲线为β 2，扬程特性变为曲线 n2，工作点从 E 点移到 D 点。 此时水泵输出功率用图形表示为(0 ,Q2 ,D ,H0)围成的矩形面积，其值为： 102 20QHPf  （ ） 可见，改用调速控制，节能量为 (H0,D ,F ,H1)围成的矩形面积，其值为：  102 )(102102 2020021 QHHQHQHPPP df  （ ） 所以，当用阀门控制流量时，有功率 102 )( 201 QHH 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1H 增大，而被浪费的功率要随之增加。 根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量 Q、扬程 H、功率 P 与转速 N 之间关系为： 1212 NN  ； 21212  NNHH ； 31212  NNPP （ ） 式中， Q H P1 为变速前的流量、扬程、功率， Q H P2 为变速后的流量、扬程、功率。 由公式 ()可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式给水功率要小得多，节能效果显著。 基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 11 4 给水泵组及控制要求及控制系统 变频给水泵组 变频给水泵组通常由 2~4 台相同功率及类型相同的水泵并联运行，为维修、安装及减振需要， 每台泵的进出水管上必须装有阀门、止回阀、橡胶接头等配件。 由 4 台水泵构成的变频泵组实例如 下图： 图 变频给水泵组 自来水进水阀 液压水位控制阀 浮球阀 储水箱 阀门 橡胶接头 水泵 橡胶接头 止回阀 阀门 1出水总管 泵组的控制要求 对变频给水泵组的控制要求是 PLC 程序设计的依据，因此在设计控制系统及程序之前必须确定具体的控制要求。 为节省控制成本，可采用一台变频器对 4台水泵进行变频控制。 常规的变频器均集成有 PID 闭环控制功能，如使用变频器的 PID 功能，则 PLC 就仅负责控制水泵的切换。 控制系统为闭环控制系统，通过压力传感器对消防管网压力进行实时采样，并与设 定压力值比较，根据压力偏差来控制变频泵的速度及定量泵的启、停，实现恒压、变量的供水，以达到节能、恒压的目的。 其控制要求是： 当消防管网压力低于设定压力时，控制器通过压力传感器检测，输出控制信号启动其中一台水泵作变频运行，通过控制变频泵使消防管网压力与设定压力值相等。 如消防用水量较大，变频器输出频率达到 50Hz , 变频泵达到最高转速，而消防管网压力仍然低于 设定压力，控制器将变频泵切换成工频运行，待变频器输出频率下降至最低值时再变频软启动另一台水泵，由一台工频泵和一台变量泵同时供水。 经过变量泵基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 12 的切换调节，如管网压力仍低于设定值，控制器则以同样的方式将运行频率为 50Hz的变频泵切换成工频运行，而后继续软启动另外一台水泵作变频运行，直至满足消防用水要求为止。 当消防用水量较少，变量泵转速降到一定程度时，控制器自动停止最先运行的定量泵，并根据管网压力调整变量泵转速，使管网压力始终保持恒定。 这样，每台水泵的启动均经变频器控制，全部机组实现循环软启动，即每台泵的启动频率 都从设定的最低频率开始逐渐上升。 停机时遵循“先开的泵先停，先停的泵先开”的原则。 各泵循环轮换工作，使水泵均衡运行。 设备还可以通过时控器控制水泵的强行切换。 控制系统设计 系统主回路 图 变频控制系统主回路 图中： QL：空气开关； 1KM、 3KM、 5KM、 7KM:工频交流接触器； 2KM、 4KM、 6KM、 8KM：变频交流接触器。 系统的 PLC的 I/O接线图 基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 13 图 PLC 接线图 系统的二次控制回路 图 二次控制回路 控制柜面板指示灯 回路 图 控制柜面板指示灯回路 可编程序控制器 PLC的输出输入信号 控制系统的 PLC 采用西门子 S7224 产品。 PLC 的输入信号是：。