基于plc和变频器的住宅小区恒压供水系统设计

基于plc和变频器的住宅小区恒压供水系统设计内容摘要：

学本科生毕业设计 基于 PLC 和变频器的住宅小区恒压供水系统设计 8 PLC PLC 功能 [5] PLC 系统一般由以下基本功能构成： （ 1）多种控制功能； （ 2）数据采集、存储与处理功能； （ 3）通信联网功能； （ 4）输入 /输出接口调理功能； （ 5）人机界面 功能；（ 6）编程、调试功能。 1） 控制功能 逻辑控制： PLC 具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，能代替继电器进行开关量控制。 定时控制：它为用户提供若干电子定时器，用户可自行设定接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。 计数控制：用脉冲控制可实现加、减计数模式，可连接码盘进行位置检测。 顺序控制：在前道工序完成后，就转入下一道工序，使一台 PLC 可作为多部步进控制器使用。 2） 数据采集、存储与处理功能 数学运算功能包括： a)基本算术：加、减、乘、除； b)扩展 算术：平方根、三角函数和浮点运算； c)比较：大于、小于和等于； d)数据处理 :选择、组织、规格化、移动和先入先出； e)模拟数据处理： PID、积分和滤波。 3)通信、联网功能 现代 PLC 多数都采用通信、网络技术，有 RS232 或 RS485 接口，可进行远程 I/O控制，多台 PLC 可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，可以实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。 在系统构成时，可由一台计算机与多台 PLC 构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成 较大规模复杂控制。 4） 输入 /输出接口调理功能 徐州师范大学本科生毕业设计 基于 PLC 和变频器的住宅小区恒压供水系统设计 9 具有 A/D， D/A 转换功能，通过 I/O 模块完成对模拟量的控制和调节精度可根据用户要求选择。 具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。 5） 人机界面功能 提供操作者监视机器 /过程工作必需的信息；允许操作者和 PC 系统与其应用程序相互作用，以便做出决策和调整。 实现人机界面功能的手段：从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的 CRT 显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机以及工业计算机的分散和集中操作与监视系统。 6） 编程、 调试功能 使用复杂程度不同的手持式、便携式和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。 PLC 的工作原理 [6] PLC是一种工业计算机，所以它的工作原理与计算机的工作原理基本上是一 致的，也就是说， PLC是在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务，实现控制目的。 但是 PC与 PLC又有所不同：前者一般是采用等待命令式的工作方式，如常见的键盘扫描方式或 I/O扫描方式。 当有键按下或 I/O口有信号输入时，则中断转入相应的子程序。 而 PLC采用的是循环扫描的方式，即顺序的逐条地扫描用户的程序的操作，根据程序运行的结果，一个输出的逻辑线圈应安通或断开，但该线圈的触点并不立即动作，而必须等用户程序全部扫描结束后，才能输出动作信息全部送出执行。 也就是说， PLC系统的工作任务管理和应用程序执行都是循 环扫描的方式完成的。 PLC 的选型 [5] FX系列 PLC是继 F F2系列之后 ， 三菱公司新推出的小型 （ 超小型 ） 机 ， 主要有 FXON、 FX FX2N、 FX2C等几种机型。 FX系列 PLC是整体结构 PLC，他的基本单元由电源、 CPU、 存储器、 I/O器件组成。 PLC的电源和输入的组合方式主要有 AC电源 /DC输入型、 AC电源 /AC输入型、DC电源 /DC输入型 3种。 输出方式有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种。 徐州师范大学本科生毕业设计 基于 PLC 和变频器的住宅小区恒压供水系统设计 10 FX系列 PLC配有许多扩展单元和扩展模块，这些扩展模块、扩展单元和基本单元连接配合使用，可方便地增加 PLC的输入点数或输出点数，以改变系统的 I/O点数的比例，满足实际的需求。 FX系列 PLC还有许多特殊单元、特殊模块。 这些特殊单元、特殊模块和基本单元连接配合使用后， PLC可实现模拟控制、定位控制、高速计数、数字通信 等功能。 FX系列 PLC的基本单元可独立运行，构成控制系统；而扩展单元、扩展模块、特殊模块、特殊单元需要与基本单元连接配合使用，不能单独构成系统。 FX2N系列 PLC是超小型机， I/O点数最大扩展可达到 256点。 它有内置的 8K步的RAM，使用存储卡盒后，最大容量可扩大到 16K步，编程指令达 327条。 PLC运行时，对一条基本的指令的处理时间只要。 它不仅能完成逻辑控制、顺序控制、模拟量控制、位置控制、高速计算控制等功能，还能做到数据检测、数据排列、三角函数运算、平方根以及浮点数运算 、 PID运算等更为复杂的数据处理。 所以 FX2N系列 PLC具有大容量、高速度、指令功能完善等特点。 PLC 的 I/O 端子确定 由上述系统的硬件分析可以得到 PLC 的硬件设计时候的功能设定，通过 PLC 的输入输出端口的设定，可以知道 PLC 和变频 器连接的时候 PLC 具体到什么样的功能。 在于变频器合作的时候直接负责最后继电器的动作已达到期望的效果。 所以，PLC 的端口的设定在整个系统的工作中有重要的地位。 三菱 PLC 的输入输出端口的设定如下表所示： 表 PLC I/O端口分 布 输入 输出 功能 端口 功能 端口 减泵信号 X0 运行指令 Y0 增泵信号 X1 手动 /自动设置 Y1 手动 /自动信号 X2 1泵工频启动 Y2 变频运转启动 X3 2泵工频输出 Y3 徐州师范大学本科生毕业设计 基于 PLC 和变频器的住宅小区恒压供水系统设计 11 自动运转停止 X4 1泵变频输出 Y4 1泵变频启动 X5 2泵变 频输出 Y5 2泵变频启动 X6 3泵工频运行 Y6 1泵手动启停 X7 自动控制运行 Y7 2泵手动启停 X10 3泵手动启停 X11 故障指示 X12 变频器 变频器基本工作原理 [7] 变频调速系统把电网提供的恒压、恒频交流电源转换成频率和电压都可以调节的电源，用它来驱动电动机，以获得更灵活、更高效的电动机特性。 所以，简单的把变频调速系统成为变频电源，它提供市电与 电动机的接口。 从转化方式上来说，可以分为交 交变频和交 直 交变频两大类转换方式。 交 交变频方式一般在特大功率的交流调速系统中应用。 交 直 交变频方式是通用的交流电机调速系统中应用最广泛的频率交换方式，是要重点讨论的频率变换方式。 交 直 交频率变换方式和交 交频率变换方式相比，在工作状态上多了一个直流的存在状态，因此它是一种间接频率交换方式，故它有更大的灵活性。 交 直 交频率交换方式可以分为电压源型和电流源型两大类。 （ 1）电压源型的特点是在直流中间回路中采用大容量的电容进行滤波 ，直流回路电压波形平直，输出阻抗小，电压不易变化，相当于直流恒压源。 逆变部分的电力电子开关将直流电压变成交流电压，驱动电动机可靠运行。 这种交换方式在中、小功率变频调速系统中有广泛的应用。 （ 2）电流源型的特点是在直流中间回路中采用较大的电感的电抗器进行滤波，直流回路电流波形平直，输出电抗很大，电流不易变化，相当于一个直流恒压源。 逆变部分的电力电子开关将直流电流变成交流电流电，驱动电动机可靠运行。 这种变换方式在大功率变频调速系统中有很大优势。 徐州师范大学本科生毕业设计 基于 PLC 和变频器的住宅小区恒压供水系统设计 12 在早期的变频调速系统中，大多采用六拍阶梯波的逆变方式，这种逆变方式 只能实现对频率的控制，它能输出可调频率的电源驱动电动机运行，但是根据变频调速的要求，还对电压进行控制，只能通过在整流部分使用可控元件，实现对电压调节。 虽然实现了变频调速的基本要求，但是它控制复杂、控制特性差、系统响应速度慢、电动机动态性能差。 随着调速理论的发展和电力电子的元件特性的提高，现代的交流调速系统大多采用 PWM逆变方式。 这种控制方式首先对整流部分做了简化，采用的是不可控元件，整流输出的直流中间电路后，直接加在逆变器上，通过对逆变元件的高速通 /断控制输出矩形脉冲波。 这种决定开关元件动作顺序和时间分配 规律的控制方法叫做 PWM方法。 该方法通过改变输出矩形脉冲的宽度来控制输出交流基波电压幅值，通过改变输出调制周期控制输出频率。 PWM控制方法在逆变器上同时实现了变频和调压，简化了控制方法，提高了控制特性，系统响应速度更快，电动机的动态特性得到显著的提高。 变频调速的优点 与传统供水系统比较 ,变频恒压供水能 全天候 维持恒定 供水 压力 , 并根据压力信号自动启动备用泵 ,利用 无级 调速来供水，进行 调整压力 ,从而使 供水质量 变 好 ,而且 不会造成管网破裂。 以变频调速为核心恒压供水系统取代了传统的高层水塔 和压力罐等供水设备 , 这在建设的投资 方面节省了 大量的资金和占地面积 ,另一方面避免了电机水泵 的频繁启停 ,电机在变频技术的控制下 起动平滑 ,这样电机的 起动电流 就可限制在额定电流范围 内 ,从而避免了 电机 起动时对电网的冲击。 降低 了电机水泵的启动 时产生的 冲击 而造成的电机的机械磨损 ,增 加了电机水泵的使用寿命 ；同时也避免了 在 传统 方式下供水在电机 起动和停机 时产生的的水锤效应以及 水压不稳定的现象 ,使得供水的水质存在 污染 ,而 不符合卫生标准等问题。 采用变频恒压供水 的方式 , 系统可以根据用户 的 实际用 水 量 ,对供水压力 自动进行检测 ,进而 控制电机转速 , 达到高效节能的目的。 避免了 像高层建筑 水塔 在 供水无人值班时 , 总是有水泵运行的 现象 ,节省了财力、人力。 变频恒压供水可以 根据内部设定值， 自动实现多泵循环运动功能 , 延长了电机水泵的使用寿命。 而 且变频恒压供水系统 ,具有欠压 保徐州师范大学本科生毕业设计 基于 PLC 和变频器的住宅小区恒压供水系统设计 13 护 、过流 保护 、 缺相 保护、 过热 保护 、 过载 保护 、 短路保护等功能 ,保护功能齐全 ,运行 安全 可靠 [1]。 变频器的选型 变频器选型时要确定以下几点 [7]: （ 1） 采用变频 技术 的目的 ： 应用于 恒压控制或恒流控制等。 （ 2） 选用 变频器的负载类型：如叶片泵或容积泵等， 应当 特别注意负载的性能曲线，性 能 曲线决定了应用时的方式方法。 （ 3） 变频器与负载的匹配问题 ： 1） 电压匹配 ： 变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 2） 电流匹配 ： 普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。 对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。 3） 转矩匹配 ： 这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。 （ 4） 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。 因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。 （ 5） 变频器如果要长电缆运行 时，此时要采取措施抑制长电缆对地祸合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况一下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。 （ 6） 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡 根据工艺要求，配用 ABB系列变频器，具体型号为 具备内置 PID功能 的ACS51001060A4变频器。 徐州师范大学本科生毕业设计 基于 PLC 和变频器的住宅小区恒压供水系统设计 14 图 31 ACS510变频器 外观 图 ACS510系列变频器是 ABB公司采用直接转 矩控制技术，结合多种先进 生产制造工艺 而 推出的高性能变频器。 它具有很宽的功率 调节 范围，优良的速度控制和转矩控制特性，完整 的保护功能以及灵活的编程能力，较高的可靠性和较小的体积。 该变频器 共 有 6种控制方式 ： 工厂、手动 /自动、 PID控制、恒 转矩、顺序控制、风机水泵控制（ PFC）。 一般住宅小区的 恒压供水系统采用的 多是 是手动 /自动控制 宏和PID控制宏 ， 以及 PFC控制宏 等。 当操作台选择开关处于 “自动 ”时，变频器与 PLC相结合对整个恒压供水系统进行 自动控制。 变频器基本参数表如下表所示 ： 表 ACS510变频器 基本 参数表 主电源连接 可编程控制连接 电压 3相， 380~480V 2路模拟输入 AI1,AI2 频率 48~63HZ。