信息与通信]基于plc的智能楼宇变频调速恒压供水控制系统设计研究

信息与通信]基于plc的智能楼宇变频调速恒压供水控制系统设计研究内容摘要：

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，将另一台水泵 M3 投入运行（变速运行）， M2 工频运行。 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。 山东城市建设职业学院学生毕业论文 11 (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 M1 关掉。 供水系统中水泵 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。 在恒压供水中 ，机组的切换为机组增加与减少两种情况，这两种情况由于变频器输出频率与供水压力的不同逻辑关系相对应。 考虑到只有当变频器的输出频率在上下限频率时才可能发生切换，并且上限频率时不可能减泵，下限频率时不可能加泵，所以，可以采用回滞环思想进行判别如图： 山东城市建设职业学院学生毕业论文 12 用于压力判断的回滞环 如果变频器的输出为上限频率，只有当实际的供水压力比设定压力小／ 2的时候才允许进行机组增加；如果变频器的输出为下限频率，则只有当实际的供水压力比设定压力大妮／ 2 的时候才允许进行机组的增加。 回滞环的应用提供了这样一 个保障，即如果切换的判别条件满足，那就说明此时实际供水压力在当前机组的运行状况下满足不了设定的要求。 但这个判别条件的满足也不能够完全证明当前确实需要进行机组切换，因为有两种情况可能使判别条件的成立有问题：实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足，造成判断上的失误，引起机组切换的误操作。 这两种情况有一个共同的特点，即它们维持的时间短，只能够使机组切换的判别条件在一个瞬间满足。 根据这个特点，在判别条件中加入延时的判断就显得尤为必要 了。 所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间，比如一、两分钟，如果在这段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作；如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满 足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。 经过以上的分析，将实际的机组切换的条件优化为： 山东城市建设职业学院学生毕业论文 13 四、 变频恒压供水系统的硬件设计 系统主要配置的选型 水泵机组的选型 根据所阐述的基于 PLC 的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图： 系统的电器总框图 由以上系统电气总框图可以看出，系统所需要的主要硬件包括： 1)水泵机组、变频器 2)PLC 及扩张模块 3)压力变送器及数显仪 水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。 PLC 及其扩展模块的选型 1）本设计中选用西门子 MM440 山东城市建设职业学院学生毕业论文 14 2）计算机与变频器连接图 P G 7 6 0P C / P P I 通 讯 电 缆C P U 2 26E M 2 35M M 42 0 变频 器三 相 交流 电 源三 相 异 步电 动 机光 电开 关控 制线 路编 程 计 算 机山东城市建设职业学院学生毕业论文 15 3） MM440 BOP（基本操作面板）及功能描述 MM440 BOP 上的按钮功能表 显示 /按钮 功能 功能的说明 状态显示 LED 显示变频器当前的设定值。 起动变频器 按此键起动变频器。 缺省值运行时此键是被封锁的。 为了使此键的操作有效应设定 P0700=1。 停止变频器 OFF1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车 .缺省值运行时此键被封锁；为了允许此键操作，应设定 P0700=1。 OFF2：按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车此功能总是 “ 使能 ” 的。 改变电动机的转动方向 按此键可以改变电动机的转动方向。 电动机的反向用负号（－）表示或用闪烁的小数点表示。 缺省值运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定 P0700=1。 山东城市建设职业学院学生毕业论文 16 电动机点动 在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。 释放此键时，变频器停车。 如果变频器 /电动机正在运行，按此键将不起作用。 山东城市建设职业学院学生毕业论文 17 1. 使用 BOP对变频器的参数进行工厂复位 P0010=30 P0970=1 2. 使用 BOP对变频器进行快速参数化 （提示：严格按照电机的名牌进行相关参数的设置。 ） P0010 ＝ 1（开始快速调试） 显示 /按钮 功能 功能的说明 功能 此键用于浏览辅助信息。 变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2 秒钟，将显示 以下参数值（在变频器运行中，从任何一个参数开始）： 1. 直流回路电压（用 d 表示 – 单位： V） 2. 输出电流（ A） 3. 输出频率（ Hz） 4. 输出电压（用 o 表示 – 单位： V）。 P0005 中所选的值 (如果已配置了 P0005，那么，显示上面数据的 1~4项，然后相应的值不再显示 )。 连续多次按下此键，将轮流显示以上参数。 跳转功能 在显示任何一个参数（ rXXXX 或 PXXXX）时短时间按下此键，将立即跳转到 r0000, 如果需要的话，您可以接着修改其它的参数。 跳转到 r0000 后，按此 键将返回原来的显示点。 访问参数 按此键即可访问参数。 增加数值 按此键即可增加面板上显示的参数数值。 减少数值 按此键即可减少面板上显示的参数数值 . 山东城市建设职业学院学生毕业论文 18 PO100 ＝ „( 选择工作地区 ) P0304 ＝ „ （电动机额 定电压 V） P0305 ＝ „ （电动机额定电流 A） P0307 ＝ „ （电动机额定功率 W） P0310 ＝ „ （电动机额定频率 HZ） P0311 ＝ „ （电动机额定转速 r/min） P0700 ＝ „ （命令源选择） P1000 ＝ „ （选择频率设定值） P1080 ＝ „ （电动机运行的最低频率 HZ） P1082 ＝ „ （最大电动机频率） P1120 ＝ „ （斜坡上升时间 S） P1121 ＝ „ （斜坡下降时间 S） P3900 ＝ „1 （结束快速调速） PLC 的选择 本设计中选择的 PLC 是 S7— 200 S7200(德国西门子公司 ) 给 S7200 供电类型 – 给 S7200CPU 供电有直流供电和交流供电两种方式。 山东城市建设职业学院学生毕业论文 19 注：在安装和拆除 S7200之前，要确保电源被断开，以免造成人身损害和设备事故。 24V DC 供电 /14 点 24V DC 输入 /10 点 24V DC 输出 230V AC 供电 /14 点 24V DC 输入 /10 点继电器输出 山东城市建设职业学院学生毕业论文 20 CPU 的选择 本设计中选择 CPU226 压力变送器及数显仪的选型 压力传感器和压力变送器是将水管中的压力信号变成 15V 或 420 的模拟量信号，作为模拟输入模块 (A／ D 模块 )的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用 420mA 输出压力变送器。 在运行过程中，当压力传感器和压力变送器出现故障时，系统有可能开启所有的水 泵，而此时的用水量又达不 到，这就使水管中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏家中的用水 设备 (热水器、抽水马桶等 )，本文中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为 PLC 的一个数字量输入，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出。 根据以上的分析，本文选用普通压力表 Y100 和 XMT1270 数显仪实现压力的检测、显示和变送。 压力表测量范围 01MP，精度 ；数显仪输出一路 420mA，“电流信号，送给变频器作为 PID 调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。 经 过第 2章对系统方案的分析和确定，再结合上述的系统硬件的选型，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和 PLC 作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统。 山东城市建设职业学院学生毕业论文 21 系统 主电路分析及设计 供电系统的设定直接影响到控制系统的可靠性，因此在设定供电系统时应考虑下列因素： 1)输入电源电压在一定的允许范围内变化； 2)当输入交流电断电时，应不破坏控制器程序和数据； 3)当控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余； 4)当外部设备电源断电时，应不影响控制器的供电； 5)要考虑电源系统的抗干 扰措施。 系统中变频器的输入信号有两种，一种是控制信号，它包括 PLC 输给变频器的 FWD 信号和压力传感器送来的压力信号，压力信号由 PLC 输出，压力信号是作为变频器的 PID 单元的反馈输入信号；另一种是输入电源信号口引。 尽量不要用主电路电源 ON／ OFF 的方法控制变频器的停止和运行，应该用控制电路端子 FWD、 REV 或者键盘面板上 REV、 FWD和 STOP 键控制变频器的停止和运行。 变频器的输出信号也有两种，一是送 PLC的超压信号、欠压信号和变频器故障信号这三个输出控制信号，另一种是送水泵的变频器输出电源信号。 系统变频 调速控制方式如图 所示： 山东城市建设职业学院学生毕业论文 22 变频调速系统控制方式 三台大容量的主水泵 (1， 2， 3)根。