基于plc的楼宇恒压供水系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的楼宇恒压供水系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

： (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，包括供水控制器变频器 水泵 用户管网 压力 压力变送器 给定值 + 9 (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，本设计中采用 变频循环式。 现将 系统控制流程说明如下： (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，将另一台水泵 M3 投入运行（变速运行）， M2 工频运行。 变频器输出 10 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。 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 ： 11 图 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： 12 西门子系列 PLC编程采用 STEP7软件，它是西门子 PLC的视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。 系统程序包括主程序和起动子程序，主程序包括参与调节程序和电机切换程序；电机切换程序又 包括加电机程序和减电机程序。 起动子程序实际上是清零子程序。 在主程序中，设置两个变频器频率上下限到达滤波时间继电器，用于稳定系统。 2 变频恒压供水系统设计方案的确定 设计任务及要求 本系统是以一个供水系统作为被控对象， PLC 与变频器协调控制电机的转速与启动和停止。 系统控制要求 : (1) 工艺参数 : 供水系统由 3 台水泵组成： 母管压力 H≥，一台定速，一台变速，一台备用。 母管压力 H≤，一台定速或变速，二台备用。 母管压力 H≤，一台变速，二台备用。 (2) 电动机参数： 型号： JDL394 功率： 75KW 额定频率： 50Hz 额定电压： 380VAC； 额定转速： 1470 r/min 额定电流： A (3) 水泵电机的起动 /停止、正转、调速控制。 (4) 变频器采用远方控制方式。 (5) 通过母管压力变送器测得实际压力大小，同时和压力给定组成闭环控制。 (6) 变频器的运行状态指示（如运行、停止、过流、低压等）。 (7) 变频器的报警处理。 备选设计方案 13 系统主电路设计 图 系统主电路图 14 由恒压供水主电路图可见，接触器 1KM 2KM和 3KM2 用于变频器输出，分别接到水泵 M M2 和 M3，而接触器 1KM 2KM3 和 3KM3 将工频电源接到 3 台水泵。 变频器可以对任何一台水泵启动和恒压供水控制。 空气开关（ QL）是当电动机过载时自动将电动机从电网中 断开 热继电器（ FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中用作电动机的过载保护。 3 器件的选型及介绍 变频器简介 变频器的基本结构与分类 变频器的基本结构 变频器是把工频电源 (50Hz或 60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速 运行的设备。 变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。 其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。 对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的 CPU 以及一些相应的电路。 变频器的分类 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为 PAM 控制变频器、 PWM 控制变频器和高载频 PWM 控制变频器；按照工作 原理分类，可以分为 V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 变频器的控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有 V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。 (1) V/f控制 15 V/f控制是为了得到理想的转矩 速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。 V/f控制变频器结构非常简单，但是这种 变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。 (2) 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在 V/f 控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。 这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 (3) 矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在 d、 q、 0 坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。 通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种 PWM 波，达到各种不同的控制目的。 例如形成开关次数最少的 PWM 波以减少开关损耗。 目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。 (4) 直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下 分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。 即使在开环的状态下，也能输出 100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。 (5) 最优控制 最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。 例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。 16 变频器选型 变频器的控制方式 控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。 目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约 5O 多种。 选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。 下 表中参数供选用时参考。 表 控制方式的比较 控制方式 U/f=C 控制 电压空间矢量控制 矢量控制 直接转矩控制 反馈装置 不带 PG 带 PG 或 PID调节器 不要 不带 PG 带 PG或编。