基于plc的变频调速的恒压供水控制系统的_设计毕业设计(编辑修改稿)

基于plc的变频调速的恒压供水控制系统的_设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

C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 工作基于 PLC 的变频调速恒压供水系统的设计 系统的理论分析及控制方案确定 14 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，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。 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。 基于 PLC 的变频调速恒压供水系统的设计 系统的理论分析及控制方案确定 15 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，实际供水压力在设定压力上下波动。 若出现 sfPP 时就 进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力一下 就超过了设定压力。 在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力超过设定供水压力，而新增 加的机组在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。 如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入 — 切出 — 再投入 — 再切出地循环下去，这增加了机 组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中， 实际供水压力也会在很大的压力范围内震荡。 这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。 另外， 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。 所以，在实际应用中，相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。 实际的机组切换 判别条件如下 [11]： 加泵条件： UPff 2dfsPPP 且延时判别成立 () 基于 PLC 的变频调速恒压供水系统的设计 系统的理论分析及控制方案确定 16 减泵条件： LOWff 2dfsPPP 且延时判别成立 () 式中： UPf ： 上限频率 LOWf ： 下限频率 sP ： 设定压力 fP ： 反馈压力 17 3 系统 的 硬件设计 系统主要设备的选型 根据 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 所示 ： A / D 模 块 可 编 程 控 制 器 ( P L C ) 通 讯 模 块压 力变 送 器故 障 、 状 态等 量 输 入报 警 、 控 制等 量 输 出人 机 界 面上 位 机 、组 态 等变 频 器水 泵 机 组软 启 动 、 自耦 变 压 器 图 系统的电气控制总框图 由以上系统电气总框图可以看出 ,该系统的 主要硬件设备应包括以下几部分 ： (1) PLC 及其扩展模块 、 (2) 变频器 、 (3) 水泵机组 、 (4) 压力变送器 、 (5) 液位变送器。 主要 设备选型如表 所示： 表 本系统主要硬件设备清单 主要设备 型号及其生产厂家 可编程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模拟量扩展模块 Siemens EM 235 变频器 Siemens MM440 水泵机组 SFL 系列水泵 2 台（ 上海 熊猫机械有限公司） 压力变送器及显示仪表 普通 压力表 Y100、 XMT1270 数显仪 液位变送器 分体 式液位变送器 DS26(淄博丹佛斯 公司 ) 基于 PLC 的变频调速恒压供水系统的设计 系统的 硬件设计 18 PLC 及其扩展模块的选型 PLC 是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。 因此我们在选择 PLC 时，要考虑 PLC 的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接 口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。 由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此 PLC选用德国 SIEMENS 公司的 S7200 型。 S7200 型 PLC 的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点； PLC 可以上接工控计算机， 对自动控制系统进行监测控制。 PLC 和上位机的通信采用 PC/PPI 电缆，支持点对点接口 (PPI)协议，PC/PPI 电缆可以方便实现 PLC 的通信接口 RS485 到 PC 机的通信接口RS232 的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护 [12]。 根据控制系统实际所需端子数目，考虑 PLC 端子数目要有一定的预留量 ，因此选用的 S7200 型 PLC 的主模块为 CPU226，其开关量输出为16 点，输出形式为 AC220V 继电器输出 ； 开关量输入 CPU226 为 24 点 ，输入形式为 +24V 直流输入。 由于实际中需要模拟量输入点 1 个，模拟量输出点 1 个，所以需要扩展，扩展模块选择的是 EM235， 该模块有 4 个模拟输入 (AIW)， 1 个模拟输出 (AQW)信号通道。 输入输出信号接入端口时能够自动完成 A/D 的转换，标准输入信号能够转换成一个字长 (16bit)的数字信号 ； 输出信号接出端口时能够自动完成 D/A 的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够 转换成标准输出信号。 EM235 模块可以针对不同的标准输入信号，通过 DIP 开关进行设置。 基于 PLC 的变频调速恒压供水系统的设计 系统的 硬件设计 19 系统 主 电路分析及其设计 基于 PLC 的变频恒压供水系统主电路图如图 所示 ： 两 台电机分别为 M M2，它们分别带动水泵 2。 接触器 KM KM3 分别控制M M2 的工频运行；接触器 KM KM4 分别控制 M M2 的变频运行； FR FR2 分别为 两 台水泵电机过载保护用的热继电器； QS QSQS3 分别为变频器和两 台水泵电机主电路的隔离开关； FU 为主电路的熔断器。 本系统 采用 两 泵循环变频运行方式 ，即 2 台水 泵中 1 台水泵在变频器控制下作变速运行， 另一台 水泵 在工频下 做恒速运行 ， 在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过 3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。 因此 在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内两 台水泵都可轮流做变频泵。 基于 PLC 的变频调速恒压供水系统的设计 系统的 硬件设计 20 图 变频恒压供水系统主电路图 三相电源经低压 熔 断器、 隔离开关 接至变频器的 R、 S、 T 端，变频器的输出端 U、 V、 W 通过接触器的触点接至电机。 当电机工频运行时，连接至变频器的 隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器 和隔离开关。 主电路中的低压 熔 断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器 FR 实现。 变频和工频两个回路不允许同时接通。 而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。 同样从工频转为变频时，也必须 先将工频接触器断开，基于 PLC 的变频调速恒压供水系统的设计 系统的 硬件设计 21 才允许接通变频器输出端接触器，所以 KM1 和 KM KM3 和 KM4 绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。 为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将 4~20mA 电流信号 送至上位机来显示。 同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。 并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。 初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。 如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。 系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路 (如直接使 熔 断 器或隔离开关 断开 )，而必须通过变频器实现软启动和软停。 为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。 当采用手动控制时，必须采用自 耦 变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。 系统控制 电路分析及 其 设计 系统实现恒压供水的 主体控制设备是 PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。 本系统采用 西门子公司S7200 系列 PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。 PLC 主要 是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：自动控制两 台水泵的投入运行； 能在两 台水泵之间实现变频泵的切换；两 台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动 /自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。 如图 为电控系统控制电路图。 图中 SA 为手动 /自动转换开关， SA打在 1 的位置为手动控制状态；打在 2 的状态为自动控制状态。 手动运行时，可用按钮 SB1~SB4 控制 两 台水泵的启 /停；自动运行时，系统在 PLC程序控制下运行。 基于 PLC 的变频调速恒压供水系统的设计 系统的 硬件设计 22 图中的 HL10 为自动运行状态电源指示灯。 对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器 KA 的触点对变频器进行复频控制。 图中的 ~ 及 ~ 为 PLC 的输出继电器触点，他们旁边的 8 等数字为接线编号，可结合下节中图 一起读图。 图 变频恒压供水系统控制电路图 注： PLC 各 I/O 端口、各指示灯所代表含义 在下一节 I/O 端口分配中将详细介绍。 本系统在手动 /自动控制下的运行过程如下： (1) 手动控制： 手动控制只 在检查故障原因时才会用到 ，便于 电机 故障的检测与维修。 单刀双掷开关 SA 打至 1。