基于plc和变频器的水泵站恒压供水_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc和变频器的水泵站恒压供水_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

0V 电流： 103A 转速 ： 2970 r/min 额定频率： 50Hz、 60Hz Y200L2 型三相异步 电机 参数介绍 电动机功率： 37KW 电压： 380V 电流： 70A 转速 2950 r/min 额定频率： 50Hz、 60Hz 供水压力要求： 根据《村镇供水工程技术规范》（ SZ31020xx)，供水区域内有楼房时，应满足大多数居民用水需求，出水头 28m（约六层），既 ,考虑不利点因素和水压递减损失，出泵水压设计 . 论文设计的任务和要求 设计任务是常宁市民心自来水厂供水项目 2 级泵房电气电气控制器的设计。 二级泵房属于加压泵站，可以直接安装在上级管网末端，加压给用户。 直接设计的电气控制系统，要满足供水要求，既要满足国家相关水压，可靠性，节能指标。 设计水压稳定值在 左右。 主要研究内容： 1 水泵站整体控制方案设计。 2 主要设备选型，特别是 PLC，变频器的选型。 3 主电路设计。 4. 采用 PLC 控制电路的设计。 5. PLC 程序设计 第 6 页 共 50 页 2 电气控制器方案设计 设计任务和控制对象分析 二级泵站加压方式选择： 二级水泵站又称为增压站，加压方式有两种 蓄水池法：将上级管网的水存入蓄水 池，然后水泵再从水池中取水加压。 直接增压法：将水泵直接安装在管道上，直接加压，不设水池。 其中蓄水池法的缺点比较明显：浪费能量，上级管网送来的水压力值不可能是零，如果建一个水池，再从水池中将水重新抽出来，等于浪费了上级管网送过来的末端水压值，是一种能量浪费；占地面积大，投资成本高。 除了一些早期的项目，目前在国内增压泵站蓄水池设计基本被淘汰。 控制对象分析 自来水厂二级泵房电气控制器的设计，控制对象是三相交流电机，控制器核心是 PLC，由于原始资料中要求对用户分区。 为了对两个区的用户都能实 现变频恒压供水，我们选用两台变频器。 一区用户：三相异步电机 Y250M2 三台，功率 55KW，两用一备。 二区用户：三相异步电机 Y200L2 两台，功率 37KW，一用一备。 设计目标是，使水泵变频器的控制下，根据压力传感器检测的压力信号，在变频器的控制下，每台电机既能在工频下运行，又能在变频下运行。 根据需要，自动切换。 本设计是某自来水厂二级泵房电气控制器的设计，要求设计的电器控制器能实现供水的可靠性，满足供水要求，供水方案科学合理。 通过对原始资料的分析，确定了设计 方案，根据设计方案内容进行了主要设备设备选择。 在此基础上，完成硬件电路设计，才能使各种设备组成一个完整的系统，完成设计任务。 设计方案的选择 根据设计任务要求，要设计一个自来水厂二级泵房的电气控制器，查阅资料根据 第 7 页 共 50 页 国内主要的泵站控制系统进行比较分析，并最终确定设计方案。 方案一：传统继电器 +变频器 的控制 此种控制方案是早期国内最普遍的控制方式，也是目前国内大部分工厂仍然采用的控制方式，主要优点是价格便宜，简单实用。 但是随着单片机， PLC 等一些可编程的智能控制器的发展和普及，将逐渐被淘汰。 其主要 以下几个缺点 (1 )缺乏灵活性：继电器控制是依赖于硬件设备之间的逻辑接线来实现的，是一种依赖与物理层面的控制系统，一旦控制系统发生变化或者有新的要求，很难实现灵活多变的改变控制策略，只能不得不拆除设备，重新接线布局和设计，相当的繁琐和浪费时间精力，人力物力。 (2 )控制速度相对较慢：继电器的动作是一种机械特性动作，动作返回大部分还依赖于弹性变形等，而且动作的时候存在无法避免的机械抖动现象，对需要处理的信号造成干扰，相对于可编程控制器的软件精确微秒级的反应速度，显然落后很多。 (3) 时间延迟难以控制：继 电器的时间延迟依赖于时间继电器的的滞后动作，精度低受环境干扰因素大，不利于定时控制。 方案二： PLC+变频器 控制 可编程控制器是专为工业控制而设计的控制器件，具有以下优点 (1 )灵活性高： PLC 具有单片机可编程的这个突出优点，而且编程的方式和方法大大简化，有梯形图，功能表图，助记符等方法。 当控制要求发生变化时只需重新编写程序再载入 PLC 中即可。 (2) 可靠性高：相比于单片机等其他控制设备， PLC 最突出的优势就在于它是工业控制现场专用的控制器，强大的抗干扰能力，极度简化的外围电路和硬件，大大提高了它的可 靠性。 针对性的减少了需要连接的外围电子元件，而只要确定一些 I/O 端口连接即可。 在信号输入输出的地方还加入光电隔离，杜绝信号干扰。 (3 )操作维护简单方便： PLC 对操作和维护人员要求低，操作简单快捷，维护方便。 通过对以上二种常见方案的比较分析，我们针对二级泵站的设计任务要求，因为是针对城镇居民的生活用水，对供水可靠性要求较高，所以选择方案二： PLC+变频器的控制方式。 第 8 页 共 50 页 系统框图 根据所选择的设计方案和控制对象分析，系统组成部分如图 P L C1 号 变 频 器2 号 变 频 器工 控 机故 障 信 号1 号 机 组 2 号 机 组压力信号压力信号 图 系统框图 从系统框图中我们可以看到，设计的 水泵房控制系统主要有以下几个部分 （ 1）电机及负载 电机及负载是整个控制系统的执行部分，系统执行模块其实就是用来带动水泵机组抽水的电动机组。 它分为调速泵和恒速泵，根据压力传感器输入的信号与设定值比较，调速泵在变频器的控制下变速运行，调节水泵出口处压力值，达到变频恒压供水的目的。 恒速泵工作在工频 50HZ，它是在变频器调到最大频率无法满足供水要求的情况下启动的，启动后维持在工频运行，当用水量下降，另一台变频运行的水泵 被停机以后，恒速泵在 PLC 的控制下，将转入变频运行。 （ 2） 主电路 主电路是将整 个系统设备有机的组合在一起所必须的电力电子器件，主要有开关电路，控制接触器，熔断器，热继电器，隔离开关等。 将电力电子器件安装设计要求组成整个硬件电路。 （ 3） 控制器 控制器是整个系统的核心，包括 PLC，变频器和工控机。 第 9 页 共 50 页 PLC 控制系统是整个系统的核心，它负责信号的采集检测，信号处理，控制电机和变频器的自动切换运行。 变频器根据控制方式的不同的，分为循环变频控制和固定变频控制两种控制方式。 循环变频控制是指：当变频器频率增加到工频时依然无法满足供水要求时候，将变频器连接的这台电机切换到工频运 行，而变频器本身切换到下一台电机，带动下一台电机软启动逐渐增加频率，依次类推。 固定变频控制是指：当需要增加电机运行时，变频器不切换，而是由 PLC 控制直接启动另一台电机。 工控机的作用有两个：一个是对整个系统的实时运行状态监测和显示，便于对设备运行状态常规检查和故障维修，特别是发生不正常运行状态时，如过载短路过流等故障，能迅速反应，启动报警装置。 另一个作用是，工控机是人和控制系统信息交换参数设定的通道窗口，可以直接通过组态软件对需要设定的参数进行二次设定。 （ 4）信号检测与处理 信号检测包括：液位检测 信号，压力检测信号，故障检测信号，过载检测信号。 液位检测信号是将水池中水位信息进行采集，反馈给 PLC 的装置。 压力检测信号是将水泵出口处的压力进行检测，并将信号反馈给变频器，由变频器和设定值进行比较，控制电机工作频率。 过载信号和故障信号检测室将系统部正常工作状态信号反馈给 PLC， PLC 控制声光报警装置作出反应。 第 10 页 共 50 页 3 主要设备选型 PLC 的选型 PLC 的基本构成 PLC 的种类繁多，但其基本结构和工作原理基本相同。 它主要由中央处理器 (CPU)、存储 器、输入 /输出 (I/O)接口，电源等组成，如下图 所示。 （ 1）中央处理单元 (CPU) 中央处理单元 (CPU)一般由控制器，运算器和寄存器组成，它是 PLC 的核心部分。 它的主要任务有 :控制接收和存储编程设备输入的用户程序和数据。 诊断 PLC 内部电路的工作故障和编程中的错误。 扫描 I/O 接收的现场状态，并按照用户程序对信息进行处理，然后刷新输出接口，对执行部件进行控制。 （ 2）存储器 存储器是 PLC 存放程序和数据的地方，它包括系统程序存储器和用户程序存储器。 系统存储器用来存放 PLC 生产厂家编写的系统程序，并固化 在 PROM 或EPROM 存储器中，用户不可访问和修改。 用户程序存储器主要包括用户程序存储区和数据存储区二个部分。 用户程序存储区用于存储用户编写的控制程序，数据存储区用于存放用户程序中使用器件的 ON/OFF 状态和各种数值数据等。 （ 3）输入输出单元 输入 /输出单元是 PLC 接受和发送各种开关量、模拟量和数字量信号的接口部件。 输入单元用于接收现场的二些控制信号，通过接口电路转换成中央处理器可识别和处理的低电压信号，并存入输入映像寄存器。 输出单元将中央处理器输 出的低电压信号，经过输出接口电路将其转换成现场的强电信号。 (4)电源单元 电源单元是 PLC 的电源供给部分。 它的作用是把外部供应的电源转换成 CPU、存储器等电路工作所需要的直流电，及向外部器件提供 24V 直流电源。 (5)外设接口与扩展接口 PLC 可以通过外设接口与监视器、打印机、 PLC 或计算机相连。 扩展接口用于 第 11 页 共 50 页 将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使 PLC 的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。 图 PLC 的基本构成图 PLC 的选型 目前， PLC 的品牌和种类 很多，大概有 300 多个品种，以美国、德国、日本的品牌最为显著，在我国也有一些生产 PLC 的厂家，其生产品牌如表 所示。 表 PLC 主要产品及型号 国家名称 公司名称 主要系列产品 美国 AB 公司 SLC500/PLC5/PLC3 GE 公司 GE1/GE1/J/GE1P/GEV 德国 SIEMENS S7200/S7300/S7400 日本 欧姆龙 C20P/C20/C120/C200H/C500/C1000 三菱 F/F1/F2/FX0/FX2/A 中国 华电光子 SU/SG 在选择 PLC 时，首先要根据控制系统的功能要求，选择一种自己比较熟悉的，性价比比较高的机型。 机型选好以后，再确定 PLC 的结构形式，整体式的PLC 一般适用于工艺流程相对固定、维修量小、环境条件好的小型控制系统，而模块式结构的 PLC 适用于工艺流程复杂、维修量大、环境条件差的控制系统。 在进行 PLC 型号的选择时，要考虑控制系统实现的功能，选择低档机、中档机还是高档机。 另外，还要考虑 I/O 点数的要求，一般在确定控制系统的 I/O 点数后，还要留有 15%20%备选 I/O 点数。 同时，还要考虑 PLC 的存储容量，一般用户的存储容量 =开关量输入点数 10+开关量输出点数 5+模拟量输入 /输出点 第 12 页 共 50 页 数 100 字节，还要留有 30%50%的裕量。 最后还要根据系统的功能要求，考虑是否要选择模拟量输入 /输出模块和特殊功能模块。 本设计 PLC 选择德国西门子公司的 S7200。 西门子 S7— 200 系列 PLC 是一种小型的可编程控制器，它具有紧凑的设计、良好的扩展性、较高的可靠性、丰富的指令集、强大的通信功能以及低廉的价格，使得其可以完美地满足小规模的控制系统的要求。 S7— 200 系列 PLC 的 CPU 包括 CPU22 CPU22 CPU22 CPU224XP 和 CPU226 等型号。 新升级的 CPU224和 CPU226PLC，运算速度提高了 40%。 表 是 S7— 200 系列 CPU 的特征 表 S7200 系列 CPU 特征 特征 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226 数字输入 6 8 14 14 24 数字输出 4 6 10 10 16 数字输入 /输出的最大值 10 78 168 168 248 模拟输入 0 8 28 30 28 模拟输出 0 4 14 15 14 模拟输入 /输出的最大值 0 10 35 38 35 程序内存 4 4 8/12 12/16 16/24 数据内存 2 2 8 10 10 本次设计任务的输入输出端口计算： 输出端口计算：考虑远期设计要求在 10 年后，而产品的更新换代非常快，并且即使远期需要增加一台水泵，只需要增加一个输入输出扩展模块 EM231 即可，这里。