基于plc变频调速恒压供水系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于plc变频调速恒压供水系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

成本低 ，节能效果 十分显著 ，效率 也相对较 高， 不足是必须有 专门的变极电机， 包含 有级调速，且级差 变化较 大 ，即变速时转速 改变相当 大， 同样 转矩 变化也 大， 所以仅仅能满足 特定转速的生产 设备。 改变转差率调速为了 获得较大的调速范围而一般选取 串级调速的 办法 ， 该方法 最大 好处就是能够循环利用 转差功率，节能效果 更为突出 ，且调速性能 优越 ，但 因为 线路 结构太过繁琐 ，增加了 线路 环节的电能损 耗 ，成本高 的缺点严重了 影响它的推广价值。 以下重点 分析改变电源频率调速的方法及特点。 依 据公式可 得 ， 若 转差率 改变不大 时，异步电动机的转速 n 大体 上与电源频率 f成线性关系（一般为正比关系）。 连续调节电源频率，就 能够 平滑地 控制 电动机的转速。 基于 PLC 变频调速恒压供水系统设计 第 6 页 共 63 页 但是， 简单的控制 电源 频率 变化 ， 会导致 电机运行性能恶化。 伴随着 电力电子技术的 逐步成熟 ，已 开发 了各种性能 优越 、 运行稳定 的变频调速电源装置，它们 推进 了变频调速技术 的广泛应用。 变频恒压供水系统 的 控制方案 控制方案的 选择 恒压变频供水系统 一般由 单元变频器、恒压控制 、 压力变送器、水泵机组以及低压电器组成。 系统主要的 任务 是利用恒压控制 模块 使变频器控制一台水泵或控制多台水泵， 维持 管网水压的 稳定， 同时还 应具备 对运行数据 实施 传输和监控。 依据 系统的设计目的 要求，有以下几种方案可供 参考 ： (1) 有供水基板的变频器 +水泵机组 +压 力传感器 这种控制系统结构 相对比较简单 ，将 PID 调节器 与 PLC 等硬件集成在变频器供水基板上， 采取 设置指令代码 完成 PLC 和 PID 等电控系统的 功能。 该控制系统 虽然 简化了电路结构， 降低 了设备成本，但在压力设定和压力反馈值 两方面的显示过程中又太过繁琐 ， 不能 自动 满足各个 时段的不同恒压 需 求， 进行 调试时， PID 调节参数寻优 环节比较复杂 ，调节 幅度相对较 小，系统的稳态、动态性能 很难得到 保证。 其输出接口 也存在扩展功能 灵活度低 ，数据 传输 困难，并且 影响 了带负载的容量，因此仅 仅能够满足 于要求 较低 的小容量场合。 (2) 通用变频器 +单 片机 (包括变频控制、调节器控制 )+人机界面 +压力传感器 该控制 方式控制精度 相对较 高、控制算法 灵活多变 、参数调整 十分容易 ，具 备优越的性价比，但 研发 周期 比较 长，程序 一旦 固化， 不易改动 ，因此现场调试的灵活性 变得非常之差 ， 并且当 变频器在 工作 时， 容易 产生干扰，变频器的功率越大，产生干扰越大，所以必须采取 一定 的抗干扰措施来 确保 系统的可靠性。 该系统 仅 适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水 系统 中。 (3) 通用变频器 +PLC(包括变频控制、调节器控制 )+人机界面 +压力传感器 该 控制方式灵活 简单。 具 备不错的 通信接口， 能够 方 便地与其他的系统进行数据交换，通用性 相对较高 ； 目前 由于 PLC 产品的系列化和模块化，用户可 按照实际需要 组成规模和 需求 不同 的 控制系统。 在硬件设计 过程中 ， 仅 需确定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接线 即可 ， 若 控制要求发生 一定变化 ， 能够轻松 地 利用 PC 机来 控制 存贮器中的控制程序，所以现场调试 十分简单。 并且基 于 PLC 的抗干扰能力强、可靠性高 特点 ，因华北科技学院毕业设计 第 7 页 共 63 页 此系统的可靠性大大 改善。 该系统能 满足 各类 不同要求的恒压供水 情形 ，并且与供水机组的容量 范围没有任何关系。 通过 以上 这几种方案的 对比 和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本 设计。 这种 控制方 式 既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能 满足 系统稳定性及控制精度的要求。 系统的 组成及原理图 PLC 控制变频恒压供水系统 一般由 变频器、可编程控制器、压力变送器和 现场的水泵机组 等几个部分 组成一个完整的闭环调节系统， 该系统的控制流程图如图 22 所示： 图 22 变频恒压供水系统控制流程图 从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为： (l) 执行机构：执行机构 由一组水泵组构成 ， 该组水泵的作用是 将水 引 入 居民用水管网， 该水泵组主要 由一台变频泵和两台工频泵 组成 ，变频泵是 通过 变频调速器控制、能够 进行变频调整 功能 的水泵，用 来依据具体的用水情况调节 电机的转速，以维持管网的 压力稳 定；工频泵 仅工作 于启、停两种工作状态，用以在用水量 相对较 大（变频泵达到工频运行状态都 不能达到供水需求 时）的情况下投入 使用。 (2) 信号检测机构：在系统控制 环节 中， 必须采集许多关键 信号 包括 管网水压信号、基于 PLC 变频调速恒压供水系统设计 第 8 页 共 63 页 水池水位信号和报警信号。 管网水压信号 代表 的是 供水 管网的水压值， 该信号 是恒压供水控制的 核心 反馈信号。 管网水压 信号是模拟信号，读入 PLC 时， 须 进行 A/D 转换 过程。 此外 为 改善 系统的可靠性，还需对供水 管网 的上限压力和下限压力用电接点压力表实施 检测，检测结果可以送给 PLC， 当作 数字量输入；水池水位信号 表征 水泵的进水水源是否 充裕。 信号 正常 时，控制系统要对系统 进行相应的 保护控制，以 避免 水泵 出现 空抽 现象 而 导致 电机和水泵 损坏。 水池水位 信号来 源于 安装 在 水池中的液位变送器；报警信号 表征 系统是否 处于 正常 工作状态 ，水泵电机是否 出现 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 绝大数情况下都 安 置 在供水控制柜 里 ， 它主要 包 含 供水控制器 (PLC 系统 )、变频器 及 电控设备三个 模块。 供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的 绝对重点。 供水控制器直接 通过 对系统中的压力、报警 等 信号进行 检测收集 ，对来自人机 及 通讯接口的 综合信息采取 分析、实施控制算法， 获得 对执行机构的控制 方式 ， 利用 变频调速器和接触器对执行机构进行 相应的 控制；变频器是对水泵 采取 转速控制的 基础 设备 ， 它通过 跟踪供水控制器送来的控制信号 调整 调速泵的 工作 频率，完成对调速泵的转速控制 过程。 通过 水泵机组中水泵被变频器 控制 的 类型各异 ，变频器 的两种运行方式是 变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器 控制 某一台水泵作为调速泵，当这台水泵 工作 在上限频率 时，其供水量仍 不能达到 用水 需 求， 必须 增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵 机组 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 控制其中 一台水泵作为调速泵， 若 这台水泵 工作 在 上限频率 时，其供水量仍不能达到 用水要求， 必须 增加水泵机组时，系统直 接启动另一台恒速水泵，变频器不 进行 切换，变频器固定拖动的水泵在系统 开始 运行 之 前可以 进行 选择 ， 该 设计 系统 中采用前者。 作为 一个 完整的 控制系统，报警 模块 是 不可或缺 的重要组成部分。 由于 该 系统 可适应 于 各种 供水领域，所以为了 确保 系统安全、可靠、 稳定 的运行 性能 ， 避免 因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对 各种 报警量进行监测 分析 ，由 PLC 判断报警类别，进行显示和 不同的 保护动作控制， 从而避 免造成不必要的损失。 变频恒压供水系统以 系统 出口管网 水压 为控制目标，在控制上 达到 出口总管网的实际供水 压力跟随设定的供水压力。 设定的供水 水压 可以是常数，也可以是一个时间分段华北科技学院毕业设计 第 9 页 共 63 页 函数， 即 每个时段内是一个常数。 所以，在 不同 特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网 上 的实际供水压力维持在设定的供水 压 力上。 变频恒压供水系统的结构框图如图 所示： P I D D / A变 频 器接 触器水 泵机 组管 道压 力 变 送 器A / D给 定－管 网 压 力P L C 图 23 变频恒压供水系统框图 恒压供水系统 一般利用安装 在 居民 供水管 网 上的压力变送器实时地 测量 参考点的水压， 测得 管网出水压力，并将 该信号 转 化成 4—20mA 的电 子 信号 ， 该 检测信号是 完成 恒压供水的 主要 参数。 因为 电信号为 模拟量，故必须 利用 PLC 的 A/D 转换模块才能读入 并与设定值进行对比 ，将比较后的 结果通过 PID 运算，再将运算后的数字信号 利用D/A 转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号， 调节 变频器的输出频率，从而控制电机的转速 大小 ，进而 调节 水泵的供水流量，最 后维持居民 供水管 网 上的 水压稳定 ，实现变频恒压供水 目的。 系统控制流程 变频恒压供水系统控制流程如下 : (l) 系统 正常启动 ， 依据接 收到自控系统启动 的正常 信号后，启动变频器 调节 变频泵 M1 开始运行 ， 依据 压力变送器 检测 的 用户 管网实际 水压 和设定 水压间的 偏差 进行 调节 变频器 的实际 输出频率， 进而调节 Ml 的转速 大小 ， 若 输出 水压 达到设定值， 而 供水量与用水量 也维持 平衡时，转速才稳定到某一定值， 该时间段 Ml工作在调速运行状态。 (2) 若 用水量增 大 水压减小， 从 压力变送器反馈的 压力 信号 就会 减小， 进而 偏差变大， PLC 的输出信号变大， 从而 变频器的输出频率 相应 变大，水泵的转速 加快 ， 系统 供水量增大，最终水泵的转速 会达到另一个相对稳定的值。 反之， 若 用水量 降低 水压增加时， 利用 压力闭环 系统 ，减小水泵的转速 且会达 到另一个 相对稳定的 值。 (3) 若实际 用水量 持续升高 ，变频器的输出频率 等于 上限频率时， 若此时用户管网的实际 水压 还未达到设定 水压 ， 而 且 达到 增加水泵的条件 (在下节有详细阐述 )时，变频基于 PLC 变频调速恒压供水系统设计 第 10 页 共 63 页 循环式的控制方式下，系统将 会 在 PLC 的控制下自 行 投入水泵 M2 进行变速工作 ，同时变频泵 M1 作 工频 运行 ，系统 恢复 对水压的闭环调节 控制方式 ，直 至 水压达到设定值为止。 假使 用水量 不断 增 大 ， 达到 增加水泵的条件，将继续发生如上 过程 ， 而 另一台工频泵 M3 将开始运行 ，变频器输出频率达到上限频率时， 水压没有达到 设定值时，系统 将会发出水压超限报警 的信号。 (4) 若实际 用水量 减少 水压升高，变频器的 实际 输出频率 已经减小至 下限频率，用户管网 中 的 实际水压仍 然超过 设定值， 而 且 达到了 减少水泵的 相应 条件时，系统 使 工频泵 M2 停 掉，恢复对水压的闭环 控制 ，使压力重新达到 原来的 设定值。 若实际 用水量继续下降，并且 达到 减少水泵的 相应 条件时，将继续发生如上 相同的过程 ， 且会使 另一台工频泵 M3 关掉。 水泵切换条件分析 在上述 分析 的 供水系统运行过程 中 ，讨论到 当变频泵己 经 运行在上限频率， 且用户管网的实际 水压 仍 低于 设定 水压 ， 这 时 就必须 增加水泵 数量 来 达到 供水 需求 ， 完成 恒压的目 标，若 变频泵和工频泵都在 正常工作 且变频泵己 经 运行在下限频率，此时 用户 管网的实际 水压 仍 超过 设定 水 压 ，此时 必须通过 减少工频泵来减少供水流量， 达到 恒压的 要求。 那么 该怎样 进行 水泵间 切换，才能 让 系统 始终保持 稳定可靠的供水压力， 并且 使机水泵 组不 会太过频繁 的切换呢 ? 因为 电网的 影响 以及 受限于 变频器和电机 的 工作频率， 50HZ 自然而然地 便成了 频率调节的上限频率。 此 外，变频器的输出频率 也不可能 为负值，最低 也 只能是 0HZ。 事实上 ，在实际 情况 中，变频器输出频率是不可能降 至 0HZ， 因此 当水泵机组运行，电机驱动 水泵 组给用户 管网供水时，由于管网中 水压 会 产生 反 作用而作用于 水泵，给 驱动 水泵运行电机一个反向的力矩， 并且该 水压也阻 碍 源 了 水池中的水 顺利地 进入 用户 管网，因此， 若 电机运行频率下降到 某个 值时，水泵 其实已经根本 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 具体情形 中就是电机 运行 的下限频率。 这个频率 事实上 远大于 0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所 相 关， 一般在 20HZ 左右 浮动。 因此人们规定 50HZ 和 20HZ 作为水泵机组切换的上下限频率。 当 变频器实际 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。 如果满足 fs PP 时就 开始相应的 机组切换， 也有 可能 因为 新增加了一台机 组 参与工作 ，供水压力 瞬间 就超 出 了设定压力。 在 特殊 的 运行条件下 ，运行机组 数量 增加 之 后，实际供水华北科技学院毕业设计。