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PLC控制的恒压供水系统
设计题目:
PLC控制的恒压供水系统
设计要求:
1.设计一个采用全自动变频恒压控制方式来实现恒压供水的自控系统;
2.本系统主要以PLC来控制,按照控制要求选择器件,设计其硬件主控电路;
3.根据要求选择相应的传感器、驱动电机、阀门等;
4.按照设计要求设计相应算法,编制相应的PLC控制程序。
设计进度要求:
第一周:
确定题目,查阅资料
第二周:
根据设计要求分析恒压供水的工作原理
第三周:
对硬件进行设计
第四周:
对软件进行设计
第五周:
进行调试,找出问题
第六周:
改进设计中存在不足
第七周:
撰写设计论文
第八周:
整理论文,准备答辩
第八周:
准备毕业答辩。
指导教师(签名):
摘要
本论文主要阐述近年来我国中小城市发展迅速,集中用水量急剧增加。
供水方面迫切希望通过对原有系统的技术改造,提高生产过程的自动化水平。
针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究,开发出一种新型的并在这三个方面都有所提高的变频式恒压供水自动和手动双重控制系统降低能源消耗和资源浪费,从而提高设备的可维护性和运行的可靠性,以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。
恒压供水系统模拟了生活用水、城市供水及工业用水变化大的情况,系统有单变频,双泵及几个用水点组成,运行后当需水量较低时,单泵变频运行即可达到设定的管网压力,随用水量的增大,变频频率增加,一直达到最大频率满足需求。
如果达到工频时还是低于设定值,则将现在运行的设备切换为工频运行,变频启动另一台水泵运行。
当需水量减少,变频运行会将运行频率降低到0,如果还是高于设定值,则将工频运行设备停止,变频运行输出最大再逐渐降低以至满足要求为止。
关键词:
恒压变频供水,PLC,自动控制
目录
摘要II
1恒压供水系统的现状1
1.1恒压供水系统的特点1
1.2变频调速及PLC在供水行业中的应用1
2恒压供水系统工作原理5
2.1系统工作过程5
2.2变频调速的节能、调速原理7
3系统的硬件工作原理及硬件选择8
3.1系统简介8
3.2工作原理8
3.3PLC选型9
3.4阀门的选择13
3.5压力传感器的选择14
3.6主电路设计14
3.7控制电路的设计16
4软件设计与实现17
4.1PLC编程简介17
4.2PLC接线图21
4.3程序的设计22
4.4恒压供水系统的程序语句表24
4.5模拟运行与调试过程31
致谢31
参考文献32
1恒压供水系统的现状
1.1恒压供水系统的特点
近年来我国中小城市发展迅速,集中用水量急剧增加。
供水方面迫切希望通过对原有系统的技术改造,提高生产过程的自动化水平。
并在此基础之上配备相应的系统管理软件,改变传统的落后管理方式,使管理工作规范化,提高水厂的业务管理水平。
由于原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统,所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行,设计一套取水和供水的自动控制系统,克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题,降低能源消耗和资源浪费,提高设备的可维护性和运行的可靠性,以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。
在相当比较大规模的工业生产供水系统,变频调速恒压供水有它自身的特点:
1.供水量在短时间(一天时间内)变化大,这种变化在几个小时内是几倍或十倍。
2.对供水压力的要求比较严格,供水的压力随供水的流量的变化而变化,甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。
3.一般情况下,供水系统的水流量受到水消耗量的控制,而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。
从上即可结论:
以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要,也提高整个系统的效率,延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能。
1.2变频调速及PLC在供水行业中的应用
1.2.1变频调速技术的特点及应用
作为高性能的调速传动,直流发电机-电动机调速控制方法长期以来应用广泛。
但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦,价格也相当昂贵。
使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。
异步电机的调速方法很多,例如变极调速、有极调速、定子调压调速、变频调速等。
但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。
70年代以后,由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展,促使晶体管变频器的诞生。
晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点,而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。
三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点,其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。
到80年代末,交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术,它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流,再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源,以此电源拖动电机在变速状态下运行,并自动适应变负荷的条件。
它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式,从而达到节能目的。
现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中,较为传统的运行方式是可节电40%~60%,节水15%~30%。
由于变频调速具有调速的机械特性好、效率高、调速范围宽、精度高、调整特性曲线平滑、可以实现连续的、平稳的调速、体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。
尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时,可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器,变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类,目前国内大都使用交-直-交变频器。
自从通用变频器问世以来,变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。
变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点,使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。
恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求,是当今最先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中得到了很大的发展。
随着电力电子技术的飞速发展,变频器的功能也越来越强。
充分利用变频器内置的各种功能,对合理设计变频调速恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比,不论是设备的投资,运行的经济性,还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势,而且具有显著的节能效果。
恒压供水调速系统的这些优越性,引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视,并不断投入开发、生产这一高新技术产品。
目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制,多品种系列化的方向发展。
追求高度智能化,系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
在短短的几年内,变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程,早期的单泵调速恒压系统逐渐被全新的系统所代替。
虽然早期单泵调速系统设计简易可靠,但是其电机深度调速造成水泵、电机运行效率低,而新的调速系统投资更为节省,运行效率高,被实际证明是最优的系统设计,很快发展成为主导产品。
1.2.2可编程序控制器的特点及应用
早期的可编程序控制器,主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展,可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体,具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点,以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能,在工业生产中得到了广泛的应用。
在发达工业国家,PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。
据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称,1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元。
随着电子技术和计算机技术的发展,PLC的功能得到大大的增强,具有以下特点:
1.可靠性高。
2.具有丰富的I/O接口模块。
3.采用模块化结构。
4.编程简单易学。
5.安装简单,维修方便。
由于PLC强大功能和优点,使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。
PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。
其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以监测等。
2恒压供水系统工作原理
在大多数供水系统中,是通过变频器来改变水泵的转速,从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。
反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点,是指水泵在确定的管路系统中,实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。
在调节水泵转速的过程中,水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。
如果水泵工况点偏离设计工作点较远,不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象,还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。
水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程,这三种因素任一项发生变化,水泵的运行工况都会发生变化。
因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关。
2.1系统工作过程
系统采用3台水泵并联运行方式,把1泵和变频器连接,实现变频运行。
为保护电机,2泵和3泵用软起动器来启动。
输出控制信号经模拟量输出模块至变频器,调节水泵电机的频率。
当用水量较小时,一台泵在变频器的控制下恒压运行,当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力达到设定值时,压力传感器上传的信号被PLC检测到,PLC自动将变频泵的频率降至出水频率,同时将第二台泵软启动投入到工频运行,以保持压力的稳定,此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现;一段时间后,若2台泵运转仍不能满足压力的要求,则依次将软启动下一台水泵。
当用水量减少时,首先表现为变频器已工作在最低速信号有效,这时实际压力值大于设定压力,PLC将最后启动的工频泵停掉,以减少供水量。
一段缓冲时间后,当变频器仍工作在出水频率以下时,PLC再软停车停掉第2台工频运行的电机,此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现。
为了防止备用泵锈死,用PLC定时,B、C泵循环备用。
循环时间可默认定在每周三凌晨2点,因为这时用水量较少,备用泵循环可顺利进行。
该系统主要由3台水泵、4个闸阀、PLC、模拟量输入/输出块以及线性压力传感器等组成。
其中PLC、模拟量输入块和压力传感器组成闭环反馈控制系统。
PLC控制各台水泵的运行状态(如工频运行、变频运行、停止),从而控制水泵的运行台数,在大范围上控制供水的流量;PLC内部PID调节器控制变频器对变频泵进行速度调节,在小范围上控制供水的流量。
水泵的速度调节采用变频调速技术,利用变频器对水泵进行速度控制。
图2.1恒压供水系统
2.2变频调速的节能、调速原理
水泵机组应用变频调速技术,即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速,可以相应地改变水泵转速及工况,使其流量与扬程适应管网用水量的变化,保持管网最不利点压力恒定,达到节能效果。
采用变频恒压供水系统除可节能外,还可以使水泵机组启动,降低了起动电流,避免了对供电系统产生冲击负荷,提高了供水供电的安全可靠性。
另外,变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能,提高了系统的安全可靠性。
目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机,根据交流电机的转速特性,电机的转速n为:
n=60f(1-s)/p(式2.1)
式2.1中s为电机的滑差(s=0.02),p为电机极对数,f为定子供电频率。
当水泵电机选定后,p和s为定值,也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比,频率越高,转速越高;反之,转速越低
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