电气自动化类专业---课程设计课件

1、*电子与电气系课程设计*技术学院 课 程 设 计 题 目 变压器恒压供水系统设计与实现 专 业 电气自动化 班 级 电气*班 学 号 * 学生姓名 * 指导教师 * 完成日期 *年*月*日 摘 要随着控制技术的发展与完善，变频器及PLC在各个行业的应用愈来愈广，PLC与变频器的可靠性与灵活性得到了用户的认可。同时传统的水塔供水方式暴露了很多缺点：水的二次污染，用水高低峰的不平衡，管道阀门易损坏，维修保养费用过高等等。在此条件下各种恒压供水方式应运而生，其中由变频器、PLC控制的方式尤为普遍，这种方式的特点：系统稳定，功能强大，变频器用于供水更加节能，所以广泛应用在多层住宅小区生活消防供水系统中

2、，现在好多场合也有应用，比如中央空调系统、供水加压站、集中供热等，这种方式经受了时间的考验，已有很多的应用实例。本文介绍的系统在宝鸡某电厂家属区已从98年运行至今，系统稳定，性能可靠，得到了用户的肯定和好评。关键词：变频器；可编程控制器；组态；恒压供水目录摘要21 绪论12 变压器恒压供水系统任务设计22.1 设计任务及要求22.1.1 控制系统描述22.1.2 控制要求及功能22.2 变压器恒压供水系统简介22.2.1 变压器恒压供水系统理论分析22.2.2 变压器恒压供水控制系统构成22.3 系统主电路设计32.4 系统工作原理33 相关器件的选型及接线53.1 变频器53.1.1 变频器

3、的选型53.1.2 变频器接线63.2 可编程控制器（PLC）63.2.1 PLC的工作原理63.2.2 PLC的选型73.2.3 PLC的接线83.3 变送器93.3.1 压力变送器的接线93.3.2 用水量变送器的接线94 PLC编程控制及变频器参数设置94.1 PLC控制94.2 PLCI/O分配表104.3 PLC程序114.4 变频器参数设置165 上位监控系统组态设计175.1 设备编辑（设备通道）175.2 设备窗口组态20结论23参考文献241 绪论 恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水压力值是根据用户需求确定的，传统的恒压供水方式是采用水

4、塔、高位水箱、气压罐等设施来实现，随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、pid调节器、传感器、plc等器件的有机组合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。变频恒压供水的调速系统可以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，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是相对先进、合理的节能型供水系统。充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水系统具有以下特点:(1)变频调速恒压供水系统具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的

5、差异，因此其控制对象具有很强的多变性。(2)供水系统的控制对象是管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。(3)管网中因为有某些因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。2、变压器恒压供水系统任务

6、设计2.1 设计任务及要求2.1.1 控制系统描述用三台水泵通过管道输送水，在用户用水波动时，维持输水管道压力恒定。2.1.2 控制要求及功能（1）系统能按要求保证输水系统的压力。确定压力监测点，当用户较多时，采用灵活的水泵投入方式，系统能保证输水管道恒压在0.3MP；（2）系统能保证输水系统某容器中的液位恒定，通过进口及出口阀门的调整保证其液位的恒定；（3）水泵电机的工、变频的运行转换时，先切除变频，2s后转投工频运行；（4）系统的操作应该简单明了，其操作既能在控制柜上完成，也能在触摸屏上完成；（5）要求触摸品上的操作画面美观大方、便于使用。2.2 变压器恒压供水系统简介2.2.1 变压器恒

7、压供水系统理论分析从图2-1中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。图2-1变频恒压控制原理图2

8、.2.2 变压器恒压供水控制系统构成变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。承压水罐的压力变送器输出4-20mA的压力信号进入PLC的模拟输入端，PLC将承压水箱的压力信号与设定值比较，经过PID调节后输出4-20mA模拟信号，通过变频器的频率设定端控制变频器的输出频率，从而实现控制水泵转速，控制水泵的出水量，控制承压水箱的压力。图2-2变频恒压供水系统方框图2.3 系统主电路设计图2-3系统

9、主电路图由图3-1可见，接触器KM1、KM3、KM5用于变频器输出，分别接到水泵D1、D2、D3，控制水泵变频运行；接触器KM2、KM4、KM6将工频电源接到三台水泵，控制水泵工频运行。变频器可以对任何一台水泵启动和恒压供水控制。2.4 系统工作原理 闭合空气开关QF1-QF8，供水系统投入运行。将手自动转换开关全部打到自动档，系统进入全自动运行状态，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压

10、控制。同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持5s，则PLC会将当前第一台水泵的变频运行泵切换为工频运行，并在2s后启动第二台水泵的变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。增泵工作过程：设定增泵顺序为D1、D2、D3。启动时，D1在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器

11、输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将D1与变频器连接的电磁开关断开，5s后D1切换到工频运行，同时变频器与D2连接， 控制D2投入调速运行。如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将D2切换到工频运行，D3投入变频运行。减泵工作过程：设定减泵顺序依次为D3、D2、D1。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过

12、程。如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。3、相关器件的选型及接线3.1 变频器3.1.1 变频器的选型根据设计的要求，本系统的变频器采用恒压供水系统使用最多的三肯变频器,型号为SAMCO-VM05-2.2K，如图3-1所示：图3-1变频器端子连接示例3.1.2 变频器接线模拟量输入端子：IRF（4-20Ma+），ACM（4-20Ma-）外接信号输入，需将DCM1与DI1短接需设置参数如下：序号参数号参数名称参数值参数说明1cd001运转指令选择2外部端子信号输入2cd002速频设定方法选择6外部

13、4-20mA模拟量信号输入3cd007上限频率50HZ4cd008下限频率05cd062偏置频率（IRF/VRF2）P04-20mA对应量程下限6cd063增益频率（IRF/VRF2)P504-20mA对应量程上限7cd630输入端子DI1定义1正转变频器接线，如图3-2所示：图3-2变频器接线图3.2 可编程控制器（PLC）3.2.1 PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次

14、所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。3.2.2 PLC的选型本系统采用西门子S7300 313C-2DP PLC作为控制器，它自带16路开关量输入、16路开关量输出；远程采集模块配SM331,8路12位模拟量输入模块；SM332，4路13位模拟量输出模块；PLC电源采用PS307，2A电源供电。PLC系统配置，如图3-3所示：图3-3PLC系统配置图 3.2.3 PLC的接线图3-4PLC系统接线图3.3 变送器3.3.1 压力变送器的接线图3-5压力变送

15、器接线图3.3.2 用水量变送器的接线图3-6用水量变送器接线图4 PLC编程控制及变频器参数设置4.1 PLC控制PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频变频的切换和水泵工作数量的调整，工作流程如图4-1所示：图4-1PLC工作流程图系统起动之后，如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态。4.2 PLCI/O分配表代码名称地址输入信号START启动M1.1PT-1远程进口压力模拟量电流值PIW256FT-1远程流量模拟量电流值PIW262输

16、出信号1-bianrun1#泵变频运行Q124.01-gongrun1#泵工频运行Q124.12-bianrun2#泵变频运行Q124.22-gongrun2#泵工频运行Q124.33-bianrun3#泵变频运行Q124.43-gongrun3#泵工频运行Q124.5PIC-1压力控制信号（变频器）PQW272FIC-1流量控制信号（调节阀）PQW276图4-2PLC I/O信号的代码、名称及地址分配表4.3 PLC程序组织块OB1：（1）3台泵工变频比较部分水泵工变频运行的比较过程中主要是将压力输出值MD18与上限100进行比较，当MD18等于100时水泵工频运行；当MD18小于100时水

17、泵变频运行。（2）3台泵工变频转换运行部分闭合M0.0，2s后启动1#水泵变频运行，M1.0闭合，D1工频比较运行，当MD18=100时，5s后M0.3闭合，1#泵2s后转工频启动。当1#泵工频运行时，M1.1闭合，D1变频比较运行，若MD18100，5s后1#泵转变频运行，若MD18保持等于100,1#泵持续工频运行，同时2s后2#泵变频运行。当2#泵变频运行时，D2工频比较运行，若MD18=100，5s后2#泵转工频运行。当2#泵工频运行时，D2变频比较运行，若MD18100，5s后2#泵转变频运行，若MD18保持等于100,2#泵持续工频运行，同时2s后3#泵变频运行。当3#泵变频运行时

18、，D3工频比较运行，若MD18=100，5s后,3#泵转工频运行。当1#、2#、3#泵同时工频运行时，压力测量值上升达到给定值并稳定运行5s后重新启动1#水泵变频运行，反复修改参数 设定，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。4.4 变频器参数设置参数设定值参数设定值cd0012cd0802800r/mincd0031cd0814cd005380cd0900cd00650HZcd091100cd00760HZcd0920cd0080.01HZcd0930cd0091cd094100cd0172cd0950cd0502cd0026cd0532 4 0.37cd0491cd0601cd00

19、01cd0781.65cd0991cd07915 上位监控系统组态设计5.1 设备编辑（设备通道）图5-1通用串口设备属性编辑图5-2实时数据库编辑图5-3设备编辑窗口5.2 设备窗口组态在本系统中，根据需要共编辑4个窗口，包括主窗口、压力控制窗口、用水量控制窗口及历史曲线窗口。通过主菜单界面可以调用不同的界面，也可根据需要在系统运行主界面中改变压力及用水量的给定值给定值。系统运行主监控窗口如图5-4所示，主窗口实时显示了设定的压力值和当前测定压力值；同时显示了设定的用水量及当前测定的用水量；系统的运行情况；三台水泵变频/工频运行状态等。主窗口：图5-4主窗口编辑压力控制窗口：图5-5压力控制窗口编辑用水量控制窗口：图5-6用水量控制窗口编辑历史曲线：图5-7历史曲线窗口编辑结论本文在分析和比较用于供水行业的控制系统的发展和现状的基础上，结合我国供水的现状，设计了一套一拖多的控制系统，在这个毕业设计中有如下认识； 1.在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f，来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的，分析水泵工况点激流调节和变速调节能耗比较土，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时。流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力节流相比，在一定程度上可以减少能量损耗