基于S7-200PLC控制的变频恒压供水控制系统设计毕业设计(论文)

1、毕业论文声明本人郑重声明：1 .此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果.除了特别加以标注地方外,本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果.对本文研究做出重要奉献的个人与集体均已在文中作了明确标明.本人完全意识到本声明的法律结果由本人承当.2 .本人完全了解学校、学院有关保存、使用学位论文的规定,同意学校与学院保存并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版,允许此文被查阅和借阅.本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文.3 .假设在大学学院毕业论文审查小组复审中,发现本文有抄袭,一切后果均由

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4、国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅.本人授权大学可以将本学位论文的全部或局部内容编入学校有关数据库和收录到?中订国学位论文全文数据库?进行信息效劳.在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的局部或全部内容用于学术活动.论文作者签名：日期：指导教师签名：日期：建基于S7-200PLC限制的变频恒压供水限制系统设计摘要近年来,随着我国国民经济的迅速开展,能源紧缺问题日益明显,因此应用变频调速技术来提升供水质量,降低能耗,在供水领域已得到越来越广泛的重视.变频包压供水限制系统采用先进的变频调速、PLC等技术组成一闭环限制系统,用于民用建筑、生产用水,可使水泵出口

5、压力保持恒定.恒压供水的根本限制策略是：采用可编程限制器PLC与变频调速装置构成限制系统,进行优化限制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供水压力的闭环限制,即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量,自动补偿用水量的变化,以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求,还可节约电能,使系统处于可靠工作状态,实现恒压供水.关键字：水泵、变频器、恒压限制、PLCAbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentofChinasnationaleconomy,theenergyshortageproblemisbecomingi

6、ncreasinglyapparent,sotheapplicationofVVVFtechnologytoimprovewaterquality,reduceenergyconsumption,inthefieldofwatersupplyhasbeenmoreandmoreattention.InvertercontrolconstantpressurewatersupplysystemusingadvancedFrequencyControl,PLCandothertechnicalcomponentsofaclosed-loopcontrolsystemforcivilconstruc

7、tion,productionwater,canmaintainaconstantoutletpressurepumps.Constantpressurewatersupplyisthebasiccontrolstrategy:theuseofprogrammablelogiccontroller(PLC)andconstitutesafrequencyconvertercontrolsystem,optimizedcontrolofthegovernortorunpumps,andautomaticallyadjuststhenumberofrunningpumpstocompletethe

8、watersupplyclosed-loopcontrolofpressure,thatis,accordingtotheactualsettingsautomaticallyadjustwaterpressurepumpmotorspeedandthenumberofpumps,automaticcompensationforchangesinwaterconsumptiontoensurethatthepressureofthewatersupplynetworktomaintainthesetvalue,boththewatersupplytomeettheproductionrequi

9、rements,butalsotosavepower,thesystemisinreliableworkingcondition,toachieveconstantpressurewatersupply.Keywords:waterpump;inverter;constantpressurecontrol;energysavingeffects目录摘要1Abstract4目录5第一章前言71.1 供水系统简介71.2 目前国内的四类供水限制方式71.2.1 逻辑电子电路限制方式81.2.2 单片微机电路限制方式81.2.3 带PID回路调节器和/或可编程序限制器PLC的限制方式81.2.4 新

10、型变频调速供水设备81.3 变频调速技术开展历程及展望91.4 变频恒压供水的原理101.5 变频恒压供水的意义11第二章方案确实定13装2.1设计内容和要求132.2 方案的选择132.2.1 调速调节流量的方法132.2.2 压力限制点设在水泵出口处132.2.3 VVVF调速的优点142.2.4 选用PLC的优点15订2.2.5单闭环限制系统的优点162.2.6 采用PID调节器的优点162.2.7 水泵和变频器的选择以及切换的原那么162.2.8 各种按钮以及显示172.3 方案的设计172.4 .工作原理19线2.5系统优点20第三章系统论述223.1 系统的组成223.2 系统各局

11、部的介绍223.2.1 水泵电机223.2.2 变频器233.2.3 可限制编程器PLC243.2.4 压力变送器253.2.5 PID调节器253.2.6 限制信号253.2.7 保护局部263.2.8 显示局部和故障报警26第四章系统设计284.1 主电路图的设计284.2 限制电路的设计284.2.1 限制电路的设计284.3 软件梯形图的设计304.4 元器件的选择354.4.1 水泵的选择354.4.2 变频器的选择364.4.3 接触器的选择384.4.4 热继电器的选择404.4.5 低压断路器的选择404.4.6 PID调节器的选择414.4.7 压力变送器的选择424.4.8

12、 按钮开关的选择424.4.9 其它元器件的选择434.5 布置图434.5.1 面板的布置444.5.2 限制柜的布置444.6接线图44第五章系统分析455.1 工况分析455.2 程序调试455.2.1 自开工作方式调试465.2.2 手开工作方式调试465.2.3 故障局部调试47结束语48致谢49参考文献50附录A:使用说明书51附录B:指令语言：52附录3:元器件清单56第一章前言1.1 供水系统简介我国的传统供水方式一般有三种：包速泵供水,水塔及上下位水箱供水,气压罐供水.包速泵供水在用户的用水量变化时,供水管路上水压也会随着变化,这个变化较大,效率也变化很大,无论从管路设计还是

13、从能耗角度讲都不合理.这种供水方式只适用于供水量不大及供水量稳定的场合,而供水量大,变化频繁的场合是不适用的.为了改善上述系统,人们首先采用了水塔和上下位水箱的方法解决供水的矛盾,这种方式的优点是水泵充分工作在额定点,耗能十分合理,管路上压力恒定,供水稳定,缺乏之处是投资大,占地大,建造周期长,在当前对供水设备的小型化,经济化,灵活化的要求下,人们想出了一种气压供水的方法.气压供水设备利用气压罐做调节容器来调节供水量,这种方式供水能使水泵工作在最大效率附近,耗能比恒速泵更合理,管路上压力变化不大,比水塔,上下位水箱投资少,制造简单,占地少,周期短.但气压罐供水缺乏之处也很明显,当供水量比较大时

14、50m3以上,占地面积也较大,消耗钢材也很多,而且由气压供水本身构造决定必然是差压供水,这就多消耗了电能,比例一般占总电能的10%30%.,积累下来也造成了巨大的电能浪费.随着变频器技术的日益成熟,变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用.由于交流电动机变频调速系统具有高效节能,限制灵活,通用性强等诸多优点,因此越来越被广泛地应用到现代生产,生活中.尤其在当前资源紧张的大环境中,对节能的要求更为紧迫.近年来,随着我国国民经济的迅速开展,能源紧缺问题日益明显,因此应用变频调速技术来提升供水质量,降低能耗,在供水领域已得到越来越广泛的重视.随着变频调速技术的开展和人们对生活饮用水品质要求的不断提升,

15、变频包压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统.然而,由于新系统多会继续使用原有系统的局部旧设备如水泵,在对原有供水系统进行变频改造的实践中,往往会出现一些在理论上意想不到的问题.本文介绍的变频限制恒压供水系统,是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中,根据尽量保存原有设备的原那么设计的,该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题,既表达了变频限制恒压供水的技术优势,同时有效的节省了资金.1.2 目前国内的四类供水限制方式1.2.1 逻辑电子电路限制方式这类限制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节.往往采用一台泵固定于变频状态,其余泵均为工频

16、状态的方式.因此限制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试比较麻烦、工频泵起动有冲击、抗干扰水平较弱.但本钱较低.1.2.2 单片微机电路限制方式这类限制电路优于逻辑电路,但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦,追加功能时往往要对电路进行修改,不灵活也不方便.电路的可靠性和抗干扰水平都不是很局.1.2.3 带PID回路调节器和/或可编程序限制器PLQ的限制方式该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源,实现电机的无级调速,从而使管网水压连续变化.传感器的任务是检测管网水压.压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值.压力设定信号和压力反响信号在输入可编程限制器后,经订PID调节器的限制

17、,输出给变频器一个转速限制信号.由PID回路调节器输入给变频器一个转速调节信号.由于变频器的转速限制信号是由可编程限制器或PID回路调节器给出的,所以对可编程限制器来说,既要有模拟量输入接口,又要有模拟量输出接口.由于带模拟量输入/输出接口的可编程限制器价格很高,这无形中就增加了供水线设备的本钱.假设采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程限制器,那么要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM调制板,将可编程限制器输出的数字量信号转变为模拟标准信号,限制器的本钱没有降低,还增加了连线和附加设备,降低了整套设备的可靠性.如果采用一个开关量输入/输出的可编程限制器和一个PID回路调节器,其本钱也和

18、带模拟量输入/输出的可编程限制器差不多.所以,在变频调速恒压给水限制设备中,PID限制信号的输入和输出确定就成为降低给水设备本钱的一个关键环节.1.2.4 新型变频调速供水设备针对传统的变频调速供水设备的缺乏之处,国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品,如华为的TD2100;施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO-I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系歹U产品；富士公司的G11S/P11S系列产品；这些产品将PID调节器以及简易可编程限制器的功能都综合进变频器内,形成了带有各种应用宏的新型变频器.由于PID运算在变频器内部,这就省去了对可编程限制器

19、存贮器内部,这就省去了对可编程限制器存贮容量的要求和对PID算法的编程,而且PID参数的在线调试非常容易,这不仅降低了生产本钱,而且大大提升了生产效率.由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法,所以使水压的调节十分平滑,稳定.同时,为了保证水压反响信号值的准确、不失值,可对该信号设置滤波时间常数,同时还可对反响信号进行换算,使系统的调试非常简单、方便.这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点,但功能却强很多,所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备,降低了设备本钱,提升了生产效率,节省了安装调试时间.1.3 变频调速技术开展历程及展望作为高性能的调速传动,直流发电机-电动机

20、调速限制方法长期以来一直被广泛应用.但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦,价格也昂贵.使用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、用级调速、变频调速等.但是由于各种各样的缺点均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开展,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、价格廉价、功率和转速适应面宽等优点,具变频调速技术在小型化、低本钱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

21、调速技术迅速开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,从而到达节能目的.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%.众所周知,水泵的耗功率与转速三次方成正比,水泵是根据工频是设计的,但正常运行时多数时间是流量较少时的情况,变频能使转速根据流量的变化而变化,速度可以下降20%比工频运行能节省20%-40%J耗能.由于变频调速具有

22、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较的节能效果.1.4 变频恒压供水的原理在供水中,水泵的电能消耗及设备的维护治理费用在生产本钱中占有很大的比例,水泵电机作为一种高耗能通用机械,其耗电量占全国电量总消耗的219包上,具有很大而节能潜力.由于常规供水系统是采用常规的阀门来限制水量的,而轴功率与转速的三次方成正比,造成相当局部电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机.因此,这种调控虽然简单,但从节约能耗的角度来

23、看,很不经济.近年来电机调速技术的应用,为水泵的节能开辟了一个新途径.它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化,使水泵始终在高效区工作,将大大地降低水泵能耗,合理地进行设备治理与维护,对节约能源和提升供水企业的经济效益具有极其重要的意义.水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的.但实际运行中水泵每天只有很短时间的最大流量,其流量随外界用水情况在变化,扬程也因流量和装水位的变化而变化.因此水泵不能总保持在一个工况点,需要根据实际情况进行限制.通常采用的方法有阀门限制和调速限制.阀门限制是通过增加管道的阻抗而到达限制流量的目的,因而浪费了能量,而电动机调速限制可以通过改变水

24、泵电动机的转速来改变水泵的工况点,使其流量与扬程适应管用水量的变化,维持压力的恒定,从而达订到节能效果.由流体力学可知,水泵给管网供水时,水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比：水泵的转速n与出水量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q的平方成正比.由上属关系有,水泵的输出功率P与转速n的三次方成正比,即：线P=kiHQ(11)n=k2Q(12)H=kd(13)P=kn3(14)式中匕、k2、k3、k为比例常数.当系统出水量减小时,通过变频调速装置将供水水泵转速调小,那么水泵的输出功率也随转速的变小而减小.变频调速节能原理图如图1.1所示：图1.1变频调速节能原理图图中曲线1、2、

25、3为管网阻力特性曲线,曲线4为水泵转速为ni时的运行特性曲线,曲线5为水泵转速为n2时的运行特性曲线.水泵原来的工作点为曲线3和曲线4的交点A,此时的出水量为Qi,管网压力为Hi,水泵的转速为ni.当系统的出水流量减小到Q2时,系统管网特性曲线1,曲线1和曲线4的交点B为运行工作点.此时管网压力值为H2,水泵输出功率正比于H2XQ20由于H2H1,高出的压力能量就被浪费了,同时过高的压力对管网和设备还可能造成伤害.如采用变频调速装置,将此时水泵的转速调至n2,曲线5和曲线2的交点C为水泵的运行工作点.调速后观望的压力仍保持为H1,出水量为Q2,水泵的输出功率正比于H1XQ2o从图中可见,阴影局

26、部正比于浪费的功率输出.例如,当Q2为Q1的80%时,通过调速将n2调至n1的80%,那么水泵的输出功率P为P的51.2%.如不采取调速限制,48.8%的能量将被浪费.可见变频调速的经济效益十分可观.1.5 变频恒压供水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,不管是设备的投资,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.包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.目前该产品正向高可靠性、全数字化微机限制,多品种系列化的方向开展.追求高度智能化,系列标准

27、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.本系统所采用的包压供水系统具有很重要的意义.用户用水是经常变化的,因此,供水缺乏和供水过剩的情况时有发生.而用水和供水之间的不平衡集中地反响在供水的压力上：用水多而供水少,那么压力低；用水少而供水多,那么压力高.保持供水的压力恒定,可使供水和用水之间保持平衡,即用水多时供水也多,用水少时供水也少,从而提升了供水质量.包压供水对于某些工业和特殊用户是非常重要的.例如在某些生产过程中,假设自来水供水因故压力缺乏或短时缺水,可能影响产品质量,严重时使产品报废和设备损坏.又如当发生火警时,假设供水压力缺乏或无水供给,

28、不能迅速灭火,可能引起重大的经济损失和人员伤亡.所以,某些用水区采用恒压供水系统具有较大的经济和社会意义.第二章方案确实定2.1设计内容和要求为一建筑物设计其供水系统.此供水系统所要满足的要求：1用水量：正常供水量25立方米/小时,最大供水量65立方米/小时,扬程70米；2限制压力为0.3MPa,限制范围0.3+0.03MPa,同时设定压力可调；3设定自动、手动两种工作方式；4设置各种所需保护；5面板上有压力、频率、电压等显示功能；6面板上有工作显示和故障显示,具有故障报警.装2.2方案的选择2.2.1 调速调节流量的方法订由水泵-管道供水原理可知,调节供水流量,原那么上有二种方法；一是节流调

29、节,开大供水阀,流量上升；关小供水阀,流量下降.另一种方法是调速调节,水泵转速升高,供水流量增加；转速下降,流量降低,对于用水流量经常波动变化的场合例如生活用水,采用调速调节流量.众所周知,水泵消耗功率与转速的三次方成正比.线即P=Krn,P:为水泵消耗功率；n：为水泵运行时的转速；K为比例系数,可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化,最终到达节能的目的.本系统节能效果显著.2.2.2 压力限制点设在水泵出口处一般来说,压力限制点可设在两个典型位置.一是设在供水水泵出口处,在给水设备间内,治理维护都较方便,另一方法是设在用户最不利点处,远离给水设备,虽然治理不便,但是供水能耗少.在本系统中,将

30、压力限制点设置在水泵出口处,由于其本身就是一个节能系统,主要是考虑到治理维护方便.将压力限制点设置在水泵出口处,可以很敏感地检测到压力的变化,压力变送器检测到压力信号,转化为420mA的电流信号,并把信号传送给PID调节器.PID调节器把压力变送器输送来的电信号进行处理,并输出电信号,限制变频器,从而限制水泵转速.这局部的信号都是模拟信号.2.2.3 VVVF调速的优点由转速n=60f1-s/p可知,异步电动机调速有以下几方法：1 .改变磁极对数p变极调速定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构.所以,要改变p,必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式.通常一套绕组只能换接成两种磁极对数

31、.变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速,又适用于恒功率调速；具缺点是有极调速,且极数有限,因而只适用于不需平滑调速的场合.2 .改变转差率s变转差率调速以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、用极调速等.3 .改变频率f变频调速当极对数p不变时,电动机转子转速与定子电源频率成正比,因此,连续的改变供电电源的频率,就可以连续平滑的调节电动机的转速.异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点,可以方便的实现恒转矩或恒功率调速,整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似,并可与直流调

32、速相媲美.因此本系统选用变频调速,用变频器的频率变化来限制电动机的转速.变频调速是一种新兴的技术,将变频调速技术用于供水限制系统中,具有高效节能、水压恒定等优点.变频调速恒压供水设备以其节能、平安、高品质的供水质量等优点,在小区供水和工厂供水限制中发挥了很大的作用.与用调节阀门来实现的恒压供水系统相比,用变频器调速来实现包压供水具有更好的节能效果.但变频器也有它固有的缺点：给电网造成谐波污染,给交流电动机造成不利的影响,给电子装置带来干扰.启动方法：自开工作方式下,所有的水泵电动机都是变频启动；手开工作方式下,所有的水泵都是直接启动.根据限制方式可分为四类：包压频比限制方式、转差频率限制方式、

33、矢量限制方式、直接转矩限制方式.在进行电机调速时,通常要考虑的一个重要因素是,希望保持电机中每极磁通量为额定值,并保持不变.如果磁通太弱,即电机出现欠励磁,将会影响电机的输出转矩,由一.T=Cmm12cos22-1式中T:电磁转矩,m：主磁通,I2：转子电流,COS2:转子回路功率因素,可知,电机磁通的减小,势必造成电机电磁转矩的减小.由于电机设计时,电机的磁通常处于接近饱和值,如果进一步增大磁通,将使电机铁心出现饱和,从而导致电机中流过很大的励磁电流,增加电机的铜损耗和铁损耗,严重时会因绕组过热而损坏电机.因此,在改变电机频率时,应对电机的电压进行协调限制,以维持电机磁通的恒定.在交流异步电

34、动机中,外加电源电压U要和定子绕组的反电动势日根本保持平衡.由U=B=4.44fiNm可知：磁通量大小与电压和频率的比值有关.当fl下降时,磁通增加,引起电动机铁心饱和,严重时将烧毁电动机,这是不允许的.为了保持气隙磁通m不变,就要求降低供电频率的同时降低输出电压,保持U/f为常数.为此,用于交流电气传动中的变频器实际上是变压VariableVoltage,简称VM变频VariableFrequency,简称VF器,即VVVF所以,通常也把这种变频器叫作VVVF装置或VVVF1.1.4 选用PLC的优点继电器是具有惯性的器件,动作有延迟,而系统的动作顺序要充分考虑这种延迟.继电器限制电路实习的

35、限制功能比较简单,只限于逻辑、定时、计数等一些简单的控制.由于这种限制关系往往是针对某一固定的生产工艺设计的,当生产过程发生变更时,须重新设计,改变继电器及接线.同时,继电器的机械动作还会造成限制速度低,安装施工工程量大,系统不易扩展,维护工作量大,故障不易查找等缺点.可限制编程器PLC是一种新型的工业自动化限制装置.它具有限制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点,在国内外得到了广泛地应用.多年来,PLC从其产生到现在,实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强,实现了逻辑限制到数字限制的进步；其应用领域从小到大,实现了单体设备简单限制到胜任运动限制、过程限制及集散限制等各种任

36、务的跨越.今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面水平都已大幅提升,成为工业限制领域的主流限制设备,在各行各业发挥着越来越大的作用.PLC的可靠性高,限制功能强,与外部设备连接方便,体积小,重量轻,维护方便,克服了继电器限制电路的缺点.基于PLC的限制方式与其他限制方式相比,性价比高.因此,本系统采用基于PLC的限制电路.1.1.5 单闭环限制系统的优点变频恒压供水限制系统采用先进的变频调速、PLC等技术组成一闭环限制系统,用于民用建筑、生产用水,可使水泵出口压力保持恒定.当用水量增大或减小时,水泵转速随之进行调节,到达调节水压恒定的目的.开环系统结构简单,很容易实现,但是容

37、易受干扰信号的影响,也不容易使水压保持恒定.调节系统结构简单仅一单闭环系统,便于使用和维护.一般来说,结构简单,使用维护较简单方便,同时可靠性也较高.由于本系统的限制要求比较简单,单闭环的结构就可以实现限制要求,也预防了复杂闭环系统的冗繁.单闭环系统能够时刻感受到水压信号的变化,将其反响与给定信号进行比较,及时调整变频器的功率,通过其调节水泵的转速,到达水压的恒定的目的,经济实用,设计合理.1.1.6 采用PID调节器的优点由于带模拟量输入/输出接口的可编程限制器价格很高,这无形中就增加了供水设备的本钱.假设采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程限制器,那么要在可编程控制器的数字量输出口另接一

38、块PWM调制板,将可编程限制器输出的数字量信号转变为模拟标准信号,限制器的本钱没有降低,还增加了连线和附加设备,降低了整套设备的可靠性.如果采用一个开关量输入/输出的可编程限制器和一个PID回路调节器,其本钱也和带模拟量输入/输出的可编程限制器差不多.所以,在变频调速恒压给水限制设备中,PID限制信号的输入和输出确定就成为降低给水设备本钱的一个关键环节.对限制系统的根本要求有：稳定性、准确性、快速性等.比例环节P具有快速性,积分环节I具有无偏差和稳定性,微分环节D具有快速性和超前性.因此系统采用PID调节器.1.1.7 水泵和变频器的选择以及切换的原那么供水需可靠保证,首先给水设备要可靠,由适

39、宜选择运行可靠性能优良的泵保证,其次采取某些举措保证供水不间断高质量供水例如有手动限制保证自动限制失灵时的供水,各种故障保护动作时能及时停止相关泵供水同时转为手动检修状态以检修出故障处实施维护修理预防因设备故障而断水等.任何品牌的变频器与变频供水控制器配合,即可实现多泵并联包压供水.从平安的角度出发,为本系统选择三台水泵供水.当一台水泵发生故障时,可以启动其他水泵进行供水.从经济的角度出发,当三台水泵同时工频运行时,要满足最大的用水量.这样就可以把水泵功率选小,与之相匹配的变频器的功率也就可以选小.利用变频器调速,使电动机的驱动在可变速情况下工作,使流量和马达转速成正比,产生的压差与速度的平方

40、成正比,因此在减小速度时,只损失很小的能量,节能效果相当可观.因此,本系统采用三台水泵供水,一台变频器进行限制.水泵的切换方式为：三台水泵,一台水泵作第一级变频运行,另二台作第二级变频备用泵.当第一级变频泵到达工频运行时,切换至工频,第二台备用泵变频启动.当第二级变频泵到达工频运行时,切换至工频,第三台备用泵变频启动.停泵时停第二、级泵.1.1.8 各种按钮以及显示设定工作、检修两种工作状态,设定自动、手动两种工作方式,需要两个旋钮进行实现.为了节省PLC的输入/输出点,只将旋钮的一个触点接入输入口.设置了所需保护；低压断路器和热继电器来保护水泵电机.面板上有压力、频率、电压等显示功能,分别由

41、PID调节器,频率表,电压表来实现；面板上有工作显示和故障显示,工作显示包括工频运行指示灯和变频运行指示灯；每台水泵都有故障显示等,变频器的故障指示灯.还有故障报警功能.2.3 方案的设计三台水泵供水,压力限制点设在水泵出口处,用变频器、PLC、调节器等组成闭环调节系统,以保正水泵出口压力恒定.闭环系统的原理框图如下：IIU水泵的切换方式为：三台水泵,一台水泵作第一级变频运行,另二台作第二级变频备用泵.当第一级变频泵到达工频运行时,切换至工频,第二台备用泵变频启动.当第二级变频泵到达工频运行时,切换至工频,第三台备用泵变频启动.停泵时停第三、二级泵.恒压供水的根本限制策略是：采用可编程限制器P

42、LC与变频调速装置构成限制系统,进行优化限制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供水压力的闭环限制,即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量,自动补偿用水量的变化,以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求,还可节约电能,使系统处于可靠工作状态,实现恒压供水.其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源,实现电机的无级调速,从而使管网水压连续变化,同时变频器还可作为电机软启动装置,限制电机的启动电流.压力变送器的作用是检测管网水压.PID调节器实现管网水压的PID调节.PLC限制单元那么是泵组治理的执行设备,同时还是变频器的驱动限制,根据用水量的实际变化,自动

43、调整其它工频泵的运行台数.变频器和PLC的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便.水泵电机实现变频软启动,消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击,延长机电设备的使用寿命.系统采用基于可编程限制器PLC限制的变频调速方式,自动调节水泵电机转速,自动完成电机的变频运行与工频运行的切换,自动完成各种保护,显示,报警功能,使水压平稳过渡,延长设备使用寿命,提升供水质量,降低能耗.2.4 .工作原理变频器是恒压供水限制系统的核心部件,水泵电机是输出执行装置,具转速由变频器限制,实现变流量恒压供水.变频器接受PID调节器发出的信号,实现对水泵速度的限制；限制器综合给定信号和反响信号后,经过PID调节器,

44、向变频器输出运转频率指令.压力传感器检测出水泵出水口处的实时出水压力,并将其转变为限制器可接受的模拟信号即反响信号,这样就构成了一个闭环实时限制系统.整个系统的流程图如下：远传压力表变频包压供水设备投入运行前,首先应设定设备的工作压力等相关运行参数,设备运行时,由远传压力表连续采集供水管网中的水压及水压变化的信号,并将其转换为电信号传送至PID限制系统,限制系统将反响回来的信号与设定压力进行比较和运算,如果实际压力比设定压力低,那么发出指令限制水泵加速运行,如果实际压力比设定压力高,那么限制水泵减速运行,当到达设定压力时,水泵就维持在该运行频率上.如果变频水泵到达了额定转速频率,经过一定时间的

45、判断后,如果管网压力仍低于设定压力,那么限制系统会将该水泵切换至工频运行,并变频启动下一台水泵,直至管网压力到达设定压力；反之,如果系统用水量减少,那么系统指令水泵减速运行,当降低到水泵的有效转速后,那么正在变频运行的水泵停止变频运行,将它前面的那台水泵由工频切换至变频运行,减少水泵的运行台数,直至管网压力恒定在设定压力范围内工作,变频包压供水方式,进一步提升了工作效率,节约了能源.用水需求T管路水压J压力设定值与反响值的差值TPID输出T一一变频器输出频率T管一水泵电机转速T管供水流量T管路水压趋于稳定用水需求路水压T压力设定值与反响值的差值J一一PID输出J变频器输出频率J水泵电机转速J水

46、流量J管路水压趋于稳定本系统有工作和检修两种状态,有手动和自动两种工作方式.供水系统一般处于工作状态,有手动和自动两种工作方式.当系统出现故障报警,进行检修时,可以把系统处于检修状态,这时只能进行手开工作.自开工作时,三台水泵根据频率和压力信号进行自动切换.当按下自动方式的启动按钮时,一台水泵作第一级变频运行,另二台作第二级变频备用泵.随着用水量的增加,供给水泵的频率提升.当第一台变频泵到达工频运行且水压到达下限时,第一台水泵切换至工频运行,第二台备用泵变频启动.当第二台变频泵到达工频运行且水压到达下限时,第二台水泵切换至工频运行,第三台备用泵变频启动.当用水量变化时,变频器的输出频率会发生变

47、化.当变频器的频率到达下限且水压到达上限时,正在变频工作的那台水泵先停止,它的前一台泵由工频切换至变频工作.当按下停机按钮时,所有的水泵都停止工作.手开工作时,每一台水泵都有启动和停机按钮,来限制它们的启停.当按下一台水泵的启动按钮时,它就以工频运行.当按下停机按钮时,该台水泵就停止工作.当水泵出现故障或者变频器出现故障时,或者蓄水池液位过低时,所有的水泵都停止工作.面板上会出现故障显示,报警器会报警.等把旋钮旋到检修状态时,停止报警,进入检修阶段.只有当系统正常后,故障显示才会恢复正常.2.5 系统优点1 .恒压供水技术因采用变频器改变电机电源频率,从而到达调节水泵转速改变水泵出口压力,相比

48、靠调节阀门的限制水泵出口压力的方式,具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能.2 .由于水泵工作在变频工况,在其出口流量小于额定流量时,水泵转速降低,减少了轴承的磨损和发热,延长了泵和电机的机械使用寿命.3 .由于水泵工作在变频工作状态,在其运行过程中其转速是由外供水量决定的,故系统在运行过程中可节省电能,其经济效益是十清楚显的.4 .变频器直接限制电机运行,设定参数灵活方便.可灵活设定频率下限、加速时间减速时间、换泵时间等各种工作参数,历史记录功能能够显示系统运行状态,查阅各种故障原因.包压供水技术因采用变频器改变水泵电动机的运行频率,从而调节水泵转速,改变水泵出口压力,比采取手动调节阀门限制

49、出口压力的方式,具有降低管路阻力,大大减少截流损失的效能.因实现恒压自动限制,预防操作人员频繁手动操作,大大提升了跟踪调节精度,降低了操作人员的劳动强度,节省了人力.5 .对电网冲击小,保护功能完善.消除了水泵电机直接起动时对电网的冲击和干扰,并且设备限制系统具有短路、过流、过载、等多种保护功能,大大提升了工作效率,由于变频泵工作在变频工况,在其出口流量小于额定流量时,泵转速降低,减少了轴承的磨损和发热,延长了泵和电机的机械使用寿命.第三章系统论述3.1系统的组成该系统由系统蓄水池,水泵电机,压力传感器,PID调节器,变频器,PLC以及各种保护和限制局部组成.3.2系统各局部的介绍3.2.1

50、水泵电机水泵电机是输出执行装置,通过调速能实现水压恒定是由水泵特性决定的.水泵的性能曲线即HQ4线和管路性能曲线画在同一坐标系中,如图4-1所示,这两条曲线的交点A就是水泵的工作点.假设把水泵的效率曲线一坐标系中,可以找出A点的扬程HA、流量QA以及-Q也画在同效率从图中可以看出,水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头损失相等,水泵抽送的流量等于管路所需的流量,从而到达能量和流量的平衡,这个平衡点是有条件的,平衡也是相对的.一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时,平衡就被打破,并且在新的条件下出现新的平衡.HQHHQ叩Q七图3-1水泵工作点确实定3.2.2变频器变频器是一种静止的频率

51、变换装置,可将电网电源的50HZ恒定频率交流电或直流电变换成可调频率的交流电,作为电动机或其他需要可变频率的用电负载的电源.它以电力电子器件构成其功率变换的主电路,以单片机或数模混合集成电路为主构成其限制系统.使用变频器可以调速、节能、提升产品质量和劳动生产率等.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-交流变频器和交流一交流变频器两大类.交一交变频器由于采用了晶闸管,品闸管的开关功率大可达5000V/5000A,适合于大容量交流电机调速系统.但交一交变频器有固有缺点：调速范围小,当电源为50Hz时,最大输出频率不超过20Hz;功率因数低、谐波污染大,需要同时进行无功

52、补偿和谐波治理.因此变频供水系统中目前大都采用的是交-直-交变频器,它采用有由晶闸管构成的有源逆变器可实现直交转换及电能回馈.变频器主电路的拓扑结构方面.变频器的网侧变流器对低压小容量的装置常采用6脉冲变流器,而对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器.负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器,而对中压大容量的装置采用多电平逆变器.对于四象限运行的转动,为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量,网侧变流器应为可逆变流器,同时出现了功率可双向流动的双PW喳频器,对网侧变流器加以适当限制可使输入电流接近正弦波,减少对电网的公害.脉宽调制变压变频器的限制方法可以采用正弦波脉宽调制

53、限制、消除指定次数谐波的PWM1制、电流跟踪限制、电压空间矢量限制磁链跟踪限制o交流电动机变频调整限制方法的进展主要表达在由标量限制向高动态性能的矢量限制与直接转矩控制开展和开发无速度传感器的矢量限制和直接转矩限制系统方面.限制输出给电动机的电功频率,电动机转速.n=60*f*1-s/pn为电动机转速；s为电动机转差率.一般约为0.02;f为供给电动机电源的频率；p为电动机的极对数,一般电动机选定p为定值.即n正比于f,水泵转速正比于fo利用变频器调速,使电动机的驱动在可变速情况下工作,使流量和马达转速成正比,产生的压差与速度的平方成正比,因此在减小速度时,只损失很小的能量,节能效果相当可观.

54、另外,变频器可接收外部弱电信号的限制来完成较复杂的限制过程,其结构简单可靠,所以在工业生产中的应用越来越广泛.3.2.3 可限制编程器PLC多年来,可编程限制器PLC从其产生到现在,实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强,实现了逻辑限制到数字限制的进步；其应用领域从小到大,实现了单体设备简单限制到胜任运动限制、过程限制及集散限制等各种任务的跨越.今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面水平都已大幅提升,成为工业限制领域的主流限制设备,在各行各业发挥着越来越大的作用.PLC作为工控机的一员,在主要工业国家中成为自动化系统的根本电控装置.它具有限制方便、可靠性高、容易掌握

55、、体积小、价格适宜等特点.它具有功能强大、使用可靠、维修简便许多优点.随着科学技术不断的飞跃开展,PLC也不断得到完善和强大,同时它的功能也大大超过了逻辑限制的范围.高可靠性是电气限制设备的关键性能.PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性.使用PLC构成限制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低.止匕外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息.在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障

56、自诊断保护.这样,整个系统将极高的可靠性.PLC开展到今天,已经形成了各种规模的系列化产品,可以用于各种规模的工业限制场合.除了逻辑处理功能以外,PLC大多具有完善的数据运算水平,可用于各种数字限制领域.多种多样的功能单元大量涌现,使PLO透到了位置限制、温度限制、CN*各种工业限制中.加上PLC通信水平的增强及人机界面技术的开展,使用PLC组成各种限制系统变得非常容易.PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了限制设备外部的接线,使限制系统设计及建造的周期大为缩短,同时日常维护也变得容易起来,更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能.这特别适合多品种、小批量的生产场合.PLC是整

57、个限制系统的中央.PLC采集现场变送器的信号和设备运行状态等信号,并通过设定的程序,限制水泵启停,使限制过程自动化.PLC具有使变频泵自动切换的功能,还有限制各种保护,显示,报警等功能,充分保证了水泵的及时维修和系统的正常恒压供水.该系统采用西门子可限制编程器S7-200系列,通过STEP7编程软件进行编程和调试.为了提升整个系统的性价比,采用了开关量的I/O来限制电机的启停,自动切换,故障显示,故障报警等功能.而电机转速,水压等模拟量那么由PID调节功能的变频器限制.3.2.4 压力变送器压力传感器是检测压力信号并把压力信号转换成电信号的仪表,压力P与输出的电信号U有一定的线性关系,U=KP压力变送器把电信号传送给PID调节器时.把压力变送器设置在水泵出口处,便于随时感应水压的变化.3.2.5 PID调节器将压力变送器输送来的电信号进行处理,并输出电信号,限制变频器,从而限制水泵转速.PID:比例/积分/微分限制,一种自动限制方法,目的是使被限制的物理量追随给定值而且稳定,并自动消除各种因素对限制效果的