基于plc的樓宇恒壓供水系統(tǒng)設計_畢業(yè)設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 頻泵構成，變頻泵是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。 (2) 信號檢測機 構：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網水壓信號反映的是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進行 A/D 轉換。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用壓力表進行檢測，檢測結果可以送給 PLC，作為數字量輸入；水池水位信號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻 器是否有異常，該信號為開關量信號。 (3) 控制機構：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器變頻器 水泵 用戶管網 壓力 壓力變送器 給定值 + 9 (PLC 系統(tǒng) )、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構 (即水泵機組 )進行控制；變頻器是對水泵進行轉速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。 根據 水泵機組中水 泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇，本設計中采用 變頻循環(huán)式。 現將 系統(tǒng)控制流程說明如下： (l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動變頻泵 M1 工作，根據壓力變送器測得的用戶管網實際壓力和設定壓力的偏差調節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml 的轉速，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml工作在調速運行狀態(tài)。 (2) 當用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大，PLC的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉速增大，供水量增大，最終水泵的轉速達到另一個新的穩(wěn)定值。反之，當用水量減少水 壓增加時，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉速到另一個新的穩(wěn)定值。 (3) 當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率 50Hz 時，若此時用戶管網的實際壓力還未達到設定壓力，并且滿足增加水泵的條件 (在下節(jié)有詳細闡述 )時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在 PLC 的控制下自動投入水泵M2(變速運行 )，同時變頻泵 M1 做工頻運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，將另一臺水泵 M3 投入運行（變速運行）， M2 工頻運行。變頻器輸出 10 頻率達到上限頻率 50Hz 時，壓力仍未達到設定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。 (4) 當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網的實際水壓仍高于設定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將工頻泵 M2 關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，使壓力重新達到設定值。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，將另一臺工頻泵 M1 關掉。 供水系統(tǒng)中水泵切換條件分析 在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當變頻泵己運行在上限頻率，此時管網的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的；當變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵己運行在下限頻率，此時管網的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換呢 ? 由于電網的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制， 50HZ 成為頻率調節(jié)的上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0HZ。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網供水時，由于管網中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向 的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于 0HZ，具體數值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在 20HZ 左右。所以選擇 50HZ 和 20HZ 作為水泵機組切換的上下限頻率。 在恒壓供水中，機組的切換為機組增加與減少兩種情況，這兩種情況由于變頻器輸出頻率與供水壓力的不同邏輯關系相對應。考慮到只有當變頻器的輸出頻率在上下限頻率時才可能發(fā)生 切換，并且上限頻率時不可能減泵，下限頻率時不可能加泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進行判別如圖 ： 11 圖 用于壓力判斷的回滯環(huán) 如果變頻器的輸出為上限頻率，只有當實際的供水壓力比設定壓力小／ 2的時候才允許進行機組增加；如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當實際的供水壓力比設定壓力大妮／ 2的時候才允許進行機組的增加。回滯環(huán)的應用提供了這樣一個保障，即如果切換的判別條件滿足，那就說明此時實際供水壓力在當前機組的運行狀況下滿足不了設定的要求。但這個判別條件的滿足也不能夠完全證明 當前確實需要進行機組切換，因為有兩種情況可能使判別條件的成立有問題：實際供水壓力超調的影響以及現場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內滿足，造成判斷上的失誤，引起機組切換的誤操作。這兩種情況有一個共同的特點，即它們維持的時間短，只能夠使機組切換的判別條件在一個瞬間滿足。根據這個特點，在判別條件中加入延時的判斷就顯得尤為必要了。 所謂延時判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠 維持一段時間，比如一、兩分鐘，如果在這段延時的時間內切換條件仍然成立，則進行實際的機組切換操作；如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。 經過以上的分析，將實際的機組切換的條件優(yōu)化為： 12 西門子系列 PLC編程采用 STEP7軟件，它是西門子 PLC的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調試，并能實現梯形圖與語句表的相互轉換。系統(tǒng)程序包括主程序和起動子程序，主程序包括參與調節(jié)程序和電機切換程序；電機切換程序又 包括加電機程序和減電機程序。起動子程序實際上是清零子程序。在主程序中，設置兩個變頻器頻率上下限到達濾波時間繼電器，用于穩(wěn)定系統(tǒng)。 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)設計方案的確定 設計任務及要求 本系統(tǒng)是以一個供水系統(tǒng)作為被控對象， PLC 與變頻器協(xié)調控制電機的轉速與啟動和停止。 系統(tǒng)控制要求 : (1) 工藝參數 : 供水系統(tǒng)由 3 臺水泵組成： 母管壓力 H≥，一臺定速，一臺變速，一臺備用。 母管壓力 H≤，一臺定速或變速，二臺備用。 母管壓力 H≤，一臺變速，二臺備用。 (2) 電動機參數： 型號： JDL394 功率： 75KW 額定頻率： 50Hz 額定電壓： 380VAC； 額定轉速： 1470 r/min 額定電流： A (3) 水泵電機的起動 /停止、正轉、調速控制。 (4) 變頻器采用遠方控制方式。 (5) 通過母管壓力變送器測得實際壓力大小，同時和壓力給定組成閉環(huán)控制。 (6) 變頻器的運行狀態(tài)指示（如運行、停止、過流、低壓等）。 (7) 變頻器的報警處理。 備選設計方案 13 系統(tǒng)主電路設計 圖 系統(tǒng)主電路圖 14 由恒壓供水主電路圖可見，接觸器 1KM 2KM和 3KM2 用于變頻器輸出，分別接到水泵 M M2 和 M3，而接觸器 1KM 2KM3 和 3KM3 將工頻電源接到 3 臺水泵。變頻器可以對任何一臺水泵啟動和恒壓供水控制。 空氣開關（ QL）是當電動機過載時自動將電動機從電網中 斷開 熱繼電器（ FR）是利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它在電路中用作電動機的過載保護。 3 器件的選型及介紹 變頻器簡介 變頻器的基本結構與分類 變頻器的基本結構 變頻器是把工頻電源 (50Hz 或 60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速 運行的設備。變頻器包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的 CPU以及一些相應的電路。 變頻器的分類 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關方式分類，可以分為 PAM 控制變頻器、 PWM 控制變頻器和高載頻 PWM 控制變頻器；按照工作 原理分類，可以分為 V/f 控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 變頻器的控制方式 在交流變頻器中使用的非智能控制方式有 V/f 協(xié)調控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。 (1) V/f 控制 15 V/f 控制是為了得到理想的轉矩 速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。 V/f 控制變頻器結構非常簡單，但是這種 變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。 (2) 轉差頻率控制 轉差頻率控制是一種直接控制轉矩的控制方式，它是在 V/f 控制的基礎上，按照知道異步電動機的實際轉速對應的電源頻率，并根據希望得到的轉矩來調節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應的輸出轉矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性。 (3) 矢量控制 矢量控制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達到對電動機在 d、 q、 0 坐標軸系中的勵磁電流和轉矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種 PWM 波，達到各種不同的控制目的。例如形成開關次數最少的 PWM 波以減少開關損耗。目前在變頻器中實際應用的矢量控制方式主要有基于轉差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。 (4) 直接轉矩控制 直接轉矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下 分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出 100%的額定轉矩，對于多拖動具有負荷平衡功能。 (5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實際中的應用根據要求的不同而有所不同，可以根據最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 16 變頻器選型 變頻器的控制方式 控制方式是決定變頻器使用性能的關鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產的共約 5O 多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，其實只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經濟實惠。 下 表中參數供選用時參考。 表 控制方式的比較 控制方式 U/f=C 控制 電壓空間矢量控制 矢量控制 直接轉矩控制 反饋裝置 不帶 PG 帶 PG或 PID調節(jié)器 不要 不帶 PG 帶 PG或編碼器 速比 I 1:40