基于plc和變頻器的水泵站恒壓供水_畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 0V 電流： 103A 轉(zhuǎn)速 ： 2970 r/min 額定頻率： 50Hz、 60Hz Y200L2 型三相異步 電機(jī) 參數(shù)介紹 電動(dòng)機(jī)功率： 37KW 電壓： 380V 電流： 70A 轉(zhuǎn)速 2950 r/min 額定頻率： 50Hz、 60Hz 供水壓力要求： 根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》（ SZ31020xx)，供水區(qū)域內(nèi)有樓房時(shí)，應(yīng)滿足大多數(shù)居民用水需求，出水頭 28m（約六層），既 ,考慮不利點(diǎn)因素和水壓遞減損失，出泵水壓設(shè)計(jì) . 論文設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)任務(wù)是常寧市民心自來水廠供水項(xiàng)目 2 級泵房電氣電氣控制器的設(shè)計(jì)。二級泵房屬于加壓泵站，可以直接安裝在上級管網(wǎng)末端，加壓給用戶。直接設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)，要滿足供水要求，既要滿足國家相關(guān)水壓，可靠性，節(jié)能指標(biāo)。設(shè)計(jì)水壓穩(wěn)定值在 左右。 主要研究內(nèi)容： 1 水泵站整體控制方案設(shè)計(jì)。 2 主要設(shè)備選型，特別是 PLC，變頻器的選型。 3 主電路設(shè)計(jì)。 4. 采用 PLC 控制電路的設(shè)計(jì)。 5. PLC 程序設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 50 頁 2 電氣控制器方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)和控制對象分析 二級泵站加壓方式選擇： 二級水泵站又稱為增壓站，加壓方式有兩種 蓄水池法：將上級管網(wǎng)的水存入蓄水 池，然后水泵再從水池中取水加壓。 直接增壓法：將水泵直接安裝在管道上，直接加壓，不設(shè)水池。 其中蓄水池法的缺點(diǎn)比較明顯：浪費(fèi)能量，上級管網(wǎng)送來的水壓力值不可能是零，如果建一個(gè)水池，再從水池中將水重新抽出來，等于浪費(fèi)了上級管網(wǎng)送過來的末端水壓值，是一種能量浪費(fèi)；占地面積大，投資成本高。除了一些早期的項(xiàng)目，目前在國內(nèi)增壓泵站蓄水池設(shè)計(jì)基本被淘汰。 控制對象分析 自來水廠二級泵房電氣控制器的設(shè)計(jì)，控制對象是三相交流電機(jī)，控制器核心是 PLC，由于原始資料中要求對用戶分區(qū)。為了對兩個(gè)區(qū)的用戶都能實(shí) 現(xiàn)變頻恒壓供水，我們選用兩臺(tái)變頻器。 一區(qū)用戶：三相異步電機(jī) Y250M2 三臺(tái)，功率 55KW，兩用一備。 二區(qū)用戶：三相異步電機(jī) Y200L2 兩臺(tái)，功率 37KW，一用一備。 設(shè)計(jì)目標(biāo)是，使水泵變頻器的控制下，根據(jù)壓力傳感器檢測的壓力信號，在變頻器的控制下，每臺(tái)電機(jī)既能在工頻下運(yùn)行，又能在變頻下運(yùn)行。根據(jù)需要，自動(dòng)切換。 本設(shè)計(jì)是某自來水廠二級泵房電氣控制器的設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)的電器控制器能實(shí)現(xiàn)供水的可靠性，滿足供水要求，供水方案科學(xué)合理。通過對原始資料的分析，確定了設(shè)計(jì) 方案，根據(jù)設(shè)計(jì)方案內(nèi)容進(jìn)行了主要設(shè)備設(shè)備選擇。在此基礎(chǔ)上，完成硬件電路設(shè)計(jì)，才能使各種設(shè)備組成一個(gè)完整的系統(tǒng)，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 設(shè)計(jì)方案的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，要設(shè)計(jì)一個(gè)自來水廠二級泵房的電氣控制器，查閱資料根據(jù) 第 7 頁 共 50 頁 國內(nèi)主要的泵站控制系統(tǒng)進(jìn)行比較分析，并最終確定設(shè)計(jì)方案。 方案一：傳統(tǒng)繼電器 +變頻器 的控制 此種控制方案是早期國內(nèi)最普遍的控制方式，也是目前國內(nèi)大部分工廠仍然采用的控制方式，主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，簡單實(shí)用。但是隨著單片機(jī)， PLC 等一些可編程的智能控制器的發(fā)展和普及，將逐漸被淘汰。其主要 以下幾個(gè)缺點(diǎn) (1 )缺乏靈活性：繼電器控制是依賴于硬件設(shè)備之間的邏輯接線來實(shí)現(xiàn)的，是一種依賴與物理層面的控制系統(tǒng)，一旦控制系統(tǒng)發(fā)生變化或者有新的要求，很難實(shí)現(xiàn)靈活多變的改變控制策略，只能不得不拆除設(shè)備，重新接線布局和設(shè)計(jì)，相當(dāng)?shù)姆爆嵑屠速M(fèi)時(shí)間精力，人力物力。 (2 )控制速度相對較慢：繼電器的動(dòng)作是一種機(jī)械特性動(dòng)作，動(dòng)作返回大部分還依賴于彈性變形等，而且動(dòng)作的時(shí)候存在無法避免的機(jī)械抖動(dòng)現(xiàn)象，對需要處理的信號造成干擾，相對于可編程控制器的軟件精確微秒級的反應(yīng)速度，顯然落后很多。 (3) 時(shí)間延遲難以控制：繼 電器的時(shí)間延遲依賴于時(shí)間繼電器的的滯后動(dòng)作，精度低受環(huán)境干擾因素大，不利于定時(shí)控制。 方案二： PLC+變頻器 控制 可編程控制器是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的控制器件，具有以下優(yōu)點(diǎn) (1 )靈活性高： PLC 具有單片機(jī)可編程的這個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，而且編程的方式和方法大大簡化，有梯形圖，功能表圖，助記符等方法。當(dāng)控制要求發(fā)生變化時(shí)只需重新編寫程序再載入 PLC 中即可。 (2) 可靠性高：相比于單片機(jī)等其他控制設(shè)備， PLC 最突出的優(yōu)勢就在于它是工業(yè)控制現(xiàn)場專用的控制器，強(qiáng)大的抗干擾能力，極度簡化的外圍電路和硬件，大大提高了它的可 靠性。針對性的減少了需要連接的外圍電子元件，而只要確定一些 I/O 端口連接即可。在信號輸入輸出的地方還加入光電隔離，杜絕信號干擾。 (3 )操作維護(hù)簡單方便： PLC 對操作和維護(hù)人員要求低，操作簡單快捷，維護(hù)方便。 通過對以上二種常見方案的比較分析，我們針對二級泵站的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，因?yàn)槭轻槍Τ擎?zhèn)居民的生活用水，對供水可靠性要求較高，所以選擇方案二： PLC+變頻器的控制方式。 第 8 頁 共 50 頁 系統(tǒng)框圖 根據(jù)所選擇的設(shè)計(jì)方案和控制對象分析，系統(tǒng)組成部分如圖 P L C1 號 變 頻 器2 號 變 頻 器工 控 機(jī)故 障 信 號1 號 機(jī) 組 2 號 機(jī) 組壓力信號壓力信號 圖 系統(tǒng)框圖 從系統(tǒng)框圖中我們可以看到，設(shè)計(jì)的 水泵房控制系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)部分 （ 1）電機(jī)及負(fù)載 電機(jī)及負(fù)載是整個(gè)控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分，系統(tǒng)執(zhí)行模塊其實(shí)就是用來帶動(dòng)水泵機(jī)組抽水的電動(dòng)機(jī)組。 它分為調(diào)速泵和恒速泵，根據(jù)壓力傳感器輸入的信號與設(shè)定值比較，調(diào)速泵在變頻器的控制下變速運(yùn)行，調(diào)節(jié)水泵出口處壓力值，達(dá)到變頻恒壓供水的目的。 恒速泵工作在工頻 50HZ，它是在變頻器調(diào)到最大頻率無法滿足供水要求的情況下啟動(dòng)的，啟動(dòng)后維持在工頻運(yùn)行，當(dāng)用水量下降，另一臺(tái)變頻運(yùn)行的水泵 被停機(jī)以后，恒速泵在 PLC 的控制下，將轉(zhuǎn)入變頻運(yùn)行。 （ 2） 主電路 主電路是將整 個(gè)系統(tǒng)設(shè)備有機(jī)的組合在一起所必須的電力電子器件，主要有開關(guān)電路，控制接觸器，熔斷器，熱繼電器，隔離開關(guān)等。將電力電子器件安裝設(shè)計(jì)要求組成整個(gè)硬件電路。 （ 3） 控制器 控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括 PLC，變頻器和工控機(jī)。 第 9 頁 共 50 頁 PLC 控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)信號的采集檢測，信號處理，控制電機(jī)和變頻器的自動(dòng)切換運(yùn)行。 變頻器根據(jù)控制方式的不同的，分為循環(huán)變頻控制和固定變頻控制兩種控制方式。循環(huán)變頻控制是指：當(dāng)變頻器頻率增加到工頻時(shí)依然無法滿足供水要求時(shí)候，將變頻器連接的這臺(tái)電機(jī)切換到工頻運(yùn) 行，而變頻器本身切換到下一臺(tái)電機(jī)，帶動(dòng)下一臺(tái)電機(jī)軟啟動(dòng)逐漸增加頻率，依次類推。固定變頻控制是指：當(dāng)需要增加電機(jī)運(yùn)行時(shí)，變頻器不切換，而是由 PLC 控制直接啟動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)。 工控機(jī)的作用有兩個(gè)：一個(gè)是對整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和顯示，便于對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)常規(guī)檢查和故障維修，特別是發(fā)生不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如過載短路過流等故障，能迅速反應(yīng)，啟動(dòng)報(bào)警裝置。另一個(gè)作用是，工控機(jī)是人和控制系統(tǒng)信息交換參數(shù)設(shè)定的通道窗口，可以直接通過組態(tài)軟件對需要設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行二次設(shè)定。 （ 4）信號檢測與處理 信號檢測包括：液位檢測 信號，壓力檢測信號，故障檢測信號，過載檢測信號。 液位檢測信號是將水池中水位信息進(jìn)行采集，反饋給 PLC 的裝置。 壓力檢測信號是將水泵出口處的壓力進(jìn)行檢測，并將信號反饋給變頻器，由變頻器和設(shè)定值進(jìn)行比較，控制電機(jī)工作頻率。 過載信號和故障信號檢測室將系統(tǒng)部正常工作狀態(tài)信號反饋給 PLC， PLC 控制聲光報(bào)警裝置作出反應(yīng)。 第 10 頁 共 50 頁 3 主要設(shè)備選型 PLC 的選型 PLC 的基本構(gòu)成 PLC 的種類繁多，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。它主要由中央處理器 (CPU)、存儲(chǔ) 器、輸入 /輸出 (I/O)接口，電源等組成，如下圖 所示。 （ 1）中央處理單元 (CPU) 中央處理單元 (CPU)一般由控制器，運(yùn)算器和寄存器組成，它是 PLC 的核心部分。它的主要任務(wù)有 :控制接收和存儲(chǔ)編程設(shè)備輸入的用戶程序和數(shù)據(jù) 。診斷 PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的錯(cuò)誤 。掃描 I/O 接收的現(xiàn)場狀態(tài)，并按照用戶程序?qū)π畔⑦M(jìn)行處理，然后刷新輸出接口，對執(zhí)行部件進(jìn)行控制。 （ 2）存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是 PLC 存放程序和數(shù)據(jù)的地方，它包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來存放 PLC 生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化 在 PROM 或EPROM 存儲(chǔ)器中，用戶不可訪問和修改。用戶程序存儲(chǔ)器主要包括用戶程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)二個(gè)部分。用戶程序存儲(chǔ)區(qū)用于存儲(chǔ)用戶編寫的控制程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)用于存放用戶程序中使用器件的 ON/OFF 狀態(tài)和各種數(shù)值數(shù)據(jù)等。 （ 3）輸入輸出單元 輸入 /輸出單元是 PLC 接受和發(fā)送各種開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量信號的接口部件。輸入單元用于接收現(xiàn)場的二些控制信號，通過接口電路轉(zhuǎn)換成中央處理器可識(shí)別和處理的低電壓信號，并存入輸入映像寄存器。輸出單元將中央處理器輸 出的低電壓信號，經(jīng)過輸出接口電路將其轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場的強(qiáng)電信號 。 (4)電源單元 電源單元是 PLC 的電源供給部分。它的作用是把外部供應(yīng)的電源轉(zhuǎn)換成 CPU、存儲(chǔ)器等電路工作所需要的直流電，及向外部器件提供 24V 直流電源。 (5)外設(shè)接口與擴(kuò)展接口 PLC 可以通過外設(shè)接口與監(jiān)視器、打印機(jī)、 PLC 或計(jì)算機(jī)相連。擴(kuò)展接口用于 第 11 頁 共 50 頁 將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 圖 PLC 的基本構(gòu)成圖 PLC 的選型 目前， PLC 的品牌和種類 很多，大概有 300 多個(gè)品種，以美國、德國、日本的品牌最為顯著，在我國也有一些生產(chǎn) PLC 的廠家，其生產(chǎn)品牌如表 所示。 表 PLC 主要產(chǎn)品及型號 國家名稱 公司名稱 主要系列產(chǎn)品 美國 AB 公司 SLC500/PLC5/PLC3 GE 公司 GE1/GE1/J/GE1P/GEV 德國 SIEMENS S7200/S7300/S7400 日本 歐姆龍 C20P/C20/C120/C200H/C500/C1000 三菱 F/F1/F2/FX0/FX2/A 中國 華電光子 SU/SG 在選擇 PLC 時(shí)，首先要根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，選擇一種自己比較熟悉的，性價(jià)比比較高的機(jī)型。機(jī)型選好以后，再確定 PLC 的結(jié)構(gòu)形式，整體式的PLC 一般適用于工藝流程相對固定、維修量小、環(huán)境條件好的小型控制系統(tǒng)，而模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 適用于工藝流程復(fù)雜、維修量大、環(huán)境條件差的控制系統(tǒng)。在進(jìn)行 PLC 型號的選擇時(shí)，要考慮控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，選擇低檔機(jī)、中檔機(jī)還是高檔機(jī)。另外，還要考慮 I/O 點(diǎn)數(shù)的要求，一般在確定控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)后，還要留有 15%20%備選 I/O 點(diǎn)數(shù)。同時(shí)，還要考慮 PLC 的存儲(chǔ)容量，一般用戶的存儲(chǔ)容量 =開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù) 10+開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù) 5+模擬量輸入 /輸出點(diǎn) 第 12 頁 共 50 頁 數(shù) 100 字節(jié)，還要留有 30%50%的裕量。最后還要根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，考慮是否要選擇模擬量輸入 /輸出模塊和特殊功能模塊。 本設(shè)計(jì) PLC 選擇德國西門子公司的 S7200。 西門子 S7— 200 系列 PLC 是一種小型的可編程控制器，它具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、較高的可靠性、豐富的指令集、強(qiáng)大的通信功能以及低廉的價(jià)格，使得其可以完美地滿足小規(guī)模的控制系統(tǒng)的要求 。 S7— 200 系列 PLC 的 CPU 包括 CPU22 CPU22 CPU22 CPU224XP 和 CPU226 等型號。新升級的 CPU224和 CPU226PLC，運(yùn)算速度提高了 40%。表 是 S7— 200 系列 CPU 的特征 表 S7200 系列 CPU 特征 特征 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226 數(shù)字輸入 6 8 14 14 24 數(shù)字輸出 4 6 10 10 16 數(shù)字輸入 /輸出的最大值 10 78 168 168 248 模擬輸入 0 8 28 30 28 模擬輸出 0 4 14 15 14 模擬輸入 /輸出的最大值 0 10 35 38 35 程序內(nèi)存 4 4 8/12 12/16 16/24 數(shù)據(jù)內(nèi)存 2 2 8 10 10 本次設(shè)計(jì)任務(wù)的輸入輸出端口計(jì)算： 輸出端口計(jì)算：考慮遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)要求在 10 年后，而產(chǎn)品的更新?lián)Q代非常快，并且即使遠(yuǎn)期需要增加一臺(tái)水泵，只需要增加一個(gè)輸入輸出擴(kuò)展模塊 EM231 即可，這里