基于PLC变频恒压供水系统的设计毕业论文.doc
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1、基于PLC变频恒压供水系统的设计摘 要本论文针对某自来水厂为小区用户提供水源的供水要求,设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统,具有全自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等功能。此次设计研究的对象是某自来水厂为小区用户提供送水的供水要求,由于高层用户对水压的要求高,在水压低时,高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况,水压高时将造成能源的浪费。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,是当今最先进、合
2、理的节能型供水系统。在实际应用中如何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。关键词:供水系统 水泵 变频器 恒压供水 效益目 录1 引 言31.1基于PLC的变频恒压供水系统的设计31.2 供水系统的定义、构成及分类42 方案拟定52.1 供水流程52.2 变频恒压供水控制方式的选择52.3 变频供水系统72.4 变频恒压供水系统的构成,83 PLC的控制,
3、93.1 手动运行113.2 自动运行124 PLC的编程144.1 PLC的选型144.2 总程序的设计144.3 程序梯形图16结论25致谢23参考文献241 引 言变频恒压供水系统利用PLC、传感器、变频器及水泵机组组成闭环控制系统,使管网压力保持恒定,代替了传统的水塔供水控制方案,具有自动化程度高,高效节能的优点,在小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用,并取得了明显的经济效益。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,是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各
4、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。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、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、系列化、标准化,是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中,对于能适应不同的用水场合,结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频但压供
5、水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。因此,有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能,使其能被更好的应用于生活、生产实践中。所以我们设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统,具有全自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等功能。1.1 基于PLC的变频恒压供水系统的设计随着变频调速技术的发展和人们节能意识的不断增强,变频恒压供水系统的节能特性使得其越来越广泛用于工厂、住宅、高层建筑的生活及消防供水系统。变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统。恒压供水是指用户端在任何时候,不管用水量
6、的大 小,总能保持网管中水压的基本恒定。变频恒压供水系统利用PLC、传感器、变频器及水泵机组组成闭环控制系统,使管网压力保持恒定,代替了传统的水塔供水控制方案,具有自动化程度高,高效节能的优点,在小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用,并取得了明显的经济效益。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、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、系列化、标准化,是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。所以我们设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统,具有全自动变频恒
7、压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等功能。1.2 供水系统的定义、构成及分类供水系统又称为供水设备,是为解决由于压力不足,无法到达用户用水的高度或流量,而专门研发设计的新型环保节能的专业设备。供水系统一般由水泵机组,变频控制柜,隔膜压力罐,压力传感器和一些辅件构成。但由于不同的类型,也会使用一些特殊的设备,如:无负压变频供水设备会用到无负压稳流罐;无塔变频供水设备会用到液位传感器由于构成的不同,价格也不近相同。这种供水方式,水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户,有的甚至连蓄水池也没有,直接从城市公用水网中抽水,严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式,水泵整日不停运转,有的可能
8、在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低,但耗电、耗水严重,水压不稳,供水质量极差。水塔式供水方式:这种方式是水泵先向水塔供水,再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止,水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式,水泵工作在额定流量额定扬程的条件下,水泵处于高效能区。这种方式显然比前种节电,其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大,占地面积也最大;水压不可调,不能兼顾近期与远期的需要;而且系统水压不能随
9、系统所需流量和系统所需要压力下降而下降,故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中,如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话,水泵不能进行自动的开、停,这样水泵的开、停,将完全由人操作,这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。变频调速供水方式:这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较,再通过控制器调节变频器的输出,无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内.变频调速水泵调速控制方式有三种:水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。2 方案拟定2.1 供水流程此次设计研究的对象是某自来水厂为小区用户提供
10、送水的供水要求,由于高层用户对水压的要求高,在水压低时,高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况,水压高时将造成能源的浪费。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后,必须恒压供给每一个用户。如图2.1所示,是这栋楼的供水流程。开关水泵组开关用户用水水池图2.1 供水流程简图2.2 变频恒压供水控制方式的选择目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有逻辑电子电路控制方式、单片微机电路控制方式、带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式、新型变频调速供水设备。逻辑电子电路控制方式:这类控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
11、频状态,其余泵均为工频状态的方式。因此,控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱,但其成本较低。单片微机电路控制方式:这类控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能力都不太好。带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式: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馈信号在输入可编程控后,经可编程控制器内部P
12、ID控制程序的计算,输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器,由PID回路调节器在调节器内部进行运算后,输入给变频器一个转速调节信号。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的,所以对可编程控制器来讲。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,输出接口的可编程控制器价格很高,这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入,数字量输出的可编程控制器,则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板,将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样,可编程控制器的成本没有降低,还增加了连线和附
13、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,输出的可编程控制器和一个PID回路调节器,其成本也和带模拟量输入,输出的可编程控制器差不多。所以,在变频调速恒压给水控制设备中,PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。新型变频调速供水设备:针对传统的变频调速供水设备的不足之处,国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品,这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内,形成了带有各种应用的新型变频器。由于PID运算在变频器内部,这就省去了对可编程控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,这不仅降低了生产成本,
14、而且大大提高了生产效率。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,为了保证水压反馈信号值的准确、不失值,可对该信号设置滤波时间常数,同时还可对反馈信号进行换算,使系统的调试非常简单、方便。考虑以上四种方案后,此次设计采用第四种方案。如图2.2所示开关水泵组开关用户用水水池PLC变频器压力传感器图2. 2 供水系统方案图2.3 变频供水系统变频供水系统原理:智能型管网接力升压(无负压)设备可根据用户需求设定用户供水压力,如果管网供水压力高于设定压力时,水泵机组处于停机状态,自来水可通过连通管路直接对用户供水。当市政管网供水压力低于设定压力时,设备自动进
15、入接力升压工作状态,机组通过压力传感器,水泵及恒压变频控制柜组成闭环控制系统,随着用水量的变化,不断调整水泵转速及投入运行的水泵台数,以保持供水压力恒定。 流量调节器是密封容器,在供水管网能满足供水要求时,此设备作为供水管网与供水设备之间的缓冲装置,以消除水泵机组对管网的脉动影响。在供水管网供水量不足时,作为流量调节装置,以缓解管网用水高峰时的流量不足。 管网保护器安装在流量调节器上,当罐内压力较外界压力高时,管网保护器关闭,水泵机组叠加市政管网原有压力进行恒压供水;当罐内压力与外界平衡时,管网保护器打开与外界相通,避免了负压的形成,保证市政管网安全及其它用户正常供水。 供水管网停水时,设备自
16、动停止运行,管网恢复供水自动开机。停电时,水泵机组停止工作,自来水可通过连通管直接进人用户管网,来电时机组自动开机恢复正常供水。2.4 变频恒压供水系统的构成整个系统由三台水泵,一台变频调速器,一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀,以供维修和调节水量之用,三台泵协调工作以满足供水需要;变频供水系统中检测管路压力的压力传感器,一般采用电阻式传感器(反馈05V电压信号)或压力变送器(反馈420mA电流);变频器是供水系统的核心,通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。从原理框图,我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号
17、检测、控制系统、人机界面以及报警装置等部分组成。如图2.3所示。PLC切换逻辑变频器控制面板123用户管网压 力传感器图2.3 系统原理图2.4.1 执行机构执行机构是由一组水泵组成,它们用于将水供入用户管网,图2.3中的3个水泵分为二种类型:调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵,用以根据用水量的变化改变电机的转速,以维持管网的水压恒定。恒速泵:水泵运行只在工频状态,速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时,对供水量进行定量的补充。2.4.2 信号检测在系统控制过程中,需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:水压信号:它反映的是用户管网的水压值,它是恒压
18、供水控制的主要反馈信号。报警信号:它反映系统是否正常运行,水泵电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。2.4.3 控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中,包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集,对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法,得出对执行机构的控制方案,通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率,完成对调速泵的转速控制。电控设备:它是由一
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