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【大学本科毕业设计】基于PLC的变频调速恒压供水系统-自动化等专业.doc
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2022-11-30
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本文是关于大学本科毕业设计的一篇论文,主题是基于PLC的变频调速恒压供水系统,适合自动化等专业。变频恒压供水系统旨在解决城市小区供水问题,提高供水的可靠性和经济性,降低能耗。系统由PLC、变频器、水泵机组、压力传感器和工控机等构成,采用三台水泵电机进行变频循环运行,以实现软启动和变频调速。 系统中,压力传感器检测当前水压并与设定值比较,通过PID运算控制变频器的输出电压和频率,调整水泵电机转速,从而维持管网压力稳定。工控机与PLC通过组态软件连接,实现实时监控,动态显示运行状态,便于数据查询和报警处理。 论文的绪论部分首先阐述了课题提出的背景和意义。传统供水方式如恒速泵加压、气压罐、水塔、液力耦合器等存在诸多缺点,如效率低下、自动化程度低、资源浪费等。相比之下,变频调速技术因节能显著、减少冲击和机械损耗而备受青睐。PLC和变频技术结合的恒压供水系统提升了系统的稳定性和可靠性,并具有良好的节能效果。 在变频调速技术的国内外研究现状中,提到了变频器的发展历程,如PWM技术的引入、磁通轨迹控制方法的提出,以及20世纪80年代以来,美、日、德、英等国的变频器商品化应用。在中国,电机调速技术的节能减排潜力受到重视,但国产变频调速产品在技术上仍有待追赶国际水平。 这篇毕业设计的贡献在于运用先进的控制技术改进供水系统,不仅满足了小区供水需求,还体现了环保和节能的理念,对于提升城市供水质量、优化物业管理以及降低能耗具有重要意义。通过深入研究和实践,学生可以掌握PLC控制、变频调速和自动化系统设计等关键技能,为未来在工业自动化领域的工作打下坚实基础。
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摘要
本论文根据中国城市小区的供水要求,设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压供水系统, 并利用
组态软件开发良好的运行管理界面。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力
传感器、工控机等构成。
本系统包含三台水泵电机,它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软
启动和变频调速,运行切换采用“先启先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号,送入 PLC 与设
定值比较后进行 PID 运算,从而控制变频器的输出电压和频率,进而改变水泵电机的转速来改变供
水量,最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与 PLC 的连接,采用组态软件完成系统监
控,实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。
关键词:变频调速,恒压供水,PLC,组态软
1
1 绪论
1.1 课题的提出
水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质,在节水节能已成为时代特征的现实条件下,
我们这个水资源和电能源短缺的国家,长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等
方面技术一直比较落后,自动化程度较低,而随着我国社会经济的发展,人们生活水平的不断提高,
以及住房制度改革的不断深入,城市中各类小区建设发展十分迅速,同时也对小区的基础设施建设
提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面,供水的可靠性、稳定性、经济性
直接影响到小区住户的正常工作和生活,也直接体现了小区物业管理水平的高低。
传统的小区供水方式有:恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电
池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式,其优、缺点如下
[1]
:
(1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应,水泵的增减都依赖人工进行
手工操作,自动化程度低,而且为保证供水,机组常处于满负荷运行,不但效率低、耗电量大,而
且在用水量较少时,管网长期处于超压运行状态,爆损现象严重,电机硬起动易产生水锤效应,破
坏性大,目前较少采用。
(2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点,但此方式调节量小、水泵电机
为硬起动且起动频繁,对电器设备要求较高、系统维护工作量大,而且为减少水泵起动次数,停泵
压力往往比较高,致使水泵在低效段工作,而出水压力无谓的增高,也使浪费加大,从而限制了其
发展。
(3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点,
但存在基建投资大,占地面积大,维护不方便,水泵电机为硬起动,启动电流大等缺点,频
繁起动易损坏联轴器,目前主要应用于高层建筑。
(4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油,发热需冷却,效率低,改造麻烦,
只能是一对一驱动,需经常检修;优点是价格低廉,结构简单明了,维修方便。
(5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速,自动化程度要优于上面 4 种供水方式,但是
系统开发周期比较长,对操作员的素质要求比较高,可靠性比较低,维修不方便,且不适用于恶劣
2
的工业环境。
综上所述,传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源;效率低;可靠性差;自
动化程度不高等缺点,严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、
自动可靠的方向发展,变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式,在风机、水泵、
空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用,特别是在城乡工业用水的各级加压系统,居民
生活用水的恒压供水系统中,变频调速水泵节能效果尤为突出,其优越性表现在:一是节能显著;
二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击;三是能减小水泵、电
机自身的机械冲击损耗
[2]
。
基于 PLC 和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。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。
1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状
1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状
变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。
1964 年,最先提出把通信技术中的脉宽调制 PWM 技术应用到交流传动中的是德国人。20 世纪 80
年代初,日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。从 20 世纪 80 年代后半期开始,美、
日、德、英等发达国家的基于 VVVF 技术的通用变频器已商品化并广泛应用。在我国,60%的发电
量是通过电动机消耗掉的,因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能,一直
受到国家和业界人士的重视。现在,我国约有 200 家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术
的工作,但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比,还有比较大的技术差距。
随着改革开放和经济的高速发展,我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备,要么内
外结合,即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备,然后自己
开发应用软件的办法,很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法,适应了社
3
会的需要。总之,虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩,但是总体上来说国内自行开发、生产
相关设备的能力还比较弱,对国外公司的依赖还很严重。
1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期,由于国外生产的变频器
的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起动控制以及制动控制、压频比控制以及
各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中,变频器仅作为执行机构,为了满足供水量大小需求不
同时,保证管网压力恒定,需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制。
随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显
著的节能效果被大家发现和认可后,国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能
的变频器,像日本 Samco 公司,就推出了恒压供水基板,备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方
式”两种模式它将 PID 调节器和 PLC 可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上,通过设置指令
代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能,只要搭载配套的恒压供水单元,便可直接控制多个内置的
电磁接触器工作,可构成最多 7 台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构,降低了设备
成本,但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,系统的动态性能和稳定性不高,与别的监控系统(如 BA
系统)和组态软件难以实现数据通信,并且限制了带负载的容量,因此在实际使用时其范围将会受到
限制
[3]
。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程,大多采用国外的变频器控制水泵的转速,
水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实
现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放
性等多方面的综合技术指标来说,还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为电气公司和成都希
望集团也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw~22kw),无需外接 PLC 和 PID 调节器,可完成最多 4 台
水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变
频器内部实现,但其输出接口限制了带负载容量,同时操作不方便且不具有数据通信功能,因此只
适用于小容量,控制要求不高的供水场所。可以看出,目前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
4
磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。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
[4]
。
1.3 PLC 概述
1.3.1 可编程控制器的定义
可编程控制器,简称 PLC(Programmable logic Controller),是指以计算机技术为基础的新型
工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的 PLC 标准
草案中对 PLC 做了如下定义:“PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子
装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和
算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设
计。”
1.3.2 PLC 的发展和应用
世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及
计算机发展水平,早期的 PLC 主要由分立组件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制
及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器,使 PLC
增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉
继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主
要编程语言
[5]
,并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和
继电器常规控制概念相结合的产物。20 世纪 70 年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,
计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更
可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20
世纪 80 年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特
点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的
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