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基于PLC的恒压变频供水系统的研制 评分

基于PLC的恒压变频供水系统的研制
江苏大学工程硕士学位论文 ABSTRACT With the rapid development of economy and society, energy resources are seriously lacking. At the same time, the demands for quality and reliability of water supply system are increased continually. so it is inevitable tendency to design one kind of water supply system which is high reliable and saves on energy well, with the elp of advanced technique of automation and control. Direct towards the problems of actual water supply system, such as electric power and water resource waste and low quality of water supply, this paper mainly studied and designed a controller of the VF speed regulating constant-pressure water supply system. With the core of mitsubishi FX2NPLC, this controller combined transducer and pressure sensor. The pressure value of the water-supply pipeline was set, and the number of running pumps and the rotate speed of motor to implement the closed-loop control of water pressure was controlled this system, namely constant-pressure water supply. This paper explained the principle of constant-pressure water supply on the basis of characteristic curve of pipeline resistance and water pump head. and water supply system's energy-saving principle of water pump VF speed control was clarified according to characteristic curve of running pipelines and water pump. Then the structure and work principle and control flow of vf speed regulating constant pressure water supply system was analyzed in the paper. Based on the research of PID control theory, this paper has designed a PID controller. The design of the system s hardware and software was introduced thoroughly, and system s EMi problems and relevant restraining methods were put forward in the end The water supply system is designed for a residential area in An yang city. After on-site commissioning and operation shows the real time control performance to the water pressure of water supply system designed in this paper was proved to be all-right according to the experimentation validated. The hardware module is steady-going and reliable and the Pid controller is proper and valid and can guarantee the better stability of water pressure. And this control system is perfect Key words: PLC, Variable frequency, Water supply, Constant pressure 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容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学位论文。 保密口,在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名: 产指导教师签名:1时 208年/2月8 2008年/2月日 独创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期:2008年/2月 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1.1课题背景及意义 众所周知,水是人类生活、生产中不可缺少的重要物资,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。 1.2几种供水系统的比较 1.恒速泵加压供水:这种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.重力供水:重力供水通常需要设置水箱或者水塔,系统用水是由水箱或 者水塔直接供应,所以供水压力比较稳定。但它需要由位冒高度所形成的压力进 行供水,为此需要建造水塔或者将水箱置于建筑物顶层的最高处。在大型建筑物 中,即使如此,还常常不能满足最不利供水点的供水要求。同时由于其存水比较 大,在屋顶形成很大的负重,增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积,也妨碍 美观,此外,屋顶水箱还必须高出屋面几米,建筑立面较难处理,存在投资大 周期长、能源浪费大的缺点 3.气压供水:气压供水是采用气压罐代替水塔或高位水箱利用密闭压力罐 内的空气将罐内储水压到管网中去。它的优点是灵活性大、建设快、污染少、有 利于抗震、可消除管道中的水锤与噪声,缺点是体积和投资大、压力变化大、运 行效率低、需要使用张力膜、维护费用高、耗费动力大。 4.变频恒压供水:变频恒压供水系统即实现水泵电杌的无级调速,根据用 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 江苏大学工程硕士学位论文 用水要求。将变频调速技术用于更新改造传统供水设备之后,大大地推动了恒压 供水技术装备的发展。这种恒压供水方式与传统的水塔或高位水箱以及气压供水 方式相比,在设备的投资、运行的经济性、系统的稳定性、可靠性和自动化程度 等方面具有无法比拟的优势。供水系统采用变频控制,既能大量节约能源,又能 稳定供水系统的压力,保障管网系统的安全运行,是非常有实际意义的,并且供 水系统的电动机相对鼓、引风机而言容量较小,投资不大,还可以在恒压供水的 过程中,实现水泵电机的软启动、水泵及管路保护,并且可以节约能源、提高劳 动生产率,所以非常值得推广和应用2。 综上所述,传统的供水方式普遍不同程度的存在着浪费水电力资源、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著的 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和居民生活用水的 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图。 1.3国内外变频调速技术的发展与现状 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。此方法以三相波形的整体生成效果为基础,以逼近电机气息 的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成两相调制波形,使变压变频 VⅴF( Variable voltage Variable Frequency)成为变频调速技术的核心。从20世纪 80年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的基于ⅴVF技术的通用变频 器已商品化并广泛应用。1980年,德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取 得了进展,促进了矢量控制的实用化。此后,日本厂商竞相研究矢量控制技术, 并在产品性能和价格两方面取得进展;理论界则应用现代控制理论把矢量控制的 理论进一步深化,取得了解藕控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量 控制等方面的理论成果。自1992年开始,德国西门子公司相继开发了6SE70系 列通用变频器,通过rC,VC,SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制 等;至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到3kw以上。1985年,德国人 提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论(DSC这种方法不需 要复杂的坐标变换,而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小, 江苏大学工程硕士学位论文 并通过磁链和转矩的直接跟踪,实现脉宽调制和系统的高动态性能。最初,这 种控制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用;目前被应 用于通用变频器的控制方法的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。 1995年,ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器,目前已成为其各系列 通用变频器的核心技术。 国外在交流变频调速技术的发展方面特点为:市场需求量大;功率器件发展 迅速;控制理论和微电子技术的支持。 变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三 个方面决定的。在现代自动化控制领域中,以现代控制论为基础,融入模糊控制、 专家控制、神经网络控制等新的控制理论,为高性能变频调速提供了理论基础 16位、32位高速微处理器以及信号处理器OSP)和专用集成电路(ASIC技术的快 速发展,则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。 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。我国 电气传动产业始于1954年。当时,在机械工业部属下建立了我国第一个电气传 动成套公司,即现在的天津电气传动设计研究所的前身。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。国内交流变频调速技术产业状况表现如下呵 1.变频器的整体技术落后,国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研 究变频技术并开发新产品,但由于分散,所以并没有形成一定的技术和生产规模 2.变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白 3.相关配套产业及行业落后。 4.产品可靠性及工艺水平低。 1.4变频恒压供水系统的研究现状 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、起制 动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中, 江苏大学工程硕士学位论文 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。 从查阅的资料的情况来看,以前国外的恒压供水工程在设计时大都采用一台 变频器只带一台水泵机组的方式,很少采用一台变频器拖动多台水泵机组运行的 情况,因而投资成本高。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,基于PLC的变频恒压供水系统的设计它将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PI 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。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程,但是大多都采用国外的变频 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。原涂圳华为现己更名为艾默生) 电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了厦压供水专用变频器55kW~ 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。另外博世集团下的康沃变频器 系列中就有专门为供水系统中的变频开发的P2系列变频器等 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 8 1.5本课题的主要研究内容 本文主要通过对本市某小区供水系统的调研和分析,依据用户对供水系统的 江苏大学工程硕士学位论文 要求,确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和可 编程控制器PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统,保证整个系 统运行可靠,安全节能,获得最佳的运行情况。 具体而言,论文包括以下内容: 1.论文在对课题进行分析和研究的基础上,提出了系统的设计方案和思路, 确定论文主要的研究内容和研究方法; 2.分析了变频恒压供水系统节能的原理,给出了恒压供水的理论模型及近 似的数学模型;确定变频恒压供水系统的控制方案,给出了变频恒压供水的控制 流程及工作原理;分析了在变频恒压供水中水泵切换的工作状况。 3.论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用 户的需求入手确定合适的设备选型;详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行 的各种工况及其转换过程,讨论PLC的程序设计方法及程序执行特点,并在此 基础上编写了供水系统控制程序;在介绍PID调节原理的基础上,分析利用PID 调节原理实现恒压供水的调节过程

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