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基于S7_200PLC的控制的變頻恒壓供水系統設計說明.doc

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?第一章 緒 論1.1變頻調速恒壓供水的目的和研究意義 隨著我國城鄉建設的迅速發展,水、電供應不足的矛盾越來越成為人們關注的問題。例如,人們日常生活中的用水量越來越大,一天中的用水量的波動也越來越大。以往的供水系統中,水泵的選取往往是按最大供水量來確定,而實際的用水量在不斷變化。高峰用水時間較短,這樣水泵在很長一段時間有較大余量,不僅水泵效率低,供水壓力不穩,而且造成大量電力、水資源的浪費;并且以往依靠手動操作控制泵的啟動、停止,也已不能滿足要求。在用水量高峰期時供水量普遍不足,造成城市公用管網水壓浮動較大。由于每天不同時段用水對供水的水位要求變化較大,僅僅靠供水廠值班人員依據經驗進行人工手動調節很難及時有效的達到目的。這種情況造成用水高峰期時水位達不到要求,供水壓力不足,用水低峰期時供水水位超標,壓力過高,不僅十分浪費能源而且存在事故隱患(例如壓力過高容易造成爆管事故)。這里,介紹一種基于S7-200的變頻控制的恒壓供水控制系統,它既能解決人工操作的繁雜勞動和精神壓力,又能節約能源本控制系統將PLC、變頻器、相應的傳感器和執行機構有機地結合起來,發揮各自優勢,并設計了配套的界面美觀、操作方便的自動控制系統,使得系統調試和使用都十分方便,而且大大簡化了水廠在管理、數據統計和分析等方面的工作量。實踐證明,本系統不僅滿足了生產的需要,提高了整個水廠的整體管理水平,而且僅節約用電一項就為水廠創造了巨大的經濟效益,并且保障了用戶的用水要求。由于中小型自來水廠的自動化技術改造在我國有著廣泛的前景,本控制系統具有較大的發展潛力和使用價值。1.2變頻調速技術的特點及應用作為高性能的調速傳動,直流發電機-電動機調速控制方法長期以來一直應用廣泛。但是直流電動機由于換向器和電刷維護保養很麻煩,價格也相當昂貴。使異步電機實現性能好的調速一直是人們的理想。異步電機的調速方法很多,例如無極調速、有極調速、定子調壓調速、串級調速、變頻調速等。但是因為各種各樣的缺點沒有得到廣泛的應用3。70年代以后,由于微電子技術、電力電子技術和微處理機技術的發展,促使晶體管變頻器的誕生。晶體管變頻器不但克服了以往交流調速的許多缺點,而且調速性能可以和直流電動機的調速性能相媲美。三相異步電動機具有維修方便、價格便宜、功率和轉速適應面寬等優點,其變頻調速技術在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優勢。到80年代末,交流電機的變頻調速技術迅速發展成為一項成熟的技術,它將供給交流電機的工頻交流電源經過二極管整流變成直流,再由IGBT或GTR模塊等器件逆變成頻率可調的交流電源,以此電源拖動電機在變速狀態下運行,并自動適應變負荷的條件。它改變了傳統工業中電機啟動后只能以額定功率、定轉速的單一運行方式,從而達到節能目的?,F代變頻調速技術應用于電力水泵供水系統中,較為傳統的運行方式是可節電40%~60%,節水15%~30%。由于變頻調速具有調速的機械特性好,效率高,調速圍寬,精度高,調整特性曲線平滑,可以實現連續的、平穩的調速,體積小、維護簡單方便、自動化水平高等一系列突出的優點而倍受人們的青睞。尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時,可以獲得其它調速方式無法比擬的節能效果。變頻調速系統主要設備是提供變頻電源的變頻器,變頻器可分成交流-直流-交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類,目前國大都使用交-直-交變頻器。自從通用變頻器問世以來,變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速恒水位供水設備以其節能、安全、高品質的供水質量等優點,使我國供水行業的技術裝備水平從90年代初開始經歷了一次飛躍。恒壓、恒水位供水調速系統實現水泵電機無級調速,依據用水位的變化自動調節系統的運行參數,在用水量的變化自動調節系統的運行參數,在用水量發生變化時保持水壓恒定和水位恒定以滿足用水要求,是當今最先進、合理的節能型供水系統。在實際應用中得到了很大的發展。隨著電力電子技術的飛速發展,變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器置的各種功能,對合理設計變頻調速恒壓供水設備,降低成本,保證產品質量等方面有著非常重要的意義。新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比,不論是設備的投資,運行的經濟性,還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢,而且具有顯著的節能效果。恒壓、供水調速系統的這些優越性,引起國幾乎所有供水設備廠家的高度重視,并不斷投入開發、生產這一高新技術產品。目前該產品正向著高可靠性、全數字化微機控制,多品種系列化的方向發展。追求高度智能化,系列標準化是未來供水設備適應城鎮建設成片開發、智能樓宇、網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。在短短的幾年,變頻調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發展過程,早期的單泵調速恒壓系統逐漸被多泵調速系統所代替。雖然單泵調速系統設計簡易可靠,但由于單泵電機深度調速造成水泵、電機運行效率低,而多泵調速系統投資更為節省,運行效率高,被實際證明是最優的系統設計,很快發展成為主導產品。1.3可編程序控制器的特點及應用早期的可編程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC),主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著計算機技術、通信技術和自動控制技術的迅速發展,可編程序控制器將傳統的繼電器控制技術與新興的計算機技術和通信技術融為一體,具有可靠性高、功能強、應用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優點,以及良好的工業環境工作性能和自動控制目標實現性能,在工業生產中得到了廣泛的應用。1969年,美國數字設備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規模集成電路組成,主要功能是執行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。70年代初期,體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于PLC,使得PLC的功能大大增強。在硬件方面,除了保持其原有的開關模塊以外,還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊和各種特殊功能模塊。在軟件方面,PLC采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言,除了保持原有的邏輯運算等功能以外,還增加了算術運算、數據處理和傳送、通訊、自診斷等功能。進入80年代中、后期,由于超大規模集成電路技術的迅速發展,微處理器的市場價格大幅度下跌,使得PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且,為了進一步提高PLC的處理速度,各制造廠商還研制開發了專用邏輯處理芯片,大大提高了PLC軟、硬件功能。在發達工業國家,PLC已經廣泛的應用在所有的工業部門。據“美國市場信息”的世界PLC以及軟件市場報告稱,1995年全球PLC及其軟件的市場經濟規模約50億美元。隨著電子技術和計算機技術的發展,PLC的功能得到大大的增強,具有以下特點:1) 可靠性高。PLC的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環掃描工作方式。2) 具有豐富的I/O接口模塊。PLC針對不同的工業現場信號,有相應的I/O模塊與工業現場的器件或設備直接連接。另外為了提高操作性能,它還有多種人機對話的接口模塊;為了組成工業局部網絡,它還有多種通訊聯網的接口模塊。3) 采用模塊化結構。為了適應各種工業控制需要,除了單元式的小型PLC以外,。省略部分。S7-200PLC的變頻調速恒壓自動控制供水系統,該系統由1臺變頻器拖動3臺水泵電機變頻運行。壓力傳感器采樣水泵出水口的壓力信號經PID處理傳送給變頻器,變頻器根據壓力大小調整電機轉速,改變水泵性能曲線來實現水泵的流量調節,保證管網壓力恒定。2.變頻調速恒壓供水系統構成由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器以及接觸器控制柜等構成。系統采用1臺變頻器拖動3臺電動機的起動、運行與調速,其中3臺泵采用循環使用的方式運行。壓力傳感器采樣管網壓力信號,變頻器輸出電機頻率信號,這兩個信號反饋給PLC的PID模塊,PLC根據這兩個信號經PID運算,發出指令,對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。3.在控制電路的設計中,為了保護PLC設備,PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接,而是通過中間繼電器去控制電機的動作,實現系統中的強電和弱電之間的隔離??刂齐娐分写嬖陔娐分g互鎖的問題,由于控制系統是實現分組的組自動循環,所以電路的互鎖包括組互鎖和組間互鎖。5.PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP-7 MOCRO/WIN32 V3.1編程軟件開發。PLC主程序主要由系統初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、水泵電機換機程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序、停機程序和報警程序等構成。PLC子程序設計共包括四個子程序,分別是模擬量初始化子程序、模擬量數據處理子程序、針對傳統控制模式的缺陷,提出了綜合考慮水位和水量平衡的自適應平衡調節方法,為改進供水控制系統的設計提供了依據。致 經過半年的忙碌和工作,本次畢業設計已經接近尾聲,作為一個本科生的畢業設計,由于經驗的匱乏,難免有許多考慮不周全的地方,如果沒有導師的督促指導,以及一起工作的同學們的支持,想要完成這個設計是難以想象的。這里首先要感我的導師西健老師。老師平日里工作繁多,但在我做畢業設計的每個階段,從外出實習到查閱資料,設計草案的確定和修改,中期檢查,后期詳細設計,裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。除了敬佩老師的專業水平外,他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣,并將積極影響我今后的學習和工作。 其次要感和我一起作畢業設計的所有同學,他(她)們在本次設計中勤奮工作,克服了許多困難來完成此次畢業設計,并承擔了大部分的工作量。如果沒有他(她)們的努力工作,此次設計的完成將變得非常困難。 然后還要感大學四年來所有的老師,為我們打下電氣專業知識的基礎;同時還要感所有的同學們,正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業設計才會順利完成。 最后感電控學院和我的母?!L安大學四年來對我的大力栽培。由于時間倉促和本人水平有限,在本次設計中難免存在錯誤和疏漏的地方,敬請老師批評指正。作者:濤2009年6月6號主要參考文獻[1] 王儉 龍莉莉.建筑電氣控制技術.:中國建筑工業,1998,6:13-49[2] 高欽和.可編程控制器應用技術與設計實例..人民郵電,2004,7:26-54[3] 王永華.現代電氣及可編程控制技術.航空航天大學,2002,9:32-54[4] 躍華.可編程控制器及其應用.:電子科技大學,1998,7:43-74[5]周萬珍.PLC分析與設計應用.:電子工業,1999,6:46-72[6]忠.新編工廠電氣設備手冊.:兵器工業,1994:23-46[7]SIEMENS COM.SIMATIC S7-200與S7-300應用論文集.:西門子(中國),2002,4:26-53[8]SIEMENS COM. 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