基于SH7 PLC多功能变频恒压供水控制系统设计.docx

基于SH7 PLC多功能变频恒压供水控制系统设计.docx

《基于SH7 PLC多功能变频恒压供水控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于SH7 PLC多功能变频恒压供水控制系统设计.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于SH7PLC多功能变频恒压供水控制系统设计

摘要

随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求本系统详细介绍了用于工民建,生产用水中的变频恒压供水控制系统,它主要由变频器,PLC,压力传感器,调节器,接触器等组成,并对其工作原理做了详细解释,本设计包含先进的给水方案，自动控制技术，变频调速技术（VVVF无级调速）及先进的过程控制技术，实现了恒压供水的参数设定定，PID自动控制，保证了供水系统工作于最佳运行工况，保证在实际中可以提供高质量的供水服务.变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。

本设计是针对居民生活用水/消防用水而设计的,由变频器、PLC及PID调节器组成控制系统，调节水泵的输出流量。

由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。

本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。

在经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水

恒压供水系统依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化），实现电机的自动运行,切换等工作方式.在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是现在先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中充分利用变频恒压调速的各种功能，对合理设计和使用变频器调速恒压供水设备,降低成本、提高可靠性,保证产品质量以及节约水资源等有着重要意义。

关键字：

变频恒压供水, 继电接触,PID调节,节能高效

ABSTRACT

Withtherapidsocio-economicdevelopment,urbanconstructionexpandingthesizeofthepopulationincrease,aswellasthecontinuousimprovementoflivingstandardsofurbanwatersupplyquantity,quality,stability,madeever-increasingdemandsofthesystemdescribedindetailforbuildingsfor,productionofwaterinthefrequencycontrolconstantpressurewatersupplysystem,whichismainlybythefrequencyconverter,PLC,pressuresensor,regulator,suchasexposuretothecompositionandworkingprincipleofadetailedexplanation,thedesignprogramincludesadvancedwatersupply,automaticcontroltechnology,variablefrequencyspeedcontroltechnology（VVVFsteplessspeedregulation）andadvancedprocesscontroltechnology,toachieveaconstantpressurewatersupplysetofparameters,PIDautomaticcontrol,toensurethewatersupplysysteminthebestoperatingconditionstoensurethatinpracticecanprovidehigh-qualitywatersupplyservices.VVVFconstantpressurewatersupplyofitsenergy-savingtechnology,security,high-qualitywatersupply,etc.,inthewatersupplyindustryhasbeenwidelyapplied.

ItisveryimportantoftheWaterSupplySysteminConstantPressureforthewatersupplyinindustrialandcitizenexistence.Itisconsistofthevariablefrequencyandspeedregulation,PLC,PIDcontrolsystemforthecontrolsystem.Itcontrolstheoutcomeofthepumps.Thepowercomefromvariablefrequencyandspeedregulationorpowergrid.Accordingtothewatersupplyofconstantpressure’soutcomewaterpressandflux,thecontrolsystemcontrolthevariablefrequencyandspeedregulation,parallelpumps’speedandcutover,causethesystemmoveinthebestrationalsituation,assureaccordingtowantssupplywater.Thisdesignhasmanymeritssuchassaveenergy.

Inthispaper,thecontrolprincipleofVVVFproviding-watersystemisintroduced,PLCisusedtocarryonlogiccontrolandinverteredtomodulatepressure．ThroughPIDcontrolprinciple.WerealizeClosed-loopcontrolinVVVFProviding-waterSystem.

Constantpressurewatersupplysysteminaccordancewiththechange（infactthepressureofthewatersupplynetworkchange）,toachieveautomaticoperationofthemotor,switchandotherwork.Changesinwaterconsumptiontomaintainconstantpressuretomeetthewaterdemandisnowadvancedenergy-savingandreasonablewatersupplysystem.Inpractice,fulluseofvariablefrequencyspeedcontrolofthevariousfunctionsofconstantpressureontherationaldesignanduseoffrequencyconverterspeedcontrolconstantpressurewatersupplyequipment,reducecosts,improvereliabilityandensureproductqualityandwaterconservationisofgreatsignificance.

KEYWORDS:

frequencyconstantpressurewatersupply,relaycontacts,PIDregulation,energyefficiency.

第一章前言……………………………………………………………………5

1.1我国供水系统的现状…………………………………………………………5

1.2变频供水的发展……………………………………………………………6

1.3变频恒压供水系统的特点……………………………………………………7

第二章技术方案………………………………………………………………8

2.1课题方案……………………………………………………………………8

2.2降压起动的原理…………………………………………………………9

2.3PID控制……………………………………………………………………10

第三章可编程控制器简介……………………………………………………14

3.1PLC的概况…………………………………………………………………14

3.2PLC的功能及组成…………………………………………………………15

3.3华光SH-7的介绍…………………………………………………………19

3.4程序介绍……………………………………………………………………19

第四章变频调速的原理及应用……………………………………………………20

4.1变频调速的发展……………………………………………………………20

4.2变频调速技术的原理………………………………………………………22

4.3变频调速技术的应用及前景…………………………………………………23

第五章器件选型………………………………………………………………24

5.1水泵的选择…………………………………………………………………24

5.2接触器的选择………………………………………………………………25

5.3断路器的选择………………………………………………………………26

5.4热继电器选择………………………………………………………………26

5.5变频器的选择………………………………………………………………27

5.6压力仪表的选择……………………………………………………………27

5.7压力变送器的选择………………………………………………………28

5.8显示仪表的选择……………………………………………………………28

5.9开关按钮等的选择…………………………………………………………28

5.10中间继电器的选择…………………………………………………………29

附录元件明细表………………………………………………………………29

结论………………………………………………………………………30

参考文献………………………………………………………………………31

致谢……………………………………………………………………32

附件:

图一、主电路图

图二、PLC控制电路图

图三、接线图

图四、布置图

第一章前言

1.1我国供水系统的现状

水是人类生活、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。

我国是一个发展中国家，多年来极其重视和发展能源的建设，尤其是

电力能源的发展。

但由于国民经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，电能的消耗更是与日俱增，在电能的供求方面仍存在一定的缺口。

据有关部门统计，在供水行业中泵的能源消耗约占企业能源消耗的80％一90％，因此电力工程建设广泛推行各种节能措施。

目前，大部分的水泵控制采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转。

电力拖动存在这样普遍的问题：

运行中电动机的大多数，其平均负载率较低，导致电动机本身功效下降。

平均负载率较低的原因很多。

例

如，选用电动机时不太了解负载情况，不注意电动机和机械的容量匹配，认为容量大总比容量小好；有的投产后长期达不到设计能力，负载太轻又总达不到预期负载等。

采用变频调速技术可改善起动性能及运行特性，提高电力系统的系统效率。

我国是一个发展中国家，多年来极其重视和发展能源的建设，尤其是电力能源的发展。

但由于国民经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，电能的消耗更是与日俱增，在电能的供求方面仍存在一定的缺口。

据有关部门统计，在供水行业中泵的能源消耗约占企业能源消耗的80％一90％，因此电力工程建设广泛推行各种节能措施。

目前，大部分的水泵控制采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转。

电力拖动存在这样普遍的问题：

运行中电动机的大多数，其平均负载率较低，导致电动机本身功效下降。

平均负载率较低的原因很多。

例如，选用电动机时不太了解负载情况，不注意电动机和机械的容量匹配，认为容量大总比容量小好；有的投产后长期达不到设计能力，负载太轻又总达不到预期负载等。

采用变频调速技术可改善起动性能及运行特性，提高电力系统的系统效率。

传统供水方式上，对于流量的控制是利用调节阀门的开度来实现的，这种简单的控制方法存在许多弊端，主要表现在：

1、能源浪费较大。

当流量减少，减小阀门开度时，电机仍然在额定转速下运行，有相当一部分能量消耗在水流与挡板的阻力之上。

2、电机在起动时，起动时间用不了1S，在这1S的时间内，管道内的水流量从零迅速增至额定流量，流量的急剧变化在管道内产生过高或过低的压力。

水锤效应不但产生噪声，在压力高的瞬间，可能会造成管子或阀门破裂，而在压力低时，又会引起管道的瘪塌。

一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须提升水压才能满足用水要求。

以前，大多采用传统的水塔、高位水箱或气压罐式增压设备，但他们都必须水泵以高出实际用水高度的压力来“提升"水量，其结果是往往增大了水泵的轴功率和能量损耗。

恒压供水控制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，是先进、合理的节能型供水系统。

在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过

程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。

虽然单泵系统设计

简单可靠，但由于单泵深度调速方式造成水泵、电动机运行效率低，而多

采用多泵控制方式。

在供水企业中，水泵的电能消耗及设备的维护管理费用，在生产成本中占有很大的比例;水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的21%以上，具有很大的节能潜力.由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的，而轴功率与转速的三次方成正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。

因此，这种调控方式虽然简单，但从节约能耗的角来看.很不经济。

近年来，电机调速技术的应用，为水泵电机的节能开辟了一个新途径。

它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始终在高效区工作，将大大地降低水泵能耗，合理地进行设备管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。

1.2变频供水的发展

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（DSP）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：

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。

自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。

变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。

恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，由n=60f（1-s）/p公式可知，在选定水泵前提下，则转差率s,磁极对数p恒定，则n与f成线性关系，即通过改变水泵电机频率可实现水泵无级平滑调速。

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出水管处水压恒定，以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中得到了很大的发展。

随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。

充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证供水质量等方面有着非常重要的意义。

当今的变频器有突显的数值化，智能化特征。

随着计算机技术的飞速发展，人们对数字化信息的依赖越来越强。

为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统采用全数字化控制模式。

单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。

例如由Intel公司1983年开发生产的MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。

其高档型：

8×196KB、8×196KC、8×196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。

而且由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益发展深化。

1.3变频恒压供水系统的特点

变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合,在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点：

1）滞后性：

供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，

同其他一些过程控制量（如：

温度、流量、浓度等）一样，对控制作用的响应具有

滞后性，同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。

2）非线形：

用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵

的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速

恒压供水系统是一个非线性系统。

3）多变性：

变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的

供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，

因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

4）时变性：

在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定基于PLC的变频恒压供水系统的设计量泵的控制（包括定量泵的停止和运行）是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为：

变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。

5）容错性：

当出现意外的情况（如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。

在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

6）可扩充性：

水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯

接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便

显示和监控以及报表打印等。

7）节能性：

系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供

水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从0到电机额定电流，

减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲

击，延长了设备的使用寿命。

第二章课题及技术方案

2.1技术方案

本系统的控制对象是经PID运算的PID调节器的输出信号，控制参数是给定信号与反馈信号的比较后的PID的输出信号。

控制系统中被控对象为水泵连接的出水管的压力，控制目标为使管口处压力保持恒定，由此用压力负反馈构成单闭环控制。

将压力信号通过远传压力表输出标准电信号作为反馈，并与给定信号进行比较，将偏差信号送至调节器进行PID运算处理，输出控制信号控制变频器变频调速，使变频器的输出频率改变，进而调节水泵的转速，改变水流量使水泵出口处管压在设定范围内运行。

当用水量增加或减少时,水泵转速随之减少或增加,以减少或增加供水量,使管网的压力保持恒定。

如果水泵的供水量不够或超量时,中央控制器将调节系统启动或关闭其余水泵,以满足系统压力与流量实现恒压供水。

系统根据给定值与反馈值的差值，控制水泵的运行速度的变化，如果差值为零，则水泵就在某一运行速度下稳定运行。

当供水系统用水量增加，管网压力开始下降时，控制系统根据压力下降的程度，适时地提高调速泵的转速，及时增加供水量，保持管网压力不变。

当压力不断下降,1号水泵已经不能满足正常供水时,即达到压力下限时,1号泵接入工频运行,但是要在变频运行开关切断后延时一会,以免造成变频器的输出直接接到电源上,把变频器的输出端烧了.1号泵工频运行的同时,2号泵变频开始运行,以满足供水要求,使管网压力继续保持稳定,当用水量减少时,管网压力开始上升时，控制系统根据这一变化，自动适应地降低调速泵的转速，减少供水量，保持管网压力稳定,管网压力达到上限,即使用一台泵即可满足用户用水要求时,1号泵断开,停止运行,只剩2号泵继续变频运行.当用水量再次升高时,2号泵工频运行,变频运行开关断开一段时间后,再接通工频运行开关,同时,接通1号泵变频开始运行,这样就可以实现2台泵循环使用,这样可以有效的使用水泵,使两台泵的使用率基本相同,以免只有1台泵经常处于运行状态,而另一台则使用很少,可能使1号泵由于工作时间长,而更容易出现故障,2号泵刚经常处于空闲,造成资源浪费.

另外,该系统还设有两台45KW的消防泵,当有消防信号时,自动工频运行,此时两台供水泵停止运行,用水由消防泵提供.由于消防泵的功率很大,所以不能采取正常的起动方式,必须使用降压启动,系统中采用Y-三角降压起动.

2.2降压起动的原理

电机的起动电流近似的与定子的电压成正比，因此要采用降低定子电压的办法来限制起动电流，即为降压起动。

　　对于因直接起动冲击电流过大而无法承受的场合，通常采用减压起动，此时，起动转矩下降，起动电流也下降，只适合必须减小起动电流，又对起动转矩要求不高的场合。

常见降压起动方法：

定子串电阻降压起动、Y/Δ起动控制线路、延边三角起动、自耦变压器降压起动.大功率电