plc变频恒压供水系统设计.docx
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plc变频恒压供水系统设计
《交流调速》课程设计
课题名称变频恒压供水控制系统设计
学院（部）兴华学院
专业电气工程及其自动化
班级
学生姓名王平
学号
6月27日至7月1日共1周
指导教师（签字）
11年5月30日
一、设计内容（论文阐述的问题）
变频调速是一种新兴的技术，将变频调速技术用于供水控制系统中,具有高效节能、水压恒定等优点。
本课程设计是电气工程及其自动化专业《交流调速》课程的实践性环节，其主要目的是培养学生初步掌握交流变频调速系统的设计方法及理论知识的应用能力。
本课程设计的基本任务是提高学生在调速系统设计方面的实践技能，培养学生综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。
通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。
二、设计原始资料（实验、研究方案）
一楼宇供水系统，正常供水量为20m3/小时，最大供水量35m3/小时，扬程45米。
采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。
当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。
设计要求：
1．设二台水泵。
一台工作，一台备用。
正常工作时，始终由一台水泵供水。
当工作泵出现故障时，备用泵自投。
2.二台泵可以互换。
3．给定压力可调。
压力控制点设在水泵出口处。
4．具有自动、手动工作方式，各种保护、报警装置。
5.用PLC为主要器件完成控制系统的设计。
三、设计完成后提交的文件和图表
1、电气原理图。
2、自动调节原理框图。
3、课程设计说明书，包括：
方案的确定
水泵的容量
系统的工作原理
4、操作使用说明书。
2、图纸部分：
电气控制原理图
四、毕业设计（论文）进程安排
序号设计（论文）各阶段名称日期
1确定设计方案11.6.27
2完成控制系统设计11.6.28-29
3完成设计说明书11.6.30-7.1
五、主要参考资料
1）《交流调速系统》周绍英、储方杰机工
2）《建筑电气控制技术》王俭建工
3）《过程控制》金以慧清华
4）富士变频器使用手册
5）电气图用图形符号（国标）
6）《给水排水工程仪表与控制》崔福义建工
7）《水暖空调电气控制技术》孙光伟建工
8）《交流电机变频调速及其应用》张承慧机工
9）有关杂志、报刊、资料
一．概述
随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，我国中小城市供水的自动化配置相对落后，机组的控制主要依靠值班人员的手操作，控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。
为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行，设计了一套基于PLC的变频恒压供水系统。
恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。
恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，恒压供水对水泵、电机也起到了很好的保护作用和有效地节约了电能的消耗。
结合使用可编程控制器，可实现循环变频，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，延长了设备的使用寿命。
二．方案确定
变频恒压自动控制供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器等组成。
系统采用一台变频器拖动二台水泵运行，起动，调速。
在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n,从而改变水泵的性能曲线来实现的。
分析水泵的能耗比较图，可以看出利用变频器实现调速恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式阀门节流控制相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。
系统正常运行时，用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，传输至PLC，与用户设定的压力值进行比较，将结果转换为频率调节信号和水泵启动台数信号分别送至变频器和可编程控制器；变频器调节水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速；PLC控制水泵的运转。
通过对水泵的启动和停止及其中变频泵转速的调节，将用户管网中的水压恒定于用户预先设计的压力值，达到“变量恒压供水”的目的。
当用水量 该系统能够对供水系统进行自动控制，有效的降低能耗，保持系统维持在最佳运行状态，提高生产管理水平。
如果其中一台泵出现故障则另一台泵自动投入用行。
其原理框图如下：
三．设备选型
（1）水泵的选择
IS系列常用水泵规格、型号、参数一览表
水泵型号
流量
m3／h
扬程
m
水泵型号
流量
m3／h
扬程
m
Is50-32-125
12.5
20
Is50-32-125
100
125
Is50-32-125
12.5
32
Is50-32-125
95
114
Is50-32-125
12.5
50
Is50-32-125
90
103
Is50-32-125
12.5
80
Is50-32-125
200
50
Is50-32-125
25
20
Is50-32-125
187
44
Is50-32-125
25
32
Is50-32-125
173
38
Is50-32-125
25
50
Is50-32-125
200
80
Is50-32-125
25
80
Is50-32-125
187
70
Is50-32-125
25
125
Is50-32-125
200
125
Is50-32-125
50
50
Is50-32-125
181
70
由于本设计要求水泵正常供水量为m3/h，最大供水量为35m3/h，扬程为45m。
所以选择IS50—32—125较为合适。
（2）PLC选型
2.1控制系统的I/O点及地址分配
根据本设计控制要求,统计控制系统的输入、输出信号的名称，代码及地址编号如下表所示。
名称
代码
地址编码
输入信号
输入信号
手动和自动
SA1
0000
1.2号备用按钮
SA2
0001
自动启动
SB1
0002
自动停车
SB2
0003
1号手动启动
SB3
0004
1号手动停机
SB4
0005
2号手动启动
SB5
0006
2号手动停机
SB6
0007
变频器故障
VVVF
0008
1号水泵热保护
FR1
0009
2号水泵热保护
FR2
0010
输出信号
1#泵变频运行接触器及指示灯
KM1,HL1
0500
1#泵工频运行接触器及指示灯
KM2,HL2
0505
2#泵变频运行接触器及指示灯
KM3,HL3
0502
2#泵工频运行接触器及指示灯
KM4,HL4
0503
变频器启停接触器及指示灯
KA,HL5
0504
1#泵故障指示灯
HL6
0505
2#泵故障指示灯
HL7
0506
变频器故障
HL8
0507
根据输入输出点可知系统共有开关量输入11个，开关量输出点8个,所以选用欧姆龙C20P（12点输入8继电器出）1台，即可满足用户供水控制要求
2.2PLC梯形图如附表（图二）所示：
2.3PLC梯形图指令如下表所示：
指令
数据
指令
数据
指令
数据
LD
0000
KEEP
0502
AND
0006
OUT
1000
LD
TR0
ANDNOT
0501
LDNOT
0000
AND
1001
LD
TR1
OUT
1001
AND
1003
AND
0506
LD
0001
OR
0507
OR
0007
ANDNOT
1000
LD
TR0
KEEP
0503
OUT
1002
AND
0505
LD
0500
LDNOT
0001
OR
0003
OR
0502
ANDNOT
1000
OR
0506
LD
0505
OUT
1003
KEEP
0500
OR
0506
LD
0002
LD
1000
OR
0507
OUT
TR0
OUT
TR1
KEEP
0504
AND
1001
AND
0004
LD
0008
AND
1002
ANDNOT
0503
OUT
0505
OR
0506
LD
TR1
LD
0009
LD
TR0
AND
0507
OUT
0507
AND
0505
OR
0005
LD
0010
OR
0003
KEEP
0501
OUT
0506
OR
0507
LD
TR1
2.4压力传感器选择
在供水系统中，压力传感器既可以采用压力变送器，也可以采用远传压力表。
在本设计中采用远传压力表，压力表相应接线端子接到变频器。
2.41远处压力表优点
由于压力远传表是一款把压力信号转换为电信号，输出为4-20mA的标准信号，信号传送距离可以达到1-3公里的压力表。
其优点是：
传送精度高，寿命高，采用2根线传送数据，接线简单。
这些优点是传统压力表永远无法取胜的。
3.变频爱参数设置
名称
代码
设置值
频率设定命令
00
1
操作方法
01
1
最高频率
02
50HZ
基本频率
03
50HZ
电子过热或继电器
08
1
频率上限
11
50HZ
频率下限
12
35HZ
四．PID参数设置
PID控制器参数选择的方法很多，例如试凑法、临界比例度法、扩充临界比例度法等。
但是，对于PID控制而言，参数的选择始终是一件非常烦杂的工作，需要经过不断的调整才能得到较为满意的控制效果。
依据经验，一般PID参数确定的步骤如下：
A：
确定比例系数Kp
确定比例系数Kp时，首先去掉PID的积分项和微分项，可以令Ti=0、Td=0，使之成为纯比例调节。
输入设定为系统允许输出最大值的60％～70％，比例系数Kp由0开始逐渐增大，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数Kp逐渐减小，直至系统振荡消失。
记录此时的比例系数Kp，设定PID的比例系数Kp为当前值的60％～70％。
B：
确定积分时间常数Ti
比例系数Kp确定之后，设定一个较大的积分时间常数Ti，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，然后再反过来，逐渐增大Ti，直至系统振荡消失。
记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150％～180％。
C：
确定微分时间常数Td
微分时间常数Td一般不用设定，为0即可，此时PID调节转换为PI调节。
如果需要设定，则与确定Kp的方法相同，取不振荡时其值的30％。
D:
系统空载、带载联调对PID参数进行微调，直到满足性能要求。
由以上方法可得PID的经验数据为：
采样周期T=3秒，比例系数KP=140,积分时间Ti=24秒。
因为供水系统没有较大的惯性环节所以不需要设置微分参数。
五．操作使用说明
（1）自动：
将自动档位开关SA1旋到自动档位，如选择1号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA2旋到1号泵备用档位。
如选择2号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA2旋到2号泵备用档位。
再按下自动启动按钮SB1，则系统可自动工作。
按下自动停止按钮SB2则可使整个系统停止运行，变频器自动关闭。
（2）手动：
将档位开关SA1旋到手动档位。
按下SB3启动1号泵工作，按下SB5启动2号泵工作。
按下SB4停止1号泵工作。
按下SB6停止2号泵工作。
（3）故障：
当一号泵故障时FR1自动闭合，此时HL5灯亮，HR发出响声。
当二号泵故障时FR2自动闭合，此时HL6灯亮，HR发出响声。
当变频器故障时30A自动闭合，此时HL8灯亮，HR发出响声。
六．系统工作原理
把旋转按钮打到自动状态接通0000，系统进入自动工作状态，再按备用旋转按钮选择备用，选择一号备用，再按0002，二号泵进入自动运行状态，接通0502.指示灯hl3亮。
如果二号泵故障接通0010,0506.使得0502断开，二号泵停止。
同样，二号备用泵也一样。
如果变频器故障，0008断开，0507接通。
此时，0502，0501，都断开。
如果0003接通则0502断开。
系统自动运行停止。
同理，手动使0000常闭接通。
再按0004，则0501接通，按下0005，则0501断开。
按0006则0503接通。
按0007则0503断开。
七.电气控制系统原理图
电气控制系统原理图包括主电路图及PLC外围接线。
如下附表（图一）所示.
（1）主电路图
如图1所示为电控系统主电路。
2台电机分别为M1、M2。
接触器KM1、KM2、KM3、KM4，分别控制M1、M2；其中接触器KM2、KM4，分别控制M1、M2，的变频运行；FR1、FR2分别为2台水泵电机过载保护用的热继电器；QF、QF1、QF2、QF3分别为2台泵电机主电路的隔离开关；FU1、FU2为主电路的熔断器。
八．设计体会
一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，在设计过程中，学会了合作，尤其是在同学的帮助下很快的学会了CAD，课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练．体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
在此感谢我们的刘老师，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。
九．参考文献
1．《建筑电气控制技术》中国建筑工业出版社
2．《交流电机变频调速及其应用》机械工业出版社
3.《水暖与空调电气控制技术》中国建筑工业出版社
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