PLC与变频器方面应用论文.docx
《PLC与变频器方面应用论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC与变频器方面应用论文.docx（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
PLC与变频器方面应用论文
PLC与变频器方面应用论文
辽宁职业学院
题目变频恒压供水系统设计系（分院）汽车工程系专业班级
姓名指导教师姓名
职称
日期2011.5.20
辽宁职业学院
专业班级:
学生姓名:
题目:
变频器恒压供水系统设计
上交论文（报告）日期:
2011年4月12日
答辩日期:
2011年5月19日指导教师:
2011年5月20日
本人声明
我声明，本论文及其设计工作是由本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
毕业生签名:
年月日
辽宁职业学院毕业论文
本人声明.............................................................................................................................III
目录.....................................................................................................................................II
摘要.................................................................................................................................III
1绪论...................................................................................................................................1
1.1变频恒压供水产生的背景和意义...................................................................................12变频恒压供水系统结构....................................................................................................22.1恒压供水系统原理.........................................................................................................23硬件设计方案...................................................................................................................33.1主要器件选型.................................................................................................................33.1.1PLC的选型..................................................................................................................33.1.2变频器的选型..............................................................................................................53.13变频器和电机的距离确定电缆和布线方法;.............................................................5
3.14变频器控制原理...........................................................................................................63.15变频器的接地...............................................................................................................63.2供水系统电气设计..........................................................................................................73.3变频器、PLC接线图.....................................................................................................94总结.................................................................................................................................11
参考文献.............................................................................................................................12
致谢...................................................................................................................................13
II
辽宁职业学院毕业论文
摘要
建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。
根据高校用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了供水系统存在成本高，可靠性低，水
提水相结合的方资源浪费，管网系统待完善的问题。
提出以利用自来水水压供水与水泵式，并配以变频器、软启动器、PLC、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能等传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围，从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题，而且随着控制技术的发展与完善，变频器及PLC在各个行业的应用愈来愈广，PLC与变频器的可靠性与灵活性得到了用户的认可。
同时传统的水塔供水方式暴露了很多缺点:
水的二次污染，用水高低峰的不平衡，管道阀门易损坏，维修保养费用过高等等。
在此条件下各种恒压供水方式应运而生，其中由变频器、PLC控制的方式尤为普遍，这种方式的特点:
系统稳定，功能强大，变频器用于供水更加节能，所以广泛应用在多层住宅小区生活消防供水系统中，现在好多场合也有应用，比如中央空调系统、供水加压站、集中供热等，这种方式经受了时间的考验，已有很多的应用实例。
另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。
结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命。
关键词:
变频调速PLC恒压供水自动控制
III
辽宁职业学院毕业论文
1绪论
1.1变频恒压供水产生的背景和意义
水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源;水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。
近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。
据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%。
由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。
这种情况造成用水高峰期时供水压力不足,用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患。
供水厂希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平，因此设计一套取水和供水的自动控制系统，此系统克服采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。
在相当比较大规模的工业生产供水系统,变频调速恒压供水有它自身的特点:
1,供水量在短时间内（一天时间内）变化大,这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。
2,对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。
3,一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。
从上即可结论:
以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。
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（实际上为供水管网的压力变化）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当今先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
1
辽宁职业学院毕业论文
2变频恒压供水系统结构
2.1恒压供水系统原理
本文的供水系统可适用于生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水。
以三台水泵组成的供水系统为例[3]，变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、PLC控制系统、变频器、人机界面、上位连接以及报警装置等部分组成。
其工作过程:
PLC首先检测给水池液位保护开关是否动作，否则直接由变频器启动第一台水泵;同时由远传压力表测出出水口管路水压，将模拟量送到PLC控制器，与给定水压值（设定上下限）比较后，控制变频器输出频率，调节水泵转速。
当变频器频率到达最大或最小时，由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统。
如图1所示。
PLC压力检测消防用水YV2
生活用水
YV1变频器
SL泵1H水
泵2EQ池SLL泵3
如
图1恒压供水系统
由图可见市网来水用高低水位控制其EQ来控制注水阀YV1，它们自动把水注满水池，只要水位低于高水位，则自动向水池注水。
水池的高低水位信号也直接送给PLC最为报警用。
位保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离相差不是很大。
生活供水和消防供水公用三个水泵。
平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台水泵根据生活用水的多少按一定逻辑控制运行，使生活供水在恒压条件下运行。
当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台水泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态下进行。
火灾结束后，三台水泵再改为生活供水使用。
对生活/消防恒压供水的要求:
2
辽宁职业学院毕业论文
1,生活供水时，系统应低恒压值运行;消防供水时，系统应高恒压值运行。
2,三台水泵根据恒压的需要，采取“先开后停”的原则接入和退出。
3,在用水量较小时，如果一台泵连续运行超过3小时，则要切换到下一系统，具有”倒泵功能”避免某一台泵工作时间过长。
4,要用完善的报警功能。
5,对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时使用。
3硬件设计方案
3.1主要器件选型
3.1.1PLC的选型
目前，世界上有plc厂商200多家，各种型号产品几千种。
plc产品按地域上分成三个流派，分别是美国产品、欧洲产品、日本产品。
美国:
AB（allen-bradly）、GE（generalelectric）;欧洲:
德国的西门子（siemens）、法国的te（telemecanique）;日本:
三菱电机（mitsubishielectric）、欧姆龙（omron）。
经分析，选择西门子S-200系列的PLC较为合适。
SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，
S7-200系列出色表现在以下几个方面:
1,极高的可靠性
2,极丰富的指令集
3,易于掌握
4,便捷的操作
5,丰富的内置集成功能
6,实时特性
7,强劲的通讯能力
8,丰富的扩展模块
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。
如表1
西门子S-200系列PLC的型号有:
S7-221,S7-222,S7-224,S7-224XP,S7-226
3
辽宁职业学院毕业论文
表1西门子PLCS-7200系列分类
型号概述
本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。
无I/O扩展能力。
6K字节程序和数据存储空间。
4个独立的30kHz高速计数器，2路S7-221独立的20kHz高速脉冲输出。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通
讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
非常适合于小点数控
制的微型控制器。
本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。
可连接2个扩展
模块，最大扩展至78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点。
6K
字节程序和数据存储空间。
4个独立的30kHz高速计数器，2路独S7-222立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/
编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
是具有扩展能力的、适应性更广泛的全功能控制器。
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩
展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
16K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2S7-224路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通
讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能
力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制
器。
控制系统的输入输出信号的代码、名称及地址编号如表3-3所示。
水位上下限信号分别为I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。
从表中分析可以知道，系统共有开关量输入点6个，开关量输出点12个;模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。
如果选择XP222PLC，也需要扩展单元，如果选择XP226PLC，则价格较高，浪费较大。
参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选主机为CPU为XP224PLC（14/10继电器输出）一台，加上一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。
这样的配置时最经济的。
如图2
4
辽宁职业学院毕业论文
主机单元模拟量单元
CPU224EM235
AC/DC继电器4AI/IAO
图2PLC系统配置图
3.1.2变频器的选型
变频器选型时要确定以下几点:
1,采用变频的目的;恒压控制或恒流控制等。
2,变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3,变频器与负载的匹配问题;
I1.1,电压匹配;变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
1.2,电流匹配;普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
1.3,转矩匹配;这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4,在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
5,变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
6,对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
3.13变频器和电机的距离确定电缆和布线方法;
1，变频器和电机的距离应该尽量的短。
这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。
2，控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。
3，电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。
同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。
如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。
与
5
辽宁职业学院毕业论文
变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。
4，与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。
3.14变频器控制原理
1，主回路:
电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器;滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。
虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。
可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。
2，控制回路:
具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。
3.15变频器的接地
变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。
变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。
变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。
信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。
变频器与控制柜之间电气相通。
综合考虑，本次设计采用西门子的MM440变频器。
西门子的MM440变频器功能强大，多面手，应用广泛。
MM440是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。
本系列有多种型号，额定功率范围从120W到200kW恒定（转矩CT控制方式），或者可达250kW（可变转矩VT控制方式），供用户选用。
标准变频器MM440变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。
因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。
全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。
MICROMASTER440具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。
由于MICROMASTER440具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。
6
辽宁职业学院毕业论文
3.2供水系统电气设计
主电路如图3-3所示，三台电机分变为M1、M2、M3。
接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行;接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行;FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护用的热继电器;QF1、QF2、
QF4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关。
FU1为主电路的熔断器。
QF3、
N
L1
L2
L3
QF1
QF2QF3QF4变频器
KM5KM1KM3KM2KM4KM6
333FR1FR3FR2
M1M2M3
图3-3主电路原理图
控制电路如图3-4所示。
图中SA为手动自动转换开关，SA打在“1”的位置时为手动控制状态，打在“2”的位置时为自动控制状态。
手动运行时，可以用按钮SB1-8控制泵的启/停和电磁阀YV2的通/断;自动运行时，系统在PLC程序的控制下运行。
由于电池阀YV2没有触点，所以要使用一个中间继电器KA1简接控制YV2，来实现YV2的手动自锁功能。
图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。
对变频器频率进行复位时只提供一个控制信号，由于PLC的4个输出点为一组，公用一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进
7
辽宁职业学院毕业论文行复频控制。
图中的Q0.0-0.5及Q1.0-1.5为PLC的输出继电器触点，它们旁边的4、6、
8等数字为接线编号。
N
SA
102PLCL1FU2SB2SB1KM1FR1KM24HL1KM1Q0.0KM2KM16HL2Q0.1SB3SB4KM3FR2KM48HL3KM3Q0.2KM4KM310HL4Q0.3SB5SB6KM5FR3KM612KM5HL5Q0.4KM6KM514HL6Q0.5SB8KA1SB7Q1.016KA1YV2KA1Q1.1HL7
18Q1.2HL8
20Q1.3HL922HAQ1.424KAQ1.5
26HL10图3-4控制电路原理图
8
辽宁职业学院毕业论文
3.3变频器、PLC接线图
LULV1西门子LW2MM4403
PLC
A+ADC
1+
A-ADC1
-DIQ1.
N15
图3-5变频器接线图
9
辽宁职业学院毕业论文1M1LSA1
I0.0Q0.4SLL0I0.1Q0.6SLH1西8I0.2Q0.SU门2子10I0.3Q0.S7200CPU224SB9312I0.4Q0.SB10414I0.5Q0.
5I0.62L
I0.7Q1.16
0182MQ1.
120I1.1Q1.
222Q1.
324Q1.Q1.
5426MRA
L+A+远程压力地A-变送器M0RB接变频器EM235V0B+
I0B-
增RC
益C+
配C-置
RD
配D+
置D-
图3-6PLC接线图
10
辽宁职业学院毕业论文
4总结
此次设计是以供水状况为设计课题，包括:
恒压供水系统原理、恒压供水系统的电气实现、系统的硬件选型、系统的硬件电路设计和软件电路设计等，本设计一共包含四大章设计内容，其主体是由变频技术，是现阶段水处理行业较为先进的供水方法。
本系统与现在普通二级加压水厂相比，具有简单经济、控制方便、节能降耗的优点。
首先
升级会员 