PLC與變頻器自動控制的小區(qū)供水系統(tǒng)畢業(yè)論文.DOC

-1-PLC與變頻器自動控制的小區(qū)供水系統(tǒng)摘要：本文介紹了以可編程邏輯控制器與變頻器為核心的控制系統(tǒng)，并對其控制原理、硬件選擇、軟件設(shè)計進行重點闡述，從而對傳統(tǒng)的城市供水系統(tǒng)進行改造，可以有效的解決以前供水壓力波動大、系統(tǒng)故障率高、能源浪費嚴重等一系列問題。同時，系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式，便于對系統(tǒng)進行維護修理，并能通過應(yīng)用軟件對供水系統(tǒng)進行監(jiān)控和遠距離控制。提高效率，實現(xiàn)自動化供水。關(guān)鍵字：PLC；變頻器；自動控制Abstract:ThisarticlehasintroducedthecontrolsystemwithProgrammableLogicalControllerandFrequencyConverteratthecore,andemphaticallydescribethiscontrolsystemscontrolprinciple,thehardwarechoosingandsoftwaredesign.Thustransformedthetraditionalcitywater-supplysystem.Effectivesettlementsupplywaterpressuretofluctuateheavy,thesystempublishesfaultratehigh,energyserieswastesuchastheseproblems.Meanwhile,thesystemhasautomaticandmanualtwokindsofcontrolway.Canbeconvenientmaintainandrepairingtothesystem.AndMonitorthewater-supplysystemthroughtheapplicationsoftwareandwithLargedistance.Raisetheefficiency,realizeautomationsupplieswater.KeyWords:PLC；FrequencyConverter；AutomaticallyControl1引言一般規(guī)定城市管網(wǎng)的水壓只保證6層以下樓房的用水，而對6層以上的則須提升水壓才能滿足用水要求。以前大多采用傳統(tǒng)的水塔、氣壓罐式的增壓設(shè)備，或是通過在樓頂建蓄水池來實現(xiàn)的，蓄水池中的水是由一個或多個水泵提供，而且這些水泵電機有很大一部分是不能變速的拖動系統(tǒng)，不能變速電機的電能大多消耗在為了適應(yīng)供水量的變化而不得不頻繁的啟、停水泵中。這樣不但會使水泵電機工作在低效率區(qū)，縮短電機的使用壽命，而且電機的頻繁啟動和停止會產(chǎn)生很大的沖擊，從而導致設(shè)備故障率很高，造成水資源的嚴重浪費，而且使系統(tǒng)的維護、維修費用較多，工作量較大。并且這些水泵都是以高出實際用水高度的壓力來提升水壓，其結(jié)果增大了水泵的軸功率和能量損耗。隨著社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的迅速發(fā)展和人們住房條件的提高，高位生活用水和工業(yè)用水逐漸增多，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)落后。以前采用人工進行控制蓄水池的水位，由于不可能每時每刻對水位進行準確的定位監(jiān)測，并且?guī)в泻艽?2-的主觀性，所以很難準確控制水泵電機的起停；使用浮子或其它機械水位控制裝置使供水狀況有了一些改善，但由于機械控制裝置的故障率高，可靠性差，給日常維護和維修帶來很大的麻煩。針對以上所存在的問題，結(jié)合工控行業(yè)的發(fā)展，特別是PLC和變頻技術(shù)在社會各個領(lǐng)域的應(yīng)用，可以用它來解決水壓控制系統(tǒng)存在的以上問題。并且變頻技術(shù)在城市供水領(lǐng)域有節(jié)能、安全與恒壓方面的優(yōu)越性。為了實現(xiàn)供水的自動控制，一般選用以單片機與變頻器或PLC與變頻器結(jié)合為核心，這樣所構(gòu)成的系統(tǒng)都能達到較為理想的控制效果。對PLC與單片機在供水系統(tǒng)中應(yīng)用的一些主要方面做了簡單的比較如表1所示：表1PLC與單片機在供水系統(tǒng)中應(yīng)用的比較硬件軟件抗干擾能力經(jīng)濟成本單片機電路相對復雜需要有較多的外圍元件程序設(shè)計復雜程序修改麻煩較差低體積小、高集成有多種擴展模塊編程簡潔直觀程序修改簡單很強高通過上表的比較，從經(jīng)濟方面考慮，由于PLC工藝的日漸成熟，小型PLC的成本與單片機相差不大，為了實現(xiàn)通用性，要求能夠根據(jù)現(xiàn)場的使用情況方便的修改、調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)，對于供水系統(tǒng)來說，時間參數(shù)變化較多，與單片機相比PLC的軟件中時間參數(shù)的調(diào)整更簡單?；谝陨显颍x用了PLC與變頻器結(jié)合來實現(xiàn)對高樓的恒壓供水，再加上變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)與DBS316A型壓力變送器，使軟件程序的設(shè)計簡單化，硬件接口簡易可行、提高系統(tǒng)運行的可靠性，特別是整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力很強，不僅改變傳統(tǒng)用閥門控制水量的多少，也改善了傳統(tǒng)控制方法的故障率較高的弱點，而且在節(jié)能、恒壓控制等方面均有非常好的使用效果。2控制系統(tǒng)的工作原理2.1變頻調(diào)速原理變頻供水設(shè)備主要由變頻器、控制系統(tǒng)及傳感器等部分組成。控制系統(tǒng)通過控制變頻調(diào)速器，將50H的交流電調(diào)到以050H之間任意頻率輸出，實現(xiàn)交流電機的無極調(diào)速，最終達到生產(chǎn)過程的定量控制及最優(yōu)化控制，當變頻系統(tǒng)為開環(huán)時，設(shè)備可以人為設(shè)定輸出任意頻率控制電機轉(zhuǎn)速；當變頻系統(tǒng)為-3-閉環(huán)時，隨著反饋等要求的變化，根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)供水壓力值，自動跟蹤輸出相應(yīng)的頻率。水泵電機通常由三相交流異步電動機來拖動，對水泵的調(diào)速是通過對其電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。我們知道：異步電動機轉(zhuǎn)速=60(1S)/P。在這個公式中，為電機電源的頻率，P為電機的磁極對數(shù)，S為轉(zhuǎn)差率(03%或06%)。由上述電機的轉(zhuǎn)速公式可見：要想改變電機的轉(zhuǎn)速，可以通過三種方法來實現(xiàn)：(1)改變電動機的頻率f；(2)改變電動機的轉(zhuǎn)差率S；(3)改變電動機的磁極對數(shù)P。通過對上面三種方法的分析可以知道：改變電動機的轉(zhuǎn)速的最好方法是改變電動機電源的頻率。因為，轉(zhuǎn)差率S的范圍在(03%或06%)之間，由此轉(zhuǎn)差率S對電動機的影響不大，調(diào)速效果不明顯，效率相對較低；改變磁極對數(shù)P這種方法，首先它不容易實現(xiàn)，其次，由電機的工作原理決定了電機的磁極數(shù)是固定不變的。由于該磁極數(shù)值不是一個連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以一般不適合通過改變該磁極對數(shù)P來調(diào)整電機的速度。電動機的轉(zhuǎn)速和供電電源的頻率f成正比，要設(shè)法改變?nèi)嘟涣麟妱訖C的頻率，就能十分方便地改變電動機的轉(zhuǎn)速，另外，頻率f能夠在電機的外面調(diào)節(jié)后再供給電機，這樣電機的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。比改變磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率兩個參數(shù)簡單方便得多。而實際上如果僅僅改變電動機的頻率并不能獲得良好的變頻特性。如果電壓不變，頻率下調(diào)至小于50時，會使電機氣隙磁通(約等于/)飽和；反之，電壓不變，頻率上調(diào)至大于50時，則使磁通減弱。所以真正應(yīng)用變頻調(diào)速時，需要同時改變電壓V和頻率f，以保持磁通基本恒定。變頻調(diào)速裝置又稱為VVVF裝置。VVVF是VariableVoltageandVariableFrequency的縮寫，意為改變電壓和改變頻率，也就是人們所說的變壓變頻。根據(jù)水泵葉輪相似定律及其特例比律，水泵供水量與電機轉(zhuǎn)速成正比，供水揚程H與的平方成正比，水泵軸功率N與的3次方成正比。通常，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減小（速度降低）而減小。通過使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機低速時轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。失量控制具有轉(zhuǎn)矩提升功能，它能增加變頻器在低頻時的輸出電壓，以補償定子電阻上電壓降引起的輸出轉(zhuǎn)矩損失，從而改善電機的輸出轉(zhuǎn)矩。改善電機低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的情況，使用矢量控制，可以使電機在低速時的輸出轉(zhuǎn)-4-矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩。對于常規(guī)的V/F控制，電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導致由于勵磁不足，而使電機不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補償這個不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補償電機速度降低而引起的電壓降。轉(zhuǎn)矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對應(yīng)的提高。因為電機電流包含電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量。矢量控制把電機的電流值進行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機電流分量和其它電流分量的數(shù)值。矢量控制可以通過對電機端的電壓降的響應(yīng)，進行優(yōu)化補償，在不增加電流的情況下，允許電機輸出大的轉(zhuǎn)矩。2.2系統(tǒng)工作原理整個控制系統(tǒng)是由PLC、變頻器、壓力變送器、溫度變送器，水泵電機等組成，水泵均采用三相異步電動機來拖動，在這個控制系統(tǒng)中共有4臺水泵電機，因為在不同的時間段內(nèi)人們所用水量是不同的，根據(jù)人們的用水規(guī)律：在白天用水量很大，晚上特別是零點以后，人們的用水量又是特別小。為了不使能源浪費，選用1臺小功率電機和3臺大功率電機。用一臺小功率電機來拖動一個水泵，以便于晚上或白天的某個時間段用水量很小的時候工作，在用水量大的時候，就讓3個大功率電機的某臺或其中的兩臺電機工作，當用水量特別大的時候就讓3臺電機同時運行，來滿足人們用水的要求。同時，由于系統(tǒng)中采用了壓力變送器，可以方便的調(diào)節(jié)變送器，通過控制系統(tǒng)使管道內(nèi)的水壓穩(wěn)定在一個基本不變或者變化量極小的范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)恒壓供水。整個系統(tǒng)的工作原理方框圖如（圖1）所示。由圖1可知，控制信號的采集是由壓力變送器和溫度變送器來完成的，由壓力變送器采集的管道中的壓力信號，經(jīng)過PLC的智能擴展模塊A21來進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，A21根據(jù)變送器傳遞來的標準的電流或電壓信號的大小，把模擬量按一定的關(guān)系轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部的數(shù)字信號，然后由PLC將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號與事先設(shè)定的壓力值相比較，根據(jù)比較的結(jié)果，