PLC與變頻器自動(dòng)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(dòng)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(duì)其控制原理、硬件選擇、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)闡述，從而對(duì)傳統(tǒng)的城市供水系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以有效的解決以前供水壓力波動(dòng)大、系統(tǒng)故障率高、能源浪費(fèi)嚴(yán)重等一系列問(wèn)題。同時(shí)，系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)修理，并能通過(guò)應(yīng)用軟件對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和遠(yuǎn)距離控制。提高效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化供水。關(guān)鍵字：PLC；變頻器；自動(dòng)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(duì)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(guò)在樓頂建蓄水池來(lái)實(shí)現(xiàn)的，蓄水池中的水是由一個(gè)或多個(gè)水泵提供，而且這些水泵電機(jī)有很大一部分是不能變速的拖動(dòng)系統(tǒng)，不能變速電機(jī)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(huì)使水泵電機(jī)工作在低效率區(qū)，縮短電機(jī)的使用壽命，而且電機(jī)的頻繁啟動(dòng)和停止會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊，從而導(dǎo)致設(shè)備故障率很高，造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且使系統(tǒng)的維護(hù)、維修費(fèi)用較多，工作量較大。并且這些水泵都是以高出實(shí)際用水高度的壓力來(lái)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(huì)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(jìn)行控制蓄水池的水位，由于不可能每時(shí)每刻對(duì)水位進(jìn)行準(zhǔn)確的定位監(jiān)測(cè)，并且?guī)в泻艽?2-的主觀性，所以很難準(zhǔn)確控制水泵電機(jī)的起停；使用浮子或其它機(jī)械水位控制裝置使供水狀況有了一些改善，但由于機(jī)械控制裝置的故障率高，可靠性差，給日常維護(hù)和維修帶來(lái)很大的麻煩。針對(duì)以上所存在的問(wèn)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(huì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，可以用它來(lái)解決水壓控制系統(tǒng)存在的以上問(wèn)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(shí)現(xiàn)供水的自動(dòng)控制，一般選用以單片機(jī)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(dá)到較為理想的控制效果。對(duì)PLC與單片機(jī)在供水系統(tǒng)中應(yīng)用的一些主要方面做了簡(jiǎn)單的比較如表1所示：表1PLC與單片機(jī)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(jì)成本單片機(jī)電路相對(duì)復(fù)雜需要有較多的外圍元件程序設(shè)計(jì)復(fù)雜程序修改麻煩較差低體積小、高集成有多種擴(kuò)展模塊編程簡(jiǎn)潔直觀程序修改簡(jiǎn)單很強(qiáng)高通過(guò)上表的比較，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，由于PLC工藝的日漸成熟，小型PLC的成本與單片機(jī)相差不大，為了實(shí)現(xiàn)通用性，要求能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的使用情況方便的修改、調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)，對(duì)于供水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，時(shí)間參數(shù)變化較多，與單片機(jī)相比PLC的軟件中時(shí)間參數(shù)的調(diào)整更簡(jiǎn)單?；谝陨显颍x用了PLC與變頻器結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)簡(jiǎn)單化，硬件接口簡(jiǎn)易可行、提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，特別是整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力很強(qiáng)，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(diǎn)，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?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)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(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的無(wú)極調(diào)速，最終達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程的定量控制及最優(yōu)化控制，當(dāng)變頻系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)時(shí)，設(shè)備可以人為設(shè)定輸出任意頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)變頻系統(tǒng)為-3-閉環(huán)時(shí)，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(dòng)跟蹤輸出相應(yīng)的頻率。水泵電機(jī)通常由三相交流異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)，對(duì)水泵的調(diào)速是通過(guò)對(duì)其電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們知道：異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速=60(1S)/P。在這個(gè)公式中，為電機(jī)電源的頻率，P為電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，S為轉(zhuǎn)差率(03%或06%)。由上述電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可見(jiàn)：要想改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過(guò)三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：(1)改變電動(dòng)機(jī)的頻率f；(2)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率S；(3)改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)P。通過(guò)對(duì)上面三種方法的分析可以知道：改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的最好方法是改變電動(dòng)機(jī)電源的頻率。因?yàn)椋D(zhuǎn)差率S的范圍在(03%或06%)之間，由此轉(zhuǎn)差率S對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響不大，調(diào)速效果不明顯，效率相對(duì)較低；改變磁極對(duì)數(shù)P這種方法，首先它不容易實(shí)現(xiàn)，其次，由電機(jī)的工作原理決定了電機(jī)的磁極數(shù)是固定不變的。由于該磁極數(shù)值不是一個(gè)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(guò)改變?cè)摯艠O對(duì)數(shù)P來(lái)調(diào)整電機(jī)的速度。電動(dòng)機(jī)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?dòng)機(jī)的頻率，就能十分方便地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，另外，頻率f能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。比改變磁極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率兩個(gè)參數(shù)簡(jiǎn)單方便得多。而實(shí)際上如果僅僅改變電動(dòng)機(jī)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(shí)，會(huì)使電機(jī)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(shí)，則使磁通減弱。所以真正應(yīng)用變頻調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)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(xiě)，意為改變電壓和改變頻率，也就是人們所說(shuō)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(jī)轉(zhuǎn)速成正比，供水揚(yáng)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(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減?。ㄋ俣冉档停┒鴾p小。通過(guò)使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機(jī)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(shí)的輸出電壓，以補(bǔ)償定子電阻上電壓降引起的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失，從而改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。改善電機(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的情況，使用矢量控制，可以使電機(jī)在低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)-4-矩可以達(dá)到電機(jī)在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩。對(duì)于常規(guī)的V/F控制，電機(jī)的電壓降隨著電機(jī)速度的降低而相對(duì)增加，這就導(dǎo)致由于勵(lì)磁不足，而使電機(jī)不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補(bǔ)償這個(gè)不足，變頻器中需要通過(guò)提高電壓，來(lái)補(bǔ)償電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對(duì)應(yīng)的提高。因?yàn)殡姍C(jī)電流包含電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量。矢量控制把電機(jī)的電流值進(jìn)行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電流分量和其它電流分量的數(shù)值。矢量控制可以通過(guò)對(duì)電機(jī)端的電壓降的響應(yīng)，進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，在不增加電流的情況下，允許電機(jī)輸出大的轉(zhuǎn)矩。2.2系統(tǒng)工作原理整個(gè)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(jī)等組成，水泵均采用三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)，在這個(gè)控制系統(tǒng)中共有4臺(tái)水泵電機(jī)，因?yàn)樵诓煌臅r(shí)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(diǎn)以后，人們的用水量又是特別小。為了不使能源浪費(fèi)，選用1臺(tái)小功率電機(jī)和3臺(tái)大功率電機(jī)。用一臺(tái)小功率電機(jī)來(lái)拖動(dòng)一個(gè)水泵，以便于晚上或白天的某個(gè)時(shí)間段用水量很小的時(shí)候工作，在用水量大的時(shí)候，就讓3個(gè)大功率電機(jī)的某臺(tái)或其中的兩臺(tái)電機(jī)工作，當(dāng)用水量特別大的時(shí)候就讓3臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，來(lái)滿足人們用水的要求。同時(shí)，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(guò)控制系統(tǒng)使管道內(nèi)的水壓穩(wěn)定在一個(gè)基本不變或者變化量極小的范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。整個(gè)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(hào)的采集是由壓力變送器和溫度變送器來(lái)完成的，由壓力變送器采集的管道中的壓力信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC的智能擴(kuò)展模塊A21來(lái)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，A21根據(jù)變送器傳遞來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號(hào)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(hào)，然后由PLC將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)與事先設(shè)定的壓力值相比較，根據(jù)比較的結(jié)果，