基于PLC的恒压供水系统论文设计

是本人经过精心整理，将这些论文连接在次以供大家做关于基于PLC的恒压供水系统论文设计时候参考

PLC及变频器在恒压变量供水系统中的应用

The appl ication of PLC and frequency converter in variable

water-supply system of constant pressure

1 　供水系统的总体方案设计

该校宿舍楼比较集中,学生用水量大,高峰期有规律。为了保证稳定供水,在学生宿舍区建了150 吨蓄水池,采用4 台15 kW 水泵和变频调速装

置构成一个完整的微机控制恒压供水系统,如图1所示。系统通过调节供水量,保证管网压力恒定(误差±0. 01 MPa) ,实现恒压变量控制供水方式,从而达到节能节水的目的,满足学校用水需要。

图1　恒压变量供水系统结构

1. 1　供水系统的具体要求

a . 水泵能自动变频软起动。4 台水泵自动变频软起动,并根据用水量大小自动调节开泵台数;

b. 电控自动状态时,4 台水泵自动轮换变频运行,工作泵故障备用泵自动投入,可转换自动或人工手动开、停机;

c. 设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电气保护功能,具有相序保护防止水泵反转抽空,并具有缺水保护及水位恢复开机功能;

d. 有设备工作、停机、报警指示。

1. 2　总体设计方法

该校属于中小型用户,考虑恒压系统主要在高峰期投入使用,宜采用一台变频器控制四台水泵的“一控四”切换方案。以西门子S 7 - 200 (CPU 224)的PLC 和6SE 6430 变频器为控制核心,采用变频率控制的闭环控制系统,通过对用户管网压力进行实时采样,并与设定压力值比较,根据压力偏差来控制变频泵的速度及定量泵的起、停,实现恒压变

量的供水方式,从而更好地达到节能节水的目的。当用户管网压力低于设定压力时,控制器通过压力传感器检测,输出控制信号起动其中一台水泵作变频运行,通过控制变频泵使用户管网压力与设定压力值相等。如用户用水量较大,变频器输出频率为50 Hz ,变频泵转速达到最高,用户管网压力低于设定压力,控制器将变频泵切换成工频运行,待变频

器输出频率下降至最低值时再接通另一台水泵,由一台工频泵和一台变量泵同时供水。经过变量泵的调节,如管网压力仍低于设定值,控制器以同样的方式将运行频率为50 Hz 的变频泵切换成工频运行,而后继续起动另外一台水泵作变频运行,直至满足用户用水要求。当用户用水量较少,变量泵转速降到一定程度时,控制器自动停止最先运行的定量泵,并根据管网压力调整变量泵转速,使管网压力始终保持恒定。这样每台水泵的起动均经变频器控制,全部机组实现循环软起动,即每台泵的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升,并遵循“先开的泵先停,先停的泵先开”的原则。当外来管网压力达到设定压力值时,则控制器完全停止各泵工作,由外界管网直接向用户供水。

2 　硬件电路设计

本系统的硬件电路如图2 所示,由4 台15 kW离心水泵,一台智能型电控柜(包括西门子变频器、PLC、交流接触器、继电器等) ,一套压力传感器、缺水保护器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。该系统的核心是S 7 - 200 (CPU 224)和6SE 6430 。6SE 6430 是水泵专用变频器,扩展功能强;CPU 224 集成了14 点输入/ 10 点输出,共有24 点数字量I/ O ,其模拟量扩展模块具有较大的适应性和灵活性,且安装方便,满足设计需要。

图2　供水系统硬件电路

2. 1　供水系统主电路

如图3 所示,该系统有4 台15 kW 电动机,分别拖动4 台水泵。合上空气开关后,当交流接触器KM1、KM3 、KM5、KM7 主触点闭合时,水泵为工频运行;当KM2 、KM4、KM6、KM8 主触点闭合时,水泵为变频运行。4 个热继电器KH1～ KH4分别对4 台电动机进行保护,避免电机在过载时可能产生的过热损坏。

图3　供水系统主电路

— 592. 1　供水系统主电路如图3 所示,该系统有4 台15 kW 电动机,分别拖动4 台水泵。合上空气开关后,当交流接触

器KM1、KM3 、KM5、KM7 主触点闭合时,水泵为工频运行;当KM2 、KM4、KM6、KM8 主触点闭合时,水泵为变频运行。4 个热继电器KH1～ KH4分别对4 台电动机进行保护,避免电机在过载时可能产生的过热损坏。

图3　供水系统主电路

— 592. 3　PLC及变频器控制模块电路

PLC 及变频器控制模块是本系统的核心,它包括时间控制电路、缺水保护电路、断相相序保护电路,如图5 所示。SK 是时控器的继电器,该时间控制电路可实现6 个时段的定时开关机控制和定时换泵功能。

2. 3. 1 　缺水保护电路当水池缺水或水位不足时,若不及时切断电源就会损坏水泵,甚至发生事故。本系统设置了缺水自动保护电路,如图6 所示。利用液位继电器等装置时刻检测水池里的水位,经电路转换及处理后对控制回路电源进行控制。水池水位正常时,控制回路电源接通,系统正常工作。水池缺水或水位不足时,液位继电器J YB1 释放,系统报警、指示灯亮并通过KA1 切断系统控制电路及主电路,水泵停止。待排除故障水位正常后,液位继电器J YB1 吸合,重新起动系统。2. 3. 2 　断相相序保护电路水泵工作在三相交流电,电源发生缺相时,电动机中某一相无电流,而另外两相电流会增大,容易烧坏电机;另外为了避免电源相序相反,电动机反转水泵抽空的现象,因此设置了缺相相序保护电路,如图7 所示。采用断相相序保护继电器XJ接在主电路电源进线空气开关之后,三相正常时,XJ 得电吸合,控制电路中XJ 的1 - 2 触点吸合,接通PLC 控制电路。反之缺相或相序相反时,XJ的1 - 2 触点断开,会切断PLC 控制电路,系统停止工作,缺相相序保护指示灯亮。

3 　系统软件设计

本系统稳定运行的关键是PLC 程序的合理性、可行性和变频器功能的预置问题。

3. 1 　PLC 程序设计

— 60 —3. 1. 1 　列输入、输出地址及功能表( I/ O 表)

表1　S 7 - 200 (CPU 224)部分输入、输出地址分配表

输入地址功　能输出地址功
能

I0. 0 起动Q0. 0 KM2 动作(1 # 电机接变频)

I0. 1 模拟调节上限Q0. 1 KM1 动作(1 # 电机接工频)

I0. 2 模拟调节下限Q0. 2 KM4 动作(2 # 电机接变频)

I0. 3 复位Q0. 3 KM3 动作(2 # 电机接工频)

I0. 4 Q0. 4 KM6 动作(3 # 电机接变频)

I0. 5 时控信号输入Q0. 5 KM5 动作(3 # 电机接工频)

I0. 6 Q0. 6 KM8 动作(4 # 电机接变频)

I0. 7 Q0. 7 KM7 动作(4 # 电机接工频)

I1. 0 Q1. 0

I1. 2 Q1. 1

3. 1. 2 　程序设计思路

由于供水系统是一个惯性较大无法突变的系统,不需要过高的响应速度,因而在设计思想上以查询方式为主,中断方式为辅,采用模糊控制法对系统PID 参数进行整定。这样大大提高了系统的适应性,使用户在使用时减少了调试的工作,同时系统的体积很小,抗干扰的可靠性大大增强。本系统PLC 控制程序由主程序和4 个子程序组成,如图8 所示。

图8　PLC控制主程序流程图

3. 23. 2　变频器主要功能的预置

虽然水泵对系统调速的精度要求不高,但要使供水系统运行性稳定,工作可靠,就必须正确设置变频器的各种性能。变频器功能的设定通过变频器操作面板上的相关按键确认。

3. 2. 1 　频率功能的预置

a . 最高频率　水泵属于平方律负载,当转速超过其额定转速时,转矩将按平方规律增加,导致电动机严重过载。因此,变频器的工作频率是不允许超过额定频率的,其最高频率只能与额定频率相等:fmax =fN = 50 Hz ;

b. 上限频率　一般说来,上限频率也以等于额定频率为宜。但有时也可以预置得略低一些,原因有二:一是变频器内部有转差补偿功能,同在50 Hz 的情况下,水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速,从而增大了水泵和电动机的负载;二是变频调速系统在50 Hz 下运行时,还不如直接在工频下运行为好,可以减少变频器

本身的损失。因此,将上限频率预置为49 Hz 或49. 5 Hz 是适宜的;

c. 下限频率　在供水系统中,转速过低,会出现水泵的全扬程小于实际扬程,形成水泵“空转”的现象。所以,下限频率应定为25～30 Hz ;

d. 起动频率　水泵在起动时,如果从0 Hz 开始起动,水泵基本没有压力输出,为减少调节时间,应预置起动频率值为15～20 Hz ,即设置变频器PID 输出值的下限为最大值的30～40 %。

3. 2. 2 　升速、降速时间由于水泵电机不需频繁的起、制动,对于起、制动时间无严格要求。整定变频器的升、降速时间时主要考虑:升、降速时间过短,变频器可能因过流或过压而跳闸;升、降速时间过长,则会使变频器调速系统反应迟缓,造成管路中欠压或超压时间过长,满足不了恒压供水要求。因此,升、速时间的确定,应根据现场的实际情况来决定。

4 　节能节水效果分析

4. 1　节能原理分析

根据流体力学的原理知道,水泵流量与转速及轴功率的关系用下述关系式表示:

Q1/Q2 =n1/n2

H1/H2 = [n1/n2 ]2

P1/P2 = [n1/n2 ]3

— 61式中:Q代表流量,H代表扬程(水压) ,P代

表轴功率,n代表转速。当流量减少,水泵转速下降时,其电动机输出功率迅速下降。如当流量下降到70 % ,转速也下降到70 % ,其轴功率则下降到额定功率的34. 3 %;当流量降低到50 % ,轴功率将下降到额定功率的12. 5 %。当然还要考虑由于转速降低引起效率下降等附加控制装置的效率等因素,即使这样,其节能潜力也很大。图9 所示两条曲线间的阴影部分表示采用变频器调速的节能效果,从图中可以看出,越是速度变化范围大,其节能效果就越明显。

图9　水泵流量与轴功率关系曲线

4. 2　节能节水实测情况分析

本系统于05 年3 月13 日～26 日进行两周时间的实地测试,每天五个用水高峰时段约6 小时投入运行。第一周转换开关SAC 切在手动位置,采用阀门调节的方式加压;第二周SAC 切在自动位置,采用变频调速的方式加压,得出表2 的数

据。

表2　节能节水效果实测数据

控制方式时　间供水量

总耗电量(kWh)

每吨水耗电量(kWh/ t )阀门调节第一周17 615 6 200 0. 352

变频调速第二周17 078 4 116 0. 241

从表2 可以计算:

a . 节电效果　每吨水的节电率为( 0. 352 -

0. 241) / 0. 352 = 31. 5 %。学校年供水量80 万吨,按2/ 3 的用水需加压计算,年节电5. 9 万度,按本市电价0. 5 元/ kWh 计算,年节省电费2. 95 万元;b. 节水效果　每周节水为17 615 - 17 078 =537 吨,每年按40 周计(假期不计) 节水达2. 1 万

吨,按本市水价0. 8 元/ 吨计算,年节省水费1. 68两项合计年节省4. 63 万元,节电节水效果非常可观,一年多即可收回本系统的投资。

5 　结论

本系统于2004 年10 月在本市某校安装、调试、运行,通过半年来的使用,得出以下结论:

a . 本方案设计合理、技术先进、功能完善、高效节能,产品体积小、性价比高;

b. S 7 - 200 (CPU 224) PLC 和6SE 6430 变频器性能稳定,通用性和灵活性较强,功能扩展范围较宽,而且价格较低,在本控制电路中便于安装和维护;

c. 控制简单、操作方便。系统起动前,只要将入口、出口阀全部打开,运行过程中则不需要操作任何阀门,并且手动和自动调节切换容易;

d. 该系统运行6 个多月以来,工作稳定、供水压力稳定,经受了全校日常用水和高峰期用水水量变化大的考验,既解决了用水高峰的矛盾,又避免了因供水压力偏高所造成的浪费,满足全校供

水要求,节电节水效果明显。适合学校、厂矿、民用高层建筑等用水量变化大,要求具有足够扬程的企业和场所使用,有广阔的应用前景和推广价值。

参考文献:[1 ] 　吴晓君,杨向明. 电气控制与可编程控制器应用[M ] . 北京:中国建材工业出版社,2004.

[2 ] 　邓则名,邝穗芳,程良伦. 电器与可编程控制器应用技术[M] . 北京:机械工业出版社,2002.

[3 ] 　吴忠智,吴加林. 变频器应用手册[M ] . 北京:机械工业出版社,2002.

[4 ] 　张燕宾. 变频调速应用实践[M ] . 北京:机械工业出版社,2000.

[5 ] 　黄立培,张　学. 变频器应用技术及电动机调速[M ] .北京:人民邮电出版社,1998.

[6 ] 　曾　毅,王效良,等. 变频调速控制系统的设计与维护

[M] . 济南:山东科学技术出版社,2003.