精品畢業(yè)論文多泵組消防供水控制器的設(shè)計(jì)

1、摘 要恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器(plc)構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等使用壽命；可以消除啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。本文介紹一種變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)運(yùn)行負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)水泵的數(shù)量和轉(zhuǎn)速，不僅實(shí)現(xiàn)了變頻恒壓供水，并使整個(gè)系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的控制原理及硬件電路。關(guān)鍵詞：

2、 變頻器，恒壓供水系統(tǒng)，plcabstractthis paper introduces a constant pressure water supple system. it can regulate aut-omatically the quantity and rotational speed of the water pump with the variation of the load. the controlling principle and the hardware circuit are presented in detail. the basic control strat

3、egy of the control system of constant pressure of water supply is: install the control system with motor speed adjustment and programmable logic controller (plc), it carries out optimization control pump organization of the operation of speed adjustment, and adjusts the number of running pumps, comp

4、letes pressure of water supply closed-loop control system, reaches the steady pressure of water supply in the changing of rate of flow in the pipe net and the purpose of economizing electrical energy. the control goal of system is the effluent pressure of pump station. the systems advantage is that

5、starting steadily, the starting current may be restricted within specified current, so avoided the impact of electrical network when it starts; because the average rotational speed of pump is reduced, may prolong the using of pump and valve etc.; may eliminate water hammer effect when starts and sto

6、ps machines.key words:inverter, constant pressure water supply system, plc目 錄1 緒論11.1 引言11.2 變頻調(diào)速供水的目的和意義11.3 變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用11.4 可編程序控制器的應(yīng)用22 變頻供水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)32.1 變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理32.2 變頻器控制方式的選擇32.2.1 電壓空間矢量（svpwm）控制方式42.2.2 矢量控制（vc）方式42.2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）方式42.2.4 矩陣式交交控制方式52.3 變頻供水器的設(shè)計(jì)方案52.4 變頻供水器的工作原理63 變頻供水控制器

7、的硬件設(shè)計(jì)63.1 主電路設(shè)計(jì)63.2 控制電路的設(shè)計(jì)73.3 plc的配置83.3.1 em235模擬量工作單元性能指標(biāo)103.3.2 em235的安裝使用113.3.3 em235工作程序編制114 plc的設(shè)計(jì)124.1 plc的編程語(yǔ)言124.2 plc的編程結(jié)構(gòu)功能圖124.3 梯形圖編程語(yǔ)言134.4 控制系統(tǒng)的主程序設(shè)置145 結(jié)束語(yǔ)錯(cuò)誤！未定義書簽。致謝15參考文獻(xiàn)16附錄1變頻供水系統(tǒng)梯形圖主程序17附錄2變頻供水系統(tǒng)梯形圖子程序231 緒論1.1 引言隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活用水要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生

8、活消防供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會(huì)繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備（如水泵），在對(duì)原有供水系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的實(shí)踐中，往往會(huì)出現(xiàn)一些在理論上意想不到的問(wèn)題。本文介紹的變頻控制恒壓供水系統(tǒng)，是在對(duì)一個(gè)典型的水塔供水系統(tǒng)的技術(shù)改造實(shí)踐中，根據(jù)盡量保留原有設(shè)備的原則設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)很好的解決了舊設(shè)備需要頻繁檢修的問(wèn)題，既體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有效的節(jié)省了資金。 1.2 變頻調(diào)速恒壓供水的目的和意義用戶用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，因此供水不足或供水過(guò)剩的情況時(shí)有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水

9、和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。恒壓供水系統(tǒng)對(duì)于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過(guò)程中，若自來(lái)水供水因故壓力不足或短時(shí)斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備損壞。又如發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若供水壓力不足或或無(wú)水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延

10、長(zhǎng)泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能、簡(jiǎn)單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運(yùn)行目的。1.3 變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用通常在同一路供水系統(tǒng)中，設(shè)置多臺(tái)常用泵，供水量大時(shí)多臺(tái)泵全開，供水量小時(shí)開一臺(tái)或兩臺(tái)。在采用變頻調(diào)速進(jìn)行恒壓供水時(shí)，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺(tái)變頻器；其二是每臺(tái)水泵配用一臺(tái)變頻器。后種方法根據(jù)壓力反饋信號(hào)，通過(guò)pid運(yùn)算自動(dòng)調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到管網(wǎng)恒壓的目的，就一個(gè)閉環(huán)回路，較簡(jiǎn)單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，但控制程序較復(fù)雜，是未來(lái)的

11、發(fā)展方向，比如nkl-a系列恒壓供水控制系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)一變頻器控制任意數(shù)馬達(dá)的功能。1.4 可編程序控制器的應(yīng)用目前，plc在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。（1）開關(guān)量的邏輯控這是plc最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。（2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編

12、程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（analog）和數(shù)字量（digital）之間的a/d轉(zhuǎn)換及d/a轉(zhuǎn)換。plc廠家都生產(chǎn)配套的a/d和d/a轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。（3）運(yùn)動(dòng)控制plc可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開關(guān)量i/o模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要plc廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。（4）過(guò)程控制過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，plc能編制各種各樣的控制算

13、法程序，完成閉環(huán)控制。pid調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型plc都有pid模塊，目前許多小型plc也具有此功能模塊。pid處理一般是運(yùn)行專用的pid子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。（5）數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代plc具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無(wú)人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過(guò)程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食

14、品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。（6）通信及聯(lián)網(wǎng)plc通信含plc間的通信及plc與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各plc廠商都十分重視plc的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的plc都具有通信接口，通信非常方便。2 可編程變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理變頻器是把工頻電源(50hz或60hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來(lái)

15、說(shuō)，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的cpu以及一些相應(yīng)的電路。變頻調(diào)速是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。一般使用的風(fēng)機(jī)、水泵類它們額定風(fēng)量、水量都超過(guò)實(shí)際需要，又因工藝的需要，往往運(yùn)行中要改變風(fēng)量、水量，而目前多數(shù)采用檔板或閥門來(lái)調(diào)節(jié)的，雖然方法簡(jiǎn)單，但實(shí)質(zhì)是人為增加阻力的辦法。因此浪費(fèi)大量電能，屬不經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方式。從流體力學(xué)原理可知，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、水泵的流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)功率的關(guān)系如下： 當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率迅速降低，例風(fēng)量下降到80，轉(zhuǎn)速亦下降到80時(shí)，則軸功率下降到額定的51，若風(fēng)量下降到50，軸功率將下降到額定的13，其節(jié)電潛力非常大，采用變頻器調(diào)速方式有很強(qiáng)的節(jié)

16、電效果，其節(jié)電可達(dá)30-40效果十分明顯15。2.2 變頻器控制方式的選擇低壓通用變頻輸出電壓為380650v，輸出功率為0.75400kw，工作頻率為0400hz，它的主電路都采用交直交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。2.1u/f=c的正弦脈寬調(diào)制（spwm）控制方式其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)

17、載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。2.2.1 電壓空間矢量（svpwm）控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。2.2.2 矢量控制（vc）方式矢量控制變

18、頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流ia、ib、ic、通過(guò)三相二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流ia1ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流im1、it1（im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；it1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用

19、中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。2.2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）方式1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)

20、雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。2.2.4 矩陣式交交控制方式vvvf變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲(chǔ)能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。矩陣式交交

21、變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（2ms），很高的速度精度（2，無(wú)pg反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（=d vd212 +50 vd250 i0.0 =d vd208 網(wǎng)絡(luò)5 符合泵條件時(shí)，工頻泵運(yùn)行數(shù)加1 t37 vb301 =p pinc-ben enoin out out vb301 vb301網(wǎng)絡(luò)6 頻率下限時(shí)減泵濾波 vd250 m0.2 t38in tonpt b p （ ） dec-ben enoin out 0 vb301 vb301網(wǎng)絡(luò)8 變頻泵增泵或倒泵時(shí)，置位m2.0 m0.1 m2.0 （ ） m0.3 網(wǎng)絡(luò)9 復(fù)位變頻器頻率，為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備 t 33in tonpt m2.0 q0.5 +1 （ ）網(wǎng)絡(luò)10 產(chǎn)生關(guān)斷當(dāng)前變頻泵脈沖信號(hào) .（）網(wǎng)絡(luò)工頻泵數(shù)加.（）nc-ben enoin out網(wǎng)