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PLC变频调速恒压供水系统设计与控制策略
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更新于2024-06-24
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该篇本科毕业论文主要探讨的是基于PLC(可编程逻辑控制器)的变频调速恒压供水系统的设计与实现。论文背景设定在满足城市居民的日常用水需求以及小型自来水厂的运营规范,强调了恒压供水系统的重要性,它确保用户无论何时何地,都能获得恒定的供水压力,提高供水效率和用户满意度。 论文的核心技术是将PLC作为系统的核心控制器,通过与变频器、压力变送器和水泵机组的协同工作,构建了一个闭环控制系统。PLC负责逻辑控制,它根据压力变送器实时监测到的管网压力与设定压力之间的偏差,运用PID(比例-积分-微分)算法进行运算。这种运算结果驱动PLC控制变频器,灵活调整水泵电机的运行频率,从而调整供水量,最终实现管网压力的精确维持在预设值附近。 设计中采用了三台水泵电机的变频循环运行方式,通过这种方式,可以避免水泵长时间连续运转导致电机过热和寿命缩短的问题。同时,液位变送器被集成进来,实时监控水源状况,防止空抽现象发生,保护水泵电机不致受损。此外,论文还提到了报警系统,用于监控系统的正常运行状态,及时发现并处理水泵电机过载、变频器异常等问题,确保整个系统的稳定高效运行。 关键词:PLC、变频调速技术、恒压供水系统、压力变送器、液位变送器等技术在本文中起到了关键作用,它们共同构建了一个智能化、节能且可靠的供水解决方案,具有很高的实用价值和研究意义。通过这篇论文,作者不仅展示了对PLC和变频器等硬件设备的熟练掌握,也体现了对供水系统动态控制理论的理解和应用能力。
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基于 PLC 变频调速恒压供水系统设计
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控制法。阀门控制法原理是通过控制阀门开度来控制流量大小,系统电机转速保持不变。
根本实质是通过控制管网中的阻力大小来改变流量,因此,管阻随着阀门开度的改变而
改变,而扬程特性保持不变。因为在实际用水中,需水量不是一成不变的,假使阀门开
度在某个阶段维持恒定,则一定会存在超压或欠压现象。转速控制法是通过控制水泵电
机的转速大小从而改变流量,而阀门开度大小保持不变,是通过使水的动能发生改变来
控制流量。因此,扬程特性与水泵转速成线性关系,而管阻特性维持稳定。变频调速供
水方式属于转速控制。其本质上是依据居民用水量的变化自动地控制电机的转速,使管
网压力始终维持稳定,当用水量增大时电机加速,用水量减小时电机减速。
2.2 电动机的调速原理
水泵电机大多采用三相异步电动机,其转速公式为:
� �
s
p
f
n �� 1
60
(1.1)
该式中:f 代表电源频率,p 代表电动机极对数,s 代表转差率
从上式可知,三相异步电动机的调速方法有:
(l) 改变电源频率
(2) 改变电机极对数
(3) 改变转差率
调节电机极对数的调控方式控制相对简单,成本低,节能效果十分显著,效率也相
对较高,不足是必须有专门的变极电机,包含有级调速,且级差变化较大,即变速时转
速改变相当大,同样转矩变化也大,所以仅仅能满足特定转速的生产设备。改变转差率
调速为了获得较大的调速范围而一般选取串级调速的办法,该方法最大好处就是能够循
环利用转差功率,节能效果更为突出,且调速性能优越,但因为线路结构太过繁琐,增
加了线路环节的电能损耗,成本高的缺点严重了影响它的推广价值。以下重点分析改变
电源频率调速的方法及特点。
依据公式可得,若转差率改变不大时,异步电动机的转速 n 大体上与电源频率 f 成
线性关系(一般为正比关系)。连续调节电源频率,就能够平滑地控制电动机的转速。
但是,简单的控制电源频率变化,会导致电机运行性能恶化。伴随着电力电子技术的逐
步成熟,已开发了各种性能优越、运行稳定的变频调速电源装置,它们推进了变频调速
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华北科技学院毕业设计
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技术的广泛应用。
2.3 变频恒压供水系统的控制方案
2.3.1 控制方案的选择
恒压变频供水系统一般由单元变频器、恒压控制、压力变送器、水泵机组以及低压
电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制模块使变频器控制一台水泵或控制多台水泵,
维持管网水压的稳定,同时还应具备对运行数据实施传输和监控。依据系统的设计目的
要求,有以下几种方案可供参考:
(1) 有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这种控制系统结构相对比较简单,将 PID 调节器与 PLC 等硬件集成在变频器供水
基板上,采取设置指令代码完成 PLC 和 PID 等电控系统的功能。该控制系统虽然简化
了电路结构,降低了设备成本,但在压力设定和压力反馈值两方面的显示过程中又太过
繁琐,不能自动满足各个时段的不同恒压需求,进行调试时,PID 调节参数寻优环节比
较复杂,调节幅度相对较小,系统的稳态、动态性能很难得到保证。其输出接口也存在
扩展功能灵活度低,数据传输困难,并且影响了带负载的容量,因此仅仅能够满足于要
求较低的小容量场合。
(2) 通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器
该控制方式控制精度相对较高、控制算法灵活多变、参数调整十分容易,具备优越
的性价比,但研发周期比较长,程序一旦固化,不易改动,因此现场调试的灵活性变得
非常之差,并且当变频器在工作时,容易产生干扰,变频器的功率越大,产生干扰越大,
所以必须采取一定的抗干扰措施来确保系统的可靠性。该系统仅适用于某一特定领域的
小容量的变频恒压供水系统中。
(3) 通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器
该控制方式灵活简单。具备不错的通信接口,能够方便地与其他的系统进行数据交
换,通用性相对较高;目前由于 PLC 产品的系列化和模块化,用户可按照实际需要组
成规模和需求不同的控制系统。在硬件设计过程中,仅需确定 PLC 的硬件配置和 I/O 的
外部接线即可,若控制要求发生一定变化,能够轻松地利用 PC 机来控制存贮器中的控
制程序,所以现场调试十分简单。并且基于 PLC 的抗干扰能力强、可靠性高特点,因
此系统的可靠性大大改善。该系统能满足各类不同要求的恒压供水情形,并且与供水机
组的容量范围没有任何关系。
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基于 PLC 变频调速恒压供水系统设计
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通过以上这几种方案的对比和分析,可以看出第三种控制方案更适合于本设计。这
种控制方式既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点,又能满足系统稳定性及控制
精度的要求。
2.3.2 系统的组成及原理图
PLC 控制变频恒压供水系统一般由变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水
泵机组等几个部分组成一个完整的闭环调节系统,该系统的控制流程图如图 2-2 所示:
图 2-2 变频恒压供水系统控制流程图
从图中可看出,系统可分为:执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分,具体
为:
(l) 执行机构:执行机构由一组水泵组构成,该组水泵的作用是将水引入居民用水
管网,该水泵组主要由一台变频泵和两台工频泵组成,变频泵是通过变频调速器控制、
能够进行变频调整功能的水泵,用来依据具体的用水情况调节电机的转速,以维持管网
的压力稳定;工频泵仅工作于启、停两种工作状态,用以在用水量相对较大(变频泵达
到工频运行状态都不能达到供水需求时)的情况下投入使用。
(2) 信号检测机构:在系统控制环节中,必须采集许多关键信号包括管网水压信号、
水池水位信号和报警信号。管网水压信号代表的是供水管网的水压值,该信号是恒压供
水控制的核心反馈信号。管网水压信号是模拟信号,读入 PLC 时,须进行 A/D 转换过
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