1、 * 毕业设计 专业 年级 学号 姓名 题 目 变频调速控制柜的设计 指导老师： 1 摘 要 本次设计采用“一台变频器控制多台水泵”的多泵控制系统。在这里利 用 PLC设计一套变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。可实现恒压变量、双恒压变量等控制方式，多种启停控制方式，该系统可以通过人意修改参数指令（如压力设定值、控制顺序、控制电机数量、压力上下限、 PID 值、加减速时间等）；具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠压、过载、断水
2、等故障均能自行诊断并报警。 为保证小区的供水正常，利用 PLC控制的变频调速 恒压供水系统，按照用户的需求按需调节水泵流量，根据夜间用水少可以只开一个小流量泵，并满足用户的流量需求，使真个系统始终保持高效节能的最佳状态。 关键词：变频器；可编程控制器；恒压供水 2 Abstract This design adopts “one inverter control more water pump pump control system. Here using the PLC design a set of variable frequency speed regulation constant
3、pressure water supply system, the system can automatically adjust according to network instantaneous pressure change of a rotational speed of pumps and water pumps more input and exit, pipeline ZhuGanGuan outlet in a constant set pressure value, and satisfy the users demand, the whole system always
4、maintain the best condition of high efficiency and energy saving. Can realize constant pressure variable, double constant pressure variable control mode, such as a variety of start-stop control mode, the system can be modified by disappointing parameter instructions (such as pressure set data, contr
5、ol the order quantity, control motor, pressure on the lower limit, the PID value, deceleration time, etc.); Is the perfect electrical safety protection measures, lying, overvoltage, undervoltage, overload and water fault, etc to diagnose and report to the police. In order to ensure the village water
6、 supply is normal, the use of PLC control of frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system, in accordance with user requirements according to the need to adjust the pump flow, according to the night less water can only open a small flow pump, and satisfy the users de
7、mand, make the whole system always maintain the best condition of high efficiency and energy saving. Keywords： Frequency converter; Programmable controller; Constant pressure water supply 3 目 录 摘要 1 第一章 引言 4 1.1 应用背景和选题意义 4 1.2 设计要求和内容 5 第二章 系统的总体设计方案 7 2.1 功能设定 7 2.2 总体结构关系 8 2.3 总体工作流程 9 第三章 系统主要硬
8、件的选择及应用 11 3.1 主要硬件的选择 11 3.2 水泵控制回路 13 3.3 变频器的输入输出回路 14 第四章 变频调速恒压供水系统的设计 16 4.1 变频调速系统简介 16 4.2 变频调速控制方式 16 4.3 控制系统的电路设计 17 第五章 系统的软件开发 22 5.1 PLC 应用的开发步骤 22 5.2 PLC 的程序设计 23 第六章 柜体设计 25 6.1. 尺寸要求 25 6.2. 功能要求 25 6.3. 机柜的工艺性要求 26 第七章 电气布置图的设计 27 7.1 低压电器电控设备的布置原则 27 7.2 操纵器件的布置 28 7.3 其他器件的布置 28
9、 7.4 全文总结 29 致谢 31 参考文献 32 4 第一章 引 言 随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量 等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投
10、资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点 : (1)供水系统的控制 对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量 (如 :温度、流量、浓度等 )一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
11、 (2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。 (3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。 (4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制 (包括定量泉的停止和运行 )是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的 。 1.1 应用背景
12、和选题意义 近年来已被全国几百家供水单位采用，均获得良好的节能效果，深获广泛好评。 交流电机变频调速技术是近年来发展起来的一项高新技术。主要原来是根据电机不同的负荷、工艺或转矩要求，通过交流变频调速器调节电动机的转速，使5 其改变电机主轴的输出特性 。变频调速技术应用于水泵风机等流体负载时，可使流体的流量、压力根据实际需要自动恒压或恒流量调节。它比采用阀门、节流孔板调节流量或压力节省电能，同时延长设备使用寿命，占地面积大，设备启动频繁，电流和水压冲击严重，设备维修量大等问题。 根据流体力学原理，水泵的流量与电机转速出正比，压力与电机转速的平方成正比，所以风机水泵采用变频调速技术后，节能效果比采
13、用阀门控制压力或流量的方法可节电 40% 50%，节水 7%。 常规水泵大部分时间均在额定负荷下运行，特别是自来水厂和居民区生活供水，其设计均 按最大用水负荷选择水泵，而每天 24h用水负荷变化很大，在夜间用水量更少，采用变频恒压供水设备，可根据用水量的大小变化，自动调节水泵转速，同时确保供水压力恒定，不仅可节约大量能源，延长设备使用寿命，又解决了水源二次污染问题，是一种十分理想的高科技节能产品 。 可编程序控制器 (Programmable Logic Controller 简称 PLC)是 60年代在美国首先出现的，其目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能 .在此基
14、础上，后来又增添了不少功能 ， 如模拟量输入 /输出，移位寄存，四则运算， PDD 闭环回路控制，中断控制，特殊功能函数，强制 I/O等等，因而使功能更加完善、灵活，适于大规模的复杂控制系统。 PLC 不但功能齐全，而且用户使用也很方便，其标准的积木式硬件结构以及模块化的软件设计，使得它可以适应大小不同、功能繁复的控制要求 .PC采用电气操作人员习惯的梯形图与功能助记符编程，便于用户十分方便地读懂程序、编写和修改。 PC 具有完善的监视和诊断功能，移定性高，抗干扰能力强，可以适应恶劣的工业应用环境。 1.2 设计要求和内容 变频调速控制柜设计 一、设计课题 变频调速控制柜设计 二、 设计要求
15、1功能要求 1)有短路保护、过载保护、缺相保护、相序保护和防雷措施。要有电压、电流、水压以及电动机各种运行状态的指示。 2)两台电动机能分别实行手动或自动控制，手动、自动控制能够切换。 3)通过变频调速，使水压稳定在 2 5MPa。 4)选择相应的变频器，设定合理的参数。 2工艺要求 电器元件安装时要排列有序，符合元器件的安装工艺要求；导线及母线排的布置，也要符合各自的工艺要求。 3对柜体的要求 所设计的柜体要在满足使用功能要求的前提下，满足尺寸要求和工 艺要求6 (可选用标准柜 )。 三、设备概述 要求设计的控制柜的控制对象是某自来水厂两台 55kW的三相交流异步电动机，型号为 YLB250
16、 1 4，其额定电流为 96 8A，同步转速为 1500r min，堵转电流为 677 6A，轴向负荷为 28420N，用于恒压供水，其水压要求为 2 5MPa。 7 第二章 系统的总体设计方案 2.1 功能设定 1. 运行方式分为手动、全自动两种。它们可以由一个按钮操作， ON为自动方式， OFF 为手动 。在手动方式下，可以对控制水泵中的任意一台进行启动和关闭操作，该方式主要用于系统设计初期的测试，方便任一时期的检修，以及紧急情况下的水泵控制，注意当有一台水泵工作在变频状态时及有超压信号时手启泵无效，因为此时系统 肯定已经能够满足控制要求，增开泵属于无理操作，所以系统不响应用户要求。任意时
17、刻的停泵要求系统都应该响应，否则不能满足紧急情况下的停泵要求。而整个系统本身正常状态下的运行主要采用全自动方式，使供水系统高度自动化，这也是系统开发的目的之一。在全自动方式下，按下启动按钮，系统就能自动赋初值，根据用水量的变 化自动调节 水泵转速和运行台数，确定每台泵的具体工作状态，使达到最优配置。另外，全自动方式下，系统应该能够判断出变频器是否正常，从而自动选择采用哪一种运行方式（全自动工频运行方式或全自动变频运恒压方式）。 2. 要对管网水压进行实时数据采样，信号直接送变频器或者经 A/D 转换后送 PLC，从而实现对管网压力的闭环控制。采样点可以选择在水泵的出口管道处，这样比较方便且传送
18、距离比较近，压力信号基本不失真；采样点也可以选择在管道最不利点处（一般是指供水的最高楼层），这样压力传感器传送距离比较远，如果不采样取其它措施的话，信号 的失真度比较大，如果采取保真措施的话，成本提高，但是选择最不利点有一个优势就是节能效果比较好。 3. 管网水压参数的设定。给定参数值 P=2.5Mpa， 4. 硬件的选择要留有余地，特别是 PLC 的 I/O 点数和内部继电器数，为以后的功能扩展和系统升级做好准备。 5.要对变频器的运行情况进行监测，还有供水池的水位、水泵的转速、管网压力都进行监控，对于危险情况要设置报警信号，并自动作出反应，切除危险源，防止危险扩大。 6.要具有多机的通信功
19、能。要为以后的多台机子的联合控制作好准备，并为以后的拓展为在局域网络下运行留有余地。 7. TD-200作为人机界面，要能够完成简单的人机交流，如系统的运行状况8 监控、初值的改变、参数的改变等。应该做到系统正常运行时或修改一些常用的参数时，工作人员和 PLC的工作交流都能够通过 TD-200 进行，而不需要经常性的用携编程器或计算机对 PLC 进行修改。 2.2总体结构关系 由压力调节器、变频器、水泵组、水压力传感器等组成恒压变频调速系统。压力传感器输出信号 Vpf 经过放大后送至压力调节器 PT，将 Vpf 与压力设定值Vpg 比较，对比较得出的电压差进行 PI运算，并以此结果控制变频器输
20、出频率。当压力传感器的 信号发生变化时，系统可通过压力调节器控制变频器的输出频率，从而改变水泵的转速，达到管道水压恒定的目的。由于变频器具有软启动功能，因此，压力调节器在 PI 作用下输出信号的阶跃变化不会引起变频器输出频率的突变，从而避免了对变频器自身 的电流冲击。当压力传感器反馈值 Vpf 与设定值 Vpg 相等时，变频器输出频率 f就会保持一个恒定值，即系统运行在稳定状态。 本系统采用 PLC可编程控制和变频器调速两层控制的结构。 PLC负责按钮、模拟信号和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、变频器等电 气元件，进而控制水泵的运转及整个系统的正常运行。另外 PLC还负责各自异
21、常情况的处理。而变频器则主要负责控制当前电机转速，使转速的变化能跟随水量的变压力调节器 变频调速器 Vpg + 接触器组 供水 泵组 供水管 网 压力 压力传感器 放大器 PLC 保护 报警 Vpf 9 化，实现恒压的闭环控制。也就是说， PLC是宏观调控，变频器则微观调控，两者紧密结合共同完成系统的变频恒压控制任务。系统开始运行后， PLC给变频器FWD信号，使变频器 RUN，变频器则给 PLC提供超压、欠压、变频器故障三种信号，PLC根据这三种信号进行处理，输出控制信号。 TD-200则负责对 PLC的运行状况进行监测，它只是个人机界面，方便了操作员对 PLC进行操作和控制 。所以，在本系
22、统中， PLC是整个控制系统的核心部件， TD-200则是作为辅助部件出现的，负责与外界的交流，变频器是系统的执行机构。它们之间的连接关系如图所示： 2.3总体工作流程 系统开始运行之前，应先把管压参数 SP 赋给 PLC、变频器。按下全自动按钮，系统开始运行， PLC给变频器 RUN信号，然后判断变频器是否工作正常，若正常则采用全自动变频恒压控制方式，反之采用全自动工频运行方式。现在假设变频器工作正 常，系统开始运行，水泵 1变频零转速启动，压力传感器开始采样，随着 PLC 的不断扫描，系统不断输入管压信号的采样结果，采样结果通过模拟输入输出单元将模拟输入值转换为 PLC 可以接收的数字信号
23、，另一路模拟信号作为反馈信号输入变频器模拟输入端子，通过变频器的 PID控制，与目标值做比较，将偏差调整为零，也就是提高或降低水泵转速，使管网水压达到目标值。如果一台水泵额定转速运行仍不能管网水压达到设定值，将水泵 1切换到工频态运行，延时后变频器的控制对象切换到水泵 2，同时保持水泵 1 维持工频运行，水泵 2从零转速开始运行，过程如上 。在该种运行方式下，系统大部分时间是工作于其中一台泵变频运行进行微调，其它泵或工频或停止的状态。 如果变频器不能正常工作，系统采用全自动工频运行方式，泵 1先工作在工频状态，压力传感器采样后送给 PLC，看是否在控制区间内，若在，则系统状TD 200 P L C 变 频 器 图 1 PLC、变频器及 TD-200 的连接 RS232C 链接通信 FWD 信号 超压信号 欠压信号 变频器故障信号
