变频恒压供水控制系统设计课程设计报告

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1、 交流电机变频调速及其应用 交流调速课程设计报告书题 目 变频恒压供水控制系统设计 学院(部) 电子与控制工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 2011320401 学生姓名 学 号 6 月 23日至 6月29日 共 1 周指导教师(签字) 系 主 任(签字) 目 录摘要2关键词2第一章 引言3第二章 方案的论证及确定4第三章 控制系统各部分的设计5第四章 元器件的选择7第五章 系统综述及总结10附录一 使用说明书13 附录二 输入/输出设备及I/O分配表 14附录三 指令语言程序15附录四 元器件明细表17 变频恒压供水控制系统设计 摘要： 随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅

2、速，人们居住的楼房越来越高，这对基础设施建设提出了更高的要求。其中城市供水系统的建设是一个重要方面，供水的安全性、可靠性、稳定性、经济性将直接影响用户的正常工作和生活。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，传统的供水方式已不能满足现代人们的生活要求，所以利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。为了满足设计的基本要求及功能，本文分析了变频器恒压调速的工作机理，通过对PID模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成了闭环调节系统，控制水泵的运行，保证了用户水压的恒定。设计过程中，其主电路用两台电动机带动水泵

3、运行，同时采用两个接触器实时对水泵工作启停的控制，用热继电器和断路器对电路进行过载和短路保护。在控制电路部分，用了OMRON CPM1A PLC为主要控制单元，再和一些继电器辅助触点、开关、接触线圈、热继电器等器件组合构成基本的控制电路。主电路和控制电路的合理配合实现了对变频恒压供水系统的控制，并且有手动和自动的切换。安全可靠，节能有效。本次设计旨在学习和了解如何让设计一个电气控制系统。故在该设计中主要进行的是控制系统方案的确定，系统的工作原理，对水泵电机容量及个设备型号的选择，最后用CAD画出主电路和控制原理图。通过这些琐碎的工作，从而更多地了解和掌握相关的设计方法。关键词：变频调速 恒压供

4、水 OMRON CPM1A PLC 富士变频器 闭环控制 第一章 引言 随着城市化的不断发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高,楼宇自动化给水已成为一个趋势，而衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，于是变频恒压供水进入人们的视野，受到人们的青睐。本文就是采用富士变频器结合欧姆龙可编程序PLC实现变频恒压供水。 一、设计内容变频调速是一种新兴的技术，将变频调速技术用于供水控制系统中,具有高效节能、水压恒定等优点。本课程设计是电气工程及其自动化专业交流调速课程的实践性环节，其主要目的是培养学生初步掌握交流变频调速系统的设计方法及理论知识的应用能力。本课程设计的基本任务是提高学生

5、在调速系统设计方面的实践技能，培养学生综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。 二、设计原始资料及要求 一楼宇供水系统，正常供水量为20m3/小时，最大供水量30m3/小时，扬程60米。采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。 设计要求： 1、设二台水泵。一台工作，一台备用。正常工作时，始终由一台水泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。 2、二台泵可以互换。 3、给定压力可调。压力控制点设在水泵出口处。 4、具有自动、手动工作方式，

6、各种保护、报警置。 5、采用OMRON CPM1A PLC、富士变频器完成设计。 三、设计完成后提交的文件和图表 1、 课程设计说明书，包括： 方案的确定 系统的工作原理 水泵电机的容量、元件型号。 操作使用说明书。 2、图纸部分：电气控制原理图四、进程安排 1、确定设计方案 2014.6.23 2、完成控制系统设计 2014.6.24-6.26 3、完成设计说明书 2014.6.27-6.29五、主要参考资料 1、建筑电气控制技术 马小军 机械工业出版社 2、过程控制 金以慧 清华出版社 3、水暖空调电气控制技术 孙光伟 建筑工业出版社 4、交流电机变频调速及其应用张承慧 机械工业出版社 5

7、、富士变频器使用手册 6、有关杂志、资料 第二章 方案的论证及确定该系统为变频恒压供水控制系统，通过变频器输出变频变压信号来控制水泵从而实现电机的调速。小功率水泵采用变频器的直接启动方式，变频器的启停，水泵的启停，故障的显示报警均采用欧姆龙CPM1A系列PLC。其压力的测试点定于水泵的出水口处，用远传压力表输送压力信号给变频器的电流输入，通过PID调节达到变频的效果，从而实现对系统的闭环稳定控制。其控制原理图如图11所示。 图11由图可知，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力值时，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器

8、当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。 本系统采用OMRON CPM1A PLC控制两台水泵M1和M2电机的工作，具有手动、自动两种工作方式，两台水泵分工作泵和备用泵，可以互换。正常工作时始终只有一台水泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。在水泵工作过程中，通过压力传感器远程测定水压，并将测量结果反馈给PID调节器，再将调节结果输出到变频

9、器，进而控制电机水泵的运行。通过分析系统所需要的I/O口，可以选择PLC，由于OMRON系列的PLC种类很多，并且PLC的点数越多，价格越贵，因此应在程序上减少输入输出点数。初步可确定系统的输入为12点，输出为10点；考虑到经济和裕量的关系，最终确定的是OMRON CPM1A20CDRD型号的PLC。 第三章 控制系统各部分的设计 该控制系统主要分为主电路和控制电路两大部分。一、主电路的设计该电路中由于两台泵工作与备用可以互换，所以需要两台电机M1和M2分别对其进行控制。两台水泵M1和M2均采用触点控制的直接启动方式，熔断器FU起短路保护作用，热继电器FR1和FR2起过载保护作用。又由于电机的

10、功率都比较小，所以两台水泵电机均可直接启动。故主电路需要一个隔离开关，两台电机各需要用两个接触器控制其电源的通断，其中一个是工频工作控制触点，另一个是变频工作控制触点。1个热继电器进行电机的过载保护，1个低压断路器保证电路正常工作，保护变频器的低压断路器。即主电路的组成器件为：1个熔断器FU，1个QS，三个低压断路器QF1、QF2、QF3，4个接触器的主触头KM1、KM2、KM3、KM4，2个热继电器FR1、FR2，2台三相交流电机M1、M2，1台富士变频器。其主电路图见图纸201。二、控制电路的设计在该部分的设计中，控制电路是由PLC进行控制的。在进行了一次又一次的修改和调试后，最后定下的电

11、路有12个输入点，10个输出点，故最终决定采用OMRON CPM1A20CDRD型号的PLC，该PLC有30个点，其中18个输入点，12个输出点，完全能满足设计的基本要求，并留有一定的裕量。控制电路系统的输入/输出设备及I/O分配表见附录表二。三、梯形图的设计与分析 根据设计的基本要求及功能，设计的梯形图设计见图纸202。现对其分析如下： 1、手动、自动工作方式的选择： 将旋钮SA2拨至00002输入点所对应的档位时，系统进入手动工作状态。此时若按下按钮SB3或SB5，则对应的电动机M1或M2启动并开始工频工作，相对应的指示灯L1或L2亮；若按下按钮SB4或SB6，则对应的电动机停止工作；当将

12、旋钮SA0拨到00000输入点对应的档位时，系统进入自动工作状态，且此时M1为主用工作泵，M2为备用泵；当将旋钮SA1拨至00001输入点对应的档位时，系统进入另一种自动工作状态，M2为主用工作泵，M1为备用泵。系统处于自动工作状态时，按下总启动按钮SB1，则主用工作泵开始工作，此时根据出水口的压力大小，变频器调节电动机的转速从而达到出水口压力恒定的目的。在运行过程中，若主用工作泵出现故障，备用泵将自动投入使用，系统报警指示灯亮，同时相应的备用泵指示灯亮。 2、机组的启动和停止条件及其操作： 在自动工况下，为了对出水口的水压进行检测，用远传压力表进行检测，并将检测结果通过PID调节后传送给变频

13、器的输入端。根据设计要求给定的水压值，使水压稳定在给定值下。 在手动情况下，电机的启停不再受出水口压力的限定，直接通过人为操作来实现电机的启动和停止：按钮SB3、SB4和SB5、SB6分别控制M1和M2的启动和停止，使电机工作在工频状态下。 3、备用泵自投功能的实现： 设计任务中要求当工作泵出现故障时，备用泵经过一定的延时应自动投入使用。因此，在设计程序的过程中电机的启动方式除了自动和手动两种方式外，还应再加一种备用泵自投的启动方式，即在自动工作模式下当工作泵出现故障故障灯亮时，在系统仍满足起泵的条件下，应开始延时，设定延时时间为5s后备用泵启动投入使用。因此控制回路得在加两个时间继电器控制M1和或M2电机的延时起动，从而实现了备泵延时自投的功能。 4、信号灯和报警器的指示： 在该系统的设计中，共使用了4个指示灯，一个蜂鸣报警器。分别为M1、M2电机的正常工作指示灯L1、L2，M1、M2电机的故障指示灯L3、L4，故障报警器HA。 总梯形图及对应的指令语言程序见附录表三。