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1、科类 工科 学号 20061135 本科生毕业设计 云南农业大学校园供水系统自动控制系统的改进设计 方案1 The Modified Design Plan 1 of Auto-control Water-supply System in Yunnan Agriculture University 指导教师： 职称 讲师 云南农业大学 昆明 黑龙潭 650201 学 院： 工程技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 年级： 2006 设计提交日期： 2010.5.26 答辩日期： 2010.6.5 答辩委员会主任： 云南农业大学2010年 5月 25日 云南农业大学校园供水系统自动控制系统的改
2、进设计方案1 （云南农业大学工程技术学院，昆明 黑龙潭 650201） 摘 要 本设计说明书针对校园供水系统原有的控制方式存在操作人员劳动强度大、造成水能和电能浪费等问题，而提出的改进方案。 本说明书在分析了云南农业大学校园东校区供水系统原有的继电器+变频器常规控制系统不足的基础上，结合实际用水情况，提出基于三菱FX2N系列的可编程控制器控制，运用数字压力表组成的改进方案。 该改进方案的控制系统不仅完成了信号监测、数据传输、变频调速和实现实时监控功能，而且满足校园实际用水的需求，从而提升了供水系统自动化程度，提高供水可靠性。 关键词：变频；PLC；恒压供水；自动化 The Modified D
3、esign Plan 1 of Auto-controlWater-supply System in Yunnan Agriculture University Li Wen Engineering and Technology College of Yunnan Agriculture University, Kunming,Heilongtan, 650201 ABSTRACT The design paper focuses on workers intensive work of original control method in campus water-supply system
4、, and brings forward an improved solution.This paper analyzes original disadvantages of electric relay plus frequency changer start-up water-supply system at eastern campus; consulting actual situation and putting forward a modified control system project, which based on using the PCU of Mitsubishi
5、FX2N and digital pressure gauge.The system completed signal monitoring, data transmission, frequency control and live monitor, satisfied the water consumption in campus, improved water-supply systems degree of automation and its reliability.Key words: frequency conversion;PLC;constant water-supply;a
6、utomation目 录中英文摘要 目录 表录 图目录 符号及其计量单位说明 1 前言 12 校园原有的供水系统的介绍 12.1 水泵房的配电系统总体介绍 22.1.1工作电源介绍 22.1.2 电源导线介绍 22.1.3 接零保护介绍 22.2主要设备介绍 22.2.1电机、离心泵和变频器的参数 22.2.2 电机和离心泵的介绍 32.2.3变频器的介绍 32.2.4 变频器与电机相连接介绍 82.2.5 变频器控制电机的操作介绍 82.2.6 原有系统的控制面板介绍及其操作步骤 92.3 原有控制系统的介绍 93 系统改进方案的设计 103.1 系统改进设计原则 103.1.1 适用性原则
7、 103.1.2 经济性原则 103.1.3 科学性原则 103.2 方案设计的总体思路 103.3系统改进方案担一设计 113.3.1改进设计方案一控制方式 113.3.2改进设计方案一的控制流程分析 113.3.3方案一存在的问题 123.3.4对方案一进一步改进 123.3.5方案一的优缺点 133.4 系统改进方案二设计 13 3.4.1资料分析 133.4.2 改进设计方案二控制流程分析 143.4.3方案二存在的问题 143.5 方案三设计 143.5.1 设计思路 14 3.5.2 方案三控制流程图分析 153.5.3 方案三存在的问题 153.6 方案设计小结 154 相关计算
8、及设备选型 154.1 原有设备计算和选择 154.1.1水泵相关计算 154.1.2 导线截面的选择 164.1.3 空气开关的选择 174.1.4 熔断器的选择 174.1.5 接触器的选择 184.2 PLC的选择的原则 184.2.1 PLC的简介 194.2.2 PLC型号选择的基本原则 214.2.3 PLC容量的选择步骤 224.2.4 PLC的选型 225 改进后的系统硬件设计和软件设计 235.1硬件设计 235.1.1PLC的I/O端口分配 235.1.2控制面板设计 255.2软件设计 255.2.1 PLC的语言介绍 265.2.2 编程装置的介绍 27 5.2.3 基
9、本指令介绍 285.2.4 单键起停功能实现 285.2.5 手动控制的设计和报警的设计 30 5.2.6 程序初始化 30 5.2.7 方案一的程序设计 315.2.8 方案二的程序设计 325.2.9 方案三的程序设计 376 样机或试件的各种实验和测试情况 377 方案设计中出现的问题 398结论 40参考文献 40致谢 41附录 42表 目 录表 1 导线的分类 17表 2 各接触器型号及具体 18表 3 PLC的I/O接口分配 24表 4 基本指令 28表 5 FNC 66功能指令步数 28表 6 单键起停的指令表 29表 7 初始化程序 31表 8 方案一程序表 32表 9 时钟指
10、令表 33表10 特殊中间继电器 33表11 特殊数据存储器 34表12 方案二程序表 35图 目 录 图1 变频器的工作原理 5图2 电压斜坡起动的电压变化波形 6图3 限流起动电流幅值 6图4 电动输出电压波形 7图5 数字压力表 10符号及其计量单位说明P30：有功计算负荷，单位kW；Kd：需要系数；Pe： 额定有功功率，单位kW； Q30：无功计算负荷，单位kvar；S30：视在计算负荷，单位kVA；I30：计算电流，单位A；：额定电压，单位kV；cos：功率因数；：导体所在电路的最大持续工作电流，单位A； 相应于导体额定环境温度条件下导体的长期允许电流，单位A；A0：制线路的中性线截
11、面，单位mm ；A：相线截面，单位mm ；：熔断器额定电流，单位A；1前言随着社会经济的迅速发展，水对人类生活与工业生产的影响日益加强，人类对供水的质量和供水系统的可靠性要求不断提高。我国是水资源和电能短缺的国家，长期以来市政供水、高山供水、工业生产循环供水等方面技术都比较落后，自动化程度较低，主要表现在用水高峰水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水的低峰期水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费。把自动化技术、控制技术、网络通讯技术等应用在供水领域，成为对供水系统研究的新方向。云南农业大学东校区地处山坡，校区面积大，人口密集，日用水
12、量平均在3000吨左右，而自来水公司所提供的水管不管是压力还是在流量，都不能满足师生学习和生活的需要，因此学校进行基础建设的时，在山脚下建造了一个蓄水池，其供水流程是先对自来水进行存储，再利用三台37KW的水泵与立式多级离心泵组成的供水系统，向离山脚约有3公里的山顶上的容量约800立方米的巨型水池进行供水，再由此水池为东校区的师生提供生活用水。现有供水系统的控制操作都是依靠工作人员手动来完成，这样造成人的劳动强度大、水资源和电能的浪费。基于以上的问题，本设计说明书针对云南农业大学的校园供水系统进行改进设计的方案。改进后的供水控制系统采用可编程控制器（PLC）+变频器+数字压力表作为控制元件，提
13、出三套设计方案，经过论证，得出可行的实施方案。改进后的系统可以实现水泵自动起停的集中管理的功能，可以降低耗能、节约成本和减少维修维护工作强度、确保供水需求，实现供水的自动化控制。本设计说明书主要叙述了原有的供水的系统分析、系统改进方案的设计、系统的相关计算、设备的选型、改进后的系统硬件设计和软件设计等内容。由于时间仓促，本人的水平有限，该设计难免存在不足，恳请各位老师指正批评，本人十分感谢。2 校园原有的供水系统的介绍供水系统的建设是学校基础设施之一，供水系统的性能好坏直接影响到师生的正常生活。供水系统在设计上是要遵循供水可靠性、经济性等原则。随着科学技术不断地更新，供水系统朝着自动化、智能化
14、发展，而云南农业大学原有的供水系统也需要进行改进，实现自动化。2.1 水泵房的配电系统总体介绍配电系统是整个供水系统的控制核心部分，其可靠性高低直接影响到供水的质量。现在需要对原有的配电系统进行分析，了解各个器件的现状和功能，以便设计出改进方案。云南农业大学东校区水泵房的配电系统情况（附图1），该配电系统是采用200A的电源进线，其供水动力是由三台37kW水泵配合立式多级离心泵组成。该配电系统有3.0kW的照明、1.1kW的排污泵和1.7kW的吊车，预留15kW的备用容量。2.1.1 工作电源介绍 该原有的系统的电源引自配电室，采取AC380V/220V的三相五线制的供电方式。传统的三相四线制
15、即 TN-C系统，其包含三根相线（A、B、C）及一根零线（PEN），是工作零线与保护零线合一设置的接零保护系统，而三相五线制TN-S系统(还包括TN-C-S系统)，其包含三根相线（A、B、C）及一根零线（N），一根地线(PE)，是工作零线与保护零线分开设置或部分分开设置的接零保护系统。三相五线制的保护灵敏性与可靠性都比三相四线制的要高，因为接地零线（即PE线）是单独设置，且直接引自电源变压器中性点（该中性点已可靠直接接地，其接地电阻较低，满足系统保护要求）。三台水泵采用两工一备的工作方式，这样的工作方式既满足了供水需求，又提高了供水的可靠性。2.1.2 电源导线介绍电源的总进线采用铜芯塑料电缆
16、，电缆沿着电室地板暗敷，动力线由配电柜引出至水泵房沿地面暗敷，照明回路采用铜芯塑料导线穿P/C管暗敷。2.1.3 接零保护介绍 所有电气设备都设置接零保护，并且引入线处需设置重复接地，接地电阻必须小于或等于10。从接地装置处用404扁铜引至进线柜内与保护零线端子相接，这样工作零线在与保护零线端子相连实现了重复接地。该原有的系统所有的保护零线均从保护零母线引出，而配电柜外壳、互线铜管和三相插座接地必须进行可靠接零保护。2.2主要设备介绍2.2.1 电机、离心泵和变频器的参数 电动机：型号Y225S-4；数量为3台；参数：额定功率为37kW，额定转速为1480r/min，额定电流为70.4A,工作
17、电压3/AC/380；满 载时效率=91.8%,功率因数cos=0.87；起动转矩为1.9，最大转矩为2.2，重量为302Kg。离心泵：型号100DLX4；数量为3台；参数：流量100立方米每小时，扬程80m，额定转速为。变频器：型号STR系列B型,工作电压3/AC/380，调配功率37kW。2.2.2 电机和离心泵的介绍 该供水系统由电机和离心泵组成的，采用两工一备的工作方式。由于电机的功率为37kW，属于中型电机，不能直接启动，否则会产生相当大的冲击电流，对设备和整个配电系统都有很大的冲击。2.2.3 变频器的介绍 变频器启动电机的系统与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调
18、速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制。电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。下面简单介绍一下上面提到的变频器调速控制系统的各种主要优点。在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以代替传统亡利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。软启动器和变
19、频器的比较：软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。软启动器用于需降压启动和停止的场合。电机的转
20、速不变。变频器用于需要调速，恒压的地方，频率决定转速。软启动和变频器最大的区别就是变频器可以任意设定运行频率，而启动器只起到软起软停作用。所以该原有控制系统是采用变频方式启动水泵。原有控制系统是采用三台STR系列的B型数字式交流电动机变频器分别对三台电机进行启停控制。STR系列的B型数字式交流电动机变频器是采用电力电子技术，微处理器技术及现代控制理论设计生产的具有当今国际先进水平的新型起动设备。该产品能有效地限制异步电动机起动时的起动电流。可广泛应用于风机、水泵、输送类及压缩机等负载，是传统的星/三角转换、自耦降压、磁控降压等降压起动设备的理想代替品。STR系列的B型数字式交流电动机变频器作用
21、：降低电动机起动的起动电流，减少配电容量，避免增容投资；减少起动应力，延长电动机及相关设备的使用寿命；平稳起动和软停车避免了水泵的嘴振问题、水锤效应；多种起动模式及宽范围的电流、电压等设定，可适用多种负载情况，改善工艺；完善可靠地保护功能，更有效的保护电动机及相关设备的安全；可用于频繁起、停场合。STR系列的B型数字式交流电动机变频器特点：起动方式：根据负载的特点选择不同起动模式和参数设置，可最大限度使电动机实现最佳的起动效果。高技术性能：由于采用高技术微处理器和强大的软件支持功能使控制电路得到简化，无需对电路参数进行调整即可获得一致，准确及快速的执行速度。高可靠性：STR系列变频器所有电器元
22、件均经过严格的筛选，其主控板是经过了72小时高温循环实验，从而保证了产品的高可靠性。优化的结构：独特紧凑的模块化结构及上进线下出线连接方式，非常方便用户的集成和成套。多重保护功能：STR系列变频器在电机起动和运行过程中有多种保护（如过流、过压、缺相、过热等），所以对单台电机控制无需另加电机保护电路，降低集成和成套成本，简化电路。键盘设置功能：便捷直观的操作显示键盘，可根据不同的负载，对起停、运行、保护等参数进行设置，修改。模拟信号输出：可提供420mA的模拟信号实际功率设置：当变频器的功率比实际功率大时，可将变频器的额定电流按实际负荷进行设置，使变频器和实际负荷匹配，以保证起停、运行、保护等各
23、参数的准确性。STR系列的B型数字式交流电动机变频器工作原理：STR系列电动机变频器采用三对反并联的晶闸管连接到交流电机的定子回路 上，利用晶闸管的电子开关作用，通过微处理器控制其触发角的变化来改变晶闸管的通断程度，由此来改变电动机的输入电压的大小，以到达控制电机软起动的目的，当起动完成后，变频器输出达到进线电压，这时将通过旁路控制信号，自动控制旁路接触器KM吸合，将电机并入电网运行，如图2-1所示：图1 变频器的工作原理Figure 1 The working principle of frequency converterSTR系列电动机变频器控制方式有电压斜坡起动和限流起动，同时具有点动
24、功能。电压斜坡起动模式和限流起动模式是两种独立的起动模 式，使用中只能是其中一种。电压斜坡起动控制模式：图2-2给出了电压斜坡起动的电压变化波形图，其中为起动时变频器输出地初始电压值，当电机起动时，变频器的输出电压迅速上升到，然后按所设定的时间t逐渐上升，电机随着电压的上升不断地加速，当电压达到进线电压时，电机达到额定转速，起动过程完成，初始电压和和起动时间t均可以根据负载的情况设定，初始电压的设定范围一般为（575）%Ue，t的设定范围为1120s。电压斜坡起动模式适用于大惯性负载，或对于起动电流不严格，而对起动平稳性要求较高的场合，这种起动方式，这种起动可以大大的降低起动冲击和机械应力，初
25、始电压值越大，起动初始转矩越大，但起动瞬间冲击也越大。图2 电压斜坡起动的电压变化波形Figure 2 Voltage slopes of voltage waveform start-up限流软起动控制模式：在限流起动模式下，当电机起动时，其输出电压值迅速增加，直到输出电流达到设定的电流限幅值,如图2-3所示，并保持输出电流不大于该值，电压逐渐升高，使电机逐渐加速，当电机接近额定转速时，输出电流迅速下降至额定电流Ie以下，完成起动过程。电流限幅值可根据实际的负载情况进行设定，设定范围为电机额定电流Ie的0.24倍。限流起动模式一般用在对起动电流有严格的场合，特别是电网容量偏小，要限制起动容量
26、时，可根据要求设定限流倍数，一般在2.53倍之间，设定过小也可能会造成不能正常起动，采用限流起动时，起动时间和限流倍数大小有关，限流倍数越大，启动时间越短，反之则越长。图3 限流起动电流幅值Figure 3 Starting current limiting amplitude点动运行控制模式，在该控制方式下，变频器的输出电压迅速增加至点动电压并保持不变，改变的设定值，可改变电机点动时的输出电压及输出转矩如图2-4所示，该功能对试车判断电机转向或一些负载的定位非常方便。图4 电动输出电压波形Figure 4 Power output voltage waveform停车控制模式：STR系列变频
27、器有自动停车和软停车两种停车模式。自由停车，当接到停机命令后，变频器发出指令断开旁路接触器并封锁主电路晶闸管的输出，电动机依负载惯性逐渐停机。软停车，在这种停车模式下，当接到软停车指令后电动机的供电由旁路接触器切换到主电路晶闸管，变频器的输出电压逐渐降低，直到电机停止运行，其停止时间与其负载、停车时间因子设定值有关，对于不同的负载可以修改停车时间因子设定值，达到平滑软停车。参数设置：当变频器处于准备好状态时，按编程键并保持五秒钟，可使变频器进入起动模式选择状态，这时可通过上翻或下翻选择键增减，设定所需要的“起动模式代码”，当设定为“1”即电压斜坡起动模式，这时进入的就是电压斜坡起动模式，其指示
28、灯亮；当设定为“2”即限流起动模式，这时进入的就是限流起动模式，其指示灯亮；当设定为“3”即点动工作模式，此时其键盘上的指示灯都不亮，在确认设定后的起动工作模式后，若继续按编程键，可进入设定当前起动模式下的相关参数设置。电压斜坡起动模式相关参数的设置大致操作流程：电压斜坡模式选择斜坡初始电压的修改斜坡起动时间的设置起/停过流保护值的设置电流不平衡度的修改控制方式选择旁路触发选择起动过载级别选择运行保护值设置停车模式选择完成。限流起动模式相关参数的设置大致操作流程：限流起动模式选择起动电流初始值设置限流起动时间起/停过流保护值设置电路不平衡度的修改控制方式选择旁路触发选择起动过载级别选择运行过流
29、保护值设置停车模式选择完成。由于该系统对于起动电流不严格，对起动平稳性要求较高，所以采用电压斜坡起动模式，这种起动可以大大的降低起动冲击和机械应力，初始电压值越大，起动初始转矩越大，但起动瞬间冲击也越大，采用电压斜坡起动模式，起动过程的长短与起动时间设定值需要经验。2.2.4 变频器与电机相连接分析变频器与电机相连接情况（见附图2），变频器的接线端子包括交流电源输入端子、软起动器出端子和外接旁路接触器专用端子。变频器数字输入端子包括外控软停车端子（SS）外控起动端子（RUN）、外控停止端子（STOP）、外控点动端子（JOG）、外控复位端子(RET)和外控数字信号公用端子(COM)，而输出系统包
30、括包括旁路输出、故障输出和起动完成输出，实现了平稳启动、变频调速登功能。2.2.5 变频器控制电机的操作分析变频器控制电机的控制接线情况（见附图3、附图4），由于采用的水泵功率到达37kW,若直接起动电机产生的冲击电力高达420A，为了避免产生大的冲击电流，该系统采用变频起动控制。主电路分析：由型号为JXM2100L空气开关，其功能是开断电源；型号为QL1/AS1005的电流表，其功能是监测线路上的电流值；型号为GF1-162的熔断器，其功能是线路上的短路保护装置；型号为HH54PB220的接触器，其功能是间接控制电机起动；型号为FU-182的热继电器，其功能是线路上的过载保护装置，所组成的强
31、电电路。电机控制回路分析：控制回路包括手动控制、自动控制、水泵信号、工作位置指示和故障信号。当按下SBA1按钮，1KA接触器的线圈得电，其主触头动作，电机起动，1KA接触器的辅助触点中的常开触点闭合，形成自锁，使电机持续得电进行供水。自锁是控制电路中核心设计，只有存在自锁的设计才能使电机持续得电。自锁接触器就是通过线圈产生的磁场吸引触点断开或闭合。将其中的一组触点与线圈的工作开关（可以不是互锁的，即启动瞬间短开）并联，当触发工作线圈的瞬间，所有触点闭合，包括并联在触发开关的触点闭合，从而使接触器一直处于工作状态，实现自锁功能。4KA在该控制系统中是一个水位监测接触器，当水位低于所设定的值，就自
32、动起动水泵进行供水，当水位高于所设定的值，水泵自动停止，以免水的浪费，但这个功能一直没有被实现，因为水泵房与山顶的蓄水池相距比较远，所检测到的水位信号，无法及时准确的输送到水泵房进行判断和处理。这也是本改进设计需要解决的问题。2.2.6 原有系统的控制面板分析及其操作步骤 控制面板是控制系统中重要组成部分，其功能是对所有电气设备进行控制，实现所需控制目的。控制面板设计要求板面清楚、接线简单、操作方便等。原有的控制面板由按钮和指示灯组成（见附图5）。指示灯标示的意义：包括系统状态指示和电机状态指示。状态指示有故障指示、电源指示和水位过低指示，当系统出现故障时，故障指示灯发光，用于提醒工作人员，以
33、便及时排除故障；电源指示灯反映整个系统的通电情况；当山顶蓄水池的水位低于所设定的市委高度时，此灯发光，用来提醒工作人员需要开水泵进行供水，但限于设计和实际原因，没有实现其功能，本改进设计希望解决这个问题。按钮说明：包括电机起停按钮和警报按钮，电机起停按钮有三组分别对三台水泵进行起停控制，绿色按钮是电机起动的按钮；红色按钮是电机的停止按钮 ，报警按钮包括试警按钮和解警按钮，均使用绿色按钮。该控制面板的所有操作都是人工进行的，造成的劳动强度大，这个问题也是本改进设计所需要解决的。2.3 原有控制系统的介绍原有控制系统是采用常规接触器控制，这种接触器控制模式存在接线复杂、稳定性不高、操作不便等问题。根据水泵房的记录可得，水泵运行方式是采用两工一备的工作方式。该供水系统对云南农业大学东校区师生的学习和生活进行提供用水，日用水量约3000吨，由三台37kW的水泵进行供水，一般从每天的早上5点30分进行供水，工作水泵为两台；当到达8点时，停运其中一台水泵，只用一台水泵进行供水；下午两点左右进行切换，也是用一台水泵进行供水，一直到深夜的12点半停止供水，第二天再循环上一天的运行动作。这种控制方式存在着对人的依赖性强、工作人员劳动强度大等问题。由于原有的供水系统存在以上的不足，需进行改进。3 系统改进方案的设计 本设计说明书介绍的改进设计方案要求在不影响原有系统正常工作的情况下，进行改造。3
