基于PLC变频器驱动的高层分段接力式恒压供水控制系统设计论文.docx
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1、目 录第一部分 设计任务与调研3第二部分 设计说明6第三部分 设计成果17第四部分 结束语24第五部分 致谢25第一部分 设计任务与调研 水是生产生活中不可缺少的重要组成部分, 在节水节能已成为时代特征的现实条件下,我们这个水资源和电能短缺的国家,长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后,自动化程度低。主要表现在用手高峰期,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,同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。因此开发基于的变频恒压供水系统具有重要的现实意义1.1
2、引言 水是生命之源,人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中,基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵,产生压力使管网中的自来水流动,把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时,也消耗大量的能量,如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时,降低能耗,将具有重要经济意义。 随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高,变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于多层住宅小区生活供水系统。然而,由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备(如水泵),在对原有供水系统进行变频改造的实践中,往往会出现一些在理论上意想不到的问题。本文介绍的变频控
3、制恒压供水系统,是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中,根据尽量保留原有设备的原则设计的,该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题,既体现了变频控制恒压供水的技术优势,同时有效的节省了资金。1.2 变频恒压供水产生的背景和意义 泵站担负着工农业和生活用水的重要任务,运行中需大量消耗能量,提高泵站效率:降低能耗,对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快,在工程规模上也有一定水平,但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因,致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比,还有一定的差距。目前,大量的电能消耗在
4、水泵、风机负载上,城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是由于我国居民多,用水量大,造成用电量大:另一方面是因为我国供水设备工作效率低,控制方式不够科学合理。造成不必要的能量浪费。因此,研究提水系统的能量模型,找出能够节能的控制策略方法,这里大有潜力可挖,是减少能耗,保障供水的一个很有意义的工作。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点,变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性,方便地实现供水系统的集中管理
5、与监控;同时系统具有良好节能性,这在能量日益紧缺的今天尤为重要,所以研究设计该系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.3 变频恒压供水系统的国内外的发展状况 变频恒压供水是在变频调速技术发展之后逐渐发展起来的,在早期,由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、 升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中,变频器仅作为执行机构,为了满足供水量大小需求的不同时,保证管网压力恒定,需在变频器外部压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看,国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一
6、台水泵机组的方式,几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况,因而投资成本高。即1968年,丹麦的丹弗斯公司发明并首家生产变频器后,随着变频器技术的发展和变频恒压系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优先以及显著地节能效果被大家发现认可后,国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器,像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术,法国的施耐德公司推出了恒压供水基板,备有PID调节器和PLC可编程控制器等硬件继承在变频器控制基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能,只要搭载配套的恒压供水单元,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作,可构成最多七台电机的供水
7、系统。但是也有其缺点,就是输出接口的扩展功能缺乏灵活性,系统的动态性能和稳定性不高,与别的监控系统和组态软件难以实现数据的通信,并且限制了带负载的容量,因此适用范围受到限制。 目前国内有不少公司都在做变频恒压供水的工程,大多采用国外的变频器控制水泵的转速,水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用单片机及相应的软件予以实现;有的采用PLC及相应软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说,还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为电气公司(现已改名艾默生)和成都希望集团(森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(5.5Kw-22kW),无
8、需外接PLC盒PID调节器,坑完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循环(丹麦丹弗斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现,但其输出接口限制了带负载容量,同时操作不方便且不具有数据通信功能,因此只适用于小容量,控制要求不高的供水场所。 可以看出,目前在国内外变频调速恒压供水系统的研究设计中,对于能适应不同的用水场合,结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的,因此,有待于进一步淡淡的研究改善,使其能更好的应用于生活、生产实践中。1.4 设计任务及要求
9、本系统以一个供水系统作为被控对象,采用PLC和变频技术相结合技术,并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理,保证供水系统安全可靠的运行。PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器、和水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,了解供水系统的运行工艺情况,设计恒压供水控制系统的硬件电路;研究恒压变频供水的控制方法,实现对系统的高性能控制。第二部分 设计说明2.1 变频恒压供水系统的理论分析2.1.1 电动机的调速原理水泵电机多采用三相异步电动机,而其转速公式为: (2-1) 式中:f表示电源频率,p表示电动机极对数,s表示转差率。从上式可知,三相异步电动机的调速方法有:(1)
10、改变电源频率(2) 改变电机极对数(3) 改变转差率 改变电机极对数调速的调控方式控制简单,投资省,节能效果显著,效率高,但需要专门的变极电机,是有级调速,而且级差比较大,即变速时转速变化较大,转矩也变化大,因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式,其最大优点是它可以回收转差功率,节能效果好,且调速性能也好,但由于线路过于复杂,增加了中间环节的电能损耗7,且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。 根据公式可知,当转差率变化不大时,异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率,就可以平滑地改变电动机
11、的转速。但是,单一地调节电源频率,将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展,已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置,它们促进了变频调速的广泛应用2.2 课题研究的对象 图2.1供水流程图 此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。,由于高层楼对水压的要求高,在水压低时,高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况,水压高时将造成能源的浪费。如图2.1所示,是这栋小楼的供水流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后,必须恒压供给每一个用户。2.2.1 变频恒压供水系统的节能原理 变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电
12、动机驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵做成一体,通过变频器调节异步电机的转速,从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此,供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。 在供水系统中,通常以流量为控制目的,常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量,水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量,因此,管阻将随阀门开度的改变而改变,但扬程特性不变。由于实际用水中,需水量是变化的,若阀门开度在一段时间内保持不变,必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的
13、转速来调节流量,而阀门开度保持不变,是通过改变水的动能改变流量。因此,扬程特性将随水泵转速的改变而改变,但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速,使管网压力始终保持恒定,当用水量增大时电机加速,用水量减小时电机减速。2.2.2 变频恒压供水系统控制流程变频恒压供水系统控制流程如下: (l)系统通电,按照接收到有效的自控系统启动信号后,首先启动变频器拖动变频泵M1工作,根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率,控制Ml的转速,当输出压力达到设定值,其供水量与用水量相平衡时,转速才稳定到某一定值,这期间M
14、l工作在调速运行状态。 (2)当用水量增加水压减小时,压力变送器反馈的水压信号减小,偏差变大,PLC的输出信号变大,变频器的输出频率变大,所以水泵的转速增大,供水量增大,最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之,当用水量减少水压增加时,通过压力闭环,减小水泵的转速到另一个新的稳定值。(3)当用水量继续增加,变频器的输出频率达到上限频率50Hz时,若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力,并且满足增加水泵的条件时,在变频循环式的控制方式下,系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2(变速运行),同时变频泵M1做工频运行,系统恢复对水压的闭环调节,直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加,满足增加水
15、泵的条件,将继续发生如上转换,将另两台工频泵M3、M4依次投入运行,变频器输出频率达到上限频率50Hz时,压力仍未达到设定值时,控制系统就会发出水压超限报警。(4)当用水量下降水压升高,变频器的输出频率降至下限频率,用户管网的实际水压仍高于设定压力值,并且满足减少水泵的条件时,系统将工频泵M2关掉,恢复对水压的闭环调节,使压力重新达到设定值。当用水量继续下降,并且满足减少水泵的条件时,将继续发生如上转换,将另两台工频泵M3、M4根据先启先停原则依次关掉。2.3 变频恒压供水控制方式的选择 针对传统的变频调速供水设备的不足之处,国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品,如华为的TD210
16、0;施耐德公司的Altivar58泵切换卡;SANKEN的SAMCO I系列;ABB公司的ACS600、ACS400系列产品;富士公司的GIISPIIS系列产品;等等。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内,形成了带有各种应用的新型变频器。由于PID运算在变频器内部,这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程,而且PID参数的在线调试非常容易,这不仅降低了生产成本,而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法,所以使水压的调节十分平滑,稳定。同时,为了保证水压反馈信号值的准确、不失值,可对该信号设置滤波时间常数,同时还可对反馈
17、信号进行换算,使系统的调试非常简单、方便。2.4 变频构成恒压供水的系统及工作原理2.4.1 系统的构成 图2.2系统流程图 如图2.2所示,整个系统由三台水泵,一台变频调速器,一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀,以供维修和调节水量之用,三台泵协调工作以满足供水需要;变频供水系统中检测管路压力的压力传感器,一般采用电阻式传感器(反馈05V电压信号)或压力变送器(反馈420mA电流);变频器是供水系统的核心,通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。2.4.2 工作原理用变频调速来实现恒压供水,与用调节阀门来实现恒压供水相比
18、,节能效果十分显著(可根据具体情况计算出来)。其优点是:)起动平衡,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击。)由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等的使用寿命。)可以消除起动和停机时的水锤效应。一般地说,当由一台变频器控制一台电动机时,只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时,原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时,可考虑适当减小变频器的容量,但应注意留有足够的容量。虽然水泵在低速运行时,电动机的工作电流较小。但是,当用户的用水量变化频繁时,电动机将处
19、于频繁的升、降速状态,而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流,导致电动机过热。因此,电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升,变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的,所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。在主要功能预置方面,最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用调节器的情况下,升、降速时间应尽量设定得短一些,以免影响由调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有调节功能时,只要在预置时设定功能有效,则所设定的升速和降速时间将自动失效。控制原理根据反馈原理:要想维持一个物理量不变或基本不变,就应该引这个物理量与恒值比较,形成闭环系
20、统。我们要想保持水压的恒定,因此就必须引入水压反馈值与给定值比较,从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统,现控制和相结合的方法,在压力波动较大时使用模糊控制,以加快响应速度;在压力范围较小时采用来保持静态精度。通过使用这种方法是可行的,而且造价也不高。下面介绍变频恒压供水控制系统。如图所示。其工作原理分析如下:根据管道上压力传感器所检测到的压力变化,经转换为标准的 连续电流信号,控制变频器,调整运行频率,从而实现自动调整水泵转速,已达到恒压的功能,因为是根据实际用水情况,选择水泵开动台数,调整转速让水泵始终在高效区运转,因此节能效果显著。2.5 主电路接线图 图2.3主电路
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