恒压供水控制新版系统标准设计.doc
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1、变频器综合设计变频器控制恒压供水系统 专业班级: 15电气普招 设计人: 王于风 学号: 50030107 指导老师: 雷钢 设计时间: 10月20日 摘要恒压供水在城市自来水管网系统、住宅小区生活消防用水系统、楼宇中央空调冷却循环水系统等众多领域中全部有应用。恒压供水是指用户端在任何时候,不管用水量大小总能保持管网中水压基础恒定。在恒压供水系统中可依据压力给定理想值信号及管网水压反馈信号进行比较,变频器依据比较结果调整水泵转速,达成控制管网水压目标。本文关键针对目前供水系统中存在自动化程度不高、能耗严重、可靠性低缺点加以研究,开发出一个新型并在这三个方面全部有所提升变频式恒压供水自动控制系统
2、。全文共分为四章。第一章说明了供水系统应用背景、选题意义及关键研究内容。第二章说明了供水系统变频调速节能原理。第三章具体介绍了系统硬件工作原理和硬件选择。第四章具体叙述了系统软件开发并对程序进行解释。关键词: 恒压供水,PLC,变频技术目 录摘要II1 变频控制系统介绍11.1变频调速供水控制系统介绍11.2变频调速在供水行业中应用12 供水系统变频调速节能原理42.1 水泵调速运行节能原理42.2 本系统总体介绍53 系统硬件工作原理及硬件选择73.1 PLC工作原理及选择73.2 变频调速系统原理及选择93.3 压力传感器选择123.4 水泵选择133.5 鉴频鉴相问题143.6 控制电路
3、164 系统软件开发184.1 PLC编程介绍184.2 PLC程序解释26致 谢29参考文件301 变频控制系统介绍1.1变频调速供水控制系统介绍变频调速供水控制系统是集现代变频调速技术、PLC技术、监控技术和计算机技术为一体新一代给水控制系统。该系统完全能够替换传统水塔、高位水箱和气压罐等给水方法。和传统给水方法相比,该系统不仅满足了现代工矿企业、城镇居民和高层建筑对新型给水系统要求。系统采取内置变频调速器、优异可编程控制器等现代控制技术,对水泵机组进行闭环控制,确保压力波动小、达成设定压力时间短、且可随用水量改变自动调整水泵转速及工作水泵台数,确保恒压变量供水。系统采取现代计算机数字控制
4、技术和模块化、标准化设计,满足多个当地和远程联网协议,系统可扩展性强。 系统含有手动、自动操作方法,系统压力、电机电流、电机频率和电机累计运行千瓦时LED显示,变频器、电机工况和故障指示及防误操作等功效。系统含有输入电源缺相、不平恒、过压、过流、过载、短路、电机过热、飞速开启、断水及低水位停机等完善安全保护功效,有效提升了给水成套设备安全可靠性。该系统还配有完善故障自诊疗、故障检修手动工作方法等功效,使维修工作十分轻松快捷。因为控制回路和负载回路之间是经过中间继电器实现电隔离和信号耦合,所以系统抗干扰能力强。系统自动检测瞬时水压,并据此调整水泵供水量,机组特征曲线靠近管网损失特征曲线,节能效果
5、显著。因为变频器对电机实施是循环软开启控制,开启平稳无冲击,提升了电机、水泵和管道等寿命,降低了管网泄露。另外因为系统无需高位水箱等设备,不仅节省了投资,而且无水质二次污染问题。 本系统还能够将生产、生活、消防等系统合为一体,投资省、占地少、经济效益显著。1.2变频调速在供水行业中应用作为高性能调速传动,直流电动机调速控制方法长久以来一直应用广泛。不过直流电动机因为换向器和电刷维护保养很麻烦,价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好调速一直是大家理想。异步电机调速方法很多,比如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。不过因为多种多样缺点没有得到厂泛应用。70年代以后,因为微电子技术
6、、电力电子技术和微处理机技术发展,促进晶体管变频器诞生。晶体管变频器不仅克服了以往交流调速很多缺点,而且调速性能能够和直流电动机调速性能相媲美。三相异步电动机含有维修方便、价格廉价、功率和转速适应面宽等优点,其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有显著优势。到80年代末,交流电机变频调速技术快速发展成为一项成熟技术,它将供给交流电机工频交流电源经过二极管交流变成直流,再逆变成频率可调交流电源,以此电源拖动电机在变速状态下运行,并自动适应变负荷条件。它改变了传统工业中电机开启后只能以额定功率、定转速单一运行方法,从而达成节能目标。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中,较为传统运行方法
7、是可节电40%-60%,节水15%-30%。因为变频调速含有调速机械特征好,效率高,调速范围宽,精度高,调整特征曲线平分,能够实现连续、平稳调速,体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出优点而倍受大家青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时,能够取得其它调速方法无法比拟节能效果。变频调速系统关键设备是提供变频电源变频器,变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类,现在中国大全部使用交-直-交变频器。 自从通用变频器问世以来,变频调速技术在各个领域得到了广泛应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质供水质量等优点,使中国供水行业技术装备水平从90年代初开始经历了一
8、次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速,依据用水量改变自动调整系统运行参数,在用水量改变自动调整系统运行参数,在用水量发生改变时保持水压恒定以满足用水要求,是当今最优异、合理节能型供水系统。在实际应用中得到了很大发展。伴随电力电子技术飞速发展,变频器功效也越来越强。充足利用变频器内置多种功效,对合理设计变频调速恒压供水设备,降低成本,确保产品质量等方面有着很关键意义。 新型供水方法和过去水塔或高位水箱和气压供水方法相比,不管是设备投资,运行经济性,还是系统稳定性、可靠性、自动化程度等方面全部含有没有法比拟优势,而且含有显著节能效果。恒压供水调速系统这些优越性,引发中国几乎全部供水设备厂家
9、高度重视,并不停投入开发、生产这一高新技术产品。现在该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制,多品种系列化方向发展。追求高度智能化系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体计划要求肯定趋势。 在短短几年内,变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善发展过程,早期单泵调速恒压系统逐步被多泵调速系统所替换。即使单泵调速系统设计简易可靠,但因为单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低,而多泵调速系统投资更为节省,运行效率高,被实际证实是最优系统设计,很快发展成为主导产品。2 供水系统变频调速节能原理2.1 水泵调速运行节能原理全自动变频调速供水控制系统采取专用供水控制器控制
10、变频调速器,经过安装在管网上远传压力表,把水压转换成电信号,经过接口输入控制器内置PID控制器上,用以改变水泵转速。当用户用水量增大,管网压力低于设定压力时,变频调速器输出频率将增大,水泵转速提升,供水量加大。当达成设定压力时,水泵恒速运转,使管网压力稳定在设定值上。反之当用户用水量少,管网压力高于设定压力时,变频调速器输出频率将降低,水泵转速下降,供水量降低,使管网压力稳定在设定压力,这么反复循环就达成了恒压变量供水目标。 图2.1 供水系统原理图供水系统工作原理图2.1所表示。由自来水管网或其它水源提供水进入蓄水池经加压水泵进入用户管网管路。经过压力传感器按提供网压力信号,传送给控制系统P
11、ID,经PID运算后输出信号控制变频器输出频率,从而控制水泵转速进而保持供水管道压力基础恒定。用户用水量大时,管网管路压力下降变频器频率就升高,水泵转速加紧,反之频率下降,水泵减速运行,从而维持恒压供水。当用水量大于一台水泵最 大供水量时,经过PLC自动切换电路工作再投入一台水泵,依据最多用水量大小可投入数台水泵。在供水系统中,控制对象是水泵,控制目标是保持管网水压恒定,控制方法是压力信号反馈闭环控制。它自动控制原理图见图2.2 。1号泵2号泵3号泵4号泵水泵切换电路变频器PID压力传感器 PLC图2.2 变频式恒压供水自动控制原理图2.2 本系统总体介绍 本系统针正确用户是自来水企业供水系统
12、和水厂、泵站等多种泵类电机调速和控制,控制对象应尽可能做到通用型,系统功效设计和设备选择关键立足于通用性、可靠性和经济性和节能效果,而对于特殊情况下供水系统不在本系统控制范围之列(实际上特殊供水系统也只是在通用系统功效实现基础上充足考虑到特殊性,最根本还是在于通常系统研制)。在本论文中,我们以四台水泵为控制对象,建立一个模型,研制一个新型控制系统使得水泵转速跟随用水量改变而改变,实现变频、恒压、无级调速供水系统,从而达成节能、节水、充足利用设备、高可靠性、高自动化程度目标。图2.3所表示,供水系统由四台泵(二用二备)组成,由一台可编程控制器和一台变频器切换控制任一台电机调速。水泵可变供电回路由
13、工频回路和变频器提供变频回路组成,经过PLC和变频器将各台水泵根据一定规律次序投入运行和次序停止运行,使整个供水回路处于最好配置状态。变频器则具体微调目前水泵转速,使转速改变跟随管网压力改变(实际上是跟随用户用水量改变)。3 系统硬件工作原理及硬件选择3.1 PLC工作原理及选择3.1.1 PLC介绍PLC是以微机控制技术为基础,经过编程,能够实施诸如逻辑判定,次序控以时,计数,运算等功效,并经过数字或模拟I/O组件控制机械设备。和传统继电器控制盘相比,PLC控制系统体积小,可靠性高;更易使用和维护,且能在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功效,又含有向中央数据采集系统传输信息能力;经过接插件
14、,全部输入端点能直接和工业现场开关,接点直接相连,全部输出端点能直接驱动继电器、电磁阀、电机开启器线圈等。它发展大致经历了三个发展时期。1.形成期(1970-1974年)早期PLC采取小规模IC组成专用逻辑处理芯片(CPU),采取机器语言或汇编语言编程,仅有逻辑控制指令,控制点少,功效简单,并没有取得广泛重视。2.成熟期(1974-1978年)伴随单电源8位处理器出现,在小型化、高可靠性多功效及价格等方面,PLC研制和应用水平有了飞速发展和提升。PLC开始含有了多个CPU,设置了定时器、计算器并含有了算术运算功效。图3.1 PLC结构示意图3.加速发展期(1978年以来)从70年代末到80年代
15、,PLC应用和制造展现了蓬勃发展趋势。首先研制出了高性能不一样规模PLC控制系统,开发了多个智能I/O模块,充足吸收了计算机和通讯技术,实现了分布式分级控制PLC网络系统。其次也逐一生产通常机械加工逻辑控制而价格较为廉价微小型PLC,对PLC普及应用起了关键推进作用。PLC经典硬件系统组成见图3.1。3.1.2 PLC选择可编程控制器(programmable logical controller,简称PLC)已经越来越多地应用于工业控制系统中,而且在自动控制系统中起着很关键作用。所以,对PLC正确选择是很关键。1.工作量这一点尤为关键。在自动控制系统设计之初,就应该对控制点数(数字量及模拟量
16、)有一个正确统计,这往往是选择PLC首要条件,通常选择比控制点数多10%-30%PLC。(本设计中开关量16个,控制量6个,1个模拟量输出,3个模拟量输入)2.工作环境工作环境是PLC工作硬性指标。自控系统将大家从繁忙工作和恶劣环境中解脱出来,就要求自控系统能够适应复杂环境,诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等,各款PLC不尽相同。一定要选择适应实际工作环境产品。(该设计环境正常,故不用特殊型号)3.通信网络现在PLC已不是简单现场控制,PLC远端通信已成为控制系统必需处理问题。(故尽可能选择比较常见品牌)4.编程程序是整个自动控制系统“心脏”,程序编制好坏直接影响到整个自动控制系统运作
17、。编程器及编程软件有些厂家要求额外购置,而且价格不菲,这一点也需考虑在内(要求有良好编程软件)。5.可延性这里包含三个方面含义:(1)产品寿命。大致能够确保所选择PLC使用年限,尽可能购置生产日期较近产品。(2)产品连续性。生产厂家对PLC产品不停开发升级是否向下兼容,这决定是否有利于现系统对未来新增加功效应用。(3)产品更新周期。当某一个型号PLC(或PLC模块)被淘汰后,生产厂家是否能够确保有足够备品(或备件)。这时应考虑选择当初比较新型PLC。 6.性价比由上面挑选规范,我挑选西门子企业S7-200 CPU226作为本系统采取PLC,它具体性能以下。本机集成24输入/16输出共40个数字
18、量I/O 点。可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存放空间。6个独立30kHz高速计数器,2路独立20kHz高速脉冲输出,含有PID控制器。2个RS485通讯/编程口,含有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方法通讯能力。I/O端子排可很轻易地整体拆卸。用于较高要求控制系统,含有更多输入/输出点,更强模块扩展能力,愈加快运行速度和功效更强内部集成特殊功效。可完全适应于部分复杂中小型控制系统。3.2 变频调速系统原理及选择3.2.1 变频调速系统介绍在变频器没有出现以前,调速系统通常采取直流调速图,不过因为结构上原因,直流电动机存在
19、着很多缺点(诸如需要定时更换电刷和换向器,维护保养困难,寿命短,机构复杂,难以制造大容量、高转速、高电压直流电动机等),所以大家一直在寻求交流调速系统。而变频器出现刚好处理了这个问题。和传统交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制交流拖动系统有很多优点,如节能,轻易实现对现有电动机调速控制,能够实现大范围内高效连续调速控制,轻易实现电动机正反转切换,能够进行高频度起停运转,能够进行电气制动,能够对电动机进行高速驱动,能够适应多种工作环境,能够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,能够组成高性能控制系统等等。尤其是对于工业中大量使用风扇、鼓风机和泵类负
20、载来说,经过变频器进行调速控制可替换传统上利用挡板和阀门进行风量、流量和扬程控制,所以节能效果很显著。变频调速原理很简单,因为异步电动机转速为式中n为电动机转速,r/min;f为电源频率,Hz;p为异步电动机磁极个数;s为转差。所以,理论上说,只要改变f就能改变电机转速n。3.2.2 变频调速控制方法 常见变频调速模式有两种,一个是开环控制,另一个是速度反馈闭环控制,图3.2所表示。本系统依据恒压控制要求,采取是PID调整方法(内含在变频器中) 闭环控制。 图3.2 变频调速系统控制方法3.2.3 变频器输入输出电路本系统中变频器输入信号有两种,一个是控制信号,它包含PLC输给变频器FWD信号
21、BX信号和VI(12)电压信号(0-5V),FWD信号BX信号由PLC输出,控制变频器工作开关;VI(12)控制变频器频率。另一个是输入电源信号,本系统采取三相380V交流电源,三相电流输入连接在端子L1/R, L2/S, L3/T上。采取三相输入话,则用主电路电源端子L1/R, L2/S, L3/T经过线路保护用断电器或带漏电保护断路器连接至三相交流电源,不需考虑连接相序。假如有条件话,还能够在电源电路中串入一个电磁接触器,这么就能够确保变频器保护功效动作时能切除电源和预防故障扩大,以确保安全。尽可能不要用主电路电源ON/OFF方法控制变频器停止和运行,应该用控制电路端子FWD、BX。变频器
22、输出信号也有两种,一是送PLC超压信号、欠压信号和变频器故障信号这三个输出控制信号,另一是送水泵变频器输出电源信号。送PLC超压、欠压信号由变频器Y1, Y2端子送出,Y1内部功效设定选为频率检测(FDT)功效,幅值为50Hz,滞后值为0.5Hz 。Y2内部功效设定选为0速度输出功效,变频器输出频率为0Hz时输出ON信号。 图3.3 变频器I/O端点连接送PLC变频器故障信号我们选择从Y3输出,Y3内部功效设定选择为报警功效,变频器发生指定故障时输出信号。变频器输出电源接接触器,它给全部工频回路接触器全部提供电源信号,不过具体哪一台接触器接通由PLC控制。变频器输出端子(U, V, W)按正确
23、相序连接至交流接触器输入电源端子上。假如电机旋转方向不对,则说明连接相序有错,则改变U、V, W中任意两相接线。变频器和电动机(水泵)间配线很长时,因为线间分布电容产生较大高频电流,可能造成变频器过电流跳闸.另外,漏电流增加,电流值指示精度变差。对于本系统中变频器,变频器和电动机(水泵)之间距离最好小于50米,假如配线很长时,则必需连接输出侧滤波器选件(OFL滤波器)。接线时还有一点需要注意是,为了安全和降低噪声,变频器接地端子G必需良好接地。为了预防电击和火警事故,电气设备金属外壳和框架均应根据国家电气规程要求接地。接地线要粗而短,变频器系统应连接专用接地极,及不要和别系统串联接地或共同接地
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