1、城市小區恒壓供水系統-畢業設計論文 畢業設計 題 目 城市小區恒壓供水系統 學生姓名 學 號 專業班級 指導教師 學 院 答辯日期 摘要我國人口眾多每年所消耗的能量巨大近年來能源緊張影響到工業生產及人民生活因此節能降耗是保證工業和生活穩定發展的一項關鍵措施然而長期以來我國自動化程度低用水行業的技術水平相對比較落后經常導致用水高峰期用戶用水的不穩定水壓較低供水量低于需求量小區居民的日常用水問題設計一套基于的變頻調速恒壓供水系統此變頻調速恒壓供水系統由PLC變頻器壓力變送器等組成由一臺變頻器實現對三臺水泵電機的軟啟動和變頻調速三臺泵電機采用變頻和工頻循環運行方式運行切換采用先啟先停的原則使用編程軟

2、件設計偏差進行處理從而控制變頻器的輸出電壓和頻率進而改變水泵電動機的轉速水泵出水口流量實現管網壓力的自動調節使管網壓力穩定在設定值附近關鍵詞變頻調速恒壓供水可編程控制器 AFor the numerous population much energy is consumed every year in our countryIn recent years have affected the industrial production and peoples lifeTherefore energy saving and reduce the consumption is a crucial m

3、easure to guarantee industry and lifes stable developmentHoweversince automation level is low for a long timeour country falls behind with the technical horizon comparison with water profession users often appears with the instability of water in using water peak-hoursuch as hydraulic pressure is lo

4、w and the supply of water is measured below demand According to the problem in using water designed a variable frequency speed-regulating constant pressure water-supply system with PLC The water supply system consists of PLCfrequency converter and pressure transmitter etcA frequency converter to rea

5、lize three phase pump generators soft start and frequency control three pump generators to comprise the circulating run mode of frequency conversion operation switch adopts to the principle of"start first stop first"using STEP7 MicroWIN program software designed a control system with PLC T

6、he control system can compare the measured pressure with the advanced pressure to control the real-time output Voltage and frequencythe output quality of pump is changed along with the changing of pumps speedIt makes the pressure of pipe self-regulating and steady in the scheduled valueand have desi

7、gned a operation management interface using Supervision Control and Data AcquisitionKey Wordsvariable frequency speed-regulatingconstant pressure water-supplyprogrammable logical controller 目錄第一章 緒論111 變頻恒壓供水系統研究的技術背景和設計依據112 變頻恒壓供水系統國內外的研究現狀及發展趨勢213 可編程控制器簡介314 本文研究的主要內容6第二章 變頻恒壓供水系統分析721 供水系統的基本特性

8、和方式722 常用調速方式及變頻調速原理923 變頻調速技術1124 水泵調速運行的節能原理1225 變頻恒壓供水的特點分析13第三章 基于變頻調速的恒壓供水系統設計1531 變頻調速恒壓供水系統要完成的主要功能1532 變頻調速恒壓供水系統的控制方案及選擇1533 變頻調速恒壓供水系統的構成1734 變頻調速恒壓供水系統工作原理1935 變頻至工頻的同步切換2036 變頻調速恒壓供水系統運行分析21第四章 系統硬件設計2241 變頻器的選擇22com MM440型變頻器性能特點及技術指標23com MM440型變頻器的主要作用24com MM440型變頻器的電路結構25com MM440型變

9、頻器的參數設定和調試2642 水泵的選擇2743 其他相關設備的選擇29com 變送器的選擇29com 接觸器的選擇30com 軟啟動器的選擇31com 主令電器的選擇3244 系統電路設計33com 主電路設計33com 控制電路設計3445 PLC IO分配3646 PLC的選型3847 變頻器與PLC的連接4048 系統硬件連接圖41第五章 系統軟件設計4251 總體流程圖設計42com 手動運行流程圖設計42com 自動運行流程圖設計4352 各個模塊梯形圖設計48com 軟元件設置48com 手動控制程序設計49com 自動控制程序設計51com 初始化程序設計57com 報警程序設

10、計6053 系統的測試與運行分析61com 系統手動運行測試61com 系統自動運行測試61第六章 基于組態王的恒壓供水系統監控設計6361 組態王簡介6362 組態王系統設計63com 組態王系統設計步驟63com 組態王系統設計過程64第七章 總結68參考文獻69外文原文71外文翻譯83致謝92緒論11 變頻恒壓供水系統水和電是人類生活生產中不可缺少的重要物質在節水節能已成為時代特征的現實條件下我們這個水資源和電能源短缺的國家長期以來在市政供水高層建筑供水工業生產循環供水等方面技術一直比較落后自動化程度較低在通常的城市小區供水中基本上都是靠供水站的電動機帶動離心水泵產生壓力使管網中的自來水

11、流動把供水管網中的自來水送給用戶但供水機泵供水的同時也消耗大量的能量如果能在提高供水機泵的效率確保供水機泵的可靠穩定運行的同時降低能耗將具有重要經濟意義我國供水機泵的特點是數量大范圍廣類型多在工程規模上也有一定水平但在技術水平工程標準以及經濟效益指標等方面與國外先進水平相比還有一定的差距主要表現在用水高峰期水的供給量常常低于需求量出現水壓降低供不應求的現象而在用水低峰期水的供給量常常高于需求量出現水壓升高供過于求的情況此時會造成能的浪費同時還有可能造成水管爆裂和用水設備的損壞傳統調節供水壓力的方式多采用頻繁啟停電機控制和水塔二次供水調節的方式頻繁啟停電機控制產生大量能耗的而且對電網中其他負荷造

12、成影響設備不斷啟停會影響設備壽命水塔二次供水調節的方式則需要大量的占地與投資且由于是二次供水不能保證供水質的安全與可靠性因此保持管網的水壓恒定可使供水和用水之間保持平衡不但提高了供水的產量和質量也確保了供水生產以及電機運行的安全可靠性而尋求供水與能耗之間的最佳性價比是困擾人們的一個長期問題因此如何解決供水與能耗之間的不平衡尋求提高供水效率的整體解決方案是各供水企業關心的焦點問題之一變頻調速技術以其顯著的節能效果和穩定可靠的控制方式沒有頻繁的啟動現象啟動方式為軟啟動設備運行十分平穩避免了電氣機械沖擊也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險由此可見變頻調速恒壓供水系統具有供水安全節約能源節省鋼材節省占

13、地節省投資調節能力大運行穩定可靠的優勢具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益與社會效益所以研究設計基于變頻調速的恒定水壓供水系統簡稱變頻恒壓供水對于提高企業效率以及人民的生活水平同時降低能耗等方面具有重要的現實意義小區供水系統的建設是其中的一個重要方面供水的可靠性穩定性經濟性直接影響到小區住戶的正常工作和生活也直接體現了小區物業管理水平的高低為了盡可能地滿足城市生產和人們日常生活供水需要如何做好供水設備的維護和管理并有效解決電能消耗問題成了必須解決好的關鍵問題變頻恒壓供水系統國內外的研究現狀及發展趨勢近年來交流調速中最活躍發展最快的就是變頻調速技術變頻調速是交流調速的基礎和主要內容上個世紀變壓器的

14、出現使改變電壓變得很容易從而造就了一個龐大的電力行業但長期以來交流電的頻率卻一直固定而不能受人為控制變頻調速技術的出現使頻率變成可以利用的資源現在我國已有很多的公司工廠和研究所從事變頻調速技術的研究開發工作但自行開發生產的變頻調速產品和國際上的同類產品相比還有比較大的技術差距隨著改革開放和經濟的高速發展變頻調速己形成了一個巨大的市場目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速水管管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制有的采用可編程控制器 現有的采用單片機及相應的軟件實現這兩種控制方案從可靠性方面講片機從經濟性方面看單片機優于在變頻與工頻電源的切換技術上多數采用主電

15、路串接軟起動器的方法進行降壓起動也有采用切換時封鎖變頻器的控制脈沖使變頻器輸出為零切換到工頻電源上這兩種方法采用主電路串接軟起動器的方法進行降壓起動容易實現軟起動器一般為成品部件但設備投資較大后者采用切換時封鎖變頻器的控制脈沖設備投資少但頻率波動大易引起水管管網壓力不穩定國外生產的變頻器多為通用型且單機控制即一臺變頻器拖動一臺電機功能主要限定在頻率控制升降速控制正反轉控制起制動控制壓頻比控制及各種保護功能應用在中大容量的變頻恒壓供水系統中為了滿足供水量大小需求不同時保證水管管網壓力恒定需在變頻器外部提供壓力閉環調節多臺水泵的循環控制需外部提供邏輯控制在變頻與工頻電源的切換技術上大多采用主電路串

16、接軟啟動器降壓啟動的方法司可編程控制器簡介可編程序控制器是一種專為在工業環境應用而設計的數字運算電子系統它是以微處理機為基礎綜合了計算機技術自動控制技術和通信技術等現代科技而發展起來的一種新型工業自動控制裝置是當今工業發達國家自動控制的標準設備之一由于采用了三機一體化的綜合技術即集計算機儀器儀表電氣控制于一身具有高可靠性強抗干擾能力組合靈活編程簡單維修方便和低成本等諸多特點因而與其它控制器相比它更加適合工業控制環境和市場的要求再加上展過程中產品的系列化產業化和標準化使之從早期的邏輯控制順序控制迅速擴展到連續控制開始進入批量控制和過程控制領域并迅速成為工業自動化系統的支柱目前小型化大型化大容量強

17、功能等方面有了質的飛躍早期的可編程序控制器隨著計算機技術通信技術和自動控制技術的迅速發展可編程序控制器將傳統的繼電器控制技術與新興的計算機技術和通信技術融為一體具有可靠性高功能強應用靈活編程簡單使用方便等優點以及良好的工環境工作性能和自動控制目標實現性能在工業生產中得到了廣泛的應用具有以下特點障由于采用模塊化結構因此一旦某模塊發生故障用戶可以通過更換模塊的方法使系統迅速恢復運行PLC工作時將采集到的輸入信號狀態存放在輸入映像區對應的位上將運算的結果存放到輸出映像區對應的位上PLC在執行用戶程序時所需輸入繼電器輸出繼電器的數據取自于IO映像區而不直接與外部設備發生關系當處于停止工作模式時PLC只

18、進行內部處理和通信服務等內容當處于運行工作模式時PLC要進行內部處理通信服務輸入處理程序處理輸出處理然后按上述過程循環掃描工作如下圖所示圖1-1 PLC工作流程在運行模式下PLC通過反復執行反映控制要求的用戶程序來實現控制功能為了使PLC的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號用戶程序不是只執行一次而是不斷地重復執行直至PLC斷電或切換至STOP工作模式除了執行用戶程序之外在每次循環過程中PLC還要完成內部處理通信服務等工作當PLC運行時一次循環可分為五個階段內部處理通信服務輸入處理程序處理和輸出處理PLC的這種周而復始地工作方式稱為掃描工作方式當然由于PLC執行指令的速度極快所以從輸入與輸出關

19、系來看處理過程似乎是同時完成的但嚴格地說它們是具有時間差異的1內部處理階段電器的觸點保持原狀態即常開觸點斷開常閉觸點閉合號經輸出單元隔離和功率放大后繼電器型輸出單元中對應的硬件繼電器的線圈通電其常開觸點閉合使外部負載通電工作若梯形圖中輸出繼電器的線圈斷開對應的輸出映像區中的位輸出處理階段之后繼電器輸出單元中對應的硬件繼電器的線圈斷電其常開觸點斷開外部負載斷開可編程序控制器對用戶程序進行循環掃描可分為三個階段進行即輸入采樣階段程序執行階段和輸出刷新階段本文研究主要內容通過前面對供水技術現狀和變頻恒壓供水系統的應用前景分析可知變頻調速恒壓供水系統在我國已成為供水行業發展的主流趨勢變頻恒壓供水系統主

20、要由變頻器可編程控各種傳感器和變送器等組成本文將從供水系統探討變頻恒壓供水技術使系統的穩定性和節能效果得到進一步提高操作更加簡捷故障報警及時迅速主要內容如下對水泵電機的調速原理進行分析根據供水特點分析供水系統對電氣調速的要求設計處理從而控制變頻器的輸出電壓和頻率進而改變水泵電動機的轉速來改變水泵出水口流量實現管網壓力的自動調節適應用戶用水量改變的需求保持管網壓力恒定進行變頻恒壓供水系統的硬件程序的設計變頻器功能預置等分析提恒壓供水變頻調速控制系統存在的問題并提出可能的解決方法第二章 變頻恒壓供水系統分析21 供水系統的基本特性和方式長期以來我國的用電用水行業的技術水平相對比較落后自動化程度低節

21、能節水具有較大的發展空間如供水系統由于用戶用水的不穩定性經常出現在用水高峰期水的供給量常常低于需求量出現水壓降低水供不應求的現象而在用水低峰期水的供給量常常高于需求量出現水壓升高水供過于求的情況不僅白白造成電能的浪費有時還造成水管破裂和用水設備損壞等情況傳統的解決辦法是采用高位水箱水塔和各種氣壓罐進行蓄水加壓依賴擋板和閥門的阻力調節水流量以下對各種供水方式的優缺點進行討論恒速泵供水恒速泵供水即水泵電機的轉速恒定通過改變閥門的開度及投入運行的泵的數量來適應用戶用水量的改變需求水泵機組全部或部份不間斷運行通過人工調節運行機組數量和調節出口閥門開度從而調節管網壓力這種方式過去較多使用但自動化程度低壓

22、力變化大水泵電機啟動頻繁電力消耗大能量大量損失在閥門和調節閥上且頻繁停將影響設備使用壽命及電網電壓因此這種方法已逐漸被淘汰高位水箱供水此種方法利用水泵工作時將水位提高到高于用戶位置儲存水源利用水源自身重量形成重力供水但需要修建水塔水箱水池等這種方式占用空間大建址地勢高修建周期長建筑投資大后期維護管理工作量較大且高位水箱供水還存在以下問題供水壓力由水位重力形成當用戶發生變化時管道阻力也會發生變化如用水量增多時管道阻力減小用水量減小時管道阻力增加因此這種方法不能保證恒壓供水用戶在不同用水段得到的用水質量不同在用水高峰期將有可能得到的水流量較小水箱容易受到二次污染由于高樓的承重有限水箱容積受到限制儲

23、水量受到限制當出現火災等意外情況時靠水箱儲水滅火遠遠不夠此種方法安全可靠技術較簡單在過去的高樓供水廣泛采用但由于存在以上種種問題已逐漸被其他方式所取代氣壓罐供水氣壓罐供水是用水罐儲存水源用戶用水時通過壓縮空氣使水進入用戶管道隨著罐內水的減小壓力也會降低氣壓供水技術簡單不受高度限制近年來已在高層建筑中廣泛采用但其體積大實際應用中受場地限制且電機啟動頻繁對設備要求較高另外這種方式制造成本高投資大電力消耗較大因此一般常用于增壓及穩壓設施然而在一些小區生產用水和生活用水都非常大并且生活用水具有非常明顯的時段性為了解決大量人口的住房問題近年來不斷新建小高層住宅且由于有些地區地勢相差較大部分地勢較高的小區

24、及小高層用戶的用水問題突出變頻調速供水方式其工作原理是通過安裝在系統中的壓力器將系統壓力信號與設定壓力值作比較再通過控制器調節變頻器的輸出來無級調節水泵轉速使系統水壓無論流量如何變化始終穩定在一定的范圍內細分起來又有如下種水泵出口恒壓控制水泵出口變壓控制給水系統最不利點恒壓控制出口恒壓控制水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處使系統在運行過程中始終保持出口水壓恒定這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚程中所占比例較小的情況即整個給水系統的壓力可以看作是恒定的當在供水面積較大的居住區中應用時由于管路損耗較大在低峰用水時容易造成最不利點的流出水頭高于設計值不能得到最佳的節能效果出口變壓控制在

25、這種供水方式中也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處但其壓力設定值不只有一個而是多個即按用水曲線將每日時分成若干時段計算出各個時段所需的水泵出口壓力進行全日變壓各時段恒壓控制這種控制方式其實是水泵出口恒壓控制的特殊形式它比水泵出口恒壓控制方式更能節能其節能效果取決于將際情況就越節能將全天分得越細也越節能當然實現起來也越復雜最不利點恒壓控制最不利點恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統最不利點處使系統在運行過程中保持最不利點的壓力恒定這種方式的節能效果是最佳的但由于最不利點一般距離水泵較遠壓力信號的傳輸在實際應用中受到諸多限制因此工程中很少采用變頻調速方式在節能效果上明顯優于氣壓罐方式氣壓罐供水方式依靠壓力

26、罐中的壓縮空氣送水當氣壓罐配套水泵運行時水泵在額定轉速額定流量的條件下工作當系統所需水量下降時供水壓力將超出系統所需要的壓力從而造成能量的浪費加上水泵是工頻啟動且啟動頻繁又會造成一定的電能損耗相比之下變頻恒壓供水能在系統用水量下降時無級調節水泵轉速使供水壓力與系統所需水壓大致相等這樣就節省了許多電能同時變頻器對水泵采用軟啟動啟動時沖擊電流小啟動能耗也比較小另外氣壓罐供水需要配備一定量的鋼罐氣壓罐體積一般比較大占地面積達幾十平方米在變頻調速方式中調速裝置占地面積僅有幾平方米相比氣壓罐供水方式將節省大量占地面積從運行效果上看氣壓罐方式與調速式相比也存在著一定的差距氣壓罐方式運行不太穩定突出表現在頻

27、繁啟動時由于氣壓罐的調節容量僅占其總容積的個罐的調節能力很小只能依靠頻繁的啟動來保證供水穩定性這不僅將產生較大的噪聲同時由于啟動過于頻繁常常造成供水壓力不穩由于是硬啟動電氣和機械沖擊也較大設備損壞很快變頻調速式的運行則十分穩定可靠沒有頻繁的啟動現象加之啟動方式為軟啟動設備運行十分平穩避免了電氣機械沖擊在小區供水中由于是經水泵加壓后直接送往用戶的防止了水質的二次污染保證了飲水水質質量通過上述比較可以看出變頻調速式供水系統具有節約能源節省占地節省投資調節能力大運行穩定可靠的優勢因而具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益與社會效益變頻恒壓供水系統主要由水泵電動機管道和閥門等構成通常由鼠籠式異步電動機驅動

28、水泵來供水并且把電機和水泵做成一體變頻供水系統是通過變頻器調節異步電機的轉速從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水的因此供水系統變頻的實質是異步電動機的變頻調速異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的異步電機的轉差率定義為異步電機的同步速度為 22 異步電機的轉速為 式中異步電機的理想空載轉速異步電機轉子轉速異步電機的定子供電電源頻率異步電機的極對數轉差率由式可知當極對電機轉子轉速與定子電源頻率成正比因此連續調節異步電機供電電源的頻率就可以連續平滑地調節電機的同步轉速從而調節其轉子的轉速變級對數調速在電源頻率一定的情況下電動機的同步轉速與極對數成反比改變電動機極對數就

29、可以改變轉速可以通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對數以電動機一相繞組為例只要改變定子繞組的連接方法就可以成倍地改變磁極對數等不同的同步轉速從而得到不同的轉子轉速這種調控方式控制簡單投資省節能效果顯著效率高但需要專門的變極電機是有級調速而且級差比較大只適用于特定轉速的生產機器變頻調速變頻調速是將電網工頻交流電經過變頻器變為電壓和頻率均可調的交流電然后供給電動機使其可在變速的情況下運行改變電動機定子頻率可以平滑地調節同步轉速相應地也就改變了轉子轉速而轉差率可保持不變或很小但對電動機來說定子頻率改變后其運行會受到影響如果電壓不變頻率增加時磁通量將減少電動機轉矩會下降嚴重時會使電機堵轉而當頻率降低時

30、磁通增加會使磁路飽和勵磁電流上升導致鐵芯損失急劇增加而發熱是不允許出現的情況因此在實用上要求在調頻的同時也改變定子電壓以保持磁通基本不變既不使鐵芯發熱又保持轉矩不變它由三個環節組成可控硅整流電路其作用是將電壓定頻率的交流電變為電壓可調的直流電可控硅逆變電路其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調的交流電濾波環節它在整流電路和逆變電路之間一般是利用無源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進行濾波在交一直一交變頻器中根據濾波方式不同又有電壓型變頻器和電流型變頻器近年來由于電力電子器件和微機控制技術的發展脈沖寬度調制型簡稱前以電壓為主由不可控整流電路濾波電容及逆變電路組成它不僅可改變逆變器輸出電壓而

31、且具有抑制諧波功能是一種比較理想的方式交一交變頻器它是由兩組反并聯的整流電路組成直接將電網的交流電通過變頻電路同時調節電壓和頻率變成電壓和頻率可調的交流電輸出交一交變頻器由于直接交換減少了換流電路損耗少效率高波型好但調速范圍小控制線路復雜功率因數低目前較少采用利用變頻技術對水泵電動機進行調速可以獲得優良的運行特性和明顯的節能效果是目前常用的技術它是把異步電動機轉子電勢經過整流逆變后回饋給電網回收功率就是轉差功率當改變逆變角時逆變電勢轉差功率轉差率都將隨之改變從而達到調速的目的電動機運行時經氣隙傳送到轉子的電磁功率一部分成為機械功 另一部分則成為轉差功電動機正常運行時轉差率很小轉差功率也很小轉差

32、功率在轉子回路中以熱的形式損耗掉但在調速時隨著轉速的降低轉差率升高轉差功率也直線上升可控硅串級調速就是把這部分功率取出來然后回送到電網從而大大提高電動機低速運行時的效率串級凋速的最大優點是它可以回收轉差功率節能效果好且調速性能也好但是由于調速線路過于復雜且還需要增加一臺與電動機相匹配的變壓器增加了中間環節的電能損耗帶來了成本高占水泵房面積大等缺點因而影響它的推廣使用目前國內大都使用交直交變頻器其特點如下變頻調速技術變頻調速在驅動水泵電動機組中具有良好的節能降耗功效其節電率很高因為采用變頻調速可通過變頻改變驅動電動機速度來改變水泵出口流量由于流量與轉速成正比而電動機的消耗功率與轉速的立方成正比因

33、此當需水量降低時電動機轉速降低水泵出口流量減少電動機的消耗功率大幅度下降從而達到節約能源的目的幾年內就能將因設計冗余和用量變化而浪費的電能全部節省下來又由于其具有調速精度高功率因數高等特點使用它可以提高出水質量并降低物料和設備的損耗同時也能減少機械磨損和噪聲改善車間勞動條件滿足生產工藝要求因此利用與交流電機變頻調速技術對管網供水進行自動控制近幾年在國內得到了極大發展變頻恒壓供水系統是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的在早期由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制升降速控制正反轉控制起制動控制壓頻比控制及各種保護功能應用在變頻恒壓供水系統中變頻器僅作為執行機構為了滿足供水量大小需求不同時

34、保證管網壓力恒定需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器對壓力進行閉環控制目前國內也有不少公司在做變頻恒壓供水的工程大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速水管管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制有的采及相應的軟件實現有的采用單片機及相應的軟件實現在變頻與工頻電源的切換技術上多數采用主電路串接軟啟動器的方法進行降壓起動也有采用切換時封鎖變頻器的控制脈沖使變頻器輸出為零切換到工頻電源上系統的動態性能穩定性能抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說還遠遠沒能達到所有用戶的無需器可完成不具有數據通信功能因此只適用于小容量控制要求不高的供水場所可以看出目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中對

35、于能適應不同的用水場合結合現代控制技術網絡和通信技術的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制研究得不夠因此有待于進一步研究改善使其能被更好的應用于生活生產實踐在供水系統中通常以流量為控制目標常用的控制方法有閥門控制法和轉速控制法兩種閥門控制法是通過調節閥門開度來調節流量水泵電機轉速保持不變其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量因此管阻將隨閥門開度的改變而改變但揚程特性不變由于實際用水中需水量是變化的若閥門開度在一段時間內保持不變必然要造成超壓或欠壓現象的出現轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節流量而閥門開度保持不變這種控制方法是通過改變水的動能來改變流量因此揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變但管

36、阻特性不變變頻調速供水方式屬于轉速控制其工作原理是根據用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速使管網壓力始終保持恒定當用水量增大時電機加速用水量減小時電機減速改變水泵電動機的轉速來改變水泵出水口流量實現管網壓力的自動調節使管網壓力穩定在設定值附近變頻恒壓供水的特點分析變頻恒壓供水系統能適應生活用水工業用水以及消防用水等多種場合與傳統供水方式相比變頻恒壓供水系統的優點突出體現在以下幾個方面口恒壓供水技術因為采用變頻器改變電動機的供電頻率從而達到調節水泵轉速改變水泵出口壓力相對于閥門調節控制水泵出口壓力的方式來說具有降低管道阻力大大減少截流損失的效應同時由于變量泵工作在變頻電源下其運行過程中的轉速

37、是由外界供水量決定的故系統在運行過程中可節約大量的電能經濟效益十分明顯由于其節能效果明顯所以系統投資成本可在短期內收回并能長期受益其產生的社會效益也是非常巨大的變頻恒壓供水系統實現了系統供水壓力穩定而流量可在大范圍內連續變化從而可以保證用戶任何時候的用水壓力不會出現在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況安全衛生系統實行閉環供水后用戶的水全部由管道直接供給取消了水塔天面水池氣壓罐等設施避免了用水的二次污染取消了水池定期清理的工作自動運行管理簡便小區變頻恒壓供水系統具備了過流過壓欠壓欠相短路保護瞬時停電保護過載失速保護低液位保護主泵定時輪換控制密碼設定等功能功能完善全自動控制自動運行延長設備壽命保護

38、電網穩定使用變頻器后機泵的轉速不再是長期維持額定轉速運行減少了機械磨損降低了機泵故障率而且各泵定時輪換控制功能自動定時輪換泵運行保證各泵磨損延長了機泵的使用壽命變頻器的無級調速運行實現了機泵軟啟動避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網的沖擊消除了水泵的水錘效應占地少投資回收期短小區變頻恒壓供水系統采用水池上直接安裝立式泵控制間只要安放一到兩個控制柜體積小整個系統占地就非常小可以節省投資另外不用水塔或水池設備故障率極低等方面都實現了進一步減少投資運行管理費低的特點再加上變頻供水的節能優點都決定了小區變頻恒壓供水系統的投資回收期短而以供水壓力為主要控制對象的變頻供水控制系統則具有以下特性滯后性供

39、水系統的控制對象是用戶管網的水壓它是一個過程控制量同其他一些過程控制量如溫度流量濃度等一樣對控制作用的響應具有滯后性同時用于水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應非線性用戶管網中因為有管阻水錘等因素的影響同時又由于水泵一些固有特性使水泵轉速的變化與管網壓力的變化不成正比因此變頻調速恒壓供水系統是一個非線性系統多變性變頻調速恒壓供水系統要具有廣泛的通用性面向各種各樣的供水系統而不同的供水系統管網結構用水量和揚程等方面存在著較大的差異因此其控制對象的模型具有很強的多變性時變性在變頻調速恒壓供水系統中由于有定量泵的加入控制而定量泵的控制包括定量泵的停止和運行是時時發生的同時定量泵的運行狀態直接影響

40、供水系統的模型參數使其不確定性地發生變化因此可以認為變頻調速恒壓供水系統的控制對象是時變的容錯性當出現意外的情況例如突然斷電或水泵變頻器軟啟動器等出現故障時系統能根據泵變頻器或軟啟動器的狀態電網狀況及水源水位以及管網壓力等工況自動進行投切保證管網內壓力恒定在故障發生時執行專門的故障程序保證在緊急情況下的仍能進行供水PLC控制變頻器進行PID運算實現閉環控制系統根據檢測到外部傳感器的狀態對設備進行啟停調速控制其工作過程如下第一步系統初始化程序并測量水池水位是否正常第二步采集壓力傳感器反饋的信號通過AD轉換將該傳感器輸出的模擬信號轉換成PLC可處理的數字信號第三步PLC根據壓力反饋值變頻器輸出頻率

41、對模擬量進行數據處理第四步PLC的CPU通過對數據進行運算處理產生輸出控制信號對執行器進行實時控制第四章 系統硬件設計通過前面對供水系統結構和控制方案的分析確定下來了本系統所需要的硬件設備主頻器壓力傳感器和壓力控制器構成的壓力變送器以及水泵機組和繼電設備等本章將這些硬件設備進行具體選型分析和配置恒壓供水系統的實現就是靠變頻器控制水泵的變頻運行所以變頻器的選擇也是很重慮系統的投入成本要根據負載的具體要求比如需要考慮系統特性負載的起動轉矩調速范圍等參數選擇性價比相對較高的類型和品牌變頻器的種類有簡易通要長期穩定運行的多種特定用途中變頻器的規格指標包括變頻器的型號電壓級別最大適配電機額定輸出電源控制

42、特性保護功能其中變頻器的額定輸出包括額定輸出容量和額定輸出電流兩個方面額定輸出容量為變頻器在額定輸出電壓和電流的情況下的三相視在功率P VI×式中P額定輸出容量KVAV額定輸出電壓V額定輸出電流A變頻器對電源的要求主要是電壓頻率允許電壓變動率允許頻率變動率電壓頻率是指電源的相數單相三相和電壓的范頻率允許頻率變動率一般為額定頻率的綜合以上因素并進行相關市場調研發現西門子變頻器在國內變頻器市場有很高的占有率并且工作性能穩定有較強的組合功能和良好的力矩特性所以本控制系統選用西門子它能適用于各種變頻調速控制系統其對水泵風機類負載進行調速具有突出優勢選擇時還需要注意一個問題是一定按照變頻器說明

43、書內規定配用電機水泵容量要特征易于安裝調試具有具有矢量控制功能并有兩種矢量控制方式變頻器的保護特性就具有過電壓欠電壓保護具有變頻器過熱保護具有接地故障保護具有短路保護以及電動機過熱保護具有PTCKTY84溫度傳感器的電動機保護變頻調速能夠應用在大部分的電機拖動場合由于它能夠提供精確的速度控制因而能夠方便地控制機械傳動的上升下降和變速運行變頻應用還可以大大地提高工藝的高效性變速不依賴于機械部分同時可以比原來的定速運行電機更加節能變頻器主要有以下作用控制動電流劇增的同時電壓也會大幅度波動電壓下降的幅度將取決于啟動電動機的功率大小和配電網的容量電壓下降將會導致同一供電網絡的電壓敏感設備故障跳閘或工作

44、異常啟動時需要的功率更低電動機的功率與電流和電壓的乘積成正比那么通過工頻直接啟動的電動機消耗的功率將大大高于變頻啟動所需要的功率在一些工況下其配電系統已經達到了最高極限其直接工頻啟動電動機所產生的電涌就會對同電網上的其他用戶產生嚴重的影響從而將受到電網運營商的警告甚至罰款如果采用變頻器進行電動機啟停就不會產生類似的問題可控的加速功能變頻調速在零速啟生劇烈的振動這種振動將進一步加劇機械磨損和損耗降低機械部分和電動機的壽命另外變頻啟動還能應用在類似灌裝線上以防止瓶子倒翻或損壞可調的運行速度運用變頻調速能優化工藝過程并能根據工藝過程迅速改變還能通過遠控控制一樣設置精確的轉矩值來動作受控的停止方式如同

45、可控的加速一樣在變頻調速中停止方式可以受控并且有不同的停止方式可以選擇減速停車自由停車減速停車直流制動同樣它能減少對機械部件和電動機的沖擊從而使整個系統更加可靠壽命也會相應增加節能離心風機或水泵采用變頻器后都能大幅度地降低能耗這在十幾年的工程經驗中已經得到了體現由于最終的能耗是與電動機的轉速成立方比所以采用變頻后投資回報就更快廠家也樂意接受可逆運行控制在變頻器控制中要實現可逆運行控制無須額外的可逆控制裝置只需要改變輸出電壓的相序即可這樣就能降低維護成本和節省安裝空間減少機械傳動部件由于目前矢量控制變頻器加上同步電動機就能實現高效的轉矩輸出從而節省齒輪箱等機械傳動部件最終構成直接變頻傳動系統從而

46、就能降低成本和空間提高設備的性價比電路和控制電路兩部分主電路完成電能的轉換整流逆變控制電路處理信息的收集變換和傳輸在主電路中由電源輸入單相或三相恒壓恒頻的交流電經過整流電路轉換成恒定的直流電供給逆變電路精度的直流穩壓電源作為模擬電壓信號輸入的直流電源在進行快速調試之前必須確認所用的機械部分和電氣部分結構安裝工作已經完成并進行必要的清場對于要求的場合還要做好相關的安全保護工作如按規范要求執行操作開出完善的調試步驟作為操作的附件以保證人身和設備的安全選由于供水系統在運行時靠水泵抽水來實現的它是整個系統的執行機構因此水泵選擇的合適有否也是影響系統運行安全穩定節能高效的重要因素根據水泵供水的總揚程選擇

47、滿足揚程要求的水泵所謂揚程是指所需揚程而并不是提水高度明確這一點對選擇水泵尤為重要水泵揚程大約為提水高度的115120倍如某水源到用水處的垂直高度對三臺水泵電動機組恒壓供水系統的基本要求是三臺水泵電動機根據恒壓需要采取先開先停的原則接入和退出在用水量小的情況下如果一臺水泵電動機連續運行時間超過3h則要切換下一臺水泵電動機即系統具有倒泵功能避免某一臺水泵電動機工作時間過長三臺水泵電動機組在啟動時都要有軟啟動功能要有完善的報警對泵的操作要有手動控制功能手動只在應急或檢修時臨時使用變頻器的輸出圖4-1 恒壓供水主路為監控電機負載運行情況主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器電壓并通過轉換開關利用

48、同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓初始運行時必須觀察電動機的轉向使之符合要求如果轉向相反則可以改變電源的相序來獲得正確的轉向系統啟動運行和停止的操作不能直接斷開主電路如直接使斷路器或接觸器斷開而必須通過變頻器實現軟啟動和軟停為提高變頻器的功率因數必須接電抗器當采用手動控制時必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流本系統采用軟啟動器由于整個系統都采用自動控制故閥門的開啟也采用電磁閥的通斷電實現系統實現恒壓供水的主體理性程序的可靠性直接關系到整個系統的運行性能本系統采用西門子公司的系列產品它體積小執行速度快抗干擾能力接口電路形式如果直接驅動接觸器線圈電器驅動同時應采干擾獨立接地方式不與其

49、它設備串接接地嚴格的互鎖也是保證系統安全可靠運行的關鍵因素本系統有三臺變頻電機故當三臺電動機運行時每臺變頻電動機既有工頻運行又有變頻運行工頻與變頻電源絕對不允許同時接通故兩者必須嚴格的互鎖除了在程序中實現互鎖外在外部電路中也應采用電氣互鎖另外系統還應考慮必要的指示如電動機運行狀態變頻工頻停止的顯示故障報警信號指示閥門狀態顯示這些信號除了在上位機上有狀態指示外在電氣控制柜上也設置了相應的指示燈的指示電氣柜上信號指示燈可以通圖4-2 1電機的控制原理圖45 PLC IO分配PLC的輸入輸出點數根據系統的控制要求確定本系統輸入信號有開關量信號和模擬量信號輸出也有開關量和模擬量信號系統分為自動和手動控

50、制每臺電動機有變頻和工頻運行在加上對應的指示報警等信號因此系統輸入輸出信號有1PLC輸入信號變頻調速恒壓供水中為保證供水的不間斷性要求有手動和自動控制方圖4-2 PLC外部接線圖47 變頻器與PLC的連接由于PLC是一種數字運算和操作的電子控制裝置可以通過軟件來改變控制過程且具有體積小組裝靈活編程簡單抗干擾能力強及可靠性高等優點非常適合于惡劣工作環境下運行所以常用PLC來控制變頻器可以由PLC來提高控制信號如速度信號和指令通斷信號啟動停止反向等開關指令信號的輸入變頻器的輸入信號中包括對運行停止正轉反轉微動等運行狀態進行操作的開關型指令數字輸入信號變頻器通常利用繼電器接點或具有繼電器接點開關特性

51、的元器件如晶體管與PLC連接獲取運行狀態指令使用繼電器接點時常因接觸不良而帶來誤動作使用晶體管進行連接時則需要考慮晶體管本身的電壓電流容量等因素保證系統的可靠性在考慮變頻器的輸入信號電路時還應該注意到當輸入信號電路連接不當時有時會造成變頻器的誤動作如當輸入信號電路采用繼電器等感性負載繼電器開閉時產生的浪涌電流帶來的噪聲有可能引起變頻器的誤動作應該盡量避免這時可以考慮采用阻容振蕩吸收光電隔離的方式圖4-3 系統硬件連接圖第五章 系統軟件設計根據系統的控制要求控制過程可分為自動控制功能和手動控制功能系統平時運行處于自動控制狀態當自動運行出現故障可以切換到手動控制狀態下在手動控制狀態下每個設備都對應

52、一個啟停按鈕同樣能夠保障系統繼續正常工作不影響供水模式選擇流程圖如圖5-1 控制方式選擇流程圖在手動運行狀態下由于每個設備都對應了一個啟動按鈕所以可單獨控制每臺設備的運行狀態手動運行模式流程圖如圖5-2 手動運行模式流程圖在這種工作模式下可以通過按鈕對三個水泵進行工頻變頻的控制在變頻的工作模式下可以通過調節鈕改變變頻器的頻率從而改變電機旋轉速度滿足不同時間段用戶用水量的大小為了編寫程序方便易于調試和分析進行軟件程序設計前首先需要制定程序流程圖在自動控制模式流程圖中調用了各個控制系統的程序主要包括水池水位檢測程序圖5-3 水池水位檢測流程圖程圖圖5-6 2泵控制流程圖圖5-7 3泵控制流程圖圖5

53、-8 工頻運行泵切除流程圖52 各個模塊梯形圖設計com 軟元件設置在前一章根據系統功能的要求和修改在程序編寫前先列出可能用元件意義元件意義M00系統停止標志M34指示變頻器的禁止位狀態標志M01手動控制標志M35指示變頻器的故障位狀態標志M02自動控制啟動標志T37水池水位高于高位傳感器定時M03進水閥開啟標志T38水池水位低于低位傳感器定時M04水池故障標志T39進水閥啟動后定時M051泵工頻運行標志T40管壓測量防波動定時M062泵工頻運行標志T41管壓測量防波動定時M073泵工頻運行標志T42管壓測量防波動定時M101泵變頻運行標志VD10手動變頻器速度寄存器M112泵變頻運行標志VD

54、20自動1泵速度寄存器M123泵變頻運行標志VD30自動2泵速度寄存器M131泵變頻到工頻切換標志VD40自動3泵速度寄存器M142泵變頻到工頻切換標志VD50自動變頻器速度寄存器M153泵變頻到工頻切換標志VD100壓力傳感器標準值寄存器M20斷開1泵工頻運行標志VD102壓力傳感器反饋值寄存器M21斷開2泵工頻運行標志VD104變頻器50HZ標準值寄存器M22斷開3泵工頻運行標志VB200USS-INIT指令執行結果M30USS-INIT指令完成標志VB202USS-CTRL錯誤狀態字節M31確認變頻器的響應標志VW24變頻器返回狀態字的原始值M32變頻器的運行狀態標志M33變頻器的運行方

55、向標志表3軟元件設置表com 手動控制程序設計在系統上電后控制方式選擇手動方式時可通過電控柜內相應的按鈕控制每個設備運行手動控制系統主要為了防止系統程序出現故障保證供水系統能夠通過手動運行方式完成正常供水同時便于在系統設計完成后進行調試檢測各個設備是否正常運行行從而滿足了在不同的供水時間段用戶水量的正常需求 圖5-10 自動控制梯形圖程序供水系統在正常工作中處于自動運行狀態系統通過變送器的反饋信號控制變頻器以及調速控制其自動控制梯形圖程序如圖5-10所示在上面程序中當操作按鈕SB6PLC的輸入信號I11接通系統便進入自動運行狀態通過調用不同的程序實現不同的控制功能下面將介紹各部分的流程圖和程序

56、的功能1水位檢測梯形圖程序圖5-11 水位檢測梯形圖程序水位檢測程序完成對水池中水位的檢測控制系統的運行于停止在此程序中完成對水池中水位的檢測中間繼電器M03線圈得電啟動進水閥門檢圖5-12 1水泵控制梯形圖程序此程序是要完成關于控制1水泵工作當按下SB6自動控制啟動按鈕后中間繼電器M02得電并且實現自鎖使中間繼電器M10得電1水泵進入變頻運行狀態通過變頻器監測水位來調整水泵電機的頻率同時調用PID回路子程序啟動PID運算若是管內水壓小于設定標準值則定時器T40開始定時5秒定時時間到了管內水壓仍小于設定標準值中間繼電器M13M15得電1泵變頻切換到工頻50HZ滿負荷運行并啟動2泵控制程序系統進

57、入1泵工頻運行2泵變頻運行狀態32水泵的梯形圖程序圖5-13 2水泵控制梯形圖程序此程序是要完成上2水泵工作的控制在運行時通過PID運算若是管內壓力反饋值大于設定值即監測到管內壓力已超過上限中間繼電器M20得電切除1水泵的工頻運行維持2泵變頻調速運行狀態如果1泵的工頻運行2泵變頻運行水壓仍不夠即管內水壓反饋值小于設定的標準值啟動定時器T41經過延時5秒后仍小于設定值中間繼電器M06得電2泵變頻切換到工頻運行狀態同時啟動3水泵控制程序系統進入1泵工頻運行2泵工頻運行3泵變頻運行狀態在選擇水泵時通過選取合適的電機容量保證三臺水泵同時運行時水壓一定足夠因此不會出現三臺水泵同時運行水壓不夠的情況43水泵的梯形圖程序此程序是要完成3水泵工作的控制在運行時當管內水壓超過壓力上限則切除1泵工頻運行經過延時后如果管內水壓仍然超過壓力上限再使中間繼電器M06得電使中間繼電器M21斷電關閉2水泵工頻運行只留3水泵變頻運行如果水壓再次不夠即監測