毕业设计（论文）-多泵自动循环切换恒压供水变频调速系统.docx

上海第二工业大学成人与继续教育学院专科毕业设计（论文）多泵自动循环切换恒压供水变频调速系统摘要：随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人们对供水的质量和安全可靠性的要求不断提高。而用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，本系统采用变频调速方式自动调节水泵电机转速或加、减泵。改变以往“先启后停”方式，自动完成泵组软启动及无冲击切换，使水压平稳过渡。变频器故障时系统仍可运行，保证不间断供水。系统断电恢复后可自启动。采用硬件/软件备用及钟控功能，使各泵进行轮休，延长了设备的机械使用寿命。关键词: 水泵；节能；变频器；plc；压力传感器引言一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须提升水压才能满足用水要求。传统的方法是水塔、高位水箱或气压罐式增压设备，其设备一次投资费用高，并且必须由水泵高于实际用水高度的压力来提升水量，其结果往往增大了水泵的轴功率和能量损耗，在使用这些传统的供水方式，还容易造成水的二次污染。根据工业生产、生活、农业节水灌溉工程等用水的要求，应用供水专用变频器，可快速装配成恒压供水系统。它集变频调速技术、plc技术等为一体，可组成完整的闭环自动控制系统。一工艺简介：（一） 传统的供水方式：1 水箱/水塔供水重力供水。这种方式供水压力比例恒定，且有储水，但它是由位置高度形成的压力来供水的，为此需建造水塔或将水箱置于建筑物屋顶上，由此对屋顶形成很大的负重，同时增加了结构面积和投资周期，也不美观。2 气压供水。这种供水方式不在屋顶设置水箱或水塔，而是在地下室或空旷处加压将水送到管网中。优点是灵活性大，建设快，少受污染，不碍美观，且可通过改变压力来满足不断增长的供水需求。缺点是需建压力罐，其体积和投资大，还需设置空气压缩机充气，消耗电能大，运行费用高。（二） 恒压供水变频调速系统： 此系统由电机泵组加变频调速系统组成，其控制框图如下图所示。由变频器向电机供电，由电机拖动水泵，通过压力传感器把在出口水压检测点测得的压力（反映用水量大小）反馈信号与压力给定信号经比较送入调节器，再将调节器的输出信号作为变频器的频率给定信号，由此来根据用水需求量自动调节供水量的大小。水塔管道电机泵组交流接触器plc压力传感器变频器图11恒压供水变频调速系统的主要优点是：1 占地面积小，投入成本并不高，而运行效率很高。2 配置灵活，功能齐全，安全可靠，自动化程度高。3 运行合理。由于一天内平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减小，因此水泵的寿命大大提高。4 变频调速能对水泵实现软起动和软停车，由此可消除水锤效应，减少对管网的冲击。5 操作简便，省时省力。二 系统介绍变频恒压供水系统原理，它主要是由plc、变频器、压力传感器、动力控制线路以及3台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。 本系统采用三台同容量的水泵供水，为了减少投入，仅用一台变频器。具体的控制要求是：1 用水量少时开泵台数少，用水量多时开泵台数多。2 用水量少时由变频器驱动一套电机泵组，且根据用水量自动调节泵速，另两套电机泵组停车。3 当此泵速达到最高仍不能满足用水需求时，则起动第二套电机泵组并由变频器供电，而第一套自动切换由工频电网直接供电。4 两套电机泵组供水时，若第二套泵速最低时仍大于用水需求，则自动切除第一套泵组；若第二套泵速最高时仍小于用水需求，则自动起动第三套电机泵组并由变频器供电，而第二套自动切换由工频电网直接供电，第一套仍由工频电网直接供电。5 三套电机泵组供水时，若第三套泵速最低时仍大于用水需求，则自动切除第一套泵组，第二套仍由工频电网直接供电。6 这两套电机泵组供水时，若第三套泵速最高时仍小于用水需求，则自动起动第一套电机泵组并由变频器供电，而第三套自动切换由工频电网直接供电，第二套仍由工频电网直接供电（三套供水时用水量减小就自动切除第二套）；若第三套泵速最低时仍大于用水需求，则自动切除第二套泵组，仅剩第一套由变频器供电。之后如此周而复始，由于在三台泵之间实现自动循环切换，因此各台泵的平均使用寿命得到提高。 根据题意得各水泵的状态转移,图2-11#工2#工3#变1#变1#工2#变 高频上限输出 高频上限输出 低频下限输出 低频下限输出1#变2#工3#工2#工3#变2#变 高频上限输出 高频下限输出 低频上限输出 低频上限输出1#工2#变3#工1#变3#工3#变 高频下限输出 高频下限输出 低频上限输出 低频上限输出图2-1 水泵状态转移 由图可知,3组水泵共有9个工作状态,各工作状态之间的转换由变频器输出的高频或低频信号决定。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20ma的标准信号送入变频器的pid调节器中，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，然后控制变频器的输出，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过plc控制器加泵。根据用水量的大小由plc控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#。21变频调速技术介绍变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们公司现在使用的变频器主要采用交直交方式（vvvf变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为igbt三相桥式逆变器，且输出为pwm波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。从理论上可知电机的转速n与供电频率f有以下关系：n=60fp(1-s) (2-1)式中: f频率; p极对数; s转差率(03%或06%)。 由转速公式可见，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调(恒功率调速)，也可以从基频向下调(恒转距调速)。因此变频调速方式，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。同时还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，因此变频调速方式拥有广阔的发展前景。 22节能原理 泵的特性分析泵是一种平方转矩负载，其转速n与流量q，扬程h及泵的轴功率n的关系如下式所示： （2-2） 式中，qe水泵的额定流量； he水泵的额定压力；pe水泵的额定功率；ne水泵的额定压力；由上面的公式可知，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电机驱动泵工作时，电动机的轴功率p（kw）可按下式计算: （2-3） 式中：p电动机的轴功率（kw） q流量（m3/s） 液体的密度（kg/m3） c传动装置效率 f 泵的效率 h全扬程（m）调节流量的方法选择图 2-2如图2-2所示，曲线1是阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线2是额定转速时，泵的扬程特性。这时供水系统的工作点为a点：流量qa，扬程ha；由（2-2）式可知电动机转速不变，将阀门关小，这时阻力特性如曲线3所示，工作点移至b点：流量qb，扬程hb，电动机的轴功率与面积0qbbhb成正比。另外，阀门开度不变，降低转速，这时扬程特性曲线如曲线4所示，工作点移至c点：流量仍为qb，但扬程为hc，电动机的轴功率与面积0qbhc成正比。对比以上两种方法,可以十分明显地看出,采用调节转速的方法调节流量,电动机所用的功率将大为减小,是种能够显著节约能源的方法。三 工作原理3.1 运行方式该系统有手动和自动两种运行方式：1. 手动运行按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-3#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。2. 自动运行合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0hz上升，同时plc接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行pid运行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据plc中模拟模块给的调节参数使系统平稳运行。若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。此外，变频器故障时，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。四系统设计 该系统主要由三菱fx-2n系列plc控制器、三菱fr-a540变频器、压力变送器、低压电气设备及水泵组成。4.1 有关技术数据：三台水泵的技术数据为：流量q = 150 m3 / h，扬程h = 30 m，水泵效率p = 0.78，传动机构效率c = 0.98，水的密度 = 9810 n / m3。p=150309.81136000.78=15.72kwp=15.720.98=16.04kw为保证足够的功率，应选用18.5kw的水泵电机。相对应的变频器应选用fr-a540-18.5k-ch4.2 fr-a540-18.5k-ch简介：图4-1 变频器端子接线图表41 变频器主回路端子端子记号端子名称说明r , s , t交流电源输入连接工频电源。当使用高功率因数转换器时，确保这些端子不连接（fr-hc）。u , v , w变频器输出接三相鼠笼电机。r1 , s1控制回路电源与交流电源端子r,s连接。在保持异常显示和异常输出时或当使用高功率因数转换器时（fr-hc）时，请拆下r-r1和s-s1之间的短路片，并提供外部电源到此端子。p , n连接制动单元连接选件fr-bu型制动单元或电源再生单元（fr-rc）或高功率因数转换器（r-hc）。接地变频器外壳接地用，必须接大地。表42 变频器控制回路端子类型端子记号端子名称说明输入信号启动接点和功能设定stf正转启动stf信号处于on便正转，处于off便停止。程序运行模式时为程序运行开始信号。（on开始，off静止）mrs输出停止mrs信号为on（20ms以上）时变频器输出静止。用电磁制动停止电机时用于断开变频器的输出。res复位用于解除保护回路动作的保持状态，使端子res信号处于on在0.1秒以上，然后断开。sd公共输入端子（漏型）接点输入端子和fm端子的公共端，直流24v，0.1a（pc端子）电源的输出公共端。模拟频率设定2频率设定（电压）输入05vdc（或010vdc）时5v（10vdc）对应于为最大输出频率。输入输出成比例。用参数单元进行输入直流05v（出厂设定）和010vdc的切换。输入阻抗10k欧姆，允许最大电压为直流20v。5频率设定公共端频率设定信号（端子2，1或4）和模拟输出端子am的公共端子。请不要接大地。输出信号集电极开路a , b , c异常输出指示变频器因保护功能动作而输出停止的转换接点。ac220v,0.3a;30vdc,0.3a。异常时：b-c间不导通（a-c间导通）正常时：b-c间导通（a-c间不导通）su频率到达输出频率到达设定频率的10（出厂设定，可变更）时为低电平。正在加减速或停止时为高电平，容许负荷为dc24v,0.1afu频率检测输出频率为任意设定的检测频率以上时为低电平，以下时为高电平，容许负荷为dc24v,0.1ase集电极开路输出公共端端子run,su,ol,ipf,fu的公共端子4.3 主回路设计 采用一拖多的方式，每台电机水泵既可工频运行又可变频运行。主回路如图42示。图42变频器用水高峰期3台水泵一台工频运行一台变频运行另一台处于待机状态，并每周循环一次，既便于维护和检修作业，又不至于停止供水。利用plc编程可实现此功能。状态转换图如图21所示。一般用水时段有一台水泵处于变频状态，其中应特别注意，为了保护机电设备在工频变频状态切换过程中应先将变频器输出停止，延时1s时间后再启动，此时可能会出现短暂失压现象，但实际应用中这种影响并不明显。4.4 plc plc即可编程控制器（programmable logic controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。作为一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。三菱fx-2n系列：该系列是fx家族中最先进的系列。它最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。为了配合plc工作另配备plc的专用直流24v电源。 该系统采用的是三菱fx2n系列，i/o点数为32点，plc编程采用三菱的 gx developer，它是三菱plc的32位视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由plc中的pid调节部分和变频器来控制。4.4.1泵组的切换。 开始时， 1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50hz滑停至0hz，2#泵变频启动，如水压仍不满足，则再次启动3#泵，泵的切换过程同上；若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50hz滑停至0hz，3#泵变频启动；若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。 同样，若3台泵（假设为1#、2#和3#）运行时，3#泵变频运行降到0hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器频率从0hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。 以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。元件切换动作过程太快，会有回流损坏变频器。为了防止故障的发生，硬件上必须设置闭锁保护，即1q与4q，2q与5q，3q与6q不能同时闭合。4.4.2 注意事项要使系统稳定的运行，有几个参数需特别注意：1. 变频转工频开关切换时间tmc设置tmc是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内tmc必须尽可能的小。. 上下限频率持续时间th和tl 变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是th（tl）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。4.4.3 plc输入输出plc输入输出及输入对应控制元件表plc输入点plc输出点x1系统启动y11泵变频x11自动手动切换y21泵工频x20系统停止y32泵变频x2频率上限y42泵工频x3频率下限y53泵变频x21手动1泵y63泵工频x22手动2泵y7变频器输出停止x23手动3泵y10变频器启动表43 plc输入输出对应表444 plc流程图s50s20zrsts0 m8002 区间复位y10rst y10复位 x2停止 x0启动 x1手动/自动 x1手动/自动 x5s50s20 y1 1#变频 y2 1#工频 x3 t1 k100 上限延时 x6 y4 2#工频y10set x2 s0 x7 y6 3#工频 置位 x2 s0 返回s0 t1s21 t3 k10 变频器切换延时 y7 变频器输出停止 x2 s0 返回s0s22 y2 1#工频 y3 2#变频 x3 t1 k100 上限频率延时 x4 t4 k100 下限频率延时 x2 s0 返回s0 t1 t4s40s23 y2 1#工频 y3 2#变频 y7 变频器输出停止 x3 t1 k100 t3 k10 x2 s0 x2 s0 t3 t1 至s24 至s41s41s24 y2 1#工频 t3 k10 y4 2#工频 y7 y5 3#变频 x2 s0 返回s0 x4 t2 k100 下限延时 x2 s0 返回s0 t2 t3s25 y4 2#工频 y5 3#变频 x3 t1 k100 上限频率延时 x4 t4 k100 下限频率延时 x2 s0 返回s0 t1 t4s42s26 y4 2#工频 y5 3#变频 y7 变频器输出停止 t1 k100 t3 k10 切换延时 x2 s0 返回s0 x2 s0 返回s0 t3 t1s43s27 y4 2#工频 t3 k10 t2 y6 3#工频 y7 y1 1#变频 x2 s0 x4 t2 k100 上限延时 t3 x2 s0 s28 y6 3#工频 y1 1#变频 x3 t1 k100 上限频率延时 x4 t4 k100 下限频率延时 x2 s0 返回s0至s29 t4 s20 返回s20 t1 s29 y6 3#工频 y7 变频器输出停止 t3 k10 变频器切换延时 x2 s0 返回s0 t3s30 y6 3#工频 y2 1#工频 y3 2#变频 x4 t2 k100 上限频率延时 x2 s0 返回s0 t2 s22 返回s22图4-5 plc状态流程图4.4.5 plc指令表4-2 plc指令表序号指令序号指令序号指令1ld m800230722set s033733stl s034744zrst s0 s50367553776638777397884079943801044811146821247831448841549851650861751871852882155892256902458912559922660932765942870952971964.4.4 pid控制plc包括许多的特殊功能模块，而模拟量模块则是其中的一种。它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出，这种转换具有较高的精度。 在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常会需要对电机的速度进行控制，利用plc的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法。在本系统中采用三菱fx2n系列plc及其特殊功能模块fx2n-2ad和fn2n-2da。fx2nd-ad为模拟信号输入，本系统中用与就压力传感器传出的模拟信号变换成数字信号后送与plc， bfm#0: 由bfm#17(低8位数据)指定的通道的输入数据当前值被存储。当前值数据以二进制形式存储。bfm#1: 输入数据当前值（高端4位数据）被存储。当前值数据以二进制形式存储。bfm#17: b0进行模拟到数字转换的通道（ch1,ch2）被指定。b0=0ch1b0=1ch2b10-1 a/d转换过程开始。再由plc对其进行pid运算。然后由fx2n-2da模拟量模块就数字量转换成模拟量，对变频器进行速度控制的控制信号输出。如图4-5所示，控制系统采用具有两路模拟量输出的模块对两个变频器进行速度控制。图4-5 对变频器进行速度控制的信号输出 图4-6为变频器的控制及动力部分，这里的变频器采用三菱s540型，plc的模拟量速度控制信号由变频器的端子2、5输入。图4-6 变频器的控制及动力部分接线图 3.1 系统中plc模拟量控制变频调速需要解决的主要问题 （1）模拟量模块输出信号的选择 通过对模拟量模块连接端子的选择，可以得到两种信号，010v或05v电压信号以及420ma电流信号。这里我们选择05v的电压信号进行控制。 （2）模拟量模块的增益及偏置调节 模块的增益可设定为任意值。然而，如果要得到最大12位的分辨率可使用04000。如图4-7，我们采用04000的数字量对应05v的电压输出。当然，我们可对模块进行偏置调节，例如数字量04000对应420ma时。图4-7 模块的增益设定3）模拟量模块与plc的通讯 对于与fx2n系列plc