小区高楼变频恒压供水系统论文.doc

国家职业资格全省统一鉴定 维修电工技师论文 国家职业资格二级 论文题目 小区自动恒压生活供水控制系统设计 姓 名 身份证号 准考证号 所在省市 所在单位 摘摘 要要 随着我国社会经济的发展 城市建设发展十分迅速 人们对供水质量和供 水系统可靠性要求的不断提高 利用先进的自动化技术 控制技术以及通讯技 术 设计出高性能 高节能 能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然 趋势 首先 阐明了供水系统的变频调速节能原理 具体分析了变频恒水压供水 的原理及系统的组成结构 通过研究和比较 得出结论 变频调速是当今国际上 一项效益最高 性能最好 应用最广 最有发展前途的电机调速技术 其次 对控制系统的主电路设计 控制电路设计 在控制过程中 电控系 统由 S7 200 完成 PID 控制由变频器的内置 PID 控制方式完成 根据控制系统 软硬件设计和控制要求 结合变频器的功能参数表预置了相关的参数 最后 根据恒压供水系统控制流程图设计 利用软件进行梯形图编程设计 关键词 关键词 恒压供水 变频调速 PLC 设计 目目 录录 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 本课题产生的背景和意义 2 1 3 变频恒压供水的现况 2 1 3 1 国内外变频供水系统现状 2 1 3 2 变频供水系统应用范围 3 1 4 本文的主要工作 3 2 变频恒压供水的理论分析 4 2 1 水泵的工作原理 4 2 2 水泵的调节方式 5 3 变频恒压供水控制系统硬件的设计 6 3 1 变频恒压供水控制系统的构成方案 6 3 2 变频恒压供水系统的控制方案 7 3 3 参数的计算与供水设备选型 8 3 3 1 水泵的参数计算与型号的选择 8 3 3 2 变频器的选择 8 3 3 3 压力传感器的选择 10 3 4 4 水位传感器的选择 10 3 4 5 其他低压电器的选择 10 3 5 PLC 的选型 11 3 5 1 I O 点的统计 11 3 5 2 PLC 选型的基本原则 12 3 5 3 I O 的分配 12 3 6 系统硬件线路设计 13 3 7 PID 参数的预置 15 4 变频恒压供水控制系统软件的设计 16 4 1 恒压供水系统控制流程图的设计 16 4 3 恒压工商系统的梯形图设计 17 结 论 20 1 绪论绪论 1 11 1 引言引言 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 1 我国供水机泵的特点是数量大 范围广 类型多 在工程规模上也有一定水平 但在技术水平 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 随着社会经济的迅速发展 人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断 提高 衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定 因为水压恒定于某 些工业或特殊用户是非常重要的 如当发生火警时 若供水压力不足或无水供 应 不能迅速灭火 会造成更大的经济损失或人员伤亡 但是用户用水量是经常 变动的 因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生 并且集中反映在供水 的压力上 用水多而供水少 则供水压力低 用水少而供水多 则供水压力大 保持管网的水压恒定供水 可使供水和用水之间保持平衡 不但提高了供水的 产量和质量 也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性 2 蓄水 池 电机 水泵 阀门 供 水 主 管 网 蓄水 池 电机 水泵 阀门 供 水 主 管 网 变频器 PLC 图 1 1 传统供水机示意图 图 1 2 变频供水机示意图 变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式 在风机 水泵 空气压缩机 制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用 3 利用变频技术与自动控 制技术相结合 在中小型供水企业实现恒压供水 不仅能达到比较明显的节能 效果 提高供水企业的效率 更能有效保证从水系统的安全可靠运行 变频 恒 水 压供水系统集变频技术 电气传动技术 现代控制技术于一体 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 理与监控 同时可达到良好的节能性 提高供水效率 所以设计基于变频调速的 恒定水压供水系统 对于提高企业效率以及人民的生活水平 同时降低能耗等 方面具有重要的现实意义 4 1 21 2 本课题产生的背景和意义本课题产生的背景和意义 我国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 工业自动化程度低 传统调节供水压力的方式 多采用频繁启 停电机控制和水塔二次供水调节的方式 前者产生大量能耗的 而且对电网中 其他负荷造成影响 设备不断启停会影响设备寿命 后者则需要大量的占地与 投资 而变频调速式的运行十分稳定可靠 没有频繁的启动现象 启动方式为 软启动 设备运行十分平稳 避免了电气 机械冲击 也没有水塔供水所带来 的二次污染的危险 由此可见 变频调速恒压供水系统具有供水安全 节约能 源 节省钢材 节省占地 节省投资 调节能力大 运行稳定可靠的优势 具 有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益 1 31 3 变频恒压供水的现况变频恒压供水的现况 1 3 1 国内外变频供水系统现状 变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的 目前国外的 恒压供水系统变频器成熟可靠 恒压控制技术先进 国外变频供水系统在设计 时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式 这种方式运行安全可靠 变 压方式更灵活 此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多 投资成本高 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广 国产变频器主 要采用进口元件组装或直接进口国外变频器 结合 PLC 或 PID 调节器实现恒压 供水 在小容量 控制要求低的变频供水领域 国产变频器发展较快 并以其 成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场 但在大功率大容量 变频器上 国产变频器有待于进一步改进和完善 1 3 2 变频供水系统应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用 按所使用的范围大致分为三类 1 小区供水 加压泵站 变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂 小区供水 高层建筑供水 乡村加 压站 特点是变频控制的电机功率小 一般在 135kW 以下 控制系统简单 由 于这一范围的用户群十分庞大 所以是目前国内研究和推广最多的方式 2 国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂 这类变 频器 电机功率在 135kV 320kW 之间 电网电压通常为 220V 或 380V 受中小 水厂规模和经济条件限制 目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器 3 大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂 特点是功率大 一般都大于 320kW 机组多 多数采用高压变频系统 这类系统一般变频器和控制器要求 较高 多数采用了国外进口变频器和控制系统 目前 国内除了高压变频供水系统 多数变频供水系统均声称要改变容量 就可以通用于各种供水范围 但在实际运用中 不同供水环境对变频器的要求 和控制方式是不一致的 大多数变频器并不能真正实现通用 所以在部分条件 复杂的中小水厂 采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求 现 部分中小水厂已认识到这一情况 并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改 进和完善 1 3 3 本文的主要工作 本文主要通过研究 PLC 来控制变频器实现恒压供水 通过设计解并熟悉了 PLC 的工作原理 编程原理以及编程方法 进行了控制系统的主电路设计 控 制电路设计 系统的控制设备选用 S7 200 系列的 PLC CPU222 变频器选用 西门子泵类专用的变频器 MM430 进行了控制程序 梯形图 的设计 在控制 过程中 电控系统由 S7 200 完成 PID 控制由变频器完成 最后 对变频恒压 供水系统进行调试 对该系统在供水中所取得的节约电耗 恒定压力 保护管 网等进行了总结 指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性 2 2 变频恒压供水的理论分析变频恒压供水的理论分析 2 12 1 水泵的工作原理水泵的工作原理 供水所用水泵主要是离心泵 普通离心泵如图 2 1 所示 叶轮安装在泵 2 内 并紧固在泵轴 3 上 泵轴由电机直接带动 泵壳中央有一液体吸入口 4 与 吸入管 5 连接 液体经底阀 6 和吸入管进入泵内 泵壳上的液体排出口 8 与排 出管 9 连接 在泵启动前 泵壳内灌满被输送的液体 启动后 叶轮由轴带动高速转动 叶片间的液体也必须随着转动 在离心力的作用下 液体从叶轮中心被抛向外 缘并获得能量 以高速离开叶轮外缘进入泵壳 在蜗壳中 液体由于流道的逐 渐扩大而减速 又将部分动能转变为静压能 最后以较高的压力流入排出管道 送至需要场所 液体由叶轮中心流向外缘时 在叶轮中心形成了一定的真空 由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力 液体便被连续压入叶轮中 可 见 只要叶轮不断地转动 液体便会不断地被吸入和排出 1 2 3 4 6 8 7 910 5 1 叶轮 2 泵壳 3 泵轴 4 吸入口 5 吸入管 6 单顶底阀 7 滤网 8 排出口 9 输出管 10 调节阀 图2 1 离心泵结构示意图 2 22 2 水泵的调节方式水泵的调节方式 水泵的调速运行 是指水泵在运行中根据运行环境的需要 人为的改变运 行工作状况点 简称工况点 的位置 使流量 扬程 轴功率等运行参数适应新 的工作状况的需要 水泵的调节方式与节能的关系非常密切 过去普遍采用改 变阀门或挡板开度的节流调节方式 即改变装置管网的特性曲线进行调节 大 量的统计调查表明 一些在运行中需要进行调节的水泵 其能量浪费的主要原 因 往往是由于采用不合适的调节方式 因此 研究并设计它们的调节方式 是节能最有效的途径和关键所在 水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节 详细划分如下 水泵的调节方式 调压调速 异步电机转子串电阻调速 异步电机的变极调速 异步电机的串极调速 变频调速 液力耦合器的变速调节 油膜转差离合器的变速调节 电磁转差离合器的变速调节 改变传动装置 改变原动机的转速 节流调节 混流式 轴流式泵的动叶调节 改变泵的运行台数调节 恒速调节 变速调节 图2 2 水泵的调节方式 3 变频恒压供水控制系统硬件的设计变频恒压供水控制系统硬件的设计 3 13 1 变频恒压供水控制系统的构成方案变频恒压供水控制系统的构成方案 从变频恒压供水的原理分析可知 该系统主要有压力传感器 压力变送器 变频器 恒压控制单元 水泵机组以及低压电器组成 系统主要的设计任务是 利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵 实现管网水压 的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换 同时还要能对运 行数据进行传输 根据系统的设计任务要求 结合系统的使用场所 本次设计 才用通用变频器 PCL 包括变频控制 调节器控制 人机界面 压力传感器的构 成方案 系统的构成框图如图3 1所示 PLC变频器 压力传感器 工频 变频 用户 蓄水池 1 泵 2 泵 备用泵 图3 1 系统构成框图 这种控制方式灵活方便 具有良好的通信接口 可以方便地与其他的系统 进行数据交换 通用性强 由于PLC产品的系列化和模块化 用户可灵活组成各 规模和要求不同控制系统 在硬件设计上 只需确定PLC的硬件配置和变频器的 外部接线 当控制要求发生改变时 可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控 制程序 所以现场调试方便 同时由于PLC的抗干扰能力强 可靠性高 因此系 统的可靠性大大提高 因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合 并 且与供水机组的容量大小无关 3 23 2 变频恒压供水系统的控制方案变频恒压供水系统的控制方案 变频恒压供水系统的控制方案有多种 有1台变频器控制一台水泵的简单控 制方案 也有一台变频器控制几台水泵的方案 下面重点介绍一台变频器控制 几台水泵的特点 利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统 是目前 应用中比较先进的一种方案 下面以单台变频器控制2台水泵的方案来说明 该 控制方案的控制原理如图3 2所示 1 32 4 1号泵变频运行 2号泵停止 1号泵工频运行 2号泵变频运行 1号泵停止 2号泵变频运行 1号泵变频运行 2号泵工频运行 图3 2 控制原理框图 控制系统的工作原理如下 根据系统用水量的变化 控制系统控制2台水泵 按1 2 3 4 1的顺序运行 以保证正常供水 开始工作时 系统用水量不多 只有1号泵在变频器控制下运行 2号泵处于停止状态 控制系统处于状态1 当 用水量增加 变频器输出频率增加 则1号泵电机的转速也增加 当变频器增加 到最高输出频率时 表示只有1台水泵工作己不能满足系统用水的要求 此时 通过控制系统 1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源 而变频器电源启动 2号泵电机 控制系统处于状态2 当系统用水高峰过后 用水量减少时 变频器输出频率减少 若减至设定 频率时 表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求 此时 通过控制系统 可将1号泵电机停运 2号泵电机仍由变频器电源供电 这时控制系统处于状态 3 当用水量再次增加 变频器输出频率增加 则2号泵电机的转速也增加 当 变频器增加到最高输出频率时 表示只有1台水泵工作已不能满足系统用水的要 求 此时 通过控制系统的控制 2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源 而变频器电源启动1号泵电机 控制系统处于状态4 当控制系统处于状态4时 用水量减少 变频器输出频率减少 若减至设定 频率时 表示只有1台水泵工作已能满足系统供水的要求 此时 通过控制系统 的控制 2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源 而变频器启动1号泵电机 控制系统处于状态4 当控制系统处于状态4时 用水量又减少 变频器输出频率减少 若减至设 定频率时 表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求 此时 通过控制系 统的控制 可将2号泵电机停运 1号泵电机仍由变频器供电 这时 控制系统 又回到了状态1 如此循环往复的工作 以满足系统用水的需要 3 33 3 参数的计算与供水设备选型参数的计算与供水设备选型 3 3 1 水泵的参数计算与型号的选择 1 确定用水量标准为0 19 人日 3 m 2 确定每小最大用水量为175 00 h 3 m 3 根据10层楼高度35m 计算得 11 P 0 08 0 04 楼层数 MPa 0 48MPa 3 1 可确定设置供水压力值为0 48MPa 确定水泵共3台 其中一台做备用 水泵自带电动机功率为30kW 3 3 2 变频器的选择 本系统中 采用MciorMaster430系列变频器 型号为HVAC 风机和水泵节 能型 EC01 4500 3 额定电压为380V 500V 额定功率35kW MicroMaster430 系列变频器是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家 功率范围 7 5kW至250Kw 它按照专用要求设计 并使用内部功能互联 BiCo 技术 具有 高度可靠性和灵活性 牢固的EMC 电磁兼容性 设计 控制软件可以实现专用功 能 多泵切换 手动 自动切换 旁路功能 断带及缺水检测 节能运行方式等 1 MM430变频器介绍 MciorMaster430变频器的端子接口分布如图3 3所示 RL1 A RL1 B RL1 C RL2 B RL2 C RL3 A RL3 B RL3 C 18 12 25 24 23 22 21 20 19 3 2 1 26 27 28 29 30 16 15 14 13 11 10 9 8 7 6 5 4 17 AOUT1 AOUT1 PTCB PTCA 0V 10VN P PE0V AOUT2 AOUT2 DIN6 DIN5 DIN2 DIN3 DIN4 24V AIN2 AIN2 DIN1 AIN1 AIN1 31 32 3334 35 36 L1 L2 L3 U V W V V V F 图3 3 MM430 端子接口分布图 2 端子功能介绍 各端子的功能如表3 1所示 表 3 1 端子功能表 引脚序号引脚名称功能引脚序号引脚名称功能 1 10V12AOUT1 20 电源电压 13AOUT1 模拟输出1 3AIN1 14PTCA 4AIN1 模拟输入1 15PTCB 5DINN116DIN5 6DINN2 数字输入 17DIN6 数字输入 7DINN326AOUT2 8DINN427AOUT2 模拟输出2 9 24V 电源电压 28PE 10AIN2 29P 11AIN2 模拟输入2 30P RS 485 18RL1 A22RL2 C 19RL1 B23RL3 A 20RL1 C24RL3 B 21RL2 B 输出继电 器的触头 25RL3 C 输出继电器的 触头 3 3 3 压力传感器的选择 CYYB 120系列压力变送器为两线制4 20mA电流信号输出产品 它采用 CYYB 105系列压力传感器的压力敏感元件 经后续电路给电桥供电 并对输出 信号进行放大 温度补偿及非线性修正 V I变换等处理 对供电电压要求宽松 具有4 20mA标准信号输出 一对导线同时用于电源供电及信号传输 输出信号 与环路导线电阻无关 抗干扰性强 便于电缆铺设及远距离传输 与数字显示 仪表 A D转换器及计算机数据采集系统连接方便 CYYB 120系列压力变送器新 增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品 可广泛应用于航空航天 科 学试验 石油化工 制冷设备 污水处理 工程机械等液压系统产品及所有压 力测控领域 主要特点 1 高稳定性 高精度 宽的工作温度范围 2 抗冲击 耐震动 体积小 防水 3 标准信号输出 良好的互换性 抗干扰性强 4 最具有竞争力的价格 3 3 4 水位传感器的选择 SL980 投入式液位变送器 广泛用于储水池 污水池 水井 水箱的水位 测量 油池 油罐的油位测量 江河湖海的深度测量 接受与液体深度成正比 的液压信号 并将其转换为开关量输出 送给计算机 记录仪 调节仪或变频 调节系统以实现液位的全自动控制 主要特点是 安装简单 精度高 可靠性 高 性能稳定 能实现自身保护等 3 3 5 其他低压电器的选择 1 断路器的选择 1 选择 断路器具有隔离 过电流及欠电压等保护功能 当变 2 QF 3 QF 频器的输入侧发生短路或电源电压过低等故障时 可迅速进行保护 考虑变频器 允许的过载能力为150 时间为1min 所以为了避免误动作 断路器的额 2 QF 定电流应选 qn I 3 2 1 31 46287IqnInA 式中为变频器的额定输出电流 n I 所以 选90A 2 QF 3 QF 2 断路器选择 在电动机要求实现工频和变频切换驱动的电路中 1 QF 断路器应按电动机在工频下起动电流来考虑 断路器的额定电流应选 1 QF qn I 3 2 2 5 Im2 5 60150IqnnA 式中为电动机的额定电流 60A mn I mn I 所以选160A 1 QF 2 接触器的选择 接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况 其触点电流通常可按 电动机的额定电流再加大一个档次来选择 由于电动机的额定电流为60A 所以 接触器的触点电流选70A即可 3 53 5 PLCPLC 的选型的选型 3 5 1 I O点的统计 恒压变频供水控制系统的输入输出点的统计如表 3 2 所示 表 3 2 I O 统计表 输入器件输出器件 编号符号名称编号符号名称 1SB1 启动 1KM1 1 泵变频 2SB2 停止 2KM2 2 泵变频 3S1 液位传感器 3KM3 1 泵工频 4S2 变频器达到上限 4KM4 2 泵工频 5S3 变频器达到下限 5KM5 备用泵工频 6S4 1 水泵故障 6L1 报警指示灯 7S5 2 水泵故障 8SS6 变频器故障 3 5 2 PLC选型的基本原则 这是PLC应用设计中很重要的一步 目前 国内外生产的PLC种类很多 在 选用PLC时应考虑以下几个方面 1 规模要适当 2 功能要相当 结构要合理 3 输入 输出功能及负载能力的选择要正确 4 要考虑环境条件 根据以上原则 这次设计选择西门子S7 200系列的CPU222AC DC 3 5 3 I O的分配 根据功能要求和工艺流程 我们统一了I O接点的分配 分配表如表3 3所 示 根据PLC口的分配 系统的控制要求以及合理利用I O口的原则 表 3 3 I O 分配表 输入器件输出器件 I0 0 启动 SB0 Q0 0 驱动 KM1 1 泵变频 I0 1 停止 SB1 Q0 1 驱动 KM2 2 泵变频 I0 2 液位传感器 Q0 2 驱动 KM3 1 泵工频 I0 3 变频器达到上限 Q0 3 驱动 KM4 2 泵工频 I0 4 变频器达到下限 Q0 4 驱动 KM5 备用泵工频 I0 5 1 水泵故障 Q0 5 报警指示灯 I0 6 2 水泵故障 I0 7 变频器故障 3 63 6 系统硬件线路设计系统硬件线路设计 供水系统主电路设计如图3 4所示 采用了一台变频器同时连接两台电动机 所以必须确保开关KM1和KM2电气连锁 连锁功能由软件和硬件实现 在变频水 泵出现问题或紧急情况下 可以起用备用水泵 L1L2L3 U V W VVVF M1M2M3 QF2QF1QF3 FR1FR2FR3 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 FU L1 L2 L3 接 PLC I0 7 202122 10 11 接压力 传感器 接 PLC I0 3 接 PLC I0 4 图3 4 主电路图 系统的控制线路如图3 5所示 KM1 L1 KM2KM3KM4 L2 L3 L4 L5 KM5 I0 0I0 7I0 6I0 5I0 4I0 3I0 2I0 1 24VDC MM1L 1L2LQ0 0Q0 4Q0 3Q0 2Q0 1Q0 5 接液 位传 感器 接变 频器 20号 端口 CPU222AC DC KM2 KM3 KM1 KM4 KM1KM2 24V SB1 SB2 接变 频器 21号 端子 接变 频器 22号 端子 FR1FR2 220V 图3 5 控制线路图 3 73 7 PIDPID 参数的预置参数的预置 由于 SIEMENS MM430 变频器自带了 PID 模块 我们不需要进行 PID 调节器 的设计 只需进行简单的参数设置就可以了 首先将设置模拟输入的 DIP 开关 1 拨到 ON 位置 选择为 4 20mA 输入 将 DIP 开关 2 拨到 OFF 位置选择电动机 的频率 OFF 位置为 50Hz 其它参数的设置如表 3 4 所示 表 3 4 MM430 参数预置表 参数名称参数名称 P0003 2 用户访问级别为专家 级 P2255 100 PID的增益系数 P0004 22 参数滤过 选择PID 应用宏 P2256 100 PID微调信号的增益系 数 P0700 2 选择命令源 选择为 端子控制 P2257 10S PID设定值的斜坡加速 时间 P1000 2 频率设定选择为模拟 设定值 P2258 10S PID设定值的斜坡减速 时间 P1080 5Hz 最小频率 R2260 100 显示PID的总设定值 P1082 50Hz 最大频率 R2261 3S PID设定值的滤波时间 常数 P2200 1 闭环控制选择 PID 功能有效 R2262 100 显示滤波后的PID设定 值 P2231 1 允许存储P2240的设 定值 P2265 3S PID反馈立场拨时间常 数 P2240 75 键盘给定的PID设定 值 P2267 100 PID反馈信号的上限值 P2253 2250 0 选择P2240的值作为 PI