高楼变频恒压供水系统毕业论文.doc

1 某小区高楼变频恒压 供水控制系统设计 摘要摘要 随着我国社会经济的发展 城市建设发展十分迅速 同时也对基础设施建设提出 了更高的要求 城市供水系统的建设是其中的一个重要方面 供水的可靠性 稳定性 经济性直接影响到用户的正常工作和生活 随着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 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖 本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线 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 因此本文以采用变频器和 PLC 组合构成系统的方式 以某居民小区水泵电 动机控制系统为对象 逐步阐明如何实现水压恒定供水 聞創沟燴鐺險爱氇谴净 进行了控制系统的主电路设计 控制电路设计 对输入输出点进行了统计 共有 13 个输入输出点 根据 PLC 的选型原则 设备选用了在生产中应用最为广泛的西门 子公司生产的 S7 200 系列 CPU222 的 PLC 和 MM430 泵类专用的变频器 利用变频 器的本身自有的软启动功能实现水泵电机的启动 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 在介绍了 PLC 的编程方法 的基础上 选用了适合初学者的逻辑代数编程 写出了恒压变频供水的逻辑代数 并 设计了梯形图 利用 PLCSIM 仿真软件进行了仿真 仿真的结果表明了设计程序的 正确性 利用了 WinCC 组态软件设计了高楼变频恒压供水控制系统的界面 界面可 动态反映水泵变频供水的工作状态 最后对恒压供水进行了经济效益分析 分析的结 果表明具有明显的节能效益 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟 关键词 恒压供水 变频调速 PLC 设计 仿真 I ABSTRACT As China s social and economic development urban construction and development very quickly but also the construction of infrastructure facilities has put forward higher requirements City water supply system construction is one of the important aspects of the water supply reliability and stability the economy of a direct impact on the user s normal work and life As people on the water quality and water supply systems in the continuous improvement of reliability requirements the use of advanced automation technology control technology and communication technology design a high performance high energy water supply plants to adapt to the complex environment of constant pressure water supply Systems become an inevitable trend酽锕极額閉镇桧猪訣锥 In this paper pipe network and pumps under the operation of the curve clarify the water supply system for energy saving Frequency Control Principle specific analysis of the frequency of the principle of constant pressure water supply system and the composition of the structure through research and comparison concluded Frequency Control is the highest international one effectiveness performance the best and most widely the most The future development of the Motor technology Therefore this paper to adopt the PLC and inverter combination of a systematic approach to a small residential area pump motor control system for the target and gradually clarified how to achieve a constant supply pressure 彈贸摄尔霁毙攬 砖卤庑 A control system for the main circuit design control circuit design The input and output points to the statistics a total of 13 input and output the PLC in accordance with the principle of selection equipment selection in the production of the most widely produced by Siemens S7 200 series CPU222 of the PLC and pumps for MM430 The converter using its own frequency converter itself to achieve the soft start the pump motor launch In the control process the electronic control system completed by the S7 200 PID control by the converter built in PID control manner in accordance with control system software and hardware design and control requirements combining the functions of converter table preset parameters of the relevant parameters After the introduction of the PLC programming methods based on the choice of the logic of algebra for beginners programming the constant pressure to write the logic of algebra frequency of water supply and design of the II ladder use of simulation software PLCSIM the simulation simulation The results show that the correctness of the design process WinCC use of the configuration software designed high frequency constant pressure water supply control system interface dynamic interface may reflect the work of pumping frequency of water supply status Finally the constant pressure of water supply for the economic benefit analysis analysis of the results showed that a significant energy efficiency 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔 Keywords Constant pressure Water Supply Variable velocity Variable frequency PLC Design Simulation厦礴恳蹒骈時盡继價骚 III 目 录 第一章 绪论 1茕桢广鳓鯡选块网羈泪 1 1 引言 1鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴 1 2 本课题产生的背景和意义 2籟丛妈羥为贍偾蛏练淨 1 3 变频恒压供水的现况 2預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴 1 3 1 国内外变频供水系统现状 2渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦 1 3 2 变频供水系统应用范围 3铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡 1 4 本人的主要工作 3擁締凤袜备訊顎轮烂蔷 第二章 变频恒压供水的理论分析 4贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷 2 1 水泵的工作原理 4坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚 2 2 供水电机的搭配 4蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘 2 3 水泵的调节方式 5買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄 2 4 恒压供水系统的能耗分析 6綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴 2 5 供水系统的安全性问题 7驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦 2 5 1 水锤效应 7猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑 2 5 3 水锤效应的消除 8锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔 2 5 4 延长水泵寿命的其他因素 8構氽頑黉碩饨荠龈话骛 第三章 变频恒压供水控制系统硬件的设计 9輒峄陽檉簖疖網儂號泶 3 1 变频恒压供水控制系统的构成方案 9尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅 3 2 变频恒压供水系统的控制方案 10识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒 3 3 供水设备的选择原则 11凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴 3 4 参数的计算与供水设备选型 12恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦 3 4 1 水泵的参数计算与型号的选择 12鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫 3 4 2 变频器的选择 12硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹 IV 3 4 3 压力传感器的选择 14阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖 3 4 4 水位传感器的选择 14氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩 3 4 5 其他低压电器的选择 14釷鹆資贏車贖孙滅獅赘 3 5 PLC 的选型 15怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉 3 5 1 I O 点的统计 15谚辞調担鈧谄动禪泻類 3 5 2 PLC 选型的基本原则 15嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩 3 5 3 I O 的分配 16熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库 3 6 系统硬件线路设计 16鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞 3 7 PID 参数的预置 17纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛 第四章 变频恒压供水控制系统软件的设计 19颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷 4 1 常用编程方法 19濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻 4 1 1 经验设计法 19銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼 4 1 2 翻译设计法 19挤貼綬电麥结鈺贖哓类 4 1 3 逻辑代数设计法 20赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈 4 2 编程软件的简单介绍 22塤礙籟馐决穩賽釙冊庫 4 3 恒压供水系统梯形图的设计 23裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺 4 4 程序的仿真与调试 26仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁 4 4 1 仿真软件的简介 26绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧 4 4 2 恒压供水系统程序的仿真调试 27骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙 4 5 恒压变频供水系统的 WINCC 界面设计 29瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉 4 5 1 WinCC 软件简介 29鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類 4 5 2 恒压供水系统的 WinCC 界面设计 30栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬 4 6 经济效益分析 33辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应 第五章 总结与期望 35峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺 V 5 1 总结 35詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜 5 2 展望 35则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷 参考文献 36胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻 致 谢 37鳃躋峽祷紉诵帮废掃減 附录 语句表 38稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜 6 第一章 绪论 1 1 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 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 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟 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 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應 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 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 简称变频恒压供水 如图 1 2 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 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺 7 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 1 2 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 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮 1 3 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 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘 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 8 变频器上 国产变频器有待于进一步改进和完善 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚 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 莹谐龌 蕲賞组靄绉嚴减 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 麸肃 鹏镟轿騍镣缚縟糶 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 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬 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只要改变容 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 2 3 4 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙 1 4 本人的主要工作 本课题主要通过研究 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 9 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 灭嗳骇諗鋅 猎輛觏馊藹 10 第二章 变频恒压供水的理论分析 2 1 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 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝 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 5 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸 12 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 2 供水电机的搭配 供水电机驱动离心泵运行 和离心泵共同组成了供水系统的整体 电机的 配置主要以水泵供水负载来决定 电动机的功率应根据生产机械所需要的功率 来选择 尽量使电动机在额定负载下运行 选择时应注意以下两点 趕輾雏纨颗锊讨 跃满賺 11 1 如果电动机功率选得过小 就会出现 小马拉大车 现象 造成电动 机长期过载 使其绝缘因发热而损坏 甚至电动机被烧毁 夹覡闾辁駁档驀迁锬減 2 如果电动机功率选得过大 就会出现 小马拉小车 现象 其输出机 械功率不能得到充分利用 功率因数和效率都不高 不但对用户和电网不利 而且还会造成电能浪费 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝 因此 要正确选择电动机的功率 对恒定负载连续工作方式 如果知道负 载的功率 生产机械轴上的功率 kW 可按式 2 1 计算所需电动机的功 1 p 率 6 kW 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠 P 112 pp 2 1 式中 为生产机械的效率 为电动机的效率 即传动效率 1 2 按上式求出的功率 不一定与产品功率相同 因此 所选电动机的额定功 率应等于或稍大于计算所得的功率 2 3 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 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟 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 6 12 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 2 4 恒压供水系统的能耗分析 在供水系统中 最根本的控制对象是流量 因此 要讨论节能问题 必须 从考察调节流量的方法入手 常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种 供 水系统中对水压流量的控制 传统上采用阀门调节实现 由于水泵的轴功率与 转速的立方成正比 因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控 制 同时可获得大量节能 闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱 水 塔等设施及阀门调节 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼 1 阀门控制法 通过关小或开大阀门来调节流量 而转速保持不变 阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变 而是通过改变水路中的阻 力大小来强行改变流量 以适应用户对流量的要求 这时 管阻特性将随阀门 开度的改变而改变 但是扬程特性不变 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮 如图 2 3所示 设用户所需流量QX为额定流量的60 即QX 60 QN 当通过 关小阀门来实现时 管阻特性将改变为曲线 而扬程特性则仍为曲线 故 供水系统的工作点移至E点 这时 流量减小为QE Qx 扬程增加为HE 供水 功率PC与面积ODEJ成正比 镞锊过润启婭澗骆讕瀘 13 J K O G E N C Q H 阀门关小 阀门全开 转速下降 稳定转速 QEQN DA 图2 3 调节流量的方法与比较 2 恒压控制法 即通过改变水泵的转速来调节流量 而阀门开度保持不 变 也称为转速控制法 转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求 当水泵的饿转速改变时 扬程特性将随之改变 而管阻特性不变 榿贰轲誊壟该槛鲻 垲赛 以用户所需流量等于 60 Qn 为例 当通过降低转速使得 Qx 60 Qn 时 扬程 特性仍为曲线 故工作点移向 C 点 这时流量减小为 QE Qx 扬程减小为 Hc 供水功率 PC与面积 0DCK 成正比 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑 比较上述两种调节流量的方法可以看出 在所需流量小于额定流量 Qx用水需求 QU 则压力上升 P 如 供水能力 QG 用水需求 QU 则压力上升 P 14 如 供水能力 QG 用水需求 QU 则压力上升 P 不变 可见 供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上 从而 压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量 就是说 保持供水系统 中某处的压力的恒定 也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态 恰到好处地满足了用户所需的用水流量 这就是恒压供水所要达到的目的 7 8 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙 2 5 供水系统的安全性问题 9 2 5 1 水锤效应 异步电动机在全电压启动时 从静止状态加速到额定转速所需要的时间只 有在0 25S 这意味着在0 25S的时间里 水的流量从零增到额定流量 由于水 具有动量和不可压缩性 因此 在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的 压强过高或过低的冲击 并产生空化现象 压力冲击将使管壁受力而产生噪声 犹如锤子敲击管子一样 故称为水锤效应 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄 水锤效应具有极大的破坏性 压强过高 将引起管道的破裂 反之 压强 过低又会导致管道的瘪塌 此外 水锤效应也可能破坏阀门和固定件 在直接 停机时 供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止 这也同样 会引起压力冲击和水锤效应 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞 2 5 2 水锤效应的产生原因 产生水锤效应的根本原因 是在启动和制动过程中的动态转矩太大 在启动 过程中 异步电动机和水泵的机械特性如图2 4a所示 图中曲线1是异步电动机 的机械特性 曲线2是水泵的机械特性 阴影部分是动态转矩TJ 即两者之差 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺 1 2n T 0 n T 0 2 1 TJ TJ TNTN 15 a 全压启动 b 变频启动 图2 4 水泵的全压启动与变频启动 在拖动系统中 决定加速过程的是动态转矩 J T JML TTT 由图2 4a可知 水泵在直接启动过程中 拖动系统动态转矩写的大小如阴 影部分所示 是很大的 所以 加速过程很快 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽 2 5 3 水锤效应的消除 采用了变频调速后 可以通过对升速时间的预置来延长启动过程 使动态 转矩大为减小 如图2 4b命所示 图中 曲线簇1是异步电动机在不同频率下的 机械特性 曲线2是水泵的机械特性 中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩 即不同频率时电动机机械特性与水泵机械特性之差 浹繢腻叢着駕骠構砀湊 在停机过程中 同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程 使动态 转矩大为减小 从而彻底消除了水锤效应 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝 2 5 4 延长水泵寿命的其他因素 水锤效应的消除 无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命 此外 由于水 泵平均转速下降 工作过程中平均转矩减小的原因 使 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵 1 叶片承受的应力大为减小 2 轴承的磨损也大为减小 所以 采用了变频调速以后 水泵的工作寿命将大大延长 16 第三章 变频恒压供水控制系统硬件的设计 3 1 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 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐 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 10 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲 17 3 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 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫 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 齡践砚语蜗铸转絹攤濼 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 绅薮疮颧訝标販繯轅赛 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 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛 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 烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵 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 18 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 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键 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 11 撷伪氢鱧轍幂聹 諛詼庞 3 3 供水设备的选择原则 在做供水系统时 应先选择水泵和电机 选择依据是供水规模 供水流量 而供水规模和住宅类型以及用户数有关 有关选择依据原则使用表格如下 踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄 1 不同住宅类型的用水标准 不同住宅类型的用水标准 根据 城市居民生活用水标准 GB T 50331 2002 节录如表3 1 表 3 1 不同住宅类型的用水标准 住宅 类型 给水卫生器具完善程度 用水标准 人日 3 m 小时变化系数 1仅有给水龙头0 04 0 082 5 2 0 2有给水卫生器具 但无淋浴设备0 085 0 132 5 2 0 3有给水卫生器具 并有淋浴设备0 13 0 192 5 1 8 4有给水卫生器具 但无淋浴设备 和集中热水供应 0 17 0 252 0 1 6 2 供水规模换算表 不同住宅类型的用水标准 根据 城市居民生活用水标准 GB T 50331 2002 节录如表3 2 上面一行为用水标准 人日 中间数据为用水规模 3 m h 婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞 3 m 表 3 2 供水规模换算表 19 用水标准 人日 3 m户数 0 100 150 200 25 45039 4059 0078 7098 40 50043 8065 6087 50109 40 60052 5078 80105 00131 30 70061 3091 90122 50153 10 80070 00105 00140 00175 00 100087 50131 30175 00218 80 3 根据供水量和高度确定水泵型号和台数 并对电动机进行选型 见表 3 3 表 3 3 水泵 电机和变频器选型表 4080LG50 20 x21111 6080LG50 20 x31515 8080LG50 20 x418 518 5 10080LG50 20 x52222 50 xN 12080LG50 20 x63030 40100DL218 518 5 60100DL33030 80100DL43737 100100DL54545 100 xN 120100DL65555 20 注 N为水泵台数 4 设定供水压力经验数据 平方供水压力P 0 12MPa 楼房供水压力 12 P 0 08 0 04 楼层数 MPa 3 1 5 系统设计还应遵循以下的原则 蓄水池容量应大于每小时最大供水量 水泵扬程应大于实际供水高度 水泵流量总和应大于实际最大供水量 3 4 参数的计算与供水设备选型 3 4 1 水泵的参数计算与型号的选择 1 根据表3 1确定用水量标准为0 19 人日 3 m 2 根据表3 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 按照式 3 1 计算得 P 0 08 0 04 楼层数 MPa 0 48MPa 可确定设置供水压力值为0 48MPa 根据表3 3确定水泵型号为100DL3 工3台 其中一台做备用 水泵自带电 动机功率为30kW 3 4 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 14 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻 1 MM430变频器介绍 MciorMaster430变频器的端子接口分布如图3 3所示 21 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 4所示 表 3 4 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 6DINN217DIN6 数字输入 7DINN326AOUT2 8DINN4 数字输入 27AOUT2 模拟输出2 9 24V电源电压28PE 10AIN2 29P 11AIN2 模拟输入2 30P RS 485 22 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 4 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 13 主要特点 俦聹执償閏号燴鈿膽賾 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 4 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 14 缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜 3 4 5 其他低压电器的选择 1 断路器的选择 23 1 选择 断路器具有隔离 过电流及欠电压等保护功能 当 2 QF 3 QF 变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 2 QF 额定电流应选骥擯帜褸饜兗椏長绛粤 qn I A 3 2 1 31 46287 qnn II 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癱噴 1 QF qn I 导閽骋艳捣靨骢鍵 A 2 52 5 60150 qnmn II 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 鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐 3 5 PLC 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 5 所示 表 3 5 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 24 3S1液位传感器3KM31 泵工频 4S2变频器达到上限4KM42 泵工频 5S3变频器达到下限5KM5备用泵工频 6S41 水泵故障6L1报警指示灯 7S52 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 15 榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴 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 6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 16 逊输吴贝义 鲽國鳩犹騸 表 3 6 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 25 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 6 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 幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉 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 26 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 7 PID 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 7 所示 17 誦终决懷区馱倆侧澩赜 表 3 7 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 100PID的增益系数 P0004 22参数滤过 选择PID应用宏P2256 100PID微调信号的增益系数 P0700 2选择命令源 选择为端子控 制 P2257 10SPID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 10SPID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 3SPID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 27 P2231 1允许存储P2240的设定值P2265 3SPID反馈立场拨时间常数 P2240 75 键盘给定的PID设定值P2267 100PID反馈信号的上限值 P2253 2250 0选择P2240的值作为PID给定P2268 0PID