变频恒压供水系统设计.doc

第1章 绪论1.1 课题背景及意义众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区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、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：l、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。2、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。3、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。4、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，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，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗口。PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、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，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2 国内外变频调速技术的发展与现状变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。最先提出把通信技术中的脉宽调制P删技术应用到交流传动中的是德国人。20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。此方法以三相波形的整体生成效果为基础，以逼近电机气息的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频VVVF(Vable Voltage Variable Frequency)成为变频调速技术的核心。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。1980年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。此后，日本厂商竟相研究矢量控制技术，并在产品性能和价格两方面取得进展；理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深化，取得了解耦控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等方面的理论成果。自1992年开始德国西门子公司相继开发了6SE70系列通用变频器，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到315kw以上。1985年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论(DSC)。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪，实现脉宽调制和系统的高动态性能H3。最初，这种控制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用；目前被应用于通用变频器的控制方法的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。1995年，ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。国外在交流变频调速技术的发展方面特点为：市场需求量大；功率器件发展迅速；控制理论和微电子技术的支持。变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决定的。在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制专家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP和专用集成电路ASIC技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段哺。在我国，60的发电量是通过电动机消耗掉的，因此，如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。我国电气传动产业始于1954年。当时，在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在，我国约有两百家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。国内交流变频调速技术产业状况表现如下：1)变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研究变频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生产规模。2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。3)相关配套产业及行业落后。4)产品可靠性及工艺水平低。1.3 变频恒压供水系统的国内外研究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。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Saco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式，“变频泵循环方式一两种模式，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器及相应的软件予以实现：有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了厦压供水专用变频器(55kw22kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性，的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.4 变频恒压供水系统特点及其安全性讨论变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合，在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点：1)滞后性：供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如：温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性，同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。2)非线形：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。3)多变性：变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。4)时变性：在变频调速恒压供水系统中，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运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为：变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。5)容错性：当出现意外的情况(如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。6)可扩充性：水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等。7)节能性：系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样的现象。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。而采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处：1)产生水锤效应的根本原因是：水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现消除水锤效应，减少了对水泵及管道系统所受的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长。3)变频调速的软启动器避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。4)减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。1.5 本课题的主要研究内容本文主要通过对现有供水系统的调研和分析，依据用户对供水系统的要求，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLc作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，并引入计算机对供水系统进行远程监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。具体而言，论文包括以下内容：1)论文在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法；2)分析了变频恒压供水系统节能的原理，给出了恒压供水的理论模型及近似的数学模型；确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程及工作原理；最后分析了在变频恒压供水中，水泵切换的条件。3)论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用户的需求入手确定合适的设备选型；详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行的各种工况及其转换过程，讨论PLC的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案；在介绍PID调节原理的基础上分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程，给出PID参数设置方法；最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。4)通过计算机和PLC的通信，实现供水系统运行状态的实时远程监控是本论文的一个特色之处。论文介绍了计算机和PLC通信系统的组成和通信协议，给出了通信程序，并提出供水系统监控软件设计方法。第 2章 方案的选择与实现2.1 变频恒压供水系统节能原理供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线/(Q)，如图2.1所示。由图2.1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系。映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程卸毯大，流量Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程H与供水流量Q之间的关系。扬程特管阻特性曲的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1中A点。在这一点，用户的用水流量Q和供水系统的供水流量Q处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。图2.1供水系统的基本特征变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为： 异步电机的转速为：其中：n0为异步电机的理想空载转速；n为异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。从上式可知，当极对数不变时，电机转子转速刀与定子电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机中一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定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起动以及变频水泵与工频水泵的换，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，有以下几种方案可供选择：1、有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。2、通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比。但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特领域的小容量的变频恒压供水中。3、通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器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，用户可灵活组成各种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I/O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。通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“变频器主电路+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器”的控制方式更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点的用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性及其它技术要求。根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量；间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。2.3 系统的结构与控制要求本文的供水系统主要用于小区生活用水，其水量主要集中早、晚两个时间段，平时处于低流量状态，属连续型低流量变化型。这类型用水需求在较长时间段表现为低流量，相对于设计流量有较大的余量，采用变频调速方式来实现低流量时的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达30。水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，平稳、噪声小。由于用水呈低流量变化型的特点，采用多台水泵并联供水，根据用水量大小调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少：其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便； 其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。供水系统的恒压通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，开启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。综上所述，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：1) 执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由变频泵和附属小泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；附属小泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下(例如：夜间)对管网用水量进行少量的补充。在变频调速恒压供水系统中，这样构成水泵组有下几个原因：用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵，使水泵选型容易，同时这种结构更适合于大功率的供水系统；供水系统的增容和减容容易，无需更换水泵，只要再增加恒速泵即可；以小功率的变频器代替大功率的变频调速器，以降低系统成本，增加系统运行可靠性；附属小泵的加入，使系统在用水量很低时(如：夜间)可以停止所有的主泵，用小泵进行补水，降低系统的运行噪音：在用水量不太大时，系统中不是所有的水泵在运行，这样可以提高水泵的运行寿命，同时降低系统的功耗，达到节能的目的。2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号。水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；液位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。3) 控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用交频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择；本文采用前者。作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。现将系统控制流程说明如下：1) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动水泵M1，通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率，控制M1的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1工作在调速运行状态。2) 当用水量增加水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，增加水泵的转速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环和恒压控制器，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。3) 当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件(在下文有详细的阐述)时，在变频循环式的控制方式下，系统将电机M1切换至工频电网供电后，M1恒速运行，同时使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，并有新的水泵投入并联运行。当最后一台水泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。4)当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件(在下文有详细的阐述)时，系统将上次转换成工频运行的水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，直到剩下一台变频泵运行为止。5)当系统中只有1台调速泵在工作，而调速泵的运行频率已降至下限频率时，且满足关泵条件，此时关闭调速泵。系统进入靠附属小泵进行少量补水的状态。在这种情况下，若实际压力低于设定压力，则延时后开启附属小泵进行补水，附属小泵开启后，若实际压力高于附属小泵的工作压力(设定压力+附属小泵启停压力误差)，则关掉附属小泵。待实际压力再次低于设定压力后，重复上述过程。在附属小泵开启后，压力达不到设定压力，则经过一定的延时后，关掉附属小泵，开启调速泵进行控制，工作过程同2、3、4步。2.4 供水系统中水泵切换条件分析在上述的系统工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当调速水泵和工频运行水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频运行水泵来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换,才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢?尽管通用变频器的频率都可以在0.400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。当变频器的输出频率已经到达50HZ时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0HZ。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降传到0HZ。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20HZ左右。由于在变频运行状态下水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率阻引。从上面的分析可以看出，当变频器的输出频率已经到达上限频率，而实际的供水压力仍然低于设定压力时，存在的实际供水压力差己经不能够使输出频率增加。 第3章 恒压供水系统的硬件设计3.1 硬件系统总体设计图3.1 电流互感器的接线图在硬件系统设计中，采用一台变频器连接3台电动机，都具有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联；所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前的工作电流，必须在每台电机三相输入电源前面都接入两个电流互感器，电流互感器和热继电器、两个电流表连接，如图3-1所示。两个电流表一个安装在控制柜上，另一个安装在控制台上，可以方便地观察电机的三相工作电流，便于操作人员监测电机的工作状态。同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。变频器主电路电源输入端子（R、S、T）经过熔断器与三相电源连接，变频器主电路输出端子（U、V、W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子（U、V、W）的任意两相。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路的通断来进行。另外为了改善变频器的功率因素，还需配置相应的DC电抗器，变频器的P1,P+端子是连接DC电抗器之用。水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反转，实现阀门的开启和关闭。系统的主电路采用六个交流接触器的常开触电的闭合、断开来实现对电机的启动和关闭，如图4-1所示：在主电路图中，KM1、KM2分别控制1号水泵的工频与变频运行，KM3、KM4分别控制2号水泵的工频与变频运行，KM5、KM6分别控制3号水泵的工频与变频运行。 图3.2 主电路图系统的控制电路主要由两部分组成，全手动工频启/停和通过PLC对水泵进行控制，如图4-2所示，当选择开关打向“1”挡时可实现手动对电机的控制，当选择开关打向“2”挡时，可通过PLC实现对水泵的控制3.2 系统控制电路分析及设计在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失电，进而控制电机或者阀门的动作。通过隔离，可延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。因此，在控制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计；另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。为提高互锁的可靠性，在PLC控制程序设计时，进一步通过PLC内部的软继电器来实现互锁。控制电路中还考虑了电机和阀门的当前工作状态指示的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动/自动转换控制电路。通过转换关及相应的电路来实现，变频恒压供水系统的主要电气控制线路图如图3.2所示。图3.3 控制电路图3.3 压力传感器的选用及其接法压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。该传感器的量程为02.5MPa，工作温度为560 ，供电电源为283V（DC）。图3.4 压力传感器的接线图3.4 PLC的选用及其IO分配符号I/O分配代表意义BB1I0.1泵1BB2I0.2泵2BB3I0.3泵3REI0.4故障切除STOPI0.5急停STARTI0.6启动INI0.7变频器故障信号输入UPI1.0水池上限DOWNI1.1水池下限KM1Q0.01号泵变频KM2Q0.11号泵工频KM3Q0.22号泵变频KM4Q0.32号泵工频KM5Q0.43号泵变频KM6Q0.53号泵工频STQ0.6变频器启动脉冲B1Q1.0水泵1故障报警B2Q1.1水泵2故障报警B3Q1.2水泵3故障报警BGUQ1.4变频器故障表3-1 I/O分配表3.5 变频恒压供水系统特点及其安全性讨论变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合，在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点u：1)滞后性：供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如：温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性，同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。2)非线形：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。3)多变性：变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。4)时变性：在变频调速恒压供水系统中，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运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为：变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。5)容错性：当出现意外的情况(如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。6)可扩充性：水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等。7)节能性：系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从0到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样的现象。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。而采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处：1)产生水锤效应的根本原因是：水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现消除水锤效应，减少了对水泵及管道系统所受的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长。3)变频调速的软启动器避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。4)减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。第4章 系统的软件设计与调试4.1 相关控制功能的实现本系统的程序是建立在第三章变频恒压供水的方案和控制流程的基础上，按照PLC应用的步骤开发完成的。程序控制的目的是实现整个供水系统的恒压运行，为此必须控制变频器的频率以及四台水泵的顺序投入与切除，使得供水量的变化与用户用水量的变化基本保持同步，以此保证水网水压的恒定，同时还要保证系统的安全性与可靠性。在程序的开发过程中需要注意以下几点：1)不管使用变频循环式还是变频固定式的控制方式，要确保水泵的平均使用量一致，损耗大致相同；2)系统运行的任何时刻，变频器只对当前控制的水泵负责；3)对于每一台水泵来说，任何时刻都只能工作在一种状态(变频或工频)或者处于停止状态；4)数显仪的主画面要显示PLC与变频器或其他系统的通讯情况、压力设定值、压力反馈值、泵的工作状态等。启动自动变频运行方式时，首先起动辅助稳压泵工频运行供水，当用水量大，超过辅助泵最大供水能力而无法维持管道内水压时，延时1分钟PLC通过变频器启动1群主水泵供水，同时关闭辅助泵的运行。在l#主水泵供水过程中，变频器根据水压的变化通过PID调节器调整l群主水泵的转速来控制流量，维持水压。若用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率时，仍达不到设定压力，延时分钟，由PLC给出控制信号，将1撑主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对2撑主水泵软启动。系统工作于l撑工频、2群变频的两台水泵并联运行的供水状态。若用水量继续增加，两水泵也不能满足水压要求时，将按上述过程继续增开水泵台数；直到满足水压要求H们。整个加泵过程中，总是保证原来工作于变频运行状态的水泵转入工频恒速运行，新开泵软启动并运行在变频状态，保证只有一台水泵运行在变频状态。当用水量减少时，变频器通过PID调节器降低水泵转速来维持水压。若变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高，延时1分钟，按“先起先停一的原则，由PLC给出控制信号，将当前供水状态中最先工作在工频方式的水泵关闭，同时PID调节器将根据新的水压偏差自动升高变频器输出频率，加大供水量，维持水压。当用水量持续减少，系统继续按“先起先停一原则逐台关闭处于工频运行的水泵。当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量减少，变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高时，延时5分钟后，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水。供水状态是指在供水时投入运行的水泵台数及运行状况(工频或变频)。为保证在一个较长的时间周期内，各台水泵运行时间基本均等，避免某台电机长期得不到运行而出现绣死现象，供水状态的切换按照“有效状态循环法即“先起先停的原则操作。增泵过程的实现相对复杂一些，首先要将运行在变频状态的电机和变频器脱离后，再切换到电网运行，同时变频器又要以起始频率起动一台新的电机运行。切换过程主要考虑三方面的问题：1)切换过程的可靠性：决不允许出现变频器的输出端和工频电源相连的情况，这一点通过控制电路、PLC内部软继电器的互锁及PLC控制程序中动作的时间先后次序来保证。2)切换过程的完成时间：时间太长，原变频运行的电机转速下降太多，一方面造成水压下降大，另一方面在接下来切换到工频时冲击电流大；时间太短，切换过程的可靠性下降。具体时间还需根据电动机的容量大小来设定，容量越大时间越长，一般情况下，500舢足够。3)切换过程的电流：因变频器输出电压相位和电网电压相位一般不同，当电机从变频器断开后，转子电流磁场在定子绕组中的感应电压与电网电压往往也存在相位差。此时，切换到工频电网瞬间，如果二者刚好反相，则将产生比直接起动时的起动电流更大的冲击电流，反过来对变频器造成冲击。解决办法有：a)电机定子绕组中接入三相灭磁电阻的方法，这种方法一般需要延时2-3秒，时间太长，水泵转速下降太多，不合适；b)位鉴定法，通过相位鉴别电路，在电网电压和变频器输出电压相位一致时，快速切换。这种方法十分有效、可靠，对于100KW以上的大容量电机一般要求采用这一方法；c)利用变频器的自由停车指令来实现的快速灭磁法，这一方法是通过定子绕组中和变频器逆变桥上的续流二极管组成的回路来达到快速灭磁的目的。其动作顺序是，在电机从变频器断开前，PLC的给出动作信号，变频器端子功能生效，自由停车命令生效，变频器立即停止输出时(约500ms)灭磁后，将电机从变频器断开，并立即投入电网。这种方法简单有效、控制方便，本次设计中采用了这一方法。4.2 PLC程序设计方法的分析PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。采用了面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC编程语言，易于学习和掌握。尽管国内外不同厂家采用的编程语言不尽相同，但程序的表达方式基本类似，主要有四种形式：梯形图、指令表、状态转移图和高级语言。梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。状态转移图语言(SFC)类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制过程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容框后的输出状态。这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。高级语言类似于BACIC语言、C语言等，它们在某些厂家的PLC中应用。其程序流程图为：图4.1 程序流程图图4.2 程序流程图4.3 变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析在上面的工作流程中，当一台调速水泵已运行在上限频率，此时管网的实压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供