变频恒压供水控制系统设计_1

交流调速课程设计任务书课题名称 变频恒压供水控制系统设计学院(部) 电子与控制工程学院 专 业 电气工程及其自动化班 级 学生姓名 牛浩明 学 号 37 6 月 10 日至 6 月 14 日共 1 周指导教师(签字) 2013年 5 月 31 日一、 设计概述变频器是一种新型技术，将变频调速技术用于供水控制系统中，具有高效节能、水压恒定等优点。本课程设计为实现恒压供水功能而按照设计任务书要求完成设计任务。最终实现控制系统的自动稳定运行。根据设计要求本系统采用OMRON CPM1A PLC控制系统对变频器进行调速控制和系统输入输出信号的采集以及系统报警功能的实现。本系统内的电机调速由变频器来实现，通过PLC控制变频器和现场压力仪表检测的反馈信号来实现对电机的自动恒压控制功能。二、 设计任务 变频调速是一种新兴的技术，将变频调速技术用于供水控制系统中,具有高效节能、水压恒定等优点。本课程设计是电气工程及其自动化专业交流调速课程的实践性环节，其主要目的是培养学生初步掌握交流变频调速系统的设计方法及理论知识的应用能力。本课程设计的基本任务是提高学生在调速系统设计方面的实践技能，培养学生综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。一、 设计原始资料（实验、研究方案） 一楼宇供水系统，正常供水量为20m3/小时，最大供水量25m3/小时，扬程25米。采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。 设计要求：1设二台水泵。一台工作，一台备用。正常工作时，始终由一台水泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。2. 二台泵可以互换。3给定压力可调。压力控制点设在水泵出口处。4具有自动、手动工作方式，各种保护、报警置。采用OMRON CPM1A PLC、富士变频器完成设计。三、方案论述 随着我国社会经济的发展，城市人口和城镇建设规模不断扩大，高层建筑与日俱增。对水、电、消防、智能化等基础供应配套要求也越来越高。如何有效提高高层建筑给水系统能量利用率，减少无效能耗，成为了高层建筑给水设计的首要问题。传统的供水方式有恒速泵加压供水、恒速泵加水塔的供水、恒速泵加高位水箱的供水和恒速泵-气压罐供水方式。虽然这些供水方式比较简单，但是由于其占地面积大、自动化程度低、耗能不合理、适应性差、维护不方便等原因不仅造成水资源和电资源的浪费，而且还会带来水质的二次污染。因此，我国目前更多的采用变频恒压供水系统。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的变频恒压供水系统，不仅可以显著提高供水系统的稳定性和可靠性，而且也有利于实现供水系统的集中管理与监控。此外，变频恒压供水系统还具有良好的节能性，这在大力提倡节能的今天尤为重要。恒压供水技术和优点1、工作原理变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵机组、电动机、管道和阀门等构成。通过传感器反馈水压调节变频器输出，进而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。2、泵节能理论（1)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，全扬程与流量间的关系的曲线H1=f(QG)，称为扬程特性曲线，如图1曲线（2）所示。（2）管阻特性：以水泵的转速不变为前提，扬程H与流量Q之间的关系H=f(Qu)，称为管阻特性曲线，不同阀门开度，管阻特性曲线不同。如图1曲线（n1）所示。（3)供水系统的工作点:扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，在这一点上，供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。（4)供水功率:供水系统向用户供水时所消耗的功率P(KW)称为供水功率。图1供水系统的控制，流量是供水系统的基本控制对象。当用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。(1）阀门控制法：转速保持不变，通过关小或开大阀门不调节流量，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。(2)转速控制法：阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。由水泵的相似定律又称为比例定律可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著,这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本方面。3、恒压供水的优点1、恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。2、由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。3、水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。彻底消除水锤现象。4、实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力四、设计方案1、控制系统原理如图2所示：图2 恒压供水变频控制系统原理图 图3 PID 调节控制图为了使输出压力恒定，过压力检测仪表作为检测元件实现压力检测。根据检测仪表的反馈信号与给定信号比较经PID调节器处理然后调节变频器输出从而控制电机。2、主电路线路如附1所示，图中的M1、M2、为带动水泵的电动机，由于电动机的功率较小，所以两台电动机都采用直接启动方式，各台电动机分别使用两个接触器控制，KM2和KM4分别控制电动机M1和M2的变频运行。KM1和KM3分别控制点动机的工频运行。各电动机分别由FR1、FR2、提供过载保护。3、PLC I/O 口分配输入输出自动工作状态 SB100000M1手起接触器KM101000手动工作状态 SB200001M1自启接触器KM201001M1手动起动SB300002M2手启接触器KM301002M2手动起动SB400003M2自启接触器KM401003自动工作停机 SB500004M1过载显示灯HL501005手动工作停机 SB600005M2过载显示灯HL601006M1过载保护FR100006液位下限显示灯HL701007M2过载保护FR200007液位上限显示灯HL801008储水池液位上限SL100008频率上限显示灯HL901009储水池液位下限SL200009自动工作显示灯HL1001010自动手动切换 SA100010手动工作显示灯HL1101011解警故障排查SB700011警铃 HL1201012频率上限 30A00012故障排除起用SB8000134、工作流程图1、2号泵停机1、2号泵起动停机按钮起动按钮手动工作方式手动、自动工作方式选择备用泵选择1、2号泵停机1、2号泵起动停机按钮起动按钮手动工作方式手动工作方式故障备用自投5、操作说明 备用泵选择：默认备用泵为M2，此时内部辅助继电器20002不得电，常闭闭合，常开断开，M1自动工作通道中常闭闭合M1正常起动，M2自动工作常开触点断开，正常工作时停止。当将备用选择旋钮SA1旋转致M1备用时，M1与M2互换。 自动工作状态：按下自动工作按钮SB1，PLC 00000 有输入信号，內辅20000得电，自动工作通道中20000常开闭合，水泵自动启动。手动工作通道中20000常闭断开，即手动工作通道禁止工作。 自动工作停机：自动工作停机按钮SB5，输入00004，00004 常闭断开，內辅20000失电，即自动运行通道断开。 手动工作状态：按下自动工作按钮SB2，PLC 00001 有输入信号，內辅20001得电，自动工作通道中20001常开闭合，水泵手动起动通道起用，自动工作通道中20001常闭断开，即自动工作通道禁止工作。按下SB3, M1手动启动，按下SB4，M2手动启动。 手动停机：分别在M1、M2手动启动通道串停机的常闭触点，SB6为手动停机按钮。 过载备用投入：假定M1正常工作，M2备投。当M1过载，FR1动作，00006闭合，內辅20003得电，20003常闭断开，01001断电，即M1停机，通式20003常开闭合，01003得电，即M2投入。同时M1过载指示灯亮，电铃报警。M1备投时，工作原理相同。 水位上下限控制：到达水位上限，00008常开闭合，警报响，水位上限指示灯亮。到达水位下限，00009常闭断开，自动、手动工作状态皆禁止。00009常开闭合，水位下限指示灯亮，电铃报警。变频器达到频率上限时报警：常开闭合，频率报警，指示灯亮。报警解除：当报警后需要手动解除按SB7，报警解除，当检修后，按故障排除起用SB8，若故障排除，报警系统正常工作。若报警指示灯依然亮，则故障还未排除，继续检修。五、 系统设备选型1主要电气元件参数指标水泵：35KW，三相异步电动机恒压设定点：1.0Mpa压力变送器：0-1.6Mpa，两线制，4-20mA电流输出变频器：VVVF变频器（1）水泵根据设计要求水泵正常供水20m3/小时，最大供水量25m3/小时，扬程25m。参考相关资料选择型号为QS30-30/2-4-30-30-4-10.4的水泵即可满足要求。(2)远传压力表由于远传压力表具有价格低、有数据读取表盘等优点，结合具体实际设计，故在此处选择其作为反馈信号。六、主要参考资料 1）建筑电气控制技术 马小军 机工 2）过程控制 金以慧 清华 3）富士变频器使用手册4）水暖空调电气控制技术 孙光伟 建工5）交流电机变频调速及其应用张承慧 机工6）有关杂志、资料原件明细表序号名称符号型号数量备注01水泵电机M1、M2QS30-30/2-4-30-30-4-10.4202变频器VVVFFRN5.5G11S-4CX103PLCPLCCPM1A-30CDT1-A-V1104PID调节器PIDSWP-NT825-012-12/