基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設計方案

基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 1 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計方案 第 1 章 緒論 市供水系統(tǒng)的要求 眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能導致水管爆破和用水設備的損壞。在恒壓供水技術出現(xiàn) 以前，出現(xiàn)過許多供水方式。以下就逐一分析。 (1) 一臺恒速泵直接供水系統(tǒng) 這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運轉，有的可能在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統(tǒng)形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩(wěn)，供水質量極差。 (2) 恒速泵 +水塔的供水方式 這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水 位低于某一位置時再啟動水泵。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚程的條件下，水泵處于高效能區(qū)。這種方式顯然比前種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開、停時間比、開 /停頻率等有關。供水壓力比較穩(wěn)定。但這種供水方式基建設備投資最大，占地面積也最大 ;水壓不可調，不能兼顧近期與遠期的需要；而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進行自動的開、停， 這樣水泵的開、停，將完全由人操作，這時將會出現(xiàn)能量的嚴重浪費和供水質量的嚴重下降。 (3)射流泵十水箱的供水方式 這種方式是利用射流泵本身的獨特結構進行工作，利用壓差和來水管粗，出水管細的變徑工藝來實現(xiàn)供水，但是由于其技術和工藝的不完善，加之該方式會出現(xiàn)有壓無量(流量 )的現(xiàn)象，無法滿足高層供水的需要。 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 2 (4) 恒速泵十高位水箱的供水方式 這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設立水箱。占地面積與設備投資都有所減少，但這對建筑物的造價與設計都有影響，同時水箱受建筑物的限制， 容積不能過大，所以供水范圍較小。一些動物甚至人都可能進入水箱污染水質。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開、停，將完全由人工操作，使系統(tǒng)的供水質量下降能耗增加。 (5)恒速泵十氣壓罐供水方式 這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內(nèi)壓力來控制泵的開、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質因異物進入而被污染的可能性。但氣壓罐供水的方式也存在著許多缺點，在介紹完變頻調速供水方式后，再將二者作一比較。 (6)變頻調速供水方式 這種系統(tǒng)的原理是通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設定壓力值作比較，再通過控制器調節(jié)變頻器的輸出，無級調節(jié)水泵轉速。使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi) 水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統(tǒng)最不利點恒壓控制。 出口恒壓控制 水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，使系統(tǒng)在運行過程中水泵出口水壓恒定。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚程中所占比例較小，整個給水系統(tǒng)的壓力可以看作是恒定的，但這種控制方式若在供水面積較 大的居住區(qū)中應用時，由于管路能耗較大，在低峰用水時，最不利點的流出水頭高于設計值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節(jié)能效果。 出口變壓控制 水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，但其壓力設定值不只是一個。是將每日 24小時按用水曲線分成若干時段，計算出各個時段所需的水泵出口壓力，進行全日變壓，各時段恒壓控制。這種控制方式其實是水泵出口恒壓控制的特殊形式。他比水泵出口恒壓控制方式能更節(jié)能，但這取決于將全天 24小時分成的時段數(shù)及所需水泵出口壓力計算的精確程度。所需水泵出口壓力計算得越符合實際情況 越節(jié)能，將全天分得越細越節(jié)能，當然控制的實現(xiàn)也越復雜。 最不利點恒壓控制 最不利點恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點處 ;使系統(tǒng)在運行過程中保持最不利點的壓力恒定。這種方式的節(jié)能效果是最佳的，但由于最不利點一般距離水泵較遠，壓力信號的傳輸在實際應用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。 變頻調速的方式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 3 縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉速、額定流量的條件下工作 水壓力將超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費。同 時水泵是工頻率啟動，且啟動頻繁，又會造成一定的能耗。而變頻恒壓供水在系統(tǒng)用水量下降時可無級調節(jié)水泵轉速，使供水鴨梨與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能，同時變頻器對水泵采用軟啟動，啟動時沖擊電流小，啟動能耗比較小。另外氣壓罐要消耗一定的鋼量，這也是它的一個較大的缺點。而變頻調速供水系統(tǒng)的變頻器是一臺由微機控制的電氣設備，不存在消耗多少鋼材的問題。同時由于氣壓罐體積大，占地面積一般為幾十平米。而變頻調速式中的調速裝置占地面積僅為幾平米。由此可見變頻調速供水方式比氣壓罐供水方式將節(jié)省大量占地面積。在運行 效果上，氣壓罐方式與調速式相比也存在著一定差距。氣壓罐方式的運行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它的頻繁啟動。由于氣壓罐的調節(jié)容量僅占其總容積的 1/3，因而每個罐的調節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動來保證供水，這樣將產(chǎn)生較大的噪聲，同時由于啟動過于頻繁，壓力不穩(wěn)，加之硬啟動，電氣和機械沖擊較大，設備損壞很快。變頻調速式的運行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，加之啟動方式為軟啟動，設備運行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機械沖擊。在小區(qū)供水中，而且由于調速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的，防止了的水質二次污染，保證了飲用水水質可 靠。 由此可見，變頻調速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網(wǎng)絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。由于城市供水量不斷加大，對城市管網(wǎng)的實時監(jiān)測提出了更高的要求。 頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義 泵站擔負著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務，運行中需大量消耗能量 ，提高泵站效率 :降低能耗，對國民經(jīng)濟有重大意義。我國泵站的特點是數(shù)量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設計中忽視動能經(jīng)濟觀點以及機電產(chǎn)品類型和質量上存在的一些問題等等原因，致使在技術水平、工程標準以及經(jīng)濟效益指標等方面與國外先進水平相比，還有一定的差距。目前，大量的電能消耗在水泵、風機負載上，城鄉(xiāng)居民用水設備所消耗的電量在這類負載中占了相當?shù)谋壤?。這一方面是由于我國居民多，用水量大，造成用電量大 :另一方面是因為我國供水設備工作效率低，控制方式不夠科學合理。造成不必要的能量浪費。 因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的控制策略方法，這里大有潛力可挖，是減少能耗，保障供水的一個很有意義的工作。 以變頻器為核心結合 抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、防雷避雷技術、現(xiàn)代控制、遠程監(jiān)控技術于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 4 統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控 ;同時系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水 平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 內(nèi)外研究概況 變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多 臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即 1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器 (丹佛斯是傳動產(chǎn)品全球五大核心供應商之一 )后，隨著變頻技術的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的 國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式。它將 板上，通過設置指令代碼實現(xiàn) 要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構成最多七臺電機 (泵 )的供水系統(tǒng)。這類設備雖然說是微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng) (如 和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。 目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調節(jié)及多臺水泵的循環(huán) 控制，有的采用可編程控制器(相應的軟件予以實現(xiàn) ;有的采用單片機及相應的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為 (現(xiàn)己更名為艾默生 )電氣公司和成都希望集團森蘭牌變頻器 )也推出了恒壓供水專用變頻器 (無需外接 完成最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(huán) (月麥丹佛斯公司的 。該變頻器將壓力閉環(huán)調節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。 可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現(xiàn)代控制技術、網(wǎng)絡和通訊技術同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 (變頻但壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實踐中。 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 5 采用變頻調節(jié)以后，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟起動，電機起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時間相應延長，對 電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對于電機的機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。這種調控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管 (市政來水管 )進口壓力保持恒定為條件。實際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。因此這種調控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài) . 變頻調速是優(yōu)于以往任何一種調速方式 (如調壓調速、變極調速、串級調速等 )，是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣、最有發(fā)展前途的電機調速技術 電力電子技術和電機傳動技術實 現(xiàn)了工業(yè)交流電動機的無級調速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點。以變頻器為核心結合 抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點。 計任務及要求 本系統(tǒng)以一個 供水系統(tǒng) 作為被控對象，研究基于 態(tài)軟件的 供水 監(jiān)控系統(tǒng)設計，使系統(tǒng)獲得較好的性能指標。主要設計內(nèi)容為：了解 供水系統(tǒng) 的運行工藝情況，設計 恒壓供水 控制系統(tǒng)的硬件電路；研究 恒壓變頻供水 的控制方法，開發(fā)基于 成系統(tǒng)監(jiān)控調試，實現(xiàn)對 系統(tǒng) 的高性能控制。 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 6 第 2 章 恒壓 供水系統(tǒng) 頻恒壓供水系統(tǒng) 隨著變頻技術的發(fā)展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質的供水質量等特點，廣泛應用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調速，依據(jù)用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產(chǎn)品質量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔 或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡供水調度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點 : (1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他 一些過程控制量 (如 :溫度、流量、濃度等 )一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。 (2)用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。 (3)變頻調速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。 (4)在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控 制，而定量泵的控制 (包括定量泉的停止和運行 )是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認為，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。 (5)當出現(xiàn)意外的情況 (如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等 )時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。 (6)水泵的電氣控制柜，其有遠程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制 信號或控制軟件相連，能對供水的相關數(shù)據(jù)進行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等功能。 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 7 (7)用變頻器進行調速，用調節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。 題研究的對象 圖 水流程簡圖 刺次設計研究的對象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。這棟樓有 10 層，由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時將造成能 源的浪費。如圖 示，是這棟小樓的供水流程。自來水廠送來的水先儲存的水池中再通過水泵加壓送給用戶。通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個用戶。 頻恒壓供水控制方式的選擇 目前國內(nèi)變頻恒壓供水設備電控柜的控制方式有： 1邏輯電子電路控制方式 這類控制電路難以實現(xiàn)水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調節(jié)，往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此，控制精度較低、水泵切換時水壓波動大、調試較麻煩、工頻泵起動時有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。 2單片微機電路控制方式 這類控制電路優(yōu)于 邏輯電路，但在應付不同管網(wǎng)、不同供水情況時，調試較麻煩；追加功能時往往要對電路進行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不太好。 3帶 控制方式 該方式變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源。實現(xiàn)電機的無級調速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 8 需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 出給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓 力反饋信號送入 入給變頻器一個轉速調節(jié)信號。 由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或 以對可編程控制器來講。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊 可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉變?yōu)槟M量。這樣，可編程控制器的成本沒有降低，還增加了 連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入，輸出的可編程控制器和一個 成本也和帶模擬量輸入，輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中， 4新型變頻調速供水設備 針對傳統(tǒng)的變頻調速供水設備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如華為的 耐德公司的 品；富士公司的 等。這些產(chǎn)品將 成了帶有各種應用的新型變頻器。由于 就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對 且 不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的 以使水壓的調節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調試非常 簡單、方便。 考慮以上四種方案后，此次設計采用第四種方案。如圖 示。 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 9 圖 水系統(tǒng)方案圖 頻構成恒壓供水系統(tǒng)的及工作原理 統(tǒng)的構成 圖 統(tǒng)原理圖 如圖 個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調速器，一臺 臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器 (反饋 0 5或壓力變送器 (反饋 4 20；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無極調速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 10 從原理框圖，我們可以看出變頻調速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構、信號檢測、控制系 統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分組成。 (1)執(zhí)行機構 執(zhí)行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖 個水泵分為二種類型 : 調速泵 :是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。 恒速泵 :水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調速泵的最大供水能力不足時 ，對供水量進行定量的補充。 (2)信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號 : 水壓信號 :它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。 報警信號 :它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常。該信號為開關量信號。 (3)控制系統(tǒng) 供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器 (、變頻器和電控設備三個部分。 供水控制器 :它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通 訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構 (即水泵 )進行控制。 變頻器 :它是對水泵進行轉速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。 電控設備 :它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手 /自動切換等。 (4)人機界面 人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設定壓力，修改一些系統(tǒng)設定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可 以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)示，對報警進行顯示。 (5)通訊接口 通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，同時通過通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進的網(wǎng)絡技術應用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進行遠程的診斷和維護等 (6)報警裝置 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 11 供水領域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供 水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由 行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失 作原理 合上空氣開關，供水系統(tǒng)投入運行。將手動、自動開關打到自動上，系統(tǒng)進入全自動運行狀態(tài)， 起動變頻器。根據(jù)壓力設定值 (根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設定 )與壓力實際值 (來自于壓力傳感器 )的偏差進行 輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預先設定好的加速時間控制水泵的轉速以保證水壓保持在壓力設定值的上、下 限范圍之內(nèi)，實現(xiàn)恒壓控制。同時變頻器在運行頻率到達上限，會將頻率到達信號送給 限信號和變頻器的運行頻率是否到達上限的信號，由程序判斷是否要起動第 2臺泵 (或第 3臺泵 )。當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時間，則 迅速起動下 1臺泵變頻運行。此時 算、判斷，進一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。 增泵工作過程：假定增泵順序為 l、 2、 3泵。開始時， 1泵電機在 運行速度由變頻器調節(jié)。當供水壓力小于壓力預置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉速上升，反之下降。當變頻器的輸出頻率達到上限，并穩(wěn)定運行后，如果供水壓力仍沒達到預置值，則需進入增泵過程。在 泵電機與變頻器連接的電磁開關斷開， 1泵電機切換到工頻運行，同時變頻器與 2泵電機連接， 控制 2泵投入調速運行。如果還沒到達設定值，則繼續(xù)按照以上步驟將 2泵切換到工頻運行，控制 3泵投入變頻運行。 減泵工作過程：假定減泵順序依次為 3、 2、 1泵。當供水壓力大于預置值時，變頻器 輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限，并穩(wěn)定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于預置值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調速運行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當最后一臺正在運行的主泵處于低速運行時，如果供水壓力仍大于設定值，則停機并啟動輔泵投入調速運行，從而達到節(jié)能效果。 頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析 在上面的工作流程中，我們提到當一臺調速水泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加恒速水泵來滿足供水要求， 達到恒壓的目的。當調速水泵和恒速水泵都在運行且調速水泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少恒速水泉來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，刁能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換。 盡管通涌變頻器的頻率都可以在 0當它用在供水系統(tǒng)中， 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 12 其頻率調節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在 50于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制， 50的上限頻率。當變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達 50使實際供水壓力仍然低于設定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機組切換，增加運行機組數(shù)量來實現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到 0為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網(wǎng)，因此，當電機運行頻率下降到一個 值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于 0體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在 20于在變頻運行狀態(tài)下，水泵機組中電機的運行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調節(jié)的下限頻率。 在實際應用中，應當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。所謂延時判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能 夠維持一段時間（比如 1如果在這一段延時的時間內(nèi)切換條件仍然成立，則進行實際的機組切換操作 ;如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。 電路接線圖 圖 2泵主回路接線圖 圖 電路圖 電機有兩種工作模式即：在工頻電下運行和在變頻電下運行。 別為電動機 頻運行時接通電源的控制接觸器， 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 13 分別為電動機 頻運行時接通電源的控制接觸器。 熱繼電器 (利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它在電路中的用作電動機的過載保護。 熔斷器 （ 是電路中的一種簡單的短路保護裝置。使用中，由于電流超過允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設備短路和嚴重過載。 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 14 第 3 章 器件的選型及介紹 編程控制器 介 編程控制器是 60 年代末在繼電器系統(tǒng)上發(fā)展起來的，當時稱作可編程邏輯控制器 (簡稱 編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展與繼電器控制系統(tǒng)有很大的關系。繼電器是一種用弱電信號控制強電信號的電磁開關，但在復雜的控制系統(tǒng)中，故障的查找和排除非常困難，不適應于工藝要求發(fā)生變化的場合。由此，產(chǎn)生了可編程控制器，它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術，用面向控制過程、面向用戶的簡單編程語句，適應工業(yè)環(huán)境，是簡單易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制器，是當代工業(yè)自動化的主要支柱之一?？删幊炭刂破骶哂胸S富的輸入 /輸出接口，并具有較強的驅動能力 ，但它的產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，其靈活標準的配置能夠適應工業(yè)上的各種控制。在實際應用中，其硬件可根據(jù)實際需要選用配置，其軟件則需要根據(jù)要求進行設計。 圖 可編程邏輯控制器，采用的是計算機的設計思想，最初主要用于順序控制，只能進行邏輯運算。隨著微電子技術計算機技術和通信技術的發(fā)展，以及工業(yè)自動化控制愈來愈高的需求， 度上、智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都有很大的提高?，F(xiàn)在的 功能遠遠超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控 制、過程控制以及遠程通信等強大功能。美國電氣制造商協(xié)會 (其正式命名為可編程控制器 (簡稱 是為了和個人計算機 (簡稱 們常常把可編程控制器仍簡稱為 事實上與所有的器件一樣， 無法向操作者顯示動態(tài)的設備狀態(tài)參數(shù)，無法進行大批量數(shù)據(jù)的存貯與轉化，尤其是當系統(tǒng)工藝改變時，無法方便、快速地改變相關參數(shù)、配方。因此，在現(xiàn)今的稍微復雜一些的控制系統(tǒng)中， 配合使用，實現(xiàn)完整的控制功能。 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 15 特點 現(xiàn)代可編程控制器不僅能實現(xiàn)對開關量的邏輯控制，還具有數(shù)學運算、數(shù)學處理、運動控制、模擬量 制、通信網(wǎng)絡等功能。在發(fā)達的工業(yè)化國家，可編程控制器已經(jīng)廣泛的應用在所有的工業(yè)部門，其應用已擴展到樓宇自動化、家庭自動化、商業(yè)、公用事業(yè)、測試設備和農(nóng)業(yè)等領域。歸納可編程控制器主要有以下幾方面的優(yōu)點： 1）編程方法簡單易學 2）功能強，性能價格比高 3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強 4）無觸點免配線，可靠性高，抗干擾能力強 5）系統(tǒng)的設計、安裝、 調試工作量少 6）維修工作量小，維修方便 7）體積小，能耗低。 工作過程 圖 用循環(huán)順序掃描的工作方式，其工作過程就是程序的執(zhí)行過程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，如圖 ： 輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板在上一個刷新時間的狀態(tài)； 程序如何執(zhí)行，取決于用戶所編的程序和輸入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需軟元件的狀態(tài)； 輸出映像寄存器（ 包含在元件映像寄存器中）的狀態(tài)，由輸出指令的執(zhí)行結果決定。 輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個刷新時間輸出映像寄存器的狀態(tài)決定； 輸出端子上的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器中的狀態(tài)決定。 選型 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 16 水泵 可工頻運行，需 個輸出點，變頻器的運行與關斷由 個輸出點，控制變頻器使電機正轉需 1個輸出信號控制，報警器的控制需要 1個輸出點，輸出點數(shù)量一共 9個?？刂破饎雍屯Ｖ剐枰?2個輸入點，變頻器極限頻率的檢測信號占用 統(tǒng)自動 /手動起動需 1輸入點，手動控 制電機的工頻 /變頻運行需 6個輸入點，控制系統(tǒng)停止運行需 1個輸入點，檢測電機是否過載需 3個輸入點，共需 15個輸入點。系統(tǒng)所需的輸入輸出點數(shù)量共為 24個點。本系統(tǒng)選用 接線 圖 1的變頻運行， 1的工頻運行； 2的變頻運行， 2的工頻運行； 3的變頻運行， 3的工頻運行。 頻器的 4接 2的熱繼電器， 3的熱繼電器。 為了防止出現(xiàn)某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同時控制 率檢測的上 /下限信號分別通過 2與 頻器 頻器的構成 通常由變頻器主電路（ 逆變元件）給異步電動機提供調壓調頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進 行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運轉指令進行運算獲得。對于需要更精密速度或快速響應的場合，運 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 17 算還應包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損失外，還應保護異步電動機及傳動系統(tǒng)等 圖 頻器的構成 給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖 示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”以及將直流功率變換為交 流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加“制動回路”。 整流器 最近大量使用的是二極管的交流器，圖 示，它把工頻電源變換為直流電源。可用兩組晶體管交流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。 平波回路 在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電壓吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路的構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 逆變器 同整流器相反，逆變器的作用是 將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據(jù)制信號使 6 個開關器件導通、關斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。 制動回路 異步電動機在再生制動區(qū)域使用時（轉差率為負），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統(tǒng)（含電動機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用由逆變流器向電源反饋或設置制動回路（開關和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 18 圖 型的電壓型逆變器一例 給異步電動機供電（電壓、頻率可調 ）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。如圖 示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓 /電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。 在圖 劃線內(nèi)，僅以控制電路 A 部分構成控制電路時，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路 B 部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環(huán)控制。 控制電路主要包括： 運算電路 將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓 信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、功率。 電壓 /電流檢測電路 與主電路電位隔離，檢測電壓、電流等。 驅動電路 為驅動主電路 器件的電路。它使主電路器件導通、關斷。 速度檢測電路 以裝在異步電動機軸上的速度檢測器（ ）的信號為速度信號 送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉。 保護電路 檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。 保護回路主要包括： （ 1）逆變器保護 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 19 1）瞬時過電壓保護。由于逆變器負載 側短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉，切斷電流。交流器的輸出電流達到異常值，也同樣停止逆變器運轉。 2）過載保護。逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運轉。恰當?shù)谋Ｗo需要反時限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護（使用電子電路）。過負載是由于負載的 性）過大或因負載過大使電動機堵轉而產(chǎn)生的。 3）再生過電壓保護。采用逆變器使電動機快速減速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\轉 或停止快速減速的辦法，防止過電壓。 4）瞬時停電保護。對于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電時間在 10上時，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運轉。 5）接地過電流保護。逆變器負載側接地時，為了保護逆變器，有時要有接地過電流保護功能。但為了確保人身安全，需要轉設漏電斷路器。 6）冷卻風機異常。有冷卻風機的裝置，但風機異常時裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。 （ 2）異步電動機的保護 1）過載保護。過載檢出裝置 與逆變器保護共用，但考慮低速運轉的過熱時，在異步電動機內(nèi)埋入溫度傳感器，或者利用轉在逆變器內(nèi)的電子熱保護來檢出過熱。動作頻繁時可以考慮減輕電動機負載、增加電動機及逆變器容量等。 2）超頻（超速）保護。逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規(guī)定值時，停止逆變器運轉。 （ 3）其他保護 1）防止失速過電流。急加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉就不能繼續(xù)進行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于恒速運轉中的過電流，也進行同樣的控制。 2）防止失速再生過 電壓。減速時產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護電路動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過電壓。 頻器的特點 變頻器具有過壓、欠壓、過流、過載、短路、失速等自動保護功能。能實現(xiàn)電機軟起動，減小電氣和機械沖擊噪音，延長設備使用壽命。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有以下幾個特點 : 1節(jié)能： 變頻調速恒壓供水設備使整個供水系統(tǒng)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)節(jié)電率可達 35% 60% ，這一特點已被廣大用戶所認識并帶來效益 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 20 2占地面積小，投人少，效率高： 設備結構緊湊占地面 積少維護方便維護費用低投資省安裝快如僅供幾棟居民樓生活用水的小型供水設備在樓梯間樓梯下幾平方米的地方即可安裝 3配置靈活，功能齊全，自動化程度高。 4由于變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染， 大大降低水質污染的可能性：眾所周知南方氣候炎熱潮濕細菌和微生物極易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生紅蟲必須定期清洗改用變頻調速恒壓供水設備后只需一個低位水箱原來也有將水質污染降到最低限度。 5通過通信控制，可以實現(xiàn)無人值守，節(jié)省了人力物力 頻器的選型 根據(jù)設計的要求，本系統(tǒng)選用 下圖所示： 圖 基于 恒壓供水系統(tǒng)設計 21 頻器的接線 管腳 7管腳，控制電機的正轉。 率檢測的上 /下限信號分別通過 2與 圖 節(jié)器 僅用 能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加 消除由改 變目標值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是， 快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用 對于 生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨 此來抑制偏差的增加。偏差小時， 制對象含有積分元件的負載場合，僅 時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使 用 言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。 利用 動作抑制振蕩作用，在結合 系統(tǒng)就是采用