恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用與原理.doc

1、恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用與原理本設(shè)計(jì)的內(nèi)容是 PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)，主要用到了 PLC和變頻器， 系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的速度，改變了以往先啟后停的方式， 系統(tǒng)能夠自動(dòng)和手動(dòng)完成各個(gè)泵的啟動(dòng)、停止和無沖擊切換，以及故障報(bào)警，使水壓平穩(wěn)過渡。在恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)變頻器控制也進(jìn)行了必要的講解。包括變頻原理， 變頻器的分類以及參數(shù)的設(shè)定。 其硬件由 PLC、變頻器、 電機(jī)、繼電器等組成。 詳細(xì)的論述了 PLC的原理、變頻器的原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)；操作、參數(shù)設(shè)定、控制系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中利用 PLC控制變頻器，采用PID 控制器，形成以壓力為閉環(huán)的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)供水壓力的

2、恒定， 而泵的啟動(dòng)和停止可以自動(dòng)和手動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)運(yùn)行可靠， 抗干擾性強(qiáng)，且具有經(jīng)濟(jì)性。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)， 廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會(huì)繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備，所以，此技術(shù)用在對(duì)原有系統(tǒng)的改造過程中，既可以體現(xiàn)變頻控制恒壓供水的優(yōu)勢(shì)，又可以盡量保留原有的設(shè)備，有效的節(jié)省了大量的資金，并且可以保證系統(tǒng)的可靠的運(yùn)行。1.1、變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)計(jì)方案通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成 4-20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PID 調(diào)節(jié)器，經(jīng)運(yùn)算與給定的壓力進(jìn)行比較，得

3、出一比較參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水量，使供水管網(wǎng)上的壓力保持在給定的壓力上， 當(dāng)用水量超過一臺(tái)泵的供水量時(shí)，通過 PLC控制切換器進(jìn)行加泵。根據(jù)用水量的大小由 PLC控制工作泵的數(shù)量增減及變頻器對(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。 當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)， 輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)功能，充分保證了水泵的及時(shí)維修和系統(tǒng)的正常供水。圖 3-1 為變頻恒壓供水系統(tǒng)。其中變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速， 從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。 傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓， 壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿

4、足用戶需求的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 PID 控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。還有一種方法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送入PID 回路調(diào)節(jié)器， 由 PID 回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)，如圖3-1 中虛線所示。供水設(shè)備控制13 臺(tái)水泵，在這些水泵中，只有一臺(tái)變頻泵。當(dāng)供水設(shè)備供電開始時(shí)，先啟動(dòng)變頻泵，管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)， 變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在這一數(shù)值上。而當(dāng)用水量增加， 水壓降低時(shí)，傳感器將這一信號(hào)送入可編程控制器或 PID 回路調(diào)節(jié)器， 可編程控制器或 PID 回路調(diào)節(jié)器則送出一個(gè)比用

5、水量增大的信號(hào)， 使變頻器的輸出頻率上升，水泵的轉(zhuǎn)速提高，水壓上升。如果用水量增加很多， 使變頻器的輸出頻率達(dá)到最大值， 仍不能使管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值， 可編程序控制器或 PID 回路調(diào)節(jié)器就發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)一臺(tái)工頻泵，其他泵依次類推。反之，當(dāng)用水量減少， 變頻器的頻率達(dá)到最小值時(shí)， 則發(fā)出減少一臺(tái)工頻泵的信號(hào)， 其他泵依次類推。圖 3-1 中 M1-M3 為電機(jī)， P1-P3 為水泵， KM1-KM6 為電機(jī)起、停、互相切換的交流接觸器。直流電抗器外部制動(dòng)電阻DCRDB2）B（G（）PDP1（+）DB（-）DBR圖 3-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或PID 回

6、路調(diào)節(jié)器給出的， 所以對(duì)可編程來講，要有模擬量輸入接口。由于帶模擬量輸入/ 輸出接口的可編程控制器價(jià)格很高，這無形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶模擬量輸入/ 輸出接口的可編程控制器，則要在可編程器的數(shù)字量輸出口另接一塊PWM 調(diào)制板，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個(gè)開關(guān)量輸入/ 輸出接口的可編程控制器和一個(gè)PID 回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入/ 輸出接口的可編程控制器差不多。所以，在變頻器調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中， PID 控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水的不足之處，國(guó)外不少生產(chǎn)廠商近年來紛紛推出一系列的新型產(chǎn)

7、品，如 ABB 公司的 ACS600、ACS400系列產(chǎn)品，富士公司的G11S/P11S 系列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品將 PID 調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型。 1.2 變頻恒壓供水控制方式眾所周知，水泵消耗與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即：N：為水泵消耗功率；K：為比例系數(shù)水泵設(shè)計(jì)是按工頻運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)的，但除用水高峰外，大部分時(shí)間流量較小，因此可以使水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的目的。實(shí)踐證明， 使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可達(dá)20%-40%。目前國(guó)內(nèi)各廠家的供水設(shè)備電控柜，除采用落后的繼電接觸器

8、控制方式外，大致有以下四類：（ 1）邏輯電子電路控制方式：這類控制電路難以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調(diào)節(jié)。往往采用一臺(tái)泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻工作狀態(tài)的方式。因此控制精度較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調(diào)試較麻煩、工頻泵啟動(dòng)時(shí)有沖擊、抗干擾能力較低，但成本較低。（ 2）單片機(jī)電路控制方式：這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)調(diào)試較麻煩，追加功能時(shí)往往要對(duì)電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不是很高。（ 3）帶 PID 回路調(diào)節(jié)器和/ 或可編程序控制器（PLC）的控制方式：此時(shí)變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速， 從而使管網(wǎng)

9、水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓。壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID 控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送入PID 回路調(diào)節(jié)器，由PID 回路調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)調(diào)速信號(hào)。（ 4）新型變頻調(diào)速供水設(shè)備針對(duì)傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國(guó)內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品。 這些產(chǎn)品將PID 調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器，形成了帶有各種應(yīng)用宏的變頻器，由于 PID 運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去對(duì)可編程存控制器存

10、貯容量的要求和對(duì)PID 算法的編程，而且PID 參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(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PID 調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法。所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓信號(hào)反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失信，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。一、恒壓供水控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1、恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)綜合PLC在多方面的應(yīng)用，既有開關(guān)量I/O，也有模擬量 I/O，及其 PID 調(diào)節(jié)器的使用。另外，設(shè)計(jì)中還使用了變頻器控制。工藝過程隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，城市高層建筑的供水問題日益突出。一方面要求提高供水質(zhì)量

11、，不要因?yàn)閴毫Φ牟▌?dòng)造成供水的障礙；另一方面要求保證供水的安全性和可靠性，提高供水質(zhì)量。針對(duì)這方面的要求，本設(shè)計(jì)以PLC豐富的控制功能，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)為三臺(tái)水泵的恒壓供水控制系統(tǒng)。工藝過程如圖3-2 所示。直流電抗器外部制動(dòng)電阻DCRDB2B（）GP D（）P1（+）DB（ -）DBR圖 3-2市水網(wǎng)來水用高低水位控制器EQ 來控制注水閥YV1，它們自動(dòng)把水注滿儲(chǔ)水池，只要水位低于高水位，則自動(dòng)往水箱中注水。水池的高/ 低水位信號(hào)由傳感器直接送給PLC，作為低水位報(bào)警用。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器的高低距離不是相差很大。三臺(tái)水泵根據(jù)用水量的多少，按一定的控制邏輯運(yùn)行，使供

12、水在恒壓狀態(tài)下進(jìn)行。系統(tǒng)控制要求對(duì)三臺(tái)泵恒壓供水的基本控制要求：（ 1）系統(tǒng)開始供水時(shí)，變頻運(yùn)行；（ 2）三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要，采取“先開先?！钡脑瓌t接入和退出；（ 3）在用水量小的情況下，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過3 小時(shí)， 則要切換到下一臺(tái)泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”可避免某一臺(tái)泵長(zhǎng)時(shí)間工作；（ 4）三臺(tái)泵啟動(dòng)時(shí)有延時(shí)，減小電流過大時(shí)對(duì)其他用電設(shè)備的沖擊；（ 5）要有完善的報(bào)警功能；（ 6）對(duì)電機(jī)的操作要有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制功能。2、傳感器選用采用 FT-1壓力傳感器， FT-1E液位傳感器，均將4-20mA 的壓力、液位信號(hào)送入PLC。3、變頻器選用變頻器采用ABB 公司的 ACS400變

13、頻器，該產(chǎn)品具有矢量控制，過流、過壓、變頻器熱保護(hù)、電機(jī)熱保護(hù)、失速、瞬時(shí)關(guān)斷保護(hù)、外部故障、脈沖編碼、 電機(jī)過載（ V/F）、變頻器過載保護(hù)等功能。通過 PLC模擬量輸出端子來控制變頻器的頻率及其復(fù)位操作，從而達(dá)到電機(jī)速度跟隨壓力給定，保證管網(wǎng)水壓的恒定。4、變頻器參數(shù)設(shè)定圖 3-3 變頻器參數(shù)表序號(hào)參數(shù)設(shè)定值注釋9905MOTOR NOM VOLT380額定電壓9906MOTOR NOM CUUR額定電流9907MOTOR NOM FREQ50額定頻率9908MOTOR NOM SPEED1440額定轉(zhuǎn)速9909MOTOR NOM POWER額定功率1102EXT1/EXT2/SEL1外部

14、給定選擇1103EXT1 SELECT11104REF1 MIN3最小給定1105REF1 MAX47最大給定2202ACCELER TIME15S加速時(shí)間2203DECELER TIME25S減速時(shí)間二、使用中的常見對(duì)策問： 1 臺(tái)變頻器帶多臺(tái)電機(jī)時(shí)，怎么選定變頻器容量答：1 臺(tái)變頻器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)，請(qǐng)使電機(jī)額定容量的總和在變頻器的額定輸出電流以下并保留 10%余量。電機(jī)在運(yùn)行過程中應(yīng)該同時(shí)起停，而不要中途投入/ 退出。問：怎么設(shè)定加減速時(shí)間及轉(zhuǎn)矩提升,答： 1、負(fù)載的慣量大，一般起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小。所以，加減速度時(shí)間值設(shè)定大時(shí)，轉(zhuǎn)矩提升值要設(shè)定小。2、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的負(fù)載，一般慣量小。所以，加減速時(shí)

15、間設(shè)定小時(shí)，轉(zhuǎn)矩提升要設(shè)定大一些。而且 如果加減速時(shí)間長(zhǎng)，大電流流過的時(shí)間長(zhǎng)。逐步加大轉(zhuǎn)矩提升，電流會(huì)逐步減小，直到電流反而增大時(shí)，停止轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)奶嵘?。始?dòng)頻率設(shè)得高一些（5-10Hz）。3、用矢量控制模式，自動(dòng)設(shè)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。問：如何最大限度地減少干擾答： 1、對(duì)產(chǎn)生干擾方（變頻器）的對(duì)策：傳導(dǎo)干擾 在輸入側(cè)用干擾濾波器，在輸入側(cè)使用干擾濾波器（輸入專用） 、零相電抗器、接地電容、絕緣變壓器。感應(yīng)干擾 把輸入 / 輸出線、動(dòng)力線、信號(hào)線分離。采用屏蔽線，并使用電源線濾波器（共用扼流圈、磁環(huán)），正確接地。輻射干擾 注意控制柜子中的安裝和動(dòng)力線的金屬配管。 降低載波頻率也有效果。2、對(duì)被干擾方的對(duì)策

16、：盡量遠(yuǎn)離變頻器。信號(hào)線采用屏蔽線，且屏蔽線只有一端和共用端相接。 還可以使用磁環(huán)和濾波電容。在電源線中插入電源線濾波器（正常狀態(tài)扼流器、小型的噪音濾波器）。接地線的分離。問：是否可以由輸入側(cè)電磁接觸器來進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)/停機(jī)?答：不可以。因?yàn)轭l繁開/ 關(guān)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致充電電阻損壞。馬達(dá)自由空轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過電流，容易擊穿逆變模塊。問：出現(xiàn)整流橋損壞如何解決答：電網(wǎng)與變頻器的不協(xié)調(diào)，可能造成變頻器整流橋的損壞，可以考慮裝輸入交流電抗器選購(gòu)件對(duì)應(yīng)。需要裝交流電抗器的判斷條件如下：（ 1）變壓器容量大于500KVA，且變壓器容量與變頻器容量的比大于10 時(shí)。（ 2）同一電源變壓器裝有可控硅負(fù)載或功率因素補(bǔ)償電容

17、器時(shí)。（ 3）電源三相電壓不平衡超過3%時(shí)。（ 4）需要改善輸入功率因素時(shí)。三、安裝及使用事項(xiàng)安裝外圍設(shè)備問題：在安裝變頻器時(shí)首先要了解變頻器的使用場(chǎng)合，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要設(shè)置不同的外圍設(shè)備。這里變頻器的主要外圍設(shè)備有：空氣斷路器、電磁接觸器、交流電抗器、制動(dòng)電阻、直流電抗器、輸出交流電抗器，無線噪聲濾波器等等。1、空氣斷路器是一種不僅能正常接觸和斷開電路，并能在過電流、逆電流、短路和失（欠）電壓等非正常情況下動(dòng)作的自動(dòng)電器。 其主要作用是保護(hù)交、 直流電路內(nèi)的電氣設(shè)備，也可以不頻繁地操作電路。 在這里用來迅速切斷變頻器， 防止變頻器及其線路故障導(dǎo)致電源故障。2、交流電抗器又叫 AC 電抗器、電源協(xié)調(diào)用的交流電抗器。其主要功能是防止電源電網(wǎng)的諧波干擾。3、交流接觸器簡(jiǎn)稱接觸器。它是用來頻繁遠(yuǎn)距離接