恒壓供水系統(tǒng)變頻器課程設(shè)計

1、變頻器課程設(shè)計第 1 頁共 13 頁課程設(shè)計報告書課程設(shè)計報告書交流調(diào)速系統(tǒng)與變頻器應(yīng)用交流調(diào)速系統(tǒng)與變頻器應(yīng)用恒壓供水系統(tǒng)恒壓供水系統(tǒng)課程名稱：課程名稱： 交流調(diào)速系統(tǒng)與變頻器應(yīng)用交流調(diào)速系統(tǒng)與變頻器應(yīng)用 課題名稱：課題名稱：恒壓供水系統(tǒng)恒壓供水系統(tǒng) 系部名稱系部名稱： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 姓姓 名：名：學(xué)學(xué) 號：號：年年 月月 日日變頻器課程設(shè)計第 2 頁共 13 頁設(shè)設(shè) 計計 任任 務(wù)務(wù) 書書設(shè)計目的設(shè)計目的： 自動恒壓供水在日常生活中應(yīng)用較多，用變頻器可以比較容易的實現(xiàn)恒壓供水。本設(shè)計的目的在于設(shè)計一種用變頻器實現(xiàn)的高樓無塔恒壓系統(tǒng)。 技術(shù)指標技術(shù)指標：1、三臺水泵電機功率分別為2.

2、2KW、3KW、5.5KW。2、采用 PLC 控制，用水高峰時壓力穩(wěn)定在 0.3MPa3、系統(tǒng)具有休眠功能4、采用閉環(huán)控制，確保壓力波動小、達到設(shè)定壓力時間短5、有輸入電源缺相、過壓、過流、過載等安全保護功能 6、該系統(tǒng)具備防誤操作等功能 變頻器課程設(shè)計第 3 頁共 13 頁一、恒壓供水系統(tǒng)的介紹一、恒壓供水系統(tǒng)的介紹一個三臺泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)主要是由 PLC、變頻器、壓力傳感器、水泵斷路器、接觸器、中間繼電器以及水泵等組成。用戶通過控制柜上的指示操作面板上的指示燈、TD-200 顯示屏及按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運行。市網(wǎng)自來水用高低水位控制器 EQ 來控制注水閥，它們自動把水

3、注滿儲水水池，只要水位低于高水位，則自動往水箱內(nèi)注水。水池的高/低水位信號也接送給 PLC，作為低水位報警用。通過安裝在出水管網(wǎng)上的遠傳壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)化為 4-20mA 的標準信號送入 PLC，經(jīng) PID 運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得出調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使系統(tǒng)的供水管網(wǎng)壓力保持在給定壓力上；當(dāng)用水量超過一臺泵的供水量時，通過 PLC 控制增加泵。根據(jù)用戶用水量的大小來控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以壓力設(shè)定值為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了保證供水的連續(xù)性，水位

4、上下限傳感器高低距離不是很大。生活用水和消防用水共三臺泵，平時由兩臺生活泵負責(zé)生活用水，當(dāng)消防系統(tǒng)啟動時，生活用水水泵立即停止運行，消防泵立即投入運行，并按設(shè)定壓力對消防水泵進行變頻調(diào)速。消防系統(tǒng)警報解除后，生活泵再投入運行。二、恒壓供水系統(tǒng)的原理二、恒壓供水系統(tǒng)的原理 恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制原理是：采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入 CPU 運算處理后，

5、發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。目前自動恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動機調(diào)速裝置均采用交流變頻技術(shù)，而系統(tǒng)的控制裝置采用 PLC 控制器，因 PLC 不僅可實現(xiàn)泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)功能，可對系統(tǒng)中的各種運行參數(shù)、控制點的實時監(jiān)控。恒壓供水指的是主管出口壓力恒定的供水方式。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)通過實時檢測供水主管出口壓力，然后與設(shè)定值進行比較,經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器運算處理后,在線自動調(diào)節(jié)變頻器,控制泵的轉(zhuǎn)速隨壓力變化而變化,最終達到主管出口壓力穩(wěn)定在設(shè)定值上的目的。原理圖見圖下圖變頻器課程設(shè)計第 4 頁共

6、13 頁圖 2-1 恒壓供水原理圖首先我們要清楚變頻調(diào)速的原理，由交流感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速公式 =60f1/p *(1-s) （式中 n電機轉(zhuǎn)速;f定子供電頻率;s轉(zhuǎn)差率;p電機極對數(shù)）可知：如均勻地改變電機定子的供電頻率1,就可平滑改變電機轉(zhuǎn)速.對于異步電動機的變頻傳動,為了避免電機過磁飽和,同時抑制啟動電流,產(chǎn)生必需的轉(zhuǎn)矩進行安全運轉(zhuǎn),在改變頻率的同時,對定子電壓也應(yīng)作相應(yīng)調(diào)節(jié).逆變器主回路把三相 50交流電整流濾波為直流,再通過脈寬調(diào)制器觸發(fā)大功率晶體管,把直流變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，由此可實現(xiàn)變頻調(diào)速。那么下面我們就關(guān)心的問題就是水流量與轉(zhuǎn)速及軸功率的關(guān)系。由流體力學(xué)的原理可得下列表

7、達式: Q1/Q2=n1/n2; H1/ H2= (n1/n2) 2; P1/ P2= (n1/n2)3 （其中 Q 代表流量；H 代表揚程（水壓）；P 代表軸功率；n 代表轉(zhuǎn)速），當(dāng)流量減小，水泵轉(zhuǎn)速下降，其電機輸出功率則大幅度下降。例如：當(dāng)流量下降到 80，轉(zhuǎn)速也下降到 80時，其軸功率則下降到額定功率的 51；當(dāng)流量降到 50，軸功率將下降到額定功率的 13，即使考慮到由于轉(zhuǎn)速降低引起效率下降等附加控制裝置的效率等因素，其節(jié)能效果也是很明顯的。三三 變頻恒壓供水系統(tǒng)變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成的構(gòu)成 系統(tǒng)采用 PLC 變頻器恒壓供水系統(tǒng)的方案，供水系統(tǒng)方案圖如下：圖 3-1 系統(tǒng)方案圖： 變頻

8、器課程設(shè)計第 5 頁共 13 頁 系統(tǒng)的原理圖如下整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調(diào)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05V電壓信號)或壓力變送器(反饋420mA電流)；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(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分組成。 系統(tǒng)各部件的選擇：1、 PLC水泵M1、M2，M3可變頻

9、運行，也可工頻運行，需PLC的6個輸出點，變頻器的運行與關(guān)斷由PLC的1個輸出點，控制變頻器使電機正轉(zhuǎn)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?個輸入點，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC2個輸入點，系統(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S7-200 PLC。PLC的接線圖如下：變頻器課程設(shè)計第 6 頁共 13 頁Y0接KM0控制M1的變頻運行，Y1接KM1控制M1的工頻運行；Y2接KM2控

10、制M2的變頻運行，Y3接KM3控制M2的工頻運行；Y4接KM4控制M3的變頻運行，Y5接KM5控制M3的工頻運行。X0接起動按鈕，X1接停止按鈕，X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口，X4接M1的熱繼電器，X5接M2的熱繼電器，X6接M3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(shè)計了電氣互鎖。在同時控制M1電動機的兩個接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。頻率檢測的上/下限信號分別通過OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號。 I/O的分配根據(jù)功能要求和工藝流程，我們統(tǒng)一了I/O接點的分配，分配表如表3.6所示。根據(jù)P

11、LC口的分配，系統(tǒng)的控制要求以及合理利用I/O口的原則16。表 3.6 I/O 分配表輸入器件輸出器件I0.0啟動（SB0）Q0.0驅(qū)動 KM1（1#泵變頻）I0.1停止（SB1）Q0.1驅(qū)動 KM2（2#泵變頻）I0.2液位傳感器Q0.2驅(qū)動 KM3（1#泵工頻）I0.3變頻器達到上限Q0.3驅(qū)動 KM4（2#泵工頻）I0.4變頻器達到下限Q0.4驅(qū)動 KM5（備用泵工頻）I0.51#水泵故障Q0.5報警指示燈I0.62#水泵故障變頻器課程設(shè)計第 7 頁共 13 頁I0.7變頻器故障2、變頻器根據(jù)設(shè)計的要求，本系統(tǒng)選用西門子MM4系列變頻器，有以下功能：（1） 自動切換變頻-工頻運行功能變頻

12、器提供三種不同的工作方式供用戶選擇：方式 0：基本工作方式。變頻器始終固定驅(qū)動一臺泵并實時根據(jù)其輸出頻率控制其他輔助泵的啟停。即當(dāng)變頻器的輸出頻率達到最大頻率時啟動一臺輔助泵工頻運行，當(dāng)變頻器的輸出頻率達到最小頻率時則停止啟動最后啟動的輔助泵。由此控制增減工頻運行泵的臺數(shù)。方式 1:交替方式，變頻器通常固定驅(qū)動某臺泵，并實時根據(jù)其輸出頻率，是輔助泵工頻運行，次方式與方式 0 不同之處在于若前一次泵啟動的順序是泵1-2，當(dāng)變頻器輸出停止時，下一次啟動順序變?yōu)楸?2-泵 1。方式 2：直接方式。當(dāng)啟動信號輸入時變頻器啟動第一臺泵，當(dāng)泵達到最高頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺泵變

13、頻運行，相反當(dāng)泵停止條件成歷史，先停止最先啟動的泵。（2） “休眠”功能 系統(tǒng)運行時經(jīng)常會遇到用戶用水量較小或不用水情況，為了節(jié)能，該系統(tǒng)專用設(shè)置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當(dāng)變頻器頻率輸出低于其下限時，變頻器停止工作，2#、3#泵不工作，水泵停止。當(dāng)水壓繼續(xù)升高時將停止 1 泵，當(dāng)水壓下降到一定值時將先啟動變頻器運轉(zhuǎn) 2#泵或 3#泵，當(dāng)頻率達到一定值后將啟動 1#泵調(diào)節(jié) 2#或 3#泵的轉(zhuǎn)速?！靶菝咧怠弊冾l器輸出的下限頻率 PR507 設(shè)置?！靶菝叽_認時間”用參數(shù) PR506 設(shè)置，當(dāng)變頻器的輸出頻率低于休眠值的時間，如小于休眠時間 td 時，即 td tn 時變頻器將進入休眠狀態(tài)

14、.“喚醒值”由供水壓力下限啟動，當(dāng)供水壓力低于下限值時由 PLC 發(fā)出指令喚醒變頻器工作。經(jīng)測試 “休眠值”為 10Hz “ 休眠確認時間”td:20s “喚醒值 ” 70%3、壓力傳感器本系統(tǒng)采用適用于測量氣體或液體壓力的電容式壓力傳感器，下圖所示是單只變極距型電容壓力傳感器，流體或氣體壓力(P)作用于彈性膜片(動極板)，變頻器課程設(shè)計第 8 頁共 13 頁使彈性膜片產(chǎn)生位移，位移導(dǎo)致電容量的變化。 圖 4.2 單只變極距型電容壓力傳感器水泵在運行中普遍存在以下三個問題：單機效率低，系統(tǒng)運行效率低，多數(shù)風(fēng)機、水泵都要靠閥門來節(jié)流、增壓，浪費大量的電能另外，在節(jié)能調(diào)節(jié)方式中，電動機、水泵等長期

15、處于高速、大負載下運行，造成維護工作量大，設(shè)備壽命低，并且運行現(xiàn)場噪聲大，污染環(huán)境。出于節(jié)能的迫切需要和對產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)速器易操作、免維修、控制精度高，并且可以實現(xiàn)高功能優(yōu)化等特點，設(shè)計人員采用變頻器驅(qū)動的方案逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速與流量，壓力nQ以及軸功率具有如下關(guān)系：HP ,Qn2,Hn3,Pn即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。以一臺水泵為例，它的出口壓頭為(出口壓頭即泵入口和管路出口的靜0H壓力差)。額定轉(zhuǎn)速，閥門全開時的管阻特性為，額定工況下與之對應(yīng)

16、的壓0n0r力為，出口流量為。流量轉(zhuǎn)速壓力關(guān)系曲線如圖 1.1 所示。在現(xiàn)1H1Q場控制中，要求管網(wǎng)壓力不得低于，在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水流量。通常采3H變頻器課程設(shè)計第 9 頁共 13 頁用水泵定速運行，調(diào)節(jié)出口閥門開度控制流量。當(dāng)流量從減小到 50%至?xí)r，1Q2Q閥門開度減小使管網(wǎng)阻力特性由變?yōu)?，系統(tǒng)工作點沿方向 由原來的 A 點移0r1r至 B 點，受其節(jié)流作用使得泵口壓力由變?yōu)?，管網(wǎng)壓力則因為節(jié)能原因1H2H降至。3H四、系統(tǒng)硬件接線四、系統(tǒng)硬件接線 電氣控制系統(tǒng)的主回路如圖 5.3 所示。圖中，M1，M2，M3 為三臺電機；交流接觸器 KM1KM6 控制三臺電機的運行，另一側(cè)接變頻器的

17、三個輸出端 U，V，W；KH1，KH2，KH3 為電機 M1，M2，M3 過載保護用的熱繼電器；QF1，QF2，QF3，QF4，QF5 分別為主回路、變頻器和三臺泵的工頻運行空氣開關(guān)；變頻器與壓力傳感器和 S7-200 PLC 相連。其它電動閥在該回路中并未畫出。系統(tǒng)的控制線路如圖所示。變頻器課程設(shè)計第 10 頁共 13 頁KM1L1KM2KM3KM4L2L3L4L5KM5I0.0I0.7I0.6I0.5I0.4I0.3I0.2I0.124VDCMM1L+1L2LQ0.0Q0.4Q0.3Q0.2Q0.1Q0.5接液位傳感器接變頻器20號端口CPU222AC/DCKM2KM3KM1KM4KM1K

18、M224VSB1SB2接變頻器21號端子接變頻器22號端子FR1FR2220V控制線路圖4、PID參數(shù)設(shè)置值我們不需要進行 PID 調(diào)節(jié)器的設(shè)計，只需進行簡單的參數(shù)設(shè)置就可以了。首先將設(shè)置模擬輸入的 DIP 開關(guān) 1 撥到 ON 位置，選擇為 420mA 輸入，將 DIP開關(guān) 2 撥到 OFF 位置選擇電動機的頻率，OFF 位置為 50Hz。其它參數(shù)的設(shè)置如表 3.7 所示。參數(shù)名稱參數(shù)名稱P0003=2用戶訪問級別為專家級P2255=100PID的增益系數(shù)P0004=22參數(shù)濾過，選擇PID應(yīng)用宏P(guān)2256=100PID微調(diào)信號的增益系數(shù)P0700=2選擇命令源，選擇為端子控制P2257=1

19、0SPID設(shè)定值的斜坡加速時間P1000=2頻率設(shè)定選擇為模擬設(shè)定值P2258=10SPID設(shè)定值的斜坡減速時間P1080=5Hz最小頻率R2260=100%顯示PID的總設(shè)定值變頻器課程設(shè)計第 11 頁共 13 頁P1082=50Hz最大頻率R2261=3SPID設(shè)定值的濾波時間常數(shù)P2200=1閉環(huán)控制選擇，PID功能有效R2262=100%顯示濾波后的PID設(shè)定值P2231=1允許存儲P2240的設(shè)定值P2265=3SPID反饋立場撥時間常數(shù)P2240=75%鍵盤給定的PID設(shè)定值P2267=100PID反饋信號的上限值P2253=2250:0選擇P2240的值作為PID給定P2268=0PID反饋信號的下限值P2250=100%顯示P2240的設(shè)定值輸出P2269=100%PID反饋信號的的增益P2254=0.0缺省值，對微調(diào)信號沒有選擇P2291=100PID輸出的上限P2292=0.00PID輸出的下限P2280=3.00PID的比例增益系數(shù)P2285=7.00SPID的微分時間P2294=100%實際的PID控制器輸出五、梯形圖五、梯形圖設(shè)計的梯形圖如圖所示：變頻器課程設(shè)計第 12 頁共 13 頁變頻器