變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設計

1、課題名稱 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設計學院 （部） 電子與控制工程學院專業(yè)電氣工程及其自動化班級2011320401學生阿不都熱扎克阿不都拉 _學 號06 月23日至.06月 27 日共J周指導教師（簽字）2011 年 06 月 7 日目錄摘要3一、設計容4二、 設計要求4三、設計容1 、方案的確定52 、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)簡介及工作原理 63 、水泵的容量計算 84 、水泵/變頻器/PLC的選擇95 、變頻器參數(shù)設定 106 、PID控制器參數(shù)選擇107 、PLC外部接線圖的設計 118 、主電路的設計129 、系統(tǒng)的工作原理12四、 設計圖紙13五、 操作使用說明書14六、 設計體會15七、

2、主要參考資料 16附錄一 /附錄二17附錄三18附錄四19摘要隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，住房制度改革的不斷深入，人民 生活水平的不斷提高，城區(qū)中各類小區(qū)建設發(fā)展十分迅速， 同時也對 小區(qū)的基礎(chǔ)設施建設提出了更高的要求。 小區(qū)供水系統(tǒng)的建設是其中 的一個重要方面，供水的經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性直接影響到小區(qū)住 戶的正常生活與工作，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)水平的高低。 傳統(tǒng)的恒 速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水燈供水方式普遍不通 話程度的存在效率低、可靠性差、自動化不高等缺點，難以滿足當前 經(jīng)濟生活的需要。論文分析了采用變頻調(diào)速方式實現(xiàn)恒壓供水的工作機理，通過對 PID模塊的參數(shù)預置，利用遠

3、傳壓力表的水壓反饋量，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié) 系統(tǒng)，利用變頻器與水泵的配合作用實現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。論文論述了多種供水方案的合理性，同時也指出各種方案存在的 問題，通過對比比較給出了比較適合該系統(tǒng)的方案一一PLC控制變頻 恒壓供水。關(guān)鍵字：恒壓供水變頻調(diào)速PLC一、設計容變頻器是一種新型技術(shù)，將變頻調(diào)速技術(shù)用于供水控制系統(tǒng)中，具有高效節(jié)能、水壓恒定等優(yōu)點。本課程設計是電氣工程及其自動化 專業(yè)交流調(diào)速課程的實踐性環(huán)節(jié)，其主要目的是培養(yǎng)學生初步掌 握交流調(diào)速系統(tǒng)的設計方法及理論知識的應用能力。本課程設計的基 本任務是提高學生在調(diào)速系統(tǒng)設計方面的實踐技能，培養(yǎng)學生綜合運 用知識，分析和解決實際問題的能力。通

4、過控制系統(tǒng)的設計，初步掌 握交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計的方法。二、設計要求一樓宇供水系統(tǒng)，正常供水量為 20m/小時，最大供水量30 小時，揚程60米。采用變頻調(diào)速技術(shù)組成一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制水 泵的運行，保證用戶水壓恒定。當用水量增大或減小時，水泵電動機 速度發(fā)生變化，改變流量，以保證水壓恒定。具體要求如下：1設二臺水泵。一臺工作，一臺備用。正常工作時，始終由一臺水 泵供水。當工作泵出現(xiàn)故障時，備用泵自投。2. 二臺泵可以互換。3. 給定壓力可調(diào)。壓力控制點設在水泵出口處。4. 具有自動、手動工作方式，各種保護、報警裝置。采用OMRON CPM1A PL（富士變頻器完成設計。設計容1、方案的確

5、定相對于傳統(tǒng)的加壓供水方式，變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點突出地體 現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 高效節(jié)能 變頻恒壓供水系統(tǒng)的最顯著優(yōu)點就是節(jié)約電能，節(jié)能 量通常在1%-40%從單臺水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。(2) 恒壓供水變頻恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可 在大圍連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力， 不會出現(xiàn) 在用水高峰期用戶的熱水器不能正常使用的情況。(3) 安全衛(wèi)生 系統(tǒng)實行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給， 取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設施，避免了用水的“二次污染”， 取消了水池定期清理的工作。(4) 自動運行、管理簡便 新型的變頻恒壓供水系統(tǒng)具各了過電流

6、、 過電壓、欠電壓、斷相、短路保護，瞬時停電保護，過載、失速保護， 低液位保護，主泵定時輪換控制和密碼設定等功能，功能完善，全自 動控制，自動運行，泵房不設崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。(5) 延長設備壽命、保護電網(wǎng)穩(wěn)定 使用變頻器后，機泵的轉(zhuǎn)速不再 是長期維持額定轉(zhuǎn)速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而 且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行， 保證各泵磨損均勻 且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調(diào)速運行，實現(xiàn)了機 泵軟起動，避免了電動機開停時的大電流對電動機繞組和電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應。(6) 占地少、投資回收期短新型的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水池上直接 安裝立式泵，

7、控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統(tǒng) 占地非常小，可以節(jié)省投資，降低運行管理費，再加上變頻供水的節(jié) 能優(yōu)點，都決定了變頻恒壓供水系統(tǒng)的投資回收期短，一般約2年。但是變頻恒壓供水系統(tǒng)開發(fā)周期長，對操作人員的素質(zhì)要求比較 高，可靠性較低，維修不方便，且不適用于惡略的環(huán)境。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式存在普遍不同程度的浪費水力、電力資源、效率低、可靠性低、自動化程度低等缺點，嚴重影響了居民用 水。目前的供水方式朝高效節(jié)能，自動可靠的方向發(fā)展，PLC變頻調(diào)速技術(shù)顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風能，水泵，空氣 壓縮機，制冷壓縮機等高耗能設備上廣泛應用， 特別是居民用水的恒 壓供水系統(tǒng)中，

8、變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性在：一節(jié) 能效果顯著；二是在開停機時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓 對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵，電機自身的機械沖擊損耗。所 以本系統(tǒng)采用PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)。2、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)簡介及工作原理(1) 簡介由PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)是一種十分靈活的供水系統(tǒng)，在較大的多臺水泵供水系統(tǒng)中應用相當?shù)钠毡?。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的應用場合主要有:a. 高層小區(qū)，城鄉(xiāng)居民小區(qū)，企事業(yè)單位等生活用水；b. 各類工業(yè)需要恒壓控制的用水，冷卻水循環(huán)，熱力水網(wǎng)循環(huán)，鍋爐補水等；c. 中央空調(diào)系統(tǒng)；d. 來自水廠增壓供水系統(tǒng)；e. 農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉；

9、f. 各種流體恒壓供水系統(tǒng)；(2) 工作原理變頻恒壓供水系統(tǒng)主要是由 PLG變頻器、PID調(diào)節(jié)器、壓力傳 感器、動力控制線路、2臺水泵以及各種電氣控制元件等組成。用戶 通過控制柜面板上的指示燈、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解系統(tǒng)運行狀況和 控制系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)工作原理：通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器， 把出口壓 力信號變成4-20mA的標準信號送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)運算與給定壓力 參數(shù)進行比較，得出一調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的 轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上。 當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化， 這樣就構(gòu)成 了以設定壓力為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通

10、過 PLC實現(xiàn)變頻器的啟停、 故障報警和備用泵自投。在手動狀態(tài)下，不再使用變頻器，直接手動 啟停水泵。（3）變頻恒壓供水系統(tǒng)原理框圖: u f x xn圖一變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖3 、水泵的容量計算公式如下：N二Q*H/367/g（0.60.85）式中,N，軸功率，單位是千瓦（kWQ,流量，單位是立方米每小時（m/h）H,揚程，單位是米（m）367,是常數(shù)，是一個固定值g, 0.60.85，是水泵的效率，一般流量大的取大值，流量小的取小值；假定g=0.6（經(jīng)驗值，各品牌效率均不同），N=30*60/367/0.6=8.18kW水泵功率二軸功率*安全系數(shù)即P=N*K K在N不同時有不同的值。<

11、;1id's?>100K1. 71.7'2.51.門一 31.3"1. 2fi1. 251 151.15"l. 11.1. OEI. DB"1. 05去2 水泵軸功率與配用血機功率捲<K»Nft 1(KW)Kg CK；VjK備注6 180* 251+391922L L60 270. 37L 1726301. 150.40,561.37532,o371. 10. oo0.75L36404dL230. 811. 1L3649?L 121 11. slr3GGSr 口表中K值按 冷獲 得1. 77 7 b L29SI90k 112

12、33L 31001101 1 丄. A2. 2L 25120132p 4. 3 1Ob B1.飛14a1606. 1 17. 51.231812001.19. 111L 2227250L 112.615 .11. 1?28631 15.918. 51. 16322遍P二一般水泵的功率有一些模數(shù)，從小到大有：1.1kW, 2.2kW, 3kW4kW 5.5kW, 7.5kW, 11kW 15kW 18.5kW, 22kW 30kW 37kW 45kW 55kW 75kW 90kW 110kW 132kW故選出的電機功率為：11KW4、水泵/變頻器/PLC的選擇水泵型號:IS65-40-250A（

13、流量：23.5mTh;揚程：70m 轉(zhuǎn)速：2900r/s）； 變頻器的型號為：FRN11P11S-2JEPLC型號為：CP1L-L20DR-A 20 點 CPU單元,AC100-220V 12 入，8 點繼電器輸出。斷路器選用DZ47-63 D40A ,熱繼電器選用JR36-40 20-32A 的, 接觸器選用CJ20-40A的，電機的額定電流大約是 22A左右5、變頻器參數(shù)設定代碼設定值頻率設定命令001操作方法011最高頻率0250HZ基本頻率0350HZ電子過熱或繼電器081頻率限制上限1150HZ下限1228HZ6、PID控制器參數(shù)選擇根據(jù)設計要求結(jié)合PID的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可得其數(shù)據(jù)：采樣

14、周期T=3秒， 比例系數(shù)KP=140積分時間Ti=24秒。因為供水系統(tǒng)沒有較大的慣性環(huán)節(jié) 所以不需要設置微分參數(shù)。7、PLC外部接線圖的設計PLC根據(jù)表1的I/O分配關(guān)系和C20P的端子排列位置進行相應的接 線，PLC系統(tǒng)外部接線圖在中，圖中各接觸器采用220V電源，信號指示及報警指示燈與接觸器共用 220V電源。（PLC外部接線圖的設計 如附圖1所示）I/O分配表輸入輸出手動或自動旋鈕SA1000011號泵變頻啟動接觸器KM1010011、2號泵備用旋鈕SA2000021號泵工頻啟動接觸器KM301003自動啟動SB1000032號泵變頻啟動接觸器KM201002停車SB4000062號泵工

15、頻啟動接觸器KM401004手動1號泵啟動SB2000041號泵變頻工作扌曰示燈HL1010011號泵停車SB5000072號泵變頻工作指示燈HL2010022號泵啟動SB3000051號泵工頻工作指示燈HL3010032號泵停車SB6000102號泵工頻工作指示燈HL4010041號泵熱保護觸電FR1000111號泵故障報警指示燈HL1010052號泵熱保護觸電FR2000122號泵故障報警指示燈HL201006&主電路的設計主電路線路如附錄一所示，圖中的 M1 M2為帶動水泵的電動 機，由于電動機的功率較小，所以兩臺電動機都采用直接啟動方式， 各臺電動機分別使用兩個接觸器控制，KM

16、1和KM2分別控制電動機M1 和M2的變頻運行。KM3和KM4分別控制點動機的工頻運行。各電動 機分別由FR1 FR2提供過載保護。（主電路的設計如附圖1所示）9、系統(tǒng)的工作原理工作方式選擇：變頻器電源開關(guān) QF1，將自動檔位開關(guān)SA1旋 到自動檔位，此時觸點00001關(guān)閉。備用泵選擇：如選擇1號泵為備用泵，則將其備用選擇開關(guān) SA2 旋到1號泵備用檔位，此時觸電00002被接通，選擇1號泵為備用泵。 如選擇2號泵為備用泵，則將其備用選擇開關(guān)SA2旋到2號泵備用檔 位，此時常閉觸電00002被關(guān)閉，選擇2號泵為備用泵。自動狀態(tài)停止：轉(zhuǎn)動旋鈕SA1則PLC部觸點00001被接通，可使 轉(zhuǎn)換到手動

17、狀態(tài)。手動啟動1號泵：合工頻1號泵電源開關(guān)QF2將自動檔位開關(guān) SA1旋到手動檔位，此時觸電00001被接通，即切除自動狀態(tài)的功能。 按下SB1啟動1號泵工作，觸電01003被接通，輸出繼電器KM3動作， 啟動1號泵工頻工作。手動停止1號泵：按下SB5觸電01003斷開，切斷輸出繼電器KM3 1號泵停止工作。手動啟動2號泵：合工頻2號泵電源開關(guān)QF3按下SB2啟動2號 泵工作，觸電01004被接通，輸出繼電器KM4動作，啟動2號泵工頻 工作。手動停止2號泵：按下SB6觸電01004斷開，切斷輸出繼電器 KM4 2號泵停止工作。故障排除：1號泵熱繼電器出現(xiàn)故障時，輸入端子FR1動作， 接通觸點0

18、1005,點亮HL& 2號泵熱繼電器出現(xiàn)故障時，輸入端子 FR2動作，接通觸點01006,點亮HL2四、設計圖紙1、主電路圖（見附錄一）1、控制電路圖（見附錄二）2、PLC梯形圖（見附錄三）4、PLC程序（見附錄四）5、自動調(diào)節(jié)原理框圖五、操作使用說明書自動啟動：分別閉合總電源開關(guān) QF1,控制電路電源開關(guān)QF2變頻器電源開關(guān)QF3，將自動檔位開關(guān)SA1旋到自動檔位，如選擇1 號泵為備用泵，則將其備用選擇開關(guān)SA2旋到1號泵備用檔位。如選 擇2號泵為備用泵，則將其備用選擇開關(guān) SA2旋到2號泵備用檔位。自動啟動：按下啟動按鈕 SB1,則系統(tǒng)可自動工作。自動停止：按下自動停止按鈕SB4則

19、可使整個系統(tǒng)停止運行，變 頻器自動關(guān)閉。如長時間不用最好切斷電源 QF1 QF2 QF3手動啟動1號泵：閉合1號泵電源開關(guān)QF2將自動檔位開關(guān)SA1旋到手動檔位。按下SB2啟動1號泵工作，按下SB3啟動2號泵工作。手動停車：按下SB5停止1號泵工作，斷開電源開關(guān) QF2按下SB6停止2號泵工作，斷開電源開關(guān)QF3故障排除：根據(jù)指示燈可判斷其故障具體位置。當HL5點亮時，說明一號泵熱繼電器出現(xiàn)故障 。當HL2點亮時，說明二號泵熱繼電 器出現(xiàn)故障。六、設計體會交流電機變頻調(diào)速及其應用我們電氣工程及其自動化專業(yè)學生 必修的一門課程，也是比較重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一， 更是我們將來工 作的基礎(chǔ)，因此我們沒有理由不把它學好。平時在課堂上不乏有些厭倦老師一個人在那里講個不停，直到這次課程的設計才感覺到交流電機變頻調(diào)速及其應用這門課程的趣味 性。然而更讓我受益匪淺的是通過對各部分電路的設計，不僅讓我復習了以前學過的舊的知識，更讓我對某部分電路有了更深一步的理 解，因為沒有透徹的理解是設計不出來的。 對于總的電路圖的拼接也 是對我平時學習的分散的知識和章節(jié)的一個綜合考驗， 對知識的統(tǒng)一 性和連貫性的一個升華?，F(xiàn)在我只是簡單的設計出了自己