變頻恒壓供水計算機控制系統(tǒng)設計

目錄TOC\o"1-3"\h\u1.緒論 1前言： 11.1設計的背景與意義 12.變頻恒壓供水系 22.1變頻恒壓供水工藝簡介 22.2變頻恒壓供水的模式 22.3恒壓供水系統(tǒng)基本特性 33．總體設計方案 33.1系統(tǒng)控制要求 33.2設計要求 43.3控制方案 43.4變頻控制原理 44.系統(tǒng)設計 54.1系統(tǒng)硬件構成 54.2主電路設計 64.3控制電路設計 74.4變頻器參數(shù)設置 85.總結 9參考文獻 101.緒論前言：水是人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的重要資源，我們國家水資源和電能資源短缺，節(jié)水節(jié)能已經(jīng)成為全社會當前和今后的必然要求和重要任務。目前，我國在市政府供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術還比較落后。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)水壓降低導致水供不應求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高導致水供過于求的情況，此時就會造成能量的浪費，同時有可能使管道爆裂和用水設備的損壞。采用計算機控制的恒壓供水系統(tǒng)，可以在用水高峰期和低峰期保持供水壓力恒定，使供水量始終滿足用戶需求。同時，也節(jié)省了資源。關鍵字：恒壓供水PLC交流變頻計算機控制1.1設計的背景與意義隨著社會的飛速發(fā)展和城市建設規(guī)模的擴大，人口的增多以及人們生活水平的提高，對城市供水的質量、數(shù)量、穩(wěn)定性等問題提出了越來越高的要求，我國中小城市供水的自動化配置相對落后，機組的控制主要依靠值班人員的手動操作，控制過程煩瑣，而且手動控制無法對供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時做出恰當?shù)姆磻?。為了保證供水，機組常保持在超壓的狀態(tài)下運行，爆損現(xiàn)象也挺嚴重。在農(nóng)村中,傳統(tǒng)的水塔供水方式存在許多實際問題，如頂層水箱結構和建筑設計、水箱易對水源造成二次污染、水塔供水無法維持供水壓力的恒定等問題。近年來，隨著異步電動機變頻調(diào)速技術的迅速發(fā)展，居民區(qū)供水系統(tǒng)正逐步采用無塔變頻供水，利用變頻調(diào)速技術，不僅可使水泵供水系統(tǒng)取得顯著的節(jié)能效果，還可以極大地改善系統(tǒng)的工作性能，并能延長系統(tǒng)的使用壽命，克服傳統(tǒng)供水方式的種種缺點。隨著工業(yè)企業(yè)和人們生活用水量的增大以及對供水要求不斷的提高，恒壓供水變得也來越重要。目前國內(nèi)多數(shù)企業(yè)仍使用傳統(tǒng)的恒速泵組切換加壓供水方式，其水壓不穩(wěn)而且浪費電能。我國每年水泵消耗電能約占電能總消耗量20％以上，而電能消耗又占水費成本60％以上，故優(yōu)化對水泵的控制，具有重要意義。在生活用水過程中存在不同時間段用水量不均現(xiàn)象。如果不對供水量進行調(diào)節(jié),管網(wǎng)壓力的波動也會很大,容易出現(xiàn)管網(wǎng)失壓或爆管事故,同時也浪費了大量能源。為了節(jié)約電能,又能保證正常用水,供水部門也采取了不少措施。近幾年最為常用的變頻恒壓供水系統(tǒng)能根據(jù)壓力變化情況及時調(diào)整電機轉速,將供水壓力控制在一定范圍之內(nèi),既滿足了變化的用水需求,也起到了節(jié)能降耗的目的。變頻恒壓供水系2.1變頻恒壓供水工藝簡介恒壓供水就是能夠自動保持水管內(nèi)水壓恒定的供水過程。供水管道內(nèi)有一個壓力檢測裝置，能夠檢測出當前管網(wǎng)瞬間壓力變化，并把當前的水壓制傳遞給控制裝置。當用水量增大的時候，水壓減小，控制裝置得到水壓持續(xù)減小的信號，于是控制裝置會自動調(diào)節(jié)水泵機的轉速和投入數(shù)量來減小水壓，使管網(wǎng)主干管出口端保持在恒定的設定壓力值，通過這樣的控制過程保持水壓恒定，滿足用戶的用水要求，使整個系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。交流變頻調(diào)速（vvf）技術是上世紀80年代發(fā)展起來的，集現(xiàn)代電力電子技術、控制技術及計算機技術于一體的新技術，自投入工業(yè)應用以來，顯示了強有力的競爭力，其應用領域也在迅速擴展。根據(jù)流體力學的原理，水泵的流量與轉速成正比，而電動機軸上消耗的功率與轉速的平方成正比?？梢?，采用交流變頻調(diào)速恒壓供水方式，既可以保證供水水壓穩(wěn)定，又可以有效地降低電能的消耗。變頻恒壓供水基本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進行比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級調(diào)節(jié)水泵的轉速，使系統(tǒng)水壓在水流量變化時，能夠穩(wěn)定在一定的范圍沒，具有水壓恒定，波動小，節(jié)能效果明顯等特點。2.2變頻恒壓供水的模式一種變頻恒壓供水是這樣的：當用水量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量時，由一臺變頻泵調(diào)速恒壓供水，當用水量增大時，變頻泵的轉速自動上升；當變頻泵的轉速上升到工頻轉速時，為使流量進一步增大，由PLC自動啟動一臺工頻泵投入，與變頻泵并聯(lián)供水。該工頻泵提供的流量是恒定的。其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入。反之，當用水量下降時，變頻調(diào)速泵的轉速下降（變頻器供電頻率下降），當頻率下降到一定下限時，PLC發(fā)出一個指令，自動關閉一臺工頻泵，使之退出并聯(lián)供水。另一種變頻供水模式是當用水量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量時，由變頻器控制該泵自動調(diào)速供水，當用水量增大時，該泵的轉速增高。當該泵的轉速升高到工頻轉速時，由PLC把該水泵切換到工頻供電。變頻器則另外啟動一臺并聯(lián)泵投入工作。隨著用水量增大，采用先起先停的工作模式，其余各并聯(lián)泵均按上述相同的方式軟啟動投入；當用水量減小時，各并聯(lián)工頻泵有PLC控制并按按先投入先關泵的順序退出。由上述可見，變頻恒壓供水通常有兩種工作方式，一是變頻固定方式，二是變頻循環(huán)軟啟動工作方式。在變頻泵固定方式中，各并聯(lián)水泵是按工頻方式自動投入或退出的，因為變頻泵固定不變，當用水量變化時，變頻泵始終處于運行狀態(tài)，因此變頻泵的運行時間最長。而變頻循環(huán)軟啟動方式變頻泵可以自動輪換，使各并聯(lián)泵磨損均衡，具有較多優(yōu)勢，隨意選擇變頻循環(huán)軟啟動方式作為本設計的變頻恒壓供水模式。2.3恒壓供水系統(tǒng)基本特性供水系統(tǒng)的基本特性是水泵在某一轉速下,揚程H與流量Q之間的關系曲線F(Q)，前提是供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變。揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Q之間的關系。由下圖的揚程特性表明，流量Q越大，揚程H越小。在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量Q的大小主要取決于用戶的用水情況。管阻特性是以水泵的轉速不變?yōu)榍疤?，閥門在某一開度下，揚程H與供水流量Q之間的關系H=F（Q）。管阻特性反映了水泵轉動的能量用來克服水泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程H越大，流量Q也越大，流量Q的大小反映了系統(tǒng)的供水能力。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的平衡工作點，如圖中N點。在這一點，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量達到平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。當用水流量和供水流量達到平衡時，揚程HN穩(wěn)定，供水系統(tǒng)的壓力也保持恒定。3．總體設計方案3.1系統(tǒng)控制要求（1）水泵電機的起動/停止、正轉、調(diào)速控制。（2）變頻器的頻率由4—20mA電流信號控制。（3）變頻器的運行狀態(tài)指示（如運行、停止、過流、低壓等）。（4）變頻器的報警處理。3.2設計要求（1）根據(jù)變頻器恒壓供水系統(tǒng)控制要求，選擇變頻器型號。（2）選擇其他電器設備型號。（3）變頻器恒壓供水系統(tǒng)的電氣控制線路的設計（包括主回路和控制回路）。（4）變頻器參數(shù)設置。3.3控制方案供水系統(tǒng)的設定壓力應該根據(jù)流量的變化而不斷修正設定值，這種恒壓供水技術稱為變量恒壓供水，即供水系統(tǒng)最不利點的供水壓力為恒值而泵站出口總管壓力連續(xù)可調(diào)，并實現(xiàn)對水泵的調(diào)節(jié)控制。管網(wǎng)水泵電機變頻器（PID）給定參數(shù)管網(wǎng)水泵電機變頻器（PID）壓力傳感器壓力傳感器3.4變頻控制原理用變頻調(diào)速來實現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥門來實現(xiàn)恒壓供水相比，節(jié)能效果十分顯著。其優(yōu)點是：1）起動平衡，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；2）由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命；3）可以消除起動和停機時的水錘效應；一般地說，水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小。但是，當用戶的用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升、降速狀態(tài)，而升、降速的電流可略超過電動機的額定電流，導致電動機過熱。因此，電動機的熱保護是必需的。對于這種由于頻繁地升、降速而積累起來的溫升，變頻器內(nèi)的電子熱保護功能是難以起到保護作用的，所以應采用熱繼電器來進行電動機的熱保護。在主要功能預置方面，最高頻率應以電動機的額定頻率為變頻器的最高工作頻率。升、降速時間在采用PID調(diào)節(jié)器的情況下，升、降速時間應盡量設定得短一些，以免影響由PID調(diào)節(jié)器決定的動態(tài)響應過程。為了全面實現(xiàn)對恒壓供水系統(tǒng)的運行情況和設備運行進行監(jiān)視和遠程控制，更加安全可靠地實現(xiàn)恒壓供水，我們使用PLC進行PID運算和監(jiān)控。PID閉環(huán)反饋控制原理如圖所示：4.系統(tǒng)設計4.1系統(tǒng)硬件構成可編程控制器PLC的選擇和變頻調(diào)速系統(tǒng)原理及選擇可編程控制器（programmablelogicalcontroller，簡稱PLC）已經(jīng)越來越多地應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，并且在自動控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用。所以，對PLC的正確選擇是非常重要的。1.工作量在自動控制系統(tǒng)設計之初，就應該對控制點數(shù)（數(shù)字量及模擬量）有一個準確的統(tǒng)計，這往往是選擇PLC的首要條件，一般選擇比控制點數(shù)多10%-30%的PLC。（本設計中開關量16個，控制量6個，1個模擬量輸出，3個模擬量輸入）2.工作環(huán)境工作環(huán)境是PLC工作的硬性指標。自控系統(tǒng)將人們從繁忙的工作和惡劣的環(huán)境中解脫出來，就要求自控系統(tǒng)能夠適應復雜的環(huán)境，諸如溫度、濕度、噪音、信號屏蔽、工作電壓等，各款PLC不盡相同。一定要選擇適應實際工作環(huán)境的產(chǎn)品。（該設計環(huán)境正常，故不用特殊型號）3.通信網(wǎng)絡現(xiàn)在PLC已不是簡單的現(xiàn)場控制，PLC遠端通信已成為控制系統(tǒng)必須解決的問題。（故盡量選取比較常用的品牌）常見的變頻調(diào)速模式有兩種，一種是開環(huán)控制，另一種是速度反饋閉環(huán)控制。本系統(tǒng)根據(jù)恒壓的控制要求，采用的是PID調(diào)節(jié)方式(內(nèi)含在變頻器中)的閉環(huán)控制。本系統(tǒng)中變頻器的輸入信號采用的三相380V的交流電源，三相電流輸入連接在端子L1/R,L2/S,L3/T上。采用三相輸入的話，則用主電路的電源端子L1/R,L2/S,L3/T通過線路保護用斷電器或帶漏電保護的斷路器連接至三相交流電源，不需考慮連接相序。如果有條件的話，還可以在電源電路中串入一個電磁接觸器，這樣就可以保證變頻器保護功能動作時能切除電源和防止故障擴大，以保證安全。盡量不要用主電路電源ON/OFF的方法控制變頻器的停止和運行，應該用控制電路端子FWD、BX。變頻器的輸出信號也有兩種，一是送PLC的超壓信號、欠壓信號和變頻器故障信號這三個輸出控制信號，另一是送水泵的變頻器輸出電源信號。送PLC的超壓、欠壓信號由變頻器的Y1,Y2端子送出，Y1的內(nèi)部功能設定選為頻率檢測(FDT)功能，幅值為50Hz，滯后值為0.5Hz。Y2的內(nèi)部功能設定選為0速度輸出功能，變頻器輸出頻率為0Hz時輸出ON信號。送PLC的變頻器故障信號我們選擇從Y3輸出，Y3的內(nèi)部功能設定選擇為報警功能，變頻器發(fā)生指定的故障時輸出信號。變頻器的輸出電源接接觸器，它給所有的工頻回路的接觸器都提供電源信號，但是具體的哪一臺接觸器接通由PLC控制。變頻器的輸出端子(U,V,W)按正確的相序連接至交流接觸器的輸入電源端子上。如果電機旋轉方向不對，則說明連接相序有錯，則改變U、V,W中的任意兩相的接線。變頻器和電動機(水泵)間配線很長時，由于線間分布電容產(chǎn)生較大的高頻電流，可能造成變頻器過電流跳閘.另外，漏電流增加，電流值指示精度變差。對于本系統(tǒng)中的變頻器，變頻器和電動機(水泵)之間的距離最好小于50米，如果配線很長時，則必須連接輸出側濾波器選件(OFL濾波器)。接線時還有一點需要注意的是，為了安全和減少噪聲，變頻器的接地端子G必須良好接地。為了防止電擊和火警事故，電氣設備的金屬外殼和框架均應按照國家電氣規(guī)程要求接地。接地線要粗而短，變頻器系統(tǒng)應連接專用接地極，及不要和別的系統(tǒng)串聯(lián)接地或共同接地（具體接法如下圖所示）。變頻器的I/O端點連接4.2主電路設計供水系統(tǒng)主電路設計如圖所示，采用了一臺變頻器同時連接兩臺電動機，所以必須確保開關KM1和KM2電氣互鎖，互鎖功能由軟件和硬件實現(xiàn)。在變頻水泵出現(xiàn)問題或緊急情況下，可以起用備用水泵。三臺電機分別為M1、M2、M3，它們分別帶動水泵1#、2#和備用泵。接觸器KM3、KM4、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM1、KM2分別控制M1、M2的變頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；QF1、QF2、QF3分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的空氣低壓斷路器；FU為主電路的熔斷器，用作短路保護。三相電源經(jīng)低壓熔斷器、自動空氣低壓斷路器接至變頻器的L1、L2、L3端，變頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點接至電機。當電機由變頻切至工頻運行時，應先將變頻器停車，再將變頻器輸出端的接觸器斷開，避免變頻器輸出端接斷路，再接通工頻運行的接觸器。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現(xiàn)短路保護，每臺電動機的過載保護由相應的熱繼電器FR實現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通，所以KM1和KM3、KM2和KM4相互之間必須設計可靠的互鎖。開關KM6控制變頻器的啟停，由PLC給出啟動或停止信號，變頻器啟停。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力轉化為電信號輸入給變頻器的模擬輸入端作為模擬輸入。4.3控制電路設計根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU224，其開關量輸出為10點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入CPU224為14點，輸入形式為+24V直流輸入。系統(tǒng)的控制線路如圖3.5所示。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有8個輸入量，全部是數(shù)字量輸入。按鈕SB0用來啟動啟動工作循環(huán)，它作為開關量輸入I0.0；按鈕SB1用來停止工作循環(huán)，使PLC回到初始狀態(tài)，它作為開關量輸入I0.1；液位變送器把測得的水池水位轉換成標準電信號后送入一個可以設置上下限位來輸出開關量的數(shù)顯表，在數(shù)顯表中設定水池水位上下限對應的電流，當水池液位低于或超出上下限時，數(shù)顯表輸出高電平1，送入I0.2；變頻器的故障輸出端與PLC的I0.7相連，作為變頻器故障報警信號；變頻器頻率達到上限信號與I0.3相連；變頻器頻率到達下限的信號與I0.4相連。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有10個數(shù)字量輸出信號。Q0.1~Q0.4分別輸出兩臺水泵電機的工頻/變頻運行信號；Q0.0輸出啟動變頻器信號；Q0.5輸出啟動備用泵信號；Q0.6輸出1#泵故障報警燈信號；Q0.7輸出2#泵故障報警燈信號；Q1.0輸出液位報警燈信號；Q1.1輸出變頻器故障報警燈信號。4.4變頻器參數(shù)設置由于SIEMENSMM430變頻器自帶了PID模塊，我們不需要進行PID調(diào)節(jié)器的設計，只需進行必要的參數(shù)設置就可以了。首先將DIP2開關2撥到ON位置，設置模擬輸入2并選擇為4~20mA輸入。然后設置變頻器參數(shù)：P0756(0)對應模擬量輸入1通道，P0756(1)對應模擬量輸入2通道；P0756可能的設定值:=0,單極性電壓輸入(0至380V)；=1,帶監(jiān)控的單極性電壓輸入(0至380V)；=2,單極性電流輸入(0至20mA)；=3,帶監(jiān)控的單極性電流輸入(0至20mA)；=4雙極性電壓輸入(-380V至+380V)。選擇的是輸入類型為單極性電流輸入（0至20mA），由于壓力變送器傳送的是4~20mA電流信號，如果用此信號作為變頻器的頻率給定信號,將出現(xiàn)頻率給定誤差。變頻器的缺省設置為0~20mA對應0~50Hz，為了使4~20mA對應0~50Hz，設置參數(shù)如下P0757=4，P0758=0，P0759=20，P0760=100%。P0700=2，控制命令源為端子控制；P0701=1，數(shù)字輸入1，接通正轉/停車命令；P0731=53.B,設置數(shù)字輸出1為變頻器頻率已達上限輸出；P0732=53.A,設置數(shù)字輸出2為變頻器頻率已達下限輸出；P0733=52.3,設置數(shù)字輸出3為變頻器故障輸出；P2240=68%用戶壓力設定值的百分比，為鍵盤給定值，對于0~1MPa的量程4~20mA的信號，設定值為0.08Mpa對應的電流應為126.6×0.08+4=14.128A；P2257=15s,