基于plc的水厂变频调速恒压供水系统设计_毕业论文(编辑修改稿)

基于plc的水厂变频调速恒压供水系统设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

5 略，并归纳实用性的控制方案。 3） 研究 PDI 控制器的设计原理及方法。 4） 设计变频 恒压供水系统的硬件和软件。 5） 对变频调速技术及可编程序控制器 (PLC)进行简单介绍。 7） 以 组态软件组态王设计工控机监控程序。 广东石油化工 学院本科毕业 (设计 )论文： 基于 PLC 的 变频调速恒压供水系统 的设计 6 第二章 变频调速恒压供水系统的理论分析 供水系统的基本特性 水泵的主要参数 水泵主要工作参数有 :流量、扬程、功率、效率、转速以及压力 [6]。 (1) 流量 Q 水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量，可分为体积流量和质量流量两种。 以耐 /s(米 3/秒 )、 m3/h(米 3/小时 )、七 /:(千克 /秒 )、 t/:(吨 /秒 )等表示。 供水系统的基本任务是满足用户的流量要求。 (2) 扬程 水泵扬程也称水头，是水泵由叶轮传给单位质量液体的总能量，单位以 m计。 扬程主要包括三个方面 :提高水位所需的能量。 克服水在管网中流动时所需的能量。 使水流具有一定流速所需的能量。 其中提高水位所需的能量是扬程的主体部分。 因此把水从一个位置“上扬”到另一位置时，用水位的变化量 (即水位差 )代表扬程。 即水泵扬程最终反映的是水泵供水高度。 水泵总扬程包括把水上扬到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，等于排水垂直水柱和管路阻力损失水柱之和。 实际扬程是通过水泵实际提高的水位所需的能量。 损失扬 程是全扬程与实际扬程之差 ,即 : 总扬程 =实际扬程 +损失扬程 (3) 功率 水泵功率有两种 :有效功率 PM和轴功率 PN。 有效功率 PM(KW)为泵内液体实际所获得的净功率 ； 轴功率 PM(KW)是水泵在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即由电动机传给水泵轴上的功率。 轴功率不可能全部传给液体，而要消耗一部分功率后，才成为有效功率。 (4) 效率 有效功率与轴功率的比值为效率 η mnP=P （ 21） 水泵效率标志着水泵传递能量的 有效程度，亦即反映了泵内功率损失的大小，是 一 项重要的技术经济指标。 (5) 转速 n 第二章 变频调速恒压供水系统的理论分析 7 转速 n 是指叶轮每分钟的转数。 当转速改变后，水泵工作性能也随着改变。 (6) 压力 p P 表示 供水系统中某个位置或某个点水压的物理量，其大小在静态时取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与供水流量与用水流量之间的平衡情况有关。 水泵的供水特性 水泵的供水特性包括扬程特性和管阻特性 [7]。 (1) 扬程特性 在管路中阀门完全打开的情况下，表明全扬程 H随用水量 Q变化曲线 H=f(Q)，称为扬程特性曲线，如图 21 所示。 图中 A1 点是流量较小 (等于 Q1)时的情形，这时全扬程较大，为 H1； A2 点是流量较大 (等于 Q2)时的情形，这时全扬程较小，为 H2。 当流量越大时，管道中的摩擦损失以及保持一定流速所需的能量也越大，故供水系统的全扬程就越小。 流量的大小取决于用户，是“用水流量”。 因此，扬程特 性 反映了用户的用水需求对全扬程的影响。 图 21 水泵的扬程特性 (2) 管阻特性 管阻是管道系统 (包括水管、阀门等 )对水流阻力的物理量。 通常用扬程与流量间的关系曲线来描述。 管阻特性也叫管路特性，是反映为了维持一定的流量而必须克服管阻所需的能量 ，它和阀门开度有关。 实际上是表明当阀门开度一定时，为了提供一定流量的水所需要的扬程，因此这里的流量可以理解为“供水流量”，用 Q 表示 .所以管阻特性的函数关系是 H=f(Q)，如图 22 所示，供水流量较小 (Q=Q1)时，所需扬程也较小 (H=H1)，如点 B1。 反之，在供水流量较大 (Q=Q2)时，所需扬程也较大 (H=H2)，H 1H 2HA 1A 2Q 1 Q 2 Q广东石油化工 学院本科毕业 (设计 )论文： 基于 PLC 的 变频调速恒压供水系统 的设计 8 如点 B2。 管阻特性的起始扬程等于静扬程 HA，如果全扬程小于 静扬程的话，将不足以克服管路的管阻，从而不能供水，因此，静扬程也是能够供水的“基本扬程 ”。 图 22 水泵的管阻特性 水泵的工 作点确定 水泵工作点是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数 [8]。 水泵在实际运行时的工况点取决于水泵性能管路性能以及所需实际扬程。 这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。 如果把某一水泵扬程特性曲线和管阻特性曲线画在同一坐标系中 (图 23)，则这两条曲线的交点 A 就是水泵的工 作点。 图 23 水泵的工作点的确定 H H 1H 2 H AB 1 B 2Q 1Q 2 Q0HH AA0Q A Q 管阻特性曲线 扬程特性曲线 水泵效率曲线 第二章 变频调速恒压供水系统的理论分析 9 工作 点 A 是水泵运行的理想工作 点，若把水泵的效率曲线也画在同一坐标系中，在图 23 中可以找出 A 点的扬程 H、流量 Q 以及效率 η。 从图中可以看 出，水泵在工作 点 A 点提供的扬程和管路所需的扬程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到流量和能量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。 实际运行时水泵并非总是固定在 A 点。 一旦当水泵和管阻特性中的一个参数或所有参数同时发生变化时，平衡就会被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。 另外确定工况点一定要保证水泵装置在高效率范围内运行。 工 作 点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中的一个重要问题 [9]。 供水功率是供水系统向用户供水时所消耗的功率 P(KW)称为供水功率，供水功率与流量 Q 和扬程 H 的乘积 (如图 23 中 0QAAHA的 面积 )成正比。 水泵的工作 点调节 对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。 所以在供水系统中，最根本的控制对象是流量。 而流量的大小又取决于扬程，实际运行中水泵的流量是随着用水量的变化而变化的，扬程也因水位和流量的变化而变化，因此水泵不能总工作在一个工况点，需要根据实际情况进行控制，因此要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手，即工况点的调节方法，常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种 [9][10]： (1) 阀门控制法 图 24 管网和泵运行曲线 阀门控制法属于节流调节，即通过关小或开大阀门来调节流量，而 泵的 转速保持 不变。 阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。 这时管阻特性将随阀门H BF H A Hc H 0B4123 阀门关小 阀门开大 额定转速 转速下降C 0 Q B Q A Q广东石油化工 学院本科毕业 (设计 )论文： 基于 PLC 的 变频调速恒压供水系统 的设计 10 开度的改变而改变，但是扬程特性不变。 这种通过关小闸阀来改变水泵工作点位置的方法，称为节流调节，如图 24 所示。 泵的初始工作点在 A 点，水泵提供的扬程、流量恰好与管路所需得扬程、流量相等。 当用户所需流量减少时，设从 Qa 降至 Qb，必须把水泵出水口闸阀关小来减少水泵出口水流量，使之与管网所需流量相等，否则会因管 网过载而造成爆管的危险。 此时，管阻特性由曲线 2 变为曲线 4，水泵的工况点则沿着水泵特性曲线由 A 点移至 B 点，此时流量减小了，但扬程却由 HA增大到 HB。 供水功率与面积 OEBF 成正比，水泵所提供的能量一部分消耗于克服闸阀的附加阻力，造成额外损失。 并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是 H 增大，而被浪费的功率要随之增加。 (2) 转速控制法 转速控制法属于变速调节，是通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变 (通常为最大开度 )，转速控制法的实质是通过改变水泵 的供水能力来适应用户对流量的要求，当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变而管阻特性不变。 如图 24，当用户所需用水流量由 QA减小至 QB，当转速下降时，扬程特性变为曲线 3，管阻特性仍为特性曲线 2，故工作点从 A 点移动到 C 点，在 C 点流量减小为 QB，而扬程减小为 HC，供水功率与面积 0ECHC成正比。 两种方法比较 : 由于阀门控制是通过增加管道的阻力而达到控制流量的目的，因而浪费了能量。 而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，从而达到节能的效果。 但由于开环 转速控制中，扬程随着流量的减小而减小，往往不能满足实际工程需要。 PHH ’H*0QAQBQCA’ABCn2n1nNQ图 变频恒压控制工况点调节 第二章 变频调速恒压供水系统的理论分析 11 因此采用闭环恒压控制，对于变频调速恒压控制，工况点如图 所示，理想运行特性曲线为直线 H*ABC。 三相异步电动机的调速 异步电动机调速原理 变频供水系统是通过变频器控制泵的异步电机的转速，通过异步电动机驱动水泵供水来改变水泵的实时供水量，完成恒压供水的目标。 因此，供水系统变频调速的实质是异步电动机的变频调速。 三相异步电动机的 调速是指在电动机负载不变的条件下，通过控制改变电机转速，达到用户要求。 这种调速方式，可以大大简化系统中的变速机构，提 高 系统的 性 能价格比。 异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。 异步电动机的同步转速为 : 10 60fn=p （ 22） 其中 n0是异步电动机的同步转速， f1是异步电动机的电源频率， p为异步电动机的极对数。 异步电动机的转差率为 ： 00nnS= n （ 23） 其中 n 为异步电动机的转子转速。 根据公式 ()和公式 ()，得三相异步电动机的转速为 : 160fn= Sp （ 1 ） （ 24） 调速方法 由公式 ()可知，异步电动机可以通过改变电源频率、磁极对数和转差率实现调速。 (l) 变极调速 改变定子极对数，可使异步电动机的同步转速 10 60fn=p改变，从而得到转速的调节。 改变电机的极对数调速相当困难，这会使电机结构变复杂，而且不能实现无级调速。 (2)变转差率调速 变转差率调速 即转子电路串接电阻调速、改变定子电压调速、滑差电机等。 广东石油化工 学院本科毕业 (设计 )论文： 基于 PLC 的 变频调速恒压供水系统 的设计 12 这些方法的共同特点是 :在调速过程中均产生大量的转差功率，消耗在转子电路，使转子发热，调速的经济性较差，会使效率降低，而且调速范围也受到限制。 (3)变频调速 当极对数 p 不变时，电机转子转速 n 与电动机的电源频率 f1 成正比。 因此，通过连续调节异步电动机供电频率，就可以平滑的调节电动机的转速。 异步电动机变频调 速具有调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点。 实现这种调速的设备称作变频器，变频器的硬件组成框图见图 26 所示。 整 流 电 路 中 间 电 路逆 变 电 路控 制 电 路M3 ~外 部 接 线 端 子控 制 面 板交流电源RST 图 26 交流变频调速器的基本原理 下面简单介绍一 下变频器的工作原理 : 变频器由整流电路、中间电路、逆变电路、控制电路、操作面板等组成。 交流电源首先经过整流电路，将工频交流电源整流成直流，通过中间电路中的电感或者电容滤波作用，使整流后的直流纹波降低，同时中间电路可以降低逆变电路反馈到工频电源的谐波电流。 逆变电路是变频器的功率输出 部分，一般由 多刀 T 等大功率开关器件及其驱动、保护电路构成。 逆变电路接受来自控制板的控制信号，将直流电进行逆变成交流电，。