变频调速恒压供水控制系统的毕业设计论文

变频调速恒压供水控制系统的毕业设计论文内容摘要：

功率被浪费掉。 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 H1增大，而被浪费的功率要随之增加。 根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量 Q、扬程 H，功率 P与转速 N之间关系为 : Q2/Q1=N2/N1； H2/H1=（ N2/N1） 2； P2/P1=（ N2/N1） 2 （ 25） 式中， Q H P1为变速前的流量、扬程、功率， Q H P2为变速后的流 9 量、扬程、功率。 由公式 ( 25)可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。 变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。 通常由鼠笼式异步 电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水。 因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。 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 [17]。 异步电机的转差率定义为 : S=1(n/n1) （ 26） 异步电机的同步速度为 : n1=60f/p （ 27） 异步电机的转速为 : n= 60f(1S)/p （ 28） 其中 :n1为异步电机的同步转速； n为异步电机转子转速； f是异步电机的定子电源频率； p为异步电机的极对数。 从上式可知，当电机电极对数 p不变时，电机转子转速、与定子电源频率 f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。 变频调速时，从高速到低速，都可以保持有限的转差率，因而变频调速只有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲 美。 变频调速可用普通的异步电机，异步电机结构简单、维护方便、坚固耐用、经济可靠，适应各种恶劣的环境。 特别是近年来出现的高性能、高精度的变频器，变频调速完全可以达到直流调速一样的性能。 从设备投资来看，变频调速系统与同容量的直流调速系统可节省投入的 20%左右。 因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用十对水泵 (风机 )电机的调速。 10 由于本设计的供水系统要适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水，在此变频调速恒压供水系统中，主要由 PLC、变频调速器、软启动器、压力变送器、水位传感器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环控制系统。 此外还包括 空气开关、断路器、接触器 和中间继电器等系统保护电器，实现对变频器、电机和 PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。 PLC和变频器作为系统控制的核心，根据给水母管压力与压力设定值的偏差变化情况，自动控制给水泵的投人台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压供水。 其中控制参量的 PID算法可消除控制参量的静态误差、突变、滞后等现象，缩短系统稳定的时间。 我们以三台水泵组成的供 水系统为例 ，其原理框图如图 31所示。 图 31 变频调速恒压供水系统原理图 Fig31 Principle chart of the constant pressure water supply system with changing frequency and speed abilities 从 31系统原理图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。 执行机构 执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网， 当水泵采用循 环的控制方式时， P1， P2， P3既可以做调速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固。 具体是什么信号，上位机的作用 具体是什么信号 11 定的控制方式时， PI, P2， P3中只有一台可以调速泵，其余两台为恒速泵。 信号检测 在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号 : （ 1）水压信号 :它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。 此信号是模拟信号，读入 PLC时，需进行 A/D转换。 另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。 检测结果可以送给 PLC，作为数字量输入。 （ 2）液位信号 :它反映水泵的 进水水源是否充足。 信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵因空抽而损坏电机和水泵。 此信号来自在安装于水源处的液位传感器。 （ 3）报警信号 :它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。 控制系统 供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器 (PLC系统 )、变频器和电控设备三个部分。 （ 1）供水控制器 :它 是整个变频恒压供水控制系统的核心。 供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对 执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构 (即水泵 )进行控制。 （ 2）变频器 :它是对水泵进行转速控制的单元。 变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。 根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同， 变频器有两种工作方式 : a、变频循环式 :变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在 50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。 b、变频固定式 :变频器拖动某一台水 泵作为调速泵，当这台水泵运行在 50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。 （ 3）电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。 用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手 /自动切换及就地 /集中等工作。 人机界面 人机界面是人与机器进行信息交流的场所。 通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机 12 界面上得知系统的一些运行情况及设备的工 作状态。 人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。 （触模屏） 通讯接口 通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换。 同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。 报警装置 作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。 由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各 种报警量进行监测，由 PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。 系统要求实现如下功能 : 全自动运行 合上自动开关后， 1泵电机通电，变频器输出频率从 OHz上升，同时 PID调节程序将接收到自远传压力表的信号，经运算与给定压力参数进行比较， 将调节参数送给变频器 ，如压力不够，则频率上升，直到 50Hz, 1水泵由变频切换为工频，同时对 2水泵进行变频启动，变频器频率逐渐上升至需要值，加泵依次类推；如用水量减小 (压力过大 )，变频器下限频率持续出现，则将先启动的水 泵先切除。 若有电源瞬时停电的情况，则系统停机 :待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动 1泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。 变频自动控制功能是该系统最基本的功能， 系统自动完成对多台水泵软起动 、停止、循环变频的全部操作过程。 手动运行 当远传压力表故障或变频器故障时，为确保用水，三台泵可分别以手动控制方式工频运行。 停止 转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。 采用“自动切换”和“先启先停”原则 “自动切换”是指当一台单独运行水泵或者有两台同时运行的水泵，运 行在这种状态下持续时间达到设定时间时自动换泵运行。 “先启先停”是指哪一台先 13 启动的水泵在压力过大时也先被切除，这样保证系统的每台泵运行时间接近，防止有的泵运行时间过长，而有的水泵却长时间不用而锈死，从而延长了设备的使用寿命。 平稳切换，恒压控制 生活供水时，系统低恒压值运行，消防供水时，系统高恒压值运行。 远传压力表将主水管网压力信号 经 PLC的扩展模块 PID运算送给变频器。 ，并给出信号直接控制水泵电动机的转速以使管网的压力稳定。 当在运行的水泵全速运行，还未达到给定压力时，变频运行的水泵被切换到工频运行，变频 器将启动另一台泵 (即采用软启动 )。 完善的各种保护、报警功能 （ 1）对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现机械和电气互锁，防止短路产生。 （ 2）当水泵的功率较大时，为防止直接启动电流过大，需要采用软启动方法，即用变频器来启动水泵。 （ 3）运行的水泵在断开电源后，利用其运行的惯性切换到工频，可避免切换过程中产生过电流 . （ 4）电动机的热保护。 虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小，但是当用户用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升速、降速状态，这时电动机的电流可能超过额定电流，导致电动机过热。 因此电动 机的热保护是必须的。 （ 5）具有缺水保护功能。 当水泵工作在自动状态，为防止当水池没水时水泵空载运行，烧坏水泵电机，系统设计一个缺水保护电路。 当水池缺水时，保护电路中继电器常开触点断开，切断控制电路电源，从而保护系统。 （ 6）在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过 3小时，则要切换下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。 系统工作原理 市网子来水 用高低水位控制器 EQ来控制注水阀 YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。 水池的高 /低水位信号也直接送 给 PLC，作为水位报警。 为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。 生活和消防用水共用三台水泵，平时电磁阀 YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台水泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持水位 低。 恒压值。 当有火灾发生时，电磁阀 YV2得电，关闭生活用水管网，三台水泵给消防用水使用， 14 并维持消防用水的高恒压值。 火灾结束后，三台水泵再改为生活供水使用。 生活供水系统工作原理 安装于生活供水管道上的 压力变送器将管网压力检测值转换为 420mA 的电信号送入变频器的。 ， 一般情况下由上位 PC机给定生活管 网压力 ，然后与压力传感器所测管网实际压力进行比较，将差值送人变频器内置 PID进行运算，产生一个偏差信号去控制变频器的输出频率，从而控制电机转速使管网压力恒定。 当用水量不大时，一台水泵 (1水泵 )在变频器的控制下稳定运行。 当用水量增大时，管网压力下降，当管网压力下降到下限值时由变频器输出一个下限信号给 PLC?，PLC自动将第二台水泵（ 2）投入变频运行，将原工作在变频状态下的第一台水泵（ 1水泵）切换为工频运行，两台水泵运行以加大管网的供水量保持压力稳定。 若两台水泵运行仍不能满足用水量的需要时，则 PLC自动将 第三台水泵（ 3水泵）投入变频运行，将原工作在变频状态下的第二台水泵（ 2水泵）切换为工频运行，三台水泵运行以进一步加大管网的供水量保持压力稳定。 当用水量减少时，管网压力上升，当管网压力上升到上限值时由变频器输出一个上限信号给 PLC， PLC自动将第一台水泵（ 1水泵）停止运行。 当用水量进一步减少时， PLC自动将第二台水泵（ 2水泵）停止运行，此时只剩下第三台水泵（ 3水泵）用变频器变频调速恒压供水。 依次类推，各台水泵交替工作于变频和工频状态。 水泵运行遵循先入先出的原则，即先接通先断开，用水量增加时先将原变频 工作的水泵切换为工频运行，同时增加一台水泵为变频运行；用水量减少时，将先启动的水泵停机。 每台水泵变频工频运行概率相同，以避免某台水泵长期不运行而生锈的情况发生。 消防供水系统工作原理。 本系统设置消防水泵工频运行，由 PLC进行消防水泵电机组自动控制，在备用时消防水泵自动定期交替试运行，每台水泵试运行时间和两台水泵之间的试运行间隔时间可由用户根据系统情况进行调节。 这样可以定期进行消防供水系统设备的检查与维修，防止因消防系统长期不运行而造成设备的损坏，致使消防用水时不能及时正常供水的现象发生。 如遇火情，生 活供水状态立即转人消防供水。 首先由上位机给定压力值，然后系统按控制过程通过变频器和 PLC的控制迅速使消防管网压力到达设定值附近。 当水流检测器出现故障时，还可通过按动消防专用启动按钮启动消防水泵运行。 消防供水的恒压控制是通过压力检测器的低压触点和高压触点与 PLC联合控制的，其控制过程与生活用水恒压控制类似。 当消。