基于plc的变频恒压供水系统论文设计

基于plc的变频恒压供水系统论文设计内容摘要：

在决定额定扬程和 额定流量时，通常裕量较大。 所以，在实际的运行过程中，即使在用水流量的高峰期 ，电动机也常常处于 轻载状态，其效率和功率因数都较低。 采用了转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适当降低转速。 由于电动机 在低频运行时，变频器具有能够根据负载轻重调整输入电压的功能，从而提高了 电动机的工作效率。 这是变频调速供水系统具有节能效果的另外一个方面 1川 4311. 图 “两种常见调速方式效率曲线”为典型的液力偶合器和常见变频器的 效率一转速曲线，随着输出转速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低 (例 如 :额定转速时效率 ， 75%转速时效率约 ， 20%转 速时效率约 019)，而 变频器在输出转速下降时效率仍然较高 (例如 :额定转速时效率住 97，了 5%以上 转速时效率大于 ， 20%以上转速时效率大于 )。 从曲线数据看，当输出转速降低时，液力偶合器的效率比变频调速的效率下 降快得多，因此变频调速的低速特性比液力祸合器要好。 当然，有一点我们应该 看到，就是用于水泵 (风机 )类负载时，由于其轴功率与转速的三次方成正比，当 转速下降时，虽然液力偶合器效率正比下降，但电动机综合轴功率还是随着转速 的下降成二次方比例下降，因此也能起到节能作用。 异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有 在 255。 这意味着在 ，水的流量从零猛增到额定流量。 由于水具有 动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过 高或过低的冲击，并产生空化现象。 压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤 子敲击管子一样，故称为水锤效应。 水锤效应具有极大的破坏性 :压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过 低又会导致管道的瘪塌。 此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。 在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。 这也同样会引起压力冲击和水锤效应。 产生水锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大 .在启动 过程中，异步电动机和水泵的机械特性如图。 图中，曲线 1是异步电动 机的机械特性，曲线 2是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩 T (即两者之差 ). 由图 “可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影 部分所示，是很大的。 所以，加速过程很快 . 采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转 矩大为减小，如图。 图中，曲线簇 1是异步电动机在不同频率下的机械 特性，曲线 2是水泵的机械特性，中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩 (即 不同频率时电动机机械特性与水泵机械特性之差 )。 在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转 矩大为减小，从而彻底消除了水锤效应。 水锤效应的消除 .无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。 此外，由于水泵 平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使 : (1)叶片承受的应力大为减小。 (2)轴承的磨损也大为减小。 所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长 . 2， 由于变频恒压供水基本上都采用了变频启动，启动频率低，启动电流小，因 此，除了对供水机泵和供水管网有保护作用，对供水电机和电网也有良好的保护 作用。 供水系统电机直接启动与变频启动的对比表如表。 2， 7本章小结 本章分析了供水系统的基本特性。 根据扬程特性曲线 和管阻特性曲线可以看 出用水流量和供水流量处于平衡状态时系统稳定运行。 在供水系统中采用变频调 速是由于水泵的功率与转速的立方成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式 节能效果显著 .最后从理论上分析了采取变频恒压供水方式对供水安全起的积极 作用 :可以消除水锤效应，减少电机电网冲击，延长系统的运行寿命。 3 变频恒压供水系统的构成及控制原理 从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、 变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成 .系 统主要的设计任务是利 用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒 定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据 进行传输。 根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可 供选择。 (1)有供水基板的变频器 +水泵机组 +压力传感器 这种控制系统结构简单，它将 Pm调节器和 P比 可编程控制器等硬件集成在 变频器供水基板上，通过设置指令代码实现 PLC 和 PID等电控系统的功能。 它虽 然简化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力 反馈值的显示方面比 较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时， PID调节参数寻优 困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。 其输出接口的扩展功能缺 乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的 小容量场合。 (2)通用变频器十单片机 (包括变频控制、调节器控制 )十人机界面 +压力传感器。 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格 比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差， 同时变频器在运行时，将产生 干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以 必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。 该系统适用于某一特定领域的 小容量的变频恒压供水中。 (3)通用变频器 +PLC(包括变频控制、调节器控制卜人机界面 +压力传感器 这种控制方式灵活方便。 具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进 行数据交换。 通用性强，由于 PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种 规模和要求不同控制系统。 在硬件设计上，只需确定 P比 的硬件配置和拍 的外 部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过 PC机来改变存贮器 中的控制 程序，所以现场调试方便。 同时由于 P比 的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统 的可靠性大大提高。 因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与 供水机组的容量大小无关。 通过变频恒压供水系统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。 如图 不 . 执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网 . 通常这些水泵包括 : (1)调速泵 :是由 变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用 水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。 (2)恒速泵 :水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而 调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充 . 此外，通常一些变频系统还会增设附属小泵，它只运行于启、停两种工作状 态，用以在用水量很小的情况下 (例如 :夜间 )对管网用水量进行少量的补充 . 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 : (l)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 冉刃 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，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。 此信号来自在安装于 水源处 (在乐山第一水厂设计中，为清水池水位 )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。 供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器 (P比 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 (即水泵成行控制 . (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，变频器有如下两种工作方式 : 1)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。 2)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。 变频器的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 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 行过程进行监视，对报警进行显示。 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。 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 P比 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。 变频恒压供水系统的控制方案有多种，有 1台变频器控制 1台水泵的简单控 制方案，也有 1台变频器控制几台水泵的方案，下面将分别加以叙述 . (l)单台变频器控制单台水泵 单台变频器控制单台水泵的控制方案在国内通常是指是一台变频器控制一 台水泵。 由于全部变频系统中，变频器、控制器、电机均无备份设备，出现问题 无法切换，故目前多适用于用水量不大，对供水的可靠性要求不高的场合。 该控 制方案的控制原理框图见图 ，电路见图。 值得一提的 是，在国外或国内少数大企业，也有一种每台变频器只带一台水泵的运行方式，但它的控制方式与上面是不同的，这些泵站往往是同时配备了多台变频器配多台水泵，采用集中控制的办法，这种变频系统与国内水泵站常用的一台变频器控制单台水泵的工作方式是完全不一样的。 在这种系统中，由于有多台变频器，各水泵既可以同时变频运行，也可以分别工频运行，使其可靠性、安全性、可调节性大大优于国内常见的各种控制方式，不过在成本上，也远远高于目前国内的常用的变频恒压供水系统。 (2)单台变频器控制多台水泵 利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比较先进的一种方案。 下面以单台变频器控制 2台水泵的方案来说明。 该控制方案的控制原理见图。 控制系统的工作原理如下 :根据系统用水量的变化，控制系统控制 2台水泵按 1一 2一 3一 4一 1的顺序运行，以保证正常供水。 开始工作时，系统用水量不多，只有 1号泵在变频器控制下运行， 2号泵处于停止状态，控制系统处于状态 1。 当用水量增加，变频器输出频率增加，则 1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有 1 台水泵工作 己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统， 1 号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动 2号泵电机，控制系统处于状态 2. 当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有 1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将 1号泵电机停运， 2号泵电机仍由变频器电源供电，这时，控制系统处于状态 3。 当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则 2 号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有 1 台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此 时，通过控制系统的控制， 2 号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动 1号泵电机，控制系统处于状态 4. 当控制系统处于状态 4时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有 1台水泵工作已能满足系统供水的要求，此时，通过控制系 统的控制， 2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器。