净水厂送水泵站控制系统设计及应用毕业设计(编辑修改稿)

净水厂送水泵站控制系统设计及应用毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

29 参考文献 30 致 谢 31 吉林化工学院毕业设计说明书 1 第 1 章 绪论 课题研究背景及意义 水是生命之源，是人类赖以生存和发展的不可替代的重要资源之一。 随着社会经济的迅速发展， 水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。 把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。 我国家是一个在水资源和电能方面都很短缺的国家，在大力提倡节约能源的今天，人们也更加重视有关降低供水系统能耗的问题。 据统计，风机和泵类负载约占我国总耗电量的 80%，这主要是由于我国供水设备工作效率低，控制方式不合理，据统计，水泵的效率大多不足 60%，存在着很大的能源浪费，因此运用水泵供水节能技术，设计可靠性高，运行效率高的供水系统具有重大的 经济意义。 变频调速恒压供水系统是集变频技术，电气传动技术，现代控制技术于一体先进的供水控制系统。 它可以根据用水管网瞬间用水量的不同所引起的压力变化，自动地改变水泵的转速，自动调节峰谷供水量，保证管网供水压力恒定，以满足用水的要求。 变频恒压供水系统自 80年代世界各国将其投入工业应用以来，它显示出了强劲的竞争力，采用该系统供水可以取得非常显著的节能效果，从而提高企业的经济效益和社会效益。 这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 变频调速恒压供水的发展 变频调速被认为是一种理想的交流调速供水方法。 20世纪 60年代中期，随着普通晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置。 这个时期的变频装置，多为分立元件，体积大，造价高，大多为特定的控制对象而研制。 调速后的电动机静、动态性能较差，因此应用场合较少。 20世纪 70年代以后，电力电子和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频 调速供水技术也随之取得了日新月异的进步，石油危机以后以节能为目的的变频器供水开 始出现并得到了广泛应用。 由于变频器供水具有的高效率性能和良好的控制特性，使之在供水系统 中较多采用。 变频恒压供水系统的国内外研究现状 变频恒压供水是在变频调速技术的基础上发展起来的。 早期，由于变频器功能较简 单，在恒压供水系统中仅作为执行机构，为满足用户需求的变化，保证管网压力恒定 ，净水厂送水泵站控制系统设计及应 用 2 需 通过压力变送器和 PID控制器对压力进行闭环控制。 水压由压力传感器的信号 420mA送入变频器内部的 PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置 PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。 由于变频器内部自带的 PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节 十分平滑，稳定。 同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。 本文主要研究内容 本课题通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国已成为供水行业发展的主流趋势。 变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、人机界面、各种传感器等组成。 本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。 本设计的主 要内容如下 : ，探讨变频恒压供水系统的控制策略，并归纳实用性的控制方案。 PID控制器的设计原理及方法。 (PLC)进行简单介绍。 wincc设计工控机监控程序。 吉林化工学院毕业设计说明书 3 第 2 章 恒压供水基本原理 恒压供水工艺简介 供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。 传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。 变 频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。 由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。 恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能： ； /自动运行； ； PID参数； ，信号显示等。 将管网的实际压力经反馈后与给定压 力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。 反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。 变频调速供水原理 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。 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 : pfn 10 60 （ 21） 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。 净水厂送水泵站控制系统设计及应 用 4 异步电动机的转差率为： 00n nnS  （ 22） 其中 n 为异步电动机的转子转速。 根据公式 (21)和公式 (22)，得三相异步电 动机的转速为 :  spfn  160 1 （ 23） 式中 f1 是电源频率， p 是电动机极对数， s 是转差率。 从上式可知，三相异步电动机的调速方法有： 改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化大，转矩变化大，因此只适用于特定转速的生产 机器。 改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。 根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速 n 基本上与电源频率厂成正比。 连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。 但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。 因为当电源电压不变时，若频率减小，主磁通将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心损耗增加；而当频率增加时，磁通 减小，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力降低，电动机的容量也得不到充分利用。 因此，为了使电动机能保持较好的调速性能，要求在调节频率的同时，改变定子电压，以维持主磁通不变，或者保持电动机的过载能力不变。 电源电压随频率按什么样的规律变化最为合适呢 ?一般认为，在任何类型负载下变频调速时，若能保持电动机的过载能力不变，则电动机的运行性能较为理想。 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吉林化工学院毕业设计说明书 5 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，而逆变得到的交流电的频率、电压是可变的。 控制电路是变频器的控制中心，它可以根据外部接线端子、操作面板或者由上位机来的通讯指令控制变频器中的逆变电路输出一个频率和电压可变的交流电压。 一般在控制电路中还集成了其它功能，如 PID调节器等。 操作面板是变频器人 机对话的界面，通过操作面板可以观 察变频器的运行状态，或者修改变频器的运行参数。 综上所述，通过改变电源频率的方法，可以从高速到低速保持高效率、宽范围和高精度的调速性能。 变频恒压 供水 系统的节能原理 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的。 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。 在供水系统中，通常以流 量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。 阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。 其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。 由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。 转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。 因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。 变频调速供水方式属于转速控制。 其工作原理是根据用户用水 量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。 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 组成及原理图 PLC 控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和 现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统， 该系统的控制流程图如图 所示： 净水厂送水泵站控制系统设计及应 用 6 图 变频恒压供水系统控制流程图 从图中可看出 ，系统可分为 ： 执行机构、信号检测机构、控制机 构三大部分，具体为 ： 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，其中由 一台变频泵和 两台工频 泵构成，变频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 ；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下 投入工作。 信号检测机构 ： 在系统控制过程中，需要检测的信号包括 管网水压信号、水池水 位信号和报警信号。 管网 水压信号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 ；水池水 位信号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。 此信号来自安装于水池中 的液位传感器 ； 报警信号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。 控制机构 ： 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 )、 PLC (含 PID) 液位变送 器器 变频器 压力变送器 用户 M 水池 水池水位信 号 报警信号 水泵机组 吉林化工学院毕业设计说明书 7 变频器和电控设备三个部分。 供水控制器是整 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 机组 )进行控制 ； 变频器是对水泵进行转速控制的单元，其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。 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。 变频 恒压 供水 系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。 设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。 所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水 压力上。 恒压供水系统 通过安装在用户 供水管道上的压力变送器 实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为 4— 20mA 的电 信号 ，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。 由于电信号为模拟量，故必须通过 PLC 的 A/D 转换模块才能读入并与设定值进行比较 ，将比较后的偏差值进行 PID运算，再将运算后的数字信号通过 D/A 转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。 净水厂送水泵站控制系统设计及应 用 8 第 3 章 变频调速恒压供水控制系统设计 变频 恒压供水系统控制原理 恒压供水控制原理图如 所示： 图 闭环恒压供水原理图 用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。 而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低。 用水少而供水多，则压力大。 保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。 如图 所示，变频器是电机变频调速的执行者，只要改变 f 就可实现 n 的变化，从而达到无级调速的目的。 测量元件用压力变送器， U*为恒定压力供水设定值。 供水压力 P 作为输 出量，构成闭环控制 系统。 在运行中，当用水量增大的时候，水管道内压力值变低，反馈值 Uf 变小，即 U*大于Uf 时，变频器通过内置 PID 进行调速，使电机的转速加快，增加水流量，提高管道压力，直到管道压力 P 与设定压力 U*对应的期望压力值相等。 当用水量减少时，水管道内压力值 p 变大，反馈值 Uf 变大，即 U*小于 Uf 时，变频器通过内置 PID 进行调速，使电机的转速降低，减小水流量，降低管道压力，直到管道压力 P 与期望压力设定值 U*相等。 总之，根据反馈控制原理，最终达到的平衡状态使实际供水压力和设定期望压力相等。 恒压供水 系统方案设计与选择 从恒压供水的原理分析可知，系统主要有变频器、压力传感器、压力变送器等。 前面已介绍了目前常用的恒压供水控制系统。 鉴于专用变频器系统的不足之处，本文采用通用变频器加 PLC控制系统。 水压反馈值送入 PLC进行 PID运算，运算结果经 D／ A转换输出送给变频器的反馈信号输入端，从而调整变频器频率，改变电动机的转速，调整管网水压，保障水压恒定。 上位机与 PLC进行通信，对压力数值进行显示并实现PID 变频器 管道 压力 压 力变送器 U* + Uf 吉林化工学院毕业设计说明书 9 系统启停控制、压力设定值的修改。 且由于 PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种要求和规格不同的控制系统。 由 于 PLC和上位机具有良好的通信功能，此系统方便与其他系统进行通 信和数据交换。 当控制要求改变时，利用编程软件很容易进行程序的修改和下载。 因此，该系统能适用于不同控制要求的场合，与机组容量大小无关。 且由于良好的人机界面，使得操作更加简单，系统运行状态更直观。 因此本系统采用“变频器 +PLC+上位监控计算机 的模式。 系统工作原理 系统控制组成 此系统由信号检测、水泵拖动机组、电气控制、上位机等组成，各部分的作用及。