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变频恒压供水系统
摘要
随着我国社会经济的发展,住房制度改革的不断深入,人们生活水平的不断提高,城市中各类小区建设发展十分迅速,同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。
小区供水系统的建设是其中的一个重要方面,供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作,也直接体现了小区物业管理水平的高低。
传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点,难以满足当前经济生活的需要。
本论文针对住宅小区的供水要求,设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统,具有全自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等功能。
系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题,并具有多种辅助功能,增强了系统的可靠性。
并和计算机实现了有机的结合,提升了系统的总体性能。
基于水泵供水流量和水泵转速的三次方成正比,论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。
通过对变频器内置PⅢ模块参数的预置,利用远传压力表的水压反馈量,构成闭环系统,根据用水量的变化,采取PD调节方式,在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合,实现恒压供水且有效节能。
论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性,分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件,分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。
给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。
通过对计算机和PLC之间通信协议的研究,完成了上、下位机的通信设置,给出了计算机监控程序编写方法,通过通信模块实现了对供水系统的远程监控和故障报警。
关键词:
恒压供水;PLC;变频调速
Abstract
Alongwiththedevelopmentofthesocio—economyofourcount,thehousingsystemisgoingdeepintoreforms,andpeople’slivingstandardisbeingimproved.Atthesametime,inthecity,eachkindofsub—districtconstmctionisdevelopingveryquickly,whichputsforrwardhigherrequirementfortheinfrastrucnconstructionofsub-district.Andtheconstructionofsub-districtwatersupplysystemisanimportantaspectinwhich.Thereliability,stabilityandeconomyofwatersupplydirectlyaffectssub—districtHouseholdsnomallifeandwork,andalsoembodiesthedifferenceinthelevelofsub-districtpropertymanagement.Thetraditionalmeansofwatersupplysuchasthepumppressurizationwatersupplyatconstantspeed,watertowerofuppercistem,thejaretc.arehardtosatisfytheneedsofcurrenteconomiclife,becauselowefficiency,reliabilityandautomationlevelareallcommonlyexistinginthesemeans.
Accordingtotherequirementofwatersupplyinaabidingplace,asetofautomaticsystemofconstantpressurewatersupplybyusingvariablefrequencyandremotemonitofingandcomrolling,wrhichiscomposedofPLC,transducer,pressuresensor,pumpsandelectro—motors,computeranddeviceofcommunicationisdesignedtothatend.Thissetofsystemhasthefunctionslikeautomaticconstantpressureoperationbyusingvariablefrequency,automaticworkfrequencyoperation,andthefunctionoflong-rangeconrolbyhandandtheon-the—spotcontrolbyhandetc.Thesystemhassolvedefficientlytheproblemexistinginthetraditionalwayofwatersupply,whichhasvarioussupplementaryfunctionstostrengthenthereliability.Thesystemhasanorganiccombinationwithcomputerandpromotesthesystematicoverallperformance.
Basedonthatthethreesideofthepumpwaterdeliveryrateandthepumprotationalspeedbecomedirectratio,thepaperanalysesthemechanismofenergysavingthatthewayofwatersupplybyusingthemethodofvariablevelocityvariablefrequencyissuperiortothetraditionalwayofconstantpressurewatersupplycontrolledbyvalve.SettingupinadvancetheparameterofthePHmodularbuilt-inthetransducer,asystemofclosedcircuitusingthefeedbackofhydraulicpressureoffar.biograhypressuretablehasformed.Accordingtothechangeofwaterconsumption,withPID,inthesphereofwholerateofnowcombiningtheconstantregulationofthepumpoffrequencyconversionwiththeworkfrequencypumpgraderegulation,thesystemofclosedcircuitcanrealizetheconstantpressurewatersupplyandsaveenergyefficiently.
Thispaperdiscussesthereasonabilityofwatersupplyschemewithmuchpumpparallelconnection,andanalysestheconversionconditionandthevariousstatesofwatersupplyofthemuchpumpwayofwatersupplyaswellastheswitchprocessandtheproblemofageneratorfromvariablefrequencyoperationmodetoworkfrequencyoperationmode.ThispaperhasalsogiventheelectricaldesignschemeandPLCcontrollingprogramschemethatrealizeseffectivestatecirculatingconversioncontrol.
ByresearchingthecommunicationagreementbetweenthecomputerandPLC,thispaperhasfinishedsettingupthecommunicationbetweenupperandlowercomputer,andalsohasdescribedthemethodtocompilecomputermonitoringprogramtorealizethelong—rangemonitoringandfaultreportingforwatersupplysystemthroughcommunicationmodular
Keywords:
Constantpressurewater-supply;PLC;Variablevelocityvariablefrequency;Constantpressurewater-supply
Keywords:
Constantpresrewatersupply;PLC;VariableVelocityVariablefequency;Constantpressurewater-supply
第一章绪论
1.1课题背景及意义
众所周知,水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质,在节水节能已成为时代特征的现实条件下,我们这个水资源和电能短缺的国家,长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后,自动化程度低,而随着我国社会经济的发展,人们生活水平的不断提高,以及住房制度改革的不断深入,城市中各类小区建设发展十分迅速,同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。
小区供水系统的建设是其中的一个重要方面,供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活,也直接体现了小区物业管理水平的高低⋯。
传统的小区供水方式有:
恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式,其优、缺点如下:
l、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应,水泵的增减都依赖人工进行手工操作,自动化程度低,而且为保证供水,机组常处于满负荷运行,不但效率低、耗电量大,而且在用水量较少时,管网长期处于超压运行状态,爆损现象严重,电机硬起动易产生水锤效应,破坏性大,目前较少采用。
2、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点,但存在基建投资大,占地面积大,维护不方便,水泵电机为硬起动,启动电流大等缺点,频繁起动易损坏联轴器,目前主要应用于高层建筑。
3、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点,但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁,对电器设备要求较高、系统维护工作量大,而且为减少水泵起动次数,停泵压力往往比较高,致使水泵在低效段工作,而出水压力无谓的增高,也使浪费加大,从而限制了其发展。
4、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油,发热需冷却,效率低,改造麻烦,只能是一对一驱动,需经常检修;优点是价格低廉,结构简单明了,维修方便。
5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速,自动化程度要优于上面4
种供水方式,但是系统开发周期比较长,对操作员的素质要求比较高,可靠性比较低,维修不方便,且不适用于恶劣的工业环境。
综上所述,传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源;效率低;可靠性差;自动化程度不高等缺点,严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。
目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展,变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式,在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用,特别是在城乡工业用水的各级加压系统,居民生活用水的恒压供水系统中,变频调速水泵节能效果尤为突出,其优越性表现在:
一是节能显著;二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击;三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。
PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。
采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性,同时系统具有良好的节能性,这在能源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。
1.2国内外变频调速技术的发展与现状
变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。
1964年,最先提出把通信技术中的脉宽调制P删技术应用到交流传动中的是德国人。
20世纪80年代初,日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。
此方法以三相波形的整体生成效果为基础,以逼近电机气息的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成两相调制波形,使变压变频VVVF(VableVoltageVariableFrequency)成为变频调速技术的核心。
从20世纪80年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。
1980年,德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展,促进了矢量控制的实用化。
此后,日本厂商竟相研究矢量控制技术,并在产品性能和价格两方面取得进展;理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深化,取得了解耦控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等方面的理论成果。
自1992年开始,德国西门子公司相继开发了6SE70系列通用变频器,通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等;至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到315kw以上。
1985年,德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论(DSC)。
这种方法不需要复杂的坐标变换而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小,并通过磁链和转矩的直接跟踪,实现脉宽调制和系统的高动态性能H3。
最初,这种控制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用;目前被应用于通用变频器的控制方法的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。
1995年,ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器,目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。
国外在交流变频调速技术的发展方面特点为:
市场需求量大;功率器件发展迅速;控制理论和微电子技术的支持。
变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决定的。
在现代自动化控制领域中,以现代控制论为基础,融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论,为高性能变频调速提供了理论基础;16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展,则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手。
在我国,60%的发电量是通过电动机消耗掉的,因此,如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能,一直受到国家和业界人士的重视。
我国电气传动产业始于1954年。
当时,在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司,即现在的天津电气传动设计研究所的前身。
现在,我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作,但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比,还有比较大的技术差距。
随着改革开放和经济的高速发展,我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备,要么内外结合,即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备,然后自己开发应用软件的办法,很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法,适应了社会的需要。
总之,虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩,但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱,对国外公司的依赖还很严重。
国内交流变频调速技术产业状况表现如下:
1)变频器的整体技术落后,国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研究变频技术并开发新产品,但由于分散,所以并没有形成一定的技术和生产规模。
2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。
3)相关配套产业及行业落后。
4)产品可靠性及工艺水平低。
1.3可编程控制器(PLC)的特点及应用
可编程序控制器(programlogicalcontroller),简称PLC,是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统,它是以微处理机为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置,是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。
由于PLC采用了“三机一体化一的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身,具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点,因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求:
再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化,使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制,开始进入批量控制和过程控制领域,并迅速成为工业自动化系统的支柱阻1。
目前,PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。
早期的可编程序控制器(PfogrammableLogicController,PLC),主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展,可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体,具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点,以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能,在工业生产中得到了广泛的应用。
1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成,主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。
70年代初期,体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC,使得PLC的功能大大增强。
在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。
在软件方面,PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言,除了保持原有的逻辑运算等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
而且,为了进步提高PLC的处理速度,各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片,大大提高了PLC软、硬件功能。
在发达工业国家,PLC己经广泛的应用在所有的工业部门。
据“美国市场信息力的世界PLC以及软件市场报告称,1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元,随着电子技术和计算机技术的发展,PLC的功能得到大大的增强,具有以下特点:
1)可靠性高。
PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。
2)具有丰富的I/O接口模块。
PLC针对不同的工业现场信号,有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。
另外为了提高操作性能,它还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块。
3)采用模块化结构。
为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4)编程简单易学。
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5)安装简单,维修方便。
PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。
由于PLC强大功能和优点,使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。
PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。
其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等可编程控制器PC或PLC是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机,其本质是一台工业控制专用计算机。
它的软、硬件配置与计算机极为类似,只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适
应于控制要求的编程语言。
PLC机硬件主要由中央处理单元(CPU)、存贮器、输入/输出单元以及编程器、电源和智能输入/输出单元等构成。
PLC可分为以下几个部分:
1)中央处理单元(CPU):
同一般微处理机一样,中央处理单元是可编程控制的核心部件,它通过输入装置将外设的状态读入并按照用户程序去处理,根据处理结果通过输出装置去控制外设。
常用的cPU有通用微处理器,如MOTOROLA6800,单片机有803l,8051和双极型位式微处理器,如AMD2903。
目前,小型PLC为单CPU系统,而中型及大型PLC则为双CPU甚至多CPU系统。
对于双CPU来说,一般具有一个位处理器和一个字处理器。
字处理器是CPU这个核心的核心,常由通用的8位、16位或32位微处理器担任,位处理器也称布尔处理机,如美国TI公司的TI一530等,它不仅使PLC增加了功能,提高了速度,也加强了PLC的保密性能。
中央处理器的功能是:
CPU按系统程序所赋予的功能,、接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据;CPU按扫描方式工作,从存贮器中逐条读取指令,并存入CPU内的指令寄存器中;指令寄存器的指令操作码进行译码,执行指令规定的任务,产生相应的控制信号,启闭有关控制门电路,并根据运算结果更新有关标志和输出映像寄存器的内容,以实现输出控制、制表、打印或数据通讯;行系统诊断程序,诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。
2)存贮器:
可编程控制器中存贮器主要用于存放系统程序、用户程序和数据。
常用的存贮器形式有CMOSROM、EPROM和EEPROM。
系统存贮器用以存贮制造厂家编写的系统程序。
所谓系统程序是指控制和完成Pc机各种功能的程序,如控制器的监控程序、基本指令和功能指令翻译程序、系统诊断程序、通信管理程序等。
机器出厂时,厂家把这些程序存入EPROM存贮器或EEPROM存贮器。
用户不能访问和修改存贮器这部分的内容。
用户存贮器主要用来存放用户的应用程序。
所谓用户程序是指使用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。
此程序由使
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