变频供水系统设计.docx
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变频供水系统设计.docx
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变频供水系统设计
1前言
1.1变频供水系统的应用行业和场合
泵站担负着工农业和生活用水的重要任务,运行中需要大量消耗能量,提高泵站效率;降低能耗,对国民经济有重大意义。
我过泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快,在工程规模上也有一定水平,但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等原因,至使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比,还有一定的差距。
目前,大量的动能消耗在水泵、风机负载上,城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当大的比例。
因此,研究提水系统的能量模型,找出能够节能的控制策略方法是目前较为重要的一件事。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、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,变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术与一体。
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,方便的实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能性,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。
1.2设计任务即要求
本系统是以一个供水系统作为被控对象,PLC与变频器协调控制电机的转速与启动和停止。
系统控制要求:
(1)工艺参数:
供水系统由3台水泵组成:
母管压力H≥0.8时,一台定速,一台变速,一台备用。
母管压力H≤0.64时,一台定速或变速,二台备用。
母管压力H≤0.52时,一台变速,二台备用。
(2)电动机参数:
型号:
JD-L-39-4
功率:
75KW
额定频率:
50Hz
额定电压:
380VAC;
额定转速:
1470r/min
额定电流:
126.6A
(3)水泵电机的起动/停止、正转、调速控制。
(4)变频器采用远方控制方式。
(5)通过母管压力变送器测得实际压力大小,同时和压力给定组成闭环控制。
(6)变频器的运行状态指示(如运行、停止、过流、低压等)。
(7)变频器的报警处理。
2.系统的基本构成及基本原理
2.1变频供水系统的机构框图
变频恒压供水系统主要由水泵、电动机、变频器、D/A模块、A/D模块、管道和压力变送器等构成。
通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵连成一体,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。
其结构框图如图2-1所示:
图2-1变频恒压供水系统框图
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。
2.2变频供水系统的工作原理
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2-2所示:
图2-2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:
(l)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。
(2)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。
(3)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)、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。
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即变频循环式和变频固定式,变频循环式即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;变频固定式是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[9],本设计中采用前者。
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[10]。
3主电路设计及元件清单
3.1主电路设计结果
基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3-1所示:
三台电机分别为M1、M2、M3,它们分别带动水泵1#、2#、3#。
接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行;接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行;FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器;QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关;FU为主电路的熔断器。
本系统采用三泵循环变频运行方式,即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行,其余水泵在工频下做恒速运行,在用水量小的情况下,如果变频泵连续运行时间超过3h,则要切换下一台水泵,即系统具有“倒泵功能”,避免某一台水泵工作时间过长。
因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下,但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。
图3-1变频恒压供水系统主电路图
三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端,变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。
当电机工频运行时,连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开,接通工频运行的接触器和隔离开关。
主电路中的低压熔断器除接通电源外,同时实现短路保护,每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。
变频和工频两个回路不允许同时接通。
而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源,故必须经过接触器的触点,当电动机接通工频回路时,变频回路接触器的触点必须先行断开。
同样从工频转为变频时,也必须先将工频接触器断开,才允许接通变频器输出端接触器,所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作,相互之间必须设计可靠的互锁。
为监控电机负载运行情况,主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4~20mA电流信号送至上位机来显示。
同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。
并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。
初始运行时,必须观察电动机的转向,使之符合要求。
如果转向相反,则可以改变电源的相序来获得正确的转向。
系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开),而必须通过变频器实现软启动和软停。
为提高变频器的功率因数,必须接电抗器。
当采用手动控制时,必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流,本系统采用软启动器。
3.2主要参数及其器件选择
3.2.1主要参数
控制器参数整定的方法很多,归纳起来可分为两大类:
理论计算整定法与工程整定法,常用的工程整定法有:
动态特性参数法、稳定边界法、阻尼振荡法和现场经验整定法,本设计选用的是动态特性参数法,就是根据系统开环广义过程(包括调节阀WV(s)、被控对象WO(s)和测量变送Wm(s))阶跃响应特性进行近似计算的方法。
本系统是一个单闭环系统,结构框图如图3-2所示。
图3-2恒压供水系统结构框图
由于本设计对压力控制的要求较高,故选择PI控制器,其传递函数为:
(3-1)
本系统可近似为带纯滞后的一阶惯性环节,假设其过程传递函数为
;变频器可近似为一个比例环节,即
;反馈回路传递函数为
。
由于本系统具有自衡能力,与公式(4.8)、(4.9)可求的PI控制器各参数。
当
时,
(3-2)
(3-3)
计算的:
,
PI控制器的传递函数为:
3.2.2器件选择
PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心,它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。
因此我们在选择PLC时,要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。
由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少,因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。
S7-200型PLC的结构紧凑,价格低廉,具有较高的性价比,广泛适用于一些小型控制系统。
SIEMENS公司的PLC具有可靠性高,可扩展性好,又有较丰富的通信指令,且通信协议简单等优点;PLC可以上接工控计算机,对自动控制系统进行监测控制。
PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆,支持点对点接口(PPI)协议,PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换,用户程序有三级口令保护,可以对程序实施安全保护[12]。
根据控制系统实际所需端子数目,考虑PLC端子数目要有一定的预留量,因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226,其开关量输出为16点,输出形式为AC220V继电器输出;开关量输入CPU226为24点,输入形式为+24V直流输入。
由于实际中需要模拟量输入点1个,模拟量输出点1个,所以需要扩展,扩展模块选择的是EM235,该模块有4个模拟输入(AIW),1个模拟输出(AQW)信号通道。
输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换,标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号;输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换,一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。
EM235模块可以针对不同的标准输入信号,通过DIP开关进行设置。
(1)变频器的选型
变频器是本系统控制执行机构的硬件,通过频率的改变实现对电机转速的调节,从而改变出水量。
变频器的选择
- 配套讲稿:
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