消防水泵变频调速系统Word文件下载.docx

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PLC

目录

摘要I

AbstractII

目录III

第一章绪论1

1.1消防的重要性1

1.2消防水泵变频调速系统的介绍1

1.3消防泵变频调速控制效果及经济效益分析2

1.4变频调速系统的发展2

1.5变频调速系统的意义3

1.6本章小结4

第二章工艺介绍与方案设计原理5

2.1消防水泵变频调速系统工艺选择5

2.2消防水泵变频调速系统工艺要求5

2.3总体方案设计6

2.3.1变频调速恒压供水系统6

2.3.2变频器睡眠功能的实现8

2.3.3消防水泵的自动巡检8

2.4本章小结10

第三章硬件设计11

3.1PLC的选型11

3.1.1PLC的简介11

3.1.2S7-300系列PLC及其扩展模块的选型14

3.2电动机的选型20

3.3变频器的选型20

3.4压力传感器的选型23

3.5自动巡检装置的选型24

3.6触摸屏的选型24

3.7继电器的选型25

3.8接触器的选型26

3.9空气断路器的选择27

3.10本章小结28

第四章软件设计29

4.1PLC程序的设计29

4.2控制系统程序设计30

4.3本章小结33

第五章结束语34

参考文献35

附录A36

附录B39

致谢41

第一章绪论

1.1消防的重要性

消防工作是国民经济和社会发展的重要组成部分，是发展社会主义市场经济不可缺少的保障条件。

消防工作直接关系人民生命财产的安全和社会的稳定。

近年来我国发生的一些重特大火灾，一把火就造成几十人甚至数百人的伤亡，造成百万、上千万甚至几亿元的经济损失，这不仅给许多家庭带来了不幸，而且还使大量的的社会财富化为灰烬。

不仅如此，而且事故的善后处理往往也牵扯了政府很多精力，严重影响了经济建设的发展和社会的稳定，有些火灾事故还成为国内为舆论的焦点，造成了不良的社会影响，教训是十分沉重和深刻的。

因此做好消防工作、预防和减少火灾事故特别是群死群伤的恶性火灾事故发生，具有十分重要的意义。

消防工作是一项社会性很强的工作，它涉及到社会的各个领域，于各个行业和人们的生活都有着十分密切的关系。

随着社会的发展，仅就用火、用电、用气的广泛而言，消防安全问题所涉及的范围几乎无处不在。

全社会每个行业、每个部门、每个单位、甚至每个家庭，都有随时预防火灾、确保消防安全的问题。

总结以往的火灾教训，绝大多数火灾都是由于一些领导、管理者和职工群众思想麻痹、行为放纵、不懂消防规章或者有章不循、管理不严、明知故犯、冒险工作造成的。

火灾发生后，有不少人缺乏起码的消防科学知识，遇到火情束手无策，不知如何报警，甚至不会逃生自救，导致严重后果。

“隐患险于明火、防患胜于救灾、责任重于泰山”的科学论断，用辩证唯物主义观点，科学的阐述了消防安全工作的重要意义，深刻地揭示了消防安全工作的内在规律，突出强调火灾预防是做好消防安全工作的关键性问题，对指导和加强消防安全工作具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。

因此，全社会、各部门、各行业、各单位以及每个社会成员都要高度重视并认真做好消防工作，认真学习并掌握基本的消防安全知识，共同维护公共消防安全。

只有这样，才能从根本上提高一个城市、一个地区乃至全社会预防和抗御火灾的整体能力[1]。

1.2消防水泵变频调速系统的介绍

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。

电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

深入了解交流传动与控制技术的走向，

具有十分积极的意义。

1.3消防泵变频调速控制效果及经济效益分析

采用变频调速控制的消防泵恒压供水控制系统,克服了原系统的缺点,主要优点如下:

（1）手动、自动可以来回切换,确保供水系统的安全使用。

系统自动化程度高,安全可靠,避免了由于人为因素而造成的失误。

PLC的定期巡检功能消除了泵体本身的故障对系统的影响,更增加了系统的可靠性。

（2）PLC和变频器的控制下始终维持管道内的压力恒定,有效地保证了火情发生时的及时供水,并且由于在大部分时间内电动机是在低于额定转速的状态下运行,故节能降耗效果显著。

（3）由于电机实现了软启动,延长了电机的寿命,同时由于无冲击电流,因此减少了对管网的冲击,也延长了管网的寿命。

使用变频器后,电机运行温度明显下降,同时减少了机械磨损,机械检修工作量也大大减少。

（4）节能效果显著。

电机功率明显下降43%（原工频电源有功功率为64.9kW,变频电源有功功率为36.7kW）,电源频率下降18%,流量减少12%,功率因数提高0.03,转速下降15%。

1.4变频调速系统的发展

20世纪60年代以后,半导体功率器件从普通晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、双极型晶体管（BJT）、金属氧化硅场效应管（MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）、MOS控制晶体管（MGT）、MOS控制晶闸管（MCT）逐步发展到今天的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和耐高压绝缘栅双极型晶体管（HVIGBT）。

器件的每一次更新都为调速技术的发展注入了新的活力。

电动机的调速从直流发电机电动机组调速、静止晶闸管整流直流调压调速逐步发展到交流感应电动机变频调速,而且随着控制技术和控制手段的不断提高,变频调速又由变压变频控制的变频调速发展到了矢量控制变频调速,通过控制交流电动机里相当于并励直流电动机励磁绕组的磁通变化,提高变频器的恒转矩输出范围和动静态特性,使得交流电动机变频调速系统的性能超过了直流电动机调压调速系统的性能。

为了简化控制系统,减少设备故障率,在矢量控制变频调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制变频调速。

在一些对动静态特性要求不太高的应用中,无速度传感器的矢量控制变频调速已完全可以和有速度传感器的矢量控制变频调速相媲美。

矢量控制对交流电机调速具有划时代的意义。

交流电机采用变频调速技术是当代电机调速的潮流,它以体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便等优点超过以往的任何调速方式,深受钢铁、有色、石油、化工、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、航海、电力机车、自来水、养殖等行业的欢迎。

随着电力电子技术和数字控制技术的发展,交流电机变频调速系统的实际应用比重会逐步增高,直到最后完全取代直流调速和其它调速方式。

1.5变频调速系统的意义

由于变频调速系统以上特点,使交流调速的性能全面优于其它调速方式。

1990年以后国内企业已开始使用变频调速系统。

变频调速的重要作用主要体现在:

（1）节省电能。

茂名石化公司从1990年先后在糖醛、蒸溜、催化、酮苯等20多条生产线使用变频装置161台,1990年10月至1992年2月对其中30台泵进行测试,在同样工艺条件下,采用调节阀控制的电能损耗为999.9kW,采用变频控制的电耗为396.7kW,节电603.2kW,节电率60.3%。

1994年以后,该厂又用了6kV大容量变频装置,节电率达到40~70%。

我国现有风机、泵和空气压缩机约1500万台,耗电量占全国总发电量40~50%。

风机平均运行效率50%,泵平均运行效率41%,如采用变频调速将电能利用率提高20~30%,年节电500亿kWh以上,节能潜力巨大。

（2）提高产量和质量。

承德钢铁公司炼钢厂三套20吨转炉倾动和氧枪升降采用交流变频控制取代直流控制,1994年5月投产至今年增产钢1.5万吨。

株洲冶炼厂锌浸出渣挥发回转窑1991年6月完成变频调速改造,每年超产117.82万元。

宁夏中卫造纸厂1760/330纸机原采用晶闸管直流电动机调速方式,只能生产60~100g铜板原纸和60~70g的静电复印纸,采用交流变频调速改造后,还能生产40~50g无碳复写原纸,年产量由原来的6000吨提高至10000吨以上。

由此可见,变频调速为企业带来的经济效益十分明显。

（3）提高设备的可靠性,减轻工人的劳动强度,减少故障停机和检修维护时间,延长易损件的使用寿命,降低原材料及备品备件的消耗。

[2]

1.6本章小结

本章首先介绍了消防的重要性，又结合消防水泵的变频调速介绍了变频调速系统的控制效果及经济效益，发展趋势及重要意义。

第二章工艺介绍与方案设计原理

2.1消防水泵变频调速系统工艺选择

目前交流异步电机的节电措施是采用不同方式的调速节能,一般较为常用的调速方法有液力耦合器调速、串级调速、电磁调速和变频调速四种。

相比之下变频调速节能效果较显著,近年来应用较为广泛,尤其适用于风机、水泵类负载。

变频调速基本原理是根据交流电机工作原理中的转速关系:

n=60f（1-s）/p,从公式中可以看出:

均匀改变电动机定子绕组的电源频率f,就可以平滑地改变电动机的同步转速。

电动机转速变慢,轴功率就相应减少,电动机输入功率也随之减少,这就是水泵变频调速的节能作用。

为了保持调速时电动机的最大转矩不变,需要维持电动机的磁通恒定,因此,要求定子绕组电压也要作相应的调节,变频调速器因此具有调频、调压的两种功能,变频调速器就是基于此原理实现调速的。

原消防泵供水系统由两台75kw电动机组成,系统完全由手动控制、人工管理,当火情发生时消防泵不能自动投入供水,自动化程度低,可靠性差,另外,人为因素的失误也会造成供水延误,无法满足实际消防用水的要求。

消防泵电机为直接启动,对所在电网、机械和电气设备冲击大,并且严重影响电动机的使用寿命。

消防泵电机一经启动即为全速运行,不能根据供水要求进行调速,无法满足节能降耗的要求。

为此,我们提出设计安装一套变频调速系统,以改善现有状况，实现消防泵恒压供水控制。

2.2消防水泵变频调速系统工艺要求

消防供水设备一般有两台供水泵，向建筑物的消火栓或水幕供水，控制要求如下：

没有火情时，靠变频器控制使管网内水压保持在一较低值，保证网内充满水，有火情时，靠变频器控制使管网内水压保持在一较高值，保证管网内水压足够高。

变频器要有睡眠功能，即用水量很小，管网压力满足要求时，变频器频率自动降为0，管网压力下降到一定值时，变频器自动运行，维持管网压力。

控制柜对水泵可实现定期巡检，即每隔数天每台水泵自动运行1分钟，巡检时既可无压巡检（以最低频率20到30Hz）也可带压巡检（按设定压力巡检，管路装有电磁阀，巡检时电磁阀打开）。

控制柜设有巡检试验按钮，在按下试验按钮后，立即进入巡检状态。

变频器故障或者报警时，能自动切换到另一台水泵工频运行；

水泵工频运行时，采用自耦变压器降压启动；

变频柜可接受来自消防中心的控制信号，同时可把运行信号返回到消防中心。

变频柜可进行异地控制，控制电压在36V以下的安全电压。

2.3总体方案设计

2.3.1变频调速恒压供水系统

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2.1所示：

压力设定值

图2.1变频恒压供水系统闭环控制回路

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，它们用于将水供入现场管网，其中由两台水泵泵构成（一台备用），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；

一台水泵工作，出现故障时启用另一台。

（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。

管网水压信号反映的是现场供水管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。

（3）控制机构：

供水控制系统一般安装在供水控制柜中，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，本设计中采用前者。

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。

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，此检测信号进入变频器，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。

变频恒压供水系统控制流程如下:

（l）系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。

（2）当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值，使水压回到原来设定的稳定值。

反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值，同样使水压回到原来设定的稳定值。

（3）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件（在下节有详细阐述）时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2（变速运行），同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。

（4）当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。

2.3.2变频器睡眠功能的实现

当没有灾情无需供水时，电机停止转动，变频器也可启用睡眠功能，变频器的频率自动降为0，达到节能。

但是控制和监控功能在睡眠期间仍要执行，如果实际值下降到低于唤醒等级时唤醒功能开始，变频器自动运行，维持网管压力。

其有关参数设定要求如表1：

表1变频器睡眠功能参数表

F5.13

睡眠频率

F0.13（下限频率）～F0.05（设置为0HZ时睡眠功能无效）

HZ

000.00

F5.14

睡眠延时

10～30.0S

S

030.0S

F5.15

唤醒值

5.0～10.0%（反馈值相对于满量程的百分比）

010.0%

2.3.3消防水泵的自动巡检

消防水泵自动巡检的3种方式：

　　消防泵转速的自动巡检方式可分为常速自动巡检方式和低速自动巡检方式,其中低速自动巡检方式中又有软启动器方法和变频方法。

通过对消防泵的这两种自动巡检方式的比较和分析,指出了消防泵自动巡检的技术要求,为消防泵自动巡检方式的应用提供了一定的技术依据和保障。

　　消防给水设备是水灭火系统中的一个重要组成部分,而消防泵又是消防给水中的关键设备。

在消防给水系统中,消防泵给水的可靠性直接决定了灭火的成功与否。

建筑消防给水设备在运行上具有一个普遍的特点,即这些设备平时很少运行,一旦灭火时却需要可靠地投入使用。

但是,这些设备由于长期不用,灭火时却不一定能保证设备的正常运行。

其中,消防泵也不例外。

为加强消防泵给水的可靠性,上海市工程建设标准《民用建筑水灭火系统设计规程》（DGJ08-94-2001）在国内首次提出了消防泵的自动巡检问题。

该规程规定,超高层建筑、一类高层公共建筑的消防泵宜设定时自动巡检装置。

另在修订中的《建筑设计防火规范》也提出:

消防给水设备必须具有自动巡检功能。

　　消防泵的自检即自动巡检,它是在设定的时间周期内自动地启动消防泵,对消防泵的运行进行检查。

消防泵自动巡检的目的在于增加消防泵的可靠性,保证消防给水系统整体的可靠。

采用消防泵的定时自动巡检装置,有利于及时了解消防泵的实际性能,解决消防泵的锈蚀卡死问题、保持消防泵良好的工况,也有利于消防系统管理的智能化。

它对提高消防给水系统的安全可靠性有一定的意义。

　　一、消防泵自动巡检方式

　　1、常速自动巡检方式

　　常速自动巡检方式又称工频自动巡检方式。

它是定期将消防泵以额定转速运行一段时间后自动停泵。

为保证自动巡检时消防泵运行的压力对系统不造成破坏,必须对消防泵原有的进出水管路进行调整完善。

　　在消防泵从消防水池吸水的方式中,应在出水管上设旁通管。

自动巡检时打开旁通管上的电磁阀,消防泵自动巡检运行的出水从旁通管排至消防水池,自动巡检完成后关闭电磁阀,恢复原正常工作状态。

在消防泵从市政给水管网吸水的方式中,也应考虑自动巡检运行时的超压。

此时,在消防泵的进出水管上设旁通,自动巡检时打开电磁阀,使出水又回到进水管路。

运行超压后,从系统的泄压阀排至室外明沟。

同时,为防止对市政给水的二次污染,在消防泵的吸水管路上须设置倒流防止器。

　　2、低速自检方式

　　低速自检方式也是消防泵定期巡检的方式之一。

消防泵在自检时是以独特的低速方式运行,它对消防给水管网不必作较大的改动（见图3）。

在低速自检方式中,消防泵的转速较低,其出水压力较小。

根据控制方法的不同,可分为软启动器方法和变频方法。

　　二、软启动器方法

　　它利用软启动器来控制消防泵的自动巡检,不考虑降压启动。

在预先设定的周期内,按预先设定的软启动器运行方式进行消防泵的自动巡检。

这种运行方式是由软启动器来控制消防泵的启动阶段,即消防泵的定时软启动技术（SSD）。

它时间较短,一般在10s左右。

整个过程运用可编程控制技术（PLC）来实现,以达到消防泵始终保持良好的准备状态