电力系统自动化技术毕业设计.docx
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电力系统自动化技术毕业设计
电力系统自动化技术毕业设计
本论文依照中国都市小区的供水要求,设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水设备。
变频恒压供水设备是一种新型的节能供水设备。
变频恒压供水设备系运用当今最先进的微电脑操纵技术,将变频调速器与电机水泵组合而成的机电一体化高科技节能供水装置。
变频恒压供水设备以水泵出水端水压〔或用户用水流量〕为设定参数,通过微机自动操纵变频器的输出频率从而调剂水泵电机的转速,实现用户管网水压的闭环调剂,使供水系统自动恒稳于设定的压力值:
即用水量增加时,频率提高,水泵转速加快;用水量减少时,频率降低,水泵转速减慢。
如此就保证了整个用户管网随时都有充足的水压〔与用户设定的压力一致〕和水量〔随用户的用水情形变化而变化〕。
关键词:
变频调速;恒压供水;PLC
Abstract
AccordingtotherequirementsoftheChineseurbancommunitywatersupply,thispaperdesignedasetoffrequencyconversionvelocitymodulationconstantpressurewatersupplyequipmentbasedonPLC.Variablefrequencyconstantpressurewatersupplyequipmentisanewtypeofenergy-savingwatersupplyequipment.Variablefrequencyconstantpressurewatersupplyequipmentisusingtoday'smostadvancedmicrocomputercontroltechnology,willbeacombinationoffrequencyconverterandmotorpumpmechanicalandelectricalintegrationofhigh-techenergy-savingwatersupplydevice.Variablefrequencyconstantpressurewatersupplyequipmenttopumpthewatersidepressure(oruser)waterflowtosetparameters,throughthemicrocomputerautomaticcontrolinverteroutputfrequencytoadjustthespeedofwaterpumpmotor,realizeuserpipenetworkpressureclosed-loopadjustment,automaticwatersupplysystem,steadytosetpressurevalue:
thewaterconsumptionincreases,thefrequencyincrease,thewaterpumpspeedaccelerated;Watercut,thefrequencyisreduced,thepumpspeedslow.Soastoensuretheuser'snetworkatanytimesufficientwaterpressure(consistentwiththeusersettingpressure)andwater(changesovertheuser'swatersituation).
Keywords:
Frequencycontrolofmotorspeed;Constantpressurewatersupply;PLC
1绪论
1.1课题的提出
水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质,在节水节能已成为时代特点的现实条件下,我们那个水资源和电能源短缺的国家,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,自动化程度较低,而随着我国社会经济的进展,人们生活水平的不断提高,以及住房制度改革的不断深入,都市中各类小区建设进展十分迅速,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、稳固性、经济性直截了当阻碍到小区住户的正常工作和生活,也直截了当表达了小区物业治理水平的高低。
1.1.1几种供水系统的比较
传统的小区供水方式有:
恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、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:
1.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,水泵的增减都依靠人工进行手工操作,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,爆损现象严峻,电机硬起动易产生水锤效应,破坏性大,目前较少采纳。
2.气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点,但此方式调剂量小、水泵电机为硬起动且起动频繁,对电器设备要求较高、系统爱护工作量大,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,也使白费加大,从而限制了其进展。
3.水塔高位水箱供水具有操纵方式简单、运行经济合理、短时刻维或停电可不停水等优点,但存在基建投资大,占地面积大,爱护不方便,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,目前要紧应用于高层建筑。
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,改造苦恼,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,修理方便。
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,然而系统开发周期比较长,对操作员的素养要求比较高,可靠性比较低,修理不方便,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白费水力、电力资源;效率低;可靠性差;自动化程度不高等缺点,严峻阻碍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、自动可靠的方向进展,变频调速技术以其显着的节能成效和稳固可靠的操纵方式,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,专门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,变频调速水泵节能成效尤为突出,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。
基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代操纵技术于一体。
采纳该系统进行供水能够提高供水系统的稳固性和可靠性,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,因此研究设计该系统,关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变频器恒压供水产生的背景和意义
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、范畴广、类型多、进展速度快,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缘故,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,找出能够节能的操纵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组成的操纵系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、修理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、现代操纵、远程监控技术与一体。
采纳该系统进行供水能够提高供水系统的稳固性和可靠性,方便的实现供水系统的集中治理与监控;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,因此研究设计该系统,关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。
1.3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进展之后逐步进展起来的。
在早期,由于国外生产的变频器的功能要紧限定在频率操纵、升降速操纵、正反转操纵、起动操纵以及制动操纵、压频比操纵以及各种爱护功能。
应用在变频恒压供水系统中,变频器仅作为执行机构,为了满足供水量大小需求不同时,保证管网压力恒定,需在变频器外部提供压力操纵器和压力变送器,对压力进行闭环操纵。
1.3.1变频恒压供水系统的国内外研究与现状
随着变频技术的进展和变频恒压供水系统的稳固性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能成效被大伙儿发觉和认可后,国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器,像日本Samco公司,就推出了恒压供水基板,备有〝变频泵固定方式〞、〝变频泵循环方式〞两种模式它将PID调剂器和PLC可编程操纵器等硬件集成在变频器操纵基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能,只要搭载配套的恒压供水单元,便可直截了当操纵多个内置的电磁接触器工作,可构成最多7台电机〔泵〕的供水系统。
这类设备虽微化了电路结构,降低了设备成本,但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,系统的动态性能和稳固性不高,与别的监控系统〔如BA系统〕和组态软件难以实现数据通信,同时限制了带负载的容量,因此在实际使用时其范畴将会受到限制。
目前国内有许多公司在做变频恒压供水的工程,大多采纳国外的变频器操纵水泵的转速,水管管网压力的闭环调剂及多台水泵的循环操纵,有的采纳可编程操纵器〔PLC〕及相应的软件予以实现;有的采纳单片机及相应的软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳固性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说,还远远没能达到所有用户的要求。
原深圳华为电气公司和成都期望集团也推出了恒压供水专用变频器〔5.5kw~22kw〕,无需外接PLC和PID调剂器,可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。
该变频器将压力闭环调剂与循环逻辑操纵功能集成在变频器内部实现,但其输出接口限制了带负载容量,同时操作不方便且不具有数据通信功能,因此只适用于小容量,操纵要求不高的供水场所。
能够看出,目前在国内外变频调速恒压供水操纵系统的研究设计中,关于能适应不同的用水场合,结合现代操纵技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环操纵研究得不够。
因此,有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能,使其能被更好的应用于生活、生产实践。
1.3.2变频调速技术的国内外进展与现状
变频器的快速进展得益于电力电子技术、运算机技术和自动操纵技术及电机操纵理论的进展。
1964年,最先提出把通信技术中的脉宽调制PWM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操纵方法。
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。
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。
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进展,我国采取要么直截了当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纳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方法,专门好地为国内重大工程项目提供了电气传动操纵系统的解决方法,适应了社会的需要。
总之,尽管国内变频调速技术取得了较好的成绩,然而总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱,对国外公司的依靠还专门严峻。
1.4本课题的要紧研究内容
本设计是以小区供水系统为操纵对象,采纳PLC和变频技术相结合技术,设计一套都市小区恒压供水系统,并引用运算机对供水系统进行远程监控和治理保证整个系统运行可靠,安全节能,获得最正确的运行工况。
PLC操纵变频恒压供水系统要紧有变频器、可编程操纵器、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剂系统,本设计中有3个贮水池,3台水泵,采纳部分流量调剂方法,即3台水泵中只有1台水泵在变频器操纵下作变速运行,其余水泵做恒速运行。
PLC依照管网压力自动操纵各个水泵之间切换,并依照压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算,输出给变频器操纵其输出频率,调剂流量,使供水管网压力恒定。
各水泵切换遵循先起先停、先停先起原那么。
依照以上操纵要求,进行系统总体操纵方案设计。
硬件设备选型、PLC选型,估算所需I/O点数,进行I/O模块选型,绘制系统硬件连接图:
包括系统硬件配置图、I/O连接图,分配I/O点数,列出I/O分配表,熟练使用相关软件。
2变频恒压供水系统的理论及操纵
2.1变频恒压供水系统的理论分析
2.1.1电动机的调速原理
水泵电机多采纳三相异步电动机,而其转速公式为:
(2.1)
式中:
f表示电源频率,p表示电动机极对数,s表示转差率。
从上式可知,三相异步电动机的调速方法有:
1.改变电源频率;
2.改变电机极对数;
3.改变转差率。
改变电机极对数调速的调控方式操纵简单,投资省,节能成效显著,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,即变速时转速变化较大,转矩也变化大,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畴一样采纳串级调速的方式,其最大优点是它能够回收转差功率,节能成效好,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,且成本高而阻碍它的推广价值。
下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。
依照公式可知,当转差率变化不大时,异步电动机的转速n差不多上与电源频率f成正比。
连续调剂电源频率,就能够平滑地改变电动机的转速。
然而,单一地调剂电源频率,将导致电机运行性能恶化。
随着电力电子技术的进展,已显现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置,它们促进了变频调速的广泛应用。
2.1.2变频恒压供水系统的节能原理
供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提,说明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线,如图2.1所示。
由于在阀门开度和水泵转速都不变的情形下,流量的大小要紧取决于用户的用水情形,因此,扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f(Qu)。
而管阻特性是以水泵的转速不变为前提,说明阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系曲线,如图2.1所示。
管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流淌阻力的变化规律。
由于阀门开度的改变,实际上是改变了在某一扬程下,供水系统向用户的供水能力。
因此,管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f(Qc)。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为供水系统的工作点,如图2.1中A点。
在这一点,用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平稳状态,供水系统既满足了扬程特性,也符合了管阻特性,系统稳固运行。
图2.1恒压供水系统的差不多特点
变频恒压供水系统的供水部分要紧由水泵、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,同时把电机和水泵做成一体,通过变频器调剂异步电机的转速,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,通常以流量为操纵目的,常用的操纵方法为阀门操纵法和转速操纵法。
阀门操纵法是通过调剂阀门开度来调剂流量,水泵电机转速保持不变。
事实上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,假设阀门开度在一段时刻内保持不变,必定要造成超压或欠压现象的显现。
转速操纵法是通过改变水泵电机的转速来调剂流量,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操纵。
其工作原理是依照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。
由流体力学可知,水泵给管网供水时,水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比;水泵的转速n与出水流量Q成正比;管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。
由上述关系有,水泵的输出功率P与转速n三次方成正比,
〔2.2〕
〔2.3〕
〔2.4〕
〔2.5〕
式中k、k1、k2、k3为比例常数。
图2.2管网及水泵的运行特性曲线
当用阀门操纵时,假设供水量高峰水泵工作在E点,流量为Q1,扬程为H0,当供水量从Q1减小到Q2时,必须关小阀门,这时阀门的摩擦阻力变大,阻力曲线从b3移到b1,扬程特性曲线不变。
而扬程那么从H0上升到H1,运行工况点从E点移到F点,现在水泵的输出功率正比于H1×Q2。
当用调速操纵时,假设采纳恒压(H0),变速泵(n2)供水,管阻特性曲线为b2,扬程特性变为曲线n2,工作点从E点移到D点。
现在水泵输出功率正比于H0×Q2,由于H1>H0,因此当用阀门操纵流量时,有正比于(H1-H0)×Q2的功率被白费掉,同时随着阀门的不断关小,阀门的摩擦阻力不断变大,管阻特性曲线上移,运行工况点也随之上移,因此H1增大,而被白费的功率要随之增加。
因此调速操纵方式要比阀门操纵方式供水功率要小得多,节能成效显著。
2.2变频恒压供水系统操纵方案的确定
2.2.1变频恒压供水系统操纵方案的比较
恒压变频供水系统要紧有压力变送器、变频器、恒压操纵单元、水泵机组以及低压电器组成。
系统要紧的任务是利用恒压操纵单元使变频器操纵一台水泵或循环操纵多台水泵,实现管网水压的恒定和水泵电机的软起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和监控。
依照系统的设计任务要求,有以下几种方案可供选择:
1.由供水基板的变频器、水泵机组和压力变送器组成;
2.由通用变频器、单片机〔包括变频操纵、调剂器操纵〕和压力变送器组成;
3.由通用变频器、PLC〔包括变频操纵、PID调剂器操纵〕和压力变送器组成。
三种方案的特点比较如下:
(1)由供水基板的变频器、水泵机组和压力变送器组成。
这种操纵系统结构简单,它将PID调剂器和PLC可编程操纵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。
它尽管微化了电路结构,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苦恼,无法自动实现不同时段的不同恒压要求,在调试时,PID调剂参数寻优困难,调剂范畴小,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,同时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〕由通用变频器、单片机〔包括变频操纵、调剂器操纵〕和压力变送器组成。
这种方式操纵精度高、操纵算法灵活、参数调整方便,具有较高的性价比,但开发周期长,程序一旦固化,修改较为苦恼,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,因此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〕由通用变频器、PLC和压力变送器组成。
这种操纵方式灵活方便,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操纵系统。
在硬件设计上,只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线,当操纵要求发生改变时,能够方便地通过操纵PLC程序,因此现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高,因此系统的可靠性大大提高。
该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合,同时与供水机组的容量大小无关。
2.2.2变频恒压供水方案的确定
在这三种方案中:
①供水基板的变频器、水泵机组和压力变送器组成;②通用变频器、单片机〔包括变频操纵、调剂器操纵〕和压力变送器组成;③通用变频器、PLC〔包括变频操纵、PID调剂器操纵〕和压力变送器组成。
通过比较和分析,能够看出第三种操纵方案更适合于本系统。
这种操纵方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点,又能达到系统稳固性及操纵精度的要求。
3变频恒压供水系统的差不多工作过程
PLC操纵变频恒压供水系统要紧有变频器、可编程操纵器、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剂系统,该系统的操纵原理图如图1.1所示:
图1.1变频恒压供水系统操纵原理图
从图中可看出,系统可分为:
执行机构、信号检测机构、操纵机构三大部分。
3.1变频恒压供水系统操纵原理的组成和说明
1.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操纵、能够进行变频调整的水泵,用以依照用水量的变化改变电机的转速,以坚持管网的水压恒定;工频泵只运行于启、停两种工作状态,用以在用水量专门大〔变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时〕的情形下投入工作。
2.信号检测机构:
在系统操纵过程中,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,它是恒压供水操纵的要紧反馈信号。
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,检测结果能够送给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,操纵系统要对系统实施爱护操纵,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、变频器是否有专门,该信号为开关量信号。
3.操纵机构:
供水操纵系统一样安装在供水操纵柜中,包括供水操纵器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。
供水操纵器是整个变频恒压供水操纵系统的核心。
供水操纵器直截了当对系统中的压力、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、实施操纵算法,得出对执行机构的操纵方案,通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行操纵;变频器是对水泵进行转速操纵的单元,其跟踪供水操纵器送来的操纵信号改变调速泵的运行频率,完成对调速泵的转速操纵。
依照水泵机组中水泵被变频器拖动的情形不同,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,系统直截了当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能够选择,本设计中采纳前者。
作为一个操纵系统,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,因此为了保证系统安全、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判定报警类别,进行显示和爱护动作操纵,以免造成不必要的缺失。
恒压供水系统通过安装在用
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