变频恒压供水控制系统地研究与设计.docx
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变频恒压供水控制系统地研究与设计
摘要
随着社会主义市场经济的发展,人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高;再加上目前能源紧缺,利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术,设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势
本论文根据中国城市小区的供水要求,设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。
变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。
本文设计系统包含三台水泵电机,它们组成变频循环运行方式。
采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速。
压力传感器检测当前水压信号,送入PLC与设定值比较后进行PID运算,从而控制变频器的输出电压和频率,进而改变水泵电机的转速来改变供水量,最终保持管网压力稳定在设定值附近。
通过工控机与PLC的连接,采用组态软件完成系统监控,实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。
关键字:
变频调速;恒压供水;PLC
Abstract
Alongwiththedevelopmentofthesocialistmarketeconomy,thepeopleoftherequirementofincreasingthequalityofwatersupplyandwatersupplysystemreliability;Combinedwiththecurrentenergyshortage,theuseofadvancedautomationtechnology,controltechnologyandcommunicationtechnology,thedesignofhighperformance,highenergysaving,canadapttodifferentareasofconstantpressurewatersupplysystembecomeinevitabletrend
AccordingtotherequirementsoftheChineseurbancommunitywatersupply,thispaperdesignedasetoffrequencyconversionvelocitymodulationconstantpressurewatersupplysystembasedonPLC.Frequencyconstantpressurewatersupplysystembyprogrammablecontroller,inverter,pump,pressuresensors,industrialcontrol,etc.
Thissystemcontainsthreewaterpumpmotor,theiroperationmodeoffrequencyconversioncycle.Usingfrequencyconverteroffourphasewaterpumpmotorsoftstartandfrequencycontrolofmotorspeed.Thecurrenthydraulicpressuresensorsignal,intoaftercomparedwiththesetvalueofPIDofPLC,frequencyconvertertocontroltheoutputvoltageandfrequency,andchangethewaterpumpmotorspeedtochangewatersupply,eventuallymaintainstabilityofthepipenetworkpressurenearthesetpoint.ThroughtheindustrialcomputerandPLCconnection,usingconfigurationsoftwaretocompletethesystemmonitoring,thedynamicrunningstatedisplayanddata.
KeyWords:
Variablefrequencyspeed-regulating;Constant-pressurewatersupply;PLC
摘要……………………………………………………………………………………I
Abstract………………………………………………………………………II
第1章绪论
1.1引言
水是生命之源,人类生存和发展都离不开水。
在通常的城市及乡镇供水中,基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵,产生压力使管网中的自来水流动,把供水管网中的自来水送给用户。
但供水机泵供水的同时,也消耗大量的能量,如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时,降低能耗,将具有重要经济意义。
我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多,在工程规模上也有一定水平,但在技术水平、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。
随着社会经济的迅速发展,人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。
衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定,因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的,如当发生火警时,若供水压力不足或无水供应,不能迅速灭火,会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的,因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生,并且集中反映在供水的压力上:
用水多而供水少,则供水压力低;用水少而供水多,则供水压力大。
保持管网的水压恒定供水,可使供水和用水之间保持平衡,不但提高了供水的产量和质量,也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。
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。
利用变频技术与自动控制技术相结合,在中小型供水企业实现恒压供水,不仅能达到比较明显的节能效果,提高供水企业的效率,更能有效保证从水系统的安全可靠运行.变频恒水压供水系统集变频技术、电气传动技术、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,方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性,提高供水效率。
所以设计基于变频调速的恒定水压供水系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平,同时降低能耗等方面具有重要的现实意义[1]。
1.2变频恒压供水产生的背景和意义
在我国泵站担负着工农业和生活用水的重要任务,运行中需大量消耗能量,提高泵站效率:
降低能耗,对国民经济有重大意义。
我国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等原因,致使在技术水平、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,大量的电能消耗在水泵、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的比例。
这一方面是由于我国居民多,用水量大,造成用电量大:
另一方面是因为我国供水设备工作效率低,控制方式不够科学合理。
造成不必要的能量浪费。
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,这里大有潜力可挖,是减少能耗,保障供水的一个很有意义的工作[2]。
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。
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,方便地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。
1.3变频恒压供水的现况
1.3.1国内外变频供水系统现状
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠,恒压控制技术先进。
国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。
这种方式运行安全可靠,变压方式更灵活。
此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多,投资成本高。
目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广,国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器,结合PLC或PID调节器实现恒压供水,在小容量、控制要求低的变频供水领域,国产变频器发展较快,并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。
但在大功率大容量变频器上,国产变频器有待于进一步改进和完善。
1.3.2变频供水系统应用范围
变频恒压供水系统在供水行业中的应用,按所使用的范围大致分为三类:
(1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站,特点是变频控制的电机功率小,一般在135kW以下,控制系统简单。
由于这一范围的用户群十分庞大,所以是目前国内研究和推广最多的方式。
(2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。
这类变频器、电机功率在135kw~320kW之间,电网电压通常为220V或380V。
受中小水厂规模和经济条件限制,目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。
(3)大型供水厂的变频恒压供水系统
这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂,特点是功率大(一般都大于320kW)、机组多、多数采用高压变频系统。
这类系统一般变频器和控制器要求较高,多数采用了国外进口变频器和控制系统。
目前,国内除了高压变频供水系统,多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围,但在实际运用中,不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的,大多数变频器并不能真正实现通用。
所以在部分条件复杂的水厂,采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求,现部分中小水厂已认识到这一情况,并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。
1.4设计任务及要求
本课题主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水,通过设计了解并熟悉了PLC的工作原理,编程原理以及编程方法。
进行了控制系统的主电路设计、控制电路设计,系统的控制设备选用S7-200系列的PLC(CPU222),变频器选用西门子泵类专用的变频器MM430。
进行了控制程序(梯形图)的设计。
在控制过程中,电控系统由S7-200完成,PID控制由变频器完成。
最后,对变频恒压供水系统进行调试,对该系统在供水中所取得的节约电耗、恒定压力、保护管网等进行了总结,指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性。
第2章系统的理论分析及方案确定
2.1变频恒压供水的理论分析
2.1.1电动机的调速原理
水泵电机多采用三相异步电动机,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。
下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。
[3]
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f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。
随着电力电子技术的发展,已出现了各种性能良好、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
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[4]。
2.2变频恒压供水系统的控制方案的确定
2.2.1控制方案比较和确定
恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。
系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵,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。
根据系统的设计任务要求,有以下几种方案可供选择:
(1)有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这种控制系统结构简单,它将PID调节器和PLC可编程控制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。
它虽然微化了电路结构,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麻烦,无法自动实现不同时段的不同恒压要求,在调试时,PID调节参数寻优困难,调节范围小,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,并且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)通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、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,修改较为麻烦,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,所以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)通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器
这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口,可以方便地与其他的系统进行数据交换,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控制系统。
在硬件设计上,只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线,当控制要求发生改变时,可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序,所以现场调试方便。
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,并且与供水机组的容量大小无关。
通过对以上这几种方案的比较和分析,可以看出第三种控制方案更适合于本系统。
这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点,又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
2.2.2变频器概述
变频恒压供水是在变频调速技术发展之后逐渐发展起来的,在早期,由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。
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的不同时,保证管网压力恒定,需在变频器外部压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制。
从查阅的资料的情况来看,国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式,几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况,因而投资成本高。
即1968年,丹麦的丹弗斯公司发明并首家生产变频器后,随着变频器技术的发展和变频恒压系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优先以及显著地节能效果被大家发现认可后,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,像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术,法国的施耐德公司推出了恒压供水基板,备有PID调节器和PLC可编程控制器等硬件继承在变频器控制基板上,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,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作,可构成最多七台电机的供水系统。
但是也有其缺点,就是输出接口的扩展功能缺乏灵活性,系统的动态性能和稳定性不高,与别的监控系统和组态软件难以实现数据的通信,并且限制了带负载的容量,因此适用范围受到限制[5]。
目前国内有不少公司都在做变频恒压供水的工程,大多采用国外的变频器控制水泵的转速,水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用单片机及相应的软件予以实现;有的采用PLC及相应软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳定性能、抗干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(现已改名艾默生)和成都希望集团(森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(5.5Kw-22kW),无需外接PLC盒PID调节器,坑完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循环(丹麦丹弗斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制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,控制要求不高的供水场所。
可以看出,目前在国内外变频调速恒压供水系统的研究设计中,对于能适应不同的用水场合,结合现代控制技术、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控制的研究还是不够的,因此,有待于进一步淡淡的研究改善,使其能更好的应用于生活、生产实践中。
2.2.3变频恒压供水系统的组成及原理
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2.1所示。
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:
(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。
图2.1变频恒压供水系统控制流程图
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。
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[6]。
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。
变频恒压供水系统的结构框图如图2.2所示:
图2.2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[7]。
2.2.4变频恒压供水系统控制流程
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。
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。
(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。
如果用水量继续增加,满足增加水泵的条件,将继续发生如上转换,将另两台工频泵M3、M4依次投入运行,变频器输出频率达到上限频率50Hz时,压力仍未达到设定值时,控制系统就会发出水压超限报警。
(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
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