恒压供水毕业设计.docx
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恒压供水毕业设计
2.3系统软件设计
系统软件设计主要包括上位机监控软件设计和
下位机PI。
C控制软件设计。
上位机与下位机之间
通过以太网方式通信,共同完成整个控制系统的现
场流程控制和远程监测管理功能。
上位机控制系统主要实现远程监测和管理功
能,利用组态软件进行组态,通过具体运行工况动态
显示、实时数据获取及显示、历史数据存储与打印、.
故障报警等功能,实现整个系统的集中监测和控制。
由于供水系统是一个惯性较大的系统,不需要
过高的响应速度,因而在PI。
C程序的设计思想上以
查询方式为主,中断方式为辅。
其具体程序流程如
图3所示。
2.4核心技术
该恒压系统采用PID控制,具体结构如图4所
示。
其流程如下所述:
当系统开始工作时,首先接通
变频器,然后通过接触器把水泵电机接入变频输出
电路,实现电机软启动;同时,安装在供水管网出水
I:
1的压力传感器将水压转换为4~20mA的电信
号,PLC根据给定值与测量值的偏差大小,按照PID控制器的控制策略选择原则,在压力
允许范围
内,由变频器调整电机转速达到调节压力的目的。
在超出压力允许的范围内,通过结构调整,再结合变
频达到调节压力的目的。
当用户用水量增加时,使得水管压力下降,此时
PLC输出相应控制信号,使变频器带动水泵电机升
速,直至变频器输出至工频,把更多的水送往出水管.
网。
电机由变频到工频的转换时间应尽可能短。
而
电机脱离变频后,在水压的作用下,电机转速下降很
快,转换时间过长,会导致电机启动电流增加。
因
此,应在电路设计与软件设计中,考虑变频与工频接
触器的互锁。
此外,根据日用水量变化情况,用水高峰集中在
早、中、晚3个时段,而在深夜用水量处于低谷。
因
此,如果改变不同时段的压力给定值,就能更进一步
地起到节能的作用。
变频调速恒压供水设备以其节能、安令、高晶质的供水质量
等优点,使供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历r一
次乜跃。
恒J采供水iI封速系统实现水泵电机无级调速,依据用水量
的变化自动调节系统的运行参数,在用水量的变化自动凋节系统
的运行参数,在用水量发牛变化时保持水压恒定以满足用水要
求,是当今最先进.合理的节.能型供水系统。
1恒压供水原理
通过管网中压力传感器将信号送人变频控制装置中,恒压控
制器(由PLC和软件组成),恒压控制器将信号送入变频控制器,
当管网中压/J增大时,恒压控制器输出的值增大,即变频器输入
端值增大,使得速度电压下降,同时控制电机速度下降,水泵轴功
率减小,水泵的流最减少,当到达所需恒定压力值时,此时系统处
于动态平衡。
当管网中压力减小时,这时恒压控制器中的输出值
减小,即变频器输入端值减小,从ffIi使得变频器速度电压下降,直
到动态平衡。
当夜晚不用水时,由于管嘲压力已达恒定,此时电
机不转,水泵停止T作。
冈为N=KHQ,Q=0时,N=0。
系统处于
等待状态。
当白天用水量增大,或13、夜有用水量变化时,Q跟随
变化,N也跟随变化,因而造成压力也跟随变化,从而达到恒压动
态调节水的流鼍。
.
2变频、软启设备的选型
采用变频设备的日的不外乎两个,其一是为了节能降耗,其
二足为了T艺的需要或优化。
经过各种性能指标的综合比较以
及方便今后的维护、保养,水厂采用了ABB公司的ACS800变频
器、PSTB470/570软肩动器及主要无器件(断路器、接触器等)。
PSTB470/570软启动器性能稳定可靠,操作直观,能自行实现对水
泵的软启软停。
既能实现水泵的无机械应力肩动及有效防止停泵
时水锤对水泵的危害,并具有各种保护过载、短路等功能。
ACS800变频器不但节能效果好,而FL具有调速甲.滑、运行平稳等
优点。
它能准确地判断电机负载的变化,使输出频率、电流与电
压关系达到优化;同时,在控制电路中运,H微处理器的高度智能
性,结合软件设计使变频控制更加灵活方便;具有丰富的信号采
集处理与输m能力,全面的保护功能与故障处理能力。
ACS800
交流变频器不仅只是一台变频设备,还相当一台高性能且使用方
便的智能控制设备。
根据水厂操作及维护人员的意见。
反映电动
阀f】在手动控制其开启或笑闭的过程lfI,由于机械或电气原因,
常会出现打开过度或炎闭过度的情形,称阀门过力矩。
一旦阀门
过力矩,要求变频器能提供报警。
应用户要求,变频器配置了该
功能。
电机温度自动控制变频器对电机温度进行检测,Jf在变频
器主界面上提供电机温度值显示。
在变频器的模拟输入通道参数设定巾,用户可以}殳定电
机超温报警、过热跳闸保护、电机冷风
机启动、电机冷风机火闭四个温度值,实现变频器对电机的温度
监测和自动保护功能。
3配置工频旁路三:
恒压供水的实现方式
3.1压力控制点的选择恒压供水系统按住力控制点位置不
同,如图所示口r分两类:
一是将控制点设在最不利处,直接按最不
利点水压进行工况i|司节;--.是将控制点设于泵站出u,按该点的
水压进行工况凋节.,间接的保证最小利点的水压稳定。
压力控制
点设在水泵出u,按此雎力设定值变频调节水泵T况是常用方
式。
这种设置管理方便,但其技术、经济性能不十分理想.对用户
而言水压波动范围大,并在一定程度上导致了静扬程的浪费,影
响了变频系统先进性能的充分发挥。
将雎力控制点设存最不利
处,町以保证用户水握的稳定,无论供水管路等因素发生什么变
化。
最不利点的水压是恒定的,但这种控压方式又由于存在电缆
过长、信号易十扰等问题而受到限制。
根据多年的使用经验,将
压力控制点没在r出厂t-I管嘲上,尽町能将』正力控制点靠近最不
利点。
这种方案埘给水设备本身无显著的影响与改变,又口T尽可
能的发挥出变频调速供水的先进性和经济性。
3.2控制过程水厂在正常供水情况下只运行串联加住泵组,
以充分利用进水管脚中的水头,只有在供水蛩不能满足使用要求
时才f耳开启另一清水池加雎泵组。
变频泵拥有优先使用权,在开
机时,首先启动串联加压泵组1号变频泵,如不能满足供水要求,
冉由软启动器启动2号T频泵或四、变频器廊用效果从变频器投
个多月的运行效果看,完全达到了用户进行水泵变频改4入运行
造的H的,较改造胁其优越性体现千。
①操作简便,易于观察。
变频器运行时的所有数据及运行状态在值班审内上位机的显示
屏都可直观的了解:
如运行频率,泵口及管网水压,变频器输入、
输出侧的电压、电流,开环或闭环运行状态等;只需掌握了计算机
的最基木的操作即可完成水压或频率的给定,加减速,启泵与停
泵的操作等。
即使操作失误,相应的保护功能也很完善。
比如正
常操作中不慎点击了停机键,在运行频率缓慢下降过程中,仍可
通过点击启动键重新恢复IF常状态。
②启泵与停泵完拿实现了
自动控制。
根据经验,用户在参数设定页设定厂允许开阀的最小
水压(0.48MP),在肩动水泵升速过程中,水泵出口水压逐渐增
高,当犬十设定的“允许开阀最小水压”时.阀门开始打开.直至开
全。
在停泵时,阀门同步关闭,阀门关严后自动开始减速停机。
变频器故障停机时,会自动发出关闭阀门指令。
如果开泵时,阀
门因各种原因未能开全,将提示“阀门没有开全”,停泵时,如阀门
未关严,将提示“阀门没有天严”。
在对阀门进行检修时,可通过设定将阀门联锁功能取消。
这样在开泵和停泵过程巾,值班人员
无需再对阀门执行任何操作,不仅减少了操作的失误,由于变频
器平稳的启动与停机过程,也不会造成对管网的冲击。
水厂恒压供水系统凭借自身技术力量和实践经验成功开发
的,它不但为企业带来了高效益、高自动化,也为交流变频设备在
供水行业中的应用方式做r有益的探索。
新型供水方式与过去
的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比,不论是设备的投资,
运行的经济性,还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都
具有无法比拟的优势,而凡具自.显著的节能效果。
随着供水行业
应用者水平的不断提高,供水下艺的不断革新,必将自.越来越多
的新技术、新方案得到开发、使用。
.
3自动加减泵程序设计圆图
图4为3泵可自动进入睡眠状态的自动加减泵供水系统的最佳程序圆图。
在进行恒压变量供水装置的程序控制软件设
计时,一般都要求各泵尽量均衡工作,以保证各泵
工作相对一致,同时也达到延长泵寿命的目的。
这就要求各泵“先起先停”、“先停先起”。
从图4
所示来说明其工作进程:
当起动主令发出后,首先
使A泵投入变频供水,系统在该工作状态下有两
种变化趋势:
①用水量减小,回到睡眠状态,此后
如再需供水,则自行起动B泵投入变频供水。
若
B泵也回到睡眠状态,再起动的则是c泵;②用水
量加大,则自行加入B泵投入变频供水,投入之
前,A泵已先行转为工频运行。
若系统自A。
状态(A泵单独工作状态)直接
返回睡眠状态,如果再次供水,则白行起动B泵。
这时也有两种变化趋势:
①用水量减小,又返回睡
眠状态,一旦需要供水,则自行起动c泵;②用水
量加大,即自动将B泵转至工频后加入c泵,成
为B。
,C。
状态:
当A泵单独工作并进入A。
,B。
状态时,仍有
两种程序选择:
①用水量加大,自行进入AcB。
c。
三泵同时工作状态,此时供水量可以达到设计供
水量的最大值(当c泵也达额定转速时)。
②用
水量减小,即把先行工作的A泵切除,回到B。
状
态。
以此类推,形成封闭的程序圆图。
图5为3泵带辅泵自动加减泵供水系统最佳
的区别仅在于睡眠状态被辅助4与图5程序圆图。
图
水泵所取代。
当供水系统的泄漏水量大到不可忽
视或用水量很小时,为保汪供水压力可进入辅泵
丁作状态。
一般辅泵的功率仅为主泵的儿分之一
甚至几十分之一,这也体现了·个节能的问题。
既然主泵已有变频调速功能,系统可不没辅
泵以减少设备投资。
但当主泵功率过大(>45
kw)时,考虑电机长时、低速运转的发热问题,设
辅泵还是有必要的。
3控制方案及工作原理
3.1控制方案
给水泵站控制系统根据现场需要,需要配备1
套S7—300PLC,3台EC01—132阴变频器,3台
。
其中变频器用于给水泵的控制,3/5500一ECOl
PLC用于控制各给水泵之间的切换顺序与启/停操
作。
给水泵既可以通过现场控制柜的操作按钮进行
手动控制,也可以由PLC进行自动控制。
手动控制
时可以控制任一台给水泵的启/停。
自动控制时给
水泵的启动顺序为先启动功率大的给水泵,再启动
功率小的给水泵;停止顺序为,先停功率小的给水
泵,再停功率大的给水泵№J。
3.2控制系统工作原理
3.2.1自动闭环控制过程
当系统处于自动调节状态时,自动控制指示灯
亮,系统进入自动控制状态。
系统以给水连接管上
的压力变送器的输出作为反馈信号。
反馈信号采取
16rnA电流信号,给水连接管压力值可在PLC中人
控制功能,调节变频器的PID为设定,通过其内部的.
1.自动恒压供水系统的基本构成
变频恒压供水系统原理如图1所示.它主要是由PLC,变频器、PID
调节器、Tc时间控制器,压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及
4台水泵等组成。
可能通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了
解和控制系统的运行。
通过安装在出水管网上的压力传感器,把出口压力信号变成4-20mA的
标准信号送入p1D调节器,绎运算与给定压力参数进行比较,得出一调节
参数,送给变频器,由变频器控制水泵的转速,调节系统供水量。
使供
水系统管网中的压力保持在给定压力七;当用水量超过一台泵的供水鼍时,
通过PLC控制器加泵。
根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变
频器对水泵的调速,实现恒压供水。
当供水负载变化时,输入电机的电压
和频率也随之变化,这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
.
2恒压变流量供水控制系统的基本控制策略
采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统,进行优化控
制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供水压力的闭环控
制,在管网流置变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制
目标是泵站总管的出水压力,系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际
值进行比较.其差值输入CPU运算处理后,发出控制指令,控制泵电动机
的投运台数和运行变量泵电动机的转速,从而达到给水总管压力稳定在设定
的压力值上。
恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的
闭环控制。
即将压力控制点测的压力信号(4—20mA)直接输入到变频器
中,由变频器将其与用户设定的压力值进行比较.并通过变频器内置PID
运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率,从而实现控制水
泵转速。
供水系统选用水泵扬程应大于实际供水高度,水泵流量总和应大于实际
最大供水量。
3。
全自动恒压供水控制原理
当主水管网压力传感器的压力信号4'20mA送给数字PID控制器,控制
器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算,并给出信号直接控制变频器
的转速以使管网的压力稳定。
当用水量不足很大时,一台泵在变频器的控
制下稳定运行;当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定
时,控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到,PLC自
动将原工作在变频状态下的泵,投入到工频运行,以保持压力的连续性,
同时将一台备用的泵用变频器起动后投入运行,以加人管网的供水量.保
证压力稳定.若两台泵运转仍,则依次将变频工作状态下的泵投入到工频
运行,而将另一台备用泵投入变频运行。
当用水量减少时。
首先表现为变.
频器已工作在最低速信号有效,这时压力上限信号如仍出现,PLC首先将
工频运行的泵停掉,以减少供水量。
当上述两个信号仍存在时,PLC再停
掉一台工频运行的电机,直到最后一台泵用主频器恒压供水。
另外,控制
系统设两台泵为一组,每台泵的电机累计运行时间可显示,24小时轮换一
次,既保证供水系统有备用泵,又保证系统的泵有相同的运行时间,确保
了泵的可靠寿命。
4系统运行方式
该系统具有手动和自动两种运行方式:
4.1手动运行方式
选择手动运行方式时,根据需要,通过按启动和停止按钮,来控制各
水泵。
这种方式只在检修及系统出现故障时使用.
4.2自动运行方式
4.2.1启动程序
在自动运行方式下开始启动运行时,首先检测水池水位,若水池水位
符合设定水位要求,1#泵交频交流接触器吸合,电机与变频器连通,变
颏器输出频率从OHz开始上升,此时压力变送器检测压力信号反馈PLC。
由
PLc经PID运算后控制变频器的频率输出:
如压力不够,则频率上升至50Hz,
延时一定时间后,将l#泵切换为工频,2#泵变频交流接触器吸合,变频
启动2#水泵,频率逐渐上升,直至出水压力达到设定压力,依次类推增
加水泵。
4.2.2水泵切换程序
如用水量减小,出水压力超过设定压力,则PLC控制变频器降低输出
频率,减少出水量来稳定出水压力。
若变频器输出频率低于某一设定值
(水泵出水频率,一般为25Hz)。
而出水压力仍高于设定压力值时,PLC
开始计时.若在一定时间内.出水压力降低到设定压力,PLC放弃计时,
继续变频调速运行:
若在一定时间内出水压力仍高于设定压力,根据先投先
停的原则,PLC将停止正在运行的水泵中运行时问最长的工频泵,直至出
水压力达到设定值。
4.2.3启动小流量泵
对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统。
可设置一台小流
量水泵。
例如在晚上12点到凌晨5点,居民生活用水很少,一台30kW的
水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在25Hz左右,电动机不仅要消耗
十几个千瓦的电能,同时还要长期工作在低频状态。
大大影响电动机的寿
命。
若系统中设置一台5KW左右的小流量水泵.为了维持出水压力,由小
流量水泵变频工作,不仅电动机工作在较高频率。
而且消耗的电能也很
小。
在小流量水泵的选择上,其功率一般是主水泵功率的l/4到1/6,扬
程和主泵相同。
4.2.4水池水位检测
在自动供水的过程中,PLC实时检测水池水位,若水位低于设定的报
警水位时。
蜂鸣器发出缺水报警信号:
若水位低于设定的停机水位时,停止
全部水泵工作.防止水泵干抽,并发出停机报警信号:
若水池水位高于设定
的水池上限水位时,自动关断水池给水管电动阀门.
4.2.5自动启动
有时电源会突然断电,若无人值班,恢复供电后若系统无法启动会造.
成断水,为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。
在电源恢复后,PLC
会发出指令,蜂鸣器发出警告,然后按自动运行方式变频启动l#泵,直
到稳定地运行在给定水压值。
4.2.6消防报警?
当出现消防报警信号时,系统立即按照消防压力运
行。
4.2.7故障处理
变频故障从冗余设计原则考虑.在变频器发生故障时也要不间断供水。
当交频器突然发生故障,蜂鸣器报警,PLC发指令使全部水泵停机,然后1#泵工频运行
(若水泵功率大于37KW。
则需要采用降压启动或其它启动方
式),经一定延时后根据压力变化情况再使2#泵工频运行。
此时,PLC切
换泵则根据实际水压的变化在工频泵间切换。
当出现水池无水停机、电动
机欠压、过压、错相、电机故障等情况时,均能由蜂鸣器发出警报声。
条件许可时可以添加MODEM模块.在变频器、电动机发生故障时能通过远
程通信口拨叫值班人员电话,通知有关人员前来维修。
所有故障解决、恢
复正常后,自启动前也要发出报警信号。
1.3.1传统定压方式的弊端
1,管理不便,因与大气相通容易引起管道的腐蚀。
2,由于水箱内的微生物以及藻类的孳生,还可能对系统造成二次污染,所以每年定压
水箱都需定期维护,并由卫生防疫部门检测。
3,定压水箱占有较大的空间,需要专门的地点来放置。
4,高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节,但是这种调节方式不能做到供水
量与用水量的最佳匹配。
水泵长期偏离高效区工作效率底下。
5,系统的频繁启停泵,对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命。
6,使用高位水箱供水,在系统流量较大时。
管网压力也会有较大的变化,造成部分用
户压力不够,出现诸如流量不足,冷热不均等情况。
7,在泵的选型上,设计人员为了提高系统的安全系数,电机选型都较大;在用水负荷
较小或低区采用减压阀,节流孔板等来调节剩余水量时,大量的能量消耗在阀上,造成对
电能的浪费。
1.3.2变频恒压供水的特点
1,节能,可以实现节电20%—40%,能实现绿色用电。
2,占地面积少,投入少,效率高。
3,配置灵活,自动化程度高,功能齐全,灵活可靠。
水锤效应,而且电机轴上的平,运行合理,由于是软起和软停,不但可以消除4均扭矩和磨损减小,减少维修量和维修费用,并且水泵的寿命大大提高。
5,由于变频恒压调速直接从水源供水,避免了原有供水方式的二次污染,防止了很多
传染疾病的传染源头。
,通过通信控制,可以实现无人值守,节约了人力物力。
6.
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