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恒压供水论文
恒压供水
恒压供水
1、简介
建设节约型社会,合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。
根据高校用水时间集中,用水量变化较大的特点,分析了校园原供水系统存在成本高,可靠性低,水资源浪费,管网系统待完善的问题。
提出以利用自来水水压供水与水泵提水相结合的方式,并配以变频器、软启动器、PLC、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能等传感器,根据管网的压力,通过变频器控制水泵的转速,使水管中的压力始终保持在合适的范围。
从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题
2、优点
变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点,在供水行业得到了广泛应用。
恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速,依据用水量的变化(实际上为供水管网的压力变化)自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能,对合理设计变频器调速恒压供水设备,降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
3、应用
而高校校园的供水和一般城市供水相比较则有些特殊。
主要是由于校园内学生住宿区一般都较为集中,造成了学生宿舍、食堂的用水十分集中,且用水量较大。
而其它建建筑物如教室、实验室、教师住宿区等的用水量则相对较少。
同时,用水的时间性强,一般在早上六点到八点,中午十一点到下午两点,下午五点到七点,晚上九点到十点四个时间段用水量最大,而其它时间则用水量一般。
某高校的某区供水方式为:
把城市自来水管网的水源取到蓄水池后,用水泵抽到校园内高位水池,再由高位水池向校园管网供水。
这种方法的缺点是随着高校的扩招,学生人数显著增多,造成了经常性的供水不足,特别是学生宿舍和食堂最为明显,影响了学生和教师的正常生活秩序。
同时该供水方式还存在如下问题:
(1)供水成本高。
由于校园内的用水全部单纯采用水泵供水,造成电能的极大浪费和机电设备的大量损耗。
(2)供水可靠性低。
由于水泵采用人工操作方式,高位水池的水位只能靠人为估计,而且高位水池离水泵房较远,无法做到准时开机和停机。
会造成供水中断或出现高位水池水位过高而溢流,电能和水资源造成浪费。
另外,如果蓄水池水位过低,还会造成水泵空转,导致电能浪费和机电设备的加速损耗。
(3)水资源浪费。
除水泵不能准时停机而造成的溢流浪费外。
学生因高峰期供水中断,故经常打开阀门未关,造成来水后的浪费。
很多学生在上课前或睡觉前打开阀门,用水桶或脸盆接水、贮水,造成来水后大量溢流,极大地浪费了水资源,增大了供水成本。
系统组成
系统采用压力传感器、PLC和变频器作为中心控制装置,实现所需功能。
安装在管网干线上的压力传感器,用于检测管网水压,将压力转化为4~20mA的电流或
是0~10V的电压信号,提供给变频器。
变频器是水泵电机的控制设备,能按照水压恒定需要将0~50Hz的频率信号供给水泵电机,调整其转速SAJ变频器功能强大,即预先编制好的参数集,将使用过程中所需设定的参数数量减小到最小,参数的缺省值依应用宏的选择而不同。
系统采用PID控制的应用宏,进行闭环控制。
变频器根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号,利用PID控制宏自动调节,改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速,以保证管网压力恒定要求。
系统图电气图
系统工作原理
一、变频调速的特点及分析
用户用水量一般是动态的,因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。
而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上,即用水多而供水少,则压力低;用水少而供水多,则压力大。
保持供水压力的恒定,可使供水和用水之间保持平衡,即用水多时供水也多,用水少时供水也少,从而提高了供水的质量。
恒压供水系统对于用户是非常重要的。
在生产生活供水时,若自来水供水因故压力不足或短时断水,可能影响生活质量,严重时会影响生存安全,如发生火灾时,若供水压力不足或无水供应,不能迅速灭火,可能引起重大经济损失和人员伤亡。
所以,用水区域采用正压工艺供水系统,能产生较大的经济效益和社会效益。
随着电力技术的发展,变频调速技术的日臻完善,以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水
箱和压力罐等供水设备,起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应。
其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能,将使供水实现节水、节电、节省人力,最终达到高效率的运行目的。
二、恒压供水的变频应用方式
通常在同一路供水系统中,设置多台常用泵,供水量大时多台泵全开,供水量小时开一台或两台。
在采用变频调速进行恒压供水时,就用两种方式,其一是所有水泵配用一台变频器;其二是每台水泵配用一台变频器。
后种方法根据压力反馈信号,通过PID运算自动调整变频器输出频率,改变电动机转速,最终达到管网恒压的目的,就一个闭环回路,较简单,但成本高。
前种方法成本低,性能不比后种差,但控制程序较复杂,是未来的发展方向。
三、PID控制原理
恒压供水设备
根据反馈原理:
要想维持一个物理量不变或基本不变,就应该引用这个物理量与恒值比较,形成闭环系统。
我们要想保持水压的恒定,因此就必须引入水压反馈值与给定值比较,从而形成闭环系统。
但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统,现在控制和PID相结合的方法,在压力波动较大时使用模糊控制,以加快响应速度;在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。
这通过PLC加智能仪表可时现该算法,同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。
实践证明,使用这种方法是可行的,而且造价也不高。
要想维持供水网的压力不变,根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件,由于供水系统管道长、管径大,管网的充压都较慢,故系统是一个大滞后系统,不易直接采用PID调节器进行控制,而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。
四、变频控制原理
用变频调速来实现恒压供水,与用调节阀门来实现恒压供水相比,节能效果十分显著(可根据具体情况计算出来)。
其优点是:
1、起动平衡,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击;
2、由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等的使用寿命;
3、可以消除起动和停机时的水锤效应;
一般地说,当由一台变频器控制一台电动机时,只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。
当一台变频器同时控制两台电动机时,原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。
但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时。
虽然水泵在低速运行时,电动机的工作电流较小。
但是,当用户的用水量变化频繁时,电动机将处于频繁的升、降速状态,而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流,导致电动机过热。
因此,电动机的热保护是必需的。
对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升,变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的,所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。
在主要功能预置方面,最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。
升、降速时间在采用PID调节器的情况下,升、降速时间应尽量设定得短一些,以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。
如变频器本身具有PID调节功能时,只要在预置时设定PID功能有效,则所设定的升速和降速时间将自动失效。
典型案例
基于PLC的花式喷泉控制系统设计
一、花式喷水的概述
喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体,提供水压的一般为水泵。
现在城市中的喷泉形式已十分丰富。
随着构筑物的大小及水压等有变化,喷泉或高或低、或珠或雾,精彩纷呈。
可分为以下7种:
㈠普通喷泉:
只有简单的几种固定水型及灯光,随着电源的开闭而控制喷泉的运行、水型和灯光变化。
㈡程控喷泉:
将各种水型及灯光,按照预先设定的排列组合进行程序的设计,通过计算机运行程序发出控制信号,使水型及灯光有各种各样的变化。
㈢音乐喷泉:
在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统,计算机通过对音频及MIDI信号的识别,进行译码和编码,最终将信号输出到控制系统,使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步。
㈣水幕激光喷泉:
将激光器发出的激光束射在水膜上,激光束由激光控制系统编程控制,可发出多种多样的图案及色彩,照射在晶莹透明的水膜上,形成斑斓夺目的奇异效果。
㈤水珍珠喷泉:
利用特殊音波奖水变成球体的喷水装置和全频调整闪光灯的视觉图像效果的产品组成。
㈥游戏喷泉:
又称感应泉,喷泉水柱根据游人的动作产生反应,而且这种反应具有不确定性,是一种互动式喷泉,增强了娱乐氛围。
㈦跳跳喷泉:
又名光亮泉。
是一种高科技技术水景艺术,水形似根根晶莹透彻地冰柱,一串串飞向空中,轻舞飞扬。
二、系统控制方案
花式喷泉系统的控制要求如下:
㈠1、2均为外环形状的喷水管,3为内环形状的喷水管,4为星形喷水管。
灯光系统由三条支路组成,分别为绿色灯支路(在1,2之间)、红色灯支路(在2,3之间)、黄色灯支路(在3,4之间)。
㈡按下启动按钮,喷泉即开始工作,按下停止按钮,则停止喷水。
喷泉的工作方式(喷水花样)由选择开关来实现。
㈢该喷泉共有三种花样可供选择:
第一种花样:
4、3、2、1隔2秒依次喷水,一起中速喷水10秒后停下,再按1、2、3、4的次序隔2秒依次喷水,再一起中速喷水15秒后停下,以此规律循环。
第二种花样:
1、3同时喷水,延时3秒后1、3停喷,同时2、4喷水,交替运行5次后1、2、3、4一起中速喷水,30秒后停止,再以此规律循环。
第三种花样:
1、2、3、4按顺序延时2秒喷水,然后一起中速喷30秒后1、2、3、4再分别延时2秒停喷,以此规律循环。
㈣通过变频器可以控制每环喷水管的高度。
在第一种花样中,1、3管为慢速喷水,2、4管为中速喷水。
㈤灯光系统的控制:
由PLC的X5输入端为灯光系统控制的选择按钮,当需要灯光配合时,接通X5输入端。
此时可实现三路灯光的控制,即3、4任意喷水时,黄色灯亮;2喷水时,红色灯亮;所有的喷头喷水时,绿色灯亮。
花式喷泉池示意图如图2-1所示:
图2-1花式喷泉池示意图
三、花式喷泉控制系统原理图
在喷泉中,通过按钮开关信号来控制PLC;因为有4层喷水,因此用了1个变频器来控制4个水泵。
花式喷泉控制系统的原理图如图2-2所示:
图2-2花式喷泉控制系统原理图
四、系统硬件设计
1、可编程控制器的选型
PLC是一种专门用于在工业环现场的电控制器。
它源于继电器控制技术,但基于电子计算机。
它通过运行存储在其内存中的程序,把经输入电路的物理过程得到的输入信息,变换为所要求的输出信息,进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。
输入输出(I/O)点数估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量,通常根据统计的输入输出点数,再增加10%~20%的可扩展。
余量后,作为输入输出点数估算数据。
存储器容量的估算
存储器容量是可编程控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量小于存储器容量。
存储器内存容量的估算没有固定的公式,许多文献资料中给出了不同公式,大体是都是的按数字量I/O点数的10~15倍,加上模拟I/O点数的100倍,以此数为内存的总字数(16位为一个字),另外再按此数的25%的考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图,这样才能在以后的改造过程中有足够有空间。
通过对输入/输出点数、程序存储容量以及I/O响应时间的分析,得出该控制系统选用三菱公司FX2N系列的PLC较为合适。
故花式喷泉控制系统选用型号为FX2N-32MR的PLC(系统共有6输入/11输出)。
2、变频器的选型
我设计的是通过变频器调速技术来控制每环喷水管的高度。
我选用的是FR-S520(S)E系列变频调速器,其特点是简单、易用。
其实物如图3-1示:
◆功率范围:
0.4~3.7KW(三相200VFR-S520E系列)0.4~1.5kW(单相220VFR-S520SE系列)
◆自动转矩提升,实现5Hz时150%转矩输出
◆数字式拨盘,设定简单快捷
◆柔性PWM,实现更低噪音运行
◆15段速,PID,4~20mA输入和漏源型转换等多功能
◆内置独立RS485通讯口
3、水泵的选型
由于喷泉的水泵必须满足大功率快速精确起停,而且其功率必须能够精确的进行控制。
我选用品牌为DESHB(德士比)的QYP100-4.5-2.2喷泉泵,具有以下优点:
结构紧凑;无需引水、使用简便;双端密封、电器保护;设计合理、性能优良;经贸耐用、安全可靠。
并且水泵出口采用圆法兰结构,电机为F级绝缘。
适用于音乐喷泉等场合对电机频繁启动的要求,叶轮具有防松装置,不怕反转,其实物图见其3-2所示:
图3-2QYP喷泉泵的实物图
4、硬件清单
符号
名称
用途
数量
QF
空气开关
电源总开关
7
FU
熔断器
电源总保险
3
M
电动机
驱动主轴
5
SB1
开关
停止开关
1
SB2
开关
启动开关
1
SB3
开关
灯控开关
1
SB4
开关
上保护开关
1
SB5
开关
下保护开关
1
FR
热继电器
M过载保护
4
KM
接触器
电机启动
8
HL1
灯泡
红色灯指示
1
HL2
灯泡
黄色灯指示
1
HL3
灯泡
绿色灯指示
1
5、硬件接线图
系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。
具体的如图3-3,3-4所示:
图3-3硬件接线图
图3-4变频器跟水泵接线图
五、软件设计
1、PLC梯形图概述
梯形图是使用最多的图形编程语言,被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似,具有直观易懂的优点,很容易被工厂电气人员掌握,特别适用于开关逻辑掌握,特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序,梯形图的设计称为编程。
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称,如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等,但是它们不是真实的物理继电器,而是一些存储单元(软继电器),每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。
该存储单元如果为“1”状态,则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”,其常开触点接通,常闭触点断开,称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。
如果该存储单元为“0”状态,对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反,称该继电器为“0”或“OFF”状态。
使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
梯形图两侧的垂直公共线称为母线。
在分析梯形图的逻辑关系时,为了借用继电器电路图的分析方法,可以想象左右两侧母线之间有一个左是正而右是负的直流电源电压,母线之间有“能流”从左向右流动。
右母线可以不画出。
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系,求出与图中各线圈对应的编程元件的状态,这为梯形图的逻辑解算。
梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。
解算的结果,马上可以被后面的逻辑解算所利用。
逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值,而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。
2、编程软件的操作方法
本课题采用的编程软件为GXDEVELOPER852编程软件,具体的操作方法如下:
⒈打开GXDEVELOPER852编程软件,之后点击
,在下拉菜单栏点击“创建新工程”,确定打开后就可以绘制梯形图编本课题的程序。
⒉在打开文件之后就可以绘制梯形图,根据所编的程序的,在页面右面的功能图,如4-2所示:
图4-2GXDEVELOPER852编程软件的功能图
在绘制梯形图中选择需要的输入元件,完成对梯形图的绘制。
⒊完成了对梯形图的绘制后,在软件的菜单栏中点击“在线”下拉菜单中的“PLC写入”,将程序编入软件中。
3、I/O分配表
PLC元件
作用
PLC元件
作用
X0
停止按钮
Y0
电源指示
X1
启动按钮
Y1
控制1管喷水
X2
选择开关1的位置
Y2
控制2管喷水
X3
选择开关2的位置
Y3
控制3管喷水
X4
选择开关3的位置
Y4
控制4管喷水
X5
灯控按钮
Y5
红色灯
Y6
黄色灯
Y7
绿色灯
Y10
中速
Y11
慢速
Y12
正转
4、系统工作过程分析
⒈按下启动按钮和灯控按钮,开始运行。
⒉按下位置开关2,则是第一种花样喷泉。
⒊按下位置开关3,则是第二种花样喷泉。
⒋按下位置开关4,则是第三种花样喷泉。
⒌无论哪种花样喷泉,只要当第三或第四任意一层喷水的时候,黄灯亮;当第二层喷水的时候,红灯亮;当所有喷水时,绿灯亮。
⒍按下停止按钮,则运行结束。
5、花式喷泉的第一种花样
当选择开关2的位置时,喷泉运行第一种花样:
4、3、2、1隔2秒依次喷水,一起中速正转喷水10秒后停下,再按1、2、3、4的次序隔2秒依次喷水,再一起中速正转喷15秒后停下,以此规律循环。
1、3管以慢速正转喷水,2、4管以中速正转喷水。
当第三或者第四任意一层喷水的时候,黄灯亮;当第二层喷水的时候,红灯亮;当所有喷水时,绿灯亮。
见图4-1所示:
图4-1第一种花样的梯形图
6、花式喷泉的第二种花样
当选择开关3位置时,喷泉第二种花样:
1、3同时喷水,延时3秒后1、3停喷,同时2、4喷水,交替运行5次后1、2、3、4一起中速正转喷水,30秒后停止,以此规律循环。
1、3管以慢速正转喷水,2、4管以中速正转喷水。
当第三或者第四任意一层喷水的时候,黄灯亮;当第二层喷水的时候,红灯亮;当所有喷水时,绿灯亮。
见图4-2所示:
图4-2第二种花样的梯形图
7、花式喷泉的第三种花样
当选择开关4位置时,第三种花样:
1、2、3、4按顺时延时2秒喷水,然后一起中速正转喷30秒后4、3、2、1再分别延时2秒停喷,以此规律循环。
1、3管以慢速正转喷水,2、4管以中速正转喷水。
当第三或者第四任意一层喷水的时候,黄灯亮;当第二层喷水的时候,红灯亮;当所有喷水时,绿灯亮。
见图4-3所示:
图4-3第三种花样的梯形图
8、顺序控制功能图
图4-4为顺序控制功能图
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