變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

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I 摘 要 隨著改革開放的不斷深入 我國中小城市的城市建設(shè)及其經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展 人民的生 活水平不斷提高 同時 城市需水量日益加大 對城市供水系統(tǒng)提出了更高的要求 供 水的可靠性 穩(wěn)定性 經(jīng)濟(jì)節(jié)能性直接影響到城區(qū)的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 也影響到城區(qū) 居民的正常工作和生活 本文根據(jù)城區(qū)供水管網(wǎng)改造工程設(shè)計了一套由 PLC 變頻器 遠(yuǎn)傳壓力表 多臺水泵機(jī)組 計算機(jī)等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān) 控系統(tǒng) 具有自動工頻 變頻恒壓運(yùn)行 可實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制和現(xiàn)場手動控制等功能 論 文分析了采取變頻調(diào)速方式實現(xiàn)恒壓供水相對于傳統(tǒng)的閥門控制恒壓供水方式的節(jié)能機(jī) 理 通過對變頻器內(nèi)置 PID 模塊參數(shù)的預(yù)置 利用遠(yuǎn)傳壓力表的水壓反饋量 構(gòu)成閉環(huán) 系統(tǒng) 根據(jù)用水量的變化 采取 PID 調(diào)節(jié)方式 在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié) 和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合 實現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能 論文論述了采用多泵并聯(lián)供水 方案的合理性 分析了多泵供水方式的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件 分析了電機(jī)由變頻轉(zhuǎn) 工頻運(yùn)行方式的切換過程及存在的問題 給出了實現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換控制的電氣設(shè)計 方案和 PLC 控制程序設(shè)計方案 系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問題 增強(qiáng)了 系統(tǒng)的可靠性 并與計算機(jī)實現(xiàn)了有機(jī)的結(jié)合 提升了系統(tǒng)的總體性能 關(guān)鍵詞 PLC 變頻調(diào)速 恒壓供水 變頻工頻切換 Abstract With the continuous deepening of reforming and opening up the construction and economy of small and medium sized cities in China have developed rapidly People s living standards have improved constantly The water supply system is demanded more as city water consum ption increasing The urban construction and economic development and also people s daily work and life are impacted directly by the reliability stability and the economical of energy conservation of the water supply system An autom atic conversion and voltage constant Water Supply and remote monitoring system which consist of the PLC the converter the remote transition pressure gauges the multi pumps unit the computer and so on It is of automatic line frequency conversion function remote and local automatic control In this paper the mechanism of energy saving which uses speed governing with invertor to design voltage constant water supply system competing with traditional valve controlled pressure constant system Closed loop system is built by presetting the parameter of the PID inside of convertor and feedback of remote transiton hydraulic meter Using the step regulation of convertor pump and frequency pump in full rang of flow to apply PID control on the change of water achieves energy saving of voltage constant water supply This paper discusses the reasonability of water supply scheme with much pump parallel connection and analyses the conversion condition and the various states of water supply of the much pump way of water supply as well as the switch process and the problem of a generator from variable frequency operation mode to work frequency operation mode In addition the combination of the system and the computer is achieved which improved the overall function of the system Key words PLC Variable Velocity Variab le frequency Constantp ressure water supply variable frequency to working frequency 目錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒 論 1 1 1 課題背景及意義 1 1 2 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 1 1 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點 3 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 4 2 1 供水系統(tǒng)的基本特性 4 2 2 不同控制方式下的能耗分析與比較 5 2 3 變頻恒壓控制的理論模型 6 2 4 供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng)及消除方法 7 3 供水系統(tǒng)恒壓控制與硬件設(shè)計 8 3 1 異步電動機(jī)調(diào)速方法及選型 8 3 1 1 變極調(diào)速 8 3 1 2 變頻調(diào)速 9 3 2 供水系統(tǒng)的方案確定 10 3 2 1 供水系統(tǒng)的流量類型 10 3 2 2 總體設(shè)計方案確定 10 3 2 3 恒壓供水電控系統(tǒng)組成 12 3 3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計與選型 13 3 3 1 主電路設(shè)計 13 3 3 2 電氣控制電路設(shè)計 14 3 3 3 系統(tǒng)主要配置的選型 16 3 4 PLC 的選型 19 3 5 系統(tǒng)可靠性措施 20 4 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 22 4 1 水泵工頻 變頻運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程分析 22 4 1 1 供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 22 4 1 2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系 22 4 1 3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件 24 4 2 PLC 程序設(shè)計 25 4 2 1 PLC 編程語言 25 4 2 2 梯形圖語言編程的一般規(guī)則 25 4 3 供水系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計 26 4 3 1 系統(tǒng)初始化模塊 26 4 3 2 水泵運(yùn)行與狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊 26 5 恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 28 5 1 PID 控制及其控制算法 28 5 2 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過程分析 29 結(jié) 論 31 附 錄 32 致謝 34 參考文獻(xiàn) 35 1 1 緒 論 1 1 課題背景及意義 隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展 水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng) 人民對供水 的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高 把先進(jìn)的自動化技術(shù) 控制技術(shù) 通訊及網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域 成為對供水系統(tǒng)的新要求 變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù) 電氣技術(shù) 現(xiàn)代控制技術(shù)于一體 采用該系統(tǒng)進(jìn)行 供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性 方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控 同 時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果 這在能量日益緊缺的今天尤為重要 所以研究設(shè)計該系統(tǒng) 對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平 降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義 在變頻恒壓供水系統(tǒng)中利用變頻器改變電動機(jī)的電源頻率 從而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速 改變水泵的出口的壓力的目的 這種方法比靠調(diào)節(jié)閥門控制水泵出口壓力的方法 具有 更高的效率和優(yōu)越性 由于水泵工作在變頻工況下 在其出口流量小于額定流量時 泵 的轉(zhuǎn)速降低 減少了軸承的磨損和發(fā)熱 延長了泵和電動機(jī)的機(jī)械使用壽命 實現(xiàn)恒壓 供水的自動控制 不需要操作人員頻繁的操作 大大降低了人員的勞動強(qiáng)度 節(jié)省了人 力和能源的消耗 1 2 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 國內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀 從 20 世紀(jì) 70 年代起 國內(nèi)外的很多專家 學(xué)者就開始嘗試將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于供 水系統(tǒng)的模擬 優(yōu)化設(shè)計及供水系統(tǒng)控制等方面 目前 國內(nèi)外供水系統(tǒng)采用的自動控 制技術(shù)不少 其特點是變頻技術(shù)與其他自動化技術(shù)相結(jié)合 如最初的恒壓供水系統(tǒng)采用 繼電接觸器控制電路 是與開關(guān)量邏輯控制技術(shù)結(jié)合 通過人工啟動或停止水泵和調(diào)節(jié) 泵出口閥來實現(xiàn)恒壓供水 該系統(tǒng)線路復(fù)雜 操作麻煩 勞動強(qiáng)度大 維護(hù)困難 自動 化程度低 應(yīng)用前景不好 后來增加了微機(jī)和 PLC 監(jiān)控系統(tǒng) 提高了自動化程度 但由 于驅(qū)動電機(jī)是恒速運(yùn)轉(zhuǎn) 水流量靠調(diào)節(jié)泵出口閥開度來控制 浪費大量的能源 也沒有 很好的發(fā)展前景 轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量 通過變頻技術(shù)調(diào)速 變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起 制動性能 高效率 高功率因數(shù)和節(jié)電效果 得到了廣 2 泛的應(yīng)用 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍 變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用 按所使用的范圍大致分為三類 1 小區(qū)供水 加壓泵站 變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠 小區(qū)供水 高層建筑供水 鄉(xiāng)村加壓站 特 點是變頻控制的電機(jī)功率小 一般在 135kW 以下 控制系統(tǒng)簡單 由于這一范圍的用戶 群十分龐大 所以是且前國內(nèi)研究和推廣最多的方式 如希望集團(tuán)推出的恒壓供水專用 變頻器 2 國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠 這類變頻器電機(jī) 功率在 135kW 320kW 之間 電網(wǎng)電壓通常為 200V 或 380V 受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限 制 目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器 3 大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠 特點是功率大 一般都大于 320kW 機(jī)組多 多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng) 這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高 多數(shù)采用了 國外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng) 如利德福華的一些高壓供水變頻器 變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1 變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化 維護(hù)操作簡單化方向發(fā)展 在國內(nèi)外 專門針對供水的變頻器集成化越來越高 很多專用供水變頻器集成了 PLC 或 PID 甚至將壓力傳感器也融入變頻組件 同時維護(hù)操作也越來越簡單 部分新品的變 頻供水只需簡單設(shè)定壓力值就可以正常運(yùn)行 控制軟件和其它參數(shù)在出廠時就已設(shè)定或 利用傳感器自動獲取完畢 2 高壓變頻系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用 在過去變頻供水涉及較少的商壓變頻系統(tǒng) 也是發(fā)展的重要方向 高一低 高型的 高壓變頻系統(tǒng) 串聯(lián)多電平高壓變頻供水系統(tǒng)目前己在實際應(yīng)用中不斷完善高壓高頻中 的諧波等問題也逐步得到解決 3 變頻送水系統(tǒng)正在融入更全面的供水管理系統(tǒng) 3 面對日益復(fù)雜的供水系統(tǒng) 如何在滿足供水需求的前提下 最大限度地提高供水系 統(tǒng)的效益 是所有供水部門共同面臨的重要課題 目前 在美國 日本 法國等地的有 些城市已基本上實現(xiàn)了供水系統(tǒng)的計算機(jī)優(yōu)化 把變頻供水與計算機(jī)直接調(diào)度管理結(jié)合 起來 我國也正在進(jìn)行著這方面的研究與小范圍應(yīng)用 1 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點 現(xiàn)有變頻恒壓供水系統(tǒng)具有以下特點 1 滯后性 供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓 它是一個過程控制量 對控制作用的響應(yīng) 具有滯后性 同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng) 2 非線性 用戶管網(wǎng)中因為有管阻 水錘等因素的影響 同時又由于水泵的一些固有特性 使 水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比 因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性 系統(tǒng) 3 多變性 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性 面向各種各樣的供水系統(tǒng) 而不同的 供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu) 用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異 因此其控制對象的模型具 有很強(qiáng)的多變性 4 時變性 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中 由于有定量泵的加入控制 而定量泵的控制是時時發(fā) 生的 同時定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù) 使其不確定性地發(fā)生變化 因此 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的 5 容錯性 完善的保護(hù)功能 當(dāng)出現(xiàn)意外的情況時 系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài) 電網(wǎng)狀況及水源 水位 管網(wǎng)壓力等工況自動進(jìn)行投切 保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定 在故障發(fā)生時 執(zhí)行專門 的故障程序 保證在緊急情況下仍能進(jìn)行供水 6 節(jié)能性 系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速 節(jié)能效果顯著 對每臺水泵進(jìn)行軟啟動 啟動電流可從零 4 到電機(jī)額定電流 減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊 同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量 轉(zhuǎn)速沖擊 延長了設(shè)備的使用壽命 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 2 1 供水系統(tǒng)的基本特性 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線 f Q 如圖 2 1 所示 由圖 2 1 可以看出 流量 Q 越大 揚(yáng)程 H 越小 由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下 流 量的大小主要取決于用戶的用水情況 因此 揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Q 間的關(guān)系 而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?表明閥門在某一開度下 揚(yáng)程U 與流量 Q 之間的關(guān)系 H f 管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓U 力差 液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律 由圖可知 在同一閥門開度下 揚(yáng)程 H 越大 流量 Q 也越大 由于閥門開度的改變 實際上是改變了在某一揚(yáng)程下 供水系統(tǒng)向用戶 的供水能力 因此 管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量 Q 之間的關(guān)系 H f 揚(yáng)程cQ 特性曲線和管阻特性曲線的交點 稱為供水系統(tǒng)的工作點 如圖 2 1 中 A 點 在這一點 用戶的用水流量 和供水系統(tǒng)的供水流量 處于平衡狀態(tài) 供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性 Uc 也符合了管阻特性 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行 HA A 揚(yáng)程特性 管阻特性AQ Q 圖 2 1 供水系統(tǒng)的基本特性 5 2 2 不同控制方式下的能耗分析與比較 當(dāng)用閥門控制時 若供水量高峰期水泵工作在 E 點 流量為 Ql 揚(yáng)程為 當(dāng)供水0H 量從 減小到 時必須關(guān)小閥門 這時閥門的摩擦阻力變大 阻力曲線從 移到 揚(yáng)1Q2 3 1 程特性曲線不變 而揚(yáng)程則從 上升到 運(yùn)行工況點從 E 點移到 F 點 此時水泵輸出0H1 功率用圖形表示為 0 F 圍成矩形部分 其值為 1 21 2 1 02 DQPgh 當(dāng)用調(diào)速控制時 若采用恒壓 變速泵 供水 管阻特性曲線為 揚(yáng)程特性0H2n2 變?yōu)榍€ 工作點從 E 點移到 D 點 此時水泵輸出功率用圖 2 2 表示為 0 Q 2 D 圍2n 0H 成的矩形面積 可見 改用調(diào)速控制 節(jié)能量為 D F 圍成的矩形面積 其值為 01H 2 2 0210212 FDQHP 所以 當(dāng)用閥門控制流量時 有 功率被浪費掉 并且隨著閥門的不斷102gh 關(guān)小 閥門的摩擦阻力不斷變大 管阻特性曲線上移 運(yùn)行工況點也隨之上移 于是 E 增大 而被浪費的功率要隨之增加 根據(jù)水泵變速運(yùn)行的相似定律 變速前后流量 Q 揚(yáng) 程 H 功率 P 與轉(zhuǎn)速 N 之間關(guān)系為 2 3 21 Q221 HN321 P 式中 Ql H1 P1 為變速前的流量 揚(yáng)程 功率 H 2 P 2 為變速后的流量 揚(yáng)程 Q 功率 由公式 2 3 可以看出 功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比 2 流量與轉(zhuǎn)速成正比 損耗功率 與流量成正比 所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多 節(jié)能效果顯著 所以本文供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水方式 6 H210H F E 1n2 0 2Q1QQ D 3 2 1 圖 2 2 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 2 3 變頻恒壓控制的理論模型 變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo) 在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實 際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力 設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù) 也可以是一個時間 分段函數(shù) 在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù) 所以 在某個特定時段內(nèi) 恒壓控制的目標(biāo)就是 使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上 3 給定參數(shù) 變 頻 器 PID 水泵 頻率 轉(zhuǎn)速 管網(wǎng) 實際壓力 壓力傳感器 反饋參數(shù) 7 圖 2 3 變頻恒壓控制原理圖 從圖 2 3 中可以看出 在系統(tǒng)運(yùn)行過程中 如果實際供水壓力低于設(shè)定壓力 控制系 統(tǒng)將得到正的壓力差 這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換 計算出變頻器輸出頻率的增加值 該 值就是為了減小實際供水壓力與設(shè)定壓力的差值 將這個增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相 加 得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率 該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大 從而使實 際供水壓力提高 在運(yùn)行過程中該過程將被重復(fù) 直到實際供水壓力和設(shè)定壓力相等為 止 4 如果運(yùn)行過程中實際供水壓力高于設(shè)定壓力 情況剛好相反 變頻器的輸出頻率將 會降低 水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速減小 實際供水壓力因此而減小 同樣 最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實 際供水壓力和設(shè)定壓力相等 2 4 供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng)及消除方法 水錘效應(yīng) 在極短時間內(nèi) 因水流量的急劇變化 引起在管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊 并產(chǎn) 生空化現(xiàn)象 使管道受壓產(chǎn)生噪聲 猶如錘子敲擊管子一樣 稱為水錘效應(yīng) 水錘效應(yīng) 具有極大的破壞性 壓強(qiáng)過高 將引起管子的破裂 壓強(qiáng)過低又會導(dǎo)致管子的癟塌 此外 水錘效應(yīng)還可能損壞閥門和固定件 產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因及消除辦法 產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因 是水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大 短時間內(nèi) 流量的巨大變化而引起的 水泵的動態(tài)轉(zhuǎn)矩大小決定了水泵加速過程的快慢 決定了加 速過程流量變化的快慢 也就決定了水錘效應(yīng)的強(qiáng)弱 通過水泵電動機(jī)的軟起動 可減少動態(tài)轉(zhuǎn)矩 因此 選擇好的起動方式和速度調(diào)節(jié) 方法 可以減小或徹底消除水錘效應(yīng) 提高供水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性 8 3 供水系統(tǒng)恒壓控制與硬件設(shè)計 3 1 異步電動機(jī)調(diào)速方法及選型 轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓供水 供水質(zhì)量好 能耗低 效率高 并可延長設(shè)備的使用壽 命 提高系統(tǒng)的安全性 通過轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓供水 需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速 水泵通 過聯(lián)軸器由三相異步電動機(jī)來拖動 因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) 實質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動 機(jī)的轉(zhuǎn)速 由三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 5 3 1 160 1 fnssp 式中 異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 r min 1n n 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 r min p 異步電動機(jī)磁極對數(shù) f 異步電動機(jī)定子電壓頻率 即電源頻率 s 轉(zhuǎn)速差 1 0 nS 可知調(diào)速方法有 變極調(diào)速 變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)整 3 1 1 變極調(diào)速 在電源頻率一定的情況下 改變電動機(jī)的磁極對數(shù) 實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變 磁極對 數(shù)的改變通過改變電機(jī)定子繞組的接線方式來實現(xiàn) 這種調(diào)速方式只適用于專門的變極 電機(jī) 而且是有極調(diào)速 級差大 不適用于供水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié) 通過改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變 9 三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子銅損耗為 3 2 2 2 3 semCUPIrP 該損耗和電機(jī)的轉(zhuǎn)差率成正比 又稱為轉(zhuǎn)差功率 以電阻發(fā)熱方式消耗 電動機(jī)工 作在額定狀態(tài)時 轉(zhuǎn)差率很小 相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小 電機(jī)效率高 但適應(yīng)流量的變化 電機(jī)一般難以工作于額定狀態(tài) 其轉(zhuǎn)速值往往遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速 此時的轉(zhuǎn)差率增大 轉(zhuǎn) 差功率增大 電機(jī)運(yùn)行效率降低 雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差 功率通過整流 逆變裝置回饋給電網(wǎng) 但其功率因數(shù)較低 低速時過載能力低 還需一 臺與電動機(jī)相匹配的變壓器 成本高 且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗 因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速 方法不適用 于恒壓供水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法 3 1 2 變頻調(diào)速 1 變頻調(diào)速機(jī)械特性 最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的 在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓 以保證電機(jī)磁通基本不變 其關(guān)系為 1 Uf常 數(shù) 式中 變頻器輸出電壓 變頻器輸出頻率1 1f 頻率 f 從額定值 往下調(diào)時 電機(jī)機(jī)械特性變化情況如圖 3 1 a 所示 5 圖中Nf4321fN 10 a 變頻調(diào)速機(jī)械特性 b 全壓起動 圖 3 1 電動機(jī)機(jī)械特性 2 變頻調(diào)速過程的特點 靜差率小 調(diào)速范圍大 調(diào)速平滑性好 而且 很關(guān)鍵的一點是調(diào)速過程中 其轉(zhuǎn) 差率不變 電機(jī)的運(yùn)行效率高 適合于恒壓供水方式中的轉(zhuǎn)速控制法 3 變頻調(diào)速對供水系統(tǒng)安全性的作用 1 消除水錘效應(yīng) 減少對水泵及管道系統(tǒng)的沖擊 大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命 拖動系統(tǒng)中 動態(tài)轉(zhuǎn)矩 JMLT 是電動機(jī)的拖動轉(zhuǎn)矩 是供水系統(tǒng)的制動轉(zhuǎn)矩MT 圖 3 1 中 b 反映了全壓起動和變頻起動過程中動態(tài)轉(zhuǎn)矩情況 圖中 曲線 是異 步電動機(jī)的機(jī)械特性 曲線 是水泵的機(jī)械特性 2 降低水泵平均轉(zhuǎn)速 減小工作過程中的平均轉(zhuǎn)矩 從而減小葉片承受的應(yīng)力 減 小軸承的磨損 使水泵的工作壽命將大大延長 3 避免了電機(jī)和水泵的硬起動 可大大延長聯(lián)軸器壽命 4 減少了起動電流 也就減少了系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊 提高了自身系統(tǒng)的可靠性 11 3 2 供水系統(tǒng)的方案確定 3 2 1 供水系統(tǒng)的流量類型 根據(jù)用戶的用水時段特點 可將用戶用水量變化類型分為連續(xù)型 間歇型兩大類 根據(jù)流量的變化特點 還可進(jìn)一步細(xì)分為高流量變化型 低流量變化型 全流量變化型 等 不同季節(jié) 不同月份 流量變化類型也會改變 連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時候 或本身管網(wǎng)的正常泄漏就有一定的流量 間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時間 流量很小或為零 3 2 2 總體設(shè)計方案確定 1 調(diào)速方式 如今的變頻器調(diào)速范圍寬 調(diào)速精度高 動態(tài)響應(yīng)快 運(yùn)行效率高 功率因數(shù)高 操作方便并且便于同其他設(shè)備接口等一系列優(yōu)點 因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方 式可以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果 是實現(xiàn)恒壓供水轉(zhuǎn)速控制最佳方案 2 泵水方式 多泵并聯(lián)代替一 二臺特大泵單獨供水不會增加投資 而其好處是多方面的 首先 是節(jié)能 每臺泵都可以較高效率運(yùn)行 長期運(yùn)行費用少 其二 供水可靠性好 一臺泵 故障時 一般并不影響系統(tǒng)供水 小泵的維修更換也方便 其三 小泵起動電流小 不 要求增加電源容量 其四 只須按單臺泵來配置變頻器容量 減少投資 處于供水低谷 小流量或夜間小流量時 為進(jìn)一步減少功耗 采用一臺小流量泵來維持正常的泄漏和水 壓 供水系統(tǒng)如圖 3 2 所示 12 圖 3 2 供水系統(tǒng)圖 1 水位上限檢測 2 水位下限檢測 3 閘閥 4 止回閥 5 壓力檢測 3 控制方式 多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換 是實現(xiàn)多泵分級調(diào)節(jié)的關(guān)鍵 可選用編程靈活 可靠性高 抗干擾能力強(qiáng) 調(diào)試方便 維護(hù)工作量小的 PLC 通過編程來實現(xiàn) 供水系統(tǒng)的恒壓是通過壓力變送器 PID 調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制的 根據(jù)水壓的變化 由變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)恒壓 3 2 3 恒壓供水電控系統(tǒng)組成 1 主電路 通過接觸器 斷路器等電氣設(shè)備為主水泵及輔泵拖動電動機(jī)提供工頻 及變頻電源 2 電氣控制電路 成對主電路的繼電控制 實現(xiàn)手動或自動控制的切換 3 變頻控制電路 根據(jù)壓力設(shè)定及壓力傳感器的壓力檢測信號 由變頻器輸出變 頻電源 提供最高頻率 上下限頻率及啟動頻率等信號 并能實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié) 4 PLC 控制系統(tǒng) 包括硬件線路和軟件控制程序 完成對恒壓供水系統(tǒng)壓力設(shè)定 順序控制 信號指示報警等 恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案如圖 3 3 所示 13 圖 3 3 恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案圖 3 3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計與選型 3 3 1 主電路設(shè)計 三臺大容量的主水泵根據(jù)供水狀態(tài)的不同 具有變頻 工頻 停泵三種運(yùn)行方式 因此每臺主水泵均要求通過兩個接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián) 輔助泵只 運(yùn)行在工頻狀態(tài) 通過一個接觸器接入工頻 連線時一定要注意 保證水泵旋向正確 接觸器的選擇依據(jù)電動機(jī)制容量來確定 QF1 QF2 QF3 QF4 QF5 QF6 分別為主電路 變頻器和各水泵的工頻運(yùn)行空氣 開關(guān) FR1 FR2 FR3 FR4 為工頻運(yùn)行時的電機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器 變頻運(yùn)行時 由變頻器來實現(xiàn)電機(jī)過載保護(hù) 14 變頻器的主電路輸出端子 U V W 經(jīng)接觸器接至三相電動機(jī)上 當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與 工頻時電機(jī)轉(zhuǎn)向不一致時 需要調(diào)換輸出端子 U V W 的相序 否則無法工作 變 頻器和電動機(jī)之間的配線長度應(yīng)控制在 100m 以內(nèi) 在變頻器起動 運(yùn)行和停止操作中 必須用觸摸面板的運(yùn)行和停止鍵或者是外控端子 FWD REV 來操作 不得以主電路空 氣開關(guān) QF2 的通斷來進(jìn)行 為了改善變頻器的功率因素 還應(yīng)在變頻器的 Pl P 端 子之間接入需相應(yīng)的 DC 電抗器 變頻器接地端子必須可靠接地 以保證安全 減少噪聲 在電動機(jī)三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表 用來觀察電機(jī)工作電流大小 設(shè)計三相電源信號指示 圖 3 4 給出了供水系統(tǒng)電氣控制主回路的主要聯(lián)線關(guān)系 圖3 4主電路 3 3 2 電氣控制電路設(shè)計 為了保護(hù) PLC 設(shè)備 PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接 而是在 PLC 輸出 15 端口和交流接觸器之間引入中間繼電器 通過中間繼電器控制接觸器線圈的得電 失電 進(jìn)而控制電機(jī)或者閥門的動作 在控制電路中多處對各主泵電機(jī)的工頻 變頻運(yùn)行接觸器作了互鎖設(shè)計 變頻器是按 單臺電機(jī)容量配置 不允許同時帶多臺電機(jī)運(yùn)行 為此對各電機(jī)的變頻運(yùn)行也作了互鎖 設(shè)計 為提高互鎖的可靠性 在 PLC 控制程序設(shè)計時 進(jìn)一步通過 PLC 內(nèi)部的軟繼電器 來作互鎖 控制電路中還考慮了電機(jī)和閥門的當(dāng)前工作狀態(tài)指示的設(shè)計 為了節(jié)省 PLC 的輸出 端口 在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開觸點的斷開和閉合來控 制相應(yīng)電機(jī)和閥門的指示燈的亮和熄滅 指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)和閥門的工作狀態(tài) 出于可 靠性及檢修方面的考慮 設(shè)計了手動 自動轉(zhuǎn)換控制電路 通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來 實現(xiàn) 6 圖 3 5 給出了供水系統(tǒng)的部分電氣控制線路 圖 3 5 中 SA 為手動 自動轉(zhuǎn)換開關(guān) KA 為手動 自動轉(zhuǎn)換用中間繼電器 打在 位 置為手動狀態(tài) 打在 位置 KA 吸合 為自動狀態(tài) 在手動狀態(tài) 通過按鈕 SB1 SB14 控 制各臺泵的起停 在自動狀態(tài)時 系統(tǒng)執(zhí)行 PLC 的控制程序 自動控制泵的起停 中間繼電器 KA 的常閉觸點接在四臺泵的手動控制電路上 控制四臺泵的手動運(yùn)行 中間繼電器 KA 的常開觸點接 PLC 的 X0 控制自動變頻運(yùn)行程序的執(zhí)行 在自動狀態(tài)時 四臺泵在 PLC 的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換 運(yùn)行 電動機(jī)電源的通斷 由中間繼電 器 KA1 KA7 控制接觸器 KM1 KM7 的線圈來實現(xiàn) HL0 為自動運(yùn)行指示燈 FR1 FR2 FR3 FR4 為四臺泵的熱繼電器的常閉觸點 對電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù) 16 圖 3 5 電氣控制線路圖 3 3 3 系統(tǒng)主要配置的選型 1 水泵機(jī)組的選型 根據(jù)系統(tǒng)要求 考慮到用水量類型為連續(xù)型高流量變化型 確定采用 3 臺主水泵機(jī) 組和 1 臺輔助泵機(jī)組 設(shè)備選用型號及參數(shù)見表 3 1 2 壓力變送器及數(shù)顯儀的選型 選用普通壓力表 Y 100 和 XMT 1270 數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測 顯示和變送 壓力表 測量范圍 0 1MP 精度 1 5 數(shù)顯儀輸出一路 4 20mA 電流信號 送給變頻器作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號 可設(shè)定壓力上 下限 通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號 表 3 1 水泵機(jī)組及參數(shù) 17 主要性能參數(shù)型號 數(shù) 量 流量 h3m 揚(yáng)程 m 效率 轉(zhuǎn)速 r min 電動機(jī)功率 kW 主水泵 HGT1 250 400 3 1080 45 72 1450 200 輔助水泵 HGT1 120 400 1 50 45 68 1450 10 3 變頻器的選型與設(shè)定 1 容量確定方法 依據(jù)所配電動機(jī)的額定功率和額定電流來確定變頻器容量 在一臺變頻器驅(qū)動一臺 電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時 變頻器容量 kVA 應(yīng)同時滿足下列三式 7 KVA 3 3 CNP cosMkhj KVA 3 4 3103CNUI A 3 5 IMK 式中 負(fù)載所要求的電動機(jī)的輸出功率 MP 電動機(jī)的效率 通常在 0 85 以上 cos 電動機(jī)的功率因數(shù) 通常在 0 8 以上 電動機(jī)電壓 V MU 電動機(jī)工頻電源時的電流 A I k 電流波形的修正系數(shù) 對 PWM 方式 取 1 0 1 05 變頻器的額定容量 kVA CNP 18 變頻器的額定電流 A CNI 這三個式子是統(tǒng)一的 選擇變頻器容量時 應(yīng)同時滿足三個算式的關(guān)系 尤其變頻 器電流是一個較關(guān)鍵的量 2 型號選擇 根據(jù)控制功能不同 通用變頻器為分為三種類型 普通功能型 U f 控制變頻器 具有 轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 U f 控制變頻器 矢量控制高功能型變頻器 供水系統(tǒng)屬泵類負(fù) 載 低速運(yùn)行時的轉(zhuǎn)矩小 可選用價格相對便宜的 U f 控制變頻器 綜上分析 系統(tǒng)選用專為風(fēng)機(jī) 泵用負(fù)載設(shè)計的普通功能型 U f 控制方式的富士變頻 器 FRN200P11S 4CX 變頻器內(nèi)置 PID 控制模塊 可用于閉環(huán)控制系統(tǒng) 實現(xiàn)恒壓供水 其主要參數(shù)及性能介紹如下 主要參數(shù) 額定容量 267 kVA 額定輸出電流 386A 過載容量 150 額定輸出電流 1 分鐘 起動轉(zhuǎn)矩 50 以上 適配電機(jī)容量 200kW 功能特點 風(fēng)機(jī) 泵等二次方遞減轉(zhuǎn)矩專用型變頻器 可選用自動和手動的轉(zhuǎn)矩提升功能 保 證最佳的啟動 加速時間設(shè)定范圍寬 0 01 秒到 3600 秒 具有 S 形加減速功能和曲線 加減速功能 讓加減速過程變得緩和 防止沖擊和載物倒塌 直流制動功能 制動時間 在 0 30 秒范圍可調(diào) 保證快速可控的制動 不需要外接電阻 內(nèi)置 PID 模塊 可用于閉 環(huán)控制 多種頻率設(shè)定方式 多種附加功能 三路晶體管輸出 I 0 特性 8 個可設(shè)定的多功能開關(guān)量輸入口 給操作者極大的靈活性 3 路可設(shè)定的開路集電 極晶體管多功能輸出 可用于頻率到達(dá) 頻率值檢測 過載 運(yùn)等多種提示 設(shè)有模擬 電流 電壓輸入端子 實現(xiàn)外部頻率設(shè)定 19 保護(hù)功能 具有過電壓 欠電壓保護(hù) 短路保護(hù) 過熱保護(hù) PTC 熱敏電阻保護(hù) 電機(jī)鎖死保護(hù) 缺相保護(hù) 電涌保護(hù) 失速保護(hù) CPU 存貯器異常保護(hù)等 3 變頻器接線及功能設(shè)定 見表 3 2 頻率參數(shù)設(shè)置說明 8 1 最高頻率 變頻器的最高頻率只能與水泵額定頻率相等 2 上限頻率 實際預(yù)置需略低于額定頻率 50Hz 3 下限頻率 下限頻率不能太低 可根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整 4 啟動頻率 在從 0Hz 開始啟動的一段頻率內(nèi) 實際上電機(jī)轉(zhuǎn)不起來 因此 應(yīng)適當(dāng)預(yù)置啟動頻率值 使其在啟動瞬間有一點沖擊力 表 3 2 變頻器接線及功能設(shè)定 變頻器端子 現(xiàn)場器件與接線端子 功能代碼 參數(shù)預(yù)置 注釋 FWD PLC的Y0端子 啟動 停止變頻運(yùn)行 CM PLC的COM X1 PLC的Y16 E01 7 PLC 的 Y16 動作 自由停車 Y2 PLC的X1 E21 1 頻率極限信號輸出 30A PLC的X5 變頻器故障總報警信號 30C PLC的COM 接公共端 F03 50 最高輸出頻率 Hz F15 49 5 上限頻率 Hz F16 30 下限頻率 Hz F23 10 起動頻率 F17 100 頻率設(shè)定信號增益 3 4 PLC 的選型 PLC 的選型主要從 PLC 的輸入 輸出點數(shù) 存儲器容量 輸入 輸出接口模塊類型等方 20 面來選擇 PLC 型號 根據(jù)供水系統(tǒng)控制任務(wù)及設(shè)計方案 輸入信號需 16 點 輸出信號需 16 點 選擇三菱 FX2N 32MR 型 PLC 其 I O 端子如表 3 3 所示 表 3 3 現(xiàn)場器件與 I O 端子功能示意表 現(xiàn)場器件與接線端子 I O地址 功能注釋 中間繼電器KA常開觸點 X0 自動 手動功能轉(zhuǎn)換 變頻器Y2端子 X1 變頻器輸出頻率極限信號 遠(yuǎn)傳壓力表壓力上限電節(jié)點 X2 壓力下限到達(dá)信號 遠(yuǎn)傳壓力表壓力下限電節(jié)點 X3 壓力上限到達(dá)信號 水池水位下限信號 X4 水池水位下限信號 缺水 變頻器輸出報警繼電器30A X5 變頻器故障報警信號 FR1常開觸點 X6 1 電機(jī)過載信號 FR2常開觸點 X7 2 電機(jī)過載信號 FR3常開觸點 X10 3 電機(jī)過載信號 FR4常開觸點 X11 4 電機(jī)過載信號 KM1常開輔助觸點 X12 1 電機(jī)變頻運(yùn)行故障信號 KM3常開輔助觸點 X13 2 電機(jī)變頻運(yùn)行故障信號 KM5常開輔助觸點 X14 3 電機(jī)變頻運(yùn)行故障信號 KA25常開輔助觸點 X15 1 電機(jī)跳空開故障信號 KA26常開輔助觸點 X16 2 電機(jī)跳空開故障信號 輸 入 KA27常開輔助觸點 X17 3 電機(jī)跳空開故障信號 接變頻器FWD端 Y0 實線復(fù)位 運(yùn)行控制 KA1線圈 Y1 1 變頻運(yùn)行控制及指示 KA2線圈 Y2 1 工頻運(yùn)行控制及指示 KA3線圈 Y3 2 變頻運(yùn)行控制及指示 KA4線圈 Y4 2 工頻運(yùn)行控制及指示 KA5線圈 Y5 3 變頻運(yùn)行控制及指示 KA6線圈 Y6 3 工頻運(yùn)行控制及指示 輸 出 KA7線圈 Y7 輔助泵工頻運(yùn)行控制及指示 21 KA10線圈 Y10 水池水位下限報警指示 KA11線圈 Y11 變頻器故障報警指示 KA12線圈 Y12 現(xiàn)場手動控制指示 KA13線圈 Y13 自動變頻運(yùn)行指示 KA14線圈 Y14 自動工頻運(yùn)行指示 KA15線圈 Y15 遠(yuǎn)程手動運(yùn)行指示 KA16線圈 Y16 變頻器X1端子功能有效 KA17線圈 Y17 無人值守電話自動報警 FX2N 32MR 主要參數(shù)及特點 I O 點數(shù) 16 16 用戶程序步數(shù) 4K 基本指令 27 條 功能指令 298 條 基本指令執(zhí)行時間 0 08 微秒 通信功能 強(qiáng) 輸出形式 繼電型 輸出能力 2A 點 3 5 系統(tǒng)可靠性措施 作為一個完整的系統(tǒng) 應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場 還需考慮加強(qiáng)抗干擾措施 保證運(yùn)行的穩(wěn) 定性 9 1 變頻器和 PLC 應(yīng)安裝于專門的控制柜中 但一定要保證良好的通風(fēng)環(huán)境和散熱 PLC 四周留有 50 mm 以上的凈空間 環(huán)境溫度最好控制在 45 以下 相對濕度在 5 90 盡量不要安裝在多塵 有油煙 有導(dǎo)電灰塵 有腐蝕性氣體 振動 熱源或潮濕的地方 2 控制柜和水泵現(xiàn)場距離不要太遠(yuǎn) 尤其是遠(yuǎn)傳壓力表至變頻器的 4 20mA 電流信 號和至 PLC 的壓力上 下限開關(guān)量信號的傳輸電纜要盡可能短 而且要盡量遠(yuǎn)離那些會 22 產(chǎn)生電磁干擾的裝置 3 外圍設(shè)備信號線 控制信號線和動力線應(yīng)分開敷設(shè) 不能扎在一起 且應(yīng)采用 屏蔽線且屏蔽層接地 4 變頻器和 PLC 均要可靠接地 接地電阻應(yīng)小于 100 接地線須盡可能短和粗 并且應(yīng)連接于專用接地極或公用接地極上 不要使用變頻器 PLC 外殼或側(cè)板上的螺釘 作為接地端 而且二者在接地時 應(yīng)盡量分開 不要使用同一接地線 5 電動機(jī)在低速運(yùn)行時 電機(jī)冷卻效果下降 應(yīng)保證電動機(jī)具有良好的通風(fēng)條件 6 在電氣設(shè)計和軟件設(shè)計中 充分考慮電氣設(shè)備之間的互鎖關(guān)系 7 選用性能可靠的繼電器 接觸器對于系統(tǒng)的可靠運(yùn)行也具有十分重要的意義 8 要考慮防雷設(shè)計 如電源是架空進(jìn)線 在進(jìn)線處裝設(shè)變頻器專用避雷器 或按規(guī) 范要求在離變頻器 20m 遠(yuǎn)處預(yù)埋鋼管做專用接地保護(hù) 如果電源是電纜引入 則應(yīng)做好 控制室的防雷系統(tǒng) 以防雷電竄入破壞設(shè)備 10 9 系統(tǒng)設(shè)計時還加入了無人執(zhí)守故障自動撥號報警器 當(dāng)出現(xiàn)變頻器故障 電機(jī) 故障 PLC 故障以及水位過低等現(xiàn)象時 自動撥打管理人員的電話 提高系統(tǒng)故障的應(yīng) 急處理能力 23 4 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 4 1 水泵工頻 變頻運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程分析 4 1 1 供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 供水狀態(tài)是指供水時按照用水量的大小設(shè)定投入運(yùn)行的水泵臺數(shù)及運(yùn)行狀況 根據(jù) 城區(qū)用水量可分為小 較小 較大和大四種情況 并分別由輔助泵 一臺主泵變頻 兩 臺主泵一工一變及三臺主泵兩工一變投入運(yùn)行 啟動自動變頻運(yùn)行方式時 首先起動輔 助穩(wěn)壓泵工頻運(yùn)行供水 當(dāng)用水量大 超過輔助泵最大供水能力而無法維持管道內(nèi)水壓 時 延時 1 分鐘 PLC 通過變頻器啟動 1 號主水泵供水 同時關(guān)閉輔助泵的運(yùn)行 在 1 號 主水泵供水過程中 變頻器根據(jù)水壓的變化通過 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)整 1 主水泵的轉(zhuǎn)速來控制 流量 維持水壓 若用水量繼續(xù)增加 變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率時 仍達(dá)不到設(shè)定 壓力 延時分鐘 由 PLC 給出控制信號 將 1 號主水泵與變頻器斷開 轉(zhuǎn)為工頻恒速運(yùn) 行 同時變頻器對 2 號主水泵軟啟動 系統(tǒng)工作于 1 號工頻 2 號變頻的兩臺水泵并聯(lián)運(yùn) 行的供水狀態(tài) 當(dāng)用水量減少時 變頻器通過 PID 調(diào)節(jié)器降低水泵轉(zhuǎn)速來維持水壓 若 變頻器輸出頻率達(dá)到下限頻率時 水壓仍過高 延時 1 分鐘 按 先起先停 的原則 由 PLC 給出控制信號 將當(dāng)前供水狀態(tài)中最先工作在工頻方式的水泵關(guān)閉 同時 PID 調(diào) 節(jié)器將根據(jù)新的水壓偏差自動升高變頻器輸出頻率 加大供水量 維持水壓 當(dāng)用水量 持續(xù)減少 系統(tǒng)繼續(xù)按 先起先停 原則逐臺關(guān)閉處于工頻運(yùn)行的水泵 當(dāng)系統(tǒng)處于單臺主水泵變頻供水狀態(tài)時 若用水量減少 變頻器輸出頻率達(dá)到下限 頻率時 水壓仍過高時 延時 5 分鐘后 關(guān)閉變頻器運(yùn)行 啟動輔助泵維持供水 4 1 2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系 為保證在一個較長的時間周期內(nèi) 各臺水泵運(yùn)行時間基本均等 避免某臺電機(jī)長期 得不到運(yùn)行而出現(xiàn)繡死現(xiàn)象 供水狀態(tài)的切換按照 有效狀態(tài)循環(huán)法 即 先起先停 的原則操作 若有 N 臺水泵參與變頻調(diào)速 則滿足 先起先停 原則的最大有效狀態(tài)數(shù) 為 1 將來的供水狀態(tài)就在這些有效狀態(tài)范圍內(nèi)來回循環(huán) 2 24 本系統(tǒng)采用了三臺主水泵和一臺輔助穩(wěn)壓泵供水 其中只有主水泵參與變頻運(yùn)行 共有 10 種有效供水狀態(tài) 見表 4 1 表 4 1 系統(tǒng)供水狀態(tài) 用水量 狀態(tài)符號 供水狀態(tài) 小 S0 輔助泵運(yùn)行 1 2 3 停機(jī) S20 1 變頻運(yùn)行 2 3 停機(jī) S21 2 變頻運(yùn)行 1 3 停機(jī)較小 S22 3 變頻運(yùn)行 1 2 停機(jī) S23 1 工頻運(yùn)行 2 變頻運(yùn)行 3 停機(jī) S24 2 工頻運(yùn)行 3 變頻運(yùn)行 1 停機(jī)較大 S25 3 工頻運(yùn)行 1 變頻運(yùn)行 2 停機(jī) S26 1 2 工頻運(yùn)行 3 變頻運(yùn)行 S27 2 3 工頻運(yùn)行 1 變頻運(yùn)行大 S28 3 1 工頻運(yùn)行 2 變頻運(yùn)行 各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖 4 1 25 圖 4 1 供水狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 圖中 箭頭向下為增泵過程 箭頭向上為減泵過程 從圖 4 1 可見 供水狀態(tài)之間 的轉(zhuǎn)換不但和轉(zhuǎn)換條件有關(guān) 還與其目前所處的供水狀態(tài)有關(guān) 由輔助泵切換到主泵供 水也遵循有效狀態(tài)循環(huán)方式 即上一次啟動 1 主泵 則下次由輔助泵切換到主泵供水 應(yīng)啟動 2 泵 4 1 3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件 供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件是依據(jù)變頻器輸出頻率是否到達(dá)極限頻率及水壓是否達(dá)到 上 下限值 設(shè)變頻器輸出頻率達(dá)到極限頻率時的信號為 X1 水壓達(dá)到設(shè)定壓力下限值 時的欠壓信號為 X2 水壓達(dá)到設(shè)定壓力上限值時的超壓信號為 X3 從輔助泵切換到主泵條件 滿足 X2 從主泵切換到輔助泵條件 同時滿足 X1 X3 增泵條件 同時滿足 X1 X2 減泵條件 同時滿足 X1 X3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的實現(xiàn)方法 從輔助泵切換到主泵只需斷開輔助泵的供電 同時用變頻器以起始頻率起動一臺主 26 泵的運(yùn)行即可 從主泵切換到輔助泵只需將主泵和變頻器的輸出斷開 同時將輔助泵直 接投入工頻運(yùn)行即可 4 2 PLC 程序設(shè)計 4 2 1 PLC 編程語言 PLC 是由繼電器接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的一種新型的工業(yè)自動化控制裝置 采用 了面向控制過程 面向問題 簡單直觀的 PLC 編程語言 易于學(xué)習(xí)和掌握 盡管國內(nèi)外 不同廠家采用的編程語言不盡相同 但程序的表達(dá)方式基本類似 主要有四種形式 梯 形圖 指令表 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和高級語言 梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言 它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的觸點 線圈 串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號 與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似 但又加入 了許多功能強(qiáng)而又使用靈活的指令 4 2 2 梯形圖語言編程的一般規(guī)則 通常微 小型 PLC 主要采用繼電器梯形圖編程 其編程的一般規(guī)則有 11 1 梯形圖按自上而下 從左到右的順序排列 每一個邏輯行起始于左母線然后是觸 點的各種連接 最后是線圈或線圈與右母線相連 整個圖形呈階梯形 梯形圖所使用的 元件編號地址必須在所使用 PLC 的有效范圍內(nèi) 2 梯形圖是 PLC 形象化的編程方式 其左右兩側(cè)母線并不接任何電源 因而圖中各 支路也沒有真實的電流流過 但為了讀圖方便 常用 有電流 得電 等來形象地描述 用戶程序解算中滿足輸出線圈的動作條件 它僅僅是概念上虛擬的 電流 而且認(rèn)為它 只能由左向右單方向流 層次的改變也只能自上而下 3 梯形圖中的繼電器實質(zhì)上是變量存儲器中的位觸發(fā)器 相應(yīng)某位觸發(fā)器為 1 態(tài) 表示該繼電器線圈通電 其動合觸點閉合 動斷觸點打開 反之為 0 態(tài) 梯形圖中繼 電器的線圈又是廣義的 除了輸出繼電器 內(nèi)部繼電器線圈外 還包括定時器 計數(shù)器 移位寄存器 狀態(tài)器等的線圈以及各種比較 運(yùn)算的結(jié)果 4 梯形圖中信息流程從左到右 繼電器線圈應(yīng)與右母線直接相連 線圈的右邊不能 有觸點 而左邊必須有觸點 27 5 繼電器線圈在一個程序中不能重復(fù)使用 而繼電器的觸點 編程中可以重復(fù)使用 且使用次數(shù)不受限制 6 PLC 在解算用戶邏輯時 是按照梯形圖由上而下 從左到右的先后順序逐步進(jìn)行 的 4 3 供水系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計 4 3 1 系統(tǒng)初始化模塊 在初始化模塊中設(shè)置通信用數(shù)據(jù)寄存器 D8120 D8121 D8129 的通信參數(shù) 至標(biāo)志 為 M6 1 在自動運(yùn)行時 首先起動輔助泵 進(jìn)入 S0 狀態(tài) 至標(biāo)志 M0 1 保證輔助泵的運(yùn) 行狀態(tài)首次 S0 轉(zhuǎn)入主泵運(yùn)行狀態(tài) S20 初始化過程通過 M8002 產(chǎn)生的初始化脈沖來完成 4 3 2 水泵運(yùn)行與狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊 1 輔助泵 主泵的轉(zhuǎn)換 主泵轉(zhuǎn)輔助泵運(yùn)行是指在單臺主泵供水時 變頻器輸出下限頻率 水壓處于壓力上 限時 延時 5 分鐘 關(guān)閉變頻器運(yùn)行 啟動輔助泵的過程 即由狀態(tài) S11 轉(zhuǎn)入 S0 的過程 PLC 置輸出繼電器 Y1 為 0 同時置 Y7 1 輔助泵轉(zhuǎn)主泵運(yùn)行是指由輔助泵供水 水壓達(dá)到壓力下限時 延時 1 分鐘 關(guān)閉輔 助泵 用變頻器啟動一臺主泵運(yùn)行的過程 即由狀態(tài) S0 轉(zhuǎn)入 S11 的過程 具體起動哪一 臺主泵 進(jìn)入哪一種狀態(tài) 要依據(jù)其上一個狀態(tài) 按有效狀態(tài)循環(huán)法的原則來操作 在 編程時 以輔助繼電器 M3 M2 Ml 作為 S20 S21 S22 狀態(tài)的轉(zhuǎn)入標(biāo)志 三者按循 環(huán)方式動作 保證狀態(tài) S20 S21 S22 的循環(huán) 2 主泵的增加 增加主泵是將當(dāng)前主泵由變頻轉(zhuǎn)工頻 同時變頻起動一臺新水泵的切換過程 當(dāng)變 頻器輸出上限頻率 水壓達(dá)到壓力下限時 延時 1 分鐘 PLC 給出控制信號 PLC 的 Y16 得電 變頻器的 X1 端子對 CM 短接 變頻器的自由停車指令 BX 生效 切斷變頻器 輸出 延時 500ms 后 將主水泵與變頻器斷開 延時 l00ms 將其轉(zhuǎn)為工頻恒速運(yùn)行 同 28 時 PLC 的 Y16 失電 BX 指令取消 變頻器以起始頻率啟動一臺新的主水泵 這段程序 設(shè)計時要充分考慮動作的先后關(guān)系及互鎖保護(hù) 3 減少主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊 減少主泵是指在多臺主泵供水時 變頻器輸出下限頻率 水壓處于壓力上限時 按 先起先停 原則 將當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)中最先進(jìn)入工頻運(yùn)行的水泵從電網(wǎng)斷開 水泵運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊流程圖如圖 4 2 所示 根據(jù)水泵運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊流程圖編制 的輔泵 主泵 主泵 S20 S23 S26 之間切換的部分程序見附錄 S21 S24 S27 及 S22 S25 S28 之間的切換雷同 略其程序 輸出極限頻率 X1 壓力上限 X3 壓力下限 X2 YES YES 減泵 加泵 維持 NO 圖 4 2 比較環(huán)節(jié)流程圖 29 5 恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 5 1 PID 控制及其控制算法 PID 控制器是一種線性控制器 它是對給定值和實際輸出值之間的偏差 12 13 5 1 etryt 經(jīng)比例 P 積分 I 和微分 D 運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量 對被控對象 進(jìn)行控制 故稱 PID 控制器 系統(tǒng)由擬 PID 控制器和被控對象組成 其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 5 1 比例 P 被控對象積分 I 微分 D 驅(qū)動 r t d t u t y t 圖 5 1 控制系統(tǒng)原理框圖 圖中 u t 為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量 PID 控制規(guī)律為 5 2 1 dteTtteKtDIP 式 5 2 中 比例系數(shù) 積分時間常數(shù) 微分時間常數(shù) I 相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式 30 5 3 1 PDIUsGKTsE PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下 14 1 比例環(huán)節(jié) 比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對當(dāng)前變化的一種反映 比例環(huán)節(jié)不能徹底消除 系統(tǒng)偏差 系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù) K 的增大而減少 比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定 2 積分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差 提高系統(tǒng)的無差度 積分作用的強(qiáng)弱取 決于積分時間常數(shù) 越大 積分作用越弱 易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大 反之則越強(qiáng) ITI 易引起系統(tǒng)振蕩 3 微分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩 減小超調(diào)量 加快系統(tǒng)響應(yīng)時 間 改善系統(tǒng)的動態(tài)特性 但過大的 對于干擾信號的抑制能力卻將減弱 DT 5 2 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過程分析 恒壓供水的目的就是要保證供水能力 適應(yīng)用水 需求變化 當(dāng)供水能力 和用GQUGQ 水需求 之間不能平衡時 必然引起壓力的變化 因此可根據(jù)壓力的變化 來實現(xiàn)對供UQ 水流量的調(diào)節(jié) 維持供水能力 和用水需求 之間的乎衡 GU 實現(xiàn)恒壓供水實現(xiàn)方法是 首先根據(jù)用戶對水壓的要求 給 PID 調(diào)節(jié)器預(yù)置一個目 標(biāo)壓力值 管道中的實際水壓 經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成 4 20mA 的模擬電流信號反饋給變 頻器內(nèi)置的 PID 調(diào)節(jié)器 PID 調(diào)節(jié)器根據(jù)目標(biāo)壓力值和實際壓力值的偏差 給出調(diào)節(jié)量 自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率 調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速 使供水量適應(yīng)用水量的變化 取得動態(tài)平衡 維持水壓不變 其具體調(diào)節(jié)過程如下 14 1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 當(dāng)供水能力 用水需求 目標(biāo)壓力信號和壓力反饋信號 y 相等 偏差 e y r PIDGQU 輸出的控制增量 u 0 變頻器輸出頻率不變 水泵轉(zhuǎn)速不變 處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 2 用水量增加時 31 當(dāng)用水量增加 用水需求 供水能力 水壓下降 壓力反饋信號 y 減少 偏差 e UQG y r0 變頻器輸出頻率上升 水泵轉(zhuǎn)速升高 增加供水能力 最后達(dá)到一個新的平衡狀態(tài) 使壓力回復(fù) 維持供需平衡 3 用水量減少時 當(dāng)用水量減少 用水需求 0 PID 輸出的控制增量 u 0 變頻器輸出頻率下降 水泵轉(zhuǎn)速降低 降低 供水能力 最后達(dá)到一個新的平衡狀態(tài) 使壓力回復(fù) 維持供需平衡 32 結(jié)論 本文對于城市供水要求 設(shè)計了一套由 PLC 變頻器 遠(yuǎn)傳壓力表 多臺水泵機(jī)組 計算機(jī)等主要設(shè)備構(gòu)成的變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 克服了傳統(tǒng)供水方式普遍存 在的效率低 可靠性差 自動化程度不高等缺點 可實現(xiàn)高效節(jié)能 自動可靠 維護(hù)簡 單 管理方便的恒壓供水 本系統(tǒng)具有以下的特點 l 采用了可靠性高 使用簡單 編程靈活的工控設(shè)備 PLC 和內(nèi)置 PID 調(diào)節(jié)模塊的變 頻器作為主要控制設(shè)備 在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相 結(jié)合 確保恒壓供水 2 系統(tǒng)具有完備的故障處理能力 可通過自動工頻運(yùn)行 遠(yuǎn)程手動控制和現(xiàn)場手動 控制等方式確保供水 具有故障實時的現(xiàn)場報警和遠(yuǎn)程電話自動報警功能 具有故障電 機(jī)鎖定功能 3 系統(tǒng)采取變頻調(diào)速方式實現(xiàn)恒壓供水 節(jié)能效果明顯 4 采用了 PID 調(diào)節(jié)方式 水壓波動小 響應(yīng)快 33 附錄 34 錨泵 主