S7-200 PLC控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計
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浙江工業(yè)大學浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)(翻譯資料)中文部分恒壓供水的控制與節(jié)能的探索摘要:在簡要分析國內外給水系統(tǒng)現狀的基礎上,介紹了系統(tǒng)的組成,提出了以變頻調速為核心所構成的全自動給水系統(tǒng)控制方式,并以實例詳細分析了該系統(tǒng)的組成、工作原理以及在控制與節(jié)能方面所表現出的優(yōu)越性.文中根據作者的實際使用經驗,簡要闡述了該系統(tǒng)在應用中應注意的一些問題。關鍵詞: 變頻調速;恒壓供水。PID調節(jié)器中圖法 一、引言目前,我國居民小區(qū)與高層建筑的生活供水,普遍采用工頻方式.它存在著能耗大,噪音高,水源存在二次污染等諸多問題.而用變頻調速控制的給水裝置是一種較為理想的模式.進入90年代中后期,隨著變頻調速技術的不斷發(fā)展與完善,基于該項技術的全自動恒壓給水方式已在發(fā)達國家得到廣泛的應用,且日趨成熟.近幾年來,作者在變頻調速給水控制系統(tǒng)的設計與施工方面做了些實際工作,積累了一些經驗,并形成了對于一些問題的看法.水泵節(jié)能原理變頻調速系統(tǒng)之所以得到推廣,一個很重要的原因就是它有較好的節(jié)能效果.一臺水泵的實際揚程與電源頻率的平方成正比.因而通過變頻器改變水泵電機的供電頻率,就可控制水泵的供水壓力.恒壓供水自動控制變頻恒壓供水原理框圖如圖1所示. 為給定的壓力值, 為壓力傳感器從管道上所測得的實際壓力值,PID調節(jié)器通過對兩者的誤差運算,并經過控制變頻器的頻率輸出,從而使管道的壓力始終保持在設定值上。該系統(tǒng)能自動檢測用戶的瞬時水壓,據此調節(jié)給水量的多少及電機的運行狀況.還可根據所需的給水壓力設定控制壓力值,讓設備始終處于恒壓狀態(tài),從負載電機的特性可知,所配電機的軸功率與其轉速的三次方成正比,即 .例如,當變頻器輸出頻率為35Hz(最高設定為50Hz),也就是實際轉速為額定轉速的70%時,調速器的用電量為0.343,約占額定的35%.也就是說,水泵總處于恒壓變流量匹配方式的工作狀態(tài),從而消除了超壓和回流的無功損耗.恒速與變頻調速軸功率變化曲線如圖2所示,比較可知,變頻調速方式節(jié)能效果最為明顯。二、實例分析:恒壓供水是通過變頻調速來調節(jié)水的流量從而達到恒壓的目的,它最終控制的目標是水壓.控制對象具有非線性、滯后特性.PID調節(jié)器性能的好壞,在很大程度上決定了恒壓供水的質量.當系統(tǒng)在啟動與停止階段,或壓力設定值大幅度變化時,由于在短時間內存在很大的偏差,因而無論PID調節(jié)器的控制算法采用增量式還是位置式,其積分項將取蓄水池、水泵組(1M,2M)及相關輔配件構成.本系統(tǒng)的核心是變頻調速控制柜,它通過壓力傳感器對管網壓力進行實時監(jiān)測,并轉換為電信號提供給變頻器進行運算,通過變頻器、可編程控制器PLC與繼電器陣列的共同控制,構成了完善的全自動變頻調速給水系統(tǒng)。變頻器的品種繁多,如三菱、富士、三肯及ABB等型號.一般常選用泵類、風機專用系列.以三菱FR-A140E為例,它除了一般品牌所具有的功能外,還有如下特點:內部采用IPM智能功率模塊,使電機的噪音減至最低;變頻器與工頻電源之間可進行切換,用戶只需通過PLC輸入啟動、停止及自動切換指令,就可方便地通過接觸器的互鎖動作來切換不同的水泵,而不需要像以往那樣自行設計繁瑣的控制程序,這是該變頻器所特有的功能之一;內置的瞬時停電再啟動與再試啟動功能,在無人看管的情況下,即使變頻器停機后也可自行啟動,完全實現了以自動化方式的運行.本系統(tǒng)中的PID調節(jié)器可用變頻器內置式值很大,這就會存在偏差調節(jié).在消除偏差調節(jié)的過程中,必然導致系統(tǒng)出現較大的超調和長時間的振蕩,同時還會產生嚴重的積分飽和現象,從而影響了設備的正常運行.要把這種影響降至最低,就應在控制算法中采用積分分離的PID控制方式,以達到預期效果.經這樣處理后,可大大縮短系統(tǒng)達到穩(wěn)定的過渡過程時間.系統(tǒng)中配備兩臺11kW水泵(1M為主泵,2M為備用泵)供600余戶居民用水.兩臺泵同時工作時提供最大高峰流量,單臺則滿足小流量和夜間供水.另外,所有水泵均能以變頻方式運行,即可以循環(huán)方式軟啟動,這樣能減小對電網和管網的沖擊.值得注意的是,兩泵在變頻與工頻之間切換時,僅有程序互鎖是不夠的,輸出必須采用機械聯鎖接觸器,這樣可避免兩個接觸器瞬間同時閉合的情況,以免造成電源的瞬間短路。變頻調速系統(tǒng)的主回路原理圖,壓力傳感器P實時監(jiān)測水壓信號的大小,信號經PID處理,輸入至變頻器.小流量時,水泵電機1M運轉(1KM1吸合),并通過反饋通道不斷調整其轉速,以保持壓力的恒定;在大流量的情況下,經壓力比較電路通過PLC發(fā)出“變頻/工頻切換”與“運行聯鎖”指令,機械聯鎖接觸器(2KM(2KM1+2KM2)中的2KM2、接觸器3KM得電.這時,電機2M以變頻方式啟動,1M則切換至工頻全速運行.這樣,本系統(tǒng)能始終將用水量維持在一個恒定的壓力上.前述小區(qū)建成初期,供水采用工頻方式,因能耗大,可靠性差,住戶反映強烈.改用變頻供水后,裝機總容量較原設備減小25%,實際綜合節(jié)電指標接近30%,效果顯著。三、應用中的幾個問題在大多數情況下,現場的使用環(huán)境較為惡劣.變頻器雖然本身具有很強的保護功能,如欠壓、過壓、過流、電流限幅選擇整定、過載、過熱、缺相、短路及斷水保護功能等,但仍應做到防患于未然.經使用發(fā)現,三菱、富士兩種品牌,由于在設計和制造中充分考慮了各種惡劣的運行環(huán)境.在同樣條件下的可靠性和使用壽命較某些品牌高.湖北鄂西山區(qū)某小城市,平均海拔1200m,常年大部分時間濕度偏高(80%左右),二氧化硫污染嚴重,某廠生產的一套變頻供水設備,因未考慮上述因素,以至于不到一年的時間,設備的有關部件嚴重腐蝕.而我們在同一地區(qū)設計、安裝的同類產品,因充分考慮了各種不同的情況,在設備與元件的選型上,采用了船用標準.經兩年多的使用,運行良好,經受了各種嚴峻的考驗.在實際使用中發(fā)現,變頻器本身就是一個強大的干擾發(fā)生源,往往會影響設備的正常運行.特別是水泵低轉速運轉時,變頻器上顯示的頻率與實際運行頻率不符.干擾的傳播途徑一般有兩種:線路串擾和空間輻射干擾.根據現場的實際情況可采取相應的措施予以解決.例如,對可編程控制器的電源端增加濾波與吸收回路,PID調節(jié)器單元的輸入輸出一定要有可靠屏蔽,將變頻器、電機上的接地端子牢固地與接地樁子相連,控制線與動力線要留有一定的距離,以增強抗電磁干擾的能力.只有這樣,才能使系統(tǒng)在高溫、潮濕、霉菌、強干擾等嚴酷的條件下保持長期穩(wěn)定的工作狀態(tài)。四、結束語以變頻調速為核心的供水方式,節(jié)水、節(jié)電效果明顯,可廣泛適用于2010000戶居民生活區(qū)、高層建筑、賓館、飯店、消防或小區(qū)加壓供水,也是中小型自來水廠給水的理想設施.其供水質量高,經濟效益明顯,社會效益巨大,隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,它一定會在我國逐步得到應用與推廣。五、參考文獻張萬忠,王民權.一種新型變頻恒壓供水泵站的設計方案.電氣時代,1999(10):22232劉迎春.傳感器原理設計與應用.北京:國防科技大學出版社,1989.59623呂光大.建筑電氣安裝工程手冊.北京:水利電力出版社,1995.2222244給排水自動化工程編寫組.給排水自動化工程.北京:水利電力出版社,1997.301312- 7 -
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