变频恒压供水系统设计.doc

内 容 摘 要随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理；具体分析了变频恒水压供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，得出结论:变频调速是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。因此本文以采用变频器和PLC 组合构成系统的方式，以某居民小区水泵电动机控制系统为对象，逐步阐明如何实现水压恒定供水。进行了控制系统的主电路设计，控制电路设计。对输入输出点进行了统计，共有13个输入输出点，根据PLC的选型原则，设备选用了在生产中应用最为广泛的西门子公司生产的S7-200系列(CPU222)的PLC和MM430泵类专用的变频器，利用变频器的本身自有的软启动功能实现水泵电机的启动。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器的内置PID控制方式完成，根据控制系统软硬件设计和控制要求，结合变频器的功能参数表预置了相关的参数，设计了梯形图，实现了高楼供水的恒压变频控制。关键词： 恒压供水 变频调速 PLC设计 目 录内容摘要和关键词.1一绪论.1（一）引言.1(二)供水系统的现况及本人的主要工作 11、国内外变频恒压供水系统的现况12、本人的主要工作1二变频恒压供水的理论分析 1(一)水泵的工作原理2(二)供水电机的搭配 2(三)水泵的调节方式 3（四）恒压供水系统的能耗分析 3（五）水锤效应的产生与消除 41、水锤现象的产生 42、水锤现象的消除 5(六) 延长水泵寿命的其他因素5三、变频恒压供水控制系统硬件的设计5（一）变频恒压供水控制系统的构成方案6（二）变频恒压供水系统的控制方案6（三）供水设备选择原则71、设定供水压力经验数据7（四）变频器的选择7（五）压力传感器的选择8（六）水位传感器的选择8（七）其他低压电器的选择81、断路器的选择82、接触器的选择93、PLC选型的基本原则9(八)IO的分配 10（九）系统硬件线路设计10四、变频恒压供水控制系统软件的设计11（一）恒压供水系统梯形图的设计11五、总结与展望15参考文献15致谢16变频恒压供水系统设计一、绪论(一)引言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，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.（二）供水系统现况及本人的主要工作1、国内外变频恒压供水系统现况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。2、本人的主要工作本课题主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水，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。二、变频恒压供水的理论分析（一）水泵的工作原理供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图1所示，叶轮安装在泵2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。图1 离心泵结构示意图（二）供水电机的搭配供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点:(1) 如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。(2) 如果电动机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。因此，要正确选择电动机的功率， 对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(生产机械轴上的功率)（kW），可按式(2.1)计算所需电动机的功率(kW)： (2.1)式中，为生产机械的效率，为电动机的效率，即传动效率。按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。(三)水泵的调节方式水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下：(四) 恒压供水系统的能耗分析在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但是扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量QG表示）和用水要求（由流水量QU表示）之间的平衡情况有关。如：供水能力QG用水需求QU，则压力上升（P）；如：供水能力QG用水需求QU，则压力上升（P）；如：供水能力QG=用水需求QU，则压力上升（P不变）。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处的压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。（五）水锤效应的产生和消除1、水锤效应的产生异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有在0.25S。这意味着在0.25S的时间里，水的流量从零增到额定流量。由于水具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性，压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。产生水锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大.在启动过程中，异步电动机和水泵的机械特性如图2a所示，图中曲线1是异步电动机的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩TJ(即两者之差)。 （a）全压启动 （b）变频启动图2 水泵的全压启动与变频启动在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩 由图2.a可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影部分所示，是很大的。所以，加速过程很快。、水锤效应的消除采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为减小，如图2.b命所示。图中，曲线簇1是异步电动机在不同频率下的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩(即不同频率时电动机机械特性与水泵机械特性之差)。在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长从而延长停机过程，使动态转矩大为减小，彻底消除了水锤效应。（六）延长水泵寿命的其他因素水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。此外，由于水泵平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使:1、叶片承受的应力大为减小2、轴承的磨损也大为减小所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。三、变频恒压供水控制系统硬件的设计（一）变频恒压供水控制系统的构成方案从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、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。系统主要的设计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启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。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，本次设计采用通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+压力传感器的构成方案。系统的构成框图如图3所示。图3 系统构成框图（二）变频恒压供水系统的控制方案变频恒压供水系统的控制方案有多种，有1台变频器控制一台水泵的简单控制方案，也有一台变频器控制几台水泵的方案，下面重点介绍一台变频器控制几台水泵的特点。该控制方案的控制原理如图4所示。图4 控制原理框图 控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制2台水泵按12341的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有1号泵在变频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态1。当用水量增加，变频器输出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动2号泵电机，控制系统处于状态2。当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将1号泵电机停运，2号泵电机仍由变频器电源供电，这时控制系统处于状态3。当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则2号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动1号泵电机，控制系统处于状态4。当控制系统处于状态4时，用水量减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统供水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器启动1号泵电机，控制系统处于状态4，此时，通过控制系统的控制，可将2号泵电机停运，1号泵电机仍由变频器供电，这时，控制系统又回到了状态1。如此循环往复的工作，以满足系统用水的需要。（三）供水设备的选择原则在做供水系统时，应先选择水泵和电机，选择依据是供水规模（供水流量）。而供水规模和住宅类型以及用户数有关。 1、设定供水压力经验数据：平方供水压力P=0.12MPa；楼房供水压力P=（0.08+0.04楼层数）MPa (3.1) （1）系统设计还应遵循以下的原则： （2）蓄水池容量应大于每小时最大供水量； （3）水泵扬程应大于实际供水高度； （4）水泵流量总和应大于实际最大供水量。 P =（0.08+0.04楼层数）MPa=0.48MPa 可确定设置供水压力值为0.48MPa。根据表3.3确定水泵型号为100DL3，工3台(其中一台做备用)，水泵自带电动机功率为30kW。（四）变频器的选择 本系统中，采用MciorMaster430系列变频器，型号为HVAC(风机和水泵节能型)EC014500/3，额定电压为380V500V，额定功率35kW。MicroMaster430系列变频器是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家，功率范围7.5kW至250Kw。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联(BiCo)技术，具有高度可靠性和灵活性，牢固的EMC(电磁兼容性)设计；控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。（五）压力传感器的选择CYYB-120系列压力变送器为两线制420mA电流信号输出产品。它采用CYYB-105系列压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有420mA标准信号输出。主要特点：1、高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；2、抗冲击、耐震动、体积小、防水；3、标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；4、最具有竞争力的价格。（六）水位传感器的选择SL980-投入式液位变送器，广泛用于储水池、污水池、水井、水箱的水位测量，油池、油罐的油位测量，江河湖海的深度测量。接受与液体深度成正比的液压信号，并将其转换为开关量输出，送给计算机、记录仪、调节仪或变频调节系统以实现液位的全自动控制。主要特点是：安装简单，精度高，可靠性高，性能稳定，能实现自身保护等。（七）其他低压电器的选择1. 断路器的选择（1）断路器的作用及额定电流的选择 断路器具有隔离,过电流及欠电压等保护功能,当变频器发生短路或电源电压过低等故障时,可迅速进行保护。考虑变频器允许的过载能力为150%，时间为1min。所以为了避免误动作，断路器的额定电流应选 （A） (3.2)式中为变频器的额定输出电流所以，选90A。 （2） 断路器的选择。在电动机要求实现工频和变频切换驱动的电路中，断路器应按电动机在工频下起动电流来考虑，断路器的额定电流应选 (A) 式中为电动机的额定电流，=60A。所以选160A。2、接触器的选择接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个档次来选择，由于电动机的额定电流为60A，所以接触器的触点电流选70A即可。3、PLC选型的基本原则这是PLC应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几个方面。（1）规模要适当；（2）功能要相当，结构要合理；（3）输入，输出功能及负载能力的选择要正确；（4）要考虑环境条件。根据以上原则，这次设计选择西门子S7-200系列的CPU222AC/DC。（八）I/O的分配根据功能要求和工艺流程，我们统一了I/O接点的分配，分配表如表1所示。根据PLC口的分配，系统的控制要求以及合理利用I/O口的原则。表1 I/O分配表输入器件输出器件I0.0启动（SB0）Q0.0驱动KM1（1#泵变频）I0.1停止（SB1）Q0.1驱动KM2（2#泵变频）I0.2液位传感器Q0.2驱动KM3（1#泵工频）I0.3变频器达到上限Q0.3驱动KM4（2#泵工频）I0.4变频器达到下限Q0.4驱动KM5（备用泵工频）I0.51#水泵故障Q0.5报警指示灯I0.62#水泵故障I0.7变频器故障（九）系统硬件线路设计 供水系统主电路设计如图5所示，采用了一台变频器同时连接两台电动机，所以必须确保开关KM1和KM2电气连锁，连锁功能由软件和硬件实现。在变频水泵出现问题或紧急情况下，可以起用备用水泵。 图5 主电路图系统的控制线路如图6所示。图