恒压供水系统设计

/目录1摘要 11.1引言……………………11.1变频恒压供水系统理论分析 2变频恒压供水系统的原理 21.1.2变频恒压限制理论模型 21.2恒压供水限制系统构成 32变频恒压供水系统设计 42.1设计任务及要求 42.2系统主电路设计 52.3系统工作过程 63器件的选型及介绍 73.1变频器简介 73.1.1变频器的基本结构和分类 73.1.2变频器的限制方式 83.2变频器选型 93.2.1变频器的限制方式 93.2.2变频器容量的选择 103.2.3变频器主电路外围设备选择 113.3可编程限制器(PLC) 133.3.1PLC的定义及特点 133.3.2PLC的工作原理 143.3.3PLC及压力传感器的选择 154PLC编程及变频器参数设置 154.1PLC的I/O接线图 154.2PLC程序 164.3变频器参数的设置 204.3.1参数复位 204.3.2电机参数设置 20总结 21参考文献 22摘要以变频器为核心结合PLC组成的限制系统具有高牢靠性、强抗干扰实力、组合灵敏、编程简洁、修理便利和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代限制、远程监控技术和一体。接受该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和牢靠性，便利的实现供水系统的集中管理和监控；同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今日尤为重要，所以探讨设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。关键字：恒压供水、变频器、PLC限制器CombinedwithfrequencyasthecorecomponentofthePLCcontrolsystemwithhighreliability,stronganti-interferenceability,combinedflexibleprogramming,easymaintenanceandlowcost,andmanyothercharacteristics,frequencyconversionconstantpressurewatersupplysystemcombinestechnology,electricaltechnology,lightninglightningprotectiontechnology,moderncontrol,remotemonitoringtechnologyandintegration.Usingthesystemforwatersupplycanimprovethestabilityandreliabilityofwatersupplysystems,watersupplysystemstofacilitatetheimplementationofcentralizedmanagementandmonitoring;thesametimethesystemhasgoodenergyefficiency,whichisanincreasingscarcityofenergyisparticularlyimportanttoday,sothestudydesignofthesystem,forimprovingefficiencyandlivingstandards,reduceenergyconsumptionhasimportantpracticalsignificanceKeywords:constantpressurewatersupply,inverter,PLCcontroller恒压供水系统设计梁文虎西南高校工程技术学院，北碚4007151.引言变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调整异步电机的转速，从而变更水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过变更定子供电频率来变更同步转速而实现调速的。变频恒压供水系统理论分析变频恒压供水系统的原理变频恒压供水系统以管网水压(或用户用水流量)为设定参数，通过微机限制变频器的输出频率从而自动调整水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调整(PID)，使供水系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率上升，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量削减时，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，这样就保证了供水效率用户对水压和水量的要求，同时达到了提高供水品质和供水效率的目的，“用多少水，供多少水”；接受该设备不需建立高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种志向的现代化建筑供水设备。变频恒压限制理论变频恒压限制系统以供水出口管网水压为限制目标，在限制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压限制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。从中可以看出，在系统运行过程中，假照实际供水压力低于设定压力，限制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力和设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应当输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。假如运行过程中实际供水压力高于设定压力，状况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最终调整的结果是实际供水压力和设定压力相等。图1-2变频恒压限制原理图1.2恒压供水限制系统构成变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵连成一体，通过变频器调整异步电机的转速，从而变更水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过变更定子供电频率来变更同步转速而实现调速的。变频器变频器水泵用户管网压力压力变送器给定值+-图1-3恒压供水系统方框图水压由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块，和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整信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现限制水泵转速。由于变频器内部自带的PID调整器接受了优化算法，所以使水压的调整特殊平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的精确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简洁、便利。西门子系列PLC编程接受STEP7软件，它是西门子PLC的视窗软件支持工具，供应完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图和语句表的相互转换。系统程序包括主程序和起动子程序，主程序包括参和调整程序和电机切换程序；电机切换程序又包括加电机程序和减电机程序。起动子程序事实上是清零子程序。在主程序中，设置两个变频器频率上下限到达滤波时间继电器，用于稳定系统。2变频恒压供水系统设计2.1设计任务及要求本系统是以一个供水系统作为被控对象，PLC和变频器协调限制电机的转速和启动和停止。系统限制要求:(1)工艺参数:供水系统由3台水泵组成：母管压力H≥0.8时，一台定速，一台变速，一台备用。母管压力H≤0.64时，一台定速或变速，二台备用。母管压力H≤0.52时，一台变速，二台备用。(2)电动机参数：型号：JD-L-39-4功率：75KW额定频率：50Hz额定电压：380VAC；额定转速：1470r/min额定电流：126.6A(3)水泵电机的起动/停止、正转、调速限制。(4)变频器接受远方限制方式。(5)通过母管压力变送器测得实际压力大小，同时和压力给定组成闭环限制。(6)变频器的运行状态指示（如运行、停止、过流、低压等）。(7)变频器的报警处理。2.2系统主电路设计图2.1系统主电路图由恒压供水主电路图可见，接触器1KM2、2KM2、和3KM2用于变频器输出，分别接到水泵M1、M2和M3，而接触器1KM3、2KM3和3KM3将工频电源接到3台水泵。变频器可以对任何一台水泵启动和恒压供水限制。空气开关（QL）是当电动机过载时自动将电动机从电网中断开热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的爱惜电路，它在电路中用作电动机的过载爱惜。2.3系统工作过程1、减泵过程当用水量削减、水压上升、变频器输出频率低于下限值时，但管网压力仍偏高时，则各泵将依次退出运行，依次退出运行的方式有两种。(1)先开先停方式。PLC接收到下限频率到达信号，延时确定时间后，接触器1KM2失电复位，水泵M1脱离工频电源停止运行。变频器输出频率照旧低于下限值，重复上述过程，水泵M2脱离工频电源停止运行，变频器驱动水泵M3恒压供水，水压稳定在设定值上。这种方式称为循环方式，通常用于各台水泵的容量都相等的供水系统中。其优点是可以自动的使各泵运行的时间比较均衡；缺点是工频运行状态干脆停机时，可能由于停机太快而使管网压力发生较大波动。(2)先开后停方式。首先使正在变频运行的M3减速停机，然后使变频器的输出频率升至50Hz，将M2切换为变频工作，依此类推这种方式通常用于各台水泵的容量不相等的供水系统中，其优点是水泵的停机比较缓慢，管网压力比较稳定；缺点是不能自动地循环变换。2、加泵过程首先由M1在变频限制的状况下工作。当用水量增大、水压下降，变频器输出频率上升到50Hz时水压照旧不足，经过短暂的延时，将M1切换为工频工作，同时变频器的输出频率快速降低为0，然后使M2投入变频运行。当M2也达到额定频率而水压仍不足时，重复起先运行时的过程，水泵M2脱离变频器驱动，由工频供电全速运行，变频器驱动水泵M3变频运行，使水压恒定在设定值上。变频器的选型及介绍3.1变频器简介变频器的基本结构和分类1、变频器的基本结构变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的沟通电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器包括限制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。其中限制电路完成对主电路的限制，整流电路将沟通电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成沟通电。对于如矢量限制变频器这种须要大量运算的变频器来说，有时还须要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。2、变频器的分类变频器的分类方法有多种，依据主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；依据开关方式分类，可以分为PAM限制变频器、PWM限制变频器和高载频PWM限制变频器；依据工作原理分类，可以分为V/f限制变频器、转差频率限制变频器和矢量限制变频器等；依据用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。3.1.2变频器的限制方式在沟通变频器中运用的非智能限制方式有V/f协调限制、转差频率限制、矢量限制、干脆转矩限制等。(1)V/f限制V/f限制是为了得到志向的转矩-速度特性，基于在变更电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都接受这种限制方式。V/f限制变频器结构特殊简洁，但是这种变频器接受开环限制方式，不能达到较高的限制性能，而且，在低频时，必需进行转矩补偿，以变更低频转矩特性。(2)转差频率限制转差频率限制是一种干脆限制转矩的限制方式，它是在V/f限制的基础上，依据知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并依据希望得到的转矩来调整变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种限制方式，在限制系统中须要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行限制，因此，这是一种闭环限制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。(3)矢量限制矢量限制是通过矢量坐标电路限制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行限制，进而达到限制电动机转矩的目的。通过限制各矢量的作用依次和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的限制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以削减开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量限制方式主要有基于转差频率限制的矢量限制方式和无速度传感器的矢量限制方式两种。(4)干脆转矩限制干脆转矩限制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析沟通电动机的数学模型，限制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量限制等困难的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量限制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。(5)最优限制最优限制在实际中的应用依据要求的不同而有所不同，可以依据最优限制的理论对某一个限制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的限制应用中，就成功的接受了时间分段限制和相位平移限制两种策略，以实现确定条件下的电压最优波形。3.2变频器选型变频器的限制方式限制方式是确定变频器运用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌许多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足运用要求就可，以便做到量才运用、经济实惠。下表中参数供选用时参考。表3.1限制方式的比较限制方式U/f=C限制电压空间矢量限制矢量限制干脆转矩限制反馈装置不带PG带PG或PID调整器不要不带PG带PG或编码器速比I<1:401:601:1001:1001:10001:100起动转矩（在3Hz）150%150%150%150%零转速时为150%零转速时为>150%~200%静态速度精度/%±（0.2~0.3）±（0.2~0.3）±0.2±0.2±0.02±0.2适用场合一般风机、泵类等较高精度调速，限制一般工业上的调速或限制全部调速或限制伺服拖动、高精传动、转矩限制负荷起动、起重负载转矩限制系统，恒转矩波动大负载故选择U/f=C限制变频器容量的选择变频器的容量干脆关系到变频调速系统的运行牢靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在许多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。1、从电流的角度：大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难精确表达变频器的实力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载实力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。须要着重指出的是，确定变频器容量前应细致了解设备的工艺状况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于一般笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大许多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。2、从效率的角度：系统效率等于变频器效率和电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度动身，在选用变频器功率时，要留意以下几点：（1）变频器功率值和电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。（2）在变频器的功率分级和电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。（3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、平安地运行。（4）经测试，电动机实际功率的确有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要留意瞬时峰值电流是否会造成过电流爱惜动作。（5）当变频器和电动机功率不相同时，则必需相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。3、从计算功率的角度：对于连续运转的变频器必需同时满足以下3个计算公式：(1)满足负载输出：Pcn≥Pm／η(3.1)(2)满足电动机容量：Pcn≥√3KUeIecosφ×10-3 (3.2)(3)满足电动机电流：Icn≥KIe (3.3)式中Pcn为变频器容量（单位kW），PM--负载要求的电动机轴输出功率（单位kW），Ue为电动机额定电压（单位V），Ie为电动机额定电流（单位A），η为电动机效率（通常约为0．85），cosφ为电动机功率因数（通常约为0．75），k是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常K约为1．05～1．1）。将本系统参数带入求得所取变频器容量最低为88KW故取100KW，额定电流139.26A，故取150A。依据计算所得的所需参数可以选取安川风机、泵用变频器E1000，具体的可以选择CIMR-E02084A型号的变频器，他配接电机的容量是110kw，额定电流为205A满足运用需求，可以选择。变频器主电路外围设备选择1、断路器当变频器须要检修时，或者因某种缘由而长时间不用时，将QF切断，使变频器和电源隔离。当变频器输入侧发生短路等故障时，进行爱惜。选择原则(1)变频器在刚接电源的瞬间，对电容器的充电电流可达额定电流的（2-3）倍；(2)变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流；(3)变频器允许的过载实力为150%，1min。为了避开误动作，断路器的额定电流应选：(3.4)其中为变频器的额定电流。故选择断路器额定电流选择210A依据上述数据可以选择断路器DW15—400断路器额定电压为380V，额定电流为300满足要求可以选择。2、接触器(1)主要作用：可通过按钮开关便利地限制变频器的通电和断电；变频器发生故障时，可自动切断电源。(2)选择原则：由于接触器自身并无爱惜功能，不存在误动作的问题，故选择原则是主触点的额定电流，应当大于126.6A,可以选择主触点额定电流为130A的接触器。依据上述数据施奈德的LC1—D150，满足参数要求，可以选择3、主电路的线径(1)电源和变频器之间的导线一般说来，和同容量一般电动机的电线选择方法相同。考虑到其输入侧的功率因数往往较低，应本着宜大不宜小的原则来确定线径。(2)变频器和电机之间的导线因为频率下降时，电压也要下降，在电流相等的状况下，线路电压降在输出电压中的比例将上升，而电动机得到电压的比例则下降。这有可能导致电动机带不动负载并发热。所以，在确定变频器和电动机之间导线的线径时，最关键的因素便是线路电压降的影响。一般要求：(3.5)的计算公式是：(3.6)式中：——额定相电压，V； ——电动机额定电流，A；——单位长度（每米）导线的电阻，mΩ/m；——导线的长度，m。由上两式可干脆求出的取值范围。依据Ro值确定导线面积。由公式（3.5）得：～11.4）V由公式（3.6）得：0.69mΩ/m1.04mΩ/m依据表3.1推断所需的导线截面积，为了满足限制系统的要求，应当选择截面积为16的导线。表3.2常用电动机引出线的单位长度电阻值。标称截面/mm21.01.52.54.06.010.016.025.035.0/(mΩ/m)17.811.96.924.402.921.731.100.690.494、制动电阻精确计算制动电阻值特殊麻烦，在实际工作中基本不用。许多变频器的运用说明书上给了一些计算方法，也有的干脆供应了供用户选用的制动电阻的规格。但按说明书上选择电阻时须留意下面问题，变频器生产厂家为了削减制动电阻档次，常常对若干种不同容量的电动机供应相同阻值和容量的制动电阻。选用时，应留意依据生产机械的具体状况进行调整。对同一挡中电动机容量较小者，制动转矩和额定转矩的比值偏大。为了减小能量的消耗，应依据制动过程的缓急程度以及飞轮力矩的大小，考虑能否选择阻值较大的制动电阻。对同一挡中电动机容量较大者，制动转矩和额定转矩的比值偏小。在一些飞轮力矩较大，又要求快速制动的场合，或者如起重机械那样，须要释放位能的场合，上述制动电阻有可能满足不了要求，靠考虑选择阻值较小的一挡制动电阻。3.3可编程限制器(PLC)PLC的定义及特点

在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的限制器正式命名为可编程序限制器（ProgrammableController），英文缩写为PC，并作如下定义：“可编程序限制器是一种数字式电子装置。它运用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、依次限制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行限制。PLC的特点如下：1、高牢靠性

(1)全部的I/O接口电路均接受光电隔离，使工业现场的外电路和PLC内部电路之间电气上隔离。

(2)各输入端均接受R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.

(3)各模块均接受屏蔽措施，以防止辐射干扰。

(4)接受性能优良的开关电源。

(5)对接受的器件进行严格的筛选。

(6)良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异样状况，CPU立刻接受有效措施，以防止故障扩大。

(7)大型PLC还可以接受由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使牢靠性更进一步提高。

2、丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：沟通或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块和工业现场的器件或设备，如：按钮行程开关接近开关传感器及变送器电磁线圈限制阀干脆连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

3、接受模块化结构

为了适应各种工业限制须要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均接受模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均接受模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可依据用户的须要自行组合。4、编程简洁易学PLC的编程大多接受类似于继电器限制线路的梯形图形式，对运用者来说，不须要具备计算机的特地学问，因此很简洁被一般工程技术人员所理解和驾驭。5、安装简洁，修理便利PLC不须要特地的机房，可以在各种工业环境下干脆运行。运用时只需将现场的各种设备和PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行状况和查找故障。由于接受模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统快速复原运行。PLC的工作原理PLC接受循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后依次存放，CPU从第一条指令起先执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，始终循环扫描工作。PLC及压力传感器的选择水泵M1、M2、M3可变频运行，也可工频运行，须要6个输出点，依据系统设计要求须要五个输入点，则选择西门子的S7-200系列PLC。压力传感器接受CY-YZ-1001型确定传感器。该传感器接受硅压阻效应原理实现压力测量的力-电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变更，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，输出电压为0～5V，作为本系统的反馈信号供应4PLC编程及变频器参数设置4.1PLC的I/O接线图K1K1K2K3K4K5K6220VACSB1SB2SB3SB4SD1LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5NL1S7-200PLC1MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4ML+图4.1PLC的I/0接线图输出端接中间继电器限制电机的工频和变频工作状态的转换，输入点I0.0限制系统电机的停止工作，I0.1限制系统电机工作及变频器工作的起先。I0.2点用于在一号泵有故障时手动启用三号泵代替一号泵的工作。I0.4为当变频器输出频率达到上限值时手动闭合，使电动机切换为工频工作。4.2PLC程序启动变频器工作PLC接收压力变送器反馈的值，和设定值进行以系列计算之后输出一个值限制变频器的输出频率，同时依据输出AC0的值推断电动机工作的台数和状态。其中压力变送器反馈值为0～5，内部数据为0～32767，对应进行转换之后通过下面的程序进行推断，以限制电动机的运行。推