PLC在变频恒压供水系统中的应用.docx

随着我国社会经济的发展，城市供水系统的建设提出了更高的要求。本文首先阐明了供水系统的变频调速节能原理；其次，分别确定变频器的参数，设计变频主电路、变频电机的运行模式、控制模式及流程；最后，从分析该恒压变频供水的可行性，改造的理论、技术、经济可行性等方面进行多次实验分析。然后归纳和分析了安装运行中的问题和注意事项，提出不同的控制方案。 关键字：恒压；供水系统 ；变频调速；变频器 AbstractAs Chinas social and economic development, the construction of urban water supply system put forward higher request. This paper firstly expounds the water supply system frequency control energy-saving principle; Secondly, respectively determine frequency converter parameters, the design variable frequency main circuit, frequency conversion motor operating mode, control pattern and procedure; Finally, from the analysis of the constant pressure water supply, the feasibility of variable frequency renovation of the theory, technology, economic feasibility aspects of repeated experiments analysis. Then the summary and analysis the installation of operational problems and precautions, put a different control scheme.Keywords: Constant pressure;Water supply system;Frequency conversion; Inverter 目 录 摘要.I AbstractII第一章绪论.1 第一节 引言1 第二节 变频恒压供水产生的背景和意义2第三节 变频恒压供水的现况.31.3.1 国内外变频供水系统现状.31.3.2 变频供水系统应用范围 3 1.3.3 变频供水系统的发展趋势.4第二章 变频恒压供水的理论分析.5 第一节 泵的工作原理泵的工作原理.5 第二节 恒压供水系统中变频器调速原理.6 第三节 水泵的调速方式.6 恒速调节 .7 变速调节 .7 第四节 水泵调速运行的节能原理9 第三章变频恒压供水系统的构成及控制原理.10 第一节 变频恒压供水系统的构成方案.10 第二节 变频恒压供水系统的结构.11 3.2.1 执行结构 .11 3.2.2 信号检测 .11 3.2.3 控制系统 .12 3.2.4 人机界面 .12 3.2.5 通信接口 .13 3.2.6 报警装置 .13 第三节 系统控制方案.13 第四章变频恒压供水的设计16 第一节 硬件设计.16 4.1.1 PLC概述及选型.16 4.1.2 变频器的选型.17 4.1.3 水泵的选型.18 4.1.4 压力传感器的选型.18 第二节 PLC及变频器的控制电路.19 4.2.1 变频恒压概述系统主电路.19 4.2.2 硬件接线图.19 4.2.3 主要元器件明细表.21 4.2.4 I/O分配表.21 第三节 系统软件设计.22 4.3.1 PLC梯形图.22 第四节 控制系统程序设计.22 4.4.1 启动程序.22 .22 .23 .23 参考文献24 附图1.25附图2.26后 记31第一章 绪论第一节 引言水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城乡供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。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。对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题(如图 1-1)。因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水解水企业关心的焦点问题之一。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，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。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。变频恒水压供水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以研究设计基于变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水，如图1-2)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。图1-1 传统机泵供水示意图 图1-2 变频供水机泵示意图第二节 变频恒压供水产生的背景和意义 我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象;而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。第三节 变频恒压供水的现况1.3.1国内外变频供水系统现状 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，因而投资成本高。国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:(加压泵站)变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在 135kw以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机功率在135kw-320kw之间，电网电压通常为200或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。在本文中，研究和设计的变频器是以第二种应用范围为基础。目前国内，除了高压变频供水系统，多数恒压供水变频系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。以中小水厂供水环境来说，由于其包括了自来水生产系统，其温湿度及腐蚀程度都大于常见小区和加压泵站，在水泵组搭配上、需要处理的信号(如水质信号停机管理)也多于小区供水系统，所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。 1.3.3变频供水系统的发展趋势 变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。 第二章 变频恒压供水的理论分析第一节 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21所示:叶轮安装在泵壳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蜗形泵壳。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21 离心泵结构示意图 第二节 恒压供水系统中变频器调速原理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。通常由鼠笼式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,通过变频器调节异步电机的转速,从而改变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改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。 异步电机的转差率定义为: S=1-(n/n1) （2.1） 异步电机的同步速度为: n1=60f/p （2.2） 异步电机的转速为: n=60f（1-s)/p （2.3） 其中: n1为异步电机的同步转速； n为异步电机转子转速； f是异步电机的定子电源频率 p为异步电机的极对数。 从上式可知,当电机电极刘数P不变时,电机转子转速口与定子电源频率厂成正比, 由此连续调书异步电机供电电源的频率,就可以连续平滑地调节电机的同步转速,从而 调节其转子的转速变频调速时,从高速到低速都可以保持有限的转差率,因而变频调速具有高效率,高精度,调速范围广,平滑性较高,机械恃性较硬的优点,调速性能可 与直流电动机调速系统楣媲美。因此,变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的 调速方法,它被广泛地应用于对水泵电机的调速。 第三节 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。水泵的工况点是由水泵的性能和管网的特性确定的。所以，水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能或管网特性或二者同时改变来实现的。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。这种调节方式虽然简便易行，但往往造成很大的能量损失。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，研究并改进它们的调节方式，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。目前常见的调节方法有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节、液力绕线式异步电动机的串极调速、变极调速、变频调速等。划分如下:水泵的恒速调节主要有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节三种。节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板，通过改变阀门或挡板的开度，使装置需要扬程曲线发生变化，从而导致水泵工作点位置的变化。节流调节优点是调节简单、可靠、方便，且调节装置的初投资很少，故以前各种离心泵多采用这种调节方式。缺点是能量损失很大，目前正逐渐被其它调节方式所取代。 采用动叶调节的水泵，在泵的轮毅内部安装动叶调节机构，从而使动叶调节得以实现。对于大型的泵，可以采用液压传动调节.动叶调节的优点是:在调节过程中其效率变化很小，能在较大范围保持高效率。缺点是:动叶调节机构复杂，控制自动化程度低;成本高，通常适用大容量水泵，对中小供水厂的水泵通常不适用。3.改变机泵运行台数调节 改变机泵运行台数调节是根据不同的流量要求，采用不同数量和型号的机泵进行并联运行，来满足供水量要求.优点是:它不改变电机和水泵的电气及机械结构，在水泵台数众多、搭配合理的情况下，可以达到较好的调节效果。缺点是:不能实现连续调节、需要大量的机泵进行合理搭配、随着供水量的变化要不断启停电机;电能损失较大。因此，目前此种方法虽大量使用，但正逐步被新的流量调节方式取代从恒速调节的分析可以看出，由于恒速调节要不结构复杂，要被变速调节所取代.。2.3.2水泵的变速调节置调节和变电动机转速调节。1.变速传动装置 定速电动机驱动的水泵可以通过传动装置来实现变速调节。变速传动装置按其工作特性可分为两类。一类是有级变速装置，如齿轮变速等另一类是无级变速装置，主要有液力祸合器、油膜转差离合器、电磁转差离合器等。液力祸合器、油膜转差离合器及电磁转差离合器在传动变速时具有一个共同的特点:传动装置产生的传动损失在其所传递功率中所占的比例与水泵的转速变化的大小成正比，转速变化越大，传动损失所占的比例也越大，因此这类变速调节方式也被称为低效变速调节方式。 由2-1、2-2、2-3得知，交流电动机的同步转速n，与电源频率f、极对数p之间的关系有关。可以看出，要实现交流电动机的调速，可以通过改变磁极对数p和改变电源频率f实现，下面就两种变速调节方式进行比较.异步电动机的变极调速。（1) 变极调速 异步电动机在正常运行时，通常其转差率很小。在电源频率f不变的情况下，改变电动机绕组的极对数，就可改变同步转速n1，从而改变异步电动机的转速n。变极调速的主要优点是:调速效率高，仅是因在设计变极电动机时要兼顾不同转速时的性能指标，与普通的全速电动机相比较，其效率和功率因数要稍低一些:调速控制设备简单，仅用转换开关或接触器;初投资低，特别是中小型变极电动机价钱和定速电动机相差不是很大:维护方便，除轴承外，不需要特别的维修，可靠性较高，在相当恶劣的环境下可使用。变极调速的主要缺点是:有级调速，不能进行连续调速。此外，变极电动机在变速时电力必须瞬间中断，不能进行热态变换，因此在变速时电动机有电流冲击现象发生.高压电动机若需进行频繁地切换变速时，则其切换装置的安全可靠性尚需进一步完善提高。因此，变极调速目前应用较少。（2） 异步电动机的变频调速 由式2-3可知，极对数p一定的异步电动机，在转差率变化不大时，转速基本上与电源频率成正比。因此，只要能设法改变fl.即可改变n。基于这个原理，变频调速就是用晶闸管等变流元件组成的变频器作为变频电源，通过改变电源频率的办法，实现转速调节。在对变速传动装置和变电动机调节方式进行比较时，我们以两者的代表，也是目前运用最广的两种变速方式:液力祸合器调速和变频器调速进行对比，采用变频器进行转速调节，具有较大的优势。 第四节 水泵调速运行的节能原理在供水系统中,通常以流量为控制目的,常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开启度来调节流量,水泵电机转速保持不变，其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量,由此,管阻的特性将随着阀门丌启度的改变而改变,但其扬程特性小变。由于实际用水中,需水量是变化的,若阀门的开启度在一段时间内保持不变,必然要造成超压或欠压现象的出现；转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量,而阀门开启度保持不变,是通过改变水的动能改变流量。因此,扬程特性将随水泵转速的改变而改变,但管阻的特性不变。变频调速供水方式属于转速控制，其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速,使管网压力始终保持恒定,当用水量增大时电机加速,用水量减小时电机减速，从而实现节能。 第三章 变频恒压供水系统的构成及控制原理 第一节 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，有以下几种方案可供选择。1.供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器变频恒压供水控制系统的构成方案件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC 和PID等电控系统的功能。它虽然简化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系、动态性能不易保证。 2.通用变频器+单片机(变频、调节器控制)+人机界面+压力传感器： 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。 3.通用变频器+PLC(变频控制、调节器控制人机界面+压力传感器） 这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换;通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定P比的硬件配置和拍的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。 第二节 变频恒压供水系统的结构 通过变频恒压供水系统我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。如图3-1所示： 图3-1 变频恒压供水系统构成图执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网.通常这些水泵包括: 1.调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。 2.恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充.此外，通常一些变频系统还会增设附属小泵，它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下(例如:夜间)对管网用水量进行少量的补充。在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号: 1.水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测结果可以送给PLC，作为数字量输入。2.液位信号:它反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处的液位传感器。3.报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器、变频器和电控设备三个部分:1.供水控制器:供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构进行控制。2.变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有如下两种工作方式:（1）变频循环式 变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。（2）变频固定式 变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中等工作。3.2.4人机界面 人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监视，对报警进行显示。 通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换;同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。 作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。第三节 系统控制方案PLC 变频恒压供水控制系统是以 PLC 为控制核心，由 PLC 控制器、变频调速器、压力传感器、等其他电控设备以及 4 台水泵组成，如图 3-2 所示： 图 3-2 变频调速恒压供水控制系统的原理图 其工作过程：设定一个水压值后，根据变频恒压供水原理，利用安装在供水管网上的压力传感器，连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将水压信号转换为电信号（模拟量）通过 PLC 中的 I/O 模块儿转换为数字量送入 PLC，PLC 根据实际水压值与设定水压值进行比较和经 PID 运算，并将运算结果转换为电信号，输出送到变频器的信号给定端，变频器根据给定信号，调节水泵的电源频率，从而调整水泵的转速，以维持供水管网中水压值在设定的水压范围内，当变频器频率到达最大最小时，由 PLC 控制加泵或减泵实现恒压供水，从而达到恒压供水的目的。这样也就形成了