课题的背景及意义.pdf

1 课题的背景及意义随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人们对供水的质量和安全可靠性的要求不断提高。而用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。把先进的自动化技术、通讯技术、网络技术等应用到供水领域，成为对供水企业新的要求。在大力提倡节约能源的今天，研究高性能、经济型的恒压供水监控系统。所以，对于某些用水区提高劳动生产率、降低能耗、信息共享，采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。1.2 本课题研究的目的及意义变频调速恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，得到了广泛应用，恒压供水调速系统可依据用水量的变化(实际上为供水管网的压力变化)自动调节系统的运行参数，保持水恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统，在短短的几年内、调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替，投资更为节省，运行效率提高，成为主导产品。自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从 90 年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面很有潜力，恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时缺水时，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。1.3 课题研究的内容生产和生活用水需通过水厂送至各供水点然后增压提升送至厂房或办公住宅。水厂的一级泵站及二级泵站以及厂房和办公住宅小区的多泵控制都可分别用PLC 与变频调速器来共同实现供水控制系统的。高层恒压供水是现代城市高层建筑的一项主要配套工程，它具有供水模式变换多、水压稳定、自动保护等特点，可以广泛应用于工业及民用建筑中。PLC 控制的高层恒压供水系统采用了数字PID 控制技术，使 PID 的参数整定和调整实现在线控制，通过对系统压力的检测，根据水压的大小使系统分时对正常工作和消防供水两种分别采用 PID 控制，使系统实现了快速、稳定的输出。将管网的实际压力经反馈后送到比较器的输入端与给定压力进行比较，当管网压力不足时，通过对参数运算，调整 PID 的参数，控制电压上升，使 VVVF 频率相应增大，水泵转速加快，供水量加大，近使管网压力上升。反之，水泵转速减慢，供水量减少，近使管网压力下降。以保持恒压供水的稳定。采用变频恒压供水控制后，首先，在设计、施工中彻底取代了高位水箱、水池、水塔和气压罐供水等传统的供水方式，消除水质的二次污染，而且更具有节省能源、操作方便、自动化程度高等优点；其次，供水调峰能力明显提高，不仅对一天之内的中午和晚上的生活用水高峰，而且对由于天气情况引起的绿化用水高峰和时问不确定的基建用水高峰，都能正确自动调节；再者，大大减少了开泵、切换和停泵次数，由此减少对设备的冲击，延长使用寿命。第 2 章 供水系统的方案的确定2.1 水厂及供水工艺流程图：1.水源：一般为河水、湖泊、地下水等等 2.一级泵站的作用：从水源中抽取水源，水位底时需抽真空。3.反应池：在反应池里加钒等沉淀剂，又称加药。4.滤池：使水澄清，有虹吸滤池，浮阀滤池，斜板滤池等水处理设备及工艺；因有大量沉淀，备有排泥车/排泥泵。5.清水池：澄清后的水还需加氯消毒并中和。因也有少量沉淀，故定期进行反冲洗。6.二级泵站的组成：通过供水泵和集水管将清水送往各需水点。2.2 二级泵站管路组成：从清水池里接若干进水阀，分别经过泵 M1,M2,M3,M4.再由出口电动阀到集水管内，最后再由1#，2#输出管送到用户。如上图所示。这其中4 为清水泵，3 消防泵，1、2 为管网增压泵，构成二级泵站供水电气控制系统。本图分析二级泵站系统的基本特性。众所周知，水泵的负载转矩与其转速的平方成正比，输入功率与转速的三次方成正比。作为平方类转矩负载，最佳的驱动则是由驱动器输出符合此类转矩特性的驱动源。艾默生TD2100 型变频器，针对水泵类负载而设计，具有较强的控制功能，作为供水专用型变频器。2.2.1 供水方式的发展变频调速供水方式减少了高位水箱储水环节，避免了水质的二次污染。泵组及控制系统集中设在泵房，占地面积小，安装快，投资省。采用闭环式供水方式，根据观望压力信号调节水泵转速，实现变量供水。水质稳定，全自动运行，可无人值守，可靠性高。变频调速供水方式中，水泵的转速随着管网流量的变化而变化，与恒速泵运行方式相比，明显节省电能，因为轴功率与转速的三次方成正比另外，变频调速水泵的启动为软启动，减少了对水泵及电网的冲击，且多台泵组采用先投入，先推出的运行方式，确保每台泵的运行时间相同，能够有效延长泵 组的使用寿命。变频调速闭环供水方式确保管网压力恒定。减少了水能的消耗。能源紧缺是制约我国经济发展的重要因素，节能节水是我国经济持续发展的基本国策。但我国长期以来在城市供水、楼宇供水、工业生产供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，效率低下。究其原因，主要是由于受供水设备和供水方式的限制。传统的供水系统可分为重力供水和压力供水。重力供水方式有水箱和水塔供水，压力供水方式有气压供水。(1)对于气压式供水方式，压力给水系统在地下室或某些空余之处设置水泵机组和气罐等设备，采用压力给水来满足建筑物的供水要求。气压供水系统是以气压罐利用密闭压力将罐内贮水送到管网去，其优点是灵活性大，建设快，污染少，有利于抗震，可消除管道中的噪声。缺点是需用金属制造，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需使用张力膜或设置空气压缩机充气，维护费用高。(2)对于水箱供水方式，需要将水箱置于屋顶的最高处，在大型建筑中即使如此，还常常不能满足供水要求，同时由于其存水量较大，增加了结构的承重和占用了楼层的建筑面积，有碍美观。此外，屋顶水箱必须高出屋面几米，建筑立面较难处理，投资大，周期长。(3)对于水塔供水供水方式，水塔供水在无人值守时，总要开启一个泵运行，而且多个泵不能自动循环使用，不能均衡泵的使用寿命。此外，水塔供水易造成二次污染，需要定期清理、消毒，周期性维投入多。水塔供水需要专门的泵房，要有人值班。2.2.2 水泵调速运行的节能原理在供水系统中，通常以流量为控制对象，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度的大小来调节流量，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，因此，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开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。图2.1 为管网及水泵的特性曲线。图 2.1 管网及水泵的运行特性曲线当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E 点，流量为Qr，扬程为，当供水量从减小到 Q，时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从 移到，扬程特性曲线不变。而扬程则从 上升到，运行工况点从 E 点移到 F 点，此时水泵输出功率用图形表示为(0,，F，)围成矩形部分，其值为:PF=(2-1)当用调速控制时，若采用恒压(Ho)、变速泵()供水，管阻特性曲线为,扬程特性变为曲线，工作点从 E 点移到 D 点。此时水泵输出功率用图形表示为(O,，D，Ho)围成的矩形面积，其值为:PD=可见,改用调速控制，节能量为(Ho,D，F，)围成的矩形面积，其值为:P=PF-PD=-=所以，当用阀门控制流量时,有 功率被浪费掉。并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是 H,增大，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量 Q、扬程 H，功率 P 与转速 N 之间关系为:；（2-2）式中，、H,、P,为变速前的流量、扬程、功率，、,为变速后的流量、扬程、功率。由公式(2-2)可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。2.2.3 供水系统变频调速的基本原理变频供水系统是通过变频器控制泵组中异步电机的转速，由于电机和水泵常做成一体，通过异步电动机驱动水泵供水来改变水泵的实时供水量，完成恒压供水的目标。因此，供水系统变频调速的实质是异步电动机的变频调速。三相异步电动机的调速是指在电动机负载不变的条件下，通过控制改变电机转速，达到用户要求。这种调速方式，可以大大简化系统中的变速机构，提供系统的性能价格比。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。图 4 PID 流程图PLCPLC 控制的变频恒压供水系统控制的变频恒压供水系统作者：成都市自来水总公司六厂 刘敏 雍晓蕾1.概述变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。特别是在供水行业中，由于生产安全和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格要求，变频调速技术也得到了更加深入的应用。成都市自来水公司六厂日产水量60 万吨，担负着成都市区及周边地区70%以上的供水任务。自 1996 年年底六厂的三期工程投产后开始向郫县供水，使得我厂的供水方式从单一的重力流供水变为重力流和压力流结合供水的方式。自向郫县供水以来，由于考虑到现阶段郫县的用水量较少，从节约能耗的角度出发，我厂使用一台泵同时向郫县供水和提供我厂的自用高压水。为了满足六厂自用水压力，保证厂内各个工艺环节设备（如消毒环节中的水射器）能正常工作，我厂自用水压力须较恒定的控制在0.3 Mpa 以上，采用变频调速控制是保证压力恒定较为有效的方法。根据我们对郫县城区供水量的了解，发现郫县全天各时段用水量变化较大（见后图5），如果不对供水量进行调节，管网压力的波动也会很大，容易出现管网失压或爆管事故。采用变频恒压供水控制后，当郫县用水量较小时，这时相应管道和泵出口压力均较大，变频恒压控制方式将会降低泵的频率，减小泵出水量，从而降低管网压力；反之亦然。这样，小时用水量变化较大也不会造成管网压力有较大的波动。经过长期运行实践，证明了变频调速手段实现恒压供水不仅保证厂内自用高压水压力足够且稳定，而且保证了郫县供水的安全可靠性。2.控制系统构成整个恒压供水系统有两组变频泵，每组均由一台变频器和一台水泵组成；系统以 PLC 为控制核心，由 PLC 采集压力信号和输出控制变频泵的运行。控制系统构成如图1 所示。图 1 控制系统构成图PLC 处理器选用的是 Allen-Bradley 公司的 PLC-5 型处理器，变频泵选用的是 ABB 公司的SAMI STAR 系列的 315F 660/690型的变频器和水泵。系统由两只量程为01.0Mpa 的压力变送器分别检测两台水泵后的输水管道的压力，压力变送器将检测到的压力信号转换为420mA 的电流信号，送到 PLC 子站的模拟量输入模板（1771-IFE），通过 PLC 的 PID运算，由模拟量输出模板（1771-OFE）输出 420mA 的电流控制变频泵的运行。3.控制原理及功能实现3.1 PLC 控制系统简介我厂采用Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器通过DH+通讯方式构建了全厂PLC工业控制网络，通过 DH+网络上的 RSView 工作站实现人机对话。RSView 工作站是指运行人机图形界面软件（RSView32）的计算机工作平台，该工作站建在中心控制室，是实现生产现场无人值守和运行集中管理的调度中心。利用RSView32 可以有效地对控制过程进行监视和控制，可以实现图形化的人机对话界面，模拟生产运行的流程，在模拟流程上更加直观地实现生产流程的全自动运行监视、远程人工直接干预操作（如PID 指令运行参数远程设定）、控制环节报警监视等功能。控制界面如图2。图 2 变频恒压供水系统控制图形界面（RSView 工作站）3.2 恒压供水的控制原理SAMI STAR 变频器具有 REMOTE 和 LOCAL 两种操作方式。LOCAL 操作方式下，通过LOCAL START/STOP 开关启停变频器，通过f REF LOCAL INPUT0 输入端口的电位开关人工调节变频器工作频率；通过LOCAL/REMOTE输入点可以将变频器切换到REMOTE操作方式下，在 REMOTE 方式下，通过 REMOTE START/STOP输入点进行 PLC 远程启停变频器，通过f REF REMOTE INPUT0端口输入频率控制信号（百分比）控制变频器工作频率。根据供水量情况，我们把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范围控制在 050Hz，在此范围内水泵运行频率和定子相压成正比（及与变频器输入频率成正比），这使得变频器输入、水泵运行频率和泵的输出压力成较好的线形关系，可得到较好的控制效果。SAMI STAR 变频器对用户开放的 I/0 接口位于 TERMINAL BLOCK CARD上，主要使用的有：X11-1（REMOTE START/STOP）；X11-4（LOCAL/REMOTE）；X11-13/14（f REF REMOTE INPUT0、420mA 信号输入）；X11-15/16（输出 420mA变频器运行频率信号）；X11-17/18（输出 420mA 变频泵运行电流信号）。变频器由 PLC远程控制时，启动是由PLC 向 X11-4 输出信号，使变频器切换到外部设备控制方式（REMOTE 方式），再向 X11-1 输出信号，启动变频器。在恒压调节时，PLC 处理器把检测到的压力信号作为反馈值，与 PID 运算的压力设定值（由调度人员根据情况在REView上设定）进行比较，再经过PID运算得到调节后的修正值，通过模拟量输出模板（1771-OFE）输出到 X11-13/14，作为 REMOTE 方式下变频器的频率控制信号，由于该信号是相对变频器工作频率上限的百分比，所以变频器将输入信号进行内部运算后转为真实工作频率。为了使三期变频恒压供水自动控制系统与全厂自动控制网络有机地结合起来，全面实现对恒压供水系统的运行情况和设备运行进行监视和远程控制，更加安全可靠地实现恒压供水，我们使用 PLC 进行 PID 运算和监控。PID 闭环反馈控制原理如图3：图 3 闭环控制原理图PLC 的 PID 运算调节通过该型处理器专用PID 指令完成，通过设置各参数即可由PLC 完成 PID 运算调节。PID 程序段流程如图 4。PID 指令必须以相同的时间间隔周期性地执行，可采用计时器，定时中断或实时采样的等方法，此处选用了定时方法；PV 是 PID 指令采样的压力控制反馈值，SP 是 PID 指令的压力控制设定值，KP 为 PID 的比例增益，KI 为PID 的积分增益，KD 为 PID 的微分增益，这五个控制参数作为主要的PID 参数参与控制，确定 PID 参数时要兼顾系统灵敏性和稳定性，由于我们恒压控制要求和设备的性能条件，参数设定更强调稳定性（及KI），由于微分环节有放大噪声的特点，我们将KD 尽量设置得较小；SWM 为 PID 指令转为手动直接调频的开关，SO 设定为 PID 指令的在手动控制输出方式时的输出值，当变频器从PID 自控调节转为手动直接调频时，SO 替代 PID 运算结果作为转换时的输出值，将SO 设定为控制值就可实现无缝转换，减小变频器运行频率的震荡。DB 为 PID 指令的死区设定值，输出超出死区时PID 指令通过自动运算限制输出超出限定范围。图 4 PID 流程图3.3 相关控制功能实现为了防止运行时由于压力变送器不可预见的故障造成PLC 的 PID 运算调节失实，从而造成管网压力失恒引发失压或爆管的严重事故。我们分别在1#和 2#变频泵后输水管上安装压力变送器，可以同时测到出厂输水管线上的压力；在 PLC 程序上对压力信号进行了相应的处理，在程序中设置选择软开关，调度人员可以在RSView 上将其中一台压力变送器的值设定为“控制反馈值”，另一台压力变送器的值则设为“参考反馈值”（见图 2：变频恒压供水系统控制图形界面（RSView 工作站）；对 1#压力和 2#压力值进行比较，相差0.1Mpa时，判断为，其中一只压力变送器出现故障，变频器控制转换为远程直接手动调频控制（通过 RSView 设置运行）。压力变送器正常工作时，“控制反馈值”经过平均滤波处理后，分别比较压力报警上限和下限值，如果超出控制范围，变频器控制转换为远程直接手动调频控制，否则“控制反馈值”作为 PID 调节的参数 PV。同时为了在就地手动控制实现在控制现场对变频泵进行开停控制和运行数据监视。我们在变频泵工作现场安装了A-B 公司的 PanelView 图形工作终端，该工作终端提供图形交互界面和触摸输入方式，以从站的方式与PLC 进行通信，进行数据和控制命令的交换，提供就地监控操作的通道。4.运行效果分析4.1 有效保证郫县供水和我厂自用水压力稳定，提高我厂供水安全可靠性图 5 为数据库采集的 2001 年某日我厂恒压变频泵出水压力、频率变化以及郫县供水和自用水流量、管网压力数据关系图。图 5 变频恒压控制频率、压力、供水量关系图从图中数据可看出郫县小时供水量变化很大，如果采用定速泵进行供水必然会导致高峰供水时段内管网供水压力不足，夜间用水量较小时管网压力过高，造成爆管现象。采用变频恒压控制后，变频器的频率随郫县用水量的变化而变化，及时调节我厂对郫县供水量，从而使郫县城区管网压力在一个较小的范围内变化（0.23-0.27Mpa）。另一方面，虽然我厂自用水秒流量变化不大，但由于我厂自用水和郫县供水为同一水泵加压后，分作两条支流，郫县用水量的变化必然也会导致自用水压力不稳定，采用恒压变频控制方式，基本克服了这种变化因素。从上图曲线也可看出，我厂自用水压力基本恒定不变。这样保证了我厂加氯水射器等重要设备的正常工作，保证了正常的消毒工艺流程，从而保证我厂出厂水水质，提高我厂供水的安全可靠性。4.2 高效节能通过采用变频调速恒压控制，可在不同季节、全天不同时段内有效即时地调控水量，这样在用水量较低时，大大节约供水量，减少电耗。在设定压力内跟随用水量供水，避免了传统供水方式的损耗，降低吨水消耗。4.3 提高自动化水平根据我厂建立自动控制系统的原则“分散控制、集中管理、现场无人值守”，变频恒压供水技术的应用提高了我厂自控系统的整体水平，真正作到了操作简便安全，现场无人职守，运行安全可靠。参考文献1 陈伯时、电力拖动自动控制系统、第 2 版、北京；机械工业出版社、1992.5、197-261。2 李友善、自动控制原理上册、修订版、北京；国防工业出版社、1994.7、239-244。3 ABB Industry Oy、SAMI STAR Frequency Converter User s Manual、inSweden;1995.6。4 贺玲芳、基于 PLC 控制的全自动变频恒压供水系统、西安科技学院学报、2000.9、第20 卷、第 3 期。5 ALLEN-BRADLEY、Analog Input Module User s Manual、in USA、1989.2、1771-6.5.47。6 ALLEN-BRADLEY、Analog Output Module User s Manual、in USA、1987.10、1771-6.5.30。7 ALLEN-BRADLEY、PLC-编程软件指令集、in USA、1991-11、6200-6.4.6(end)