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1、变频器综合设计变频器控制恒压供水系统 专业班级： 15电气普招 设计人： 王于风 学号： 7 指导教师： 雷钢 设计时间： 2017年10月20日 摘要恒压供水在城市自来水管网系统、住宅小区生活消防用水系统、楼宇中央空调冷却循环水系统等众多领域中均有应用。恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小总能保持管网中水压的基本恒定。在恒压供水系统中可根据压力给定的理想值信号及管网水压的反馈信号进行比较，变频器根据比较结果调节水泵的转速，达到控制管网水压的目的。本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，开发出一种新型的并在这三个方面都有所提高的变频式恒压供水
2、自动控制系统。全文共分为四章。第一章阐明了供水系统的应用背景、选题意义及主要研究内容。第二章阐明了供水系统的变频调速节能原理。第三章详细介绍了系统硬件的工作原理以及硬件的选择。第四章详细阐述了系统软件开发并对程序进行解释。关键词： 恒压供水，PLC，变频技术目 录1 变频控制系统简介1.1变频调速供水控制系统简介变频调速供水控制系统是集现代变频调速技术、PLC技术、监控技术和计算机技术为一体的新一代给水控制系统。该系统完全可以取代传统的水塔、高位水箱和气压罐等给水方式。与传统的给水方式相比，该系统不但满足了现代工矿企业、城镇居民和高层建筑对新型给水系统的要求。系统采用内置变频调速器、先进的可编
3、程控制器等现代控制技术，对水泵机组进行闭环控制，确保压力波动小、达到设定压力时间短、且可随用水量的变化自动调节水泵转速及工作水泵台数，确保恒压变量供水。系统采用现代计算机数字控制技术和模块化、标准化的设计，满足多种本地和远程联网协议，系统的可扩展性强。 系统具有手动、自动操作方式，系统压力、电机电流、电机频率和电机累计运行千瓦时LED显示，变频器、电机工况与故障指示及防误操作等功能。系统具有输入电源缺相、不平恒、过压、过流、过载、短路、电机过热、飞速启动、断水及低水位停机等完善的安全保护功能，有效的提高了给水成套设备的安全可靠性。该系统还配有完善的故障自诊断、故障检修手动工作方式等功能，使维修
4、工作十分轻松快捷。由于控制回路与负载回路之间是通过中间继电器实现电隔离和信号耦合的，因此系统的抗干扰能力强。系统自动检测瞬时水压，并据此调节水泵的供水量，机组特性曲线接近管网损失特性曲线，节能效果显著。由于变频器对电机实行的是循环软启动控制，启动平稳无冲击，提高了电机、水泵和管道等的寿命，减少了管网的泄露。此外由于系统无需高位水箱等设备，不但节省了投资，而且无水质二次污染问题。 本系统还可以将生产、生活、消防等系统合为一体，投资省、占地少、经济效益明显。1.2变频调速在供水行业中的应用作为高性能的调速传动，直流电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦
5、，价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到厂泛的应用。70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管交流
6、变成直流，再逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电40%-60%,节水15%-30%。由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平分，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交
7、流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。 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。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
8、水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。 新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 在短短的几年内，变频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
9、恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。2 供水系统的变频调速节能原理2.1 水泵调速运行的节能原理全自动变频调速供水控制系统采用专用供水控制器控制变频调速器，通过安装在管网上的远传压力表，把水压转换成电信号，通过接口输入控制器内置的PID控制器上，用以改变水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速器的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大。当达到设定压力时，水泵恒速运转，使管网压力稳定在设定值上。反之当用户用水量
10、少，管网压力高于设定压力时，变频调速器的输出频率将降低，水泵转速下降，供水量减少，使管网压力稳定在设定压力，这样反复循环就达到了恒压变量供水的目的。 图2.1 供水系统原理图供水系统的工作原理如图2.1所示。由自来水管网或其它水源提供的水进入蓄水池经加压水泵进入用户管网管路。通过压力传感器按提供网的压力信号，传送给控制系统的PID，经PID运算后输出信号控制变频器的输出频率，从而控制水泵的转速进而保持供水管道的压力基本恒定。用户用水量大时，管网管路压力下降变频器频率就升高，水泵转速加快，反之频率下降，水泵减速运行，从而维持恒压供水。当用水量大于一台水泵的最 大供水量时，通过PLC自动切换电路工
11、作再投入一台水泵，根据最多用水量的大小可投入数台水泵。在供水系统中，控制对象是水泵，控制目标是保持管网水压恒定，控制方法是压力信号的反馈闭环控制。它的自动控制原理图见图2.2 。1号泵2号泵3号泵4号泵水泵切换电路变频器PID压力传感器 PLC图2.2 变频式恒压供水自动控制原理图2.2 本系统总体介绍 本系统针对的用户是自来水公司供水系统和水厂、泵站等各种泵类电机的调速和控制，控制对象应尽量做到通用型，系统功能设计和设备选择主要立足于通用性、可靠性和经济性和节能效果，而对于特殊情况下的供水系统不在本系统控制范围之列(事实上特殊供水系统也只是在通用系统功能实现的基础上充分考虑到特殊性，最根本的
12、还是在于一般系统的研制)。在本论文中，我们以四台水泵为控制对象，建立一个模型，研制一种新型的控制系统使得水泵转速跟随用水量的变化而变化，实现变频、恒压、无级调速的供水系统，从而达到节能、节水、充分利用设备、高可靠性、高自动化程度的目的。如图2.3所示，供水系统由四台泵(二用二备)组成，由一台可编程控制器和一台变频器切换控制任一台电机调速。水泵可变供电回路由工频回路和变频器提供的变频回路组成，通过PLC和变频器将各台水泵按照一定的规律顺序投入运行和顺序停止运行，使整个的供水回路处于最佳的配置状态。变频器则具体的微调当前水泵的转速，使转速变化跟随管网压力变化(实际上是跟随用户用水量的变化)。3 系
13、统硬件的工作原理及硬件选择3.1 PLC的工作原理及选择3.1.1 PLC的简介PLC是以微机控制技术为基础，通过编程，可以执行诸如逻辑判断，顺序控以时，计数，运算等功能，并通过数字或模拟I/O组件控制机械设备。与传统的继电器控制盘相比，PLC控制系统体积小，可靠性高;更易使用和维护，且能在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功能，又具有向中央数据采集系统传递信息的能力;通过接插件，所有输入端点能直接和工业现场的开关，接点直接相连，所有输出端点能直接驱动继电器、电磁阀、电机启动器的线圈等。它的发展大致经历了三个发展时期。1.形成期(1970-1974年)早期的PLC采用小规模的IC构成专用的逻辑
14、处理芯片(CPU)，采用机器语言或汇编语言编程，仅有逻辑控制指令，控制点少，功能简单，并没有获得广泛重视。2.成熟期(1974-1978年)随着单电源的8位处理器的出现，在小型化、高可靠性多功能及价格等方面，PLC的研制和应用水平有了飞速发展和提高。PLC开始具有了多个CPU，设置了定时器、计算器并具有了算术运算功能。图3.1 PLC结构示意图3.加速发展期(1978年以来)从70年代末到80年代，PLC的应用和制造呈现了蓬勃发展的趋势。一方面研制出了高性能不同规模的PLC控制系统，开发了多种智能I/O模块，充分吸收了计算机和通讯技术，实现了分布式分级控制的PLC网络系统。另一方面也逐一生产一
15、般机械加工逻辑控制而价格较为便宜的微小型PLC，对PLC普及应用起了重要推动作用。PLC的典型硬件系统构成见图3.1。3.1.2 PLC的选择可编程控制器（programmable logical controller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。所以，对PLC的正确选择是非常重要的。1.工作量这一点尤为重要。在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%-30%的PLC。（本设计中开关量16个，控制量6个，1个模拟量输出，3个模拟量输入）2.工作环境工作环境是PLC工作的硬性指标。自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。一定要选择适应实际工作环境的产品。（该设计环境正常，故不用特殊型号）3.通信网络现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题。（故尽量选取比较常用的品牌）4.编程程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。编
