校园恒压供水系统的设计Word文件下载.docx
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[1]这样,既保证供水系统有备用泵,又保证系统泵有相同的运行时间,有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象,提高了设备的综合利用率,降低了维护费用。
水池-水泵-高位水箱-用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱,再由高位水箱向下供水至各用户。
但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染,影响居民的身体健康。
所以这种方案并不可取,终将淘汰。
单元水箱-单元增压泵-单元高位水箱-各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标,[2]但是它的投资较大,总费用比上两种方式增加一、二十万元。
这些费用要在用户的水电费上来扣除,这对于居民和学校来说是巨大的压力,所以也不可取。
结合校园用水的特点和经济效益的考虑,决定采用恒压变频供水系统。
但上述的恒压供水系统有一个很大的弊病,就是在一个变频泵已经工作但压力仍然达不到设定压力,需要启动另外一个泵时把主线路从变频器切换到工频线路上,从理论上讲是不错的,变频器输出电压是380V,工频线路输出的也是380V。
但是实际应用中工频线路的电压是不定的。
[3]一般在水厂的配电室里对外输出有两到三个档,一个是春秋季节时用的380V的供电电压,另一个是夏天时用的420V或420V以上(因为用空调冰箱较多),设所需水压0.2mpa,单泵只能达到0.195mpa,则需要加泵,当线路由变频切换到工频时,电压突然增大,多出来的电压会使水泵向上抽更多的水,很有可能使水压超过设定值,PLC根据压力传感器的信号令A泵退出运行,但实际水压并未达到0.2mpa稳定后仍然需要加泵,B泵频率上升至50Hz,切换线路并启动C泵,切换时又遇到刚才的状况,导致水泵频繁切换,但水压始终上不去。
1.3本课题的总体方案
1.3.1系统的总体布局图
图1-2系统总体布局图
1.3.2系统的总体方案
系统采用3台水泵并联运行方式,把1泵和变频器连接,实现变频运行。
为保护电机,2泵和3泵用软起动器来启动,起动参数可调,而且采用软起动具有软停车功能,即平滑减速,逐渐停机,它可以克服瞬间断电停机冲击电流大的弊病,减轻对管道的冲击,避免高程供水系统的“水锤效应”,减少设备损坏。
在工作过程中,压力传感器将主管网水压变换为电流信号,经模拟量输入模块,输入PLC,PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算,
输出控制信号经模拟量输出模块至变频器,调节水泵电机的频率。
当用水量较小时,一台泵在变频器的控制下恒压运行,当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力达到设定值时,压力传感器上传的信号被PLC检测到,PLC自动将变频泵的频率降至出水频率,同时将第二台泵软启动投入到工频运行,以保持压力的稳定,此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现;
一段时间后,若2台泵运转仍不能满足压力的要求,则依次将软启动下一台水泵。
当用水量减少时,首先表现为变频器已工作在最低速信号有效,这时实际压力值大于设定压力,PLC将最后启动的工频泵停掉,以减少供水量。
一段缓冲时间后,当变频器仍工作在出水频率以下时,PLC再软停车停掉第2台工频运行的电机,此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现。
为了防止备用泵锈死,用PLC定时,B、C泵循环备用。
循环时间可默认定在每周三凌晨2点,因为这时用水量较少,备用泵循环可顺利进行。
主要参数的设定可用文本显示器来设定。
[省去了改写程序的麻烦。
1.3.3本系统的特点
提高备用泵的利用率,是本系统的第一个目的,也是第一个特点。
节能,是设计这套系统的另一个重要目的。
第一,普通二级加压水厂只单纯手动控制电机的启动和切换,这样在电机启动时会产生很大的启动电流,长此以往对电机寿命有很大损害,而且在供水时一直按工频全速运转效率低、能耗大。
而本系统可根据实际压力变化自动调整变频器频率,从而改变电机转速,减少了能量的消耗。
第二,普通恒压供水在用水量变化较大时有高效、节能的作用,但在用水量很小的情况下,如晚上,变频器工作在出水频率附近,耗电量增大。
因此,必须解决好微小流量时能耗大效率低的问题。
当流量较小时,恒压供水模式将转换成压差供水模式。
压差供水模式的工作过程如下,当流量条件满足压差方式时,系统自动切换。
变频泵以50Hz的频率开启,向微泄露补偿器压水,当压力达到压差上限时,水泵停止供水并停机。
这时管道的压力由微泄露补偿器来提供。
当压力传感器检测到压力低于压差下限时,变频泵再次以工频把补偿器压满。
在压力达到压差上限时,定时器同时计时,在变频器若干次的启停后(系统默认为4次),PLC自动比较压力由压差上限到压差下限的的时间是否低于系统设定的频率上升时间,若都低于说明需水量已增大,系统就自动切换到恒压供水状态。
微泄露补偿器是比传统的压力罐、气压罐更先进、更环保的恒压装置。
只使用普通气囊储气,而微泄露补偿器使用高质量橡胶囊储气,杜绝了二次污染。
本系统是由变频技术、压差—恒压自动转换技术及微泄露补偿技术组成。
采用这种技术供水时,变频设备能自动的根据供水流量转换供水方式,并利用微泄漏补偿器储能,来实现微小流量下高效率供水的目标。
第二章恒压供水系统的原理
2.1变频器
2.1.1变频器的基本原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
本设计使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器。
。
从理论上可知电机的转速N与供电频率f有以下关系:
(q-电机极数s-转差率)(2-1)
由上式可知,转速n与频率f成正比,如果不改变电动机的级数,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0~50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。
变频器在工频以下和工频以上工作时的情况:
(1)变频器小于50Hz时,由于I*R很小,所以U/F=E/F不变时,磁通为常数,转矩和电流成正比,这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力,并成为恒转矩调速。
(2)变频器50Hz以上时,通常的电机是按50Hz电压设计制造的,其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。
因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。
(T=Te,P<
=Pe)变频器输出频率大于50Hz频率时,电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。
当电机以大于50Hz频率速度运行时,电机负载的大小必须要给予考虑,以防止电机输出转矩的不足。
举例,电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。
因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速。
下面用公式来定性的分析一下频率在50Hz时的情况。
众所周知,对一个特定的电机来说,其额定电压和额定电流是不变的。
如变频器和电机额定值都是:
15kW/380V/30A,电机可以工作在50Hz以上。
当转速为50Hz时,变频器的输出电压为380V,电流为30A。
这时如果增大输出频率到60Hz,变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A。
很显然输出功率不变。
所以我们称之为恒功率调速。
这时的转矩情况怎样呢?
由于功率是角速度与转矩的乘积。
因为功率不变,角速度增加了,所以转矩会相应减小。
我们还可以再换一个角度:
从电机的定子电压
(I-电流,R-电子电阻,E-感应电势)(2-2)
可以看出,U、I不变时,E也不变。
而
(k-常数,f-频率,X-磁通)(2-3)
所以当f由50-->
60Hz时,X会相应减小。
对于电机来说,
(K-常数,I-电流,X-磁通)(2-4)
因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。
2.1.2变频器结构电路图
主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。
变频器结构图如图2-1所示。
图2-1变频器结构图
2.1.3变频器的配线
1、主回路端子台的配线图如图2-2所示。
图2-2变频器配线图
2、控制回路端子
(1)控制回路端子图
变频器实际应用中接线端子排列如图2-3所示。
图2-3变频器端子图
(2)控制回路端子功能说明
变频器中所用的各个端子说明如表2-1所示。
JP1跳线说明:
电源:
1-2短接,[8]V+输出5V/50mA。
2-3短接,V+输出10V/10mA。
表2-1变频器端子功能表
种类
端子符号
端子功能
备注
模
拟
输
入
V+
向外提供+5V/50mA电源
或+10V/10mA电源
由控制板上JP1选择
V-
向外提供-10V/10mA电源
VI1
频率设定电压信号输入端1
0~10V
VI2
频率设定电压信号输入端2
-10~10V
II
频率设定电流信号输入正端(电流流入端)
0~20mA
GND
频率设定电压信号的公共端(V+、V-电源地),频率设定电流信号输入负端(电流流出端)
控
制
端
子
X1
多功能输入端子1
多功能输入端子的具体功能由参数L-63~L-69设定,端子与CM端闭合有效
X2
多功能输入端子2
X3
多功能输入端子3
X4
多功能输入端子4
X5
多功能输入端子5
X6
多功能输入端子6
X7
多功能输入端子7,也可作外部脉冲信号的输入端子
FWD
正转控制命令端
与CM端闭合有效,FWD-CM决定面板控制方式时的运转方向。
REV
逆转控制命令端
RST
故障复位输入端
CM
控制端子的公共端
+24
向外提供的+24V/50mA的电源(CM端子为该电源地)
模拟
输出
AM
可编程电压信号输出端,外接电压表头(由参数b-10设定)
最大允许电流1mA
输出电压0~10V
FM
可编程频率信号输出端,外接频率计(由参数b-11设定)
最高输出信号频率50KHz、幅值10V
AM-
AM、FM端子的公共端
内部与GND端相连
OC
OC1
OC2
可编程开路集电极输出,由参数b-15及b-16设定
最大负载电流50mA,最高承受电压24V
故
障
出
TA
TB
TC
变频器正常:
TA-TB闭合
TA-TC断开
变频器故障:
TA-TB断开
TA-TC闭合
触点容量:
AC250V1A
阻性负载
RS485通讯
A
B
RS485通讯端子
3、变频器的基本配线图如图2-4所示。
图2-4变频器基本配线图
第三章供水系统的硬件电路设计
3.1主要器件选型
3.1.1供水泵的选择
在大学学校里,设定每人一天的用水量为30升,我校共有32000多名学生、2600多名教职工,共34000多人,可按30000人来计算。
则一天的最大用水量为
每小时最大时的用水量为
(3-2)
最高的楼为11层,每层高度按3m计算,则楼高为33m,供水高度为33m。
一般由现实需要还要加上一层,即供水高度为36m,再加上经验值15m~20m,则泵的总扬程为51~56m。
选择离心泵ISG80-50-200,适配15KW的电机(Y160M2-2),共3台。
3.1.2.0PLC接线图
图3-5所示的是LG-PLC接线图。
在可编程控制器的左右两边分别是定义的输入点和输出点。
本系统共用到三个泵,所以需要定义三个泵的状态输入和故障输入,又因为所用的泵是离心泵,离心泵启动时必须有真空泵把空气抽净,所以又加上了真空泵的控制端口。
在现实控制中,手动是必须的。
为了能让备用泵顺利转换,定义循环线路的输入和输出端口来保证两个软起泵能按时转换。
在PLC右边,定义了三个供水泵,真空泵和四个电动阀的输出控制端口。
最后的那三个供水泵电磁阀是用在每个泵启动时控制真空泵抽各离心泵中空气用的。
下图右边是完成本次系统任务的必需扩展。
首先,是两个ADHB模数转换模块,用来处理如水位,压力和频率的模数转换。
这三个模拟量不能直接参与PLC的运算,需要转换成数字量后才行。
每个输入输出都有自己的寄存器地址,在编程时还要在调用寄存器的值的时候与相应的系数进行运算才可用于PLC中的PID运算。
文本显示器用于改变PLC程序中的有关参数。
它对于编程和现场控制有很大帮助。
可以随时在需要的情况下改变如三个模拟量系数、水位的上下限和备用泵的转换时间。
图3-5PLC接线图
3.1.3控制线路
下面两图为本系统的控制线路。
电源线为三相线的A、B相线,为了防止过载、短路和欠电压,最开始设置上了断路器。
下面的K按钮是应急按钮。
再下面的手动转换开关是用来选择手动还是自动。
接触器最多只有四个常开触点,拿手动来说,需要两个10型的接触器和两个40型的辅助触头,共16个常开触点,KM8同理。
每个泵阀门都有自动和手动,这是在实际需要的立场上设计的。
当手动时,KM7闭合2SB1为启动按钮,2SB2为停止按钮,当2SB1按下时,KM13自联锁,以下各环节一样;
当自动时,KM8闭合由PLC控制的J继电器来决定各个J开关的开闭。
右边的那一列指示灯是用来指示各开关按钮、泵和阀门是否动作到位。
到位后按钮闭合,指示灯亮。
指示灯这一列的电源接线接在急停按钮下的转换开关处,各电路环节在右边均有注解。
图3-6控制线路1
图3-7为两个电动阀,循环控制线路和三个电磁阀的手动/自动控制线路。
在循环控制线路中由于接触器触点较多,只能用两个接触器并联在一起使用。
循环控制那两栏必须是两个开关同时接通指示灯才能亮。
三个泵的电动阀的开到位限位开关、关到位限位开关也在指示灯上有体现,正常工作时相应的灯亮。
另外,接触器不能串联,线圈通电后,静铁心磁化,吸合动铁心,这时主电路才接通。
如果两个接触器串联,也就是两个线圈串联,通电后,两个线圈可视作同时得电,控制电路里回路是存在的。
但由于静铁心磁化后产生的吸力不可能完全相等,所以两个动铁心吸合必定有快有慢。
铁心先吸合的接触器在铁心吸合后线圈电感增大,其端电压也大,这就可能导致另一个接触器线圈压降过低,铁心一直吸合不上。
这就相当于单独的一个110V接触器接在220V电路中了,当然导致控制电路回路中电流过大,时间一长可能会烧毁线圈。
图3-7控制线路2
第四章恒压供水系统软件设计
本设计由于采用的PLC是LG系列的,所以在这里简单介绍一下LG系列PLC的一些编程规则。
4.1梯形图的基本绘制规则
1、编程顺序
梯形图按照从上到下,从左到右的顺序控制。
每个逻辑行开始于左母线,一般来说,触点要放在左侧,线圈和指令盒放在右侧,线圈和指令盒右侧不能有触点,整个梯形图形成阶梯形结构。
2、编号分配
对于外接电路的各元件分配编号,编号的分配必须是主机或者扩展模块本身实际提供的,而且可以用来编程,两个设备不能共用一个输入输出点。
3、触点的使用次数和线圈的使用次数
在PLC的梯形图中,触点的使用次数可能用无数次,而线圈的使用次数只能是一次,否则,容易引发系统出现意外的事故。
4、线圈的连接
使用一个条件驱动多个线圈时,不能串联,只能并联。
4.2恒压供水系统I/O分配表
1、系统具体控制方案上章已叙述,在此把恒压供水系统的I/O分配列举如下:
表4-1I/O分配表
输入:
1泵状态输入
P00
1泵故障输入
P01
2泵状态输入
P02
2泵故障输入
P03
3泵状态输入
P04
3泵故障输入
P05
真空泵状态输入
P06
真空泵故障输入
P07
自动
P08
手动
P09
循环线路1状态
P0A
循环线路2状态
P0B
变频器频率输入
V0COM0
D4980(出变频器)
压力输入
V1COM1
D4981
频率输出
V0+V0-
D4982(入变频器)
水位输入
D4984
出水频率
D4650
30Hz
左栏为默认
工作压力设定
D4012
0.36mpa
水位下限
D4000
1.5m
水位上限
D4005
4.5m
供水下限
D4016
2m
文本显示器时间
周D3500
时D3503
分D3506
显示器内部时间
周D3510
时D3513
分D3516
实际水位
D4004
实际压力
D4018
变频器实际输出
D4150
压差上限
D4060
0.38mpa
压差下限
D4070
0.34mpa
压力系数
D4030
40
频率系数
D4040
80
水位系数
D4050
频率上升时间
D4026
90s
输出:
供水1泵
P40
供水2泵
P41
供水3泵
P42
真空泵启动
P43
1泵电动阀输出
P44
2泵电动阀输出
P45
3泵电动阀输出
P46
取水电动阀输出
P47
循环控制线路1
P48
循环控制线路2
P49
供水1泵电磁阀输出
P4A
供水2泵电磁阀输出
P4B
供水3泵电磁阀输出
P4C
注:
备用泵转换时间默认为:
每周三凌晨两点。
2、上表中所列举的参数可变的寄存器由LG文本显示器输入,文本显示器上有接串口线的端口RS232,与PLC的RS232端口连接后就可设置参数。
如下图对水位进行设置的文本显示器面板。
图4-1文本显示器界面
显示屏面板共有12个按键,包括:
4个功能键(F1、F2、F3、F4)、4个箭头键(▲向上、▼向下、
向左、
向右)和ESC(退出)键、ALM(报警)键、SET(设置)键、ENT(确认)键。
开机显示封面,按ESC键退出并进入主菜单,按▲▼键选择项目,再按ENT键进入选中的项目画面。
按ESC键可退出当前画面并返回主菜单。
项目说明:
(1)水位设置:
用户可自己设定水位上限、供水下限和水位下限。
(2)水位显示:
显示当前水位的实际状态。
(3)压力显示:
显示当前管道压力的实际状态,及可设定压力窗口。
(4)频率显示:
显示当前变频器的实际频率,并有出水频率设定窗口,根据具体情况设定出水频率。
(5)系统循环定时:
即备用泵转换时间,当时间和条件都符合时,2泵和3泵轮换工作,延长备用泵寿命。
(6)系统内部时间:
控制柜可与电脑连接,文本显示器同时可以与电脑时间校准,保证两泵准时转换。
(7)系数设置:
可跟据传感器的实际参数设置压力系数、频率系数、水位系数。
(8)压差设置:
用户可设定压差上限、压差下限、频率上升时间。
4.3程序流程图
具体控制方案上面已有详细叙述,根据本课题要求和实际情况的限制,恒压供水系统流程图见附录。
4.4程序编写
在硬件系统设计中,采用了一台变频器连接1台电动机,变频器输入电源前面接入一个空气开关,来实现电机、变频器的过流过载保护接通,空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。
对于用软启动器控制的电动机,还需要在软启动器上面接入两个空气开关,来实现电
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