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基于SH7PLC多功能变频恒压供水
第一章绪论
1.1设计背景和课题目标
1.1.1设计背景
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。
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,由n=60f(1-s)/p公式可知,在选定水泵前提下,则转差率s,磁极对数p恒定,则n与f成线性关系,即通过改变水泵电机频率可实现水泵无级平滑调速。
依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持出水管处水压恒定,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水设备,降低成本,保证供水质量等方面有着非常重要的意义。
当今的变频器有突显的数值化,智能化特征。
随着计算机技术的飞速发展,人们对数字化信息的依赖越来越强。
为了使交流调速系统与信息系统紧密结合,同时也为了提高交流调速系统自身的性能,必须使交流调速系统采用全数字化控制模式。
单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。
例如由Intel公司1983年开发生产的MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一,适用于高速、高精度的工业控制。
其高档型:
8×196KB、8×196KC、8×196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。
而且由于交流电机控制理论不断发展,控制策略和控制算法也日益发展深化。
扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等先进理论均广泛应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。
DSP芯片被广泛的应用。
如TI公司的MCS320F240等DSP芯片,以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。
最近TI公司推出的MCS320F240X系列产品更将价格降低到了单片机的水平。
可编程控制器的发展也很迅速,其工作特点为:
可靠性高,功能强大,简单方便。
基于变频器的发展和PLC强大功能,国外供水方式主要为变频恒压供水系统。
在国内供水行业内,变频恒压供水系统起步比国外稍晚,但发展很快。
本课题主要是面向供水系统,设计基于SH-7PLC多功能变频恒压供水控制系统,变频恒压供水的有水压恒定,水质好,占地小,节能,噪音小,可以延长水泵的使用寿命等等优点,另外本系统设计还有高低位水箱供水模式,在变频恒压供水系统出现故障时可以自动或者手动切换到高低位水箱供水模式。
最大限度的保证用户的用需求。
1.1.2课题目标
在现今供水系统背景下,本课题拟设计一个多功能的变频恒压供水系统。
此系统具有以上两种系统的优点,在传统变频恒压供水系统的基础上,进一步完善了系统的可靠性。
课题目标为满足以下系统的控制要求的基础上,对供水系统进行一些优化设计,满足用户用水需要的同时,最大限度的节能,节水,实现整个供水系统的自动化。
系统满足一下控制要求:
两台水泵供水,压力控制点选择在水泵出口处,用PLC,变频器,PID调节器组成闭环调节系统,保证水泵出口压力恒定。
1,当系统变频自动恒压供水时,满足一下要求:
两台水泵,第一台水泵变频运行,当第一台水泵运行至工频的时候,第二台水泵直接启动,停泵时停第二台水泵。
当需要消防用水时,能够自动提高压力,夜间自动切换使用小流量泵。
2,当自动变频恒压供水系统出现故障时,自动投入高低位水箱供水工作方式
3,手动工作方式。
各种保护和显示。
供水系统指标为:
1,用水量:
正常供水量30立方米/小时,最大供水量45立方米/小时,扬程60M
2,控制压力位0.3MPA,控制范围浮动0.03MPA
1.2供水系统发展过程和现状
1.2.1城市供水系统概述
过去,城市供水系统大都是高低位水箱供水方式。
这种方式最大的缺点就是无法保证用水恒压,而且不利于节能,节水。
在我国,节电节水的潜力非常大。
据有关国际组织发表的资料显示:
中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的4倍左右,消耗的水是他们的2倍左右。
我国的大量用电设备中,风机和泵类电机的耗电量占全国发电量的50%左右,若推广新型电机调速技术,可节电40%左右,即可以节约全国发电量的1/5.由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多,因此,在我国一方面水电供给紧张,而另一方面,水电的浪费又十分惊人.节电节水,不仅潜力巨大,而且意义深远。
如果对供水系统进行优化,那么既能节水又能节能,能有效的缓解我们国家水电的矛盾。
现在新型的变频恒压供水系统则是一种良好的解决办法。
国内一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水,其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。
以前大多采用传统的水塔、高位水箱,或气压罐式增压设备,但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量,其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。
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。
虽然单泵产品系统设计简易可靠,但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低,而多泵型产品投资更为节省,运行效率高,被实际证明是最优的系统设计。
近十年来,变频技术的应用在我国有很大的发展,并取得了良好的效果。
可以说,变频技术已为大多数用户所接受。
但是,不能不指出,我国在变频技术的应用方面,与发达国家的水平尚有很大差距。
目前,我国在用的交流电动机使用变频调速运行的仅6%左右,而工业发达国家已达60%~70%;日本在风机、水泵上变频调速的采用率已达10%,而我国还不足0.01%;在日本,空调器的70%采用了变频调速,而我国才刚刚起步。
从这个现实出发,变频技术尚有很大的发展空间,我们应该锲而不舍地做好推广应用工作。
自从变频器问世以来,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。
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。
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。
1.2.2高低位水箱供水系统概述
建筑给水系统按照给水设备的不同,一般可以分为高低位水箱供水系统和变频恒压供水系统两种。
以下对高低位水箱供水方式进行一些介绍。
高低位水箱供水方式是过去小区供水的主要方式。
这种方式具有安装简便的优点,系统运行情况依据高低位水箱水位,即在高低位水箱内安装水位计,当低位水箱处于水位上限,高位水箱水位下限时,水泵启动。
当高位水箱处于水位上限时,水泵停止工作。
由高位水箱给用户供水。
高低位水箱供水示意图如图1-1所示:
其中带箭头线段表示供水管道,高位水箱水量由水泵将低位水箱内水抽出补水,高位水箱负责给用户供水。
图1-1
高低位水箱供水一般是在建筑物顶部设一个高位水箱,或者在一个小区设置一个水塔,借助水塔和水箱的高度提供给用户水压,向建筑物内供水。
在建筑底部设置一个低位水箱,与城市的供水网络联网进行充水操作,然后借助水泵抽水给高位水箱或者水塔。
水箱内的储水情况作为水泵是否工作的标准。
由于这种系统下,水泵只要运转就是处于工频运行,不能灵活的根据用户用水量而调整水泵转速,从而在一定程度上浪费了电能。
其工作方式为当高位水箱液位处于低位时,水泵工作,将低位水箱水抽到高位水箱,满足用户需要。
当高位水箱水位处于高位时,水泵停止工作。
高位水箱的水位决定了水泵的工作状态。
这种供水系统灵活性比较差,检修起来也很不方便。
而且容易在供水过剩的时候引起供水管道的爆裂,这种供水方式不能现代供水要求。
1.2.3变频恒压供水系统
变频恒压供水时新兴起的供水方式。
具有供水稳定可靠,安装维护方面等优点其控制原理框图如图1-2:
图1-2
原理框图中,变频器用于水泵转速的调节,压力传感器检测出水口的压力,并将信息反馈给PID控制器,PID控制器发出指令使变频器调节水泵转速。
整个系统为一个闭环控制系统。
优点在于能够在充分满足用户需要的同时,起到节能节水的目的。
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。
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。
随着电力技术的发展,变频调速技术的日臻完善,以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备,起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应。
其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能,将使供水实现节水、节电、节省人力,最终达到高效率的运行目的。
1.3变频恒压供水系统特点和应用场合
1.3.1变频恒压供水特点
变频恒压供水系统由PLC,变频器,压力传感器,电机泵组以及自动切换装置组成,构成闭环的控制系统。
根据供水管网用水量的变化,自动控制水泵转速和水泵工作台数,实现恒压变量供水。
其主要特点为:
1,高效节能。
设备自动检测系统用水量,据此调节供水量,不做无用功。
机组运行经济合理,实现了节能。
2,用水压力恒定。
无论系统用水量如何变化,均能使供水管网的服务压力恒定,大大提高了供水品质。
3,延长了设备使用寿命。
4,功能齐全。
采用PLC作为控制核心,不对电路进行改动,可以随时追加各种附属功能。
5,系统可靠性高,如果变频系统出现故障,自动切换为高低位水箱供水方式
6,控制灵活:
定时根据用水用水需求自动选择供水模式,手动选择工作方式。
1.3.2变频恒压供水应用场合介绍
1,居民区、住宅楼、村镇的集中生活供水系统。
2,高层建筑、宾馆、饭店等生活供水系统。
3,综合市场、写字楼、商务楼宇的生活供水系统。
4,自来水厂、供水加压泵站。
5,工矿企业的生产、生活供水、恒压流量供水工艺流程等。
6,生活区、高层建筑等热水供给和热水采暖系统。
7,各种类型中央空调的循环泵、冷却水供应系统。
8,深井泵(深井泵、潜水泵)恒压供水系统。
9,污水处理厂、排水站的自动控制供水系统。
10,石油化工等行业的流体负载的流量、压力控制系统。
11,各类鼓风机、引风机、排风机、空调风机、冷却塔风机等风量控制系统。
1.4变频恒压供水系统节能分析
1.4.1节能理论分析
变频恒压供水系统主要应用于无塔供水。
无塔供水设备的供水流量应具有相同的概率分布满足用户正常用水需求的用水规律是独立存在的,即该规律不因采用什么样的供水方式而改变。
例如:
正常的生活小区用水规律独立于供水设备之外;满足正常的生活用水量不因采用的是变频供水还是工频泵供水而改变等等。
由于无塔供水不经过水塔而直接与用户管道对接,因此供水水量的概率分布与用水水量的概率分布应为同一分布(因为只有这佯才能满足用户用水的要求)。
由于比较的前提是对同一个用户而言的,故可以认为所有无塔供水设备的供水流量应具有同样的概率分布,也就是供水流量Q相同。
如图1-3所示在正常的流量范围内,变频恒压供水的工作压力低于工频泵的工作压力。
因此相对工频泵无塔供水而言,变频恒压供水具有节能的效果。
不同的用水量节能的程度不同。
例如,当流量处在1—1直线上时,工频供水工作压力与变频供水工作压力的差值大,而当流量处在2—2直线上时,二者工作压力的差值小,因此变频供水的节能值依流量的不同而变化。
这也表明,即使两个用户的日用水量相同,但各自的用水规律不同,变频供水的节能值也会不同。
综上可得变频恒压供水节能的两个特点:
消除工频泵的剩余压力是变频供水节能的根源。
适时跟踪,即时消除波动变化的剩余压力是变频供水节能的手段。
图1-3
第2章系统设计和分析
2.1系统设计
2.1.1系统主电路设计
系统要求为两台水泵供水,夜间自动切换为小流量泵,系统中总共有3台水泵。
2台主要供水水泵,要求1#水泵由变频器拖动,2#水泵直接工频运行。
第三台水泵为小流量泵,夜间切换为小流量泵供水时,直接工频启动。
需要消防用水时能够自动提高压力,所以系统需要两个PID调节器,一台用于正常供水时调节变频器工作,另一台则在需要消防用水时控制变频器工作。
系统主电路图(图纸附后)如图2-1:
图2-1
频率表用于检测频率并在控制面板上显示,电压表用于检测电压并在控制面板上显示。
图中PID2用于正常供水时调节变频器的工作,PID1用于消防时控制变频器的工作。
M1为和M2为主要供水水泵,M3为小流量泵,在夜间用户用水需求很少的时,M3工作。
同时在控制面板上还有压力的显示。
FR1,FR2,FR3分别为1#,2#,3#的过载保护。
KM1,KM2,KM4,KM5为接触器。
2.1.2系统控制电路的设计
系统控制核心为可编程控制器。
可编程控制器作为控制核心,具有调试简便,系统灵活性好,可扩展性强等特点。
控制电路设计图(图纸附后)如图2-2:
图2-2
I/O分配表如下:
I/O分配表
输入I
输出Q
I01#手动启动
Q0KM1
I1自动启动
Q1KM2
I32#手动启动
Q3KM4
I4I5手动/自动选择
Q4KA
I61#手动停止
Q5水位上限报警
I72#手动停止
Q6电机故障指示
I173#手动停止
Q7消防指示
I10/I11压力上/下限
Q10变频故障
I121#热保护FR1
Q11高低位水箱供水指示
I132#热保护FR2
Q12KM5
I14消防信号
Q13小流量泵工作指示
I15变频器故障
Q14KA2
I163#热保护FR3
I173#手动停止
I20水池低水位信号
I21高位水箱水位上限信号
I22高位水箱水位下限信号
2.1.3PLC程序解释说明
1LDI0
2ORQ1
3ANDI4
4LDM1
5ORQ1
6ANDNI10
7ORLD
8LDI15
9ORQ1
10ANDI22
11ANDNI21
12ORLD
13ANDNI6
14ANDNI12
15ANDNI20
16ANDNQ12
17OUTQ1
此段程序为1#水泵工频运行设定。
手动模式下,按下1#手动启动按钮,此时SA打在手动挡上即I4闭合,1#水泵工频运行,按下1#水泵停止按钮,I6断开,破坏自锁,1#水泵停止工作。
自动运行状态下,当1#水泵变频运行时候不能满足用户用水需要,即管网压力达到下限,频率达到上限时,1#水泵在变频工作终止,延时50MS后切换为工频运行。
当变频器发生故障,系统设计为只用第一台水泵供水,供水模式为高低位水箱供水,变频器发生故障则I15闭合,此时如果地下水池水位超过下限,同时高位水箱水位也在下限,1#水泵工频工作,给高位水箱供水,如果高位水箱水位达到水位上限,或者低位水箱水位达到下限,1#水泵停止工作。
夜间小流量泵工作时,1#水泵停止工作。
18LDI2
19ORQ3
20ANDI4
21LDQ1
22ORQ3
23ANDI11
24ORLD
25ANDNI7
26ANDNI13
27ANDNI20
28ANNDQ12
29OUTQ3
此段程序为2#水泵工频运行设定。
手动模式下,按下2#水泵手动启动按钮,I2闭合,此时SA打向手动模式I4闭合,2#水泵工频运行。
自动模式下,当1#水泵工频运行还不能满足用户需要,即达到供水管网压力下限,频率上限的时,2#水泵直接工频启动。
当供水管网达到压力上限时,2#水泵停止运行。
30LDI5
31ORQ4
32ANDNI3
33ANDNI15
34ANDNQ3
35ANDNQ12
36OUTQ4
以上为变频器工作设定,SA打向自动档,I5闭合,变频器开始工作。
停止工作的情况为:
当变频器发生故障或者2#水泵也在工频运行或者夜间小流量泵工作。
自动运行状态下如果2#水泵工频运行,此时1#水泵肯定也处于工频运行,此时变频器不发挥任何作用,此时变频器停止工作,进一步起到节能的作用。
夜间小流量泵工作的时候变频系统应该停止运行。
按下自动停机按钮I3时,变频器停止工作。
37LDI1
38ORI10
39ORQ0
40ANDI5
41ANDNI3
42ANDNI20
43ANDNI15
44ANDNI12
45ANDNQ12
46ANDNQ1
47OUTQ0
48LDQ4
49ANDI11
50ANDQ0
51TMRT0K0005
52LDT0
53OUTM1
以上为1#水泵变频工作设定。
自动启动按下后,I1闭合,SA打在自动档上,I5闭合。
1#变频工作,变频器正常工作,此时如果管网压力达到下限,1#水泵变频运行,定时器1开始定时,50MS后使内部继电器M1带电,1#水泵切换到工频运行,2#水泵工频运行。
如果管网压力达到上限的时候2#水泵停止工作,1#水泵切换到变频运行。
如果按下自动停止按钮,1#水泵停止工作和2#水泵无论工况如何都停止工作。
54LDI10
55ORI11
56OUTQ5
57LDI12
58ORI13
59ORI16
60OUTQ6
以上为频率报警提示和水泵故障指示,当管网压力到达上限或者下限时,警铃响起。
当任何一台水泵出现故障时,电机故障指示灯亮起。
61LDI14
62OUTQ7
以上为消防指示,当有消防信号时,消防指示灯亮起。
63LDI15
64OUTQ10
65LDI15
66OUTQ11
以上为变频器故障指示和高低位水箱供水指示,当变频器出现故障时,变频故障指示灯亮起,系统切换为高低位水箱供水方式,高低位供水指示灯亮起。
67LDI14
68OUTQ14
以上为PID工作设定,需要消防用水时,I14闭合,KA2动作,切换为消防用水时PID工作。
69LDI5
70ANDSP003
71CNTC10K0960
72LDC10
73ORQ12
74ANDNI17
75ANDNI16
76ANDNM3
77OUTQ12
78LDQ12
79RESET
80LDQ12
81OUTQ13
82LDQ12
83ANDSP003
84CNTC11K0480
85LDC11
86OUTM3
87LDM3
88RESET
89NOP
以上为小流量泵工作设定。
系统假定早上8点开始自动供水。
I5闭合,内部SP003继电器开始工作,每一分钟发出一个脉冲,计数器C10开始工作,计数960个后,即16个小时后,此时为夜间,用户用水量很少,小流量泵开始工作,1#,2#水泵停止工作,变频器停止工作。
小流量泵开始工作后,计数器C11和内部SP003继电器配合使用完成定时8小时的工作,即到次日8点,小流量泵停止工作,1#水泵启动,系统又进入自动恒压变频供水模式。
PLC程序梯形图附后。
水泵出现故障时,那一台水泵出现故障,相应的水泵停止工作。
当地下水池水位处于下限时,工作系统停止工作,避免系统空载运行对系统造成损害。
2.2压力控制点选择和水泵调速方式介绍
2.2.1压力控制点的选择
压力作为系统运行的重要依靠指标,它的选择尤为重要。
一般说来压力控制点有两个典型位置,供水水泵出口处和最不利点。
前者利于管理维护,后者利于节能但是控制点远离给水设备,不利于系统管理和维护。
本系统设计采用的压力控制点选择在水泵出水口出。
2.2.2水泵调速控制方式介绍
变频调速是是80年代水泵调速新技术。
它通过改变水泵工作电源频率的方式改变水泵的转速:
N=120·f(1-s)/P
N为水泵电机转速
F为电源频率
P为电机级数
S为转差率
由上式可见,如果均匀的改变电机定子的供电平率F,则可以平滑的改变电机的同步转速。
为了保持调速时电机的最大转矩不变,需要维持电机的磁通量恒定。
这样就要求定子供电电压也要相应的调整。
此时要求变频器具有调压和调频两种功能。
根据异步电动机变频时的机械特性,共有四种不同的变频调速方式:
保持V/F=C(常数)的比例控制方式
保持M=C的恒磁通控制方式
保持P=C的恒功率控制方式
恒电流控制方式
根据大量的实践结果,对于水泵而言,采用第一种方式的控制方式最合适。
第3章设备选型
3.1系统主要部分的选择
3.1.1水泵的选择
依据公式:
电动机的负载功率:
P=QHPG/ηbη
(1)
式中Q为水泵流量,单位为立方米/秒;
H为水的扬程,单位为米;
ρ为水的密度,单位为千克/立方米;
G为中立加速度,单位为米/秒;
ηb为水泵的效率;η为传动机效率。
正常流量为30m3/小时:
P1=QHPG=1000×9.8×60×30÷3600/0.7×0.95=6.7KW
最大流量为45m3/小时:
P2=QHPG=1000×9.8×60×45÷3600/0.7×0.95=9.8KW
故选泵的功率为5.5KW。
所选水泵为天津市源天泵业生产的D型多级离心泵,具体型号为65DB(5OD8),性能参数如下:
扬程:
68.0功率5.5KW和4KW两种,5.5KW的两台,4KW的一台.一般选择水泵扬程应大于实际需要扬程,故选择了68M的扬程。
具体规格见图3-1:
图3-1
3.1.2可编程控制器的选择
本系统控制电路部分,共计有19个输入点,12个输出点。
故而选择的PLC型号为华光(光洋)PLCSH系列,具体型号为SH-64共计有64个输入输出点,满足系统的同时,留有较大余量,为以后系统的功能升级提供基础。
该PLC由光洋推出。
光洋系列的PLC具有以下特点:
1,面向现场运用的级式语言编程方式,使用户能够非常方便地使用光洋的PLC。
2,与光洋的编程方式相同的SFC编程方式,被公认为PLC的IEC标准,这使得光洋级式编程方式被全世界认同和接受。
3,当今正处于信息导向的时代,光洋又推出了可以实现全球连接功能的
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