變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計1

1、交流調(diào)速課程設(shè)計任務(wù)書課題名稱 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院(部) 電子與控制工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化班 級 32041001 學(xué)生姓名 牛浩明 學(xué) 號 37 6 月 10 日至 6 月 14 日共 1 周指導(dǎo)教師(簽字) 2013年 5 月 31 日一、 設(shè)計概述變頻器是一種新型技術(shù)，將變頻調(diào)速技術(shù)用于供水控制系統(tǒng)中，具有高效節(jié)能、水壓恒定等優(yōu)點。本課程設(shè)計為實現(xiàn)恒壓供水功能而按照設(shè)計任務(wù)書要求完成設(shè)計任務(wù)。最終實現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動穩(wěn)定運行。根據(jù)設(shè)計要求本系統(tǒng)采用OMRON CPM1A PLC控制系統(tǒng)對變頻器進行調(diào)速控制和系統(tǒng)輸入輸出信號的采集以及系統(tǒng)報警功能的實現(xiàn)。本系統(tǒng)內(nèi)的電機

2、調(diào)速由變頻器來實現(xiàn)，通過PLC控制變頻器和現(xiàn)場壓力儀表檢測的反饋信號來實現(xiàn)對電機的自動恒壓控制功能。二、 設(shè)計任務(wù) 變頻調(diào)速是一種新興的技術(shù)，將變頻調(diào)速技術(shù)用于供水控制系統(tǒng)中,具有高效節(jié)能、水壓恒定等優(yōu)點。本課程設(shè)計是電氣工程及其自動化專業(yè)交流調(diào)速課程的實踐性環(huán)節(jié)，其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生初步掌握交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法及理論知識的應(yīng)用能力。本課程設(shè)計的基本任務(wù)是提高學(xué)生在調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方面的實踐技能，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識，分析和解決實際問題的能力。通過控制系統(tǒng)的設(shè)計，初步掌握交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計的方法。一、 設(shè)計原始資料（實驗、研究方案） 一樓宇供水系統(tǒng)，正常供水量為20m3/小時，最大供水

3、量25m3/小時，揚程25米。采用變頻調(diào)速技術(shù)組成一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制水泵的運行，保證用戶水壓恒定。當(dāng)用水量增大或減小時，水泵電動機速度發(fā)生變化，改變流量，以保證水壓恒定。 設(shè)計要求：1設(shè)二臺水泵。一臺工作，一臺備用。正常工作時，始終由一臺水泵供水。當(dāng)工作泵出現(xiàn)故障時，備用泵自投。2. 二臺泵可以互換。3給定壓力可調(diào)。壓力控制點設(shè)在水泵出口處。4具有自動、手動工作方式，各種保護、報警置。采用OMRON CPM1A PLC、富士變頻器完成設(shè)計。三、方案論述 隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市人口和城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模不斷擴大，高層建筑與日俱增。對水、電、消防、智能化等基礎(chǔ)供應(yīng)配套要求也越來越高。如何有效提高高

4、層建筑給水系統(tǒng)能量利用率，減少無效能耗，成為了高層建筑給水設(shè)計的首要問題。傳統(tǒng)的供水方式有恒速泵加壓供水、恒速泵加水塔的供水、恒速泵加高位水箱的供水和恒速泵-氣壓罐供水方式。雖然這些供水方式比較簡單，但是由于其占地面積大、自動化程度低、耗能不合理、適應(yīng)性差、維護不方便等原因不僅造成水資源和電資源的浪費，而且還會帶來水質(zhì)的二次污染。因此，我國目前更多的采用變頻恒壓供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體的變頻恒壓供水系統(tǒng)，不僅可以顯著提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且也有利于實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控。此外，變頻恒壓供水系統(tǒng)還具有良好的節(jié)能性，這在大力提倡節(jié)能的今天尤

5、為重要。恒壓供水技術(shù)和優(yōu)點 1、工作原理 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵機組、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。通過傳感器反饋水壓調(diào)節(jié)變頻器輸出，進而調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。2、泵節(jié)能理論 （1) 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性:是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔珦P程與流量間的關(guān)系的曲線H1=f(QG)，稱為揚程特性曲線，如圖1曲線（2）所示。 （2）管阻特性：以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，揚程H與流量Q之間的關(guān)系H=f(Qu)，稱為管阻特性曲線，不同閥門開

6、度，管阻特性曲線不同。如圖1曲線（n1）所示。 （3) 供水系統(tǒng)的工作點:揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，在這一點上，供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 （4) 供水功率:供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率P (KW)稱為供水功率。  圖1供水系統(tǒng)的控制，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。當(dāng)用戶需求發(fā)生變化時，需要對供水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 (1）閥門控制法：轉(zhuǎn)速保持不變，通過關(guān)小或開大閥門不調(diào)節(jié)流量，以適應(yīng)用戶對流量的需求。這時的管阻特性

7、將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。 (2)轉(zhuǎn)速控制法：閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。 由水泵的相似定律又稱為比例定律可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著, 這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本方面。 3 、恒壓供水的優(yōu)點 1、恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降

8、低管道阻力大大減少截流損失的效能。 2、由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。 3、水泵電動機采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。徹底消除水錘現(xiàn)象。 4、實現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節(jié)省了人力四、設(shè)計方案1、控制系統(tǒng)原理如圖2所示：圖2 恒壓供水變頻控制系統(tǒng)原理圖 圖3 PID 調(diào)節(jié)控制圖為了使輸出壓力恒定，過壓力檢測儀表作為檢測元件實現(xiàn)壓力檢測。根據(jù)

9、檢測儀表的反饋信號與給定信號比較經(jīng)PID調(diào)節(jié)器處理然后調(diào)節(jié)變頻器輸出從而控制電機。2、主電路線路如附1所示，圖中的M1、M2、為帶動水泵的電動機，由于電動機的功率較小，所以兩臺電動機都采用直接啟動方式，各臺電動機分別使用兩個接觸器控制，KM2和KM4分別控制電動機M1和M2的變頻運行。KM1和KM3分別控制點動機的工頻運行。各電動機分別由FR1、FR2、提供過載保護。3、PLC I/O 口分配輸入輸出自動工作狀態(tài) SB100000M1手起接觸器KM101000手動工作狀態(tài) SB200001M1自啟接觸器KM201001M1手動起動SB300002M2手啟接觸器KM301002M2手動起動SB4

10、00003M2自啟接觸器KM401003自動工作停機 SB500004M1過載顯示燈HL501005手動工作停機 SB600005M2過載顯示燈HL601006M1過載保護FR100006液位下限顯示燈HL701007M2過載保護FR200007液位上限顯示燈HL801008儲水池液位上限SL100008頻率上限顯示燈HL901009儲水池液位下限SL200009自動工作顯示燈HL1001010自動手動切換 SA100010手動工作顯示燈HL1101011解警故障排查SB700011警鈴 HL1201012頻率上限 30A00012故障排除起用SB8000134、工作流程圖1、2號泵停機1、2

11、號泵起動停機按鈕起動按鈕手動工作方式手動、自動工作方式選擇備用泵選擇1、2號泵停機1、2號泵起動停機按鈕起動按鈕手動工作方式手動工作方式故障備用自投5、操作說明 備用泵選擇：默認備用泵為M2，此時內(nèi)部輔助繼電器20002不得電，常閉閉合，常開斷開，M1自動工作通道中常閉閉合M1正常起動，M2自動工作常開觸點斷開，正常工作時停止。當(dāng)將備用選擇旋鈕SA1旋轉(zhuǎn)致M1備用時，M1與M2互換。 自動工作狀態(tài)：按下自動工作按鈕SB1，PLC 00000 有輸入信號，內(nèi)輔20000得電，自動工作通道中20000常開閉合，水泵自動啟動。手動工作通道中20000常閉斷開，即手動工作通道禁止工作。 自動工作停機：

12、自動工作停機按鈕SB5，輸入00004，00004 常閉斷開，內(nèi)輔20000失電，即自動運行通道斷開。 手動工作狀態(tài)：按下自動工作按鈕SB2，PLC 00001 有輸入信號，內(nèi)輔20001得電，自動工作通道中20001常開閉合，水泵手動起動通道起用，自動工作通道中20001常閉斷開，即自動工作通道禁止工作。按下SB3, M1手動啟動，按下SB4，M2手動啟動。 手動停機：分別在M1、M2手動啟動通道串停機的常閉觸點，SB6為手動停機按鈕。 過載備用投入：假定M1正常工作，M2備投。當(dāng)M1過載，F(xiàn)R1動作，00006閉合，內(nèi)輔20003得電，20003常閉斷開，01001斷電，即M1停機，通式2

13、0003常開閉合，01003得電，即M2投入。同時M1過載指示燈亮，電鈴報警。M1備投時，工作原理相同。 水位上下限控制：到達水位上限，00008常開閉合，警報響，水位上限指示燈亮。到達水位下限，00009常閉斷開，自動、手動工作狀態(tài)皆禁止。00009常開閉合，水位下限指示燈亮，電鈴報警。變頻器達到頻率上限時報警：000012常開閉合，頻率報警，指示燈亮。報警解除：當(dāng)報警后需要手動解除按SB7，報警解除，當(dāng)檢修后，按故障排除起用SB8，若故障排除，報警系統(tǒng)正常工作。若報警指示燈依然亮，則故障還未排除，繼續(xù)檢修。五、 系統(tǒng)設(shè)備選型1主要電氣元件參數(shù)指標(biāo)水泵：35KW，三相異步電動機恒壓設(shè)定點：1

14、.0Mpa壓力變送器：0-1.6Mpa，兩線制，4-20mA電流輸出變頻器：VVVF變頻器（1）水泵根據(jù)設(shè)計要求水泵正常供水20m3/小時，最大供水量25m3/小時，揚程25m。參考相關(guān)資料選擇型號為QS30-30/2-4-30-30-4-10.4的水泵即可滿足要求。(2)遠傳壓力表由于遠傳壓力表具有價格低、有數(shù)據(jù)讀取表盤等優(yōu)點，結(jié)合具體實際設(shè)計，故在此處選擇其作為反饋信號。六、主要參考資料 1）建筑電氣控制技術(shù) 馬小軍 機工 2）過程控制 金以慧 清華 3）富士變頻器使用手冊4）水暖空調(diào)電氣控制技術(shù) 孫光偉 建工5）交流電機變頻調(diào)速及其應(yīng)用張承慧 機工6）有關(guān)雜志、資料原件明細表序號名稱符號型號數(shù)量備注01水泵電機M1、M2QS30-30/2-4-30-30-4-10.4202變頻器VVVFFRN5.5G11S-4CX103PLCPLCCPM1A-30CDT1-A-V1104PID調(diào)節(jié)器PIDSWP-NT825-012-12/12-HL-P105