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生活-消防双恒压供水控制系统设计

生活-消防双恒压供水控制系统设计
生活-消防双恒压供水控制系统设计

摘要

本论文根据中国城市小区的供水要求,设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统, 并利用MATLAB进行参数整定。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器等构成。

本系统包含三台水泵电机,它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速,运行切换采用“先启先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号,送入PLC与设定值比较后进行PID运算,从而控制变频器的输出电压和频率,进而改变水泵电机的转速来改变供水量,最终保持管网压力稳定在设定值附近。

关键词:变频调速,恒压供水,PLC

ABSTRACT

According to the requirement of China's urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, and have used MATLAB software to carry out the parameter setting.The system is made up of PLC, transducer,units of pumps,pressure sensor and control machine and so on.

This system is formed by three pump generators,and they form the circulating run mode of frequency conversion. With general frequency converter realize for three phase pump generator soft start with frequency control,operation switch adopts the principle of”start first stop first”. The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure,via PLC with set value by carry out PID comparison operation,so,control frequency and the export voltage of frequency converter,and then the rotational speed that changes pump generator come to change water supply quantity,eventually,it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value.

Keywords: variable frequency speed-regulating, constant-pressure water supply, PLC

目录

1 绪论 (1)

1.1 课题的提出 (1)

1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 (2)

1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状 (2)

1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状 (2)

2 系统的理论分析及控制方案确定 (4)

2.1 变频恒压供水系统的理论分析 (4)

2.1.1 电动机的调速原理 (4)

2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理 (4)

2.1.3 管网设定水压的水力计算 (7)

2.2变频恒压供水系统控制方案的确定 (8)

2.2.1控制方案的比较和确定 (8)

2.2.2变频恒压供水系统的组成及原理图 (10)

2.2.3变频恒压供水系统控制流程 (12)

2.2.4水泵切换条件分析 (13)

3 恒压供水系统的硬件设计 (15)

3.1系统主要控制要求 (15)

3.2系统的硬件选型 (15)

3.2.1系统的控制器 (16)

3.2.2模拟量输入输出模块 (16)

3.2.3变频器 (18)

3.2.4压力传感器 (24)

3.2.5水泵电动机 (24)

3.2.6液位变送器 (25)

3.3系统的I/O地址分配 (25)

3.4恒压供水系统控制方案 (26)

3.5系统的电气控制系统 (27)

3.5.1主电路图 (27)

3.5.2控制电路图 (28)

3.5.3 PLC系统外部接线图 (29)

3.5.4变频器电气原理图 (29)

4 恒压供水系统的程序设计 (31)

4.1系统的程序结构说明及流程图 (31)

4.1.1初始化子程序 (31)

4.1.2定时中断程序 (31)

4.1.3主程序 (32)

4.2程序中使用的编程元件及含义 (34)

4.3程序中相关重要指令的解释 (36)

4.3.1比较式触点指令 (36)

4.3.2定时程序 (36)

4.3.3子程序调用和返回指令 (36)

4.3.4中断指令和特殊功能模块读写指令 (37)

4.4控制系统的程序 (37)

5控制器参数整定 (38)

5.1 PID控制及其控制算法 (38)

5.2变频恒压供水系统的近似数学模型 (39)

5.3 PID参数整定 (40)

结束语 (43)

参考文献 (44)

致谢 (45)

附录A (46)

附录B (52)

1 绪论

1.1 课题的提出

水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质,在节水节能已成为时代特征的现实条件下,我们这个水资源和电能源短缺的国家,长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后,自动化程度较低,而随着我国社会经济的发展,人们生活水平的不断提高,以及住房制度改革的不断深入,城市中各类小区建设发展十分迅速,同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面,供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活,也直接体现了小区物业管理水平的高低。

传统的小区供水方式有:恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式,其优、缺点如下:

(1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应,水泵的增减都依赖人工进行手工操作,自动化程度低,而且为保证供水,机组常处于满负荷运行,不但效率低、耗电量大,而且在用水量较少时,管网长期处于超压运行状态,爆损现象严重,电机硬起动易产生水锤效应,破坏性大,目前较少采用。

(2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点,但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁,对电器设备要求较高、系统维护工作量大,而且为减少水泵起动次数,停泵压力往往比较高,致使水泵在低效段工作,而出水压力无谓的增高,也使浪费加大,从而限制了其发展。

(3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点,但存在基建投资大,占地面积大,维护不方便,水泵电机为硬起动,启动电流大等缺点,频繁起动易损坏联轴器,目前主要应用于高层建筑。

(4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油,发热需冷却,效率低,改造麻烦,只能是一对一驱动,需经常检修;优点是价格低廉,结构简单明了,维修方便。

(5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速,自动化程度要优于上面4种供水方式,但是系统开发周期比较长,对操作员的素质要求比较高,可靠性比较低,维修不方便,且不适用于恶劣的工业环境。

综上所述,传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源;效率低;可靠性差;自动化程度不高等缺点,严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展,变频调速技术以其

显着的节能效果和稳定可靠的控制方式,在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用,特别是在城乡工业用水的各级加压系统,居民生活用水的恒压供水系统中,变频调速水泵节能效果尤为突出,其优越性表现在:一是节能显著;二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击;三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。

基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性,同时系统具有良好的节能性,这在能源日益紧缺的今天尤为重要,所以研究设计该系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状

1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状

变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。1964年,最先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用到交流传动中的是德国人。20世纪80年代初,日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。从20世纪80年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。在我国,60%的发电量是通过电动机消耗掉的,因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能,一直受到国家和业界人士的重视。现在,我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作,但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比,还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展,我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备,要么内外结合,即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备,然后自己开发应用软件的办法,很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法,适应了社会的需要。总之,虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩,但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱,对国外公司的依赖还很严重。

1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期,由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中,变频器仅作为执行机构,为了满足供水量大小需求不同时,保证管网压力恒定,需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后,国外许多生产变频器的厂家开始重

视并推出具有恒压供水功能的变频器,像日本Samco公司,就推出了恒压供水基板,备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式它将PID调节器和PLC 可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID 等电控系统的功能,只要搭载配套的恒压供水单元,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作,可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构,降低了设备成本,但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,系统的动态性能和稳定性不高,与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信,并且限制了带负载的容量,因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程,大多采用国外的变频器控制水泵的转速,水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说,还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw~22kw),无需外接PLC和PID调节器,可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现,但其输出接口限制了带负载容量,同时操作不方便且不具有数据通信功能,因此只适用于小容量,控制要求不高的供水场所。可以看出,目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中,对于能适应不同的用水场合,结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此,有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能,使其能被更好的应用于生活、生产实践。

2 系统的理论分析及控制方案确定

2.1 变频恒压供水系统的理论分析

2.1.1 电动机的调速原理

水泵电机多采用三相异步电动机,而其转速公式为:

60(1)f n s p

=- 式 (2.1) 式中:f 表示电源频率,p 表示电动机极对数,s 表示转差率。

从上式可知,三相异步电动机的调速方法有:

(l) 改变电源频率

(2) 改变电机极对数

(3) 改变转差率

改变电机极对数调速的调控方式控制简单,投资省,节能效果显著,效率高,但需要专门的变极电机,是有级调速,而且级差比较大,即变速时转速变化较大,转矩也变化大,因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式,其最大优点是它可以回收转差功率,节能效果好,且调速性能也好,但由于线路过于复杂,增加了中间环节的电能损耗,且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。

根据公式可知,当转差率变化不大时,异步电动机的转速n 基本上与电源频率f 成正比。连续调节电源频率,就可以平滑地改变电动机的转速。但是,单一地调节电源频率,将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展,已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置,它们促进了变频调速的广泛应用。

2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理

供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提,表明水泵在某一转速下扬程H 与流量Q 之间的关系曲线,如图2.1所示。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下,流量的大小主要取决于用户的用水情况,因此,扬程特性所反映的是扬程H 与用水流量Qu 间的关系H=f(Qu)。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提,表明阀门在某一开度下扬程H 与流量Q 之间的关系曲线,如图2.1所示。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在

管道中流动阻力的变化规律。由于阀门开度的改变,实际上是改变了在某一扬程下,供水系统向用户的供水能力。因此,管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc 之间的关系H=f(Qc)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为供水系统的工作点,如图2.1中A点。在这一点,用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc 处于平衡状态,供水系统既满足了扬程特性,也符合了管阻特性,系统稳定运行。

H

图2.1 恒压供水系统的基本特征

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵做成一体,通过变频器调节异步电机的转速,从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此,供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。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。

在供水系统中,通常以流量为控制目的,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。

由流体力学可知,水泵给管网供水时,水泵的输出功率P与管网的水压H及

出水流量Q 的乘积成正比;水泵的转速n 与出水流量Q 成正比;管网的水压H 与出水流量Q 的平方成正比。由上述关系有,水泵的输出功率P 与转速n 三次方成正比,即:

1P k HQ = 式(2.2)

2n k Q = 式(2.3)

23H k Q = 式(2.4)

3P kn = 式(2.5) 式中k 、k1、k2、k3为比例常数。

图2.2 管网及水泵的运行特性曲线

当用阀门控制时,若供水量高峰水泵工作在E 点,流量为Q 1,扬程为H 0,当供水量从Q 1减小到Q 2时,必须关小阀门,这时阀门的摩擦阻力变大,阻力曲线从b 3移到b 1,扬程特性曲线不变。而扬程则从H 0上升到H 1,运行工况点从E 点移到F 点,此时水泵的输出功率正比于H 1×Q 2。当用调速控制时,若采用恒压(H 0),变速泵(n 2)供水,管阻特性曲线为b 2,扬程特性变为曲线n 2,工作点从E 点移到D 点。此时水泵输出功率正比于H 0×Q 2,由于H 1>H 0,所以当用阀门控制流量时,有正比于(H 1-H 0)×Q 2的功率被浪费掉,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 1增大,而被浪费的功率要随之增加。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。

2.1.3 管网设定水压的水力计算

给水压力的计算,供水系统的用水规模既是用户的用水量,决定了用户正常用水的给定压力。对于普通上火用水用户,根据卫生器具和用水设备用途的要求而规定的其用水装置单位时间的出水量为额定量。各种配水装置为克服给水配件水组、冲击及流速变化等阻力,而放出额定流量所需的最小静水压称为流出水头。要满足建筑内给水系统各配水点单位时间内使用所需的水量,给水系统的水压满足用水量需求的流出水头,其计算公式如式(2.6)所示。

1234H H H H H =+++ 式(2.6) 式中 H:建筑内给水系统所需的水压,kPa ;

1H :引入管起点至配水最不利点位置高度所需的静水压,kPa ;

2H :引入管起点至配水最不利点给水管路的沿程与局部水头损失,kPa ; 3H :水流通过水表时的水头损失,kPa ;

4H :配水最不利点所需的流出水头,kPa 。

其中1H 和4H 为固定水压,由建筑物的实际情况决定;2H 和3H 为给水管失压力。因此得到给水管网的特性曲线。计算公式如式(2.7)所示。

20=h H SQ + 式(2.7)

式中 0h :1H 与4H 之和,kPa ;

S :综合反映管网阻力特性的系数,kPa/()2

3m /h ; Q :管网的实际流量,3m /h 。

居民住宅生活用水定额标准及小时变化系数,见表2.1.

表2.1 住宅生活用水定额及小时变化系数

根据表2.1,一般用户的用水定额,可以通过式(2.8)计算出给水管网的流量。

()nmx /24b Q = 式(2.8) 式中 n :用户数,户;

m :每户平均人数,人;

x :每户用水定额,L ;

b :小时变化系数。

以500户(n )的小区为例,楼层为7层,高为20m 左右。由相关资料得到:一般居民供水系统的阻力系数(S )为0.2 kPa/()2

3m /h ,选择表3.1中第三个用户类型,用水定额(x )为300L ,计算流量为37.53m /h (),需要的给水系统水压

大约为4个大气压。上述计算方法只能是粗略计算,给水压力的设定在计算的基础上进行工程调试,根据实际调试值得到设定值。

2.2变频恒压供水系统控制方案的确定

2.2.1控制方案的比较和确定

恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵,实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换,同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求,有以下几种方案可供选择:

(1) 有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器

这种控制系统结构简单,它将PID 调节器和PLC 可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上,通过设置指令代码实现PLC 和PID 等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构,降低了设备成本,但在压力设定和压力反馈值的显示方面比

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