基于plc的水廠變頻調速恒壓供水系統設計_畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 5 略，并歸納實用性的控制方案。 3） 研究 PDI 控制器的設計原理及方法。 4） 設計變頻 恒壓供水系統的硬件和軟件。 5） 對變頻調速技術及可編程序控制器 (PLC)進行簡單介紹。 7） 以 組態軟件組態王設計工控機監控程序。廣東石油化工 學院本科畢業 (設計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調速恒壓供水系統 的設計 6 第二章 變頻調速恒壓供水系統的理論分析 供水系統的基本特性 水泵的主要參數 水泵主要工作參數有 :流量、揚程、功率、效率、轉速以及壓力 [6]。 (1) 流量 Q 水泵流量是指水泵在單位時間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質量流量兩種。以耐 /s(米 3/秒 )、 m3/h(米 3/小時 )、七 /:(千克 /秒 )、 t/:(噸 /秒 )等表示。供水系統的基本任務是滿足用戶的流量要求。 (2) 揚程 水泵揚程也稱水頭，是水泵由葉輪傳給單位質量液體的總能量，單位以 m計。揚程主要包括三個方面 :提高水位所需的能量 。克服水在管網中流動時所需的能量 。使水流具有一定流速所需的能量。 其中提高水位所需的能量是揚程的主體部分。因此把水從一個位置“上揚”到另一位置時，用水位的變化量 (即水位差 )代表揚程。即水泵揚程最終反映的是水泵供水高度。水泵總揚程包括把水上揚到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，等于排水垂直水柱和管路阻力損失水柱之和。 實際揚程是通過水泵實際提高的水位所需的能量。損失揚 程是全揚程與實際揚程之差 ,即 : 總揚程 =實際揚程 +損失揚程 (3) 功率 水泵功率有兩種 :有效功率 PM和軸功率 PN。 有效功率 PM(KW)為泵內液體實際所獲得的凈功率 ； 軸功率 PM(KW)是水泵在一定流量、揚程下運行時所需的外來功率，即由電動機傳給水泵軸上的功率。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，才成為有效功率。 (4) 效率 有效功率與軸功率的比值為效率 η mnP=P? （ 21） 水泵效率標志著水泵傳遞能量的 有效程度，亦即反映了泵內功率損失的大小，是 一 項重要的技術經濟指標。 (5) 轉速 n 第二章 變頻調速恒壓供水系統的理論分析 7 轉速 n 是指葉輪每分鐘的轉數。當轉速改變后，水泵工作性能也隨著改變。 (6) 壓力 p P 表示 供水系統中某個位置或某個點水壓的物理量，其大小在靜態時取決于管路的結構和所處的位置，而在動態情況下，則還與供水流量與用水流量之間的平衡情況有關。 水泵的供水特性 水泵的供水特性包括揚程特性和管阻特性 [7]。 (1) 揚程特性 在管路中閥門完全打開的情況下，表明全揚程 H隨用水量 Q變化曲線 H=f(Q)，稱為揚程特性曲線，如圖 21 所示。圖中 A1 點是流量較小 (等于 Q1)時的情形，這時全揚程較大，為 H1； A2 點是流量較大 (等于 Q2)時的情形，這時全揚程較小，為 H2。當流量越大時，管道中的摩擦損失以及保持一定流速所需的能量也越大，故供水系統的全揚程就越小。流量的大小取決于用戶，是“用水流量”。因此，揚程特 性 反映了用戶的用水需求對全揚程的影響。 圖 21 水泵的揚程特性 (2) 管阻特性 管阻是管道系統 (包括水管、閥門等 )對水流阻力的物理量。通常用揚程與流量間的關系曲線來描述。 管阻特性也叫管路特性，是反映為了維持一定的流量而必須克服管阻所需的能量 ，它和閥門開度有關。實際上是表明當閥門開度一定時，為了提供一定流量的水所需要的揚程，因此這里的流量可以理解為“供水流量”，用 Q 表示 .所以管阻特性的函數關系是 H=f(Q)，如圖 22 所示，供水流量較小 (Q=Q1)時，所需揚程也較小 (H=H1)，如點 B1。反之，在供水流量較大 (Q=Q2)時，所需揚程也較大 (H=H2)，H 1H 2HA 1A 2Q 1 Q 2 Q廣東石油化工 學院本科畢業 (設計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調速恒壓供水系統 的設計 8 如點 B2。管阻特性的起始揚程等于靜揚程 HA，如果全揚程小于 靜揚程的話，將不足以克服管路的管阻，從而不能供水，因此，靜揚程也是能夠供水的“基本揚程 ”。 圖 22 水泵的管阻特性 水泵的工 作點確定 水泵工作點是指水泵在確定的管路系統中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數 [8]。 水泵在實際運行時的工況點取決于水泵性能管路性能以及所需實際揚程。這三種因素任一項發生變化，水泵的運行工況都會發生變化。如果把某一水泵揚程特性曲線和管阻特性曲線畫在同一坐標系中 (圖 23)，則這兩條曲線的交點 A 就是水泵的工 作點。 圖 23 水泵的工作點的確定 H H 1H 2 H AB 1 B 2Q 1Q 2 Q0HH AA0Q A Q 管阻特性曲線 揚程特性曲線 水泵效率曲線 第二章 變頻調速恒壓供水系統的理論分析 9 工作 點 A 是水泵運行的理想工作 點，若把水泵的效率曲線也畫在同一坐標系中，在圖 23 中可以找出 A 點的揚程 H、流量 Q 以及效率 η 。從圖中可以看 出，水泵在工作 點 A 點提供的揚程和管路所需的揚程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到流量和能量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。實際運行時水泵并非總是固定在 A 點。一旦當水泵和管阻特性中的一個參數或所有參數同時發生變化時，平衡就會被打破，并且在新的條件下出現新的平衡。另外確定工況點一定要保證水泵裝置在高效率范圍內運行 。 工 作 點的參數，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設計和運行管理中的一個重要問題 [9]。供水功率是供水系統向用戶供水時所消耗的功率 P(KW)稱為供水功率，供水功率與流量 Q 和揚程 H 的乘積 (如圖 23 中 0QAAHA的 面積 )成正比。 水泵的工作 點調節 對供水系統進行的控制，歸根結底是為了滿足用戶對流量的需求。所以在供水系統中，最根本的控制對象是流量。而流量的大小又取決于揚程，實際運行中水泵的流量是隨著用水量的變化而變化的，揚程也因水位和流量的變化而變化，因此水泵不能總工作在一個工況點，需要根據實際情況進行控制，因此要討論節能問題，必須從考察調節流量的方法入手，即工況點的調節方法，常見的方法有閥門控制法和轉速控制法兩種 [9][10]： (1) 閥門控制法 圖 24 管網和泵運行曲線 閥門控制法屬于節流調節，即通過關小或開大閥門來調節流量，而 泵的 轉速保持 不變。閥門控制法的實質是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量，以適應用戶對流量的要求。這時管阻特性將隨閥門H BF H A Hc H 0B4123 閥門關小 閥門開大 額定轉速 轉速下降C 0 Q B Q A Q廣東石油化工 學院本科畢業 (設計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調速恒壓供水系統 的設計 10 開度的改變而改變，但是揚程特性不變。這種通過關小閘閥來改變水泵工作點位置的方法，稱為節流調節，如圖 24 所示 。 泵的初始工作點在 A 點，水泵提供的揚程、流量恰好與管路所需得揚程、流量相等。當用戶所需流量減少時，設從 Qa 降至 Qb，必須把水泵出水口閘閥關小來減少水泵出口水流量，使之與管網所需流量相等，否則會因管 網過載而造成爆管的危險。此時，管阻特性由曲線 2 變為曲線 4，水泵的工況點則沿著水泵特性曲線由 A 點移至 B 點，此時流量減小了，但揚程卻由 HA增大到 HB。供水功率與面積 OEBF 成正比，水泵所提供的能量一部分消耗于克服閘閥的附加阻力，造成額外損失。并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是 H 增大，而被浪費的功率要隨之增加。 (2) 轉速控制法 轉速控制法屬于變速調節，是通過改變水泵的轉速來調節流量，而閥門開度則保持不變 (通常為最大開度 )，轉速控制法的實質是通過改變水泵 的供水能力來適應用戶對流量的要求，當水泵的轉速改變時，揚程特性將隨之改變而管阻特性不變。如圖 24，當用戶所需用水流量由 QA減小至 QB，當轉速下降時，揚程特性變為曲線 3，管阻特性仍為特性曲線 2，故工作點從 A 點移動到 C 點，在 C 點流量減小為 QB，而揚程減小為 HC，供水功率與面積 0ECHC成正比。 兩種方法比較 : 由于閥門控制是通過增加管道的阻力而達到控制流量的目的，因而浪費了能量 。而電動機調速控制可以通過改變水泵電動機的轉速來變更水泵的工況點，使其流量與揚程適應管網用水量的變化，從而達到節能的效果。但由于開環 轉速控制中，揚程隨著流量的減小而減小，往往不能滿足實際工程需要。 PHH ’H*0QAQBQCA’ABCn2n1nNQ圖 變頻恒壓控制工況點調節 第二章 變頻調速恒壓供水系統的理論分析 11 因此采用閉環恒壓控制，對于變頻調速恒壓控制，工況點如圖 所示，理想運行特性曲線為直線 H*ABC。 三相異步電動機的調速 異步電動機調速原理 變頻供水系統是通過變頻器控制泵的異步電機的轉速，通過異步電動機驅動水泵供水來改變水泵的實時供水量，完成恒壓供水的目標。因此，供水系統變頻調速的實質是異步電動機的變頻調速。三相異步電動機的 調速是指在電動機負載不變的條件下，通過控制改變電機轉速，達到用戶要求。這種調速方式，可以大大簡化系統中的變速機構，提 高 系統的 性 能價格比。 異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。 異步電動機的同步轉速為 : 10 60fn=p （ 22） 其中 n0是異步電動機的同步轉速， f1是異步電動機的電源頻率， p為異步電動機的極對數。 異步電動機的轉差率為 ： 00nnS= n? （ 23） 其中 n 為異步電動機的轉子轉速。 根據公式 ()和公式 ()，得三相異步電動機的轉速為 : 160fn= Sp （ 1 ） （ 24） 調速方法 由公式 ()可知，異步電動機可以通過改變電源頻率、磁極對數和轉差率實現調速。 (l) 變極調速 改變定子極對數，可使異步電動機的同步轉速 10 60fn=p改變，從而得到轉速的調節。改變電機的極對數調速相當困難，這會使電機結構變復雜，而且不能實現無級調速 。 (2)變轉差率調速 變轉差率調速 即轉子電路串接電阻調速、改變定子電壓調速、滑差電機等。廣東石油化工 學院本科畢業 (設計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調速恒壓供水系統 的設計 12 這些方法的共同特點是 :在調速過程中均產生大量的轉差功率，消耗在轉子電路，使轉子發熱，調速的經濟性較差，會使效率降低，而且調速范圍也受到限制 。 (3)變頻調速 當極對數 p 不變時，電機轉子轉速 n 與電動機的電源頻率 f1 成正比。因此，通過連續調節異步電動機供電頻率，就可以平滑的調節電動機的轉速。異步電動機變頻調 速具有調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優點。實現這種調速的設備稱作變頻器，變頻器的硬件組成框圖見圖 26 所示。 整 流 電 路 中 間 電 路逆 變 電 路控 制 電 路M3 ~外 部 接 線 端 子控 制 面 板交流電源RST 圖 26 交流變頻調速器的基本原理 下面簡單介紹一 下變頻器的工作原理 : 變頻器由整流電路、中間電路、逆變電路、控制電路、操作面板等組成。交流電源首先經過整流電路，將工頻交流電源整流成直流，通過中間電路中的電感或者電容濾波作用，使整流后的直流紋波降低，同時中間電路可以降低逆變電路反饋到工頻電源的諧波電流。 逆變電路是變頻器的功率輸出 部分，一般由 多刀 T 等大功率開關器件及其驅動、保護電路構成。逆變電路接受來自控制板的控制信號，將直流電進行逆變成交流電，