基于plc和變頻器的恒壓供水自動控制系統設計_畢業設計說明書(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 口變壓控制 水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器設在水泵出口處 ， 但其壓 力設定值不只是一個。是將每日 24 小時按用水曲線分成若干時段 ， 計算出各時段所需的水泵出口壓力 ， 進行全日按時段變壓 ， 各時段恒壓控制。這種控制方式其實是水泵出口恒壓控制的特殊形式。它 比水泵出口 恒 壓控制方式更能節能 ， 但這取決于將全天 24 小時分成的時段數及所需水泵出口壓力計算的精確程度。所需水泵出口壓力計算得越符合實際情況越節能 ， 將全天分得越細越節能 ， 當然控制的實現也越復雜。 ⑶ 最不利點恒壓控制 最不利點恒壓控制是將壓力傳感器設在系統最不利點處 ， 使系統在運行過程中 ， 最不利點的壓力恒定。這種方式的節能效果是最佳的 ， 但 是由于最不利點一般距離泵房較遠 ， 信號傳遞 過程 在實際應用中受到諸多限制 ， 因此工程中很少采用。 變頻調速供水方式 的 基建、設備投資和占地面積比水塔式和氣壓罐式供水系統都要少 ， 輸出水壓設定值可任意調節 ， 方便靈活 ， 適應力強 ， 可以說是目前最理想 的 節能效果 ， 最好的供水方式。現將變頻調速供水方式和氣壓罐供水方式作一比較。 變頻調速式在節能效果上明顯優于氣壓罐式。氣壓罐式依靠壓力罐中的 壓縮空氣送內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 7 水 ， 氣壓罐配套水泵在運行時 ， 是在額定轉速、額定流量的條件下。當系統所需水量下降時 ， 供水壓力超出系統所需壓力而造成能量的浪費。同時水泵 是滿頻率啟動 ， 且啟動頻繁 ， 又會造成一定的能耗。而 對于 變頻調速式 ， 當系統用水量下降時 ， 可無級調節水泵轉速 ， 使供水壓力與系統所需水壓大致相等 ， 這樣就節省了許多電能。而且其變頻調速式水泵采用軟啟動 ， 啟動時沖擊電流很小 ， 又降低了啟動能耗 ， 進一步節能。氣壓罐是用鋼材制造 ， 一般情況下建筑面積 萬 m2需安裝φ ， 的氣壓罐 2 個。氣壓罐式的供水方式耗鋼量較大 ， 因而 ， 如果在全國推廣氣壓罐式供水系統 ， 這對我國來說將是一項較大的投入。而變頻調速供水系統的變頻器是一臺由微機控制的電氣設備 ，不存在消耗大量鋼材的問題 ； 另外 ， 由于氣壓罐體積大 ， 一般數量多為 2～ 3 個 ， 這樣需占地面積一般為幾十平米；而變頻調速中的調速裝置占地面積僅為零點幾平米 ， 由此可見 ， 變頻調速比氣壓罐式供水系統節省了占地面積 ， 由此將帶來土建投資的節省。在運行效果上 ， 氣壓罐式與調速式相比也存在著一定差距。氣壓罐式的運行不穩定 ， 突出表現在它啟動頻繁 ， 而且由于氣壓罐的調節容積僅占其總容積的 1/3～ 1/6， 因而每個罐的調節能力很小 ， 只得依靠頻繁的啟動來保證供水 ， 這樣不僅增加了啟動能耗 ， 還將產生較大的噪聲和電信號的干擾 ， 嚴重影響居民生活。此外 ， 由于 氣壓罐式的 壓力不穩 ， 啟動過于頻繁 ， 加之又是硬啟動 ， 所以電氣和機械沖擊較大 ， 設備損壞很快 ， 管網和衛生設備也因水壓沖擊有加大泄漏的可能。調速式的供水系統沒有頻繁的啟動現象 ， 加之啟動方式為軟啟動 ， 設備運行十分穩定、可靠 ， 不僅可避免電氣、機械沖擊 ， 又由于壓力穩定 ， 可使小區管網和衛生設備的泄漏量明顯降低 ， 噪音、振動下降 ， 周圍居民的生活也不受影響或甚微。更主要的是由于調速式是經水泵加壓后直接送往用戶的 ， 防止了氣壓罐中由于氣水接觸、隔膜與水接觸而可能造成的水質二次污染 ， 保證了用水水質的安全可靠。 由此可見 ， 變頻調速式供水系統具有節能、節省 資源消耗、節省投資 、 調節能力大、內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 8 運行穩定可靠等諸多優勢 ， 具有明顯的經濟效益和社會效益。 變頻 恒壓供水系統的國內外研究現狀 變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。在早期 ， 由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護功能 ， 應用在變頻恒壓供水系統中 ， 變頻器僅作為執行機構 ， 為了滿足供水量大小需求不同時保證管網壓力恒定 ， 需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力變送器 ， 對壓力進行閉環控制。隨著變頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程 度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現和認可后 ， 國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器 ， 像日本 Samco 公司就推出了恒壓供水基板 ， 備有變頻泵固定方式 、 變頻泵循環方式兩種模式。它將 PID 調節器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上 ， 通過設置指令代碼實現 PLC 和PID 等電控系統的功能 ， 只要搭載配套的恒壓供水單元 ， 便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作 ， 可構成最多 7 臺電機 (泵 )的供水系統。這類設備雖微化了電路結構 ， 降低了設備成本 ， 但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性 ， 系統的動態性 能和穩定性能不高 ，與別的監控系統和組態軟件難以實現數據通信 ， 并且限制了帶負載的容量 ， 因此 ， 在實際使用時其范圍將會受到限制。 目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程 ， 大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速 。對于 水管管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制 ， 有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現 ， 有的采用單片機及相應的軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標方面 ， 還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為 (現己更名為艾默生 )電氣公司和成都希望集團 (森蘭變頻器 )也 推出了恒壓供水專用變頻器 ()， 無需外接 PLC 和 PID 調 節器 ， 可完成最多內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 9 四 臺水泵的循環切換、定時起、停和定時循環。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現 ， 但其輸出接口限制了帶負載容量 ， 同時 ， 操作不方便且不具有數據通信功能 ， 因此只適用于小容量 、 控制要求不高的供水場所。 可以看出 ， 目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中 ， 對于能適應不同的用水場合 ， 結合現代控制技術、網絡和通訊技術的大功率變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制及監控研究的不夠。因此 ， 有待于進一步研究改善變頻 恒壓供水系統的性能 ，使其能被更好 地 應用于生活、生產實踐。 變頻恒壓供水系統的 發展 前景 變頻恒壓供水是在交流變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的 ， 所以 ， 談變頻調速恒壓供水系統的發展就是要看交流變頻調速技術的發展 ， 交流變頻調速技術的是建立在電力電子技術基礎之上的。電力電子器件最初是普通晶閘管 ， 它主要是電流控制型開關器件 ， 以小電流控制大功率的變換 ， 其開關頻率低 ， 且 只能導通不能自關斷。 20 世紀 70 年代 ， 電力電子器件開發 了 電力晶體管 (GTR)和門極關斷 (GTO)晶閘管 ， 它是一種電流型自關斷的電力電子器件 ， 可以方 便的實現變頻、逆變和斬波 ， 為變頻調速技術的開發、發展和普及奠定了基礎。 20 世紀 80 年代 ， 又進一步開發成功了絕緣柵雙極性晶體管 (IGBT)， 它是一種電壓 (場控 )型自關斷的電力電子器件 ， 具有在任意時刻用基極 (柵極、門極 )信號控制導通或關斷的功能 ， 從而使變頻調速技術又向前邁進了一步。電力電子器件發展逐步把控制、驅動、保護等功能集成化起來 ， 出現了智能化功率集成電路(IGBT)模塊和智能功率模塊 (IPM)， 它們實現了開關頻率的高速化、低導通電壓的高性能及功率集成電路的大規模化 ， 包括了邏輯控制、功率、保護、傳感及 測量的電路功能 ，為交流變頻調速技術開辟了新的天地。電力電子技術的發展與后來的正弦波脈寬調制技術 （ SPWM） 的結合推動了變頻調速應用于恒壓供水系統中。 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 10 電力電子技術發展方向是：高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、小型化、智能化和低成本化。這無疑將推動交流變頻調速技術向新的方向發展。 我國的交流變頻調速技術雖起步晚 ， 但是已取得了巨大發展 ， 變頻技術逐步應用在各個領域 ， 尤其在風機、水泵方面 ， 但同國外仍有一定的差距 ， 我們還要大力發展自己的電力電子技術。 隨著 國外交流變頻調速技術高速發展 、 工業自動化程度的不斷提高和全球 性能源短缺 ， 變頻器越來越廣泛地應用在機械、紡織、供水、化工、造紙、冶金、食品等各個行業 ， 并取得顯著的經濟效益。尤其在水泵、風機 控制 方面的應用 ， 取得了顯著的節能效果 ， 近年來高電壓大電流的 SCR、 GTO、 IGBT 等器件的生產以及并聯、串聯技術的發展應用 ， 使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現實 。 課題來源及本文的主要 研究內容 課題來源 本課題來源于生產、生活供水的實際應用 。 主要 研究內容 通過前面對傳統供水現狀和變頻恒壓供水系統的應用前景分析可知 ， 變頻調速恒壓供水系統在我國已成為供水行業發展的主流趨勢。變 頻恒壓供水系統主要由變頻器、可編程控制器、人機界面、各種傳感器等組成。本文研究的目標是對恒壓控制技術給予提升 ， 使系統的穩定性和節能效果進一步提高 ， 操作更加簡捷 ， 故障報警及時迅速 ， 同時具有開放的數據傳輸。該系統可以用于深井泵恒壓供水系統 、 各類型的自來水廠 、 消防用水系統、工業鍋爐補水系統 ， 還可以廣泛應用于化工、制冷空調和其他工業及民用領域。本文研究的主要內容如下 ： 1. 變頻調速恒壓供水系統 概況。 主要介紹 該系統的 目的 、 意義 、應用、現狀和發展 ，內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 11 同時 還 介紹該供水系統 中 起關鍵作用的變頻調速技術和 PLC 技術及其 特點。 知識。 主要介紹變頻調速恒壓供水系統的工作原理 ，變頻器的節能、調速原理；變頻器的工況點的確定和能耗機理分析 ， 以及系統調速范圍的確定。 3. 供水系統硬件設計及實現 。 主要介紹了該恒壓供水系統的 功能、結構 組成 、 實現方法 、 設備選型、主電路以及控制電路設計等內容。 4. 軟件 系統 設計與實現 主要介紹變頻調速恒壓供水系統的總體軟件流程 、 在STEP7 環境下 開發的 泵組切換程序 、 變頻器參數 設置等內容 。 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 12 第二章 變頻恒壓供水自動控制系統 簡介 供水系統的基本特性 供水系統的基本特性和工作點揚程特性是以供 水系統管路中的閥門開度不變為前提 ， 表明水泵在某一轉速下揚程 H 與流量 Q 之間的關系曲線 f(Q)如圖 21 所示。由圖可以看出 ， 流量 Q 越大 ， 揚程 H 越小。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下 ， 流量的大小主要取決于用戶的用水情況 ， 因此 ， 揚程特性所反映的是揚程 H 與用水流量 QV之間的關系。而管阻特性是以水泵的轉速不變為前提 ， 表明閥門在某一開度下 ， 揚程 H與流量 Q 之間的關系 H=f(QV)。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規律。由圖可知 ， 在同一閥門開度下 ， 揚程越大 ，流量也越大。由 于閥門開度的改變 ， 實際上是改變了在某一揚程下 ， 供水系統向用戶的供水能力。因此 ， 管阻特性所反映的是揚程與供水流量 QG之間的關系 H=f(QG)。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點 ， 稱為供水系統的工作點 ， 如圖 中的 A 點。在這一點 ，用戶的用水流量 QV和供水系統的供水流量 QG處于平衡狀態 ， 供水系統既滿足了揚程特性 ， 也符合了管阻特性 ， 系統穩定運行。 H AQ AA管 阻 特 性揚 程 特 性H ( m )Q ( m 3 / s ) 圖 供水系統的基本特性 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 13 恒壓供水系統 的基本構成與 原理簡介 人們的生產和生活都離不開用水。一般在水源離 用水場所較遠的場合 ， 需要管道的輸送。將水送到遠處或較高的地方 ， 管道中是需要有一定水壓的 ， 水泵是產生水壓的設備 ， 水泵轉動的越快 ， 產生的水壓越高。水壓高了 ， 才能將水輸送到遠處或較高樓層。而在高層住宅小區里 ， 用戶用水的多少是經常變動的 ， 供水不足或供水過剩的情況時有發生。保持供水的壓力恒定 ， 可使供水和用水之間保持平衡 ， 即用水多時供水也多 ， 用水少時供水也少 ， 從而提高了供水的質量。由水泵 — 管道供水原理可知 ， 調節供水流量 ，原則上有二種方法 ， 第一種方法是節流調節 ， 開大供水閥 ， 流量上升 ， 關小供水閥 ， 流量下降。第二種方法是調速 調節 ， 水泵轉速升高 ， 供水流量 ， 增加轉速下降 ， 流量降低。對于用水流量經常變化的場合 ， 采用調速調節流量 ， 具有優良的節能效果。其優點是 啟動 平穩 ， 啟動 電流可限制在額定電流以內 ， 從而避免 啟動 時對電網的沖擊 。 由于泵的平均轉速降低了 ， 從而可延長泵和閥門等的使用壽命 ， 可以消除 啟動 和停機時的水錘效應 。在鍋爐和其他燃燒油的場合 ， 恒壓供油可使油的燃燒更加充分 ， 大大地減輕了對環境的污染。 變頻調速恒壓供水自動控制系統由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器、工控機以及控制柜等構成。 壓力傳感器用