凈水廠送水泵站控制系統設計及應用畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 。 29 參考文獻 30 致 謝 31 吉林化工學院畢業設計說明書 1 第 1 章 緒論 課題研究背景及意義 水是生命之源，是人類賴以生存和發展的不可替代的重要資源之一。隨著社會經濟的迅速發展， 水對人民生活與工業生產的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統的新要求。我國家是一個在水資源和電能方面都很短缺的國家，在大力提倡節約能源的今天，人們也更加重視有關降低供水系統能耗的問題。據統計，風機和泵類負載約占我國總耗電量的 80%，這主要是由于我國供水設備工作效率低，控制方式不合理，據統計，水泵的效率大多不足 60%，存在著很大的能源浪費，因此運用水泵供水節能技術，設計可靠性高，運行效率高的供水系統具有重大的 經濟意義。 變頻調速恒壓供水系統是集變頻技術，電氣傳動技術，現代控制技術于一體先進的供水控制系統。它可以根據用水管網瞬間用水量的不同所引起的壓力變化，自動地改變水泵的轉速，自動調節峰谷供水量，保證管網供水壓力恒定，以滿足用水的要求。變頻恒壓供水系統自 80年代世界各國將其投入工業應用以來，它顯示出了強勁的競爭力，采用該系統供水可以取得非常顯著的節能效果，從而提高企業的經濟效益和社會效益。這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。 變頻調速恒壓供水的發展 變頻調速被認為是一種理想的交流調速供水方法。 20世紀 60年代中期，隨著普通晶閘管、小功率管的實用化，出現了靜止變頻裝置。這個時期的變頻裝置，多為分立元件，體積大，造價高，大多為特定的控制對象而研制。調速后的電動機靜、動態性能較差，因此應用場合較少。 20世紀 70年代以后，電力電子和微電子技術以驚人的速度向前發展，變頻 調速供水技術也隨之取得了日新月異的進步，石油危機以后以節能為目的的變頻器供水開 始出現并得到了廣泛應用。由于變頻器供水具有的高效率性能和良好的控制特性，使之在供水系統 中較多采用。 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基礎上發展起來的。早期，由于變頻器功能較簡 單，在恒壓供水系統中僅作為執行機構，為滿足用戶需求的變化，保證管網壓力恒定 ，凈水廠送水泵站控制系統設計及應 用 2 需 通過壓力變送器和 PID控制器對壓力進行閉環控制。 水壓由壓力傳感器的信號 420mA送入變頻器內部的 PID模塊，與用戶設定的壓力值進行比較，并通過變頻器內置 PID運算將結果轉換為頻率調節信號，以調整水泵電機的電源頻率，從而實現控制水泵轉速。由于變頻器內部自帶的 PID調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節 十分平滑，穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試更為簡單、方便。 本文主要研究內容 本課題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。 本設計的主 要內容如下 : ，探討變頻恒壓供水系統的控制策略，并歸納實用性的控制方案。 PID控制器的設計原理及方法。 。 (PLC)進行簡單介紹。 wincc設計工控機監控程序。 吉林化工學院畢業設計說明書 3 第 2 章 恒壓供水基本原理 恒壓供水工藝簡介 供水系統是國民生產生活中不可缺少的重要一環。傳統供水方式占地面積大，水質易污染，基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。變 頻調速技術是一種新型成熟的交流電機無極調速技術，它以其獨特優良的控制性能被廣泛應用于速度控制領域，特別是供水行業中。由于安全生產和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格的要求，因而變頻調速技術得到了更加深入的應用。恒壓供水方式技術先進、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節約電能、自動化程度高，在泵站供水中可完成以下功能： ； /自動運行； ； PID參數； ，信號顯示等 。 將管網的實際壓力經反饋后與給定壓 力進行比較，當管網壓力不足時，變頻器增大輸出頻率，水泵轉速加快，供水量增加，迫使管網壓力上升。反之水泵轉速減慢，供水量減小，管網壓力下降，保持恒壓供水。 變頻調速供水原理 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。 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 : pfn 10 60? （ 21） 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。 凈水廠送水泵站控制系統設計及應 用 4 異步電動機的轉差率為： 00n nnS ?? （ 22） 其中 n 為異步電動機的轉子轉速。 根據公式 (21)和公式 (22)，得三相異步電 動機的轉速為 : ? ?spfn ?? 160 1 （ 23） 式中 f1 是電源頻率， p 是電動機極對數， s 是轉差率。從上式可知，三相異步電動機的調速方法有： 改變電機極對數調速的調控方式控制簡單，投資省，節能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調速，而且級差比較大，即變速時轉速變化大，轉矩變化大，因此只適用于特定轉速的生產 機器。改變轉差率調速為了保證其較大的調速范圍一般采用串級調速的方式，其最大優點是它可以回收轉差功率，節能效果好，且調速性能也好，但由于線路過于復雜，增加了中間環節的電能損耗，且成本高而影響它的推廣價值。 根據公式可知，當轉差率變化不大時，異步電動機的轉速 n 基本上與電源頻率廠成正比。連續調節電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉速。但是，單一地調節電源頻率，將導致電機運行性能惡化。因為當電源電壓不變時，若頻率減小，主磁通將增加，這將導致磁路過分飽和，勵磁電流增大，功率因數降低，鐵心損耗增加；而當頻率增加時，磁通 減小，電磁轉矩及最大轉矩下降，過載能力降低，電動機的容量也得不到充分利用。因此，為了使電動機能保持較好的調速性能，要求在調節頻率的同時，改變定子電壓，以維持主磁通不變，或者保持電動機的過載能力不變。電源電壓隨頻率按什么樣的規律變化最為合適呢 ?一般認為，在任何類型負載下變頻調速時，若能保持電動機的過載能力不變，則電動機的運行性能較為理想。 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吉林化工學院畢業設計說明書 5 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，而逆變得到的交流電的頻率、電壓是可變的。 控制電路是變頻器的控制中心，它可以根據外部接線端子、操作面板或者由上位機來的通訊指令控制變頻器中的逆變電路輸出一個頻率和電壓可變的交流電壓。一般在控制電路中還集成了其它功能，如 PID調節器等。 操作面板是變頻器人 機對話的界面，通過操作面板可以觀 察變頻器的運行狀態，或者修改變頻器的運行參數。 綜上所述，通過改變電源頻率的方法，可以從高速到低速保持高效率、寬范圍和高精度的調速性能。 變頻恒壓 供水 系統的節能原理 變頻恒壓供水系統的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調節異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水的。因此，供水系統變頻的實質是異步電動機的變頻調速。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。 在供水系統中，通常以流 量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。閥門控制法是通過調節閥門開度來調節流量，水泵電機轉速保持不變。其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內保持不變，必然要造成超壓或欠壓現象的出現。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作原理是根據用戶用水 量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節能效果顯著。 變頻恒壓 供水 系統的 組成及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現場的水泵機組一起組成一個完整的閉環調節系統， 該系統的控制流程圖如圖 所示： 凈水廠送水泵站控制系統設計及應 用 6 圖 變頻恒壓供水系統控制流程圖 從圖中可看出 ，系統可分為 ： 執行機構、信號檢測機構、控制機 構三大部分，具體為 ： 執行機構 ： 執行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網，其中由 一臺變頻泵和 兩臺工頻 泵構成，變頻泵是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定 ；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態，用以在用水量很大（變頻泵達到工頻運行狀態都無法滿足用水要求時）的情況下 投入工作 。 信號檢測機構 ： 在系統控制過程中，需要檢測的信號包括 管網水壓信號、水池水 位信號和報警信號。 管網 水壓信號反映的是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬 信號，讀入 PLC 時，需進行 A/D轉換。另外為加強系統的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測，檢測結果可以送給PLC，作為數字量輸入 ；水池水 位信號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統要對系統實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電 機和水泵。此信號來自安裝于水池中 的液位傳感器 ； 報警信號反映系統是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。 控制機構 ： 供水控制系統一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器 (PLC 系統 )、 PLC (含 PID) 液位變送 器器 變頻器 壓力變送器 用戶 M 水池 水池水位信 號 報警信號 水泵機組 吉林化工學院畢業設計說明書 7 變頻器和電控設備三個部分。供水控制器是整 個變頻恒壓供水控制系統 的核心。供水控制器直接對系統中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執行機構 (即水泵 機組 )進行控制 ； 變頻器是對水泵進行轉速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。 作為一個控制系統，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統能適用于不同的供水領域，所以為了保證系統安全、可靠、平穩的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網過大波動、供水水源中斷 造成故障，因此系統必須要對各種報警量進行監測，由 PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。 變頻 恒壓 供水 系統以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水 壓力上。 恒壓供水系統 通過安裝在用戶 供水管道上的壓力變送器 實時地測量參考點的水壓，檢測管網出水壓力，并將其轉換為 4— 20mA 的電 信號 ，此檢測信號是實現恒壓供水的關鍵參數 。由于電信號為模擬量，故必須通過 PLC 的 A/D 轉換模塊才能讀入并與設定值進行比較 ，將比較后的偏差值進行 PID運算，再將運算后的數字信號通過 D/A 轉換模塊轉換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉速，進而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現變頻恒壓供水。 凈水廠送水泵站控制系統設計及應 用 8 第 3 章 變頻調速恒壓供水控制系統設計 變頻 恒壓供水系統控制原理 恒壓供水控制原理圖如 所示： 圖 閉環恒壓供水原理圖 用戶用水的多少是經常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低 。用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，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。如圖 所示，變頻器是電機變頻調速的執行者，只要改變 f 就可實現 n 的變化，從而達到無級調速的目的。測量元件用壓力變送器， U*為恒定壓力供水設定值。供水壓力 P 作為輸 出量，構成閉環控制 系統。在運行中，當用水量增大的時候，水管道內壓力值變低，反饋值 Uf 變小，即 U*大于Uf 時，變頻器通過內置 PID 進行調速，使電機的轉速加快，增加水流量，提高管道壓力，直到管道壓力 P 與設定壓力 U*對應的期望壓力值相等。當用水量減少時，水管道內壓力值 p 變大，反饋值 Uf 變大，即 U*小于 Uf 時，變頻器通過內置 PID 進行調速，使電機的轉速降低，減小水流量，降低管道壓力，直到管道壓力 P 與期望壓力設定值 U*相等?？傊?，根據反饋控制原理，最終達到的平衡狀態使實際供水壓力和設定期望壓力相等。 恒壓供水 系統方案設計與選擇 從恒壓供水的原理分析可知，系統主要有變頻器、壓力傳感器、壓力變送器等。 前面已介紹了目前常用的恒壓供水控制系統。鑒于專用變頻器系統的不足之處，本文采用通用變頻器加 PLC控制系統。水壓反饋值送入 PLC進行 PID運算，運算結果經 D／ A轉換輸出送給變頻器的反饋信號輸入端，從而調整變頻器頻率，改變電動機的轉速，調整管網水壓，保障水壓恒定。上位機與 PLC進行通信，對壓力數值進行顯示并實現PID 變頻器 管道 壓力 壓 力變送器 U* + Uf 吉林化工學院畢業設計說明書 9 系統啟?？刂?、壓力設定值的修改。且由于 PLC產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種要求和規格不同的控制系統。由 于 PLC和上位機具有良好的通信功能，此系統方便與其他系統進行通 信和數據交換。當控制要求改變時，利用編程軟件很容易進行程序的修改和下載。因此，該系統能適用于不同控制要求的場合，與機組容量大小無關。且由于良好的人機界面，使得操作更加簡單，系統運行狀態更直觀。因此本系統采用“變頻器 +PLC+上位監控計算機 的模式。 系統工作原理 系統控制組成 此系統由信號檢測、水泵拖動機組、電氣控制、上位機等組成，各部分的作用及