畢業設計-基于plc的恒壓無塔供水系統-資料下載頁

【導讀】水是生命之源，人類生存和發展都離不開水。隨著社會的發展和進步，城市高層建筑的。供水問題日益突出，對供水質量的要求進一步提高。一方面要求避免因壓力的波動而造成的。供水障礙，另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，甚至于在火災發生時也能可靠供水。基于這兩方面的要求，PLC控制的恒壓無塔供水系統應運而生。有利于實現供水系統的集中管理與監控。此外，變頻恒壓供水系統還具有良好的節能性，這。在大力提倡節能降耗的今天尤為重要。本論文將圍繞變頻恒壓控制技術開展研究工作，以期。為城市供水行業技術進步和科技應用做出貢獻。工業自動化程度低。應求的現象；而在用水低峰期水的供給量常常高于需求量，出現水壓升高供過于求的情況，爆裂以及用水設備的損壞等等不良情況的發生。變頻器僅僅用作變頻恒壓供水系統的執行機構。機組運行的情況，造成投資成本很高。從使用調查情況來看，雖然取得了。間不得超過40小時，并輪流切換。

　　

【正文】 分析變頻恒壓供水系統的實際性能與使用效果。 此外，本設計要求以 PLC 為核心設計一個變頻恒壓無塔供水系統，包括生活用水的恒壓控制和消防用水的恒壓控制 —— 即雙恒壓系統，實現： （ 1）生活供水時系統應低恒壓值運行，消防供水時系統應高恒壓值運行； （ 2）可編程控制器 PLC 需根據恒壓供水的需要，通過反饋信息控制啟動電機泵的數量； （ 3）正常生活供水時，一臺電機泵連續運行的時間不得超過 40 個小時，并輪流切換，即系 統具有“倒泵功能”，以避免某一臺電機泵持續工作時間過長； （ 4）在用水高峰期時，系統能夠根據用水需求量控制 1～ 2 臺電機泵同時協調工作，保證用水需求的正常供給； （ 5）控制系統具有故障指示功能，并且在故障發生時可進行簡單的故障處理 （ 6）三臺電機泵在啟動時具有變頻軟啟動功能，且采用分組方式運行； （ 7）控制系統可以與上位機進行通信，并可通過上位機進行遠程監控和報警。 6 第 2 章 供水系統主電路設計 供水方式的選擇 本設計的供水方式選擇變頻調速供水方式，該方式在節能效果上明顯優于氣壓罐供水方式。氣壓罐供水方 式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水。當氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉速、額定流量的條件下工作。當系統所需水量下降時，供水壓力將超出系統所需要的壓力從而造成能量的浪費。加上水泵是工頻啟動，且啟動頻繁，又會造成一定的電能損耗。相比之下，變頻恒壓供水能在系統用水量下降時無級調節水泵轉速，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，同時變頻器對水泵采用軟啟動，啟動時沖擊電流小，啟動能耗也比較小。另外氣壓罐供水需要配備一定量的鋼罐，氣壓罐體積一般比較大，占地面積達幾十平方米。在變頻調速方式中，調速裝置占地面 積僅有幾平方米，相比氣壓罐供水方式將節省大量占地面積。從運行效果上看，氣壓罐方式與調速式相比也存在著一定的差距。氣壓罐方式運行不太穩定，突出表現在頻繁啟動時。由于氣壓罐的調節容量僅占其總容積的 1/3～ l/6，因而每個罐的調節能力很小，只能依靠頻繁的啟動來保證供水穩定性，這不僅將產生較大的噪聲，同時由于啟動過于頻繁，常常造成供水壓力不穩。由于是硬啟動，電氣和機械沖擊也較大，設備損壞很快。變頻調速式的運行則十分穩定可靠，沒有頻繁的啟動現象，加之啟動方式為軟啟動，設備運行十分平穩，避免了電氣、機械沖擊。在小區供水 中，由于是經水泵加壓后直接送往用戶的，防止了水質的二次污染，保證了飲水水質質量。 通過上述比較可以看出，變頻調速式供水系統具有節約能源、節省占地、節省投資、調節能力大、運行穩定可靠的優勢，因而具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益與社會效益。 系統方案選擇 變頻恒壓供水系統的控制對象是時變的、非線性的、滯后的和模型不穩定的，對它的控制屬于工業過程控制的范疇，即以供水出口管網水壓為控制 7 目標，通過控制作用實現總管網的出口實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。所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， 即在每一個時段內是一個常數。因此，在某個特定時段內，變頻恒壓控制的目標就是使總管網出口的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上。 變頻恒壓系統主要由壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。系統設計的主要任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定、水泵電機的軟起動以變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要進行運行數據傳輸。根據系統的設計任要求，結合系統的使用場所，一共有以下幾種方案可供選擇： ＋水泵機組＋壓力傳感器 這種控制系統 結構簡單，它將 PID 調節器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現 PLC 和 PID 等電控系統的功能。該方法雖然微化了電路結構，降低了設備成本，但是壓力設定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，無法自動實現不同時段的不同恒壓要求。在調試時，PID 調節參數尋優困難，調節范圍小，系統的穩態、動態性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。 ＋單片機 (包括變頻控制、調節器控制 )＋人機界面＋壓力傳感器 這種方式控 制精度高、控制算法靈活、參數調整方便，具有較高的性能 /價格比，但開發周期長；程序一旦固化，修改較為麻煩，現場調試的靈活性差；變頻器在運行時，將產生干擾，變頻器的功率越大，產生的干擾越大，必須采取相應的抗干擾措施來保證系統的可靠性。該系統適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。 ＋ PLC(包括變頻控制、調節器控制 )＋人機界面＋壓力傳感器 這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，可以方便地與其它的系統進行數據交換；通用性強，由于 PLC 產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規模和要求不同控制 系統。在硬件設計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當控制要求發生改變時，可以方便地通過 PC 機來改變存貯器中的控制程序，現場調試方便。同時由于 PLC 的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統的可靠性大大提高。因此，該系統適用于各類不同要求的恒 8 壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。 通過對以上幾種方案的分析和比較，可以看出“通用變頻器＋ PLC(包括變頻控制、調節器控制 )＋人機界面＋壓力傳感器”的控制方案更適合于實際應用。該控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數據傳輸的優點，又能達到系統穩定性及控制精度的 要求。恒壓供水系統控制方案原理如圖 所示；恒壓供水系統構成如圖 。 圖 恒壓供水系統控制方案原理框圖 圖 恒壓供水系統構成圖 供水系統主電路設計 主電路圖設計 供水主電路設計如圖 所示，采用一臺變頻器拖動 3 臺電動機起動、壓力信號 PL C 控制器 變頻器 執行機構 （ 電機泵 ）壓力變送器信號檢測通訊接口 蓄水池水位控制JS浮球開關加水入口蓄水池PLC變頻器M 1M 2M 3M 4壓力變送器通訊接口消防用水生活用水 9 運行與調速，每臺電機泵具有變頻 /工頻兩種工作狀態，三臺電機都通過三個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關，用來實現電機、變頻器的過流、過熱保護，在變頻器出現問題時 ，要求可以手動實現工頻／變頻轉換。自動空氣開關的容量依據電動機的額定電流來確定，所有的接觸器也將依據電動機的容量來適當選擇。 圖 供水主電路原理圖 圖中 M1～ M3 為三臺主供水電機泵， M4 為附屬小電機泵； BP 為變頻器；QS1～ QS6為斷路器； KM1～ KM13為接觸器，分別用于控制 M1～ M4電機泵； PG1～PG3 為電流表，用于檢測電機泵的電流； PV1～ PV3 為電壓表，用于檢測三相電各相電壓； TA1～ TA3為電流互感器； ZB1～ ZB3 為自耦變壓器，用于在手動操作時對主供水 電機 M M M3 進行降壓啟動； BB1～ BB4 為熱繼電器； FA1～FA7 為快速熔斷器。 對于變頻器而言，變頻器外控端子有 FWD、 BX、 RST 和 CM。其中 FWD 控制變頻器啟動 /停止； BX 控制變頻器緊急停止； RST 控制變頻器故障復位； CM則是外控端子的信號公共端。當 FWDCM 接通時，電機正轉運行；當 FWDCM 10 112PP ???斷開時，電機正轉運行停止；當 BXCM 接通時，變頻器斷開所有輸出，電機處于自由運轉模式。因此，變頻器正常運轉時，必需保證 BXCM 斷開。 水泵電機 供水所用水泵主要是普通 離心泵，其葉輪安裝在泵殼內，并緊固在泵軸上，泵軸由電機直接帶動，泵殼中央有一液體吸入口與吸入管連接，液體經底閥和吸入管進入泵內，泵殼上的液體排出口與排出管連接。 在泵啟動前，泵殼內灌滿被輸送的液體：啟動后，葉輪由軸帶動高速轉動，葉片間的液體也必須隨著轉動。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開葉輪外緣進入蝸形泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴大而減速，又將部分動能轉變為靜壓能。最后以較高的壓力流入排出管道，送至需要場所。液體由葉輪中心流向外緣時，在葉輪中心形成了一定的真空，由于貯 槽液面上方的壓力大于泵入口處的壓力，液體便被連續壓入葉輪中。可見，只要葉輪不斷地轉動，液體便會不斷地被吸入和排出。 供水電機驅動離心泵運行，和離心泵共同組成了供水系統的整體，電機的配置主要以水泵供水負載來決定。 電動機的功率應根據生產機械所需要的功率來選擇，盡量使電動機在額定負載下運行。選擇時應注意以下兩點： (1)如果電動機功率選得過小，就會出現“小馬拉大車”現象，造成電動機長期過載，使其絕緣因發熱而損壞，甚至電動機被燒毀。 (2)如果電動機功率選得過大，就會出現“大馬拉小車”現象，其輸出機械功率不能得到 充分利用，功率因數和效率都不高，不但對用戶和電網不利，而且還會造成電能浪費。 要正確選擇電動機的功率，必須經過以下計算或比較： 對于恒定負載連續工作方式，如果知道負載的功率 (即生產機械軸上的功率 )P1（ kw），可按式 計算所需電動機的功率 P(kw)： （ 21） 其中： 1? —— 為生產機械的效率； 2? —— 為電動機的效率，即傳動效率 。 11 按上式求出的功率，不一定與產品功率相同。因此，所選電動機的額定功率應等于或稍大于計算所得的功率。 水泵調速運行，是指水泵在運行中根據運行環境的需要，人為的改變運行工作狀況點 (簡稱工況點 )的位置，使流量、揚程、軸功率等運行參數適應新的工作狀況的需要。水泵的工況點是由水泵的性能曲線和管網的特性曲線的交點確定的。因此，只要這兩條曲線之一的形狀或位置有了改變，工況點的位置也就隨之改變。所以，水泵的調節從原理上講是通過改變水泵的性能曲線或管網特性曲線或二者同時改變來實現的。 （ 1）用戶供水量計算 六盤水市水城縣供水公司主要負責縣城區約 6 萬人的生活、消防供水。由于六盤水屬中小城市，所以最大生活用水量按Ⅲ類住宅用水定額標準（ 190L/人 /天）計算。即： 城區日最高生活用水量： （ 22） 最高小時生活用水量： （ 23） 其中： m —— 縣城區人數； dq —— Ⅲ類住宅用水定額（取： 190L/人 /天）； HK —— Ⅲ類住宅時間常數（取： ）； T —— 每日用水時間。 （ 2）供水揚程及給定水壓計算 在供水系統中，計算揚程一般把最不利點（最遠或最高層）作為計算依據。本設計中，六盤水市老城區樓房比較集中，遠近相差不大，而最高樓約為 37m，所以設計中選擇最高層作為揚程計算依據，再加上經驗值 10m～ 15m，則泵的總揚程約為 47～ 51m。 理論上，若要獲得 10m 揚程則需要 的壓力，因此，本設計給定水壓應為： （ 24） 3600 00 190 ( / ) 114 000 00( / ) 114 00( m / )DdQ m q L L? ? ? ? ? ?天 天 天33114002 . 3 ( / h ) 1 0 9 2 . 5 ( / h )24DHH K m mT? ? ? ? ?a a aH 3 7P M P M P 0 .3 7 M P1 0 0 1 0 0???（ ） （ ） （ ） 12 其中： H —— 實際供水高度，即樓高 37m。 （ 3）水泵及適配電動機選型（ M1～ M3） 終上所述，由于需要 12 臺電機泵同時協調工作，于是結合目前市場現有水泵型號， M1～ M3可選擇 300S58A 水泵三臺作為主供機泵，其流量 720m3/h、揚程 49m、軸功率 118kw、轉速 1485r／ min。 根據本章式 可計算出適配的電動機功率： （ 25） 其中： 1P —— 生產機械軸上的功率； 1? —— 為生產機械的效率（取 80%）； 2? —— 為電動機的效率，即傳動效率（取 %）。 所選的電動機功率應該比計算值略大一些，因此，結合泵的型號及目前市場電動機型號，確定適配電動機型號為 Y315L14/160kw，該電動機為三相鼠籠式異步電動機、功率 160kw、效率 %、轉速 1485r／ min、額定電流、電壓 380V。 （ 4）附屬小泵選型（ M4） 為了適應夜間用水量很小的情況，還需要一臺 Y200L22/37kw 電機帶動6SA8水泵作為附屬小泵，即： M4。其只運行于啟、停兩種工作狀態，用以夜間對管網用水量進行少量的補充。 6SA8 水泵流量 、揚程 50m、轉速 2950r／ min，適配電動機Y200L22/37kw，其功率 37kw、效率 92%、轉速 2950r／ min、額定電流 、電壓 380V。 在該供水系統