恒压供水系统变频器课程设计.docx

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恒压供水系统变频器课程设计

课程设计报告书

交流调速系统与变频器应用

恒压供水系统

课程名称：

《交流调速系统与变频器应用》

课题名称：

恒压供水系统

系部名称：

专业班级：

姓名：

学号：

年月日

设计任务书

设计目的：

自动恒压供水在日常生活中应用较多，用变频器可以比较容易的实现恒压供水。

本设计的目的在于设计一种用变频器实现的高楼无塔恒压系统。

技术指标：

1、三台水泵电机功率分别为2.2KW、3KW、5.5KW。

2、采用PLC控制，用水高峰时压力稳定在0.3MPa

3、系统具有休眠功能

4、采用闭环控制，确保压力波动小、达到设定压力时间短

5、有输入电源缺相、过压、过流、过载等安全保护功能

6、该系统具备防误操作等功能

一、恒压供水系统的介绍

一个三台泵生活/消防双恒压供水系统主要是由PLC、变频器、压力传感器、水泵断路器、接触器、中间继电器以及水泵等组成。

用户通过控制柜上的指示操作面板上的指示灯、TD-200显示屏及按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。

市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀，它们自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱内注水。

水池的高/低水位信号也接送给PLC，作为低水位报警用。

通过安装在出水管网上的远传压力传感器将压力信号转化为4-20mA的标准信号送入PLC，经PID运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵转速，调节系统供水量，使系统的供水管网压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制增加泵。

根据用户用水量的大小来控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。

当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以压力设定值为基准的闭环控制系统。

为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离不是很大。

生活用水和消防用水共三台泵，平时由两台生活泵负责生活用水，当消防系统启动时，生活用水水泵立即停止运行，消防泵立即投入运行，并按设定压力对消防水泵进行变频调速。

消防系统警报解除后，生活泵再投入运行。

二、恒压供水系统的原理

 恒压供水控制系统的基本控制原理是：

采用电动机调速装置与可编程控制器构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。

系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。

目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控。

恒压供水指的是主管出口压力恒定的供水方式。

变频调速恒压供水系统通过实时检测供水主管出口压力，然后与设定值进行比较,经压力调节器运算处理后,在线自动调节变频器,控制泵的转速随压力变化而变化,最终达到主管出口压力稳定在设定值上的目的。

原理图见图下图

图2-1恒压供水原理图

首先我们要清楚变频调速的原理，由交流感应电动机转速公式

            ｎ=60f1/p*（1-s） 

（式中n—电机转速;f—定子供电频率;s—转差率;p—电机极对数）可知：

如均匀地改变电机定子的供电频率ｆ1,就可平滑改变电机转速.对于异步电动机的变频传动,为了避免电机过磁饱和,同时抑制启动电流,产生必需的转矩进行安全运转,在改变频率的同时,对定子电压也应作相应调节.逆变器主回路把三相50Ｈｚ交流电整流滤波为直流,再通过ＰＷＭ脉宽调制器触发大功率晶体管,把直流变为电压和频率可调的三相交流电，由此可实现变频调速。

那么下面我们就关心的问题就是水流量与转速及轴功率的关系。

由流体力学的原理可得下列表达式:

     Q1/Q2=n1/n2;  H1/H2=（n1/n2）2;  P1/P2=（n1/n2）3                              

（其中Q代表流量；H代表扬程（水压）；P代表轴功率；n代表转速），当流量减小，水泵转速下降，其电机输出功率则大幅度下降。

例如：

当流量下降到80％，转速也下降到80％时，其轴功率则下降到额定功率的51％；当流量降到50％，轴功率将下降到额定功率的13％，即使考虑到由于转速降低引起效率下降等附加控制装置的效率等因素，其节能效果也是很明显的。

三变频恒压供水系统的构成

系统采用PLC变频器恒压供水系统的方案，供水系统方案图如下：

图3-1系统方案图

：

系统的原理图如下

整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。

三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器（反馈0～5V电压信号）或压力变送器（反馈4～20mA电流）；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。

从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。

系统各部件的选择：

1、PLC

水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。

控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。

系统所需的输入／输出点数量共为24个点。

本系统选用S7-200PLC。

PLC的接线图如下：

Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。

X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。

为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。

在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。

频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。

I/O的分配

根据功能要求和工艺流程，我们统一了I/O接点的分配，分配表如表3.6所示。

根据PLC口的分配，系统的控制要求以及合理利用I/O口的原则[16]。

表3.6I/O分配表

输入器件

输出器件

I0.0

启动（SB0）

Q0.0

驱动KM1（1#泵变频）

I0.1

停止（SB1）

Q0.1

驱动KM2（2#泵变频）

I0.2

液位传感器

Q0.2

驱动KM3（1#泵工频）

I0.3

变频器达到上限

Q0.3

驱动KM4（2#泵工频）

I0.4

变频器达到下限

Q0.4

驱动KM5（备用泵工频）

I0.5

1#水泵故障

Q0.5

报警指示灯

I0.6

2#水泵故障

I0.7

变频器故障

2、变频器

根据设计的要求，本系统选用西门子MM4系列变频器，有以下功能：

（1）自动切换变频-工频运行功能

变频器提供三种不同的工作方式供用户选择：

方式0：

基本工作方式。

变频器始终固定驱动一台泵并实时根据其输出频率控制其他辅助泵的启停。

即当变频器的输出频率达到最大频率时启动一台辅助泵工频运行，当变频器的输出频率达到最小频率时则停止启动最后启动的辅助泵。

由此控制增减工频运行泵的台数。

方式1:

交替方式，变频器通常固定驱动某台泵，并实时根据其输出频率，是辅助泵工频运行，次方式与方式0不同之处在于若前一次泵启动的顺序是泵1-2，当变频器输出停止时，下一次启动顺序变为泵2-泵1。

方式2：

直接方式。

当启动信号输入时变频器启动第一台泵，当泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成历史，先停止最先启动的泵。

（2）“休眠”功能

系统运行时经常会遇到用户用水量较小或不用水情况，为了节能，该系统专用设置了可以使水泵暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于其下限时，变频器停止工作，2#、3#泵不工作，水泵停止。

当水压继续升高时将停止1泵，当水压下降到一定值时将先启动变频器运转2#泵或3#泵，当频率达到一定值后将启动1#泵调节2#或3#泵的转速。

“休眠值”变频器输出的下限频率PR507设置。

“休眠确认时间”用参数PR506设置，当变频器的输出频率低于休眠值的时间，如小于休眠时间td时，即tdtn时变频器将进入休眠状态.“唤醒值”由供水压力下限启动，当供水压力低于下限值时由PLC发出指令唤醒变频器工作。

经测试“休眠值”为10Hz

“休眠确认时间”td:

20s

“唤醒值”70%

3、压力传感器

本系统采用适用于测量气体或液体压力的电容式压力传感器，下图所示是单只变极距型电容压力传感器，流体或气体压力（P）作用于弹性膜片（动极板），使弹性膜片产生位移，位移导致电容量的变化。

图4.2单只变极距型电容压力传感器

水泵在运行中普遍存在以下三个问题：

单机效率低，系统运行效率低，多数风机、水泵都要靠阀门来节流、增压，浪费大量的电能另外，在节能调节方式中，电动机、水泵等长期处于高速、大负载下运行，造成维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，污染环境。

出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器易操作、免维修、控制精度高，并且可以实现高功能优化等特点，设计人员采用变频器驱动的方案逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。

通过流体力学的基本定律可知：

风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速

与流量

，压力

以及轴功率

具有如下关系：

即，流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。

以一台水泵为例，它的出口压头为

（出口压头即泵入口和管路出口的静压力差）。

额定转速

，阀门全开时的管阻特性为

，额定工况下与之对应的压力为

，出口流量为

。

流量——转速——压力关系曲线如图1.1所示。

在现场控制中，要求管网压力不得低于

，在此范围内调节系统供水流量。

通常采用水泵定速运行，调节出口阀门开度控制流量。

当流量从

减小到50%至

时，阀门开度减小使管网阻力特性由

变为

，系统工作点沿方向

由原来的A点移至B点，受其节流作用使得泵口压力由

变为

，管网压力则因为节能原因降至

。

四、系统硬件接线

电气控制系统的主回路如图5.3所示。

图中，M1，M2，M3为三台电机；交流接触器KM1~KM6控制三台电机的运行，另一侧接变频器的三个输出端U，V，W；KH1，KH2，KH3为电机M1，M2，M3过载保护用的热继电器；QF1，QF2，QF3，QF4，QF5分别为主回路、变频器和三台泵的工频运行空气开关；变频器与压力传感器和S7-200PLC相连。

其它电动阀在该回路中并未画出。

系统的控制线路如图所示。

控制线路图

4、PID参数设置值

我们不需要进行PID调节器的设计，只需进行简单的参数设置就可以了。

首先将设置模拟输入的DIP开关1拨到ON位置，选择为4～20mA输入，将DIP开关2拨到OFF位置选择电动机的频率，OFF位置为50Hz。

其它参数的设置如表3.7所示。

参数

名称

参数

名称

P0003=2

用户访问级别为专家级

P2255=100

PID的增益系数

P0004=22

参数滤过，选择PID应用宏

P2256=100

PID微调信号的增益系数

P0700=2

选择命令源，选择为端子控制

P2257=10S

PID设定值的斜坡加速时间

P1000=2

频率设定选择为模拟设定值

P2258=10S

PID设定值的斜坡减速时间

P1080=5Hz

最小频率

R2260=100%

显示PID的总设定值

P1082=50Hz

最大频率

R2261=3S

PID设定值的滤波时间常数

P2200=1

闭环控制选择，PID功能有效

R2262=100%

显示滤波后的PID设定值

P2231=1

允许存储P2240的设定值

P2265=3S

PID反馈立场拨时间常数

P2240=75%

键盘给定的PID设定值

P2267=100

PID反馈信号的上限值

P2253=2250:

0

选择P2240的值作为PID给定

P2268=0

PID反馈信号的下限值

P2250=100%

显示P2240的设定值输出

P2269=100%

PID反馈信号的的增益

P2254=0.0

缺省值，对微调信号没有选择

P2291=100

PID输出的上限

P2292=0.00

PID输出的下限

P2280=3.00

PID的比例增益系数

P2285=7.00S

PID的微分时间

P2294=100%

实际的PID控制器输出

五、梯形图

设计的梯形图如图所示：

结结论

本文以生产生活供水为研究对象，通过以往供水方式带来的不便，提出了一种新的供水方式，即PLC、变频器为主的闭环恒压供水系统。

本系统可根据实际设定水压，自动调节水泵电机的转速，使供水系统管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态。

同时PLC通过比较模拟量输出与压力偏差的值，通过I/O端口开关量的输出驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。

通过调整电机组中投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速使动力系统的工作压力稳定，进而达到恒压供水的目的。

其优点是：

启动平稳，启动电流可以限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；还可以消除起动和停机时的水锤效应。

减泵时采用“先启先停”的切换方式，相对于“先启后停”的方式，更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命；压力闭环控制使系统用水量的任何变化均能使供水管网的服务压力保持给定，大大提高了供水品质。

参考文献

【1】田效伍．交流调速系统与变频器应用．河南机电高等专科学校出版社，2010

【2】田效伍．电气控制与PLC应用技术．北京：

机械工业出版社，2006.8