变频器在高层供水中的应用.doc

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目录

中文摘要……………………………………………………………………………2

英文摘要……………………………………………………………………………3

前言……………………………………………………………………………4

第一章系统方案的提出…………………………………………………………6

1.1多功能变频恒压供水单片机控制系统…………………………………6

1.2变频恒压供水PLC控制系统……………………………………………9

第二章变频器与PLC的介绍……………………………………………………14

2.1变频器的介绍…………………………………………………………14

2.2PLC的介绍………………………………………………………………15

第三章变频器在供水中的应用…………………………………………………17

3.1应用的基本原理…………………………………………………………17

3.2变频恒压供说系统………………………………………………………18

第四章设计方案…………………………………………………………………20

4.1概要………………………………………………………………………20

4.2变频器的选择……………………………………………………………20

4.3系统方案…………………………………………………………………31

4.4系统实现功能……………………………………………………………32

4.5计算机与变频器通信及程序设计………………………………………33

4.6PLC的控制………………………………………………………………37

第五章设计结果…………………………………………………………………43

5.1控制柜的设计……………………………………………………………43

5.2控制柜的连接……………………………………………………………43

5.3变频器的连接……………………………………………………………43

5.4PLC的连接………………………………………………………………43

致谢……………………………………………………………………………44

参考文献……………………………………………………………………………45

摘要

在小区建设普及特别是小高层建筑及高层建筑日益增多的今天，小区的供水问题成为住户比较关心的问题，因为老百姓不再想过“住楼住楼用水发愁”的日子，所以变频恒压自动供水便提上了日程。

本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，设计出一种在这几个方面都有所提高的变频器控制的高层供水系统。

本文共分五章。

第一章是设计方案的提出，在这一章里，我们对几种供水方案进行了比较，说明了选择这个方案的原因；第二章是关于变频器与PLC的一些介绍；第三章是介绍变频器在供水中的应用；第四章是方案的设计；第五章是设计结论部分，这一章里我们所给出的是设计出的图纸等。

本文综合运用了变频器、传感器、可编程控制器、PID等控制系统中常用的控制部件及其相关程序设计方法。

关键词：

变频器、可编程控制器、变频调速

ABSTRACT

Theespeciallylittlekeyfiguresconstructinthesmallareaconstructionuniversalityandtodaythatkeyfiguresconstructtoincreaseincreasingly,thewatersupplyproblemofthesmallareabecomestheproblemthattheinhabitantcomparestheconcern,thecommonpeoplenolongerthinksthedayof"livethebuildingtolivethebuildingtobecomesadwiththewater",sochangethefrequencytopresstheautosupplywaterandthenliftupagenda.

Thistextmainlyaimatthecurrentwatersupplysystemandisnothighandcanconsumethelowdefectofseverity,reliabilitytotakeintotheresearchintheexistentautomationdegree,designingonsowinginthisseveraltoallhavethekeyfiguresofthefrequencyconverterofexaltationcontroltosupplywaterthesystem.

Thistexttotaldetecttofivechapter.Chapter1istodesigntheprojecttoputforward,inthis,wesuppliedwatertheprojecttocarryonthecomparetoseveralkinds,explainingtoselectthereasonofthisproject;Chapter2isconcerningfrequencyconverterandPLCsomeintroductions;Chapter3istointroducethefrequencyconverteratprovidetheaquaticapplication;Chapter4isthedesignoftheproject;Chapter5istodesigntheconclusionfraction,thisinthethatwegiveistodesignofthedrawingpaperetc..

Thistextsynthesizedtomakeuseofthefrequencyconverter,sensor,transducer,programmablecontroller,PIDetc.controlsysteminincommonusecontrolpartsanditsrelatedprogramdesignmethods.

KEYWORDS：

Frequencyconversiondevice,PLC,variablevelocityvariablefrequency

前言

此次毕业设计设计题目为《变频器在高层供水中的应用》，毕业实习地点为武汉科瑞系统集成公司。

指导老师为王晓勇（校方）、杨景亮（科瑞）。

选择这个课题有它一定的社会背景，饮水工程对每个人来说都是非常重要的，供水系统也在现代工业中无处不在。

然而，作为饮水工程中最重要的的供水这一环节目前却存在着很多问题，传统供水方式已经不能满足当前社会的发展和需要。

在对目前有的几种传统供水方式做比较后我们发现，它们各有优缺点如下：

一、水塔。

其基建投资大，占地多，维修不方便，水泵为硬启动，启动电流大，控制柜内触点多易烧坏，若启动频繁，电机易烧，联轴器易坏。

其优点是控制方式简单，短时维修或断电可不挺水，当用水量很小时，可以长时间不开泵。

二、气压罐。

为了减少水泵启动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵工作在低效阶段，同时出水压力无谓的增高，也使浪费加大。

所以这种方式比水塔要费电，因水泵为硬启动，联轴器冲击大，启动电流大，触点易烧坏，当用水量大时将造成电机启动频繁，电机易烧坏。

其优点是控制方式简单，便于维修，当罐内储满时，允许短时不断水维修，在用水量很小时，可以长时间不开泵，价格也较低。

三、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式。

这种方式漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦。

只能是一对一驱动，需经常检修。

但其价格低廉，结构简单明了，维修较方便。

四、单片机变频调速供水系统。

此系统也能作到变频调速，自动化程度要优于前三种，但是系统开发周期较长，对操作员素质要求比较高，可靠性低，维修不方便，且不适于恶劣的工业环境。

由上述我们可看出，传统的供水系统浪费了很多水力资源、电力资源，效率低下，可靠性也较低，它们还有个共同的大缺点就是自动化程度不高，跟不上时代发展的需求，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。

所以开发一种新型的自动化程度高、可靠性高、节能效果好的供水系统迫在眉睫。

在小区建设普及特别是小高层建筑及高层建筑日益增多的今天，小区的供水问题成为住户比较关心的问题，因为老百姓不再想过“住楼住楼用水发愁”的日子，所以变频恒压自动供水便提上了日程。

目前在小区的建设中往往需要建设一个二次加压供水泵房并采用变频器实现恒压自动供水。

一般情况下，为保证小区的供水正常，在设计时往往设计成“一用两备”三台水泵，由一台变频器（附加ＰＩＤ调节器、单片机、ＰＬＣ等器件构成控制系统）拖动三台水泵循环运转。

与空调水泵控制不同，恒压供水自动控制系统通过压力传感器采集管网中的压力并将其转换成模拟信号进行变频控制。

这样变频恒压水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置，为局部加压供水开辟了新的途径。

另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省４０％。

可编程控制器结合使用，可实现循环变频，电机软启动，具有欠压保护、过压保护、短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命。

第一章系统方案的提出

在对目前有的几种传统供水方式做比较后我们发现，它们各有优缺点如下：

一、水塔。

其基建投资大，占地多，维修不方便，水泵为硬启动，启动电流大，控制柜内触点多易烧坏，若启动频繁，电机易烧，联轴器易坏。

其优点是控制方式简单，短时维修或断电可不挺水，当用水量很小时，可以长时间不开泵。

二、气压罐。

为了减少水泵启动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵工作在低效阶段，同时出水压力无谓的增高，也使浪费加大。

所以这种方式比水塔要费电，因水泵为硬启动，联轴器冲击大，启动电流大，触点易烧坏，当用水量大时将造成电机启动频繁，电机易烧坏。

其优点是控制方式简单，便于维修，当罐内储满时，允许短时不断水维修，在用水量很小时，可以长时间不开泵，价格也较低。

三、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式。

这种方式漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦。

只能是一对一驱动，需经常检修。

但其价格低廉，结构简单明了，维修较方便。

四、单片机变频调速供水系统。

此系统也能作到变频调速，自动化程度要优于前三种，但是系统开发周期较长，对操作员素质要求比较高，可靠性低，维修不方便，且不适于恶劣的工业环境。

变频调速技术是近年来发展起来的最有价值的调速技术，它自投入工业应用以来，显示出了强大的竞争力。

变频调速技术用于水泵控制系统，具有调速性能好、节能效果显著、运行安全等优点。

下面我们来介绍两种用于高层恒压变频供水的方案。

1.1多功能变频恒压供水单片机控制系统

1.1.1控制系统

该恒压供水变频系统以单片机为核心，在水泵的出水管道上安装一个远程压力表，用于检测管道压力，并把出口压力变成0~5V或4~20MA的模拟信号，送到单片机系统的A/D转换输入端，再经A/D转换变成相应的数字信号，送入8951单片机进行比较，得出偏差值，再经PID调节得出控制参数，经D/A转换变成0~5V或0~10V的模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以次改变水泵的电机转速，从而达到控制管道压力的作用。

当实际管道压力小于给定压力时，变频器输出频率升高；反之，频率降低，电机转速减小，管道压力降低，最终达到供水压力恒压。

系统框图如图1所示。

图1

1.1.2硬件设计

一、硬件总体说明

单片机系统的硬件结构框图如图2所示。

图2

本系统以8951单片机为核心，它有4KEPROM，所以不用外扩EPROM，这样可以利用P0、P2口作为输入、输出I/O端口，简化了硬件结构。

系统的显示部分采用4片74LS164驱动LED，使用8951的串行通讯口TXD、RXD。

93C46为串行EEPROM，用于保存开机设定时的原始参数。

采用NE555组成硬件定时复位电路，可以有效防止程序死机现象。

74LS273用于对继电器输出状态硬件琐存，以防止输出状态被干扰。

ULN2003为反向驱动芯片，同时在74LS273的CLEAR管脚外接了RC电路，用于开机上电时使74LS273的输出端清零，可以防止继电器的误动作，对变频器起保护作用。

在报警输入端与CPU之间采用光偶隔离，以消除外部干扰。

系统A/D输入采用8位串行TLC0831逐次逼近模数转换器，D/A输出采用了光驱动电路，具体D/A电路略。

二、硬件设计特点

本系统硬件设计充分考虑了抗干扰的措施，通过光耦与外部信号隔离，在继电器输入端增加了续流二极管，增加了硬件锁定及电源滤波电路。

由于本系统是无人监视系统，因此分别具有水位报警、消防报警、变频器故障报警、欠压报警功能。

当有报警输入时，单片机在74LS273锁存器的一端输出高电平信号，通过ULN2003驱动块和继电器，起动外接的报警灯或喇叭，同时根据不同的故障分别产生故障显示和相应的报警处理。

本系统设置了四键小键盘、LED显示模块，可用与不同场合调试时进行参数设定，操作方便，易于安装。

1.1.3软件设计

系统软件程序由主程序、定时中断显示和频率输出子程序组成。

系统主程序流程图如图3所示。

采用软件模块化设计，引入了先进模糊逻辑控制技术，并增加了容错技术和抗干扰算法。

图3

系统采用了定时复位软件设计方案（1秒钟复位一次），以消除程序运行时的死机现象。

数字滤波采用了平均值滤波方法，以消除程序干扰对输入信号的影响。

本系统控制算法采用了工程控制中比较先进的模糊PID算法。

设PS为压力设定值，PI为压力测量值。

由于压力为一阶惯性与纯滞后环节想串联的对象，并要求控制进度较高，因此采用比例积分（PI）控制。

为了现场调试的方便，在设计中使系统PI调整的上升、下降和跟踪采样周期设定为可变，可以在开机设定时改变其值，因此可以改变PI差分计算的步长，从而调整PI参数，以便适应不同场合控制的需要。

在设计中采用增量PI算法，并采用双字节浮点运算，这样可以提高控制精度。

本系统引进积分作用是为了减小系统的稳态误差，但一般的PID控制积分作用存在以下缺点；积分作用针对性不强，有时不符合控制的需要；只要误差存在，积分作用就存在，在实际控制系统中导致“积分饱和”，使系统快速性下降；积分参数选择不当会导致系统震荡。

为了消除上诉积分作用的缺点，本系统采用模糊逻辑控制技术，单片机的模糊控制实现主要采用三种方式：

直接查表方式，强制转换方式，公式计算方式。

本系统使用的是强制转换方式，其算法如下：

l当偏差信号大于设定偏差值时，选用较大KP（比例系数）、TI（积分时间），以提高系统的快速性；当偏差信号小于设定偏差，趋于稳定时。

选用较小的KP、TI参数，以减小稳态误差，从而使被控量获得良好的动静态特性；

l当系统动态过程向误差增大方向变化，并且本次采样时刻误差EI和误差变化△EI同号，EIX△EI>0时，对误差积分；

当系统动态过程向误差减小方向变化，并且本次采样时刻误差EI和误差变化△EI异号，EIX△EI<0时，不对误差积分。

1.2变频恒压供水PLC控制系统

这个方案是我们最终选择的设计方案，故在这里我们将只对其作简要介绍，并对此系统的优点进行详尽的描述。

在住宅小区水厂的管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失ΔP和流量Q之间存在着如下关系：

ΔP=KQ2；式中K一为系数

   设PL为压力最不利点所需的最低压力，则泵站出口总管压力P应按下式关系供水，则可满足用户用水的要求压力值，又有最佳的节能效果。

   P=PL+ΔP=PL+KQ2

因此供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调。

典型的自动恒压供水系统的结构框图如图所示；

系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器、流量传感器，实时将压力、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器（PLC）的输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。

系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。

1.2.1运行特征

以三台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，可编程控制器控制变频器软启动1#泵，此时1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量Q<1/3Qmax时（Qmax为三台水泵全部工频运行时的最大流量），可编程控制器CPU根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力。

当用水量Q在1／3Qmax

当外需供水量Q为2／3Qmax

当外供水量减少至1/3Qmax

在3#泵退出运行后，3#泵的转速逐渐升高，继续处于变频运行工况，其转速仍由外供水量决定。

当外供水量继续减少至Q<1／3Qmax时，可编程控制器发出2#泵退出运行指令，此时3#泵仍处于变频运行工况。

当外供水量再增至1／3Qmax

1.2.2系统经济效益分析及系统优点

泵的变量功率N1、供水量Q1与泵转速n1三者的关系如下式：

   N1／Q1=（n1／n）3

  Q1／Q=n1／n

   式中Q一额定流量，Q1

  N一额定流量Q时的轴功率

   n一水泵的额定转速

 因额定流量Q=100％时，n=100％，N=100％，若n1=90％n时Q1=90％Q，N1=72.9％N，即可节电27.1％。

若n1=80％n时Q1=80％Q，N1=51.2％N，即可节电48.8％。

1.2.3系统优点

（1）恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能；

（2）由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命；

（3）因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力；

（4）水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振；

 （5）由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。

由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。

鉴于此系统有这么多的优点，我们选择其为我们设计方向。

第二章变频器与PLC的介绍

变频器与PLC是这个控制系统最重要的组成部分，是这个系统的核心。

下面我们分别来对其做些介绍。

2.1.变频器的介绍

2.1.1变频器简介

各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz），等等。

通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。

为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电。

把直流电变换为交流电的装置，其科学术语为“inverter”（逆变器）。

由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：

变频器，变频器也可用于家电产品。

使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。

用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。

但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。

汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。

变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。

例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。

2.1.2变频调速的原理

众所周知，三相交流电动机的转速与频率、极数及转差率之的关系如下：

ｎ＝６０ｆ１－ｓ／ｐ

其中：

ｎ——每分钟的转速；

ｆ——交流电的频率；

ｐ——磁极对数；

ｓ——转差率。

　　在三相电动机中对转速的调整可以通过调整交流电的频率、电动机的极数以及转差率来实现。

过去人们通过对电机的极数变化来调整电机的转速，但随着电子技术的发展，变频器技术的不断成熟，调整电源的频率要比调整电机的极数与转差率方便得多，所以，现在对三相交流电动机进行转速调整都通过调节三相交流电的频率来实现。

电机在工频电源供电时，电机的起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。

如果用大的电压和频率起动电机，例如使用工频电网直接供电，就会产生一个大的起动冲击（大的起动电流）。

而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。

所以变频器驱动的电机起动电流要小些。

通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。

通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。

当变频器调速到大于60Hz频率时，电机的输出转矩将降低。

通常的电机是按50Hz（60Hz）电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。

下面来讲讲电机的旋转速度能够自由地改变的原因。

在工业领域所使用的大部分电机均为为感应式交流电机。

感应式交流电机的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。

由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。

由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数