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基于PLC变频器驱动的高层分段接力式恒压供水控制系统设计论文.docx
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2023-07-06
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基于PLC变频器驱动的高层分段接力式恒压供水控制系统设计论文.docx
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目 录
第一部分 设计任务与调研 ..............................................................3
第二部分 设计说明 ..........................................................................6
第三部分 设计成果 ........................................................................17
第四部分 结束语 ............................................................................24
第五部分 致谢 ................................................................................25
第一部分 设计任务与调研
水是生产生活中不可缺少的重要组成部分, 在节水节能已成为时代特征的
现实条件下,我们这个水资源和电能短缺的国家,长期以来在市政供水、高层建
筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后,自动化程度低。主要表现
在用手高峰期,水的供给量常常低于需求量,出现水压降低供不应求的现象,而
在用水低峰期,水的供给量常常高于需求量,出现水压升高供过于求的情况,此
时将会造成能量的浪费,同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。因此开发
基于PLC的变频恒压供水系统具有重要的现实意义
1.1 引言
水是生命之源,人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中,
基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵,产生压力使管网中的自来水流动,
把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时,也消耗大量的能量,
如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时,降低能耗,
将具有重要经济意义。
随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高,变频恒
压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于多层住宅小区生活供水
系统。然而,由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备(如水泵),在对
原有供水系统进行变频改造的实践中,往往会出现一些在理论上意想不到的问题。
本文介绍的变频控制恒压供水系统,是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造
实践中,根据尽量保留原有设备的原则设计的,该系统很好的解决了旧设备需要
频繁检修的问题,既体现了变频控制恒压供水的技术优势,同时有效的节省了资
金。
1.2 变频恒压供水产生的背景和意义
泵站担负着工农业和生活用水的重要任务,运行中需大量消耗能量,提高泵
站效率:降低能耗,对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、
类型多、发展速度快,在工程规模上也有一定水平,但由于设计中忽视动能经济
观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因,致使在技术水平、工
程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比,还有一定的差距。目前,
大量的电能消耗在水泵、风机负载上,城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负
载中占了相当的比例。这一方面是由于我国居民多,用水量大,造成用电量大:
另一方面是因为我国供水设备工作效率低,控制方式不够科学合理。造成不必要
的能量浪费。因此,研究提水系统的能量模型,找出能够节能的控制策略方法,
这里大有潜力可挖,是减少能耗,保障供水的一个很有意义的工作。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组
合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点,变频恒压供水系统集变频技
术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。采用该系统进
行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性,方便地实现供水系统的集中管理与
监控;同时系统具有良好节能性,这在能量日益紧缺的今天尤为重要,所以研究
设计该系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要
的现实意义。
1.3 变频恒压供水系统的国内外的发展状况
变频恒压供水是在变频调速技术发展之后逐渐发展起来的,在早期,由于国
外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、 升降速控制、正反转控制、起制
动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中,变频器
仅作为执行机构,为了满足供水量大小需求的不同时,保证管网压力恒定,需在
变频器外部压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情
况来看,国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方
式,几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况,因而投资成本高。即
1968年,丹麦的丹弗斯公司发明并首家生产变频器后,随着变频器技术的发展和
变频恒压系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优先以及显著地节能
效果被大家发现认可后,国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供
水功能的变频器,像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术,法国的施耐德公司推
出了恒压供水基板,备有PID调节器和PLC可编程控制器等硬件继承在变频器控制
基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能,只要搭载配套的恒
压供水单元,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作,可构成最多七台电机的
供水系统。但是也有其缺点,就是输出接口的扩展功能缺乏灵活性,系统的动态
性能和稳定性不高,与别的监控系统和组态软件难以实现数据的通信,并且限制
了带负载的容量,因此适用范围受到限制。
目前国内有不少公司都在做变频恒压供水的工程,大多采用国外的变频器控
制水泵的转速,水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用单
片机及相应的软件予以实现;有的采用PLC及相应软件予以实现。但在系统的动
态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说,还远
远没能达到所有用户的要求。原深圳华为电气公司(现已改名艾默生)和成都希
望集团(森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(5.5Kw-22kW),无需外
接PLC盒PID调节器,坑完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循
环(丹麦丹弗斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。该变频器
将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现,但其输出接口限制
了带负载容量,同时操作不方便且不具有数据通信功能,因此只适用于小容量,
控制要求不高的供水场所。
可以看出,目前在国内外变频调速恒压供水系统的研究设计中,对于能适应
不同的用水场合,结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容
性的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的,因此,有待于进一步
淡淡的研究改善,使其能更好的应用于生活、生产实践中。
1.4 设计任务及要求
本系统以一个供水系统作为被控对象,采用PLC和变频技术相结合技术,并
引用计算机对供水系统进行远程监控和管理,保证供水系统安全可靠的运行。PLC
控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器、和水泵机组
一起组成一个完整的闭环调节系统,了解供水系统的运行工艺情况,设计恒压供
水控制系统的硬件电路;研究恒压变频供水的控制方法,实现对系统的高性能控
制。
第二部分 设计说明
2.1 变频恒压供水系统的理论分析
2.1.1 电动机的调速原理
水泵电机多采用三相异步电动机,而其转速公式为:
60
(1 )
f
n s
p
= -
(2-1)
式中:f 表示电源频率,p 表示电动机极对数,s 表示转差率。
从上式可知,三相异步电动机的调速方法有:
(1) 改变电源频率
(2) 改变电机极对数
(3) 改变转差率
改变电机极对数调速的调控方式控制简单,投资省,节能效果显著,效率高,
但需要专门的变极电机,是有级调速,而且级差比较大,即变速时转速变化较大,
转矩也变化大,因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其
较大的调速范围一般采用串级调速的方式,其最大优点是它可以回收转差功率,
节能效果好,且调速性能也好,但由于线路过于复杂,增加了中间环节的电能损
耗[7],且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法
及特点。
根据公式可知,当转差率变化不大时,异步电动机的转速n基本上与电源频
率f成正比。连续调节电源频率,就可以平滑地改变电动机的转速。但是,单一
地调节电源频率,将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展,已出现
了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置,它们促进了变频调速的广泛应
用
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