变频器恒压供水

1变频器恒压供水系统设计目录工艺简介实验目的与要求系统设计内容及要求一、供水系统的具体要求二、总体设计方法三、变频器恒压供水系统原理四、水泵切换条件分析五、系统主电路分析六、系统控制电路分析七、系统的硬件设计参数设置系统主要设备的选型基本运行操作方式变频器恒压供水系统的技术要求实习心得2工艺简介一、变频恒压供水系统介绍变频恒压供水系统是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水管网的出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高水位箱、气压罐等设施实现的。近年来，随着变频调速技术的日益成熟，其显著的节能效果和可靠稳定的控制方式，在供水系统中得到广泛的应用。变频恒压供水系统对水泵电机实行无级调速，依据用水量及水压变化通过微机检测、运算，自动改变水泵转速保持水压恒定以满足用水要求，是目前最先进，合理的节能供水系统。与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较，不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有优势：（1）高效节能。与传统供水方式相比变频恒压供水能节能30%-60%。（2）占地面积小，投入少，效率高。（3）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。（4）运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减少，水泵的寿命将大为提高。（5）由于能对水泵实现软停和软起，并可消除水锤效应（水锤效应：直接起动和停机时，液体动能的急剧变大，导致对管网的极大冲击，有很大破坏力）。3（6）操作简便，省时省力。二、城市供水系统的要求众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己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。主要表现在用水高峰期，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。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。以下就逐一分析。（1）一台恒速泵直接供水系统（2）恒速泵+水塔的供水方式（3）射流泵十水箱的供水方式（4）恒速泵十高位水箱的供水方式（5）变频调速供水方式（6）恒速泵十气压罐供水方式三、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，4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。四、国内外研究概况变频恒压供水是在变频调速技术的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不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供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，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，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，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成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(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其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(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。五、各类供水系统的比较5水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点是目前国内外普遍采用的方法。该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死。[1]这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。水池－水泵－高位水箱－用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用户。但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染，影响居民的身体健康。所以这种方案并不可取，终将淘汰。单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标，[2]但是它的投资较大，总费用比上两种方式增加一、二十万元。这些费用要在用户的水电费上来扣除，这对于居民和学校来说是巨大的压力，所以也不可取。结合校园用水的特点和经济效益的考虑,决定采用恒压变频供水系统。六、变频恒压供水系统应用范围有关行业：设计院、所、消防局、物业公司、消防专业施工单位等住宅小区、商务办公楼、宾馆、饭店、商场、大型超市、地铁、体育场馆等。实验目的与要求变频器恒压供水系统设计侧重培养学生对变频器的总体理解与认知，了解PLC（S7-200）的具体设置以及水泵机组的流程等有关知识的学习及上机训练，使学生掌握恒压供水系统设计的基本问题、技巧及基本的变频器操作，最终达到熟练利用变频器以及PLC的知识设计一些基本问题，熟练掌握变频器实验的步骤与应用，学会基本操作。完成简单的设计。系统设计内容及要求变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。6同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。(5)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。(6)水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。(7)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。一、供水系统的具体要求a.水泵能自动变频软起动。3台水泵自动变频软起动,并根据用水量大小自动调节开泵台数;b.电控自动状态时,3台水泵自动轮换变频运行,工作泵故障备用泵自动投入,可转换自动或人工手动开、停机;c.设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电气保护功能,具有相序保护防止水泵反转抽空,并具有缺水保护及水位恢复开机功能;d.有设备工作、停机、报警指示。7二、总体设计方法该校属于中小型用户,考虑恒压系统主要在高峰期投入使用,宜采用一台变频器控制四台水泵的“一控四”切换方案。以西门子S7-200(CPU224)的PLC和6SE6430变频器为控制核心,采用变频率控制的闭环控制系统,通过对用户管网压力进行实时采样,并与设定压力值比较,根据压力偏差来控制变频泵的速度及定量泵的起、停,实现恒压变量的供水方式,从而更好地达到节能节水的目的。当用户管网压力低于设定压力时,控制器通过压力传感器检测,输出控制信号起动其中一台水泵作变频运行,通过控制变频泵使用户管网压力与设定压力值相等。如用户用水量较大,变频器输出频率为50Hz,变频泵转速达到最高,用户管网压力低于设定压力,控制器将变频泵切换成工频运行,待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台水泵,由一台工频泵和一台变量泵同时供水。经过变量泵的调节,如管网压力仍低于设定值,控制器以同样的方式将运行频率为50Hz的变频泵切换成工频运行,而后继续起动另外一台水泵作变频运行,直至满足用户用水要求。当用户用水量较少,变量泵转速降到一定程度时,控制器自动停止最先运行的定量泵,并根据管网压力调整变量泵转速,使管网压力始终保持恒定。这样每台水泵的起动均经变频器控制,全部机组实现循环软起动,即每台泵的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升,并遵循“先开的泵先停,先停的泵先开”的原则。当外来管网压力达到设定压力值时,则控制器完全停止各泵工作,由外界管网直接向用户供水。三、变频器恒压供水系统原理变频恒压供水系统以管网水压(或用户用水流量)为设定参数，通过微机控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水8量亦相应减小，这样就保证了供水效率用户对水压和水量的要求，同时达到了提高供水品质和供水效率的目的，“用多少水，供多少水”；采用该设备不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水设备。四、水泵切换条件分析由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50HZ成为频率调节的上限频率。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0HZ。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降到0HZ。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0HZ，具体数值与水泵特性及系统所