变频恒压供水控制系统

浙江科技学院本科毕业设计（论文）1变频恒压供水控制系统张春健（自动化与电气工程学院指导教师：蒋惠忠）摘要：论文讨论了变频恒压供水控制原理，设计了变频恒压供水控制系统。采用了松下PLC（FP0—C32CT）和模拟量输入/输出模块（FP0—A21）、Pro—face触摸屏(GP37W2)以及富士变频器（FVR—E11S）构成一个对水压进行恒定控制的系统。系统能根据不同时间段用水量的不同实现目标压力值的自动调整，同时系统还具有在用水量非高峰期时定时自动切换水泵电机的功能。本设计采用了触摸屏作为人机界面，通过触摸屏的操作可进行参数设置，实现对各种功能的控制，同时还能通过触摸屏对系统当前运行状态进行实时的监控。关键词：恒压供水；PLC；触摸屏；模拟量输入/输出模块；变频器Abstract：Inthisthesis,thefocusistheprincipleoffrequencyconversionconstantpressurewatersupplycontrol,designingfrequencyconversionconstantpressurewatersupplycontrolsystem.UsingPanasonicPLC(FP0-C32CT)andanaloginput/outputmodules(FP0-A21).Pro-faceTouchscreen(GP37W2)andFujitsuInverter(FVR-E11S)constitutesaconstantpressurecontrolsystemforwater.Accordingtodifferentwaterinstantaneouspressureindifferenttimes,thesystemcouldautomaticallyadjustthepressureofwatersupplysystem,atthesametime,thesystemhasthefunction—regularautomaticswitchthepumpmotorwhenwaterconsumptionisinnon-peakperiod.Inthisdesigntouchscreenisusedasman-machineinterface,becauseTouchscreenandPLCbothareuniversal.Operatingthetouchscreencouldcontrolvariousfunctions,whiletouchscreencouldreal-timemonitorcurrentstatesofsystem.Keyword:constantpressurewatersupply；PLC；touchscreen;analoginput/outputmodule；transducer1前言1.1背景随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，我国中小城市供水的自动化配置相对落后，机组的控制主要依靠值班人员的手动操作，控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行，爆损现象也挺严重。在农村中,传统的水塔供水方式存在许多实际问题，如顶层水箱结构和建筑设计、水箱易对水源造成二次污染、水塔供水无法维持供水压力的恒定等问题。近年来，随着异步电动机变频调速技术的迅速发展，居民区供水系统正逐步采用无塔变频供水，利用变频调速技术，不仅可使水泵供水系统取得显著的节能效果，还可以极大地改善系统的工作性能，浙江科技学院本科毕业设计（论文）2并能延长系统的使用寿命，克服传统供水方式的种种缺点。随着工业企业和人们生活用水量的增大以及对供水要求不断的提高，恒压供水变得也来越重要。目前国内多数企业仍使用传统的恒速泵组切换加压供水方式，其水压不稳而且浪费电能。我国每年水泵消耗电能约占电能总消耗量20％以上，而电能消耗又占水费成本60％以上，故优化对水泵的控制，具有重要意义。在生活用水过程中存在不同时间段用水量不均现象。如果不对供水量进行调节,管网压力的波动也会很大,容易出现管网失压或爆管事故,同时也浪费了大量能源。为了节约电能,又能保证正常用水,供水部门也采取了不少措施。近几年最为常用的变频恒压供水系统能根据压力变化情况及时调整电机转速,将供水压力控制在一定范围之内,既满足了变化的用水需求,也起到了节能降耗的目的[1]。1.2变频调速恒压供水的基本原理[2]变频恒压供水,一般由压力变送器采样水压信号与系统设定压力值比较后产生输出信号,再经变频器控制水泵电机转速,实现恒压供水。水泵转动的越快,产生的水压越高,才能将水输送到远处或较高的楼层。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式,这需采用PLC的模拟量控制模块,该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号,输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号,并依此信号的变化改变变频器的输出频率。采用PLC控制,不仅可减少系统控制接线,提高可靠性,用软件实现上述硬件,维修简易,充分发挥了可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点,使整个系统的稳定性有了可靠的保障。1.3变频调速使水泵电机节能的原理[3]水泵额定运行状态下的输出功率：N=rHQ=pQ式中：Q为输出流量,单位为3m/s；p为泵的水压,单位为MPa；H为泵的扬程,单位为m；r为重要系数,单位为3N/m。浙江科技学院本科毕业设计（论文）3根据泵的相似律,当驱动转速改变时,输出流量Q、泵的水压p、扬程H分别与驱动转速的一次方、二次方和三次方成正比例。图1示出水泵Q-p运行特性,其中曲线①、②分别是转速为n1、n2时的特性曲线,曲线③、④是转速为n2时的等效管阻特性,曲线⑤是转速为n1时的等效管阻特性。设水泵电机由电网直接供电驱动,水泵运行于A点,此时泵功率为：N1=Q1p1,对应于图中的矩型面积Ap1OQ1,若将水量减为Q2,工作点将由A滑向B,水压增为p2,功率N2则由面积Bp2OQ2描述。若水泵改为变频调速驱动,在小水量时降为低速n2,水泵可运行于C点稳定,功率N3由面积Cp1OQ2描述,而水压则维持为p1,节约的能耗对应阴影面积Bp2p1C。图1Q-p运行特性及管阻特性以下以数值定性说明节能效果。因流量与转速成正比,功率与转速立方成正比,总需求为Q,在某一工作点时,Q是一定值。当变频器运行在45Hz时,Q∝f=45Hz,节电率3E=1-(0.9)=27.1%；当变频器运行在40Hz时,f=40Hz,节电率3E=1-(0.8)=48.8%；当变频器运行在35Hz时,f=35Hz,节电率浙江科技学院本科毕业设计（论文）43E=1-(0.7)=65.7%；以75kW为例,平均运行在45Hz,1年可节约电能75×24×365×27.1%=178047kWh。若电价为0.85元/kWh,则1年可节约电费0.85×178047=151339.95元。1.4国内外的研究现状及分析针对目前国内民用建筑行业的发展，特别是卫星城和小区建设的发展，给各个技术行业带来的许许多多的研究课题。小区供水系统的设计与研究，从工程而言是成熟的，己有规范的设计和施工标准，但从多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到用户的要求。从目前的供水行业调查结果表明，变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电率很高，几年能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来，又由于其具有调速精度高，功率因数高等特点，使用它可以提高出水质量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。因此利用微电脑与交流电机变频调速技术对管网供水进行自动控制，近几年在国内得到了极大发展，从目前情况看，微机控制变频调速自动供水技术可分为恒水压控制与恒水流控制两种主流。前者强调对水泵出口压力进行给定跟踪控制，使出口水压基本保持恒定，而出口流量则依用户需求随时可变。这种控制方法的优点是供水品质优良，可在任何情况下同时满足全网各用户对供水流量与扬程的不同要求。不足之处是过于强调恒压指标，对低区用户扬程指标订得太高，水压过高，用户不得不用阀门限流，造成能源浪费，且由于水压过高，管网耐压水平必须提高，造成材料浪费。恒水流控制则强调对出口流量进行宏观总量控制，对水压与扬程指标则放松，其优点是在满足用户对用水量的基本要求前提下，可最大限度节能。但缺点也是显然的，其一是仅控制用水总量，而无法分配水流去向，势必造成分配不均，特别在低层用水量大时，造成高层断流。而在高层用水量大时又造成低层水压过高。其二是水的流量检测难度较大，闭环控制困难。国内的许多专家，学者从70年代起，开始尝试将计算机技术应用于供水系统的模拟，优化设计及供水系统控制等方面[4]。目前国内供水系统采用的自动控制技术不少，其特点是变频技术与其它其术的结合。如最初的恒压供水系统采用继电接触器控制电路，是与开关技术结合，通过人工起动或停止水泵和调节泵出口阀开度来浙江科技学院本科毕业设计（论文）5实现恒压供水。该系统线路复杂,操作麻烦,劳动强度大，维护困难,自动化程度低，应用前景不大。后来增加了微机加PLC监控系统,提高了自动化程度。但由于驱动电机是恒速运转,水流量靠调节泵出口阀开度来实现,浪费大量能源，也没有很好的发展。2系统总体设计方案系统总体方案原理如图2所示A/DPLCD/A变频器水泵电机泵后压力压力变送器设定压力值触摸屏图2控制系统原理示意图本系统是一个以变频调速为主要控制目的的控制系统。工作时可以通过触摸屏设定PID调节参数，由系统根据内部时钟的判断自动调整目标值，然后通过A/D转换模块从外部压力变送器输入外部压力信号，与目标值比较后进行PID调节并输出控制量，通过D/A转换模块输出模拟量控制变频器的输出频率以达到调节水泵电机速度的最终目的。系统拟采用两台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能又可靠。配单台电机及水泵时,其功率必须足够大,在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的,电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候,备用泵是必要的。该系统在单台水泵电机长时间运行时能定时自动切换水泵电机的运行，达到系统设备的平均利用，防止系统设备因长时间无运作而生锈损坏等。3系统硬件设计3.1系统总电路系统原理图见附图，说明如下：电源进线控制：此部分主要是为方便对系统电源的操作而设计的，使得不必打开控制柜就可以对系统的总电源进行控制，既安全又方便。此部分中的交流接触器要求有常开和常闭的辅助触点，而且考虑到两个水泵电机同时工作时功率很大，故选此交流接触器型号为正泰CJX1F浙江科技学院本科毕业设计（论文）6系列（具体选择视水泵电机现场实际所需功率而定，下同）。按钮SB1和SB2选用带灯显示类型，且SB1选择为绿色（作为电源启动按钮），SB2选择为红色（作为电源停止按钮）。急停开关作为紧急情况时的电源切断开关，此为设计时的常规考虑。水泵电机切换：此部分为整个控制系统的主要控制对象部分（两个水泵电机），包括有4个同型号的交流接触器、一个变频器（FVR-E11S）和一个热继电器，其中的两个小型断路器的设置主要是作为下面元器件更换时的电路可靠切断用的（下同）。4个同型号的交流接触器用来实现两个水泵电机的定时切换和水压压力在单个电机运行而不足时投入工频电机运行设置的，对此4个交流接触器的控制由PLC控制实现。热继电器的设置则是对水泵电机在工频运行状态下起过载保护的作用。强弱电隔离：此部分是为保护PLC输出点而设置的。由中间继电器的触点实现对4个交流接触器线圈的控制，而中间继电器的触点的控制则由PLC控制继电器的线圈实现，这样就在实际上实现了PLC对4个交流接触器的控制，也实现了对PLC输出点的保护。热继电器的常闭辅助触点串联在中间继电器中，使得在出现电机过载情况下热继电器主触点动作断开时能同时使交流接触器线圈断电而动作切断电路连接，起到双重保护作用