變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課題名稱 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院(部) 電子與控制工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 2011320401 學(xué)生姓名 阿不都熱扎克阿不都拉 _學(xué) 號(hào) 20113200137 06 月 23 日至 06 月 27 日共 1 周指導(dǎo)教師(簽字) 2011年 06 月 7 日 目錄 摘要.3 一、設(shè)計(jì)內(nèi)容.4 二、設(shè)計(jì)要求.4 三、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1、方案的確定.5 2、 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介及工作原理.6 3、水泵的容量計(jì)算.8 4、水泵/變頻器/plc的選擇.9 5、變頻器參數(shù)設(shè)定.10 6、pid控制器參數(shù)選擇.10 7、plc外部接線圖的設(shè)計(jì).11 8、主電路的設(shè)計(jì).12 9、

2、系統(tǒng)的工作原理.12 四、設(shè)計(jì)圖紙.13 五、操作使用說(shuō)明書.14 六、設(shè)計(jì)體會(huì).15 七、主要參考資料.16 附錄一/附錄二.17 附錄三.18 附錄四.19摘要 隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，住房制度改革的不斷深入，人民生活水平的不斷提高，城區(qū)中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也對(duì)小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個(gè)重要方面，供水的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性直接影響到小區(qū)住戶的正常生活與工作，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)水平的高低。傳統(tǒng)的恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水燈供水方式普遍不通話程度的存在效率低、可靠性差、自動(dòng)化不高等缺點(diǎn)，難以滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的需要。論

3、文分析了采用變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)恒壓供水的工作機(jī)理，通過(guò)對(duì)pid模塊的參數(shù)預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳壓力表的水壓反饋量，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用變頻器與水泵的配合作用實(shí)現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。論文論述了多種供水方案的合理性，同時(shí)也指出各種方案存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)比比較給出了比較適合該系統(tǒng)的方案plc控制變頻恒壓供水。關(guān)鍵字：恒壓供水 變頻調(diào)速 plc一、 設(shè)計(jì)內(nèi)容變頻器是一種新型技術(shù)，將變頻調(diào)速技術(shù)用于供水控制系統(tǒng)中，具有高效節(jié)能、水壓恒定等優(yōu)點(diǎn)。本課程設(shè)計(jì)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)交流調(diào)速課程的實(shí)踐性環(huán)節(jié)，其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生初步掌握交流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及理論知識(shí)的應(yīng)用能力。本課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是提高學(xué)生在調(diào)速系

4、統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的實(shí)踐技能，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)，分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，初步掌握交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。二、 設(shè)計(jì)要求一樓宇供水系統(tǒng)，正常供水量為20m3/小時(shí)，最大供水量30m3/小時(shí)，揚(yáng)程60米。采用變頻調(diào)速技術(shù)組成一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制水泵的運(yùn)行，保證用戶水壓恒定。當(dāng)用水量增大或減小時(shí)，水泵電動(dòng)機(jī)速度發(fā)生變化，改變流量，以保證水壓恒定。具體要求如下：1設(shè)二臺(tái)水泵。一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。正常工作時(shí)，始終由一臺(tái)水泵供水。當(dāng)工作泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用泵自投。2. 二臺(tái)泵可以互換。3給定壓力可調(diào)。壓力控制點(diǎn)設(shè)在水泵出口處。4具有自動(dòng)、手動(dòng)工作方式，各種保護(hù)、報(bào)警裝置。采用omr

5、on cpm1a plc、富士變頻器完成設(shè)計(jì)。三、 設(shè)計(jì)內(nèi)容1、方案的確定相對(duì)于傳統(tǒng)的加壓供水方式，變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)突出地體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）高效節(jié)能 變頻恒壓供水系統(tǒng)的最顯著優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在1%40%。從單臺(tái)水泵的節(jié)能來(lái)看，流量越小，節(jié)能量越大。（2）恒壓供水 變頻恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時(shí)候的用水壓力，不會(huì)出現(xiàn)在用水高峰期用戶的熱水器不能正常使用的情況。（3）安全衛(wèi)生 系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設(shè)施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。（4

6、）自動(dòng)運(yùn)行、管理簡(jiǎn)便 新型的變頻恒壓供水系統(tǒng)具各了過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓、斷相、短路保護(hù)，瞬時(shí)停電保護(hù)，過(guò)載、失速保護(hù)，低液位保護(hù)，主泵定時(shí)輪換控制和密碼設(shè)定等功能，功能完善，全自動(dòng)控制，自動(dòng)運(yùn)行，泵房不設(shè)崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。（5）延長(zhǎng)設(shè)備壽命、保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定 使用變頻器后，機(jī)泵的轉(zhuǎn)速不再是長(zhǎng)期維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，減少了機(jī)械磨損，降低了機(jī)泵故障率，而且主泵定時(shí)輪換控制功能自動(dòng)定時(shí)輪換主泵運(yùn)行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長(zhǎng)了機(jī)泵使用壽命。變頻器的無(wú)級(jí)調(diào)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了機(jī)泵軟起動(dòng)，避免了電動(dòng)機(jī)開停時(shí)的大電流對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組和電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應(yīng)。（6）占地少、投資回收期短 新型的變頻

7、恒壓供水系統(tǒng)在水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個(gè)控制柜，體積很小，整個(gè)系統(tǒng)占地非常小，可以節(jié)省投資，降低運(yùn)行管理費(fèi)，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，都決定了變頻恒壓供水系統(tǒng)的投資回收期短，一般約2年。但是變頻恒壓供水系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)，對(duì)操作人員的素質(zhì)要求比較高，可靠性較低，維修不方便，且不適用于惡略的環(huán)境。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式存在普遍不同程度的浪費(fèi)水力、電力資源、效率低、可靠性低、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民用水。目前的供水方式朝高效節(jié)能，自動(dòng)可靠的方向發(fā)展，plc變頻調(diào)速技術(shù)顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)能，水泵，空氣壓縮機(jī)，制冷壓縮機(jī)等高耗能設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是居民

8、用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性在：一節(jié)能效果顯著；二是在開停機(jī)時(shí)能減小電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵，電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗。所以本系統(tǒng)采用plc變頻恒壓供水系統(tǒng)。2、 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介及工作原理 （1）簡(jiǎn)介由plc控制變頻恒壓供水系統(tǒng)是一種十分靈活的供水系統(tǒng)，在較大的多臺(tái)水泵供水系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)?shù)钠毡?。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合主要有：a 高層小區(qū)，城鄉(xiāng)居民小區(qū)，企事業(yè)單位等生活用水；b 各類工業(yè)需要恒壓控制的用水，冷卻水循環(huán)，熱力水網(wǎng)循環(huán)，鍋爐補(bǔ)水等；c 中央空調(diào)系統(tǒng)；d 來(lái)自水廠增壓供水系統(tǒng)；e 農(nóng)田灌溉，污水處理，人

9、造噴泉；f 各種流體恒壓供水系統(tǒng)；（2）工作原理變頻恒壓供水系統(tǒng)主要是由plc、變頻器、pid調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、動(dòng)力控制線路、2臺(tái)水泵以及各種電氣控制元件等組成。用戶通過(guò)控制柜面板上的指示燈、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)工作原理：通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成4-20ma的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入pid調(diào)節(jié)器，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)plc實(shí)現(xiàn)變頻

10、器的啟停、故障報(bào)警和備用泵自投。在手動(dòng)狀態(tài)下，不再使用變頻器，直接手動(dòng)啟停水泵。（3）變頻恒壓供水系統(tǒng)原理框圖：nx變頻器pidufx水泵給定xx遠(yuǎn)傳壓力表圖一 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 3、水泵的容量計(jì)算 公式如下：n=q*h/367/g(0.60.85) 式中,n，軸功率，單位是千瓦（kw） q，流量，單位是立方米每小時(shí)（m3/h） h，揚(yáng)程，單位是米(m) 367，是常數(shù)，是一個(gè)固定值g, 0.60.85，是水泵的效率，一般流量大的取大值，流量小的取小值； 假定g=0.6（經(jīng)驗(yàn)值，各品牌效率均不同）， n=30*60/367/0.6=8.18kw水泵功率=軸功率*安全系數(shù) 即p=n*k k在

11、n不同時(shí)有不同的值。 p=k*n=1.23*8.18=10.06kw 一般水泵的功率有一些模數(shù)，從小到大有：1.1kw，2.2kw，3kw，4kw，5.5kw，7.5kw，11kw，15kw，18.5kw，22kw，30kw，37kw，45kw，55kw，75kw，90kw，110kw，132kw 故選出的電機(jī)功率為：11kw。4、水泵/變頻器/plc的選擇水泵型號(hào)：is65-40-250a(流量：23.5m3/ h；揚(yáng)程：70m；轉(zhuǎn)速：2900r/s)；變頻器的型號(hào)為：frn11p11s-2je；plc型號(hào)為：cp1l-l20dr-a20點(diǎn)cpu單元,ac100-220v12入，8點(diǎn)繼電器輸

12、出。斷路器選用dz47-63 d40a ， 熱繼電器選用jr36-40 20-32a的，接觸器選用cj20-40a的，電機(jī)的額定電流大約是22a左右。5、變頻器參數(shù)設(shè)定代碼設(shè)定值頻率設(shè)定命令001操作方法011最高頻率0250hz基本頻率0350hz電子過(guò)熱或繼電器081頻率限制上限1150hz下限1228hz 6、pid控制器參數(shù)選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求結(jié)合pid的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得其數(shù)據(jù)：采樣周期t=3秒，比例系數(shù)kp=140,積分時(shí)間ti=24秒。因?yàn)楣┧到y(tǒng)沒(méi)有較大的慣性環(huán)節(jié)所以不需要設(shè)置微分參數(shù)。7、plc外部接線圖的設(shè)計(jì)plc根據(jù)表1的i/o分配關(guān)系和c20p的端子排列位置進(jìn)行相應(yīng)的接線，pl

13、c系統(tǒng)外部接線圖在中，圖中各接觸器采用220v電源，信號(hào)指示及報(bào)警指示燈與接觸器共用220v電源。（plc外部接線圖的設(shè)計(jì)如附圖1所示）i/o分配表輸入輸出手動(dòng)或自動(dòng)旋鈕sa1000011號(hào)泵變頻啟動(dòng)接觸器km1010011、2號(hào)泵備用旋鈕sa2000021號(hào)泵工頻啟動(dòng)接觸器km301003自動(dòng)啟動(dòng)sb1000032號(hào)泵變頻啟動(dòng)接觸器km201002停車sb4000062號(hào)泵工頻啟動(dòng)接觸器km401004手動(dòng)1號(hào)泵啟動(dòng)sb2000041號(hào)泵變頻工作指示燈hl1010011號(hào)泵停車sb5000072號(hào)泵變頻工作指示燈hl2010022號(hào)泵啟動(dòng)sb3000051號(hào)泵工頻工作指示燈hl3010032

14、號(hào)泵停車sb6000102號(hào)泵工頻工作指示燈hl4010041號(hào)泵熱保護(hù)觸電fr1000111號(hào)泵故障報(bào)警指示燈hl1010052號(hào)泵熱保護(hù)觸電fr2000122號(hào)泵故障報(bào)警指示燈hl2010068、主電路的設(shè)計(jì)主電路線路如附錄一所示，圖中的m1、m2、為帶動(dòng)水泵的電動(dòng)機(jī)，由于電動(dòng)機(jī)的功率較小，所以兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)都采用直接啟動(dòng)方式，各臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別使用兩個(gè)接觸器控制，km1和km2分別控制電動(dòng)機(jī)m1和m2的變頻運(yùn)行。km3和km4分別控制點(diǎn)動(dòng)機(jī)的工頻運(yùn)行。各電動(dòng)機(jī)分別由fr1、fr2、提供過(guò)載保護(hù)。（主電路的設(shè)計(jì)如附圖1所示）9、系統(tǒng)的工作原理 工作方式選擇：變頻器電源開關(guān)qf1 ，將自動(dòng)檔位開關(guān)s

15、a1旋到自動(dòng)檔位，此時(shí)觸點(diǎn)00001關(guān)閉。備用泵選擇：如選擇1號(hào)泵為備用泵，則將其備用選擇開關(guān)sa2旋到1號(hào)泵備用檔位，此時(shí)觸電00002被接通，選擇1號(hào)泵為備用泵。如選擇2號(hào)泵為備用泵，則將其備用選擇開關(guān)sa2旋到2號(hào)泵備用檔位，此時(shí)常閉觸電00002被關(guān)閉，選擇2號(hào)泵為備用泵。自動(dòng)狀態(tài)停止：轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕sa1則plc內(nèi)部觸點(diǎn)00001被接通，可使轉(zhuǎn)換到手動(dòng)狀態(tài)。手動(dòng)啟動(dòng)1號(hào)泵：合工頻1號(hào)泵電源開關(guān)qf2，將自動(dòng)檔位開關(guān)sa1旋到手動(dòng)檔位，此時(shí)觸電00001被接通，即切除自動(dòng)狀態(tài)的功能。按下sb1啟動(dòng)1號(hào)泵工作，觸電01003被接通，輸出繼電器km3動(dòng)作，啟動(dòng)1號(hào)泵工頻工作。手動(dòng)停止1號(hào)泵：按下

16、sb5，觸電01003斷開，切斷輸出繼電器km3，1號(hào)泵停止工作。 手動(dòng)啟動(dòng)2號(hào)泵：合工頻2號(hào)泵電源開關(guān)qf3按下sb2啟動(dòng)2號(hào)泵工作，觸電01004被接通，輸出繼電器km4動(dòng)作，啟動(dòng)2號(hào)泵工頻工作。手動(dòng)停止2號(hào)泵：按下sb6，觸電01004斷開，切斷輸出繼電器km4，2號(hào)泵停止工作。故障排除：1號(hào)泵熱繼電器出現(xiàn)故障時(shí) ，輸入端子fr1動(dòng)作，接通觸點(diǎn)01005，點(diǎn)亮hl5。2號(hào)泵熱繼電器出現(xiàn)故障時(shí) ，輸入端子fr2動(dòng)作，接通觸點(diǎn)01006，點(diǎn)亮hl2。四、設(shè)計(jì)圖紙1、主電路圖（見附錄一）1、控制電路圖（見附錄二） 2、plc梯形圖（見附錄三） 4、plc程序（見附錄四）5、自動(dòng)調(diào)節(jié)原理框圖五、

17、操作使用說(shuō)明書自動(dòng)啟動(dòng)：分別閉合總電源開關(guān)qf1，控制電路電源開關(guān)qf2，變頻器電源開關(guān)qf3 ，將自動(dòng)檔位開關(guān)sa1旋到自動(dòng)檔位，如選擇1號(hào)泵為備用泵，則將其備用選擇開關(guān)sa2旋到1號(hào)泵備用檔位。如選擇2號(hào)泵為備用泵，則將其備用選擇開關(guān)sa2旋到2號(hào)泵備用檔位。自動(dòng)啟動(dòng)：按下啟動(dòng)按鈕sb1，則系統(tǒng)可自動(dòng)工作。自動(dòng)停止：按下自動(dòng)停止按鈕sb4則可使整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行，變頻器自動(dòng)關(guān)閉。如長(zhǎng)時(shí)間不用最好切斷電源qf1、qf2、qf3。手動(dòng)啟動(dòng)1號(hào)泵：閉合1號(hào)泵電源開關(guān)qf2，將自動(dòng)檔位開關(guān)sa1旋到手動(dòng)檔位。按下sb2啟動(dòng)1號(hào)泵工作，按下sb3啟動(dòng)2號(hào)泵工作。手動(dòng)停車：按下sb5停止1號(hào)泵工作，斷開

18、電源開關(guān)qf2。按下sb6停止2號(hào)泵工作，斷開電源開關(guān)qf3。故障排除:根據(jù)指示燈可判斷其故障具體位置。當(dāng)hl5點(diǎn)亮?xí)r，說(shuō)明一號(hào)泵熱繼電器出現(xiàn)故障 。當(dāng)hl2點(diǎn)亮?xí)r，說(shuō)明二號(hào)泵熱繼電器出現(xiàn)故障 。六、設(shè)計(jì)體會(huì)交流電機(jī)變頻調(diào)速及其應(yīng)用我們電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生必修的一門課程，也是比較重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，更是我們將來(lái)工作的基礎(chǔ)，因此我們沒(méi)有理由不把它學(xué)好。平時(shí)在課堂上不乏有些厭倦老師一個(gè)人在那里講個(gè)不停，直到這次課程的設(shè)計(jì)才感覺到交流電機(jī)變頻調(diào)速及其應(yīng)用這門課程的趣味性。然而更讓我受益匪淺的是通過(guò)對(duì)各部分電路的設(shè)計(jì)，不僅讓我復(fù)習(xí)了以前學(xué)過(guò)的舊的知識(shí)，更讓我對(duì)某部分電路有了更深一步的理解，因?yàn)闆](méi)有透徹的理解是設(shè)計(jì)不出來(lái)的。對(duì)于總的電路圖的拼接也是對(duì)我平時(shí)學(xué)習(xí)的分散的知識(shí)和章節(jié)的一個(gè)綜合考驗(yàn)，對(duì)知識(shí)的統(tǒng)一性和連貫性的一個(gè)升華?，F(xiàn)在我只是簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)出了自己的電路，至于設(shè)計(jì)的怎么樣，我想只能是將就，因?yàn)檫€沒(méi)有投入使用，還沒(méi)有調(diào)試，更沒(méi)有運(yùn)行。所以我想其中應(yīng)該是問(wèn)題百出，有些可能是自己的粗心大意，有些則可能是自己對(duì)電力的常規(guī)性設(shè)計(jì)還缺乏種種經(jīng)驗(yàn)，