DZ219變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

DZ219變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn),dz219,變頻,調(diào)速,供水系統(tǒng),研究,鉆研,實(shí)現(xiàn) 變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn),學(xué)生：金光華指導(dǎo)教師：尤文,概 述,智能建筑是建筑技術(shù)與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是信息社會(huì)與經(jīng)濟(jì)國際化的需要,是寫字樓等公共建筑發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，是科技高度發(fā)展的結(jié)晶。隨著人民生活水平的日趨提高，新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用 ，使給供水設(shè)計(jì)得到了發(fā)展的機(jī)遇，當(dāng)前住宅建筑的小區(qū)規(guī)劃趨向于更具人性化的多層次住宅組合，不再僅僅追求立面和平面的美觀和合理，而是追求空間上布局的流暢和設(shè)計(jì)中貫徹以人為本的理念，特別是在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是選擇一種符合各方面規(guī)范、衛(wèi)生安全而又經(jīng)濟(jì)合理的供水方式，對(duì)供水設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。智能建筑往往是從樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)開始。本文主要針對(duì)當(dāng)前供水系統(tǒng)中存在的自動(dòng)化程度不高、能耗高、供水可靠性低的問題加以研究，開發(fā)出一種新型的并在這三個(gè)方面都有所提高的PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)。恒壓供水是指在供水管網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時(shí)，出口壓力保持不變的供水方式。供水管網(wǎng)（系出口）壓力值是根據(jù)用戶需求確定的。傳統(tǒng)的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設(shè)施來實(shí)現(xiàn)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，利用變頻器、PID調(diào)節(jié)器、傳感器、PLC等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。該技術(shù)已在供水行業(yè)普及。 本文采用可編程控制器（PLC），利用變頻調(diào)速控制技術(shù)，借助傳感器和執(zhí)行器等現(xiàn)代工業(yè)控制常用的控制部件及其相關(guān)控制算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。可以大大提高二次供水的可靠性，與氣壓供水設(shè)備相比可節(jié)能20以上。,二次供水的發(fā)展現(xiàn)狀 一般城市管網(wǎng)的水壓為 1.4-2.4kg/cm2，只能保證6層樓以下樓房的用水，6層以上各樓層均須提升水壓才能保證用水要求，以前大多采用傳統(tǒng)的水塔，高位水箱或是氣壓增壓設(shè)備，但它們都必須有水泵以高出實(shí)際用水高度的壓力來提升水量，增大了水泵的軸功率和能耗。 水箱/水塔供水是由水箱/水塔直接供應(yīng)，用上水泵把水送入高位水箱，水箱中的水靠重力自流向用戶供水，即為重力供水。它是由位置高度所形成的壓力來進(jìn)行供水的，因此，必須建造高大的水塔或在建筑物屋頂建立貯水箱。由于水箱和水塔的容積是一定的，在用水高峰常常不能滿足供水要求。同時(shí)，由于其存水量大，在屋頂形成很大的負(fù)重，增加了結(jié)構(gòu)的承重和占用樓層的建筑面積。此外，水箱和水塔的貯水，增加了水被二次污染的機(jī)會(huì)。 氣壓供水系統(tǒng)不在屋頂上設(shè)置水箱，也不用單獨(dú)建筑水塔，僅在地下室或某些空余之處設(shè)置水泵機(jī)組和氣罐設(shè)備。采用壓力給水來滿足供水要求。氣壓供水系統(tǒng)是以氣壓罐代替水塔或高位水箱，利用密閉壓力罐內(nèi)的壓力將水壓送入管網(wǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是靈活性大，建設(shè)快，少受污染，利于抗震等；缺點(diǎn)是體積和投資大，壓力變化大，運(yùn)行效率低，還需空氣壓縮機(jī)充氣。因此，耗費(fèi)動(dòng)力較多，維護(hù)費(fèi)用高。變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)，無須貯水箱或塔，它由單臺(tái)泵或多臺(tái)泵將水源的水直接打入用戶主管網(wǎng)中，根據(jù)用水量隨時(shí)調(diào)速水泵的速度和水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，以保持管網(wǎng)壓力恒定。在用水高峰能保持恒定水壓，在用水低谷或無人用水時(shí)，可調(diào)低水泵運(yùn)行速度或進(jìn)入睡眠狀態(tài)，具有顯著的節(jié)能效果。除此之外，該系統(tǒng)還具有設(shè)備占地面積小，綜合造價(jià)低，減輕水質(zhì)二次污染，便于使用和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。,基于PLC的定壓供水系統(tǒng)：可編程邏輯控制器(PLC) 及其網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的支柱之一, 由于近年來PLC 的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、圖形顯示、聯(lián)網(wǎng)通信功能得到了很大的加強(qiáng), 使得PLC 得以向過程控制滲透和發(fā)展。過程控制通常是指工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期進(jìn)行的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制。在過程控制領(lǐng)域, PID是最主要的調(diào)節(jié)器之一, 其原理簡(jiǎn)單、適用性和魯棒性強(qiáng), 最突出的特點(diǎn)是它不依賴于對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型, 因此可以解決工業(yè)過程精確建模時(shí)的困難。目前各種PLC 都提供相應(yīng)的PID控制指令和相應(yīng)的回路調(diào)節(jié)軟件。因此, 將PLC 應(yīng)用于PID控制, 能夠使控制系統(tǒng)小型化, 使控制模塊高度集成, 且易于操作和維護(hù)。課題研究意義1. 高效節(jié)能 變頻定壓供水系統(tǒng)的最顯著優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10-40%。從單臺(tái)水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。 2. 恒壓供水 變頻定壓供水系統(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. 自動(dòng)運(yùn)行、管理簡(jiǎn)便 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)、過載、失速保護(hù)、低液位保護(hù)、主泵定時(shí)輪換控制、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，延長了機(jī)泵使用壽命。變頻器的無級(jí)調(diào)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了機(jī)泵軟啟動(dòng)，避免了電機(jī)開停時(shí)的大電流對(duì)電機(jī)線圈和電網(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 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統(tǒng)采用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)占地就非常小，可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設(shè)專人管理、設(shè)備故障率極低等方面都實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步減少投資，運(yùn)行管理費(fèi)低的特點(diǎn)，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，都決定了小區(qū)變頻定壓供水系統(tǒng)的投資回收期短，一般約2年。,系統(tǒng)性能具有供水壓力調(diào)整方便、精度高、占地面積小、靈活性強(qiáng)、投資小、高效節(jié)能，控制系統(tǒng)內(nèi)置微電腦控制器，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)定時(shí)供水，徹底實(shí)現(xiàn)無人值守自動(dòng)供水，具有過流、過載、過壓、欠壓、缺相、失速、過熱等多種保護(hù)功能，水泵起動(dòng)方式為軟起動(dòng)，無水錘效應(yīng)，對(duì)電網(wǎng)和水泵無沖擊，延長了水泵及電器的使用壽命，增加了系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)具有故障報(bào)警和顯示功能，并可進(jìn)行工頻直接運(yùn)行，應(yīng)急供水。系統(tǒng)特點(diǎn)1、系統(tǒng)具有軟起軟停及恒壓供水功能，設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種運(yùn)轉(zhuǎn)功能；2、系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力；3、控制電源：電壓：AC 220V；功率：40W4、定壓范圍： 00.5Mpa, 5、定壓控制精度：0.01Mpa 6、完成4臺(tái)水泵的組合邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中每臺(tái)泵都可以采取變頻控制方式和工頻控制方式，其中同一時(shí)間僅有一臺(tái)泵采取變頻控制，其他為工頻控制，單臺(tái)水泵的流量: Q=50m3/h 揚(yáng)程：P=50m 功率：P=15KW 其中要求各個(gè)泵工作順序?yàn)橄乳_先停，保證每個(gè)水泵的工作時(shí)間大致相同。,系統(tǒng)組成典型的自動(dòng)定壓供水系統(tǒng)具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實(shí)時(shí)將壓力、流量非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入至可編程控制器(PLC)的輸入模塊，信號(hào)經(jīng)CPU運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，得出最佳的運(yùn)行工況參數(shù)，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設(shè)定值，控制泵站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵的運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵的調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖如下,圖2.1 自動(dòng)定壓供水系統(tǒng)原理框圖,硬件設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)的水泵有四臺(tái)，而變頻器只有一臺(tái)，為了使四臺(tái)水泵的使用工況接近，需要使四臺(tái)水泵能夠輪流進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài)，而未按變頻運(yùn)行的水泵也要輪流的處于工頻運(yùn)行，使得各水泵的運(yùn)行時(shí)間接近，延長水泵和系統(tǒng)的使用壽命，為此，在系統(tǒng)上需要進(jìn)行硬件和軟件的特殊設(shè)計(jì)。為了充分保障系統(tǒng)的安全，本系統(tǒng)采用以下措施：（1）要求對(duì)工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實(shí)現(xiàn)互鎖。（2）當(dāng)水泵的功率較大時(shí)，為防止直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流過大，需要采用軟啟動(dòng)的方法，即用變頻器來啟動(dòng)水泵。（3）原先變頻運(yùn)行的水泵在斷開變頻器后，利用其運(yùn)行的慣性切換到工頻電源，可避免切換過程中電流過大的問題。為了實(shí)現(xiàn)恒壓供水，首先將供水管道的出口壓力值經(jīng)壓力傳感器檢測(cè)，并變送成010V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送入變頻器，經(jīng)變頻器內(nèi)部A/D采樣和PID運(yùn)算，控制變頻器的輸出頻率，從而控制供水的壓力平衡。由于在現(xiàn)場(chǎng)一般存在著各種各樣的干擾，為了使控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確穩(wěn)定的運(yùn)行，啟用了變頻器內(nèi)部在A/D之前的一級(jí)一階低通濾波器。在PLC軟件之中采用平均值濾波的算法去除干擾。,ACS40/ABB變頻器 遠(yuǎn)傳壓力表監(jiān)測(cè)管網(wǎng)供水壓力，其輸出的模擬量傳遞到PLC，經(jīng)過PLC轉(zhuǎn)換后以模擬量輸出的形式傳給變頻器（壓力反饋），變頻器根據(jù)管網(wǎng)壓力的變化調(diào)整電機(jī)頻率。管網(wǎng)壓力當(dāng)前值高于變頻器設(shè)定時(shí)，變頻器就會(huì)提高其頻率；當(dāng)前值低于變頻器設(shè)定時(shí)，變頻器就會(huì)降低其頻率。當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率達(dá)到50hz時(shí)，若此時(shí)管網(wǎng)壓力仍低，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)工頻泵；當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率降到10hz時(shí)，若此時(shí)管網(wǎng)壓力仍高，系統(tǒng)將自動(dòng)摘除一臺(tái)工頻泵。加泵、減泵時(shí)均需考慮30秒的延時(shí)，以免電機(jī)產(chǎn)生震蕩。PLC供水泵的自動(dòng)控制采用的是日本歐姆龍公司的PLC，機(jī)器型號(hào)為CPM2A-30CDR-A和模擬量控制模塊CPM1A-MAD02-CH。主要完成供水泵的工頻、變頻自動(dòng)運(yùn)行。其控制包括14號(hào)泵的工頻、變頻接觸器、報(bào)警燈、報(bào)警器、變頻器啟?？刂频?。在模擬量控制中，模擬量模塊是由四路輸入和一路輸出組成，四路輸入分別連接為P1小區(qū)供水管網(wǎng)壓力（002CH中的低八位）、P2市供水管網(wǎng)壓力（002CH中的高八位）、F變頻器的當(dāng)前頻率（003CH中的低八位）。一路輸出為P11（12CH中的低八位，P11=P1）。,軟件設(shè)計(jì)軟件主要有兩大塊：一塊用于處理PLC從變頻器讀取控制變量和設(shè)定變量。由于USS協(xié)議是主從式協(xié)議，所以在PLC軟件中，需首先發(fā)送一個(gè)讀取參數(shù)的指令，然后進(jìn)入查詢狀態(tài)，當(dāng)變頻器收到指令，并返回相應(yīng)的參數(shù)時(shí)，軟件放置好參數(shù)值，并發(fā)送讀取下一個(gè)參數(shù)的指令。若軟件在發(fā)出指令之后的255ms之內(nèi)沒有收到反饋指令，則認(rèn)為通訊故障,要重新發(fā)送指令，如果重發(fā)三次都不能正常收到反饋指令，則報(bào)警處理。第二塊是處理水泵運(yùn)行順序，控制啟停和控制算法的實(shí)現(xiàn)。在編制該子塊時(shí)關(guān)鍵的問題是對(duì)各水泵進(jìn)行編號(hào)，并實(shí)時(shí)的記憶當(dāng)前的狀態(tài)，尤其是在切換變頻泵到工頻泵時(shí)，軟件必須有一個(gè)時(shí)延確認(rèn)的處理，這樣可以避免發(fā)生變頻器受電流沖擊的危險(xiǎn)。在處理采樣各開關(guān)量輸入信號(hào)時(shí)，都附加了一個(gè)時(shí)延確認(rèn)，以避免頻繁的啟/停某一水泵。,總結(jié)變頻式恒壓供水的最大好處，就是用多少水供多少水，不做無用功，因而達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目的。根據(jù)流體力學(xué)原理和試驗(yàn)結(jié)論，對(duì)于水機(jī)水泵等的流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，所需功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)電效果非常顯著。根據(jù)實(shí)際使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用變頻式恒壓供水，可節(jié)電3060。展望在短短的幾年內(nèi)，調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替。樓宇自動(dòng)化恒壓供水系統(tǒng)的飛躍發(fā)展給我國的小區(qū)供水帶來了很大的便利。它充分利用了變頻軟啟動(dòng)和PLC技術(shù)的相結(jié)合實(shí)現(xiàn)一拖多泵的供水系統(tǒng)。PLC編程在工業(yè)領(lǐng)域更適用，它通過梯形圖編程、它更容易被人們理解。PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國內(nèi)幾乎所有供水設(shè)備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。目前正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制，多品種系列 化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標(biāo)準(zhǔn)化是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。,