DZ219變頻調速定壓供水系統的研究與實現

DZ219變頻調速定壓供水系統的研究與實現,dz219,變頻,調速,供水系統,研究,鉆研,實現 變頻調速定壓供水系統的研究與實現,學生：金光華指導教師：尤文,概 述,智能建筑是建筑技術與計算機信息技術相結合的產物，是信息社會與經濟國際化的需要,是寫字樓等公共建筑發(fā)展的一個趨勢，是科技高度發(fā)展的結晶。隨著人民生活水平的日趨提高，新技術和先進設備的應用 ，使給供水設計得到了發(fā)展的機遇，當前住宅建筑的小區(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計中貫徹以人為本的理念，特別是在市場經濟的浪潮中，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)生安全而又經濟合理的供水方式，對供水設計帶來了新的挑戰(zhàn)。智能建筑往往是從樓宇自動化控制系統開始。本文主要針對當前供水系統中存在的自動化程度不高、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方面都有所提高的PLC控制的恒壓供水系統。恒壓供水是指在供水管網中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水管網（系出口）壓力值是根據用戶需求確定的。傳統的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施來實現。隨著變頻調速技術的日益成熟和廣泛應用，利用變頻器、PID調節(jié)器、傳感器、PLC等器件的有機結合，構成控制系統，調節(jié)水泵的輸出流量，實現恒壓供水。該技術已在供水行業(yè)普及。 本文采用可編程控制器（PLC），利用變頻調速控制技術，借助傳感器和執(zhí)行器等現代工業(yè)控制常用的控制部件及其相關控制算法，設計并實現了變頻調速定壓供水系統。該系統具有結構簡單、操作簡便、運行可靠等特點?？梢源蟠筇岣叨喂┧目煽啃裕c氣壓供水設備相比可節(jié)能20以上。,二次供水的發(fā)展現狀 一般城市管網的水壓為 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，以前大多采用傳統的水塔，高位水箱或是氣壓增壓設備，但它們都必須有水泵以高出實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，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，由于其存水量大，在屋頂形成很大的負重，增加了結構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會。 氣壓供水系統不在屋頂上設置水箱，也不用單獨建筑水塔，僅在地下室或某些空余之處設置水泵機組和氣罐設備。采用壓力給水來滿足供水要求。氣壓供水系統是以氣壓罐代替水塔或高位水箱，利用密閉壓力罐內的壓力將水壓送入管網，其優(yōu)點是靈活性大，建設快，少受污染，利于抗震等；缺點是體積和投資大，壓力變化大，運行效率低，還需空氣壓縮機充氣。因此，耗費動力較多，維護費用高。變頻調速定壓供水系統，無須貯水箱或塔，它由單臺泵或多臺泵將水源的水直接打入用戶主管網中，根據用水量隨時調速水泵的速度和水泵運行的臺數，以保持管網壓力恒定。在用水高峰能保持恒定水壓，在用水低谷或無人用水時，可調低水泵運行速度或進入睡眠狀態(tài)，具有顯著的節(jié)能效果。除此之外，該系統還具有設備占地面積小，綜合造價低，減輕水質二次污染，便于使用和維護等優(yōu)點。,基于PLC的定壓供水系統：可編程邏輯控制器(PLC) 及其網絡是現代工業(yè)自動化的支柱之一, 由于近年來PLC 的數據運算處理、圖形顯示、聯網通信功能得到了很大的加強, 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)生產中連續(xù)的或按一定周期進行的生產過程自動控制。在過程控制領域, PID是最主要的調節(jié)器之一, 其原理簡單、適用性和魯棒性強, 最突出的特點是它不依賴于對象精確的數學模型, 因此可以解決工業(yè)過程精確建模時的困難。目前各種PLC 都提供相應的PID控制指令和相應的回路調節(jié)軟件。因此, 將PLC 應用于PID控制, 能夠使控制系統小型化, 使控制模塊高度集成, 且易于操作和維護。課題研究意義1. 高效節(jié)能 變頻定壓供水系統的最顯著優(yōu)點就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10-40%。從單臺水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。 2. 恒壓供水 變頻定壓供水系統實現了系統供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。3. 安全衛(wèi)生 系統實行閉環(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. 自動運行、管理簡便 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、低液位保護、主泵定時輪換控制、密碼設定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。 5. 延長設備壽命、保護電網穩(wěn)定 使用變頻器后，機泵的轉速不再是長期維持額定轉速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調速運行，實現了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網的沖擊，消除了水泵的水錘效應。 6. 占地少、投資回收期短 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統占地就非常小，可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設專人管理、設備故障率極低等方面都實現了進一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點，都決定了小區(qū)變頻定壓供水系統的投資回收期短，一般約2年。,系統性能具有供水壓力調整方便、精度高、占地面積小、靈活性強、投資小、高效節(jié)能，控制系統內置微電腦控制器，可實現全自動定時供水，徹底實現無人值守自動供水，具有過流、過載、過壓、欠壓、缺相、失速、過熱等多種保護功能，水泵起動方式為軟起動，無水錘效應，對電網和水泵無沖擊，延長了水泵及電器的使用壽命，增加了系統的可靠性，控制系統具有故障報警和顯示功能，并可進行工頻直接運行，應急供水。系統特點1、系統具有軟起軟停及恒壓供水功能，設有自動和手動兩種運轉功能；2、系統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臺水泵的組合邏輯控制系統設計，其中每臺泵都可以采取變頻控制方式和工頻控制方式，其中同一時間僅有一臺泵采取變頻控制，其他為工頻控制，單臺水泵的流量: Q=50m3/h 揚程：P=50m 功率：P=15KW 其中要求各個泵工作順序為先開先停，保證每個水泵的工作時間大致相同。,系統組成典型的自動定壓供水系統具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實時將壓力、流量非電量信號轉換為電信號，輸入至可編程控制器(PLC)的輸入模塊，信號經CPU運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出最佳的運行工況參數，由系統的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設定值，控制泵站投運水泵的臺數及變量泵的運行工況，并實現對每臺水泵的調節(jié)控制。系統的結構原理框圖如下,圖2.1 自動定壓供水系統原理框圖,硬件設計由于本系統的水泵有四臺，而變頻器只有一臺，為了使四臺水泵的使用工況接近，需要使四臺水泵能夠輪流進入變頻運行狀態(tài)，而未按變頻運行的水泵也要輪流的處于工頻運行，使得各水泵的運行時間接近，延長水泵和系統的使用壽命，為此，在系統上需要進行硬件和軟件的特殊設計。為了充分保障系統的安全，本系統采用以下措施：（1）要求對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實現互鎖。（2）當水泵的功率較大時，為防止直接啟動時啟動電流過大，需要采用軟啟動的方法，即用變頻器來啟動水泵。（3）原先變頻運行的水泵在斷開變頻器后，利用其運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。為了實現恒壓供水，首先將供水管道的出口壓力值經壓力傳感器檢測，并變送成010V的標準信號，送入變頻器，經變頻器內部A/D采樣和PID運算，控制變頻器的輸出頻率，從而控制供水的壓力平衡。由于在現場一般存在著各種各樣的干擾，為了使控制系統能準確穩(wěn)定的運行，啟用了變頻器內部在A/D之前的一級一階低通濾波器。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 遠傳壓力表監(jiān)測管網供水壓力，其輸出的模擬量傳遞到PLC，經過PLC轉換后以模擬量輸出的形式傳給變頻器（壓力反饋），變頻器根據管網壓力的變化調整電機頻率。管網壓力當前值高于變頻器設定時，變頻器就會提高其頻率；當前值低于變頻器設定時，變頻器就會降低其頻率。當變頻器的運行頻率達到50hz時，若此時管網壓力仍低，系統將自動啟動一臺工頻泵；當變頻器的運行頻率降到10hz時，若此時管網壓力仍高，系統將自動摘除一臺工頻泵。加泵、減泵時均需考慮30秒的延時，以免電機產生震蕩。PLC供水泵的自動控制采用的是日本歐姆龍公司的PLC，機器型號為CPM2A-30CDR-A和模擬量控制模塊CPM1A-MAD02-CH。主要完成供水泵的工頻、變頻自動運行。其控制包括14號泵的工頻、變頻接觸器、報警燈、報警器、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)供水管網壓力（002CH中的低八位）、P2市供水管網壓力（002CH中的高八位）、F變頻器的當前頻率（003CH中的低八位）。一路輸出為P11（12CH中的低八位，P11=P1）。,軟件設計軟件主要有兩大塊：一塊用于處理PLC從變頻器讀取控制變量和設定變量。由于USS協議是主從式協議，所以在PLC軟件中，需首先發(fā)送一個讀取參數的指令，然后進入查詢狀態(tài)，當變頻器收到指令，并返回相應的參數時，軟件放置好參數值，并發(fā)送讀取下一個參數的指令。若軟件在發(fā)出指令之后的255ms之內沒有收到反饋指令，則認為通訊故障,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，則報警處理。第二塊是處理水泵運行順序，控制啟停和控制算法的實現。在編制該子塊時關鍵的問題是對各水泵進行編號，并實時的記憶當前的狀態(tài)，尤其是在切換變頻泵到工頻泵時，軟件必須有一個時延確認的處理，這樣可以避免發(fā)生變頻器受電流沖擊的危險。在處理采樣各開關量輸入信號時，都附加了一個時延確認，以避免頻繁的啟/停某一水泵。,總結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，因而達到節(jié)能節(jié)水的目的。根據流體力學原理和試驗結論，對于水機水泵等的流量與轉速成正比，壓力與轉速的二次方成正比，所需功率與轉速的三次方成正比，所以水泵調速運行的節(jié)電效果非常顯著。根據實際使用統計數據，采用變頻式恒壓供水，可節(jié)電3060。展望在短短的幾年內，調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調速恒壓系統逐漸為多泵系統所代替。樓宇自動化恒壓供水系統的飛躍發(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和PLC技術的相結合實現一拖多泵的供水系統。PLC編程在工業(yè)領域更適用，它通過梯形圖編程、它更容易被人們理解。PID調節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用，變頻調速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質的供水質量等優(yōu)點。恒壓供水調速系統的這些優(yōu)越性，引起國內幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產這一高新技術產品。目前正向著高可靠性、全數字化微機控制，多品種系列 化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)智能樓宇、網絡供水調度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。,變頻調速定壓供水系統的研究與實現,學生：金光華指導教師：尤文,概 述,智能建筑是建筑技術與計算機信息技術相結合的產物，是信息社會與經濟國際化的需要,是寫字樓等公共建筑發(fā)展的一個趨勢，是科技高度發(fā)展的結晶。隨著人民生活水平的日趨提高，新技術和先進設備的應用 ，使給供水設計得到了發(fā)展的機遇，當前住宅建筑的小區(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計中貫徹以人為本的理念，特別是在市場經濟的浪潮中，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)生安全而又經濟合理的供水方式，對供水設計帶來了新的挑戰(zhàn)。智能建筑往往是從樓宇自動化控制系統開始。本文主要針對當前供水系統中存在的自動化程度不高、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方面都有所提高的PLC控制的恒壓供水系統。恒壓供水是指在供水管網中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水管網（系出口）壓力值是根據用戶需求確定的。傳統的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施來實現。隨著變頻調速技術的日益成熟和廣泛應用，利用變頻器、PID調節(jié)器、傳感器、PLC等器件的有機結合，構成控制系統，調節(jié)水泵的輸出流量，實現恒壓供水。該技術已在供水行業(yè)普及。 本文采用可編程控制器（PLC），利用變頻調速控制技術，借助傳感器和執(zhí)行器等現代工業(yè)控制常用的控制部件及其相關控制算法，設計并實現了變頻調速定壓供水系統。該系統具有結構簡單、操作簡便、運行可靠等特點?？梢源蟠筇岣叨喂┧目煽啃?，與氣壓供水設備相比可節(jié)能20以上。,二次供水的發(fā)展現狀 一般城市管網的水壓為 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，以前大多采用傳統的水塔，高位水箱或是氣壓增壓設備，但它們都必須有水泵以高出實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，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，由于其存水量大，在屋頂形成很大的負重，增加了結構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會。 氣壓供水系統不在屋頂上設置水箱，也不用單獨建筑水塔，僅在地下室或某些空余之處設置水泵機組和氣罐設備。采用壓力給水來滿足供水要求。氣壓供水系統是以氣壓罐代替水塔或高位水箱，利用密閉壓力罐內的壓力將水壓送入管網，其優(yōu)點是靈活性大，建設快，少受污染，利于抗震等；缺點是體積和投資大，壓力變化大，運行效率低，還需空氣壓縮機充氣。因此，耗費動力較多，維護費用高。變頻調速定壓供水系統，無須貯水箱或塔，它由單臺泵或多臺泵將水源的水直接打入用戶主管網中，根據用水量隨時調速水泵的速度和水泵運行的臺數，以保持管網壓力恒定。在用水高峰能保持恒定水壓，在用水低谷或無人用水時，可調低水泵運行速度或進入睡眠狀態(tài)，具有顯著的節(jié)能效果。除此之外，該系統還具有設備占地面積小，綜合造價低，減輕水質二次污染，便于使用和維護等優(yōu)點。,基于PLC的定壓供水系統：可編程邏輯控制器(PLC) 及其網絡是現代工業(yè)自動化的支柱之一, 由于近年來PLC 的數據運算處理、圖形顯示、聯網通信功能得到了很大的加強, 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)生產中連續(xù)的或按一定周期進行的生產過程自動控制。在過程控制領域, PID是最主要的調節(jié)器之一, 其原理簡單、適用性和魯棒性強, 最突出的特點是它不依賴于對象精確的數學模型, 因此可以解決工業(yè)過程精確建模時的困難。目前各種PLC 都提供相應的PID控制指令和相應的回路調節(jié)軟件。因此, 將PLC 應用于PID控制, 能夠使控制系統小型化, 使控制模塊高度集成, 且易于操作和維護。課題研究意義1. 高效節(jié)能 變頻定壓供水系統的最顯著優(yōu)點就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10-40%。從單臺水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。 2. 恒壓供水 變頻定壓供水系統實現了系統供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。3. 安全衛(wèi)生 系統實行閉環(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. 自動運行、管理簡便 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、低液位保護、主泵定時輪換控制、密碼設定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。 5. 延長設備壽命、保護電網穩(wěn)定 使用變頻器后，機泵的轉速不再是長期維持額定轉速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調速運行，實現了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網的沖擊，消除了水泵的水錘效應。 6. 占地少、投資回收期短 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統占地就非常小，可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設專人管理、設備故障率極低等方面都實現了進一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點，都決定了小區(qū)變頻定壓供水系統的投資回收期短，一般約2年。,系統性能具有供水壓力調整方便、精度高、占地面積小、靈活性強、投資小、高效節(jié)能，控制系統內置微電腦控制器，可實現全自動定時供水，徹底實現無人值守自動供水，具有過流、過載、過壓、欠壓、缺相、失速、過熱等多種保護功能，水泵起動方式為軟起動，無水錘效應，對電網和水泵無沖擊，延長了水泵及電器的使用壽命，增加了系統的可靠性，控制系統具有故障報警和顯示功能，并可進行工頻直接運行，應急供水。系統特點1、系統具有軟起軟停及恒壓供水功能，設有自動和手動兩種運轉功能；2、系統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臺水泵的組合邏輯控制系統設計，其中每臺泵都可以采取變頻控制方式和工頻控制方式，其中同一時間僅有一臺泵采取變頻控制，其他為工頻控制，單臺水泵的流量: Q=50m3/h 揚程：P=50m 功率：P=15KW 其中要求各個泵工作順序為先開先停，保證每個水泵的工作時間大致相同。,系統組成典型的自動定壓供水系統具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實時將壓力、流量非電量信號轉換為電信號，輸入至可編程控制器(PLC)的輸入模塊，信號經CPU運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出最佳的運行工況參數，由系統的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設定值，控制泵站投運水泵的臺數及變量泵的運行工況，并實現對每臺水泵的調節(jié)控制。系統的結構原理框圖如下,圖2.1 自動定壓供水系統原理框圖,硬件設計由于本系統的水泵有四臺，而變頻器只有一臺，為了使四臺水泵的使用工況接近，需要使四臺水泵能夠輪流進入變頻運行狀態(tài)，而未按變頻運行的水泵也要輪流的處于工頻運行，使得各水泵的運行時間接近，延長水泵和系統的使用壽命，為此，在系統上需要進行硬件和軟件的特殊設計。為了充分保障系統的安全，本系統采用以下措施：（1）要求對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實現互鎖。（2）當水泵的功率較大時，為防止直接啟動時啟動電流過大，需要采用軟啟動的方法，即用變頻器來啟動水泵。（3）原先變頻運行的水泵在斷開變頻器后，利用其運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。為了實現恒壓供水，首先將供水管道的出口壓力值經壓力傳感器檢測，并變送成010V的標準信號，送入變頻器，經變頻器內部A/D采樣和PID運算，控制變頻器的輸出頻率，從而控制供水的壓力平衡。由于在現場一般存在著各種各樣的干擾，為了使控制系統能準確穩(wěn)定的運行，啟用了變頻器內部在A/D之前的一級一階低通濾波器。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 遠傳壓力表監(jiān)測管網供水壓力，其輸出的模擬量傳遞到PLC，經過PLC轉換后以模擬量輸出的形式傳給變頻器（壓力反饋），變頻器根據管網壓力的變化調整電機頻率。管網壓力當前值高于變頻器設定時，變頻器就會提高其頻率；當前值低于變頻器設定時，變頻器就會降低其頻率。當變頻器的運行頻率達到50hz時，若此時管網壓力仍低，系統將自動啟動一臺工頻泵；當變頻器的運行頻率降到10hz時，若此時管網壓力仍高，系統將自動摘除一臺工頻泵。加泵、減泵時均需考慮30秒的延時，以免電機產生震蕩。PLC供水泵的自動控制采用的是日本歐姆龍公司的PLC，機器型號為CPM2A-30CDR-A和模擬量控制模塊CPM1A-MAD02-CH。主要完成供水泵的工頻、變頻自動運行。其控制包括14號泵的工頻、變頻接觸器、報警燈、報警器、變頻器啟?？刂频取Ｔ谀M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)供水管網壓力（002CH中的低八位）、P2市供水管網壓力（002CH中的高八位）、F變頻器的當前頻率（003CH中的低八位）。一路輸出為P11（12CH中的低八位，P11=P1）。,軟件設計軟件主要有兩大塊：一塊用于處理PLC從變頻器讀取控制變量和設定變量。由于USS協議是主從式協議，所以在PLC軟件中，需首先發(fā)送一個讀取參數的指令，然后進入查詢狀態(tài)，當變頻器收到指令，并返回相應的參數時，軟件放置好參數值，并發(fā)送讀取下一個參數的指令。若軟件在發(fā)出指令之后的255ms之內沒有收到反饋指令，則認為通訊故障,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，則報警處理。第二塊是處理水泵運行順序，控制啟停和控制算法的實現。在編制該子塊時關鍵的問題是對各水泵進行編號，并實時的記憶當前的狀態(tài)，尤其是在切換變頻泵到工頻泵時，軟件必須有一個時延確認的處理，這樣可以避免發(fā)生變頻器受電流沖擊的危險。在處理采樣各開關量輸入信號時，都附加了一個時延確認，以避免頻繁的啟/停某一水泵。,總結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，因而達到節(jié)能節(jié)水的目的。根據流體力學原理和試驗結論，對于水機水泵等的流量與轉速成正比，壓力與轉速的二次方成正比，所需功率與轉速的三次方成正比，所以水泵調速運行的節(jié)電效果非常顯著。根據實際使用統計數據，采用變頻式恒壓供水，可節(jié)電3060。展望在短短的幾年內，調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調速恒壓系統逐漸為多泵系統所代替。樓宇自動化恒壓供水系統的飛躍發(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和PLC技術的相結合實現一拖多泵的供水系統。PLC編程在工業(yè)領域更適用，它通過梯形圖編程、它更容易被人們理解。PID調節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用，變頻調速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質的供水質量等優(yōu)點。恒壓供水調速系統的這些優(yōu)越性，引起國內幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產這一高新技術產品。目前正向著高可靠性、全數字化微機控制，多品種系列 化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)智能樓宇、網絡供水調度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。,1目錄第一章 緒 論 .111 二次供水的發(fā)展現狀 .1111 傳統的供水方式 .1112 定壓供水方式 .212 變頻調速技術的國內外發(fā)展現狀 .3121 我國變頻調速技術的發(fā)展概況 .3122 國外現狀 .6123 未來的發(fā)展方向 .613 變頻定壓供水系統的參數選取 .814 論文的目的意義及研究內容 .9141 目的及意義 .9142 研究內容 .10第二章 定壓供水控制系統方案 .1221 控制方案及運行特征 .1222 定壓供水系統的設計方案 .13221 變頻定壓供水控制方式 .15222 硬件線路 .16223 系統軟件 .1723 系統的保護功能 .17231 水泵維護和輪換功能 .17232 故障檢測與報警功能 .18第三章 系統設計方案及實施 .1931 系統控制工藝流程設計 .1932 ACS40/ABB 變頻器 .2033 水泵手動控制系統 .2234 水泵自動控制系統 .23第四章 四泵恒壓供水程序設計及控制算法 .2941 程序設計及注解說明 .2942 控制算法原理 .42結束語 .45參考文獻 .47附錄 .492附錄 A：程序清單 .49附錄 B：軟件流程圖 .57附錄 C：硬件圖 .581第一章 緒 論城市供水系統擔負著為生產和日常生活供水和消防用水的重要任務。在居民生活用水、工業(yè)用水、各類自來水廠、油田、油庫、鍋爐供熱和定壓補水噴淋及消防等供水系統中，采用傳統的水塔、高位水箱、氣壓增壓等設備，不但占地面積和設備投資大，維護困難，且不能滿足高層建筑、工業(yè)、消防等高水壓、大流量的快速供水需求。另一方面，由于供水量的隨機性，采用傳統方法，難以保證供水的實時性，且能量浪費嚴重。目前國內城市供水系統的控制和管理還處于相當落后的局面,與國外相比有著很大的差距。總體自動化監(jiān)控程度低,大部分的供水系統僅有單級的常規(guī)控制。隨著國民經濟的飛速發(fā)展,對供水系統提出了更高的要求,所以必需對現有供水系統的控制和管理進行改造,向著高度自動化乃至無人化供水系統的方向發(fā)展,以達到減員增效和提高管理水平的目的。隨著交流電機變頻調速技術的完善，變頻調速定壓供水系統克服了傳統方法的缺點，成為比較完善的供水系統。開發(fā)可靠性高、控制性能好的定壓供水系統具有很高的實用價值。11 二次供水的發(fā)展現狀111 傳統的供水方式一般城市管網的水壓為 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，以前大多采用傳統的水塔，高位水箱或是氣壓增壓設備，但它們都必須有水泵以高出實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：系統供水是由水箱/水塔直接供應，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行供水的，因此，必須建造高大的水塔或在建筑特屋頂建立貯水箱。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，由于其存水量大，在屋頂形成很大的負重，增加了結構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會。氣壓供水系統：氣壓供水系統不在屋頂上設置水箱，也不用單獨建筑水塔，僅在地下室或某些空余之處設置水泵機組和氣罐設備。采用壓力給水來滿足供水要求。氣壓供水系統是以氣壓罐代替水塔或高位水箱，利用密閉壓力罐內的壓力將水壓送入管網，其優(yōu)2點是靈活性大，建設快，少受污染，利于抗震等；缺點是體積和投資大，壓力變化大，運行效率低，還需空氣壓縮機充氣。因此，耗費動力較多，維護費用高。112 定壓供水方式定壓供水是指在供水網中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水網系出口壓力值是根據用戶需求確定的。隨著變頻調速技術的日益成熟和廣泛應用，利用變頻器、PID 調節(jié)器、單片機、PLC 等器件的有機結合，構成控制系統，調節(jié)水泵的輸出流量，實現定壓供水。該技術以在供水行業(yè)普及。變頻定壓供水系統主要特點：1、 節(jié)能，可以實現節(jié)電 20%-40%，能實現綠色用電。2、 占地面積小，投入少，效率高。3、 配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。4、 運行合理，由于是軟起和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。5、 由于變頻定壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。6、 通過通信控制，可以實現無人值守，節(jié)約了人力物力。變頻調速定壓供水系統，無須貯水箱或塔，它由單臺泵或多臺泵將水源的水直接打入用戶主管網中，根據用水量隨時調速水泵的速度和水泵運行的臺數，以保持管網壓力恒定。在用水高峰能保持恒定水壓，在用水低谷或無人用水時，可調低水泵運行速度或進入睡眠狀態(tài)，具有顯著的節(jié)能效果。除此之外，該系統還具有設備占地面積小，綜合造價低，減輕水質二次污染，便于使用和維護等優(yōu)點。普通循環(huán)軟啟動變頻供水設備：該類型設備在實際應用中較多系統由水泵機組循環(huán)軟啟動變頻柜，壓力儀表管路系統等構成變頻柜由變頻調速器 PLC 低壓電器等構成系統一般選擇同型號水泵 2 3 臺以 3 臺泵為例系統的工作情況如下：平時 1 臺泵變頻供水當 1 臺泵供水不足時先開的泵倒為工頻運行變頻柜再軟啟動第 2 臺泵，若流量還不夠第 2 臺泵倒為工頻運行變頻柜再軟啟動第 3 臺泵，若用水量減少按啟泵順序依次停止工頻泵直到最后 1 臺泵變頻定壓供水。另外系統具有定時換泵功能，若某臺泵連續(xù)運行超過 24 h 變頻柜可自動停止該泵切換到下一臺泵繼續(xù)變頻運行。換泵時間由程序設定可按要求隨時調整，這樣可均衡各泵的運行時間延長整體泵組的壽命。該系統一般適用于規(guī)模較小的多層住宅小區(qū)(如 300 戶以內)或其它小規(guī)模用水系統水泵功率一般不超過 7.5 kW， 另外也適用于小流量用水時間很短或用水量變3化不大的其它場合如循環(huán)水系統?；赑LC的定壓供水系統： 7可編程邏輯控制器(PLC) 及其網絡是現代工業(yè)自動化的支柱之一, 由于近年來PLC 的數據運算處理、圖形顯示、聯網通信功能得到了很大的加強, 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)生產中連續(xù)的或按一定周期進行的生產過程自動控制。在過程控制領域, PID 是最主要的調節(jié)器之一, 其原理簡單、適用性和魯棒性強, 最突出的特點是它不依賴于對象精確的數學模型, 因此可以解決工業(yè)過程精確建模時的困難。有一種用于教學和培訓用途的定壓供水系統。系統具有自動水循環(huán)功能, 控制模型采用典型的工業(yè)過程控制(PID)。通過遠傳壓力表采集系統供水壓力并傳送給PLC, 經過 PLC 中的 PID 算法程序得到輸出控制信號, 控制變頻器改變水泵電機轉速, 從而實現定壓供水功能。此系統中使用的硬件設備, 主要包括 PLC、Flex I/O 、Device Net、變頻器、SMC 電機軟啟動器、操作員終端等, 都是美國公司的產品。系統功能的實現過程如下：系統工作時先通過 SMC 軟啟動, 正常運轉后, 將控制切換到變頻器控制檔, 進入變頻定壓供水工作狀態(tài)，使整個系統受 ControlLogix 處理器的控制。在此之前應通過操作員終端向處理器發(fā)送變頻起動命令, 使水泵起動, 然后變頻器接管對水泵的控制,定壓供水過程開始。此時, 遠傳壓力表將水的壓力信號轉換成為 0 5V 的電壓信號, Flex I/O 的模型量輸入模塊獲得這個電壓信號后, 將 A/D 轉換后的信號交給處理器, 由處理器交給 PID 程序處理。程序將 PID調節(jié)的輸出通過設備網通訊模塊傳到變頻器的控制端口, 從而改變變頻器的輸出, 由此改變水泵的轉速。水循環(huán)回路中的水壓隨之發(fā)生變化, 遠傳壓力表采集到的這些變化, 再次交給處理器, 由此實現閉環(huán)控制, 使水壓穩(wěn)定在設定值, 實現系統的定壓供水。目前各種 PLC 都提供相應的 PID 控制指令和相應的回路調節(jié)軟件。因此, 將PLC 應用于 PID 控制, 能夠使控制系統小型化 , 使控制模塊高度集成, 且易于操作和維護。又由于 PLC 可通過 Flex I/O 連接局域網,使得系統的遠程控制成為可能。12 變頻調速技術的國內外發(fā)展現狀121 我國變頻調速技術的發(fā)展概況電氣傳動控制系統通常由電動機、控制裝置和信息裝置 3 部分組成。電氣傳動關系到合理地使用電動機以節(jié)約電能和控制機械的運轉狀態(tài)(位置、速度、加速度等)，實現電能-機械能的轉換，達到優(yōu)質、高產、低耗的目的。電氣傳動分成不調速和調4速兩大類，調速又分交流調速和直流調速兩種方式。不調速電動機直接由電網供電，但隨著電力電子技術的發(fā)展這類原本不調速的機械越來越多地改用調速傳動以節(jié)約電能(節(jié)約 15%20%或更多)，改善產品質量，提高產量。在我國 60%的發(fā)電量是通過電動機消耗掉的，因此調速傳動是一個重要行業(yè)，一直得到國家重視，目前已有一定規(guī)模。近年來交流調速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調速技術。變頻調速是交流調速的基礎和主干內容。上個世紀變壓器的出現使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調速技術的出現使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。我國電氣傳動產業(yè)始建于 1954 年，當時第一批該專業(yè)范圍內的學生從各大專院校畢業(yè)，同時在機械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司，這就是后來的天津電氣傳動設計研究所的前身。我國電氣傳動與變頻調速技術的發(fā)展簡史見表1?，F在我國已有 200 家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調速技術的工作。表 1我國電氣傳動與變頻調速技術的發(fā)展簡史技術特征 應 用 年 代帶電機擴大機的發(fā)電機-電動機機組傳動 50 年代初70 年代中汞孤整流器供電的直流調速傳動 50 年代后期60 年代后期磁放大器勵磁的發(fā)電機-電動機機組傳動 60 年代初70 年代中晶閘管變流器勵磁的發(fā)電機-電動機機組 60 年代后期70 年代后期晶閘管變流器供電的直流調速傳動 70 年代初現在飽和磁放大器供電的交流調速傳動 60 年代初60 年代后期靜止串級調速交流調速傳動 70 年代中現在循環(huán)變流器供電的交流變頻調速傳動 80 年代后期現在電壓或電流型 6 脈沖逆變器供電的交流變頻調速傳動 80 年代初現在BJT(IGBT)PWM 逆變器供電的交流變頻調速傳動 90 年代中現在我國第 1 臺電機擴大機是在 1955 年制造出來的。我國第 1 臺汞孤整流器(5 A，600 V)是在 1952 年制造出來的。我國第 1 只晶閘管(5 A，400 V)是在 1963 年制造出來的。 我國是一個發(fā)展中國家，許多產品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達國家。至今自行開發(fā)生產的變頻調速產品大體只相當于國際上 80 年代水平。隨著改革開放，經濟5高速發(fā)展，形成了一個巨大的市場，它既對國內企業(yè)，也對外國公司敞開。很多最先進的產品從發(fā)達國家進口，在我國運行良好，滿足了我國生產和生活需要。國內許多合資公司生產當今國際上先進的產品，國內的成套部門在自行設計制造的成套裝置中采用外國進口公司和合資企業(yè)的先進設備，自己開發(fā)應用軟件，能為國內外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統。雖然取得很大成績，但應看到由于國內自行開發(fā)、生產產品的能力弱，對國外公司的依賴性嚴重。目前國內主要的產品狀況如下：(1)晶閘管變流器和可關斷器件(BJT、IGBT、VDMOS)斬波器供電的直流調速設備。這類設備的市場很大，隨著交流調速的發(fā)展，該市場雖在縮減，但由于我國舊設備改造任務多，以及它在幾百至一千多 kW 范圍內價格比交流調速低得多，所以在短期內市場不會縮減很多。國產設備能滿足需要，部分出口。自行開發(fā)的控制器多為模擬控制，近年來主要采用進口數字控制器配國產功率裝置。(2)IGBT 或 BJT PWM 逆變器供電的交流變頻調速設備。這類設備的市場很大，總容量占的比例不大，但臺數多，增長快，應用范圍從單機擴展到全生產線，從簡單的 V/f 控制到高性能的矢量控制。約有 50 家工廠和公司生產，其中合資企業(yè)占很大比重。(3)負載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調速設備。這類產品在抽水蓄能電站的機組起動，大容量風機、泵、壓縮機和軋機傳動方面有很大需求。國內只有少數科研單位有能力制造，目前容量最大做到 12 MW。功率裝置國內配套，自行開發(fā)的控制裝置只有模擬式的，數字裝置需進口，自己開發(fā)應用軟件。(4)交-交變頻器供電的交流變頻調速設備。這類產品在軋機和礦井卷揚傳動方面有很大需求，臺數不多，功率大。主要靠進口，國內只有少數科研單位有能力制造。目前最大容量做到 70008000 kW。功率部分國產，數字控制裝置進口，包括開發(fā)應用軟件。變頻調速技術在國民經濟和日常生活中的重要地位是由以下因素決定的。(1)應用面廣，是工業(yè)企業(yè)和日常生活中普遍需要的新技術。(2)是節(jié)約能源的高新技術。(3)是國際上技術更新換代最快的領域。(4)是高科技領域的綜合性技術。(5)是替代進口，節(jié)約投資的最大領域之一。從總體上看我國電氣傳動的技術水平較國際先進水平差距 1015 年。在大功率交-交、無換向器電機等變頻技術方面，國內只有少數科研單位有能力制造，但在數字化及系統可靠性方面與國外還有相當差距。而這方面產品在諸如抽水蓄能電站機組起動及運行、大容量風機、壓縮機和軋機傳動、礦井卷揚方面有很大需求。在中小功率變頻技術方面，國內幾乎所有的產品都是普通的 V/f 控制，僅6有少量的樣機采用矢量控制，品種與質量還不能滿足市場需要，每年大量進口。國內交流變頻調速技術產業(yè)狀況表現如下。(1)變頻器的整機技術落后，國內雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術和生產規(guī)模。(2)變頻器產品所用半導體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。(3)相關配套產業(yè)及行業(yè)落后。(4)產銷量少，可靠性及工藝水平不高。122 國外現狀在大功率交-交變頻(循環(huán)變流器)調速技術方面，法國阿爾斯通已能提供單機容量達 3 萬 kW 的電氣傳動設備用于船舶推進系統。在大功率無換向器電機變頻調速技術方面，意大利 ABB 公司提供了單機容量為 6 萬 kW 的設備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調速技術方面，德國西門子公司 Simovert A 電流型晶閘管變頻調速設備單機容量為 102600 kVA 和 Simovert P GTO PWM 變頻調速設備單機容量為100900 kVA，其控制系統已實現全數字化，用于電力機車、風機、水泵傳動。在小功率交流變頻調速技術方面，日本富士 BJT 變頻器最大單機容量可達 700 kVA,IGBT 變頻器已形成系列產品，其控制系統也已實現全數字化。國外交流變頻調速技術高速發(fā)展有以下特點。(1)市場的大量需求。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻器越來越廣泛地應用在機械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個行業(yè)以及風機、水泵等的節(jié)能場合，并取得顯著的經濟效益。(2)功率器件的發(fā)展。近年來高電壓、大電流的 SCR、GTO、IGBT、IGCT 等器件的生產以及并聯、串聯技術的發(fā)展應用，使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現實。(3)控制理論和微電子技術的發(fā)展。矢量控制、磁通控制、轉矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎；16 位、32 位高速微處理器以及信號處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)技術的快速發(fā)展，為實現變頻器高精度、多功能化提供了硬件手段。(4)基礎工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關配套件社會化、專業(yè)化生產。123 未來的發(fā)展方向7交流變頻調速技術是強弱電混合、機電一體的綜合性技術，既要處理巨大電能的轉換(整流、逆變)，又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關的技術問題和新型電力電子器件的應用技術問題，后者要解決(基于現代控制理論的控制策略和智能控制策略)的硬、軟件開發(fā)問題(在目前狀況下主要是全數字控制技術)。其主要發(fā)展方向有如下幾項。(1)實現高水平的控制?；陔妱訖C和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接轉矩控制和機械扭振補償等；基于現代理論的控制策略，有滑模變結構技術、模型參考自適應技術、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標意義下的最優(yōu)控制技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經元網絡、專家系統和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術等。(2)開發(fā)清潔電能的變流器。所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數為 1，網側和負載側有盡可能低的諧波分量，以減少對電網的公害和電動機的轉矩脈動。對中小容量變流器，提高開關頻率的 PWM 控制是有效的。對大容量變流器，在常規(guī)的開關頻率下，可改變電路結構和控制方式，實現清潔電能的變換。(3)縮小裝置的尺寸。緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關電源，以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。功率器件冷卻方式的改變(如水冷、蒸發(fā)冷卻和熱管)對縮小裝置的尺寸也很有效。(4)高速度的數字控制。以 32 位高速微處理器為基礎的數字控制模板有足夠的能力實現各種控制算法，Windows 操作系統的引入使得可自由設計，圖形編程的控制技術也有很大的發(fā)展。(5)模擬與計算機輔助設計(CAD)技術。電機模擬器、負載模擬器以及各種 CAD軟件的引入對變頻器的設計和測試提供了強有力的支持。主要的研究開發(fā)項目有如下各項。(1)數字控制的大功率交-交變頻器供電的傳動設備。(2)大功率負載換流電流型逆變器供電的傳動設備在抽水蓄能電站、大型風機和泵上的推廣應用。(3)電壓型 GTO 逆變器在鐵路機車上的推廣應用。(4)電壓型 IGBT、IGCT 逆變器供電的傳動設備擴大功能，改善性能。如 4 象限運行，帶有電機參數自測量與自設定和電機參數變化的自動補償以及無傳感器的矢量控制、直接轉矩控制等。(5)風機和泵用高壓電動機的節(jié)能調速研究。眾所周知，風機和泵改用調速傳動后可節(jié)約大量電力。特別是電壓電動機，容量大，節(jié)能效果更顯著。研究經濟合理8的高壓電動機調速方法是當今重大課題。主要的研究內容及關鍵技術有如下各項。(1)高壓、大電流技術：動態(tài)、靜態(tài)均壓技術(6 kV、10 kV 回路中 3 英寸晶閘管串聯，靜動態(tài)均壓系數大于 0.9)；均流技術(大功率晶閘管并聯的均流技術，均流系數大于 0.85)；浪涌吸收技術(10 kV、6 kV 回路中)；光控及電磁觸發(fā)技術(電/光，光/電變換技術)；導熱與散熱技術(主要解決導熱及散熱性好、電流出力大的技術，如熱管散熱技術)；高壓、大電流系統保護技術(抗大電流電磁力結構、絕緣設計)；等效負載模擬技術。(2)新型電力電子器件的應用技術：可關斷驅動技術；雙 PWM 逆變技術；循環(huán)變流/電流型交-直-交(CC/CSI)變流技術(12 脈波變頻技術)；同步機交流勵磁變速運行技術；軟開關 PWM 變流技術。(3)全數字自動化控制技術：參數自設定技術；過程自優(yōu)化技術；故障自診斷技術；對象自辨識技術。(4)現代控制技術：多變量解耦控制技術；矢量控制和直接力矩控制技術；自適應技術。變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術，已經滲透到經濟領域的所有技術部門中。我國以后在變頻調速技術方面應積極做的工作如下：(1)應用變頻調速技術來改造傳統的產業(yè)，節(jié)約能源及提高產品質量，獲得較好的經濟效益和社會效益。(2)大力發(fā)展變頻調速技術，必需把我國變頻調速技術提高到一個新水平，縮小與世界先進水平的差距，提高自主開發(fā)能力，滿足國民經濟重點工程建設和市場的需求。(3)規(guī)范我國變頻調速技術方面的標準，提高產品可靠性及工藝水平，實現規(guī)?；?、標準化生產。變頻調速器是優(yōu)秀的交流電動機調速裝置若我們正確地應用變頻器，它則能顯著地節(jié)省電力，在節(jié)能領域時里得到廣泛地應用。變頻調速技術是一種新型成熟的交流電機無極調速技術,它以其獨特優(yōu)良的控制性能被廣泛應用于速度控制領域,特別是供水行業(yè)中。由于安全生產和供水質量的特殊需要,對定壓供水壓力有著嚴格的要求,因而變頻調速技術得到了更加深入的應用。13 變頻定壓供水系統的參數選取 （1） 、合理選取壓力控制參數，實現系統低能耗定壓供水。這個目的的實現關鍵就在于壓力控制參數的選取，通常管網壓力控制點的選擇有兩個：一個就是管網最不利點壓力定壓控制，另一個就是泵出口壓力定壓控制。兩者如何選擇，我們來簡9單分析一下。 管網最不利點壓力恒定時，管網用水量由 QMAX 減少到 Q1，水泵降低轉速，與用水管路特性曲線 A（不變）相交于點 C，水泵特性曲線下移，管網最不利點壓力H0。而泵出口壓力定壓控制時，則 Ha 不變，用水量由 QMAX 減少到 Q1 與 Ha 交于 B點，用水管路特性曲線 A 上移并通過 B 點，管網最不利點壓力變?yōu)?Hb，Hb - H0 的揚程差即為能量浪費，所以選擇管網最不利點的最小水頭為壓力控制參數，形成閉環(huán)壓力自控系統，使得水泵的轉速與 PID 調節(jié)器設定壓力相匹配，可以達到最大節(jié)能效果，而且實現了定壓供水的目的。 （2） 、變頻器在投入運行后的調試是保證系統達到最佳運行狀態(tài)的必要手段。變頻器根據負載的轉動慣量的大小，在啟動和停止電機時所需的時間不相同，設定時間過短會導致變頻器在加速時過電流、在減速時過電壓保護；設定時間過長會導致變頻器在調速運行時使系統變得調節(jié)緩慢，反應遲滯，應變能力差，系統易處在短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。 為了變頻器不跳閘保護，現場使用當中的許多變頻器加減速時間的設置過長，它所帶來的問題很容易被設備外表的正常而掩蓋，但是變頻器達不到最佳運行狀態(tài)。所以現場使用時要根據所驅動的負載性質不同，測試出負載的允許最短加減速時間，進行設定。對于水泵電機，加減速時間的選擇在 0.2-20 秒之間。 14 論文的目的意義及研究內容141 目的及意義傳統的恒速泵供水系統，供水壓力不能調節(jié)，用水量的變化造成管道壓力大幅變化，壓力大時造成管路損壞，電能損耗大。水塔供水和壓力罐供水造價高，占地面積大，水泵起動頻繁，由于水錘效應的影響，水泵容易損壞，維修費用高。研究變頻定壓供水系統的目的是設計具有供水壓力調整方便、精度高、占地面積小、靈活性強、投資小、高效節(jié)能等優(yōu)點的供水系統，控制系統內置微電腦控制器，可實現全自動定時供水，徹底實現無人值守自動供水，具有過流、過載、過壓、欠壓、缺相、失速、過熱等多種保護功能，水泵起動方式為軟起動，無水錘效應，對電網和水泵無沖擊，延長了水泵及電器的使用壽命，增加了系統的可靠性，控制系統具有故障報警和顯示功能，并可進行工頻直接運行，應急供水。相對與傳統的加壓供水方式，變頻定壓供水系統的意義突出的體現在以下幾個方面： 1. 高效節(jié)能 變頻定壓供水系統的最顯著優(yōu)點就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在 10-40%。從單臺10水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。 2. 恒壓供水 變頻定壓供水系統實現了系統供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。 3. 安全衛(wèi)生 系統實行閉環(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. 自動運行、管理簡便 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、低液位保護、主泵定時輪換控制、密碼設定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。 5. 延長設備壽命、保護電網穩(wěn)定 使用變頻器后，機泵的轉速不再是長期維持額定轉速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調速運行，實現了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網的沖擊，消除了水泵的水錘效應。 6. 占地少、投資回收期短 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統占地就非常小，可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設專人管理、設備故障率極低等方面都實現了進一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點，都決定了小區(qū)變頻定壓供水系統的投資回收期短，一般約 2 年。142 研究內容 本文介紹以可編程控制器(PLC)和 ABB 系列變頻器為控制核心，4 個水泵為執(zhí)行元件，采用 PID 算法控制水泵電機轉速，即可調節(jié)出口管網壓力，使之達到用戶設定的壓力。本文主要內容是建立在恒壓供水原理、PLC 原理、變頻調速原理之上，通過選擇和設置幾個主要器件，實現定壓供水控制功能，以達到用水量和供水量的統一。 水泵工作程序：第一臺水泵變頻啟動、運行，當水壓滿足不了使用要求時（即水壓不足） ，先將第一臺水泵轉為工頻運行，再投入第二臺變頻自動。依次類推直到第四臺水泵啟動。停泵時先停變頻泵，將變頻切回到工頻后變頻運行，即先啟動的11后停止，后啟動的先停止（即為順開，逆停） 。設置其中任意一臺水泵故障停機，該系統能保證饒過故障泵運行和停止?？蓪崿F定時開停、長期運轉。具有故障報警指示功能。具有遠程報警功能。其主要功能：1、系統具有軟起軟停及恒壓供水功能，設有自動和手動兩種運轉功能；2、系統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 臺水泵的組合邏輯控制系統設計，其中每臺泵都可以采取變頻控制方式和工頻控制方式，其中同一時間僅有一臺泵采取變頻控制，其他為工頻控制，單臺水泵的流量: Q=50m3/h 揚程： P=50m 功率：P=15KW 其中要求各個泵工作順序為先開先停，保證每個水泵的工作時間大致相同。12第二章 定壓供水控制系統方案定壓供水控制系統的基本控制策略是：采用電動機調速裝置與可編程控制器(PLC)構成 控制系統，進行優(yōu)化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。 21 控制方案及運行特征在住宅小區(qū)水廠的管網系統中，由于管網是封閉的，泵站供水的流量是由用戶用水量決定的，泵站供水的壓力以滿足管網中壓力最不利點的壓力損失P和流量Q之間存在著如下關系： P=KQ2； 式中K一為系數 設PL為壓力最不利點所需的最低壓力，則泵站出口總管壓力P應按下式關系供水，則可滿足用戶用水的要求壓力值，又有最佳的節(jié)能效果。 P=PL+P=PL+KQ2 因此供水系統的設定壓力應該根據流量的變化而不斷修正設定值，這種恒壓供水技術稱為變量恒壓供水，即供水系統最不利點的供水壓力為恒值而泵站出口總管壓力連續(xù)可調。 典型的自動定壓供水系統的結構框圖如圖2.1所示；系統具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實時將壓力、流量非電量信號轉換為電信號，輸入至可編程控制器(PLC)的輸入模塊，信號經CPU運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出最佳的運行工況參數，由系統的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設定值，控制泵站投運水泵的13臺數及變量泵的運行工況，并實現對每臺水泵的調節(jié)控制。 以4臺水泵的恒壓供水系統為例，系統在自動運行方式下，可編程控制器控制變頻器、軟啟動1#泵，此時1#泵進入變頻運行狀態(tài)，其轉速逐漸升高，當供水量Q0-50Hz 頻率給定；0-20mA(R i=500K) （DIP 開關：AI1 短接）0-50Hz 頻率給定3AGND 模擬輸入 0V（通過 1M 電阻連接到機殼）A01 模擬輸出，可編程。缺省：0-20mA（帶載能力0-50Hz 輸出頻率。精度：+/-3%典型值+24V 輔助電源 24VDC+20%，-10%/250Ma(參考 AGND)。有短路保護。DVCM1 DI1-3 數據輸入公共端 1。當輸入端與 DVCM1 間電壓=10V（或，則0，采用PD算法則 ，其中：)1()1()kgeTkudp )1()(21()( keTkugdpdp圖4.2 系統運算程序圖中： ， ， ，)1()()kCeBkuf )(TkAdp)21(TkBdpkCdpVW56為中斷調用次數；VW30為給定偏差量；VW60為系統偏差值；VW60為系統反饋參量；該反饋參量通過壓力傳感器獲得，由于環(huán)境的影響可能會使該參量發(fā)生擾動，該變化會直接影響到參量偏差，因此，為了減小參量的誤差，該信號的取得通過子程序的數字濾波獲得。本系統的PID參數裝載位置為：VD0PID的過程變量；VD4PID的設定值；VD8PID的輸出；VD12PID的增益；VD16PID的采樣時間；VD20PID的積分時間；VD24PID的微分時間；VD28PID的偏置值；VD32PID先前的過程變量；VB0起動PID表；過程變量的設置根據采樣數據的工作狀態(tài)不同而不斷的修正，系統設置只由被測參量的變化狀態(tài)來確定，由于PID運45算過程需要參數量在1以下，故在運算過程中需要作單位量化處理，而且需要對偏差值符號進行處理，因此在運算過程中采用32位數據運算。在頻率調節(jié)過程中，考慮到變頻器的利用率和系統的可靠性，調頻的下限值設定為25Hz，上限值設定為50Hz。當系統剛啟動時，電動機的轉速很低，無法滿足系統要求，此時將參數值強制設置到使系統穩(wěn)點工作在50Hz，當系統進入調節(jié)區(qū)內時，調節(jié)參數的偏差、偏差變化率、輸出量和速率都對系統輸出產生影響，隨著目標參數的接近程度不同，調整參數值逐漸平緩接近目標函數。圖4.3 PID運算子程序由于考慮到系統運行慣性的影響，調節(jié)過程可能出現震蕩，因此，在程序中設計了目標預測程序。當運行參數遠離目標參數時，調節(jié)幅度加快，隨著運行參數與目標參數的逐步接近。跟蹤調節(jié)幅度逐漸減小，直至運行參數與目標參數近似相等時，系統按照運行參數變化的預測值進行調節(jié)，使系統達到一個動態(tài)平衡，以維持系統的恒壓穩(wěn)定值。同時，由于系統調節(jié)的慣性較大，而系統數據的采集速度很快，在運算過程中，運算結果可能會使調頻輸出大于50Hz或小于25Hz，因此，當輸出頻率大于50Hz或小于25Hz時，將輸出頻率強制設定為極限值。對于系統擾動的處理，由于系統是定時采樣，在采樣過程中擾動是難免的，當擾動超過預期值時，作為錯誤值處理，當擾動量小于預測值時，采樣數值作為有效數據處理，作為調節(jié)參數的依據。46結束語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，因而達到節(jié)能節(jié)水的目的。根據流體力學原理和試驗結論，對于水機水泵等的流量與轉速成正比，壓力與轉速的二次方成正比，所需功率與轉速的三次方成正比，所以水泵調速運行的節(jié)電效果非常顯著。根據實際使用統計數據，采用變頻式恒壓供水，可節(jié)電 3060。近年來國內高層建筑不斷興建，它的特點是高度高、層數多、體量大。面積可達幾萬平方米到幾十萬平方米。這些建筑都是一個個龐然大物，高高的聳立在地面上，這是它的外觀，而隨之帶來的內部的建筑設備也是大量的。為了提高設備利用率，合理地使用能源，加強對建筑設備狀態(tài)的監(jiān)視等，自然地就提出了樓宇自動化控制系統。 在短短的幾年內，調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調速恒壓系統逐漸為多泵系統所代替。樓宇自動化恒壓供水系統的飛躍發(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和PLC技術的相結合實現一拖多泵的供水系統。PLC編程在工業(yè)領域更適用，它通過梯形圖編程、它更容易被人們理解。PID調節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。自從通用變頻器問世以來，變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質的供水質量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術裝備水平從90年代初開始經歷了一次飛躍。 恒壓供水調速系統的這些優(yōu)越性，引起國內幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產這一高新技術產品。目前正向著高可靠性、全數字化微機控制，多品種系列 化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)智能樓宇、網絡供水調度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。47致謝回想將近半年的畢業(yè)設計過程，首先要感謝我的導師尤文老師對我的諄諄教導。尤老師在我們論文的前期準備、編寫過程及收尾階段都給予了很多幫助和指導意見。他教會我們的一些學習方法和處理問題技巧使我受益終身。同時感謝自動化系的各位老師對我的教育和幫助。我們的畢業(yè)設計在學校進行，各位老師、同寢兄弟、同學、師兄、師姐給我們提供了很好的環(huán)境和很大幫助，在次也表示衷心感謝。48參考文獻1楊鳳蘭.變頻調速水泵在自動化供水系統中的節(jié)能實踐.電氣時代 2005 年 第 11 期2李國厚，趙明富，徐君鵬.可編程控制器在恒壓供水控制系統中的應用.自動第 2 化儀表6 卷 第 8 期 2005 年 8 月3趙勇飛，陳啟卷.PLC 及變頻調速技術在泵站恒壓供水中的應用.工業(yè)儀表與自動化裝置 2004 年 第 4 期4張紅星，李 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FTTH用PLC製品開発. 古河電工時報第114 號（平成16 年7 月）50附錄附錄A：程序清單0 LD P_First_Cycle1 MOV(21) #C23F132 LD P_0n3 ANDW(34) 2#00FFDM2104 LD P_0n5ANDW（34）2#FF00DM2206 LD P_0n7 MOVD(83) DM220#012DM2308 LD P_0n9 BIN(23) DM230DM24010 LD P_0n11 ANDW(34) 3#00FFDM31012 LD P_0n13 ANDW(34) 3#FF00DM32014 LD P_0n15 MOVD(83) DM320#012DM33016 LD P_0n17 BIN(23) DM330DM34018 LD P_0n19 MOV(21) DM2101220 LDNOT KA121 ORNOT RF122 OUT ka1g23 LDNOT KA224 ORNOT RF225 OUT ka2g26 LDNOT KA327 ORNOT RF328 OUT ka3g29 LDNOT KA430 ORNOT RF431 OUT ka4g32 LD ka1g5133 DIFU(13) 35.0134 LD ka2g35 DIFU(13) 35.0236 LD ka3g37 DIFU(13) 35.0338 LD ka4g39 DIFU(13) 35.0440 LD 35.0141 AND INKM442 LD 35.0243 AND INKM844 ORLD45 LD 35.0346 AND INKM1247 ORLD48 LD 35.0449 AND INKM1650 ORLD51 LD KAPL52 TIM 80#20053 LD yhdb54 DIFU(13) 35.0755 LD pbgz56 DIFU(13) 35.0957 LD 35.0758 LD 35.0959 ANDNOT pqgz60 ORLD61 LD TIM02062 KEEP(11) jzkb63 LD P_1min64 LD TIM01065 OR P_First_Cycle66 CNT 50#144067 LD yhdb68 LD pbgz69 ANDNOT pqgz70 ORLD71 TIM 10#4072 TIM 20#2073 LD 38.0874 LD TIM02075 LD 38.0976 SFT(10) 383877 LD P_First_Cycle78 OR 38.0579 MOV(21) #23880 LDNOT kalg81 AND bpb182 LDNOT ka2g83 AND bpb284 ORLD85 LDNOT ka3g86 AND bpb387 ORLD88 LDNOT ka4g89 AND bpb490 ORLD91 ANDNOT pys92 ANDNOT yhdb93 ANDNOT pqgz94 ANDNOT pbgz95 OUT yxbp96 LD P_0n5297 IL(02)98 LD P_0n99 MOV(21) #00F8DM12100 LD P_0n101 MOV(21) #00FFDM13102 LD P_0n103 MOV(21) #0000DM14104 LD P_0n105 MOV(21) #0006DM15106 LD P_0n107 BCMP(68) DM310DM1039108 LD INKM2109 ANDNOT INKM4110 SET ls1111 LD INKM2112 ANDNOT INKM4113 DIFD(14) 36.05114 LD 36.05115 SET 36.11116 LD 36.11117 TIM 1#300118 LD TIM001119 RSET ls1120 RSET 36.11121 LD INKM6122 ANDNOT INKM8123 SET ls2124 LD INKM6125 ANDNOT INKM8126 DIFD(14) 36.06127 LD 36.06128 SET 36.12129 LD 36.12130 TIM 2#300131 LD TIM002132 RSET ls2133 RSET 36.12134 LD INKM10135 ANDNOT INKM12136 SET ls3137 LD INKM10138 ANDNOT INKM12139 DIFD(14) 36.07140 LD 36.07141 SET 36.13142 LD 36.13143 TIM 3#300144 LD TIM003145 RSET ls3146 RSET 36.13147 LD INKM14148 ANDNOT INKM16149 SET ls4150 LD INKM14151 ANDNOT INKM16152 DIFD(14) 36.08153 LD 36.08154 SET 36.14155 LD 36.14156 TIM 4#30053157 LD TIM004158 RSET ls4159 RSET 36.14160 ILC(03)161 LD bpb1162 IL(02)163 LDNOT ka1g164 ANDNOT jzkb165 ANDNOT pqgz166 ANDNOT pys167 OUT km4168 LD INKM4169 TIM 11#1200170 LDNOT ka2g171 AND INKM4172 LD famx173 AND TIM011174 OR ak21175 ANDLD176 LDNOT fmin177 OR ls3178 OR ls4179 ANDLD180 OUT ka21181 LD INKM6182 ANDNOT INKM8183 TIM 12#1200184 LDNOT ka3g185 AND INKM4186 LD fmax187 AND TIM012188 LD fmax189 AND ka2g190 AND TIM011191 ORLD192 OR ka31193 ANDLD194 LDNOT fmin195 OR ls4196 ANDLD197 OUT ka31198 LD INKM10199 ANDNOT INKM12200 TIM 13#1200201 LDNOT ka4g202 AND INKM4203 LD famx204 AND TIM013205 LD famx206 AND ka3g207 AND TIM012208 O