变频恒压供水控制系统设计

课题名称变频恒压供水控制系统设计学院(部)电子与控制工程学院专业电气工程及其自动化班级2011320401学生姓名阿不都热扎克·阿不都拉_学号2011320013706月23日至06月27日共1周指导教师(签字)2011年06月7日目录摘要...........................................3一、设计内容...................................4二、设计要求...................................4三、设计内容1、方案的确定...................................52、变频调速恒压供水系统简介及工作原理..........63、水泵的容量计算...............................84、水泵/变频器/PLC的选择........................95、变频器参数设定...............................106、PID控制器参数选择...........................107、PLC外部接线图的设计.........................118、主电路的设计.................................129、系统的工作原理...............................12四、设计图纸.....................................13五、操作使用说明书...............................14六、设计体会.....................................15七、主要参考资料.................................16附录一/附录二....................................17附录三...........................................18附录四...........................................19-3-摘要随着我国社会经济的不断发展，住房制度改革的不断深入，人民生活水平的不断提高，城区中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活与工作，也直接体现了小区物业水平的高低。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水灯供水方式普遍不通话程度的存在效率低、可靠性差、自动化不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。论文分析了采用变频调速方式实现恒压供水的工作机理，通过对PID模块的参数预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环调节系统，利用变频器与水泵的配合作用实现恒压供水且有效节能。论文论述了多种供水方案的合理性，同时也指出各种方案存在的问题，通过对比比较给出了比较适合该系统的方案——PLC控制变频恒压供水。关键字：恒压供水变频调速PLC-4-一、设计内容变频器是一种新型技术，将变频调速技术用于供水控制系统中，具有高效节能、水压恒定等优点。本课程设计是电气工程及其自动化专业《交流调速》课程的实践性环节，其主要目的是培养学生初步掌握交流调速系统的设计方法及理论知识的应用能力。本课程设计的基本任务是提高学生在调速系统设计方面的实践技能，培养学生综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。二、设计要求一楼宇供水系统，正常供水量为20m3/小时，最大供水量30m3/小时，扬程60米。采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。具体要求如下：1．设二台水泵。一台工作，一台备用。正常工作时，始终由一台水泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。2.二台泵可以互换。3．给定压力可调。压力控制点设在水泵出口处。4．具有自动、手动工作方式，各种保护、报警装置。采用OMRONCPM1APLC、富士变频器完成设计。-5-三、设计内容1、方案的确定相对于传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出地体现在以下几个方面：（1）高效节能变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在1%～40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。（2）恒压供水变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期用户的热水器不能正常使用的情况。（3）安全卫生系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。（4）自动运行、管理简便新型的变频恒压供水系统具各了过电流、过电压、欠电压、断相、短路保护，瞬时停电保护，过载、失速保护，低液位保护，主泵定时轮换控制和密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。（5）延长设备寿命、保护电网稳定使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软起动，避免了电动机开停时的大电流对电动机绕组和电网的冲-6-击，消除了水泵的水锤效应。（6）占地少、投资回收期短新型的变频恒压供水系统在水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地非常小，可以节省投资，降低运行管理费，再加上变频供水的节能优点，都决定了变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。但是变频恒压供水系统开发周期长，对操作人员的素质要求比较高，可靠性较低，维修不方便，且不适用于恶略的环境。综上所述，传统的供水方式存在普遍不同程度的浪费水力、电力资源、效率低、可靠性低、自动化程度低等缺点，严重影响了居民用水。目前的供水方式朝高效节能，自动可靠的方向发展，PLC变频调速技术显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风能，水泵，空气压缩机，制冷压缩机等高耗能设备上广泛应用，特别是居民用水的恒压供水系统中，变频调速系统节能效果尤为突出，其优越性在：一节能效果显著；二是在开停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵，电机自身的机械冲击损耗。所以本系统采用PLC变频恒压供水系统。2、变频调速恒压供水系统简介及工作原理（1）简介由PLC控制变频恒压供水系统是一种十分灵活的供水系统，在较大的多台水泵供水系统中应用相当的普遍。变频调速恒压供水系统的应用场合主要有：-7-a．高层小区，城乡居民小区，企事业单位等生活用水；b．各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力水网循环，锅炉补水等；c．中央空调系统；d．来自水厂增压供水系统；e．农田灌溉，污水处理，人造喷泉；f．各种流体恒压供水系统；（2）工作原理变频恒压供水系统主要是由PLC、变频器、PID调节器、压力传感器、动力控制线路、2台水泵以及各种电气控制元件等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯、按钮、转换开关来了解系统运行状况和控制系统的运行。系统工作原理：通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。通过PLC实现变频器的启停、故障报警和备用泵自投。在手动状态下，不再使用变频器，直接手动启停水泵。-8-（3）变频恒压供水系统原理框图：给定图一变频恒压供水系统框图3、水泵的容量计算公式如下：N=Q*H/367/g(0.6~0.85)式中,N，轴功率，单位是千瓦（kW）Q，流量，单位是立方米每小时（m3/h）H，扬程，单位是米(m)367，是常数，是一个固定值g,0.6~0.85，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（经验值，各品牌效率均不同），N=30*60/367/0.6=8.18kW水泵功率=轴功率*安全系数即P=N*KK在N不同时有不同的值。PID远传压力表变频器水泵XX△x△x△u△fn-9-P=K*N=1.23*8.18=10.06KW一般水泵的功率有一些模数，从小到大有：1.1kW，2.2kW，3kW，4kW，5.5kW，7.5kW，11kW，15kW，18.5kW，22kW，30kW，37kW，45kW，55kW，75kW，90kW，110kW，132kW……故选出的电机功率为：11KW。4、水泵/变频器/PLC的选择水泵型号：IS65-40-250A(流量：23.5m3/h；扬程：70m；转速：2900r/s)；变频器的型号为：FRN11P11S-2JE；PLC型号为：CP1L-L20DR-A20点CPU单元,AC100-220V12入，8点继电器输出。-10-断路器选用DZ47-63D40A，热继电器选用JR36-4020-32A的，接触器选用CJ20-40A的，电机的额定电流大约是22A左右。5、变频器参数设定代码设定值频率设定命令001操作方法011最高频率0250HZ基本频率0350HZ电子过热或继电器081频率限制上限1150HZ下限1228HZ6、PID控制器参数选择根据设计要求结合PID的经验数据，可得其数据：采样周期T=3秒，比例系数KP=140,积分时间Ti=24秒。因为供水系统没有较大的惯性环节所以不需要设置微分参数。-11-7、PLC外部接线图的设计PLC根据表1的I/O分配关系和C20P的端子排列位置进行相应的接线，PLC系统外部接线图在中，图中各接触器采用220V电源，信号指示及报警指示灯与接触器共用220V电源。（PLC外部接线图的设计如附图1所示）I/O分配表输入输出手动或自动旋钮SA1000011号泵变频启动接触器KM1010011、2号泵备用旋钮SA2000021号泵工频启动接触器KM301003自动启动SB1000032号泵变频启动接触器KM201002停车SB4000062号泵工频启动接触器KM401004手动1号泵启动SB2000041号泵变频工作指示灯HL1010011号泵停车SB5000072号泵变频工作指示灯HL2010022号泵启动SB3000051号泵工频工作指示灯HL3010032号泵停车SB6000102号泵工频工作指示灯HL4010041号泵热保护触电FR1000111号泵故障报警指示灯HL1010052号泵热保护触电FR2000122号泵故障报警指示灯HL201006-12-8、主电路的设计主电路线路如附录一所示，图中的M1、M2、为带动水泵的电动机，由于电动机的功率较小，所以两台电动机都采用直接启动方式，各台电动机分别使用两个接触器控制，KM1和KM2分别控制电动机M1和M2的变频运行。KM3和KM4分别控制点动机的工频运行。各电动机分别由FR1、FR2、提供过载保护。（主电路的设计如附图1所示）9、系统的工作原理工作方式选择：变频器电源开关QF1，将自动档位开关SA1旋到自动档位，此时触点00001关闭。备用泵选择：如选择1号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA2旋到1号泵备用档位，此时触电00002被接通，选择1号泵为备用泵。如选择2号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA2旋到2号泵备用档位，此时常闭触电00002被关闭，选择2号泵为备用泵。自动状态停止：转动旋钮SA1则PLC内部触点00001被接通，可使转换到手动状态。手动启动1号泵：合工频1号泵电源开关QF2，将自动档位开关SA1旋到手动档位，此时触电00001被接通，即切除自动