恒压变频供水系统的智能控制系统毕业设计正文.doc

1、1引言1.1 本课题的意义随着现代智能楼宇建筑的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，加之目前能技术，设计节能的、适应不同领域的高性能恒压供水系统成为必然趋势变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体，能够提高供水系统的稳定性和可靠性，并易于实现供水系统的集中管理与监控此外，它还具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要 因此，研究变频恒压供水系统对提高工业生产效率、改善居民生活水平、降低能耗等方面具有重要意义。随着社会经济的快速发展, 人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高, 再加上国内的电力短缺现状, 利用先进的电气技术、自动控制技术来设计高性能、低

2、能耗、能适应不同领域的恒压供水系统已经迫在眉睫. 目前城市恒压变频供水系统普遍采用的是传统的PID 控制, 但是对于高楼层用户及对供水质量要求较高的工厂来说,PID控制常常在稳定运行期存在供水压力偏差、抗干扰能力差、调节时间长等不足, 造成供水等待时间过长, 增加供水管道的损耗从而加大爆管的几率, 并且不利于节能减耗 . 因此有必要研究新型的恒压变频供水系统的智能控制策略, 用于改善恒压变频供水系统的供水质量.1.2 国内外发展状况一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，但它们都必须由水

3、泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。自从变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，

4、降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多

5、泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。 国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。所以恒压供水系统的成本也就相对国内提高了。2设计方案 2.1 系统性能工作要求1、采集水管网上压力

6、传感器的压力；2、对变频器选型并根据检测的水压由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使管网中压力保持为给定的压力；3、PLC控制3个工作泵工作数量的增减及变频器对水泵的调速，使电机的电压和频率随负载的变化而变化，构成已设定压力为基准的闭环控制系统；4、水压低于下限值30s则1号水泵工频运行，低于下限60s则2号水泵变频运行，低于下限90s则2号水泵工频运行，低于下限120s则3号水泵变频运行，低于下限150s则3号水泵工频运行；5、具有手动和自动2种模式，手动模式用于检测变频器故障时使用，自动模式用于长时间自动化操作；2.2控制方案通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成420mA的模拟信

7、号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调，这需要一个完整的闭环系统。典型的自动恒压供水系统的结构框图如下图所示；系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量、恒水位供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器、流量传感器、水位传感器，实时将压力、流量、水位非电量信号

8、转换为电信号，输入至可编程控制器(PLC)的输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵的调节控制。管道变频器流量传感器压力传感器PLC交流接触器组电压泵组水位传感器自动恒压供水系统的结构框图2.3解决途径1.水压力传感器选型：本设计选用：霍尼韦尔Honeywell水压力传感器，型号为：P7620A。此型号传感器专为工业控制应用所研发，专业可靠，同时具备简洁，人性化的外观，输出信号可通过传感器转换为标准化的信号，电路板安装在坚固的不锈钢外壳上，不

9、但可抵御和极端环境条件，更大大降低噪音。 2.流量传感器选型：本设计选用：SD-6161（扬州市华特电力设备厂）技术性能参数：型号： SD-6161，适用介质：水介质，温度：0100，阀体材质：进口食品级POM增强化纤，额定电压：DC 5V ，启动流量最大水压：1.75MPaf，流量通径：8.1，安装尺寸：出入水端均为G3/4外牙，信号型式：脉冲式，综合概述：“鑫智源”脉冲信号式水流传感器是：输出的脉冲信号与传感器流出的水流量成一定的线型比列关系，从而可实现水控管理和计量。3.水位传感器选型：本设计选用：TRE1-PT500-601（北京中西远大科技有限公司）液位变送器采用进口扩散硅或陶瓷感压

10、芯片，316不锈钢结构结构，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成420mA、05VDC、010VDC、0.54.5VDC等标准电信号。产品结构采用全封焊结构，电气连接采用特殊灌封工艺，配套3芯导气屏蔽电缆，防护等级达国家IP68标准。主要技术参数：被测介质：弱腐蚀性液体量 程: 100mmH2O100mH2O、500mmH2O500mH2O （水位高/深度）输 出：420mA（二线制）、05VDC、010VDC、0.54.5VDC（三线制）综合精度：0.25%FS、0.5%FS供 电：24V Dc（1236VDC）绝缘电阻：1000 M/1

11、00VDC负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50K介质温度：-2085环境温度：-2085储存温度：-4090密封等级：IP68过载能力：150%FS响应时间：5mS稳 定 性：0.15%FS/年电气连接：3芯导气屏蔽电缆安装方式：投入式4.变频器选型：ACS400变频器在2.2-37KW的功率范围内，节约能源，控制准确,安全可靠,铸铝件和塑料件的使用,保证了足够的加工精度,ACS400预置了九种应用宏.主电源：230500V50/60HZ控制电源：115230V.在励磁部分中采用了最新的IGBT控制技术，不再需要磁场电压匹配变压器，磁场进线熔断器和电抗器也已集成在DCS40

12、0模块中。由于磁场部分采用了三相进线供电方式，且直接取自为电枢供电的三相电源，因而DCS400不再需要单独的磁场电源进线。DCS400拥有多种调试工具。在调试向导的引导下进行参数设定，加上全部的自优化调试过程，DCS400的典型调试时间为15分钟。故选用：ACS400变频器。5.PLC选型:本设计的主要控制过程是利用可编程控制器的A/D,D/A模块和可编程控制器内置的PID模块来控制水泵电机的切换从而调节供水管中水的压力。整个控制系统除了用到PLC逻辑控制、定时控制和计数控制等基本控制功能外，关键是要用到PLC的高级控制单元，主要包括A/D、D/A单元和PID模块等。现代大中型的PLC一般都配

13、备了专门的A/D和D/A转换模块，可以将现场需要控制的模拟量通过A/D模块转换为数字量，经微处理器运算处理后，再通过D/A模块转换，变成模拟量去控制被控对象。但现在考虑到系统的安装以及成本问题，故本系统供水泵的自动控制采用的是日本欧姆龙公司的PLC，机器型号为CPM2A-30CDR-A和模拟量控制模块CPM1A-MAD01。2.CPM2A为系统提供了众多的功能高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。同步脉冲控制可方便地调整时间。带高速扫描和高速中断的高速处理。可方便地与OMRON的PT相连接，为机器操作提供一个可视化界面。小机壳内汇集了先进的功能和优异的表现。为食品包装行业，传送设备和紧凑型设

14、备的制造商提供更优越的性能和更高的附加值。通过脉冲输出可实现许多基本的位置控制。可进行分散控制和模拟量控制。3.价格低廉CPM2A的价值在于它具有非常卓越的性能价格比。4.紧凑型设计能安装在任何地方机器设备的小型化对安装在控制板或机器内的PLC也提出了节省空间的要求。PLC规格介绍项目40点CPU单元电源电压交流电源AC100240V，50/60Hz直流电源DC24V允许电源电压交流电源AC85264V直流电源DC20.4V26.4V消耗电力交流电源60VA以下直流电源20W以下浪涌电流交流电源60A以下直流电源20A以下外部供给电源（仅交流型号）供电电压24VDC供输出容量300mA绝缘阻抗

15、20M以上（DC500V）外部电源AC端子与所有端子之间耐压AC2300V，50/60Hz，1分钟,外部电源AC端子和所有端子之间，漏电六：10mA以下抗干扰性抗干扰性：1500Vp-p:脉冲宽度：0.11s;上升延1ns(通过模拟干扰）抗振抗振：1057Hz;振幅0.075mm;57150Hz,加速度9.8m/s2,在X,Y,Z方向各80分钟（每次振动8分钟实验次数10次=合计80分钟）耐冲击147m/s2,在X,Y,Z方向各3次环境温度使用：055保存：-2075环境湿度10%90%（不结露）气体环境无腐蚀性气体端子螺丝尺寸M3电源保持交流电源：最小10ma直流电源：最小2msCPU单元重

16、量交流形式800g以下直流形式700g以下扩展I/O单元重量20点单元：300g以下8点输入单元：250g以下8点输出单元：200g以下模拟量I/O单元：200g以下CompoBus/SI/O链接单元：200g以下项目规格控制方式存储程序方法I/O控制方式循环扫描直接输出(通过IORF(97)即时刷新处理)编程语言梯形图指令长度1步/1指令,15字/1指令指令基本指令:14种特殊指令:105种,185条执行时间基本指令:0.64s(LD指令）特殊指令:7.8s(MOV指令）程序容量4096字最大I/O点数CPU单元40点带扩展I/O单元最大100点输入位IR00000IR00915(不使用的输

17、入位可用作工作位)输出位IR00000IR01915(不使用的输出位可用作工作位)工作位928位:IR02000IR04915和IR200000IR22715(IR200227CH)特殊位(SR区)448位:SR22800SR25515(IR228225CH)暂存位(TR区)8位:(TR0TR7)保持位(HR区)320位:HR0000HR1915(HR0019CH)辅助位(AR区)384位:HR0000HR2315(AR0023CH)链接位(LR区)256位:HR0000HR1515(HR0015CH)定时器/计数器256位定时器/计数器(TIM/CNT000CNT255)1ms定时期：TMH

18、H（）10ms定时期：TMHH（15）100ms定时期：TIM1s/10s定时期：TIML（）减法记数：CNT可逆记数：CNT（12）数据内存读写：2048字（DM0000DM2047）只读：456字（DM6144DM6599）PC设定：56字（DM6600DM6655）出错标志存储于DM2000DM2021基本中断中断处理外部中断：4（分为外部中断输入（计数模式）和快速响应输入）内部定时器中断1（单触发模式或定时中断模式）高速计数器高速计数器一个高速计数器：20KHz单相或5KHz双相（线性计数模式）计数器中断：1（设定值比较或设定值范围比较）中断输入(计数器模式)4点输入（分为外接中断输入

19、（计数器模式）和快速响应输入）计数器中断：4（分为外部中断输入和快速响应输入）脉冲输出2点没有加速/减速，每个1010KHz，并且没有方向控制1点带有波形加速/减速，每个1010KHz，并且有方向控制2点带有PWM（-）的可调脉宽比（仅晶体管输出型具有此功能，继电器输出型无该功能）同步脉冲控制1点：可通过合并高速计数器和脉冲输出并将输入脉冲的频率乘以一个特殊的系数，得到一个输出脉冲/（仅晶体管输出型具有此功能，继电器输出型无该功能）快速响应输入4点（最小输入脉冲宽幅0.05ms)模拟控制2点，设定范围（0200）输入时间常数可为所有输入点数进行设定(1ms,2ms,3ms,5ms,10ms,2

20、0ms,40ms,80ms,默认设置10ms)时钟功能显示年，月，日，星期，小时，分钟和秒（电池后备）通信功能内置外设端口：支持上位链接，外设总线，无协议链结和编程器连接。内置RS-232C端口:支持上位链接，无协议链接，1：1NT链接。扩展单元所附带的功能模拟量I/O单元：提供2路模拟量输入，1路模拟量输出。Compo Bus/SI/O链接单元：作为一个Compo Bus/S从单元提供8点输入和8点输出。断电保持功能断电时，AR区域，程序内容，CNT,读写DM区域中的内容能保存存储器后备快闪存储器，用户程序，只读DM区和PC设置，电池后备，读/写DM区，HR区，AR区和记数器值由电池提供后备

21、（电池寿命约为5年）自我诊断功能CPU异常（watchdog timer),I/O总线异常，存储器异常，电池异常程序检查在运转开始时检查无END指令和程序错误6.远传压力表选型：本系统采用YTT-150型差动远传压力表，此表适用于测量对钢及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。因为在仪表内部设置一滑线电阻式发送器，故可把被测值以电量值传至远离测量点的二次仪表上，以实现集中检测和远距离控制。此外，YTT-150型差动远传压力表既可对所测压力作现场指示又能转换 为0-10mADC或 4-20mADC,标准电流信号输出。3 系统硬件设计3.1方案选择目前，住宅小区变频恒压供水系统设计方案

22、主要采用“一台变频器控制一台水泵”(即“一拖一”)的单泵控制系统和“一台变频器控制多台水泵”(即“一拖N”)的多泵控制系统。随着经济的发展，现在也有采用“二拖三”、“二拖四”、“三拖五”的发展趋势。“一拖N”方案虽然节能效果略差，但独有投资节省，运行效率高的优势;具有变频供水系统启动平稳，对电网冲击小，降低水泵平均转速，消除“水锤效应”，延长水泵阀门、管道寿命，节约能源等优点，因此目前仍被普遍采用。1.“一拖N”多泵系统的一般控制要求（1）多泵循环运行程序控制以“一拖三”为例:先由变频器启动1#水泵运行，若工作频率已达到变频器的上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将1#水泵切换成工频运行，此时

23、变频器的输出频率迅速下降为0，然后启动2#水泵，供水系统处于“1工1变”的动行状态;若变频器再次达到上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将2#水泵也切换成工频运行，再由变频器去启动3#水泵，供水系统处于“2工1变”的运行状态。反之，若变频器工作频率已下降至下限值(一般设定为2535Hz)而压力仍高于规定值时，令1#水泵停机，供水系统又处于“1工1变”的运行状态;若变频器工作频率又降至下限值而压力仍高于规定值时，令2#水泵停机，系统回复到1台水泵变频运行状态。如此循环不已。其他的“一拖N”程序控制，依此类推。（2）设置换机间隙时间当水泵电机由变频切换至工频电网运行时，必须延时几秒进行定速运行后接

24、触器才能自动合闸，以防止操作过电压;而当水泵电机由工频切换至变频器供电运行时，也必须延时几秒后接触器再闭合，以防止电动机高速运转产生的感应电动势损坏变频器。延时时间根据水泵电机的功率而定:功率越大，时间越长，一般取值23s。（3）确保触点相互联连锁在电路设计和PLC(可编程控制器)程序设计中，控制每台水泵“工频-变频”切换的两台接触器的辅助触点或者PLC内部“软触点”必须相互联锁，以保证可靠切换，防止变频器UVW输出端与工频电源发生短路而损坏。为杜绝切换时接触器主触点意外熔焊、辅助触点误动作而损坏变频器的事故，最好采用两台连体、机械和电气双重联锁的接触器，如德力西公司的CJX2-N型联锁接触器

25、等。（4）水泵轮换启动控制可以自由设置水泵启动顺序:可设置成1#水泵先启动，也可设置2#、3#或N#水泵先启动。所有水泵平均使用，能有效防止个别水泵可能长期不用时发生的锈死现象。（5）设置定时换机时间在水泵群中，定时切换运行时间最长的水泵，以保证所有水泵的均衡使用。（6）变频器或PLC带有PID调节器PID(比例-积分-微分)调节器的积分环节I(即积分时间)调整应合理:时间太短，则系统动态响应快，反应灵敏，但易产生振荡，水泵来回切换;时间太长，则当压力发生急剧变化时，系统反应过慢，容易产生压力过高，导致管道爆裂。2.常用的“一拖N”多泵系统控制方式（1）变频器+PLC这种配置不仅可以灵活地实现

26、上述控制，而且可以实现更多复杂的控制。缺点是需要专业技术人员编制并现场调试PLC程序，安装调试费工、费时，设备投资也较大。（2）变频器+专业供水控制器最近，有的厂家专门为变频恒压供水研制了能实现上述控制要求的专业供水控制器，操作简单，调试方便，功能齐全，产品价格也与“变频器+PLC”接近。故本设计应用“一拖三”控制方案。3.2系统组成及应用恒压变量供水设备由变频器、传感器、低压电气控制柜和水泵等组成。通过变频器和继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒压变流量供水要求。设备运行时,压力传感器不断将管网水压信号变换成电信号送入微机,经微机运算处理后,获得最佳控制参数,通过变频器和继电控制

27、元件自动调整水泵机组高效率地运行。供水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、水位流量、压力的测量与调节；使用水量、排水量的测量；污水处理设备运转的监视、控制；水质检测；节水程序控制；故障及异常状况的记录等。现场监控站内的控制器按预先编制的软件程序来满足自动控制的要求，即根据水箱和水池的高/低水位信号来控制水泵的启/停及进水控制阀的开关，并且进行溢水和枯水的预警等。3.3 系统运行过程远程压力表监测管网供水压力，其输出的模拟量传递到PLC，经过PLC转换后以模拟量输出的形式传给变频器（压力反馈），变频器根据管网压力的变化调整电机频率。管网压力当前值高于变频器设定时，变频器就会提高其频率；当前值低

28、于变频器设定时，变频器就会降低其频率。当变频器的运行频率达到50hz时，若此时管网压力仍低，系统将自动启动一台工频泵；当变频器的运行频率降到10hz时，若此时管网压力仍高，系统将自动摘除一台工频泵。加泵、减泵时均需考虑30秒的延时，以免电机产生震荡由于变频器采用的是一拖三的多频控制系统，三台泵都有可能处于变频的状态。假设1号泵正处于变频的状态，向2号泵传递的工作流程如下：1先停止变频器的工作；2关闭1号泵的变频接触器3接通2号泵的工频接触器4最后在接通变频器变频器控制原理图在供水系统中，3台泵的运行状态为一台处于变频而其他泵有可能处于工频。所以，每台泵的供电接触器其上口电源均来自与变频器输出和

29、电网的三相电源。供水管网压力进入PLC，经处理和转换后再由PLC以模拟量的方式输出，将该输出模拟量信号与变频器的模拟量反馈信号连接，作为变频器对管网压力的检测。同时，再将变频器输出的频率信号接入PLC，作为频率的检测和控制缘。变频器中还有一些开关量的设置，如变频器的启停控制（由PLC输出的数字点控制），多台泵运行的连锁控制（多台泵的手/自动转换信号控制）等。在“变频自动”运行方式下，先利用变频器启动并运行一台泵，同时系统检测供水管网的实时压力，当供水管网压力低于设定值时（外界用水量增加），系统完成变频泵频率的上调，当频率到达50Hz时，管网压力仍低则启动第一台工频泵（由PLC采用星/角启动控制

30、）。以此类推，顺序实现工频泵的加入。当供水管网压力高于设定值时（外界用水量减少），系统完成变频泵频率的下调，当频率到达10Hz时，管网压力仍高则摘除一台工频泵（由PLC控制）。以此类推，顺序实现工频泵的摘除。系统采用定时轮换工作制，其变频的工作顺序为1#2#3#，当切换时，为了防止工频电源和变频输出短路，必须先将变频器关闭，待外部将其接触器连接好后再开启变频器。工频和变频接触器应有机械上的联锁。4台泵手动控制系统当需要进行手动控制时（此时，只可以在工频下运行），由于电动机的功率较大，所以应对其进行降压启动。降压启动的方式采用的是星/角启动控制。星/角启动过程全部由继电逻辑控制完成，为了防止主运行接触器与变频控制接触器一起上电，本方案除了采用必要的互锁外，还对主接触器和变频接触器选用了带机械联锁控制。从根本上杜绝了一起上电的可能性。三台水泵没有严格规定哪一台是专门用于变频，而是采用了循环换泵运行的特点，所以，其手动控制也是由三套完全独立的控制电路组成。3台泵自动控制系统供水泵的自动控制系统主要完成供水泵的工频、变频自动运行。其控制包括13号泵的工频、变频接触器、报警灯、报警器、变频器启停控制等。图三1号、2号泵的手动星/角启动电路图四3号、4号泵的手动星/角启动电路文档来源网络，版权归原作者。如有侵权，请告知，我看到会立刻处理。16