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董林论文变频恒压供水系统的设计与应用综述
变频恒压供水系统的设计与应用
摘要:
经济的取得了很大的发展,人们的生活质量越来越好,如何提高生活供水质量及其稳定性成为人们日益关注的话题,为了构建更加健全和谐的生活环境,设计高稳定性、高质量、能够适应各种场合的供水需求的系统成为当今目前发展需要。
基于对居民生活用水需求,设计了一种以PLC为控制器的变频调速恒压供水系统,系统包含三台水泵电机,电机的变频、工频运行通过变频器与西门子PLC控制,并通过压力传感器的反馈完成供水压力的闭环控制,根据管道网水量变化控制电机运行从而达到用户出水压力稳定目的。
关键词:
变频器;恒压供水系统;PLC
TheDesignandApplicationOfFrequencyConversionConstantPressureWater-supplySystem
Abstract:
Economicachievedagreatdevelopment,people'squalityoflifeisgettingbetter,thequestionthathowtoimprovethelifequalityofwatersupplyandstabilitybecomeincreasinglyconcernedaboutthetopic,Inordertobuildamorerobustandharmoniouslivingenvironment,designahighstabilityandhigh-qualitysystemwhichabletoadapttotheneedsofavarietyofareasofwatersupplysystemshasbecomeaninevitabledevelopmentneeds.
Basedontheurbanresidentialwaterrequirements,designaPLC-basedfrequencycontrolwatersupplysystems,threepumpgeneratorsformthissystem,thegeneratorsaredrivedbyinverterandSiemensPLC,Andcompletedbyapressuresensorfeedbackclosedloopcontrolofthewatersupplypressure,Accordingtothepipenetworkflowvariationcontrolmotoroperationsoastoachieveastablewatersupplypressure.
Keywords:
Inverter;Constantpressurewatersupplysystem;PLC
1引言
1.1选题背景及供水系统现状和发展趋势
1.1.1选题的背景
社会的进步,城乡居民不断增长的用水需求,供水控制技术的传统方式已不能适应当今社会发展。
主要表现在供水公司无法提供跟用户一致的用水量,将导致其用水无法正常供给,也会造成资源的损失,与此同时,这样的控制系统会导致用户管网由于压力过大出现裂开并且可能会损坏供水的设备的问题。
以往的控制技术需要频繁的启动停止电动机,并且有时会通过电机把水打到水塔的方式提供用户用水的方式,这样的情况下,需要大量的电力,并且会对居民的供电系统带来很大的负载,电动机不断的启动停止会缩减电动机的寿命。
而通过水塔的供水方式需要特定的条件,比如很大的用地面积还有资金,与此同时,水塔供水这种方式会对供水的质量产生影响。
根据目前科技的发展,改变频率调节电动机转速的运行方式运行十分的稳定,不需要不断的启动停止电机,采用的运行方式是使电动机变频运行,这样就能保证系统的安全性与稳定性,并且在系统运行的时候不会影响用户用水的水质,从而我们可以认识到,改变频率调节电机的恒压供水方式具有充足的优势,在现代社会中,会得到不断的发展。
1.1.2变频供水系统的发展趋势
随着科技的发展,微机控制技术的不断进步,自动控制技术理论的不断完善,变频调速技术取得了突飞猛进的发展,1964年,一位德国科学家率先提出在交流传动控制系统中引入PWM脉宽调制技术。
此后几十年,人们不断的提出新的理论,并取得了丰富的研究成果,例如在上个世纪的八十年代,一位来自日本的科学工作者构想出基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法,随后几年内,在美国、德国、法国等国家已经把基于变压变频技术的通用变频器广泛应用与居民生活和社会建设上。
在我们国家,每年电动机会白白消耗掉电机输入电量的百分之六十,这种能源损失是十分巨大的,因此,我们现在把如何节约能源的消耗作为国家经济发展的一个重要课题,而变频调节电动机技术的不断发展为我们带来了黎明的曙光,收到了我国研究这方面问题的专家学者的高度重视。
根据国家统计报表我们可以得知,目前从事于这样的变频调节电机技术的公司和企业大概有200多家,但是我们要注意到这个问题,我们研发生产的设备和其他国家生产的变频调速设备比较时会发现我国的技术还是跟西方发达国有很大的距离,生产的产品性能不如发达国家的同类产品。
虽然技术有很大的差距,但是我国随着改革开放和生产力及科技水平的不断发展,和国外的联系日益紧密,我们就采取了两种方式来面对国际的挑战,一是积极的吸收国外先进的技术,引进变频调节电机的设备,二是通过对国外技术的不断学习,我们进行自我设计,吸收外国先进技术的同时自主开发设计,在成套的变频调速装置中嵌入国外性能高的变频调速装备,不过系统的应用软件是自我开发的,这样就很好的解决了国内各种工程建设中如何保证优质的电气传动控制的问题。
不过,总体而言,我国虽然在此技术中取得了相对不错的成绩,但是我们的自主开发能力同国外相比还是很弱的。
恒压供水的办法是改变频率调整电机技术的高速发展后逐步发展的,在这种技术出现的刚开始一段时间,国外的变频器的主要功能仅仅局限在几个方面,比如启动停止控制、电机正转反转的控制、升降电机速度的控制、根据电网频率控制电机转速的控制等。
其只作为变频恒压供水系统的执行部分,为了保证用户管网压力的稳定,并且能够根据用户用水量自动的改变电机的转速,那么就需要增加额外的设备,这就是压力传感器。
闭环控制是通过管网的压力信息通过压力传感器测量,并且反馈到系统实现的。
变频恒压供水系统具有明显的优点,比如具有很好的稳定性、科技含量很高、运行的可靠性及非常好的节能效果等优点,促使变频调速技术得到不断的发展。
在这种形式下,国外的一些公司开始设计生产新型变频器,这种变频器可以有恒压供水的效能,一家日本企业就设计此种类型的变频器,这种变频器具有两种工作模式:
变频泵循环方式及变频泵固定方式。
此设备开创性的把可编程控制器及比例为分积分调节器集成在设备上,这种设备的优点就是在指令代码的输入下搭载相应的供水设备就可以直接控制最多7台电机的运行,从而很好的达到恒压供水的需求。
不过这种设备还是有些不足的,它虽然能够节省很多成本,但是无法保证供水系统的高可靠性和高稳定性。
在我国,做变频恒压供水方面业务的有很多公司,产品大多良莠不齐,采用的技术不同,有的设备通过PLC在一些软件的辅助下运行,有的则使用单片机来作为控制器。
虽如此,但是生产出来的产品质量远没有达到用户的需求,我们要走的路还很长,还需要我们不断的探索。
[11]。
2恒压供水方案分析比较与设计
2.1恒压供水方案比较
通过进入到供水相关信息了解到,在广大居民的社区供水方法都相对落后,综合来看他们的水供应,主要有以下几个方式[6]。
(1)一台恒速泵直接供水
此供水方式的原理是此水泵从蓄水池中直接抽取水,然后通过对其施加压力直接通过供水管网送至用户,甚至有的时候直接从城市整个公共用水网络中抽水,这种方式严重的影响到公共用水管道压力的稳定,而且,此泵昼夜运行,极大的浪费资源。
(2)恒速泵+水塔供水
此方式的原理先把水塔通过水泵打满水,然后用户供水由水塔内水压提供,对水塔高度的要求就是,需要用户供水管道所需要的压力比水塔的最低水位小,水泵运行直至注满水塔,当水塔中水位的高度低于设定的某一个位置时水泵要通电运行,这样水泵就一直处于频繁的启动停止状态中,根据流量和扬程的相互关系可知,这种供水方式可以使电机具有很高的效率,但是这种供水方式需要很大的占地面积,很多的设备购买资金,并且供水水压也不能调整,并且存在能量损耗及供水水质二次污染的问题。
(3)射流泵十水箱供水
此种方式的原理是利用泵的特有的结构运行,通过管径和管网压力的差值实现恒压供水,由于无法达到很高的制造效果,并且这种方法会导师仅有压力而无流量的情况,因此没有办法满足一些高层用户供水的需要。
(4)恒速泵十高位水箱供水
此种方式的原理和上述供水方式大相径庭,这种供水方式水箱放置与建筑物的顶层。
此方式相比于第二种供水方式所需要的用地面积及设备的资金投入都有所减少,但是会影响到建筑物的建设,并且由于建筑物限制了水箱的大小,所以此方式供水的范围相对较小。
此外,由于水箱的约束条件,里面的水会因为一些外来杂质的进入而受到影响,造成用户用水的污染。
这种控制方式的启停完全通过人的手工进行操作,因此可能会损坏水位监督控制装置,这种情况下会使供水的质量降低并且增大能耗。
(5)变频调速供水
这种系统供水的原理是以在系统中安置的压力传感器收集管网的压力信号并且与系统预先设置的压力值之间做相应的比较,然后通过系统的控制器的调节装置控制变频器的信号输出,使控制系统的管网压力在流量无论如何变化时都一直在相应的范围内稳定。
这种调速的技术比以上几种方式具有明显的节能效果,在用户供水量下降时,根据管网的压力反馈自动调节水泵的运行方式,实现工频或变频的无级调节,使供水的压力跟随用户用水量的变化而变化,这样的方式可以减少电能的损失,此外,当水泵软启动时,冲击电流会小的多,能量消耗相比之下会很小。
这种供水方式运行十分的可靠,设备运行非常的平稳,避免了不必要的冲击,而且提高了供水质量。
2.2恒压供水方式的选择
从上面五中方案的具体分析可以得知,变频调速技术供水具有明显的优点,主要表现在资源的节约利用、性能的可靠稳定、运行的安全协调、科技含量充足,因为相比而言,此方案在实际中应用的前景十分的广泛。
水对于我们具有十分的重要性,当社会快速发展的今天,这种重要性更加突出,因此如何提高供水质量是个很关键的问题,随着科技发展,自控技术及电机控制技术的深层次探讨,变频调速技术相应而生,这种技术可以很好的满足人们的需求,它既适应于用户供水量的不断提升,又很好的避免了管网压力不稳定的难题,由以上分析,我们采取第五种方案设计即变频调速供水系统。
2.3变频恒压供水系统的理论分析
2.3.1电动机的调速原理
电动机具有不同的类型,目前水泵电机大多采用三相异步电动机
(2.1)
式中:
p为电机的极对数,f为输入电压源的频率,s为电动机的转差率。
从上面的公式可以知道,电机的具体调速方式:
(3)更改s
(2)更改电动机p
(l)更改电压源f
上面三种调速方式都可以调节电机的转速,改变电机的转差率的调速方式一般采用的调速方式是串级调速,这样做的目的是为了获得足够的调速范围,此方式可以起到很好的节能效果,并且具有很好的调节速度的性能,回收电机的转差功率是这种方式最好的优点,不过由于构成这种方式所需要的线路十分的繁琐,这样电能损耗在系统的中间环节就明显的增大了,并且需要很多的资金投入,不利于推广。
通过电动机p数目的改变,可以调节转速,这种方式具有明显的节能功效,资金投入较少,工作效率比较高,,而且系统的控制方式比较简单,不过作为级差比较大的有级调速,需要特定的变极电机,这种方式一般仅应用在特定的电机转速的系统设备中。
由以上公式我们可以认识到,在极对数不变且电机s的改变不是很显著时,此时可以认为输入电源的频率与电机的转速成线性关系,此时若想使电机的速度平滑的变化,可以通过电源频率的持续的改变实现,只不过,仅通过改变频率来控制转速会是电机的寿命降低,随着科学技术的发展,各种类型的变频调速设备具有很好的性能、稳定性,这样就使此技术得到了更加广阔的应用。
2.3.2变频恒压供水系统的节能原理
供水管网阀门的开度保持特定值是用户供水扬程的特性的重要前提,简而言之,即供水系统的流量Q同供水扬程在一个特定的水泵电机的转速下具有特定的曲线,见图2.1,在供水水泵电机的速度和水管阀门的开度都保持不变的时候,居民的用水情况决定了供水管网的流量多少,由此我们得到扬程特性H=f(Qu),即为用户用水量Qu和扬程H的特性曲线。
水泵电机速度保持特定值是管阻特性的前提条件,曲线的特性形态可以体现出水泵具有的能量得以来对供水系统的的水泵的压力差、水位、管道内产生的阻力的客服。
事情上,阀门的开度大小的变化是在某扬程时改变管网的供水能力,由此可见,A点为实际运行时的运行点,在此状态下,系统供水能力与居民用户大小相适应,这时系统处于正常运转阶段。
水泵电动机机组、阀门、供水管道等构成了供水系统,在一般情况下电机和水泵构成整体,利用电机的转动来使水泵给管网供水,电机的速度通过改变电流频率来控制,电机运行速度变化时水泵供水能力发生变化从而控制供水流量来实现恒压供水。
在不同的供水系统中,一般是把管网的流量作为系统的控制目标,平时比较常见的控制形式主要有速度或阀门控制形式。
速度控制形式主要控制原理是改变水泵电动机的速度大小来控制流量,阀门控制形式以阀门的开度的调节来控制流量的大小,并且不改变水泵电动机的速度,阀门控制方式是以水管中的阻力大小来改变供水流量,而转速形式是改变水的动能来控制流量大小。
变频调速技术来控制时其就属于转速控制。
水泵电机转速会随着居民用水量改变而改变,始终保持供水管网的压力不变[4]。
根据流体力学,出水的流量Q和供水管网的压力H与水泵运行时输出的功率P为正比关系,出水的流量与水泵运行时的速度n为正比关系,出水的流量与管网的压力为正比关系,根据以上描述,我们可以得到:
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
当采用阀门控制方式的情况下,假设E处为水泵在供水量的高峰,其扬程大小H0,若使Q2由Q1逐渐变化,这是阀门开口必须紧缩,这个情况下需要客服摩擦的作用力会升高,,b3在会逐渐过渡到b1,此时不会改变扬程与流量的关联,若观察到E过渡到F,可以知道此时H0在扬程曲线上移动到H1,电机在这个时刻的功率输出同H1×Q2为线性关系,在压力稳定(H0)下采用改变速度控制下,D逐渐过渡至E,电机在这个时刻的功率输出与H0×Q2为线性关系,因为H0
2.4恒压供水系统的设计方案和工作原理
2.4.1恒压供水的设计方案方框图
PLC(S7-300)作为系统的控制器,变速调节装置采用变频器MM430,用户管网的供水压力通过KYB传感机构把信息传递到MM430相对应的管脚上,通过MM430内的比例为分积分处理,将调节结果送往PLC控制电机的运行状态,使供水压力稳定在正常范围,具体如下图所示。
2.4.2系统的工作原理
水泵启动运行后,变频器接收压力传感器的反馈压力值。
若反馈值小于变频器预设值时,增加水泵转速的信号会由变频器向PLC控制器导入;当反馈值大于预设值时,则发送减少水泵转速的信号。
变频调速器则依次调节水泵输入电源的频率,改变水泵的转速。
下图是其原理图,采用三台水泵工频、变频运行。
图2-4恒压供水系统原理图
系统运行时,电机M1开始软启动,根据变频器输出的信号调整转速,当传感器反馈的压力信号在设定范围内时,保持电机运行不变,此时若用户管网流量增大到小于2/3Q并且大于1/3Q时,此时若变频器无论如何输出信号控制M1都无法达到控制要求,此时采用第一台电机工频工作,第二台变频工作,并根据压力传感器反馈到变频器输出自动调节电机运行。
此时若用户管网流量增大到小于Q并且大于2/3Q时,此时若无法通过变频器调整使管网压力维持在设定范围,此时会采用电机M1、M2工频运行,M3变频运行的方式,并根据压力传感器反馈到变频器输出自动调节电机运行。
若此时用户管网流量降到小于2/3Q并且大于1/3Q时,电动机M3停止,M2开始变频运行,M1继续工频运行,若此时用户管网流量降到小于1/3Q,此时M2停止,M1开始变频运行,并根据压力传感器反馈到变频器输出自动调节电机运行,具体如图2-5所示。
图2-5水泵工作示意图
3变频器恒压供水系统设计
3.1变频器的选择
3.1.1变频器的构成
变频器一般由逆变器、整流器、中间电路组成,它主要的原理是把工频(50Hz)的电流转为所需频率的电流,用来对设备电机的调速控制。
倘若系统要求在快速响应或者精密速度环境下工作,还需要有传动工作机构信号、电路保护信号,这些是通过传动工作机构及变频器内部来表现的,这样做的目的是为了减少过电流、过电压消耗的损失,还可以使传动工作机构及电机设备安全运行[12]。
图3-1变频器组成方框图
(1)交-直整流电路
晶闸管、二极管构成整流电路的桥式电路组成,把一定的电压、频率交流电整流成直流电
(2)滤波电路
根据不同的滤波电路,从而构成电流型及电压型变频器。
(3)直-交逆变电路
交-直-交变频器的核心组成是逆变电路,为了直接控制电机,把电压、频率的直流电逆变成可调的三相交流电源。
3.1.2变频器的控制方式
速度反馈闭环控制、开环控制是变频调速常见的模式,为了更方便可靠的使供水达到预想,采用变频器中含有比例为分积分环节的闭环控制[5],如图3-2所示。
图3-2变频器开、闭环控制
3.1.3变频器的选择
根据供水系统的要求,分析两种变频器的控制方式,我们选择闭环控制。
如何选择具体的变频器就需要先对电动机频率及其转速进行分析。
N=N1(1-S)(式3-2)
其中S为电机的转差率
转差率公式为S=(N1-N)/N,一般小于3%
从上面的公式可以知道,我们如果想要调整电机的速度可以通过改变频率的方法,这种调速方法是十分方便的。
为了方便、稳定的调节电机的转速,上述所述的内部含有比例为分积分的变频器,把压力传感器测量的管网压力反馈到变频器,变频器输出信号进行调节,这样就达到了闭环自动控制的功能,使电机转速随着管网压力的变化而变化。
并且可编程控制器PLC控制三台电机的工频、变频运行,实现用户供水压力的稳定。
[15]。
3.1.4变频器的接线
变频器要与PLC相互接通,其中变频器管脚5与PQ0.7相接用于控制电机的正转。
PLC增、减泵是通过输出到PLCI0.3与I0.4的18、19脚作为频率检测的上/下限信号来控制的,具体接线图如图。
图3-3变频器接线图
3.1.5变频器的参数
需要对其进设置才能保证系统的正常的运行,下面是在本系统中其主要参数[14]
表3-1常用参数设置
参数号
名称
Default
Level
DS
QC
P0003
参数过滤器
1
1
CUT
—
P0004
用户参数访问级
0
1
CUT
—
P0010
快速调试结束
0
1
CT
N
P3352
FCC的启动频率
1
5
CUT
—
P1000
访问隐含参数
2
2
C
Q
P0701
命令源控制方式
2
1
CT
Q
P3920
测试用参数过滤器
0
1
C
Q
P1201
电源电压
380
3
CT
—
P1323
频率设定值选择
10.0
3
CUT
—
P1354
电机软启动
0
3
CUT
—
P1302
电动机的控制方式
1
2
CT
Q
P2310
连续提升
50.0
2
CUT
—
P1611
加速度提升
0.0
2
CUT
—
P1412
启动提升
0.0
2
CUT
—
P1316
电机额定转速
45.0
3
CUT
—
P0307
额定功率
380
3
CUT
—
P0306
额定电压
7.9
3
CUT
—
P0305
额定电流
3.0
3
CUT
—
P1081
电机的最小工作频率
15.0
3
CUT
—
P1082
电机的最大工作频率
45.0
3
CUT
—
P0311
复位工厂设定值
2800
3
CUT
—
P0970
提升结束的频率
0
1
C
—
表3-2变频器PID参数设置
参数号
名称
Default
Level
DS
QC
P2203
PID设定值斜坡下降时间
20.0
3
CUT
N
P2421
PID设定值6
60.0
2
CUT
N
P2215
PID反馈最小值
40.0
3
CUT
N
P2213
PID设定1
6.0
2
CT
N
P2267
PID的反馈增益
1
3
CT
N
P2218
固定的PID设定方式2
1
3
CT
N
P2225
PID的输出上限
100.0
3
CUT
N
P2236
PID微调信号的增益因子
100.0
3
CUT
N
P2255
PID设定值斜坡上升时间
5.0
2
CUT
N
P2058
固定的PID设定值3
5.0
2
CUT
N
P2287
PID反馈最大值
20.0
3
CUT
N
P2768
固定的PID设定值5
4.0
3
CUT
N
P2229
固定的PID设定方式2
100.0
3
CUT
N
P2250
PID的比例增益系数
3.0
2
CUT
N
P2385
PID的输出下限
2.0
2
CUT
N
P2241
PID设定值的增益因子
100.0
2
CUT
N
P2392
PID的积分时间
0.0
2
CUT
N
P2253
PID输出斜坡上升、下降时间
5.0
3
CUT
N
3.2传感器的选择
传感器的精度直接决定了系统的稳定性、可靠性,管网的有,管网的压力一般都是可以用各种型号的压力传感器来检测的。
像电容、电感传感器都是利用弹性院校来测量的。
而属于高精密的KYB传感器就与传统的与众不同,它内部有用调节在恒压供水系统的D/A和A/D转化电路。
3.2.1KYB压力传感器的工作原理
在涉及管道、机床、竣工、石化、生产自控、智能建筑、水利水电、船舶、航空航天等众多行业的工业自动化领域,压力传感器是一种应用广泛的传感器。
根据电容的原理,当膜片两侧产生位移时,此时会反应出压力差出现变化,这说明电容两侧的电量不平衡,通过解调和振荡环节,此时会产生一个和压力之间有线性关系的信息。
数字信号是解调器的电流通过A/D转化器转换而来,微处理器通过此值来显示出输入压力的大小。
此外,它重置测量范围并
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