变频调速恒压供水系统设计

I 摘 要 随着改革开放的不断深入 我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展 人民的生 活水平不断提高 同时 城市需水量日益加大 对城市供水系统提出了更高的要求 供 水的可靠性 稳定性 经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展 也影响到城区 居民的正常工作和生活 本文根据城区供水管网改造工程设计了一套由 PLC 变频器 远传压力表 多台水泵机组 计算机等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监 控系统 具有自动工频 变频恒压运行 可实现远程自动控制和现场手动控制等功能 论 文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机 理 通过对变频器内置 PID 模块参数的预置 利用远传压力表的水压反馈量 构成闭环 系统 根据用水量的变化 采取 PID 调节方式 在全流量范围内利用变频泵的连续调节 和工频泵的分级调节相结合 实现恒压供水且有效节能 论文论述了采用多泵并联供水 方案的合理性 分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件 分析了电机由变频转 工频运行方式的切换过程及存在的问题 给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计 方案和 PLC 控制程序设计方案 系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题 增强了 系统的可靠性 并与计算机实现了有机的结合 提升了系统的总体性能 关键词 PLC 变频调速 恒压供水 变频工频切换 Abstract With the continuous deepening of reforming and opening up the construction and economy of small and medium sized cities in China have developed rapidly People s living standards have improved constantly The water supply system is demanded more as city water consum ption increasing The urban construction and economic development and also people s daily work and life are impacted directly by the reliability stability and the economical of energy conservation of the water supply system An autom atic conversion and voltage constant Water Supply and remote monitoring system which consist of the PLC the converter the remote transition pressure gauges the multi pumps unit the computer and so on It is of automatic line frequency conversion function remote and local automatic control In this paper the mechanism of energy saving which uses speed governing with invertor to design voltage constant water supply system competing with traditional valve controlled pressure constant system Closed loop system is built by presetting the parameter of the PID inside of convertor and feedback of remote transiton hydraulic meter Using the step regulation of convertor pump and frequency pump in full rang of flow to apply PID control on the change of water achieves energy saving of voltage constant water supply This paper discusses the reasonability of water supply scheme with much pump parallel connection and analyses the conversion condition and the various states of water supply of the much pump way of water supply as well as the switch process and the problem of a generator from variable frequency operation mode to work frequency operation mode In addition the combination of the system and the computer is achieved which improved the overall function of the system Key words PLC Variable Velocity Variab le frequency Constantp ressure water supply variable frequency to working frequency 目录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪 论 1 1 1 课题背景及意义 1 1 2 变频恒压供水的现况 1 1 3 变频恒压供水系统的特点 3 2 变频恒压供水系统理论分析 4 2 1 供水系统的基本特性 4 2 2 不同控制方式下的能耗分析与比较 5 2 3 变频恒压控制的理论模型 6 2 4 供水系统中的水锤效应及消除方法 7 3 供水系统恒压控制与硬件设计 8 3 1 异步电动机调速方法及选型 8 3 1 1 变极调速 8 3 1 2 变频调速 9 3 2 供水系统的方案确定 10 3 2 1 供水系统的流量类型 10 3 2 2 总体设计方案确定 10 3 2 3 恒压供水电控系统组成 12 3 3 控制系统的硬件设计与选型 13 3 3 1 主电路设计 13 3 3 2 电气控制电路设计 14 3 3 3 系统主要配置的选型 16 3 4 PLC 的选型 19 3 5 系统可靠性措施 20 4 PLC 控制系统的设计 22 4 1 水泵工频 变频运行状态及转换过程分析 22 4 1 1 供水状态及其转换 22 4 1 2 状态转换关系 22 4 1 3 状态转换条件 24 4 2 PLC 程序设计 25 4 2 1 PLC 编程语言 25 4 2 2 梯形图语言编程的一般规则 25 4 3 供水系统控制模块的设计 26 4 3 1 系统初始化模块 26 4 3 2 水泵运行与状态转换模块 26 5 恒压供水系统的 PID 调节 28 5 1 PID 控制及其控制算法 28 5 2 恒压供水 PID 调节过程分析 29 结 论 31 附 录 32 致谢 34 参考文献 35 1 1 绪 论 1 1 课题背景及意义 随着社会经济的迅速发展 水对人民生活与工业生产的影响日益加强 人民对供水 的质量和供水系统可靠性的要求不断提高 把先进的自动化技术 控制技术 通讯及网 络技术等应用到供水领域 成为对供水系统的新要求 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 采用该系统进行 供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性 方便地实现供水系统的集中管理与监控 同 时系统具有良好的节能效果 这在能量日益紧缺的今天尤为重要 所以研究设计该系统 对于提高企业效率以及人民的生活水平 降低能耗等方面具有重要的现实意义 在变频恒压供水系统中利用变频器改变电动机的电源频率 从而达到调节水泵转速 改变水泵的出口的压力的目的 这种方法比靠调节阀门控制水泵出口压力的方法 具有 更高的效率和优越性 由于水泵工作在变频工况下 在其出口流量小于额定流量时 泵 的转速降低 减少了轴承的磨损和发热 延长了泵和电动机的机械使用寿命 实现恒压 供水的自动控制 不需要操作人员频繁的操作 大大降低了人员的劳动强度 节省了人 力和能源的消耗 1 2 变频恒压供水的现况 国内外变频供水系统现状 从 20 世纪 70 年代起 国内外的很多专家 学者就开始尝试将计算机技术应用于供 水系统的模拟 优化设计及供水系统控制等方面 目前 国内外供水系统采用的自动控 制技术不少 其特点是变频技术与其他自动化技术相结合 如最初的恒压供水系统采用 继电接触器控制电路 是与开关量逻辑控制技术结合 通过人工启动或停止水泵和调节 泵出口阀来实现恒压供水 该系统线路复杂 操作麻烦 劳动强度大 维护困难 自动 化程度低 应用前景不好 后来增加了微机和 PLC 监控系统 提高了自动化程度 但由 于驱动电机是恒速运转 水流量靠调节泵出口阀开度来控制 浪费大量的能源 也没有 很好的发展前景 转速控制法是通过改变水泵的转速来调节流量 通过变频技术调速 变频调速以其优异的调速和起 制动性能 高效率 高功率因数和节电效果 得到了广 2 泛的应用 变频供水系统应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用 按所使用的范围大致分为三类 1 小区供水 加压泵站 变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂 小区供水 高层建筑供水 乡村加压站 特 点是变频控制的电机功率小 一般在 135kW 以下 控制系统简单 由于这一范围的用户 群十分庞大 所以是且前国内研究和推广最多的方式 如希望集团推出的恒压供水专用 变频器 2 国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂 这类变频器电机 功率在 135kW 320kW 之间 电网电压通常为 200V 或 380V 受中小水厂规模和经济条件限 制 目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器 3 大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂 特点是功率大 一般都大于 320kW 机组多 多数采用高压变频系统 这类系统一般变频器和控制器要求较高 多数采用了 国外进口变频器和控制系统 如利德福华的一些高压供水变频器 变频供水系统的发展趋势 1 变频供水系统目前正在向集成化 维护操作简单化方向发展 在国内外 专门针对供水的变频器集成化越来越高 很多专用供水变频器集成了 PLC 或 PID 甚至将压力传感器也融入变频组件 同时维护操作也越来越简单 部分新品的变 频供水只需简单设定压力值就可以正常运行 控制软件和其它参数在出厂时就已设定或 利用传感器自动获取完毕 2 高压变频系统在供水行业中的应用 在过去变频供水涉及较少的商压变频系统 也是发展的重要方向 高一低 高型的 高压变频系统 串联多电平高压变频供水系统目前己在实际应用中不断完善高压高频中 的谐波等问题也逐步得到解决 3 变频送水系统正在融入更全面的供水管理系统 3 面对日益复杂的供水系统 如何在满足供水需求的前提下 最大限度地提高供水系 统的效益 是所有供水部门共同面临的重要课题 目前 在美国 日本 法国等地的有 些城市已基本上实现了供水系统的计算机优化 把变频供水与计算机直接调度管理结合 起来 我国也正在进行着这方面的研究与小范围应用 1 3 变频恒压供水系统的特点 现有变频恒压供水系统具有以下特点 1 滞后性 供水系统的控制对象是用户管网的水压 它是一个过程控制量 对控制作用的响应 具有滞后性 同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应 2 非线性 用户管网中因为有管阻 水锤等因素的影响 同时又由于水泵的一些固有特性 使 水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比 因此变频调速恒压供水系统是一个非线性 系统 3 多变性 变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性 面向各种各样的供水系统 而不同的 供水系统管网结构 用水量和扬程等方面存在着较大的差异 因此其控制对象的模型具 有很强的多变性 4 时变性 在变频调速恒压供水系统中 由于有定量泵的加入控制 而定量泵的控制是时时发 生的 同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数 使其不确定性地发生变化 因此 变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的 5 容错性 完善的保护功能 当出现意外的情况时 系统能根据泵及变频器或软启动器的状态 电网状况及水源 水位 管网压力等工况自动进行投切 保证管网内压力恒定 在故障发生时 执行专门 的故障程序 保证在紧急情况下仍能进行供水 6 节能性 系统用变频器进行调速 节能效果显著 对每台水泵进行软启动 启动电流可从零 4 到电机额定电流 减少了启动电流对电网的冲击 同时减少了启动惯性对设备的大惯量 转速冲击 延长了设备的使用寿命 2 变频恒压供水系统理论分析 2 1 供水系统的基本特性 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提 表明水泵在某一转速下扬程 H 与流量 Q 之间的关系曲线 f Q 如图 2 1 所示 由图 2 1 可以看出 流量 Q 越大 扬程 H 越小 由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下 流 量的大小主要取决于用户的用水情况 因此 扬程特性所反映的是扬程 H 与用水流量 Q 间的关系 而管阻特性是以水泵的转速不变为前提 表明阀门在某一开度下 扬程U 与流量 Q 之间的关系 H f 管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压U 力差 液体在管道中流动阻力的变化规律 由图可知 在同一阀门开度下 扬程 H 越大 流量 Q 也越大 由于阀门开度的改变 实际上是改变了在某一扬程下 供水系统向用户 的供水能力 因此 管阻特性所反映的是扬程与供水流量 Q 之间的关系 H f 扬程cQ 特性曲线和管阻特性曲线的交点 称为供水系统的工作点 如图 2 1 中 A 点 在这一点 用户的用水流量 和供水系统的供水流量 处于平衡状态 供水系统既满足了扬程特性 Uc 也符合了管阻特性 系统稳定运行 HA A 扬程特性 管阻特性AQ Q 图 2 1 供水系统的基本特性 5 2 2 不同控制方式下的能耗分析与比较 当用阀门控制时 若供水量高峰期水泵工作在 E 点 流量为 Ql 扬程为 当供水0H 量从 减小到 时必须关小阀门 这时阀门的摩擦阻力变大 阻力曲线从 移到 扬1Q2 3 1 程特性曲线不变 而扬程则从 上升到 运行工况点从 E 点移到 F 点 此时水泵输出0H1 功率用图形表示为 0 F 围成矩形部分 其值为 1 21 2 1 02 DQPgh 当用调速控制时 若采用恒压 变速泵 供水 管阻特性曲线为 扬程特性0H2n2 变为曲线 工作点从 E 点移到 D 点 此时水泵输出功率用图 2 2 表示为 0 Q 2 D 围2n 0H 成的矩形面积 可见 改用调速控制 节能量为 D F 围成的矩形面积 其值为 01H 2 2 0210212 FDQHP 所以 当用阀门控制流量时 有 功率被浪费掉 并且随着阀门的不断102gh 关小 阀门的摩擦阻力不断变大 管阻特性曲线上移 运行工况点也随之上移 于是 E 增大 而被浪费的功率要随之增加 根据水泵变速运行的相似定律 变速前后流量 Q 扬 程 H 功率 P 与转速 N 之间关系为 2 3 21 Q221 HN321 P 式中 Ql H1 P1 为变速前的流量 扬程 功率 H 2 P 2 为变速后的流量 扬程 Q 功率 由公式 2 3 可以看出 功率与转速的立方成正比 2 流量与转速成正比 损耗功率 与流量成正比 所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多 节能效果显著 所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式 6 H210H F E 1n2 0 2Q1QQ D 3 2 1 图 2 2 管网及水泵的运行特性曲线 2 3 变频恒压控制的理论模型 变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标 在控制上实现出口总管网的实 际供水压力跟随设定的供水压力 设定的供水压力可以是一个常数 也可以是一个时间 分段函数 在每一个时段内是一个常数 所以 在某个特定时段内 恒压控制的目标就是 使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上 3 给定参数 变 频 器 PID 水泵 频率 转速 管网 实际压力 压力传感器 反馈参数 7 图 2 3 变频恒压控制原理图 从图 2 3 中可以看出 在系统运行过程中 如果实际供水压力低于设定压力 控制系 统将得到正的压力差 这个差值经过计算和转换 计算出变频器输出频率的增加值 该 值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值 将这个增量和变频器当前的输出值相 加 得出的值即为变频器当前应该输出的频率 该频率使水泵机组转速增大 从而使实 际供水压力提高 在运行过程中该过程将被重复 直到实际供水压力和设定压力相等为 止 4 如果运行过程中实际供水压力高于设定压力 情况刚好相反 变频器的输出频率将 会降低 水泵机组的转速减小 实际供水压力因此而减小 同样 最后调节的结果是实 际供水压力和设定压力相等 2 4 供水系统中的水锤效应及消除方法 水锤效应 在极短时间内 因水流量的急剧变化 引起在管道的压强过高或过低的冲击 并产 生空化现象 使管道受压产生噪声 犹如锤子敲击管子一样 称为水锤效应 水锤效应 具有极大的破坏性 压强过高 将引起管子的破裂 压强过低又会导致管子的瘪塌 此外 水锤效应还可能损坏阀门和固定件 产生水锤效应的原因及消除办法 产生水锤效应的根本原因 是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大 短时间内 流量的巨大变化而引起的 水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢 决定了加 速过程流量变化的快慢 也就决定了水锤效应的强弱 通过水泵电动机的软起动 可减少动态转矩 因此 选择好的起动方式和速度调节 方法 可以减小或彻底消除水锤效应 提高供水系统运行的安全性 8 3 供水系统恒压控制与硬件设计 3 1 异步电动机调速方法及选型 转速控制法实现恒压供水 供水质量好 能耗低 效率高 并可延长设备的使用寿 命 提高系统的安全性 通过转速控制法实现恒压供水 需要调节水泵的转速 水泵通 过联轴器由三相异步电动机来拖动 因此水泵转速的调节 实质就是需要调节异步电动 机的转速 由三相异步电动机的转速公式 5 3 1 160 1 fnssp 式中 异步电动机的同步转速 r min 1n n 异步电动机转子转速 r min p 异步电动机磁极对数 f 异步电动机定子电压频率 即电源频率 s 转速差 1 0 nS 可知调速方法有 变极调速 变转差调速和变频调整 3 1 1 变极调速 在电源频率一定的情况下 改变电动机的磁极对数 实现电机转速的改变 磁极对 数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现 这种调速方式只适用于专门的变极 电机 而且是有极调速 级差大 不适用于供水系统中转速的连续调节 通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变 9 三相异步电动机的转子铜损耗为 3 2 2 2 3 semCUPIrP 该损耗和电机的转差率成正比 又称为转差功率 以电阻发热方式消耗 电动机工 作在额定状态时 转差率很小 相应的转子铜损耗小 电机效率高 但适应流量的变化 电机一般难以工作于额定状态 其转速值往往远低于额定转速 此时的转差率增大 转 差功率增大 电机运行效率降低 虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差 功率通过整流 逆变装置回馈给电网 但其功率因数较低 低速时过载能力低 还需一 台与电动机相匹配的变压器 成本高 且增加了中间环节的电能损耗 因此变转差调速 方法不适用 于恒压供水系统中的转速控制法 3 1 2 变频调速 1 变频调速机械特性 最常用的变频器采取的是变压变频方式的 在改变输出频率的同时也改变输出电压 以保证电机磁通基本不变 其关系为 1 Uf常 数 式中 变频器输出电压 变频器输出频率1 1f 频率 f 从额定值 往下调时 电机机械特性变化情况如图 3 1 a 所示 5 图中Nf4321fN 10 a 变频调速机械特性 b 全压起动 图 3 1 电动机机械特性 2 变频调速过程的特点 静差率小 调速范围大 调速平滑性好 而且 很关键的一点是调速过程中 其转 差率不变 电机的运行效率高 适合于恒压供水方式中的转速控制法 3 变频调速对供水系统安全性的作用 1 消除水锤效应 减少对水泵及管道系统的冲击 大大延长水泵及管道系统的寿命 拖动系统中 动态转矩 JMLT 是电动机的拖动转矩 是供水系统的制动转矩MT 图 3 1 中 b 反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况 图中 曲线 是异 步电动机的机械特性 曲线 是水泵的机械特性 2 降低水泵平均转速 减小工作过程中的平均转矩 从而减小叶片承受的应力 减 小轴承的磨损 使水泵的工作寿命将大大延长 3 避免了电机和水泵的硬起动 可大大延长联轴器寿命 4 减少了起动电流 也就减少了系统对电网的冲击 提高了自身系统的可靠性 11 3 2 供水系统的方案确定 3 2 1 供水系统的流量类型 根据用户的用水时段特点 可将用户用水量变化类型分为连续型 间歇型两大类 根据流量的变化特点 还可进一步细分为高流量变化型 低流量变化型 全流量变化型 等 不同季节 不同月份 流量变化类型也会改变 连续型是指一天内很少有流量为零的时候 或本身管网的正常泄漏就有一定的流量 间歇型指一天内有多段用水低谷时间 流量很小或为零 3 2 2 总体设计方案确定 1 调速方式 如今的变频器调速范围宽 调速精度高 动态响应快 运行效率高 功率因数高 操作方便并且便于同其他设备接口等一系列优点 因此恒压供水系统中采取变频调速方 式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果 是实现恒压供水转速控制最佳方案 2 泵水方式 多泵并联代替一 二台特大泵单独供水不会增加投资 而其好处是多方面的 首先 是节能 每台泵都可以较高效率运行 长期运行费用少 其二 供水可靠性好 一台泵 故障时 一般并不影响系统供水 小泵的维修更换也方便 其三 小泵起动电流小 不 要求增加电源容量 其四 只须按单台泵来配置变频器容量 减少投资 处于供水低谷 小流量或夜间小流量时 为进一步减少功耗 采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水 压 供水系统如图 3 2 所示 12 图 3 2 供水系统图 1 水位上限检测 2 水位下限检测 3 闸阀 4 止回阀 5 压力检测 3 控制方式 多泵变频循环工作方式的可靠切换 是实现多泵分级调节的关键 可选用编程灵活 可靠性高 抗干扰能力强 调试方便 维护工作量小的 PLC 通过编程来实现 供水系统的恒压是通过压力变送器 PID 调节器和变频器组成的闭环调节系统控制的 根据水压的变化 由变频器调节电机转速来实现恒压 3 2 3 恒压供水电控系统组成 1 主电路 通过接触器 断路器等电气设备为主水泵及辅泵拖动电动机提供工频 及变频电源 2 电气控制电路 成对主电路的继电控制 实现手动或自动控制的切换 3 变频控制电路 根据压力设定及压力传感器的压力检测信号 由变频器输出变 频电源 提供最高频率 上下限频率及启动频率等信号 并能实现 PID 调节 4 PLC 控制系统 包括硬件线路和软件控制程序 完成对恒压供水系统压力设定 顺序控制 信号指示报警等 恒压供水系统构成及控制方案如图 3 3 所示 13 图 3 3 恒压供水系统构成及控制方案图 3 3 控制系统的硬件设计与选型 3 3 1 主电路设计 三台大容量的主水泵根据供水状态的不同 具有变频 工频 停泵三种运行方式 因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联 辅助泵只 运行在工频状态 通过一个接触器接入工频 连线时一定要注意 保证水泵旋向正确 接触器的选择依据电动机制容量来确定 QF1 QF2 QF3 QF4 QF5 QF6 分别为主电路 变频器和各水泵的工频运行空气 开关 FR1 FR2 FR3 FR4 为工频运行时的电机过载保护用热继电器 变频运行时 由变频器来实现电机过载保护 14 变频器的主电路输出端子 U V W 经接触器接至三相电动机上 当旋转方向与 工频时电机转向不一致时 需要调换输出端子 U V W 的相序 否则无法工作 变 频器和电动机之间的配线长度应控制在 100m 以内 在变频器起动 运行和停止操作中 必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子 FWD REV 来操作 不得以主电路空 气开关 QF2 的通断来进行 为了改善变频器的功率因素 还应在变频器的 Pl P 端 子之间接入需相应的 DC 电抗器 变频器接地端子必须可靠接地 以保证安全 减少噪声 在电动机三相电源输入端前接入电流互感器和电流表 用来观察电机工作电流大小 设计三相电源信号指示 图 3 4 给出了供水系统电气控制主回路的主要联线关系 图3 4主电路 3 3 2 电气控制电路设计 为了保护 PLC 设备 PLC 输出端口并不是直接和交流接触器连接 而是在 PLC 输出 15 端口和交流接触器之间引入中间继电器 通过中间继电器控制接触器线圈的得电 失电 进而控制电机或者阀门的动作 在控制电路中多处对各主泵电机的工频 变频运行接触器作了互锁设计 变频器是按 单台电机容量配置 不允许同时带多台电机运行 为此对各电机的变频运行也作了互锁 设计 为提高互锁的可靠性 在 PLC 控制程序设计时 进一步通过 PLC 内部的软继电器 来作互锁 控制电路中还考虑了电机和阀门的当前工作状态指示的设计 为了节省 PLC 的输出 端口 在电路中可以采用 PLC 输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控 制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭 指示当前系统电机和阀门的工作状态 出于可 靠性及检修方面的考虑 设计了手动 自动转换控制电路 通过转换开关及相应的电路来 实现 6 图 3 5 给出了供水系统的部分电气控制线路 图 3 5 中 SA 为手动 自动转换开关 KA 为手动 自动转换用中间继电器 打在 位 置为手动状态 打在 位置 KA 吸合 为自动状态 在手动状态 通过按钮 SB1 SB14 控 制各台泵的起停 在自动状态时 系统执行 PLC 的控制程序 自动控制泵的起停 中间继电器 KA 的常闭触点接在四台泵的手动控制电路上 控制四台泵的手动运行 中间继电器 KA 的常开触点接 PLC 的 X0 控制自动变频运行程序的执行 在自动状态时 四台泵在 PLC 的控制下能够有序而平稳地切换 运行 电动机电源的通断 由中间继电 器 KA1 KA7 控制接触器 KM1 KM7 的线圈来实现 HL0 为自动运行指示灯 FR1 FR2 FR3 FR4 为四台泵的热继电器的常闭触点 对电机进行过流保护 16 图 3 5 电气控制线路图 3 3 3 系统主要配置的选型 1 水泵机组的选型 根据系统要求 考虑到用水量类型为连续型高流量变化型 确定采用 3 台主水泵机 组和 1 台辅助泵机组 设备选用型号及参数见表 3 1 2 压力变送器及数显仪的选型 选用普通压力表 Y 100 和 XMT 1270 数显仪实现压力的检测 显示和变送 压力表 测量范围 0 1MP 精度 1 5 数显仪输出一路 4 20mA 电流信号 送给变频器作为 PID 调节的反馈电信号 可设定压力上 下限 通过两路继电器控制输出压力超限信号 表 3 1 水泵机组及参数 17 主要性能参数型号 数 量 流量 h3m 扬程 m 效率 转速 r min 电动机功率 kW 主水泵 HGT1 250 400 3 1080 45 72 1450 200 辅助水泵 HGT1 120 400 1 50 45 68 1450 10 3 变频器的选型与设定 1 容量确定方法 依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量 在一台变频器驱动一台 电机连续运转时 变频器容量 kVA 应同时满足下列三式 7 KVA 3 3 CNP cosMkhj KVA 3 4 3103CNUI A 3 5 IMK 式中 负载所要求的电动机的输出功率 MP 电动机的效率 通常在 0 85 以上 cos 电动机的功率因数 通常在 0 8 以上 电动机电压 V MU 电动机工频电源时的电流 A I k 电流波形的修正系数 对 PWM 方式 取 1 0 1 05 变频器的额定容量 kVA CNP 18 变频器的额定电流 A CNI 这三个式子是统一的 选择变频器容量时 应同时满足三个算式的关系 尤其变频 器电流是一个较关键的量 2 型号选择 根据控制功能不同 通用变频器为分为三种类型 普通功能型 U f 控制变频器 具有 转矩控制功能的高功能型 U f 控制变频器 矢量控制高功能型变频器 供水系统属泵类负 载 低速运行时的转矩小 可选用价格相对便宜的 U f 控制变频器 综上分析 系统选用专为风机 泵用负载设计的普通功能型 U f 控制方式的富士变频 器 FRN200P11S 4CX 变频器内置 PID 控制模块 可用于闭环控制系统 实现恒压供水 其主要参数及性能介绍如下 主要参数 额定容量 267 kVA 额定输出电流 386A 过载容量 150 额定输出电流 1 分钟 起动转矩 50 以上 适配电机容量 200kW 功能特点 风机 泵等二次方递减转矩专用型变频器 可选用自动和手动的转矩提升功能 保 证最佳的启动 加速时间设定范围宽 0 01 秒到 3600 秒 具有 S 形加减速功能和曲线 加减速功能 让加减速过程变得缓和 防止冲击和载物倒塌 直流制动功能 制动时间 在 0 30 秒范围可调 保证快速可控的制动 不需要外接电阻 内置 PID 模块 可用于闭 环控制 多种频率设定方式 多种附加功能 三路晶体管输出 I 0 特性 8 个可设定的多功能开关量输入口 给操作者极大的灵活性 3 路可设定的开路集电 极晶体管多功能输出 可用于频率到达 频率值检测 过载 运等多种提示 设有模拟 电流 电压输入端子 实现外部频率设定 19 保护功能 具有过电压 欠电压保护 短路保护 过热保护 PTC 热敏电阻保护 电机锁死保护 缺相保护 电涌保护 失速保护 CPU 存贮器异常保护等 3 变频器接线及功能设定 见表 3 2 频率参数设置说明 8 1 最高频率 变频器的最高频率只能与水泵额定频率相等 2 上限频率 实际预置需略低于额定频率 50Hz 3 下限频率 下限频率不能太低 可根据实际情况适当调整 4 启动频率 在从 0Hz 开始启动的一段频率内 实际上电机转不起来 因此 应适当预置启动频率值 使其在启动瞬间有一点冲击力 表 3 2 变频器接线及功能设定 变频器端子 现场器件与接线端子 功能代码 参数预置 注释 FWD PLC的Y0端子 启动 停止变频运行 CM PLC的COM X1 PLC的Y16 E01 7 PLC 的 Y16 动作 自由停车 Y2 PLC的X1 E21 1 频率极限信号输出 30A PLC的X5 变频器故障总报警信号 30C PLC的COM 接公共端 F03 50 最高输出频率 Hz F15 49 5 上限频率 Hz F16 30 下限频率 Hz F23 10 起动频率 F17 100 频率设定信号增益 3 4 PLC 的选型 PLC 的选型主要从 PLC 的输入 输出点数 存储器容量 输入 输出接口模块类型等方 20 面来选择 PLC 型号 根据供水系统控制任务及设计方案 输入信号需 16 点 输出信号需 16 点 选择三菱 FX2N 32MR 型 PLC 其 I O 端子如表 3 3 所示 表 3 3 现场器件与 I O 端子功能示意表 现场器件与接线端子 I O地址 功能注释 中间继电器KA常开触点 X0 自动 手动功能转换 变频器Y2端子 X1 变频器输出频率极限信号 远传压力表压力上限电节点 X2 压力下限到达信号 远传压力表压力下限电节点 X3 压力上限到达信号 水池水位下限信号 X4 水池水位下限信号 缺水 变频器输出报警继电器30A X5 变频器故障报警信号 FR1常开触点 X6 1 电机过载信号 FR2常开触点 X7 2 电机过载信号 FR3常开触点 X10 3 电机过载信号 FR4常开触点 X11 4 电机过载信号 KM1常开辅助触点 X12 1 电机变频运行故障信号 KM3常开辅助触点 X13 2 电机变频运行故障信号 KM5常开辅助触点 X14 3 电机变频运行故障信号 KA25常开辅助触点 X15 1 电机跳空开故障信号 KA26常开辅助触点 X16 2 电机跳空开故障信号 输 入 KA27常开辅助触点 X17 3 电机跳空开故障信号 接变频器FWD端 Y0 实线复位 运行控制 KA1线圈 Y1 1 变频运行控制及指示 KA2线圈 Y2 1 工频运行控制及指示 KA3线圈 Y3 2 变频运行控制及指示 KA4线圈 Y4 2 工频运行控制及指示 KA5线圈 Y5 3 变频运行控制及指示 KA6线圈 Y6 3 工频运行控制及指示 输 出 KA7线圈 Y7 辅助泵工频运行控制及指示 21 KA10线圈 Y10 水池水位下限报警指示 KA11线圈 Y11 变频器故障报警指示 KA12线圈 Y12 现场手动控制指示 KA13线圈 Y13 自动变频运行指示 KA14线圈 Y14 自动工频运行指示 KA15线圈 Y15 远程手动运行指示 KA16线圈 Y16 变频器X1端子功能有效 KA17线圈 Y17 无人值守电话自动报警 FX2N 32MR 主要参数及特点 I O 点数 16 16 用户程序步数 4K 基本指令 27 条 功能指令 298 条 基本指令执行时间 0 08 微秒 通信功能 强 输出形式 继电型 输出能力 2A 点 3 5 系统可靠性措施 作为一个完整的系统 应用于工业现场 还需考虑加强抗干扰措施 保证运行的稳 定性 9 1 变频器和 PLC 应安装于专门的控制柜中 但一定要保证良好的通风环境和散热 PLC 四周留有 50 mm 以上的净空间 环境温度最好控制在 45 以下 相对湿度在 5 90 尽量不要安装在多尘 有油烟 有导电灰尘 有腐蚀性气体 振动 热源或潮湿的地方 2 控制柜和水泵现场距离不要太远 尤其是远传压力表至变频器的 4 20mA 电流信 号和至 PLC 的压力上 下限开关量信号的传输电缆要尽可能短 而且要尽量远离那些会 22 产生电磁干扰的装置 3 外围设备信号线 控制信号线和动力线应分开敷设 不能扎在一起 且应采用 屏蔽线且屏蔽层接地 4 变频器和 PLC 均要可靠接地 接地电阻应小于 100 接地线须尽可能短和粗 并且应连接于专用接地极或公用接地极上 不要使用变频器 PLC 外壳或侧板上的螺钉 作为接地端 而且二者在接地时 应尽量分开 不要使用同一接地线 5 电动机在低速运行时 电机冷却效果下降 应保证电动机具有良好的通风条件 6 在电气设计和软件设计中 充分考虑电气设备之间的互锁关系 7 选用性能可靠的继电器 接触器对于系统的可靠运行也具有十分重要的意义 8 要考虑防雷设计 如电源是架空进线 在进线处装设变频器专用避雷器 或按规 范要求在离变频器 20m 远处预埋钢管做专用接地保护 如果电源是电缆引入 则应做好 控制室的防雷系统 以防雷电窜入破坏设备 10 9 系统设计时还加入了无人执守故障自动拨号报警器 当出现变频器故障 电机 故障 PLC 故障以及水位过低等现象时 自动拨打管理人员的电话 提高系统故障的应 急处理能力 23 4 PLC 控制系统的设计 4 1 水泵工频 变频运行状态及转换过程分析 4 1 1 供水状态及其转换 供水状态是指供水时按照用水量的大小设定投入运行的水泵台数及运行状况 根据 城区用水量可分为小 较小 较大和大四种情况 并分别由辅助泵 一台主泵变频 两 台主泵一工一变及三台主泵两工一变投入运行 启动自动变频运行方式时 首先起动辅 助稳压泵工频运行供水 当用水量大 超过辅助泵最大供水能力而无法维持管道内水压 时 延时 1 分钟 PLC 通过变频器启动 1 号主水泵供水 同时关闭辅助泵的运行 在 1 号 主水泵供水过程中 变频器根据水压的变化通过 PID 调节器调整 1 主水泵的转速来控制 流量 维持水压 若用水量继续增加 变频器输出频率达到上限频率时 仍达不到设定 压力 延时分钟 由 PLC 给出控制信号 将 1 号主水泵与变频器断开 转为工频恒速运 行 同时变频器对 2 号主水泵软启动 系统工作于 1 号工频 2 号变频的两台水泵并联运 行的供水状态 当用水量减少时 变频器通过 PID 调节器降低水泵转速来维持水压 若 变频器输出频率达到下限频率时 水压仍过高 延时 1 分钟 按 先起先停 的原则 由 PLC 给出控制信号 将当前供水状态中最先工作在工频方式的水泵关闭 同时 PID 调 节器将根据新的水压偏差自动升高变频器输出频率 加大供水量 维持水压 当用水量 持续减少 系统继续按 先起先停 原则逐台关闭处于工频运行的水泵 当系统处于单台主水泵变频供水状态时 若用水量减少 变频器输出频率达到下限 频率时 水压仍过高时 延时 5 分钟后 关闭变频器运行 启动辅助泵维持供水 4 1 2 状态转换关系 为保证在一个较长的时间周期内 各台水泵运行时间基本均等 避免某台电机长期 得不到运行而出现绣死现象 供水状态的切换按照 有效状态循环法 即 先起先停 的原则操作 若有 N 台水泵参与变频调速 则满足 先起先停 原则的最大有效状态数 为 1 将来的供水状态就在这些有效状态范围内来回循环 2 24 本系统采用了三台主水泵和一台辅助稳压泵供水 其中只有主水泵参与变频运行 共有 10 种有效供水状态 见表 4 1 表 4 1 系统供水状态 用水量 状态符号 供水状态 小 S0 辅助泵运行 1 2 3 停机 S20 1 变频运行 2 3 停机 S21 2 变频运行 1 3 停机较小 S22 3 变频运行 1 2 停机 S23 1 工频运行 2 变频运行 3 停机 S24 2 工频运行 3 变频运行 1 停机较大 S25 3 工频运行 1 变频运行 2 停机 S26 1 2 工频运行 3 变频运行 S27 2 3 工频运行 1 变频运行大 S28 3 1 工频运行 2 变频运行 各状态之间的转换关系见图 4 1 25 图 4 1 供水状态转换图 图中 箭头向下为增泵过程 箭头向上为减泵过程 从图 4 1 可见 供水状态之间 的转换不但和转换条件有关 还与其目前所处的供水状态有关 由辅助泵切换到主泵供 水也遵循有效状态循环方式 即上一次启动 1 主泵 则下次由辅助泵切换到主泵供水 应启动 2 泵 4 1 3 状态转换条件 供水状态之间的转换条件是依据变频器输出频率是否到达极限频率及水压是否达到 上 下限值 设变频器输出频率达到极限频率时的信号为 X1 水压达到设定压力下限值 时的欠压信号为 X2 水压达到设定压力上限值时的超压信号为 X3 从辅助泵切换到主泵条件 满足 X2 从主泵切换到辅助泵条件 同时满足 X1 X3 增泵条件 同时满足 X1 X2 减泵条件 同时满足 X1 X3 状态转换过程的实现方法 从辅助泵切换到主泵只需断开辅助泵的供电 同时用变频器以起始频率起动一台主 26 泵的运行即可 从主泵切换到辅助泵只需将主泵和变频器的输出断开 同时将辅助泵直 接投入工频运行即可 4 2 PLC 程序设计 4 2 1 PLC 编程语言 PLC 是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置 采用 了面向控制过程 面向问题 简单直观的 PLC 编程语言 易于学习和掌握 尽管国内外 不同厂家采用的编程语言不尽相同 但程序的表达方式基本类似 主要有四种形式 梯 形图 指令表 状态转移图和高级语言 梯形图编程语言是一种图形化编程语言 它沿用了传统的继电接触器控制中的触点 线圈 串并联等术语和图形符号 与传统的继电器控制原理电路图非常相似 但又加入 了许多功能强而又使用灵活的指令 4 2 2 梯形图语言编程的一般规则 通常微 小型 PLC 主要采用继电器梯形图编程 其编程的一般规则有 11 1 梯形图按自上而下 从左到右的顺序排列 每一个逻辑行起始于左母线然后是触 点的各种连接 最后是线圈或线圈与右母线相连 整个图形呈阶梯形 梯形图所使用的 元件编号地址必须在所使用 PLC 的有效范围内 2 梯形图是 PLC 形象化的编程方式 其左右两侧母线并不接任何电源 因而图中各 支路也没有真实的电流流过 但为了读图方便 常用 有电流 得电 等来形象地描述 用户程序解算中满足输出线圈的动作条件 它仅仅是概念上虚拟的 电流 而且认为它 只能由左向右单方向流 层次的改变也只能自上而下 3 梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器 相应某位触发器为 1 态 表示该继电器线圈通电 其动合触点闭合 动断触点打开 反之为 0 态 梯形图中继 电器的线圈又是广义的 除了输出继电器 内部继电器线圈外 还包括定时器 计数器 移位寄存器 状态器等的线圈以及各种比较 运算的结果 4 梯形图中信息流程从左到右 继电器线圈应与右母线直接相连 线圈的右边不能 有触点 而左边必须有触点 27 5 继电器线圈在一个程序中不能重复使用 而继电器的触点 编程中可以重复使用 且使用次数不受限制 6 PLC 在解算用户逻辑时 是按照梯形图由上而下 从左到右的先后顺序逐步进行 的 4 3 供水系统控制模块的设计 4 3 1 系统初始化模块 在初始化模块中设置通信用数据寄存器 D8120 D8121 D8129 的通信参数 至标志 为 M6 1 在自动运行时 首先起动辅助泵 进入 S0 状态 至标志 M0 1 保证辅助泵的运 行状态首次 S0 转入主泵运行状态 S20 初始化过程通过 M8002 产生的初始化脉冲来完成 4 3 2 水泵运行与状态转换模块 1 辅助泵 主泵的转换 主泵转辅助泵运行是指在单台主泵供水时 变频器输出下限频率 水压处于压力上 限时 延时 5 分钟 关闭变频器运行 启动辅助泵的过程 即由状态 S11 转入 S0 的过程 PLC 置输出继电器 Y1 为 0 同时置 Y7 1 辅助泵转主泵运行是指由辅助泵供水 水压达到压力下限时 延时 1 分钟 关闭辅 助泵 用变频器启动一台主泵运行的过程 即由状态 S0 转入 S11 的过程 具体起动哪一 台主泵 进入哪一种状态 要依据其上一个状态 按有效状态循环法的原则来操作 在 编程时 以辅助继电器 M3 M2 Ml 作为 S20 S21 S22 状态的转入标志 三者按循 环方式动作 保证状态 S20 S21 S22 的循环 2 主泵的增加 增加主泵是将当前主泵由变频转工频 同时变频起动一台新水泵的切换过程 当变 频器输出上限频率 水压达到压力下限时 延时 1 分钟 PLC 给出控制信号 PLC 的 Y16 得电 变频器的 X1 端子对 CM 短接 变频器的自由停车指令 BX 生效 切断变频器 输出 延时 500ms 后 将主水泵与变频器断开 延时 l00ms 将其转为工频恒速运行 同 28 时 PLC 的 Y16 失电 BX 指令取消 变频器以起始频率启动一台新的主水泵 这段程序 设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁保护 3 减少主泵的状态转换模块 减少主泵是指在多台主泵供水时 变频器输出下限频率 水压处于压力上限时 按 先起先停 原则 将当前运行状态中最先进入工频运行的水泵从电网断开 水泵运行状态转换模块流程图如图 4 2 所示 根据水泵运行状态转换模块流程图编制 的辅泵 主泵 主泵 S20 S23 S26 之间切换的部分程序见附录 S21 S24 S27 及 S22 S25 S28 之间的切换雷同 略其程序 输出极限频率 X1 压力上限 X3 压力下限 X2 YES YES 减泵 加泵 维持 NO 图 4 2 比较环节流程图 29 5 恒压供水系统的 PID 调节 5 1 PID 控制及其控制算法 PID 控制器是一种线性控制器 它是对给定值和实际输出值之间的偏差 12 13 5 1 etryt 经比例 P 积分 I 和微分 D 运算后通过线性组合构成控制量 对被控对象 进行控制 故称 PID 控制器 系统由拟 PID 控制器和被控对象组成 其控制系统原理框图如图 5 1 比例 P 被控对象积分 I 微分 D 驱动 r t d t u t y t 图 5 1 控制系统原理框图 图中 u t 为 PID 调节器输出的调节量 PID 控制规律为 5 2 1 dteTtteKtDIP 式 5 2 中 比例系数 积分时间常数 微分时间常数 I 相应地传递函数形式 30 5 3 1 PDIUsGKTsE PID 控制器各环节的作用及调节规律如下 14 1 比例环节 比例环节反映了系统对当前变化的一种反映 比例环节不能彻底消除 系统偏差 系统偏差随比例系数 K 的增大而减少 比例系数过大将导致系统不稳定 2 积分环节 积分环节主要用于消除静差 提高系统的无差度 积分作用的强弱取 决于积分时间常数 越大 积分作用越弱 易引起系统超调量加大 反之则越强 ITI 易引起系统振荡 3 微分环节 微分环节主要用来控制被调量的振荡 减小超调量 加快系统响应时 间 改善系统的动态特性 但过大的 对于干扰信号的抑制能力却将减弱 DT 5 2 恒压供水 PID 调节过程分析 恒压供水的目的就是要保证供水能力 适应用水 需求变化 当供水能力 和用GQUGQ 水需求 之间不能平衡时 必然引起压力的变化 因此可根据压力的变化 来实现对供UQ 水流量的调节 维持供水能力 和用水需求 之间的乎衡 GU 实现恒压供水实现方法是 首先根据用户对水压的要求 给 PID 调节器预置一个目 标压力值 管道中的实际水压 经压力变送器转换成 4 20mA 的模拟电流信号反馈给变 频器内置的 PID 调节器 PID 调节器根据目标压力值和实际压力值的偏差 给出调节量 自动调节变频器输出频率 调节电机转速 使供水量适应用水量的变化 取得动态平衡 维持水压不变 其具体调节过程如下 14 1 稳态运行 当供水能力 用水需求 目标压力信号和压力反馈信号 y 相等 偏差 e y r PIDGQU 输出的控制增量 u 0 变频器输出频率不变 水泵转速不变 处于稳态运行 2 用水量增加时 31 当用水量增加 用水需求 供水能力 水压下降 压力反馈信号 y 减少 偏差 e UQG y r0 变频器输出频率上升 水泵转速升高 增加供水能力 最后达到一个新的平衡状态 使压力回复 维持供需平衡 3 用水量减少时 当用水量减少 用水需求 0 PID 输出的控制增量 u 0 变频器输出频率下降 水泵转速降低 降低 供水能力 最后达到一个新的平衡状态 使压力回复 维持供需平衡 32 结论 本文对于城市供水要求 设计了一套由 PLC 变频器 远传压力表 多台水泵机组 计算机等主要设备构成的变频恒压供水及其远程监控系统 克服了传统供水方式普遍存 在的效率低 可靠性差 自动化程度不高等缺点 可实现高效节能 自动可靠 维护简 单 管理方便的恒压供水 本系统具有以下的特点 l 采用了可靠性高 使用简单 编程灵活的工控设备 PLC 和内置 PID 调节模块的变 频器作为主要控制设备 在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相 结合 确保恒压供水 2 系统具有完备的故障处理能力 可通过自动工频运行 远程手动控制和现场手动 控制等方式确保供水 具有故障实时的现场报警和远程电话自动报警功能 具有故障电 机锁定功能 3 系统采取变频调速方式实现恒压供水 节能效果明显 4 采用了 PID 调节方式 水压波动小 响应快 33 附录 34 锚泵 主