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目录一摘要……………………………………………………………………………………1二.概述……………………………………………………………………………………2第1章变频调速恒压供水系统的现状和发展……………………………………………31变频调速恒压供水的目的和意义……………………………………………42变频调速及PLC在供水行业中的用………………………………………52.1变频调速技术的特点及应用……………………………………………………52.2可编程序控制器的特点及应用……………………………………………………6第二章变频调速恒压供水系统自控制系统…………………………………………61概述……………………………………………………………………………62控制系统构成……………………………………………………………………63控制原理及功能实现……………………………………………………………73.1PLC控制系统简介…………………………………………………………………83.2恒压供水的控制原理………………………………………………………………
83.3相关控制功能实现…………………………………………………………………94运行效果分析…………………………………………………………………
104.1有效保证郫县供水和该厂自用水压力稳定,提高该厂供水安全可靠性………
104.2高效节能……………………………………………………………………
114.3提高自动化水平………………………………………………………………11第三章变频恒压供水系统设计原理…………………………………………………12 1控制系统组成方框图………………………………………………………………122系统工作原理…………………………………………………………………………123变频调速的基本原理及节电原理…………………………………………………………14第四章变频器在恒压供水方面的应用………………………………………………171概述……………………………………………………………………………………172恒压供水的变频应用方式…………………………………………………………
182.1变频恒压供水系统组成…………………………………………………………
192.2变频恒压供水系统的参数选取……………………………………………………203.恒压供水系统特点……………………………………………………………………20第五章关于变频调速给水节能问题……………………………………………………21第六章系统功能总述………………………………………………………………221.换变频/工频运行功能…………………………………………222PID的调节功能……………………………………………………………………233通讯功能…………………………………………………………………………244系统的节能功能………………………………………………………………25
七、结语………………………………………………………………………………25____……………………………………………………………………………26摘要自从通用变频器问世以来,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_____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对城镇__电力驱动恒压供水的原理及几种实用化方案进行了深入的讨论,以变频器为主体的恒压供水系统对供水水泵实现全方位的宝护该系统不但能最大限度地节约水资源,而且能够节约电能,延长供水水泵的使用寿命,并在紧急情况下(消防,减灾)能够做到重点供水最后,对几种实用化供水方案进行了详细的讨论关键词变频器;恒压供水;变频调速;供水系统;节能
1、概述随着变频调速技术的飞速发展和人们认识水平的提高,变频调速很快成为交流电动机调速的主流变频调速恒压供水系统就是变频改的深度调速造成了水泵、电机运行效率低,所以除了小型系统或系统高调速技术最典型的应用,该系统具有显著的节能效果、较高的控制精度,便于使用和维护在短短的几年内,变频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虽然简单可靠,但由于单泵电机的深度调速造成了水泵和电机运行效率低,所以除了小型系统或系统改造已被多泵系统所代替目前,多泵系统基本有两种组成模式变频泵固定模式和变频泵循环模式变频恒压供水自动控制系统介绍全自动变频调速给水设备由电机水泵机组、压力传感器、PID控制器、可编程控制器、变频器、低压电气及压力传感器等各种电器元件构成闭环自动控制回路通过压力传感器随时监控供水管网的压力值,并将其转变成模拟电__,反馈到PID控制器,经放大、运算、比较分析后,PID调节器输出__给变频器,自动变频调整电机转速及水泵的台数,在供水过程中水泵用水量大时增加水泵,用水量少时减泵,从而实现恒压变量供水及变压变量供水设备可根据用户要求,增加附属小泵和小压力罐系统,在小流量或接近零流量供水时如夜间,变频调速给水系统停机,由压力罐系统维持工作用水量极少及无人用水时进入小泵补压或进入休眠状态,这些都由可编程控制进行控制原理当1号泵的运行频率升高到50Hz时,压力还低于设定值,此时系统自动将该泵切换到工频运行,2号泵自动投入变频运行,如还低于设定压力,则2号泵自动切换到工频运行,3号-4号泵投入变频运行直到压力达到设定值,当用水量少时,系统控制水泵跟踪压力自动降频运行,当运行频率低到设定点时,自动停止该泵运行,将另一台转换为变频运行,以此类推,直到最后1号泵变为变频运行,如此循环运行可保证水压始终保持在设定值,这样即达到水压恒定的目的,也节约了大量电费开支
1、全自动运行无须人工操作显示机组电压、电流;显示恒压点压力设定值和实际值;显示水泵状态,运行频率;
2、用水量少时,自动切入小泵运行;无人用水时自动进入休眠状态,节省电费开支20%-50%
3、手动状态设有单泵变频运行方式,可手动指定运行哪个泵,停止哪个泵,易于检修
4、手动状态设有工频运行方式,提高系统可靠性,当变频器出现故障时可切换的工频运行方式,不会影响供水
5、变频器对电机进行软启软停,减少设备损耗,延长电机使用寿命
6、水泵软启动,管网压力无冲击,无水锤现象,压力恒定;具有管道等过压、欠压保护功能;
7、故障自诊断和自处理功能,对过流、欠压、过压、过载、断水和变频器故障均能自行诊断
8、远程控制功能根据甲方要求可预留通讯接口,便于接入楼宇集中监控系统产品系列3kw、
7.5kw、11kw、15kw、
18.5kw、22kw、30kw、45kw、55kw、75kw控制方式空间矢量控制的正弦波PWM,内置PID,逻辑程序控制保护功能过压、欠压、过流、电流限幅、电子过热过载继电器、过压失速、数据保护额定输入三相380V±20%、50-60HZ±5%外部输出故障__、集电极开路输出、频率同步过载能力150%1分钟、180%
0.2秒、100%连续定时开关机内设计时时钟,设定多达六段/天开关机时间PID可手动设定PID参数值P:
0.1-800 I:
0.01-32 D:
0.01-10应用范围自来水、生活热水、工业给水、消防定压控制、防洪排灌等控制系统__参考如下表变频恒压供水控制柜参考价功率一拖二一拖三一拖四
3.7kw
6160637665165.5kw
7492767278187.5kw77707920814411kw88009060931215kw
11700119321217218.5kw14028145161480822kw17304176001808030kw20080206642107037kw21260216642209245kw25138256482617655kw28778304403100875kw403924___44194015KW以上电控柜配备电抗器等平波、滤波装置自从通用变频器问世以来,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_____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,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__、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__`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
二、变频恒压供水系统的特点1高效节能与传统供水方式相比变频恒压供水能节能30%-60% 2占地__小,投入少,效率高 3配置灵活,自动化程度高,功能齐全,灵活可靠 4运行合理,由于一天内的平均转速下降,轴上的平均扭矩和磨损减少,水泵的寿命将大为提高 5由于能对水泵实现软停和软起,并可消除水锤效应(水锤效应直接起动和停机时,液体动能的急剧变大,导致对管网的极大冲击,有很大破坏力)6操作简便,省时省力7变频恒压供水能自动24小时维持恒定压力,并根据压力__自动启动备用泵,无级调整压力,供水质量好,与传统供水比较,不会造成管网破裂及水龙头共振现象8启动平滑,减少电机水泵的冲击,延长了电机及水泵的使用寿命,避免了传统供水中的水锤现象9采用变频恒压供水保护功能齐全,运行可靠,具有欠压、过压、过流、过热等保护功能10可根据用户需要,选择各种附加功能,如电机定时轮换,休眠等功能第一章变频调速恒压供水系统的现状和发展1变频调速恒压供水的目的和意义变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于多层__小区生活消防供水系统然而,由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备(如http://___.aufine-pv.com\t_blank水泵http://___.aufine-pv.com\t_blank),在对原有供水系统进行变频改造的实践中,往往会出现一些在理论上意想不到的问题随着电力技术的发展,变频调速http://___.cn-aufine.com\t_blank技术的日臻完善,以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备,起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门http://___.aufine-valve.com/\t_blank等东西的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能,将使供水实现节水、节电、节省人力,最终达到高效率的运行目的
1.变频调速技术的特点及应用通常在同一路供水系统中,设置多台常用泵,供水量大时多台泵全开,供水量小时开一台或两台在采用变频调速进行恒压供水时,就用两种方式,其一是所有水泵配用一台变频器;其二是每台水泵配用一台变频器后种方法根据压力反馈__,通过PID运算自动调整变频器输出频率,改变电动机转速,最终达到管网恒压的目的,就一个闭环回路,较简单,但成本高前种方法成本低,性能不比后种差,但控制程序较复杂,是未来的发展方向,比如NKL-A系列恒压供水控制系统就可实现一变频器控制任意数马达的功能
2.可编程序控制器的应用目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类
2.1开关量的逻辑控 这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等
2.2模拟量控制 在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(____og)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制
2.3运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合
3.过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块PID处理一般是运行专用的PID子程序过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用
4.数据处理 现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统
5.通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便
6.可编程变频恒压供水控制系统的设计
6.1变频器的节能、调速原理变频器是把工频电源50Hz或60Hz变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备,其中控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆成交流电对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的一般使用的风机、水泵类它们额定风量、水量都超过实际需要,又因工艺的需要,往往运行中要改变风量、水量,而目前多数采用档板或阀门来调节的,虽然方法简单,但实质是人为增加阻力的办法因此浪费大量电能,属不经济的调节方式从流体力学原理可知,风机的风量、水泵的流量与电机转速及电机功率的关系如下 当风机转速下降时,电动机的功率迅速降低,例风量下降到80%,转速亦下降到80%时,则轴功率下降到额定的51%,若风量下降到50%,轴功率将下降到额定的13%,其节电潜力非常大,采用变频器调速方式有很强的节电效果,其节电可达30-40%效果十分明显
[15]
6.2变频器控制方式的选择低压通用变频输出电压为380~650V,输出功率为
0.75~400kW,工作频率为0~400Hz,它的主电路都采用交—直—交电路其控制方式经历了以下四代
7.U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等因此人们又研究出矢量控制变频调速
7.1电压空间矢量(SVPWM)控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善
7.2矢量控制(VC)方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im
1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行__控制通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制矢量控制方法的提出具有划时代的意义然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果
7.3直接转矩控制(DTC)方式1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型
7.4矩阵式交—交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行为此,矩阵式交—交变频应运而生由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、__贵的电解电容它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(2ms),很高的速度精度(±2%,无PG反馈),高转矩精度(+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括0速度时),可输出150%~200%转矩
[15]因此,我们选用最后一种控制方式,矩阵式交-交控制方式近年来我国中小城市发展迅速集中用水量急剧增加据统计从1990年到1998年我国人均日生活用水量(包括城市公共设施等非生产用水)有
175.7升增加到
241.1升增长了
37.2%与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高
[1]在用水量高峰期时供水量普遍不足造成城市公用管网水压浮动较大由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的这种情况造成用水高峰期时供水压力不足用水低峰期时供水压力过高不仅十分浪费能源而且存在事故隐患(例如压力过高容易造成爆管事故)供水厂希望通过对原有系统的技术改造提高生产过程的自动化水平并在此基础之上配备相应的系统管理软件改变传统的__管理方式使管理工作规范化提高水厂的业务管理水平由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行设计一套取水和供水的自动控制系统克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题降低能源消耗和资源浪费提高设备的可维护性和运行的可靠性以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的在相当比较大规模的工业生产供水系统变频调速恒压供水有它自身的特点
1.供水量在短时间内(一天时间内)变化大这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍
2.对供水压力的要求比较严格供水的压力随供水的流量的变化而变化甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力
3.一般情况下供水系统的水流量受到水消耗量的控制而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的从上即可结论以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要也提高整个系统的效率延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统2变频调速及PLC在供水行业中的应用
2.1变频调速技术的特点及应用作为高性能的调速传动直流发电机-电动机调速控制方法__以来一直应用广泛但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦__也相当昂贵使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想异步电机的调速方法很多例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用70年代以后由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展促使晶体管变频器的诞生晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美三相异步电动机具有维修方便、__便宜、功率和转速适应面宽等优点其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势到80年代末交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源以此电源拖动电机在变速状态下运行并自动适应变负荷的条件它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式从而达到节能目的现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中较为传统的运行方式是可节电40%~60%节水15%~30%由于变频调速具有调速的机械特性好效率高调速范围宽精度高调整特性曲线平滑可以实现连续的、平稳的调速体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类目前国内大都使用交-直-交变频器自从通用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_____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__、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__、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变频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被多泵调速系统所代替虽然单泵调速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调速系统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
2.2可编程序控制器的特点及应用早期的可编程序控制器Program__bleLogicControllerPLC主要用来代替继电器实现逻辑控制随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能在工业生产中得到了广泛的应用1969年美国数字设备公司DEC研制出世界上第一台可编程控制器早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等70年代初期体积小、功能强和__便宜的微处理器被用于PLC使得PLC的功能大大增强在硬件方面除了保持其原有的开关模块以外还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块在软件方面PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言除了保持原有的逻辑运算等功能以外还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能进入80年代中、后期由于超大规模集成电路技术的迅速发展微处理器的市场__大幅度下跌使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高而且为了进一步提高PLC的处理速度各制造厂商还研制__了专用逻辑处理芯片大大提高了PLC软、硬件功能在发达工业国家PLC已经广泛的应用在所有的工业部门据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元
[5]随着电子技术和计算机技术的发展PLC的功能得到大大的增强具有以下特点
[567]1.可靠性高PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式2.具有丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场__有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接另外为了提高操作性能它还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块3.采用模块化结构为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外绝大多数PLC均采用模块化结构PLC的各个部件包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计由机架及电缆将各模块连接起来系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合4.编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式对使用者来说不需要具备计算机的专门知识因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握5.__简单维修方便PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行各种模块上均有运行和故障指示装置便于用户了解运行情况和查找故障由于采用模块化结构因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行由于PLC强大功能和优点使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等
[891011]其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以监测第二章变频调速恒压供水系统自控系统
1.概述变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术,它以其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域特别是在供水行业中,由于生产安全和供水质量的特殊需要,对恒压供水压力有着严格要求,变频调速技术也得到了更加深入的应用成都市自来水公司六厂日产水量60万吨,担负着成都市区及周边地区70%以上的供水任务自1996年年底六厂的__工程投产后开始向郫县供水,使得该厂的供水方式从单一的重力流供水变为重力流和压力流结合供水的方式自向郫县供水以来,由于考虑到现阶段郫县的用水量较少,从节约能耗的角度出发,该厂使用一台泵同时向郫县供水和提供该厂的自用高压水为了满足六厂自用水压力,保证厂内各个工艺环节设备(如消毒环节中的水射器)能正常工作,该厂自用水压力须较恒定的控制在
0.3Mpa以上,采用变频调速控制是保证压力恒定较为有效的方法根据对郫县城区供水量的了解,发现郫县全天各时段用水量变化较大(见后图5),如果不对供水量进行调节,管网压力的波动也会很大,容易出现管网失压或爆管事故采用变频恒压供水控制后,当郫县用水量较小时,这时相应管道和泵出口压力均较大,变频恒压控制方式将会降低泵的频率,减小泵出水量,从而降低管网压力;反之亦然这样,小时用水量变化较大也不会造成管网压力有较大的波动经过__运行实践,证明了变频调速手段实现恒压供水不仅保证厂内自用高压水压力足够且稳定,而且保证了郫县供水的安全可靠性
2.控制系统构成整个恒压供水系统有两组变频泵,每组均由一台变频器和一台水泵组成;系统以PLC为控制核心,由PLC采集压力__和输出控制变频泵的运行控制系统构成如图1所示图1控制系统构成图PLC处理器选用的是Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器,变频泵选用的是ABB公司的SAMISTAR系列的315F660/690型的变频器和水泵系统由两只量程为0~
1.0Mpa的压力变送器分别检测两台水泵后的输水管道的压力,压力变送器将检测到的压力__转换为4~20__的电流__,送到PLC子站的模拟量输入模板(1771-IFE),通过PLC的PID运算,由模拟量输出模板(1771-OFE)输出4~20__的电流控制变频泵的运行
3.控制原理及功能实现
3.1工作原理控制器的电路框图见图3电源三相输入、变频器的三相输出作为控制器的输入,__经取样整形电路、隔离放大电路,以及频率、相位跟踪电路处理,进入单片机由软件计算判断后,在显示单元显示相应的输入输出频率,指示灯指示控制器运行状态当变频器输出相位、频率与工频电源相位、频率一致时,控制器可分别给出集电极开路输出__(或继电器输出__);当工频电源缺相或变频器输出与工频电源相序相反时,控制器由故障代码和指示灯同时__
3.2 面板说明面板布置图见图41电源频率(故障代码)显示区;2变频器输出频率(故障代码)显示区;3变频器输出、电源同频输出指示灯;4变频器输出、电源同相位输出指示灯;正序 同频 5变频器输入正相序指示灯;6控制器故障错误指示灯;7 8 9电源三相指示灯;101112变频器输出三相指示灯;图4 监频监相控制器面板布置图 说明
(1)控制器上电后,若变频器上电且相序正确1区显示变频器输入频率,2区显示为0;此时5789灯亮,其它灯灭
(2)控制器上电后
1、2区显示101—101,表明无工频三相电源输入或工频三相电源缺相;
1、2区显示102—102,表明无变频电源输入或输入变频电源缺相;
1、2区显示103—103,表明既无变频电源输入也无工频电源输入
(3)控制器上电后12区显示110—110表明工频电源相序错;变频器启动后12区显示119—119表明变频器输出相序错;
(4)变频器输出与工频电源相位、频率一致时,控制器可分别给出集电极开路输出__同时相应指示灯
3、4亮
3.3 控制器接线及__控制器接线端子示意图见图5,控制器外型尺寸长X高X厚=160mmX80mmX79mmU1说明:
(1)
1、2为220V交流电源输入端
(2)同相、同频、故障为集电极开路输出端GND为集电极开路输出的公共端
(3)U
1、V
1、W1三相工频电源输入端;U
2、V
2、W2为变频器的三相输出端图6 无扰动切换装置框图4 无扰动切换的实现图6为具有无扰动切换功能的变频泵循环模式切换装置框图系统由变频器、监频监相器、可编程控制器和切换接触器等组成当变频器输出频率升至工频电源频率时,监频监相器输出同频__,系统进入切换等待时期,当变频器输出相位与工频电源相位一致时,监频监相器输出同相__,PLC通过切换接触器把变频泵从变频电源切换到工频电源,实现无扰动切换切换瞬时完成,无须等待,切换过渡过程小于20ms,切换后瞬时电流小于电机额定电流的
1.5倍PLC控制系统简介该厂采用Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器通过DH+通讯方式构建了全厂PLC工业控制网络,通过DH+网络上的RSView工作站实现人机对话RSView工作站是指运行人机图形界面软件(RSView32)的计算机工作平台,该工作站建在中心控制室,是实现生产现场无人值守和运行集中管理的调度中心利用RSView32可以有效地对控制过程进行监视和控制,可以实现图形化的人机对话界面,模拟生产运行的流程,在模拟流程上更加直观地实现生产流程的全自动运行监视、远程人工直接干预操作(如PID指令运行参数远程设定)、控制环节__监视等功能控制界面如图2图2变频恒压供水系统控制图形界面(RSView工作站)
3.2恒压供水的控制原理SAMISTAR变频器具有REMOTE和LOCAL两种操作方式LOCAL操作方式下,通过LOCALSTART/STOP开关启停变频器,通过fREFLOCALINPUT0输入端口的电位开关人工调节变频器工作频率;通过LOCAL/REMOTE输入点可以将变频器切换到REMOTE操作方式下,在REMOTE方式下,通过REMOTESTART/STOP输入点进行PLC远程启停变频器,通过fREFREMOTEINPUT0端口输入频率控制__(百分比)控制变频器工作频率根据供水量情况,把变频器的工作频率上限设定为水泵基频,即频率变化范围控制在0~50Hz,在此范围内水泵运行频率和定子相压成正比(及与变频器输入频率成正比),这使得变频器输入、水泵运行频率和泵的输出压力成较好的线形关系,可得到较好的控制效果SAMISTAR变频器对用户开放的I/0接口位于TERMINALBLOCKCARD上,主要使用的有X11-1(REMOTESTART/STOP);X11-4(LOCAL/REMOTE);X11-13/14(fREFREMOTEINPUT
0、4~20____输入);X11-15/16(输出4~20__变频器运行频率__);X11-17/18(输出4~20__变频泵运行电流__)变频器由PLC远程控制时,启动是由PLC向X11-4输出__,使变频器切换到外部设备控制方式(REMOTE方式),再向X11-1输出__,启动变频器在恒压调节时,PLC处理器把检测到的压力__作为反馈值,与PID运算的压力设定值(由调度人员根据情况在REView上设定)进行比较,再经过PID运算得到调节后的修正值,通过模拟量输出模板(1771-OFE)输出到X11-13/14,作为REMOTE方式下变频器的频率控制__,由于该__是相对变频器工作频率上限的百分比,所以变频器将输入__进行内部运算后转为真实工作频率为了使__变频恒压供水自动控制系统与全厂自动控制网络有机地结合起来,全面实现对恒压供水系统的运行情况和设备运行进行监视和远程控制,更加安全可靠地实现恒压供水,使用PLC进行PID运算和监控PID闭环反馈控制原理如图3图3闭环控制原理图图4PID流程图PLC的PID运算调节通过该型处理器专用PID指令完成,通过设置各参数即可由PLC完成PID运算调节PID程序段流程如图4PID指令必须以相同的时间间隔周期性地执行,可采用计时器,定时中断或实时采样的等方法,此处选用了定时方法;PV是PID指令采样的压力控制反馈值,SP是PID指令的压力控制设定值,KP为PID的比例增益,KI为PID的积分增益,KD为PID的微分增益,这五个控制参数作为主要的PID参数参与控制,确定PID参数时要兼顾系统灵敏性和稳定性,由于恒压控制要求和设备的性能条件,参数设定更强调稳定性(及KI),由于微分环节有放大噪声的特点,将KD尽量设置得较小;SWM为PID指令转为手动直接调频的开关,SO设定为PID指令的在手动控制输出方式时的输出值,当变频器从PID自控调节转为手动直接调频时,SO替代PID运算结果作为转换时的输出值,将SO设定为控制值就可实现无缝转换,减小变频器运行频率的震荡DB为PID指令的死区设定值,输出超出死区时PID指令通过自动运算限制输出超出限定范围
3.3相关控制功能实现为了防止运行时由于压力变送器不可预见的故障造成PLC的PID运算调节失实,从而造成管网压力失恒引发失压或爆管的严重事故分别在1#和2#变频泵后输水管上__压力变送器,可以同时测到出厂输水管线上的压力;在PLC程序上对压力__进行了相应的处理,在程序中设置选择软开关,调度人员可以在RSView上将其中一台压力变送器的值设定为“控制反馈值”,另一台压力变送器的值则设为“参考反馈值”(见图2变频恒压供水系统控制图形界面(RSView工作站));对1#压力和2#压力值进行比较,相差
0.1Mpa时,判断为,其中一只压力变送器出现故障,变频器控制转换为远程直接手动调频控制(通过RSView设置运行)压力变送器正常工作时,“控制反馈值”经过平均滤波处理后,分别比较压力__上限和下限值,如果超出控制范围,变频器控制转换为远程直接手动调频控制否则“控制反馈值”作为PID调节的参数PV.同时为了在就地手动控制实现在控制现场对变频泵进行开停控制和运行数据监视我们在变频泵工作现场__了A-B公司的PanelView图形工作终端,该工作终端提供图形交互界面和触摸输入方式,以从站的方式与PLC进行通信,进行数据和控制命令的交换,提供就地监控操作的通道
4.运行效果分析
4.1有效保证郫县供水和该厂自用水压力稳定,提高该厂供水安全可靠性如果采用定速泵进行供水必然会导致高峰供水时段内管网供水压力不足,夜间用水量较小时管网压力过高,造成爆管现象采用变频恒压控制后,变频器的频率随郫县用水量的变化而变化,及时调节该厂对郫县供水量,从而使郫县城区管网压力在一个较小的范围内变化(
0.23-
0.27Mpa)另一方面,虽然该厂自用水秒流量变化不大,但由于自用水和郫县供水为同一水泵加压后,分作两条支流,郫县用水量的变化必然也会导致自用水压力不稳定,采用恒压变频控制方式,基本克服了这种变化因素从上图曲线也可看出,自用水压力基本恒定不变这样保证了加氯水射器等重要设备的正常工作,保证了正常的消毒工艺流程,从而保证我厂出厂水水质,提高供水的安全可靠性
4.2高效节能通过采用变频调速恒压控制,可在不同季节、全天不同时段内有效即时地调控水量,这样在用水量较低时,大大节约供水量,减少电耗在设定压力内跟随用水量供水,避免了传统供水方式的损耗,降低吨水消耗
4.3提高自动化水平根据该厂建立自动控制系统的原则“分散控制、集中管理、现场无人值守”,变频恒压供水技术的应用提高了该厂自控系统的整体水平,真正作到了操作简便安全,现场无人职守,运行安全可靠三.变频恒压供水系统设计原理 1控制系统组成方框图恒压供水系统的基本构成是变频器+水泵+水管网压力检测部件+PID调节器目前大多数变频器已将PID调节器集成到其内部,如图1所示该图为简单的单泵控制系统该系统的电气接线图如图2所示图1图1恒压供水系统示意图图2电气接线图图2中的补偿电阻Rc用于补偿压力远传表电阻值与VLT变频器输出电源匹配问题ABB公司的SAMISTAR系列的315F660/690型的变频器的50端子是10VDC电源,专门用于过程控制系统的检测装置的供电电源53端子是模拟量__(反馈输入和模拟量给定值)输入端55端子为公共端ABB公司的SAMISTAR系列的315F660/690型的变频器集成有恒转矩输出特性和变转矩输出特性以及速度PID调节器和过程控制PID调节器,分别用于速度闭环运行控制和过程运行的闭环控制在恒压供水系统中使用变转矩运行特性和过程控制PID调节器2系统工作原理
1、如图1所示,控制器给定水泵管网一供水压力值,变频器根据此值输出一定频率的交流电源至水泵电机,拖动水泵稳定运行,并输出与压力对应的供水流量,保证水泵管网的压力与控制器的给定压力平衡压力传感器时刻检测管网压力,并反馈至控制器,控制器根据反馈压力与给定压力的差值,控制变频器的输出频率,实现电机的速度调节,改变水泵流量,保证供水管网压力始终稳定在给定值附近,实现了变频调速恒压供水系统的闭环调节
2、多泵并联变频恒压变量供水的工作模式通常是这样的当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量,由一台变频泵调速恒压供水;当用水流量增大,变频泵的转速自动上升;当变频泵的转速上升到工频转速,为用水流量进一步增大,由变频供水控制器控制,自动启动一台工频泵投入,该工频泵提供的流量是恒定的工频转速恒压下的流量,其余各并联工频泵按相同的原理投入 在多泵并联变频恒压变量的供水情况下,当用水流量下降,变频调速泵的转速下降变频器供电频率下降;当频率下降到零流量的时候,变频供水控制器发出一个指令,自动关闭一台工频泵使之超出并联供水为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击水力的或电流的冲击在投入时,变频泵的转速自动下降,然后慢慢上升以满足恒压供水的要求在超出时,变频泵的转速应自动上升,然后慢慢下降以满足恒压供水的要求上述频率自动上升,下降由供水变频控制器控制 另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式在这种供水模式中,当供水流量少于变频泵在恒压工频下的流量时,由变频泵自动调速供水,当用水流量增大,变频泵的转速升高当变频泵的转速升高到工频转速,由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电不通过变频器供电变频器则另外启动一台并联泵投入工作随用水流量增大,其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入这就是循环软启动投入方式 当用水流量减少,各并联工频泵按次序关泵超出,并泵超出的顺序按先投入先关泵超出的原则由变频控制器单板计算机控制3变频调速的基本原理及节电原理 异步电动机采用变频器调速的原理是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压,再由逆变桥变换为频率可调的交流,作为交流异步电动机的驱动电源,使电动机获得无级调速所需的电压、电流和频率
1、 变频调速的基本原理 交流异步电动机的转子转速n可以用下式表示 式中f——定子供电电源的频率;p——电动机的极对数; s——异步电动机的转差率. 由式
(1)可见,当平滑地改变异步电动机的供电频率f时,即可改变电动机转子的转速n
2、水泵变频调速节电原理水泵供水系统具有管__性曲线,即通道管网的流量与所消耗的能量之间的关系曲线,它同时表明水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差,液体在管道中流动的阻力 水泵运行工作点位置与水泵负载有关,在水泵负载经常变化的情况下,水泵不能总处在高效区域里工作为使水泵适应外界负载变化的要求我们可采用变速调节,即在管__性曲线基本不变时,采用改变水泵转速来改变泵的Q—H特性曲线从而改变它的工作点,达到即改变流量又能保证水泵恒定和输入功率减少的目的如图2 图2 水泵变速运行图 根据水泵的相似定律,变速前后流量、扬程、功率与转速之间关系为 式中P
1、H
1、Q1为转速n1时的功率、扬程、流量;P
2、H
2、Q2为转速n2时的功率、扬程、流量由此可见,当水泵在变负荷工作情况下,采用变频器调节水泵电机转速时,轴功率随转速比的三次方关系进行变化,如果转速下降一半,其功率可降到原来的1/8,节电效果明显当多泵并联恒压供水系统采用具有自动睡眠功能的变频器,当用水流量接近于零,变频泵能自动睡眠停泵,从而可以做到不用水时自动停泵而没有能量损耗,具有最佳的节能效果第四章变频器在恒压供水方面的应用1概述 交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术由于电子技术的飞速发展,户变频器的性能有了极大提高,它可以实现控制设备软启软停,不仅可以降低设备故障率,还可以大幅减少电耗,确保系统安全、稳定、长周期运行__以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计,然后泵组根据流量变化情况来选配,并确定水泵的运行方式由于小区用水有着季节和时段的明显变化,日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压,大量能量因消耗在出口阀而浪费,而且存在着水池“二次污染”的问题变频调速技术在给水泵站上应用,成功地解决了能耗和污染的两大难题用水的多少是经常变动的,因此供水不足或供水过剩的情况时有发生而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上,即用水多而供水少,则压力低;用水少而供水多,则压力大保持供水压力的恒定,可使供水和用水之间保持平确保系统安全、稳定、长周期运行即用水多时供水也多,用水少时供水也少,从而提高了供水的质量 恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的例如在某些生产过程中,若自来水供水因故压力不足或短时断水,可能影响产品质量,严重时使产品报废和设备损坏又如发生火灾时,若供水压力不足或或无水供应,不能迅速灭火,可能引起重大经济损失和人员伤亡所以,某些用水区采用恒压供水系统,具有较大的经济和社会意义随着电力技术的发展,变频调速技术的日臻完善,以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备,起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能,将使供水实现节水、节电、节省人力,最终达到高效率的运行目的2恒压供水的变频应用方式
2.1变频恒压供水系统组成 变频恒压供水系统通常是由水源、离心泵(主泵+休眠泵)、压力传感器、PID调节器、变频器(主泵+休眠泵)、管网组成工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化,及时将__(4-20__或0-10V)反馈PID调节器,PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令,改变水泵的运行或转速,使得管网的水压与控制压力一致
2.2变频恒压供水系统的参数选取
(1)、合理选取压力控制参数,实现系统低能耗恒压供水这个目的的实现关键就在于压力控制参数的选取,通常管网压力控制点的选择有两个一个就是管网最不利点压力恒压控制,另一个就是泵出口压力恒压控制选择管网最不利点的最小水头为压力控制参数,形成闭环压力自控系统,使得水泵的转速与PID调节器设定压力相匹配,可以达到最大节能效果,而且实现了恒压供水的目的
(2)、变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段变频器根据负载的转动惯量的大小,在启动和停止电机时所需的时间不相同,设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护;设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢,反应迟滞,应变能力差,系统易处在短期不稳定状态中 为了变频器不跳闸保护,现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长,它所带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖,但是变频器达不到最佳运行状态所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同,测试出负载的允许最短加减速时间,进行设定对于水泵电机,加减速时间的选择在
0.2-20秒之间通常在同一路供水系统中,设置多台常用泵,供水量大时多台泵全开,供水量小时开一台或两台在采用变频跳速进行恒压供水时,就用两种方式,其一是所有水泵配用一台变频器;其二是每台水泵配用一台变频器后种方法根据压力反馈__,通过PID运算自动调整变频器输出频率,改变电动机转速,最终达到管网恒压的目的,就一个闭环回路,较简单,但成本高前种方法成本低,性能不比后种差,但控制程序较复杂,是未来的发展方向,3.恒压供水系统特点
1、节电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10-40%从单台水泵的节能来看,流量越小,节能量越大优化的节能控制软件,使水泵实现最大限度地节能运行;
2、卫生节水根据实际用水情况设定管网压力,自动控制水泵出水量,减少了水的跑、漏现象;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
3、运行可靠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热水器不能正常使用的情况由变频器实现泵的软起动,使水泵实现由工频到变频的无冲击切换,防止管网冲击、避免管网压力超限,管道破裂
4、控制灵活分段供水,定时供水,手动选择工作方式
5、自我保护功能完善新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、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、__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、保养如某台泵出现故障,主动向上位机发出__信息,同时启动备用泵,以维持供水平衡万一自控系统出现故障,用户可以直接操作手动系统,以保护供水
6、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__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,实现了机泵软启动,避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击,消除了水泵的水锤效应
7、占地少、投资回收期短新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接__立式泵,控制间只要安放一到两个控制柜,体积很小,整个系统占地就非常小,可以节省投资另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资,运行管理费低的特点,再加上变频供水的节能优点,都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短,一般约2年第五章关于变频调速给水节能问题据统计资料报道,我国现有约5000万台水泵和风机在运行,总计年用化量可达约1000亿度泵和风机均属于叶片式流体机械;由流体机械理论,在相似工况下,泵、风机的流量,扬程和功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比如转速下降一半,其功率可下降到原来的1/8流量是给水系统在使用过程中需要调节的主要参数由水泵通过管路供水的理论可知,调节流量原则上有两大方法;一是节流调节,泵的转速不变,改变供水管路上阀门的开度以调节流量;开大阀门,流量增加;关小阀门,流量减少采用流调节,有大量能量消耗在节流损耗上调节流量的第二种方法是变速调节,即供水管路的状态不变供水阀门度不变,改变泵的转速以进行流量调节;转速升高,流量增加,转速降低,流量减少用调速调节流量可以大幅度降低节流能量损耗,具有显著的节能效果我国__机关国家科委、国家经贸委在颁发的《中国节能技术政策大纲》中把泵和风机的变频调速技术列为国家九五计划重点__的节能技术项目众所周知,建筑给水泵绝大多数足用三相异步电动机驱动的;变频水泵就是通过就频器供电的水泵自从__世纪八十年代以来大量各种品牌国外变频器进入国内市场,我国也自行研制生产了若干品眚的国产变频器,变频器在我国国式经济各部门中获得了广泛的应用对于建筑给水来说,用得最多的是变频调速恒压变量给水在现代建筑生活给水系统中,采用变频调整泵一台或多台给水的突出优点是
1.采用变频调速给水可以大幅度降低节流能量损耗,具有优异的节能效果采用变压变量给水可以做到使节流损耗降低到零,具有最佳的节能效果,但是这种变压变量给水系统只适用于特点是给水管路系统,没有通用性国内外一种宵用的具有一定能用性的变压变量给水系统是准变压奕量给水系统;这种给水系统的给水压力随给水流量的增大而跃阶上升;对于多泵联的供水设备,当多投入一名泵工频,给水恒压值上升一个台阶;台阶值可以按需设定这种准变压变量给水系统设备可以适用于没给水管路,具有一定的通用性
2.变频恒压变量给水系统设备的给水压力可调,在设计上允许降低给水压力的计算精度,在使用上可以适应不同的给水压力要求建筑给水节能的基本原理如下设要求的给水流量为Q=O-Q__x;要求的给水扬程为H=Hmin-H__x给水流量取决于使用,夜间不用水时Q=O,白天用水高峰时Q=Q__x最小给水扬程Hmin应保证能把水供向一定高度;最大给水扬程,Hmin=Hmin+〓Q2nax管路流阻损失建筑给水系统能常按Q__x及H__x值来确定给水泵的台数及大小应当指出,建筑给水系统通常多采用多泵并联的给水系统要求建筑给水节能,首先要求给水泵处于高效率区工作众所周知,高佳心泵的高效率区处决于泵的工况n、Q、H值决定是泵的工况点当采用变频调速n值可变,则泵的高效率区扩大,因此采用变频调速可以节能其次是防止给不泵出现\大马拉小车\的工况因为给水系统要满足Q__x及H__x的工况,如果彩1台泵,当小流量用水时必然出现\大马拉小车\的工况,此时水泵的效率低,功率浪费大为了防quot;大马拉小车\,通常的做法是采用多台水泵并联给水的方式,多用水多开泵,少用水少开泵,可以显著减轻\大马拉小车\弊端的出现,改善节能的效果理论分析及实际使用证明,多泵并联变频调速给水可以显著提高节能效果所以现代建筑生活给水系统大多采用多泵并联恒压变量或准度变压变量给水方式采用多泵并联给水,按变频调速恒压给水原理,在多泵并联的给水系统中,只要其中有一台是变频调速泵,就可以达到恒压给水的目的;为了达到恒压给水,变频泵必须是并联泵中的最大者;最经济的配泵方集是各并联泵的大小相同从节能考虑,并联水泵的台数愈多愈好;但是如数太多,设备的机械结构及电气控制系统的复杂程度也随之上升,系统设备的整体经济、合理性下降所以合理的应采用并联水泵不多也不少的最经济方案结论
1.当用水参数Q及H一定不变循环泵,从节能考虑无必要采用变频调速但是,采用变频调速,可以调节水泵的工况点,使之处于高效率区工作
2.当用水流量Q经常变化,采用多泵并联的变频恒压变量或准变压变量给水具有的节能效果变频恒压变量或准变压变量给水的纪泵方案,一台变频调速泵其余工频恒速泵必须是各并联泵中的最大者最经济的纪录方案各并联泵的大小相同
3.为了取得优良的节能效果,选泵时应注意使工频泵在恒压供水情况下处于高效率区工作恒压值的H=常数的水平线与工频泵H-Q曲线的交点位于高效率区
六、系统功能总述一般供水系统三台泵组成,每台泵的出水管均装有手动阀,以供维修和调节水量之用,三台泵为一台小泵两台大泵组成,小泵为15KW大泵为30KW,三台泵的协调工作以满足供水需要 现系统组成如图1所示 该系统由一台PLC两个变频器两个变频器两个压力传感器,控制柜及相关设备组成利用一台变频器可以控制两台30KW水泵的运转,改造后,1#泵15KW始终处于工频运转,两台30KW水泵由变频器的控制实现变工况运转 1#泵工频运转一般不能满足白天的最小用水量,因此白天供水时首先投入1#泵和2#泵,2#泵工作在变频启动状态,随着压力会自动调节频率的高低以保持压力的恒定,在用水量不大时,2#泵和1号泵同时工作可以满足要求,如果用水量增大,2#泵会自动切换到工频状态,并给PLC发出__,继而变频启动3#泵30KW,此时1#,2#泵工作在工频状态,3#泵工作在变频状态由于3#泵的自动调节功能,从而保证系统的恒压一般而言,三台泵同时投入是绝对能满足要求的控制系统硬件组成图如图2所示注MC
1、MC2互锁,MC
3、MC4互锁,MC6用于切断2#运行,MC7用于切断3#运行 如果3#泵工频运转压力不能满足要求的话,则该变频器会自动切除,退出工作,使3#泵处于工频该系统组成简单,系统成本低,可靠性高该系统中具有功能1.换变频/工频运行功能 变频器提供三种不同的工作方式供用户选择 方式0基本工作方式变频器始终固定驱动一台泵并实时根据其输出频率控制其他辅助泵启停即当变频器的输出频率达到最大频率时启动一台辅助泵工频运行、当变频器的输出频率达到最小频率时则停止最后启动的辅助泵由此控制增减工频运行泵的台数 方式1交替方式,变频器通常固定驱动某台泵,并实时根据其输出频率,使辅助泵工频运行,此方式与方式0不同之处在于若前一次泵启动的顺序是泵1→泵2,当变频器输出停止时,下一次启动顺序变为泵2→泵1 方式2直接方式当启__输入时变频器启动第一台泵当该泵达到最高频率时,变频器将该泵切换到工频运行,变频器启动下一台泵变频运行,相反当泵停止条件成立时,先停止最先启动的泵2ID的调节功能 由压力传感器反馈的水压__4-20__或-5V直接送入PLC的A/D口可以通过手持编程器,设定给定压力值,PID参数值,并通过PLC计算何以需切换泵的操作完成系统控制,系统参数在实际运行中调整,使系统控制响应趋于完整系统运行时经常会遇到用户用水量较小或不用水如夜晚情况,为了节能,该系统专用设置了可以使水泵暂停工作的“休眠”功能,当变频器频率输出低于其下限时,变频器停止工作,2#、3#泵不工作,水泵停止处于休眠状态当水压继续升高时将停止1泵,当水压下降到一定值时将先启动变频器运转2#泵或3#泵,当频率到达一定值后将启动1#泵调节2#或3#泵的转速*“休眠值”变频器输出的下限频率PR507设置*“休眠确认时间”用参数PR506设置,当变频器的输出频率低于休眠值的时间如小于休眠时间td时,即td<tn时变频器继续工作,当td>tn时变频器将进入休眠状态*“唤醒值”由供水压力下限启动,当供水压力低于下限值时由PLC发出指令唤醒变频器工作 经测试“休眠值”为10HZ “休眠确认时间”td:20s “唤醒值”70%3通讯功能 该系统具有计算机的通讯功能,PLC变频器均提供有RS232或485接口PLC可选用西门子的S7-200计算机可以与一套或多套系统进行通讯,利用计算机同时可以监测电流、电压、频率、转速、压力等也可以控制变频器的各类参数 此外该系统还具有手动/自动操作,故障__,运行状态,电流,电压、频率状态显示缺水保护等功能4系统的节能功能 节能的功率可用下式表示Δp=p
0.4+
0.6x-x3其中x=Q/Q0=N/N0Q为实时水量Q0为满负荷的水量P为满负荷的功率N0为额定功率N为实时功率这里通过运行观察,统计出三台泵一天之内的运行时间为1#泵24小时2#泵大致运行19小时3#泵仅运行13小时如果按360天计算利用阀门来调节功率为30×2+15)×24×360=648000Kwh利用停止泵运转方式为[(15×24)+(30×10)+(30×13)]×360=475200Kw利用变频工作时3#泵始终处在状态为13小时2#泵变频工作为7小时3#泵不工作,2#泵工作时间如果水量调到80%时计算两个泵节电量为P×h=30×(
0.4+
0.6×
0.8-
0.83)×(13+7)×360=79488Kwh这样与第二项计算与变频节能计算时比用阀的调节节能为648000-475200+79488=252288Kwh按每度电
0.4元计算,每年可节省电费252288×
0.4=
100915.2元可见每年可节省电费约10万元左右由此可见,变频恒压给水设备,既可以很好的满足用水要求,又可以节约能源,同时还可以降低设备的运行故障,是今后__和大力提倡的方向
七、结语通过对应用监频监相器的变频泵循环供水系统的效果分析,应用监频监相器可明显降低切换电流,延长泵和电机的使用寿命,减小对电网和管路的冲击,降低系统维修费用,降低系统初期投资监频监相器的应用不止局限于供水行业,在设计变频器应用系统时,可考虑用它降低系统投资,在已应用一台变频器循环带多台电机的场合可考虑用它降低切换电流该控制器已经小批量生产,供用户使用采用变压变量供水技术为高层建筑生活供水可以达到节省设备投资、节省能耗、保证供水水质的目的该新型变频变压变量供水系统的普及将给独具慧眼的经营者、广大用户和房____商带来极大的效益____1符锡理,“变频调速供水泵原理和实践”《变频器世界》19992符锡理,“变频恒压给水设备变频泵固定运行方式与循环运行方式的对比分析”《变频器世界》2000 3陈伯时《电力拖动自动控制系统》,第二版,北京,机械工业出版社
1992.
5.197--2614李友善,《自动控制原理》修订版,北京,国防工业出版社
1994.
7.239--2445贺玲芳《基于PLC控制的全自动变频器恒压供水系统》西安科技学院学报
2000.9第20卷第__PAGE。