【正文】 ..................25 系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì) ..................................................26 PID 參數(shù)的預(yù)置 .....................................................27 第四章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) ...........................29 常用編程方法 ......................................................29 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 ...................................................29 翻譯設(shè)計(jì)法 ....................................................29 邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法 ...............................................30 編程軟件的簡(jiǎn)單介紹 ................................................32 恒壓供水系統(tǒng)梯形圖的設(shè)計(jì) ..........................................33 程序的仿真與調(diào)試 ..................................................37 仿真軟件的簡(jiǎn)介 ................................................37 恒壓供水系統(tǒng)程序的仿真調(diào)試 ....................................38 恒壓變頻供水系統(tǒng)的 WINCC 界面設(shè)計(jì) ..................................40 WinCC 軟件簡(jiǎn)介 ................................................40 恒壓供水系統(tǒng)的 WinCC 界面設(shè)計(jì) .................................41 經(jīng)濟(jì)效益分析 .....................................................44 第五章 總結(jié)與期望 ...................................................47 VI 總結(jié) ..............................................................47 展望 ..............................................................47 參考文獻(xiàn) ..............................................................48 致 謝 .................................................................49 附錄 語(yǔ)句表 ..........................................................50 7 第一章 緒論 引言 水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開(kāi)水。在通常的城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水中，基本上都是靠供水站的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離心水泵，產(chǎn)生壓力使管網(wǎng)中的自來(lái)水流動(dòng)，把供水管網(wǎng)中的自來(lái)水送給用戶。但供水機(jī)泵 供水的同時(shí)，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機(jī)泵的效率、確保供水機(jī)泵的可靠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，降低能耗，將具有重要經(jīng)濟(jì)意義。我國(guó)供水機(jī)泵的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類型多，在工程規(guī)模上也有一定水平，但在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。衡量供水質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一是供水壓力是否恒定，因?yàn)樗畨汉愣ㄓ谀承┕I(yè)或特殊用戶是非常重要的，如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無(wú)水供應(yīng)，不能迅速滅火，會(huì)造成更大的經(jīng)濟(jì)損失 或人員傷亡 .但是用戶用水量是經(jīng)常變動(dòng)的，因此用水和供水之間的不平衡的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并且集中反映在供水的壓力上：用水多而供水少，則供水壓力低；用水少而供水多，則供水壓力大。保持管網(wǎng)的水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的產(chǎn)量和質(zhì)量，也確保了供水生產(chǎn)以及電機(jī)運(yùn)行的安全可靠性。 變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用。利用變頻技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，在中小型供水企業(yè)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，不僅能達(dá)到比較明顯的節(jié)能效果，提高供水企業(yè) 的效率，更能有效保證從水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行 .變頻 恒 水 壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣傳動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控 。同時(shí)可達(dá)到良好的節(jié)能性，提高供水效率。所以設(shè)計(jì)基于變頻調(diào)速的恒定水壓供水系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱變頻恒壓供水，如圖 )， 對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平，同時(shí)降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 8 蓄 水池電 機(jī)水 泵閥 門供水主管網(wǎng)蓄 水池電 機(jī)水 泵閥 門供水主管網(wǎng)變 頻 器P L C 圖 傳統(tǒng)供水機(jī)示意圖 圖 變頻供水機(jī)示意圖 本課題產(chǎn)生的背景和意義 我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，工業(yè)自動(dòng)化程度低。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟 /停電機(jī)控制和水塔二次供水調(diào)節(jié)的方式，前者產(chǎn)生大量能耗的，而且對(duì)電網(wǎng)中其他負(fù)荷造成影響，設(shè)備不斷啟停會(huì)影響設(shè)備壽命；后者則需要大量的占地與投資。而變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠， 沒(méi)有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊，也沒(méi)有水塔供水所帶來(lái)的二次污染的危險(xiǎn)。由此可見(jiàn)，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有供水安全、節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 國(guó)內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。目前國(guó)外的恒壓供水系統(tǒng)變頻器成熟可靠，恒壓控制技術(shù)先進(jìn)。國(guó)外變頻供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組 的方式。這種方式運(yùn)行安全可靠，變壓方式更靈活。此方式的缺點(diǎn)必是電機(jī)數(shù)量和變頻的數(shù)量一樣多，投資成本高。 目前國(guó)內(nèi)有不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國(guó)產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國(guó)外變頻器，結(jié)合 PLC 或 PID 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求低的變頻供水領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了相當(dāng)部分小容量變頻恒壓供水市場(chǎng)。但在大功率大容量變頻器上，國(guó)產(chǎn)變頻器有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。 9 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍 變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致 分為三類 : (1) 小區(qū)供水 (加壓泵站 )變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在 135kW 以下，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國(guó)內(nèi)研究和推廣最多的方式。 (2) 國(guó)內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器、電機(jī)功率在 135kV～ 320kW 之間，電網(wǎng)電壓通常為 220V 或 380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前主要采用國(guó)產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻 器。 (3) 大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大 (一般都大于320kW)、機(jī)組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國(guó)外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。 目前，國(guó)內(nèi)除了高壓變頻供水系統(tǒng)，多數(shù)變頻供水系統(tǒng)均聲稱只要改變?nèi)萘烤涂梢酝ㄓ糜诟鞣N供水范圍，但在實(shí)際運(yùn)用中，不同供水環(huán)境對(duì)變頻器的要求和控制方式是不一致的，大多數(shù)變頻器并不能真正實(shí)現(xiàn)通用。所以在部分條件復(fù)雜的中小水廠，采用通用的恒壓供水變頻系統(tǒng)并不能完全滿足實(shí)踐要求，現(xiàn)部分中小水廠已 認(rèn)識(shí)到這一情況，并針對(duì)實(shí)際情況對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)加以改進(jìn)和完善[1][2][3][4]。 本人的主要工作 本課題主要通過(guò)研究 PLC 來(lái)控制變頻器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，通過(guò)設(shè)計(jì)解并熟悉了PLC 的工作原理，編程原理以及編程方法。 進(jìn)行了控制系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì) 、 控制電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的控制設(shè)備選用 S7200 系列的 PLC（ CPU222） ， 變頻器選用西門子泵類專用的變頻器 MM430。進(jìn)行了控制程序（梯形圖）的設(shè)計(jì)。在控制過(guò)程中，電控系統(tǒng)由 S7200 完成， PID 控制由變頻器完成。最后，對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，對(duì)該系統(tǒng)在 供水中所取得的節(jié)約電耗、恒定壓力、保護(hù)管網(wǎng)等進(jìn)行了總結(jié)，指出變頻技術(shù)在供水領(lǐng)域所取得的成果及局限性。 10 11 第二章 變頻恒壓供水的理論分析 水泵的工作原理 供水所用水泵主要是離心泵，普通離心泵如圖 所示，葉輪安裝在泵 2 內(nèi)，并緊固在泵軸 3 上，泵軸由電機(jī)直接帶動(dòng)，泵殼中央有一液體吸入口 4 與吸入管5 連接，液體經(jīng)底閥 6 和吸入管進(jìn)入泵內(nèi)，泵殼上的液體排出口 8 與排出管 9 連接。 在泵啟動(dòng)前，泵殼內(nèi)灌滿被輸送的液體 :啟動(dòng)后，葉輪由軸帶動(dòng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片間的液體也必須隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。在離心力的作用下，液體從葉輪中心 被拋向外緣并獲得能量，以高速離開(kāi)葉輪外緣進(jìn)入泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，最后以較高的壓力流入排出管道，送至需要場(chǎng)所。液體由葉輪中心流向外緣時(shí)，在葉輪中心形成了一定的真空，由于貯槽液面上方的壓力大于泵入口處的壓力，液體便被連續(xù)壓入葉輪中。可見(jiàn)，只要葉輪不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，液體便會(huì)不斷地被吸入和排出 [5]。 123468791 051 葉 輪 2 泵 殼 3 泵 軸4 吸 入 口 5 吸 入 管6 單 頂 底 閥 7 濾 網(wǎng)8 排 出 口 9 輸 出 管1 0 調(diào) 節(jié) 閥 圖 離心泵結(jié)構(gòu)示意圖 供水電機(jī)的搭配 供水電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵運(yùn)行，和離心泵共同組成了供水系統(tǒng)的整體， 電機(jī)的配置主要以水泵供水負(fù)載來(lái)決定。電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率來(lái)選擇，盡量使電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行。選擇時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn) : 12 (1) 如果電動(dòng)機(jī)功率選得過(guò)小，就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電動(dòng)機(jī)被燒毀。 (2) 如果電動(dòng)機(jī)功率選得過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉小車”現(xiàn)象，其輸出機(jī)械功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對(duì)用戶和電網(wǎng)不利，而且還會(huì)造成電能浪費(fèi)。 因此，要正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率， 對(duì)恒定負(fù)載連續(xù)工作方式，如果知道負(fù)載的功率 (生產(chǎn)機(jī)械軸上的功率 ) 1p （ kW），可按式 ()計(jì)算所需電動(dòng)機(jī)的功率[6] P (kW)： ? ?1 1 2/pp ??? () 式中， 1? 為生產(chǎn)機(jī)械的效率， 2? 為電動(dòng)機(jī)的效率，即傳動(dòng)效率。 按上式求出的功率，不一定與產(chǎn)品功率相同。因此，所選電動(dòng)機(jī) 的額定功率應(yīng)等于或稍大于計(jì)算所得的功率。 水泵的調(diào)節(jié)方式 水泵的調(diào)速運(yùn)行，是指水泵在運(yùn)行中根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的需要，人為的改變運(yùn)行工作狀況點(diǎn) (簡(jiǎn)稱工況點(diǎn) )的位置，使流量、揚(yáng)程、軸功率等運(yùn)行參數(shù)適應(yīng)新的工作狀況的需要。水泵的調(diào)節(jié)方式與節(jié)能的關(guān)系非常密切，過(guò)去普遍采用改變閥門或擋板開(kāi)度的節(jié)流調(diào)節(jié)方式，即改變裝置管網(wǎng)的特性曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。大量的統(tǒng)計(jì)調(diào)查表明，一些在運(yùn)行中需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的水泵，其能量浪費(fèi)的主要原因，往往是由于采用不合適的調(diào)節(jié)方式。因此，研究并設(shè)計(jì)它們的調(diào)節(jié)方式，是節(jié)能最有效的途徑和關(guān)鍵所在。 水泵的調(diào) 節(jié)方式可分為恒速調(diào)節(jié)與變速調(diào)節(jié)。詳細(xì)劃分如下 [6]： 13 水泵的調(diào)節(jié)方式調(diào)壓調(diào)速異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速異步電機(jī)的變極調(diào)速異步電機(jī)的串極調(diào)速變頻調(diào)速液力耦合器的變速調(diào)節(jié)油膜轉(zhuǎn)差離合器的變速調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)差離合器的變速調(diào)節(jié)改變傳動(dòng)裝置改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速節(jié)流調(diào)節(jié)混流式 ， 軸流式泵的動(dòng)葉調(diào)節(jié)改變泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)恒速調(diào)節(jié)變速調(diào)節(jié) 恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析 在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對(duì)象是流量。因此，要討論節(jié)能問(wèn)題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見(jiàn)的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。供水系統(tǒng)中對(duì)水壓流量的控制，傳統(tǒng)上采用閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。由于水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此水泵用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)壓力或流量的自動(dòng)控制，同時(shí)可獲得大