【正文】 制原理及組成 ????????????????????? 30 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ????????????????????????? 3 系統(tǒng)工作過程說明 ??????????????????????? 54 本章小結(jié) ??????????????????????????? 32 第四章器件選擇 ?????????????????????????? 26 水泵的選擇 ?????????????????????????? 27 電動(dòng)機(jī)的選擇 ????????????????????????? 29 變頻器的選擇 ????????????????????????? 30 可編程控制器 PLC的選擇 ???????????????????? 31 其它電氣元件的選擇 ?????????????????????? 32 全文總結(jié) ???????????????????????????? ?? 57 參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????? 59 致 謝 ?????????????????????????????? 60 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 2 摘 要 本論文在分析了供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國中小城市供水廠的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套以變頻調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ)的恒壓供水計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。由于每天不同時(shí)段用水對(duì)供水壓力的要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)很難及時(shí)有效的達(dá)到目的。 從上即可結(jié)論：以變頻器為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要，也提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，延長系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源、而且能夠構(gòu)成復(fù)雜的功能強(qiáng)大的供水系統(tǒng)。三相異步電動(dòng)機(jī)具有維修方便、價(jià)格便宜、功率和轉(zhuǎn)速適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)，其變頻調(diào)速技術(shù)在小型化、 低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從 90 年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。追求高度智能化，系列標(biāo)準(zhǔn)化是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)、 智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊 和 各種特殊功能模塊。 2．具有豐富的 I/O 接口模塊 。 5． 安裝簡單，維修方便 。 主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理，變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理；變頻器的工況點(diǎn)的確定和能耗機(jī)理分析，以及系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定。即使如此，還常常不能滿足最不利供水點(diǎn)的供水要求，難以滿足不斷增加的用水需求。隨著交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，為實(shí)現(xiàn)恒壓供水提供了可靠的技術(shù)條件。 當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行，確保供水不間斷。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)分析 在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)中，是通過變頻器來改變水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵工作點(diǎn)來達(dá)到調(diào)節(jié)供水流量的目的。當(dāng)用水量達(dá)到最大 Qmax 時(shí) ,水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn) ,出口閥門全開 ,達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行 ,水泵的特性曲線 n0 和用水管路特性曲線 A0 匯交于 b 點(diǎn) ,此時(shí) ,水泵報(bào)出口壓力為 H? ，末端服務(wù)壓力剛好為 H0。 （ 3） 水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點(diǎn)壓力恒定來控制：此時(shí)，當(dāng)用水量由 Qmax下降到 Q1 時(shí)，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線變?yōu)?n1，其工況點(diǎn)為 d 點(diǎn)，正好落在管網(wǎng)特性曲線 A0 上，這樣可以使水泵的工作點(diǎn)始終沿 A0滑動(dòng)。 采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵機(jī)組啟動(dòng)，降低了 啟動(dòng) 電流，避免了對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，提高了供水供電的安全可靠性，另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。由式 (2－ 9)可知管路水力損失與流量的平方成正張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 12 比。變頻器調(diào)速的工作原理就是通過選擇電壓頻率比（ V/F）曲線，設(shè)定加減速時(shí)間以及轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償曲線，使電動(dòng)機(jī) 啟動(dòng) 時(shí)轉(zhuǎn)速從零開始逐漸升高，實(shí) 現(xiàn)軟啟動(dòng)，減少了啟動(dòng)電流。由圖 23 可見，設(shè)定管網(wǎng)壓力值（揚(yáng)程）為 H0，管網(wǎng)初始用水量為 QA，初始工況點(diǎn)為 A，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n1。需要減少流量時(shí)關(guān)小閥門，使管路性能曲線由 R1 變?yōu)?R2。 調(diào)速范圍的確定 考察水泵的 效率曲線 ?Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運(yùn)行 [19]。 下限頻率： 在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低時(shí)會(huì)出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于基本揚(yáng)程（實(shí)際揚(yáng)程）形成水泵“空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 17 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 根據(jù)泵水系統(tǒng)的要求和電氣控制目標(biāo)，可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)屬于典型開關(guān)量輸入輸出控制系統(tǒng)，控制要求和連鎖要求較多，在調(diào)試中需要不斷對(duì)其改進(jìn)和擴(kuò)充。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) （包括生活泵和消防泵） （附圖四） （附圖五） 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 18 （附圖六） PLC 的外部接線圖 （附圖七） （附圖八） PLC 程序梯形圖 （附圖九） （附圖十） 系統(tǒng)工作過程說明 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，一天之中用水量會(huì)有若干個(gè)高峰，變頻器會(huì)根據(jù)出水口的壓力調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速與 投切。 當(dāng)四臺(tái)電機(jī)全運(yùn)行時(shí)，如果壓力高于設(shè)定壓力，變頻器降頻運(yùn)行。通過本系統(tǒng)控制原理和組成的闡述做了本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分，其中包括：生活泵與消防泵主電路，操作控制電路，變頻器的外部引腳 預(yù)置與接線圖，可編程控制器 PLC外部接線圖，配電柜柜面設(shè)備布置設(shè)計(jì)圖，配電柜內(nèi)部元件布置圖以及可編程控制器 PLC程序梯形圖 。 理論上，若 的壓力可以獲得 10m 揚(yáng)程，因此，供水揚(yáng)程可計(jì)算如下： H＝ P/ H— 供水揚(yáng)程 P— 供水壓力 揚(yáng)程為 1M，此設(shè)計(jì)給定水壓為 ，所以揚(yáng)程 H 為 28M。 消防泵選用自吸水泵 XFZ100— 50 型水泵一臺(tái)。變頻器容量只需與說明書上表明的配用電動(dòng)機(jī)容量相符即可。 熔斷器額定電壓與線路電壓相同。 本系統(tǒng)中時(shí)間繼電器的延時(shí)方式均為得電延時(shí)型。經(jīng)查閱資料， 1～ 4FR1 選 JR16－ 30/3,FR2 選 JR16－ 45/3。選用 HB962 型 遠(yuǎn)傳壓力表選 YST－ 150型 液位繼電器選用 HHY11PG 型，適用于排水給水， AC220V 電鈴，選用直徑 d＝ 75mm，額定電壓為 AC220V 由于供水系統(tǒng)工作在潮濕環(huán)境，所以對(duì)于導(dǎo)線的選擇應(yīng)選擇防水型導(dǎo)線。 ，任何設(shè)計(jì)沒有硬件支持到都是空談，在本次設(shè)計(jì)中，我對(duì)所用器件進(jìn)行了選擇，這是以前所沒有涉及的。在此，我將感謝系 領(lǐng)導(dǎo)和班主任張志榮 老師，是他們教會(huì)我做人的道理。建筑給水排水水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運(yùn)行。 控制按鈕的選擇： 按鈕是短時(shí)切換小電流控制電路的開關(guān)，依據(jù)控制功能，選擇 按鈕的結(jié)構(gòu)形式及顏色，如果急操作選擇蘑菇形鈕帽的緊急按鈕，特殊需要選擇帶指示燈的按鈕，停止按鈕用紅色，啟動(dòng)按鈕用綠色。時(shí)間繼電器得延時(shí)時(shí)間整定值在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)可按工藝得具體要求設(shè)定。 主觸頭額定電流經(jīng)驗(yàn)公式 ICN＝ PN 103/KUN 通常 KUN取 1～ ICN為主觸頭額定電流（ A） PN 為被控制器件額定功率 （ KW） 通過計(jì)算選擇： KM1， 1～ 4KM2， 1～ 4KM3， 1～ 4KM4， 1～ 4KM5， 1～ 4KM6， 1～ 4KM8， KM11，均選 CJ10－ 40型接觸器； KM9， KM10 選擇 CJ10－ 5 型接觸器； KM12， KM16 選擇 CJ10－ 150 型接觸器； KM13， KM14， KM15 選擇 CJ10－ 60型接觸器。 可編程控制器 PLC 的選 擇： 根據(jù)供水系統(tǒng)的控制要求，列出該系統(tǒng)的輸入 /輸出表： 輸出 點(diǎn) 表 4－ 1 工位名稱 代號(hào) 輸出口（ O） 1＃ ～ 4＃ 號(hào)電機(jī)在自動(dòng)狀態(tài)下接成角型 1KM8～ 4KM8 Y4 變頻器故障輸出 KM1 Y12 變頻器輸出正轉(zhuǎn) KM9 Y14 開 1＃ 手動(dòng)泵 1KM4 Y0 手動(dòng) 1＃ 泵星形接法 1KM5 Y1 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 23 續(xù)表 4－ 1 手動(dòng) 1＃ 泵角接法 1KM6 Y2 開 2＃ 泵手動(dòng) 2KM4 Y3 手動(dòng) 2＃ 泵星形接法 2KM5 Y4 手動(dòng) 2＃ 泵角形接法 2KM6 Y5 開 3＃ 泵手動(dòng) 3KM4 Y6 手動(dòng) 3＃ 泵星形接法 3KM5 Y7 手動(dòng) 3＃ 泵角形接法 3KM6 Y15 開 4＃ 泵手動(dòng) 4KM4 Y16 手動(dòng) 4＃ 泵星形接法 4KM5 Y10 手動(dòng) 4＃ 泵角形接法 4KM6 Y11 電機(jī)正轉(zhuǎn) KM9 Y13 電機(jī)角接 1～ 4KM8 Y17 輸出備用 Y20,Y21,Y22,Y23,Y24,Y25,Y26,Y27 輸入口 表 4－ 2 工位名稱 代號(hào) 輸入口（ I） 液位高低 KM16 X1 開變頻器 SB7 X3 關(guān)變頻器 SB8 X2 變頻器故障 KA X13 停正轉(zhuǎn) SB9 X14 開正轉(zhuǎn) SB10 X17 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 24 續(xù)表 4－ 2 復(fù)位 SB6 X15 開 1＃ 泵手動(dòng) SB11 X5 關(guān) 1＃ 泵手動(dòng) SB12 X16 開 2＃ 泵手動(dòng) SB13 X7 關(guān) 2＃ 泵手動(dòng) SB14 X12 開 3＃ 泵手動(dòng) SB15 X4 關(guān) 3＃ 泵手動(dòng) SB16 X20 開 4＃ 泵手動(dòng) SB17 X11 關(guān) 4＃ 泵手動(dòng) SB18 X21 輸入點(diǎn)備用 X0， X6， X10， X22， X23， X24， X25，X26， X27 從表中可得出該系統(tǒng)得輸入 /輸出數(shù)，并且全為數(shù)字量輸入 /輸出 ,屬于小型的控制系統(tǒng)。 電機(jī)參數(shù)：額定功率 15KW，滿載時(shí)：定子電流為 29A，轉(zhuǎn)速為 2910r/min，效率為 88％，功率因數(shù)為 ，啟動(dòng)電流為額定電流的 7 倍， 啟動(dòng) 轉(zhuǎn)矩 為額定轉(zhuǎn)矩的 倍，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 。 選四臺(tái)水泵 每臺(tái)水泵流量為 IS 型單級(jí)單吸清水離心泵：適用于工業(yè)制藥，飲料，化工等工礦和城市給水，排水，亦可用于農(nóng)業(yè)排灌，結(jié)構(gòu)簡單，單級(jí)單吸軸向吸入。 考慮選泵時(shí)留有裕度 10％～ 15％，所以 Qq 按 Qq（ 1＋ 10％）＝ Qq 110％＝。 當(dāng)液位過低時(shí)，交流接觸器 KM16 的常閉觸點(diǎn)斷開，整個(gè)供水系統(tǒng)不能工作。按下 SB7，這時(shí)，交流繼電器 1～ 4KM8 處于吸合狀態(tài)，四臺(tái)電機(jī)處于角接狀態(tài)下。當(dāng)液位滿足要求時(shí)，開始選擇操作方式，一般先選用自動(dòng)操作，當(dāng)自動(dòng)操作方式無故障時(shí)，變頻器開始工作，生活泵開始泵水，在泵水壓力 不能滿足要求時(shí)，根據(jù)壓力調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速或投切水泵。 水泵工況的調(diào)節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動(dòng)工作點(diǎn)，使其符合要求。 本章將兩種調(diào)節(jié)流量的方法進(jìn)行比較，采用轉(zhuǎn)速控制方式后，可將排水閥完全打開而適應(yīng)降低轉(zhuǎn)速，由于電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，變頻器具有能夠 根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓的功能，從而提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率 ，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 最高頻率：水泵屬于平方律負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加。在圖 24 中，水泵運(yùn)行在 B 點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與 H1BQ1O 的面積成正比，運(yùn)行在 C點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與 H2CQ1O 的面積成正比。 考察水泵的效率曲線 ?Q，當(dāng)變頻調(diào)速使水泵偏離甚至位于高效區(qū)之外時(shí)，水η AηCQ AQ C Qη ～ Qn 1n 2H 0HH ～Q 相似工況拋物線Hx ～Q 管路性能曲線H ～Q 水泵性能曲線圖 23 變頻調(diào)速恒壓供水單臺(tái)水泵工況調(diào)節(jié)圖 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 14 泵的運(yùn)行效率會(huì)大大下降。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論 [11]，改變轉(zhuǎn)速 n，可使供水泵流量 Q、揚(yáng)程 H 和軸功率 N 以相應(yīng)規(guī)律改變。若把水泵的效率曲線η Q 也畫在同一坐標(biāo)系中，可以找出 A 點(diǎn)的揚(yáng)程 AH 、流量 AQ 以及效率 A? 。 由流體力學(xué)知：管網(wǎng)壓力 P、流量 Q 和功率 N 的關(guān)系為 ： N = PQ （ 2—