【文章內(nèi)容簡介】 此可以看出，由變速恒壓的供水系統(tǒng)，特別是生活供水大小差異很大的供水系統(tǒng)，節(jié)能是相當(dāng)明顯的。泵的軸功率與電機轉(zhuǎn)速的 3 次方成比例，并通過此變速恒壓供水，節(jié)約了大量以前消耗在閥門上的能量，對設(shè)備的保養(yǎng)也是有益處的。 電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 17 3 總體方案設(shè)計 系統(tǒng)總述 此系統(tǒng)是針對某生活小區(qū)的實際情況，結(jié)合用戶生活 /消防雙恒壓供水的控制要求，設(shè)計的一個三泵、恒壓無塔供水系統(tǒng)。 眾所周知，恒壓供水系統(tǒng)對于生活小 區(qū)是非常重要的，例如在生活小區(qū)供水過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響居民生活。又如當(dāng)發(fā)生火警時，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大損失和人員傷亡。所以，生活小區(qū)采用生活 / 消防雙恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會 意義。 用戶的現(xiàn)場情況 如圖 1 所示，市網(wǎng)自來水用高低水位控制器 EQ 來控制注水閥 YV1 ，自動把水注滿儲水水池，只要水位低于高水位，則自動向水箱注水。水池的高低水位信號也直接送給 PLC ，作為水位報警。為了保持供水的連續(xù)性，水位上、下限傳感器高低 距離較少。生活用水和消防用水共用 三 臺泵，平時電磁閥 YV2 處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)， 三臺泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運行，維持生活用水低恒壓。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，電磁閥 YV2 得電， 打開消防 用水管網(wǎng)， 三 臺泵供 生活 /消防用水使用，并維持消防用水的高恒壓值?；馂?zāi)結(jié)束后， 三 臺泵改為生活供水使用。 圖 供水現(xiàn)場圖 恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略 采用 電動機調(diào)速裝置與可編程控制器 (PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng) ，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組 的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 18 的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入 CPU 運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水就是利用 PLC 的 PID計算 功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓力信號 (4－ 20ｍ A)輸入到 PLC 中，由 PLC 將其與用戶設(shè)定的壓力值進行比較，并通過 PLC 內(nèi)置 PID 運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào) 節(jié)信號 輸出到變頻器調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。供水系統(tǒng)選用原則水泵揚程應(yīng)大于實際供水高度，水泵流量總和應(yīng)大于實際最大供水量。 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 恒壓供水泵站一般需要設(shè)多臺水泵及電機，這比設(shè)單臺水泵電機節(jié)能而可靠。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠大，在用水量少時來開一臺電機肯定是浪費的，電機選小了用水量大時供水量則相應(yīng)的會不足。而且水泵與電機維修的時候，備用泵是必要的。而恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化的，那么這就是要用變頻器為 水泵電機供電。在此這里有兩種配置方案，一種是為每一臺水泵電機配一臺相應(yīng)的變頻器，從解決問題方案這個比較簡單和方便，電機與變頻器間不須切換，但是從經(jīng)費的角度來看的話這樣比較昂貴。另一種方案則是數(shù)臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換的，供水運行時，一臺水泵變頻運行，其余的水泵工頻運行，以滿足不同的水量需求。 如圖 。圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時，水壓降低 。用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。 電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 19 圖 恒壓供 系統(tǒng) 的構(gòu)成 調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，它具有設(shè)定水管水壓的給定值、接受傳感器送來得管網(wǎng)水壓的實測值、根據(jù)給定值與實測值的綜合依一定的調(diào)接規(guī)律發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)接信號等功能。調(diào)節(jié)器的輸出信號一般是模擬信號， 420mA 變化的電流信號或 010V 間變化的電壓信號。信號的量值與前邊的提到的差值成正比例，用于驅(qū)動執(zhí)行器設(shè)備工作。在 PLC 恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是 PLC。 用 PLC 代替調(diào)節(jié)器，其控制性能和精度大大提高了，因此， PLC 作為恒壓供水系統(tǒng)的主要控制器，其主要任務(wù)就是代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給 定值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字 PID 調(diào)節(jié) 。它還控制水泵的運行與切換，在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設(shè)備均勻的磨損，水泵及電機是輪換的工作。如規(guī)定和變頻器相連接的泵為主泵 (主泵也是輪流擔(dān)任的 )，主泵在運行時達到最高頻時，須增加一臺工頻泵投入運行。 PLC則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備。 PLC 同時還是變頻器的驅(qū)動控制。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采用 PLC 的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端子接受到傳感器送來的模擬信號，輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng) PID 處理后得出的模擬量信號，并依此信 號的變化改變變頻器的輸出頻率。另外，泵站的其他控制邏輯也由 PLC 承擔(dān)，如 :手動、自動操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站的工作異常的報警，系統(tǒng)的自檢等等。 系統(tǒng)總體框架 整體雙恒壓供水系統(tǒng)由電機、水泵、變頻器、可編程控制器 PLC、壓力傳送器組成。由管壓傳送壓力信號給 PLC 的 PID 單元，處理運算控制變頻器，實現(xiàn)電機的變頻工作拖動水泵供水，由 PIC 運算控制電機間的切換，實現(xiàn)水泵供水的切換，達到多臺水泵供水。整體設(shè)計框架如下圖所示 CPU222 EM222 EM235 變 頻 器 工頻 /變頻 切換電路 水壓信號 水位信號 其它開關(guān)信號 3 號泵 1 號泵 2 號泵 電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 20 圖 變頻 調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)圖 PID 控制環(huán)節(jié) 西門子公司從 S7200 系列 PLC 中的 CPU215, CPU216 開始增加了用于閉環(huán)控制的PID 模塊。它是通過 PID 調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)輸出，保證偏差值 e 為零，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài) 。在 PID 控制環(huán)節(jié)中，外部壓力傳送裝置采集實際壓力反饋給 PID 運算，傳送控制變頻器工作頻率的變化，實現(xiàn)水泵的變速供水，以達到輸出水壓的恒定。 圖 PID 變 頻 器 調(diào)節(jié) 水泵切換流程 在整體控制系統(tǒng)中，水 泵由變頻工作轉(zhuǎn)為工頻工作由 PLC 采集變頻器的工作頻率實現(xiàn)，當(dāng)水泵工作在上限頻率一定時間后，使該泵切換到工頻工作，同時復(fù)位變頻器，切換下一臺泵加入變頻工作。反之，當(dāng)變頻器工作在下限頻率一定時間后， PLC 控制停止一個工頻泵，調(diào)節(jié)變頻器工作達到水壓恒定。下圖為水泵切換圖： 圖 三泵狀態(tài)轉(zhuǎn)換 PLC 實現(xiàn)泵切換流程，在系統(tǒng)初始化過程中，給變頻器設(shè)定下限頻率和上限頻率。在 PID 運算過程中將變頻器的運行頻率反饋給 PLC，比較所給定的上、下限值處理運算， f PID 調(diào)節(jié)器 變頻器 水泵 壓力變送器 設(shè)定壓力值 u e 壓力 1變頻工作 2變頻工作 3變頻工作 1工頻 2變頻工作 2工頻 3變頻工作 3工頻 1變頻工作 12工頻 3變頻工作 23工頻 1變頻工作 13工頻 2變頻工作 電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 21 實 現(xiàn)加、減泵的目的。當(dāng)頻率達到上限一定時間后，發(fā)泵切換信號，變頻器復(fù)位信號，將當(dāng)前泵切換到工頻工作，下一臺泵接變頻器，開始 PID 運算直到壓力達到所需值。反之當(dāng)壓力過高時， PID 單元運算時間變頻器的減頻工作，當(dāng)當(dāng)前泵達到所設(shè)下限頻率一定時間后， PLC 控制單元發(fā)停止當(dāng)前工頻泵工作信號，當(dāng)前工作最久的工頻泵停止運行，當(dāng)前變頻泵由 PID 單元控制變頻實現(xiàn)壓力達到所需要的值。 本章小結(jié) 本論文設(shè)計變頻器調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有以下幾方面特點 : ①具有自動 /手動雙運行功能。自動狀態(tài)下可實現(xiàn)無人值守自動恒壓 、自動轉(zhuǎn)入消防供水狀態(tài) 。手動狀態(tài)下可作不定期的檢查和緊急狀態(tài)下的緊急操作。 ②具有雙電源供電，自動 /手動供電電源切換功能。 ③具有自動定期巡檢功能，系統(tǒng)可靠性高。 ④由于采用變頻調(diào)速恒壓，恒壓精度高，壓力變化≦ 節(jié)能效果顯著，節(jié)電率在 14%40%左右。 ⑤消防供水或生活 (生產(chǎn) )供水中，任何一臺水泵出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會自動啟動其他泵滿足供水。 ⑥采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)交流電機平滑調(diào)速，使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)能與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。 ⑦多臺電機均能可靠地實現(xiàn)軟啟動，避免了啟動電流過大對電網(wǎng)的 影響，且大大延長了設(shè)備的使用壽命。 ⑧常壓運行時，三泵交替工作，可在不停水情況下對系統(tǒng)進行維護、檢修，提高系統(tǒng)的可靠性。 同時，與其它供水系統(tǒng)相比，具有以下幾方面的優(yōu)點 : ①不設(shè)高位水箱、減輕建筑物負(fù)荷、節(jié)省基建投資、縮小施工工期。 ②消除了水源再次污染的可能性。 ③以變頻調(diào)速控制水壓、實現(xiàn)全天恒壓供水。 ④消防供水響應(yīng)速度快、供水壓力均衡適量。 ⑤自動化程度高，可實現(xiàn)無人值守智能化運行。 ⑥設(shè)備使用壽命長，維護工作量小。 電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 22 4 硬件系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)備的選擇 水泵的選擇 水泵的型號參 數(shù)如下表 泵型號意義： 如 40LG12－ 15 40－進出口直徑（ mm） LG－高層建筑給水泵（高速） 12－流量（ m3/h） 15單級揚程（ M） 200QJ20108/8 200表示機座號 200 QJ潛水電泵 20— 流量 20m3/h 108揚程 108M 8級數(shù) 8 級 水泵的基本構(gòu)成：電機、聯(lián)軸器、泵頭（體）及機座（臥式）。 水泵的主要參數(shù)有：流量， 用 Q 表示，單位是 M3/H ， L/S。揚程，用 H 表示，單位是 M。 對清水泵，必需汽蝕余量（ M）參數(shù)非常重要，特別是 用于吸上式供水設(shè)備時。 對潛水泵，額定電流參數(shù)（ A）非常重要，特別是用于變頻供水設(shè)備時。 電機 的主要參數(shù)：電機功率（ KW），轉(zhuǎn)速（ r/min），額定電壓（ V），額定電流（ A）。 聯(lián)軸器 泵頭（體 _) 臥式機座 小區(qū)用水量估算 在此系統(tǒng)中，小區(qū)為普通居住小區(qū)，住戶大約為 500 戶，人口約為 2020 人，人均每天用水量約 327 升 /日。但是日用水量是個隨機性很大的數(shù)據(jù)，所以在計算時采用分時電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 23 計算。小區(qū)公共設(shè)施用水約占人均用水的 1/3，用水平均在白天工作的 8 小時。 2020 人中約 1000 人為正常工作人員，用水集中在 晚上 8– 10 點，其他人員用水集中在每天休息時段的 6 個小時。夜間 6 個小時的用水量幾乎為 0。經(jīng)折算后可知，每日小區(qū)的最高用水時段為晚上 810 小時，約需水量為 108m3/h，設(shè)計總系統(tǒng)供水的 70%提供生活用水，可知該系統(tǒng)的最大供水量約為 155 m3/h。 系統(tǒng)由三臺水泵供水，需要單臺水泵的供水量為 52 m3/h。該小區(qū)的最高樓層為 7層，可知需要的水泵的的揚程約為 25M，考慮此供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水，頻率下降時，水泵的揚程也下降，為了使水泵擁有較大的調(diào)速范圍，選擇水泵的揚程選用 50M左右的離心式水泵。在此設(shè) 計中選擇成都西南水泵廠的 IS8050200 型水泵三臺，此水泵排量 50m3/h，揚程 50m，額定轉(zhuǎn)速 2980r/min,軸功率 ,配帶電機15kw ,Y160M22 型效率 69%， 必需汽 蝕余量 。 變頻器選擇 變頻器的正確選擇對于控制系統(tǒng)的正常運行是非常關(guān)鍵的。選擇變頻器時必須要充分了解變頻器所驅(qū)動的負(fù)載特性。人們在實踐中常將生產(chǎn)機械分為三種類型 :恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和風(fēng)機、水泵負(fù)載。 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載： 負(fù)載轉(zhuǎn)矩ＴＬ與轉(zhuǎn)速ｎ無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下ＴＬ總保持恒定或基本恒定。例如傳送帶、 攪拌機，擠壓機等摩擦類負(fù)載以及吊車、提升機等位能負(fù)載都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。 變頻器拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載時，低速下的轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且有足夠的過載能力。如果需要在低速下穩(wěn)速運行，應(yīng)該考慮標(biāo)準(zhǔn)異步電動機的散熱能力，避免電動機的溫升過高。 恒功率負(fù)載： 機床主軸和軋機、造紙機、塑料薄膜生產(chǎn)線中的卷取機、開卷機等要求的轉(zhuǎn)矩，大體與轉(zhuǎn)速成反比，這就是所謂的恒功率負(fù)載。負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時，受機械強度的限制，ＴＬ不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。負(fù)載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調(diào)速時，最大容許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時，最大容許輸電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 24 出轉(zhuǎn)矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。如果電動機的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的范圍與負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍相一致時，即所謂 “ 匹配 ” 的情況下，電動機的容量和變頻器的容量均最小。 風(fēng)機、泵類負(fù)載： 在各種風(fēng)機、水泵、油泵中，隨葉輪的轉(zhuǎn)動，空氣或液體在一定的速度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的阻力大致與速度ｎ的２次方成正比。隨著轉(zhuǎn)速的減小，轉(zhuǎn)速按轉(zhuǎn)速的２次方減小。這種負(fù)載所需的