【文章內容簡介】 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)能是相當明顯的。泵的軸功率與電機轉速的 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)課題設計說明書 17 3 總體方案設計 系統(tǒng)總述 此系統(tǒng)是針對某生活小區(qū)的實際情況，結合用戶生活 /消防雙恒壓供水的控制要求，設計的一個三泵、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。又如當發(fā)生火警時，若供水壓力不足或無水供應，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。當有火災發(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?；馂慕Y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 電動機調速裝置與可編程控制器 (PLC)構成控制系統(tǒng) ，進行優(yōu)化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組 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)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設定電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設計說明書 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速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。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 將其與用戶設定的壓力值進行比較，并通過 PLC 內置 PID 運算將結果轉換為頻率調 節(jié)信號 輸出到變頻器調整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉速。供水系統(tǒng)選用原則水泵揚程應大于實際供水高度，水泵流量總和應大于實際最大供水量。 恒壓供水系統(tǒng)的基本構成 恒壓供水泵站一般需要設多臺水泵及電機，這比設單臺水泵電機節(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是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機的轉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，常裝設在泵站的出水口。當用水量大時，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變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調節(jié)器。 電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設計說明書 19 圖 恒壓供 系統(tǒng) 的構成 調節(jié)器是一種電子裝置，它具有設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接規(guī)律發(fā)出的系統(tǒng)調接信號等功能。調節(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，用于驅動執(zhí)行器設備工作。在 PLC 恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設備就是 PLC。 用 PLC 代替調節(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，其主要任務就是代替調節(jié)器實現(xiàn)水壓給 定值與反饋值的綜合與調節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字 PID 調節(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)行設備。 PLC 同時還是變頻器的驅動控制。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，如 :手動、自動操作轉換，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)課題設計說明書 20 圖 變頻 調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 調節(jié)器來調節(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 泵由變頻工作轉為工頻工作由 PLC 采集變頻器的工作頻率實現(xiàn)，當水泵工作在上限頻率一定時間后，使該泵切換到工頻工作，同時復位變頻器，切換下一臺泵加入變頻工作。反之，當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 調節(jié)器 變頻器 水泵 壓力變送器 設定壓力值 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)課題設計說明書 21 實 現(xiàn)加、減泵的目的。當頻率達到上限一定時間后，發(fā)泵切換信號，變頻器復位信號，將當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。反之當壓力過高時， PID 單元運算時間變頻器的減頻工作，當當前泵達到所設下限頻率一定時間后， PLC 控制單元發(fā)停止當前工頻泵工作信號，當前工作最久的工頻泵停止運行，當前變頻泵由 PID 單元控制變頻實現(xiàn)壓力達到所需要的值。 本章小結 本論文設計變頻器調速恒壓供水系統(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采用變頻調速技術實現(xiàn)交流電機平滑調速，使交流調速系統(tǒng)的性能指標能與直流調速系統(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不設高位水箱、減輕建筑物負荷、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以變頻調速控制水壓、實現(xiàn)全天恒壓供水。 ④消防供水響應速度快、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)課題設計說明書 22 4 硬件系統(tǒng)設計 設備的選擇 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備時。 電機 的主要參數(shù)：電機功率（ KW），轉速（ 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)課題設計說明書 23 計算。小區(qū)公共設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速范圍，選擇水泵的揚程選用 50M左右的離心式水泵。在此設 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鍵的。選擇變頻器時必須要充分了解變頻器所驅動的負載特性。人們在實踐中常將生產(chǎn)機械分為三種類型 :恒轉矩負載、恒功率負載和風機、水泵負載。 恒轉矩負載： 負載轉矩ＴＬ與轉速ｎ無關，任何轉速下ＴＬ總保持恒定或基本恒定。例如傳送帶、 攪拌機，擠壓機等摩擦類負載以及吊車、提升機等位能負載都屬于恒轉矩負載。 變頻器拖動恒轉矩性質的負載時，低速下的轉矩要足夠大，并且有足夠的過載能力。如果需要在低速下穩(wěn)速運行，應該考慮標準異步電動機的散熱能力，避免電動機的溫升過高。 恒功率負載： 機床主軸和軋機、造紙機、塑料薄膜生產(chǎn)線中的卷取機、開卷機等要求的轉矩，大體與轉速成反比，這就是所謂的恒功率負載。負載的恒功率性質應該是就一定的速度變化范圍而言的。當速度很低時，受機械強度的限制，ＴＬ不可能無限增大，在低速下轉變?yōu)楹戕D矩性質。負載的恒功率區(qū)和恒轉矩區(qū) 對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調速時，最大容許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；而在弱磁調速時，最大容許輸電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設計說明書 24 出轉矩與速度成反比，屬于恒功率調速。如果電動機的恒轉矩和恒功率調速的范圍與負載的恒轉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。 風機、泵類負載： 在各種風機、水泵、油泵中，隨葉輪的轉動，空氣或液體在一定的速度范圍內所產(chǎn)生的阻力大致與速度ｎ的２次方成正比。隨著轉速的減小，轉速按轉速的２次方減小。這種負載所需的