完整版变频供水毕业设计正文Word格式.docx

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交流异步电动机的转速公式为：

　　　　　　　　　　　n=60f（1-s）p（式2-1）

　　　　　　　　　　　其中n—电机转速　　　f—运行电频率；

　　　　　　　　　　　p—电机极对数　　　　s—转差率；

加、卸载控制方式使得水的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。

Pmin是最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力。

一般情况下，Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示：

Pmax＝（1＋δ）Pmin

δ是一个百分数，其数值大致在15%～30%之间。

在加、卸载供水控制方式下的水泵电机，所浪费的能量主要在2个部分：

1）加载时的电能消耗

在压力达到最小值后，原控制方式决定其压力会继续上升直到最大压力值。

在加压过程中，一定要克服外界摩擦做功，从而导致电能损失。

另一方面，高于压力最大值的自来水在进入供水元件前，其压力需要经过减压阀减压，这一过程同样是一个耗能过程。

2）卸载时电能的消耗

当压力达到压力最大值时，水泵通过如下方法来降压卸载：

关闭进水阀使电机处于空转状态，同时将水箱分离罐中多余的水通过放空阀放空。

这种调节方法要造成很大的能量浪费。

据测算，水泵卸载时的能耗约占水泵满载运行时的10%～25%。

换言之，该水泵电机20%的时间处于空载状态，在作无用功。

很明显在加卸载供水控制方式下，水泵电机存在很大的节能空间。

2.2电机控制系统原理的不足之处

1）靠机械方式来调节水体流量，使供水量无法连续调节，当用水量不断变化时，供水压力不可避免地产生较大幅度的波动。

严重影响了我们生活中的使用要求。

再加上频繁调节电机转速，会加速电机的冲击磨损，增加维修量和维修成本。

2）频繁调节电机转速，启动冲击电流和启动给水泵电机带来机械冲击，耐用性得不到保障。

因此，对电机的性能要求较高。

3、恒压供水控制方案的设计

针对原有供水控制方式存在的诸多问题，可应用变频调速技术进行恒压供水控制。

我们把管网压力作为控制对象，压力传感器YB将水池中水的压力P转变为电信号送给PID调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按给定的PID控制模式进行运算，产生的控制信号送到变频调速器VF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。

另外，采用该方案后，水泵电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给水泵电机带来的机械冲击。

3.1变频器恒压供水简介

变频恒压供水系统原理如图3-1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路、工业控制计算机（IPC）系统以及3台水泵等组成。

用户通过控制柜面板上的指示灯、按钮和转换开关来了解和控制系统的运行。

通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4～20mA的标准信号送入PID调节器，与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，传送给变频器。

由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。

当用水量超过一台水泵的供水量时，通过PLC控制器增加水泵数量。

即根据用水量的大小由PLC控制所需工作水泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。

同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（由PID控制器和时间控制器实现）。

充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。

正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#。

图3-1供水系统原理图

图3-2水位传感器

3.2工作原理

3.2.1运行方式

本系统有手动和自动两种运行方式：

1）手动运行

按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#~3#泵的启停。

该方式主要供检修及变频器故障时用。

2）自动运行

开始时，合上自动开关，1#泵电机通电启动，变频器随电机转速输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz而此时水压还在下限值，1#泵由变频切换为工频，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；

若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，泵的切换过程同上；

若用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。

若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。

频率上升到50Hz而此时水压还在下限值后，为了避免由于干扰而引起误动作，需要延时一段时间，再切换为工频运行。

这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，可实现泵组的无冲击切换，使水压平稳过渡，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。

若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；

待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。

变频自动功能是该系统最基本的功能系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。

表3-1水泵运行的所有状态

状态1：

000

表示三个水泵都在停止状态

状态2：

B00

表示1#水泵在变频状态，其他为停止状态

状态3：

0B0

表示2#水泵在变频状态，其他为停止状态

状态4：

00B

表示3#水泵在变频状态，其他为停止状态

状态5：

B0G

表示1#水泵在变频状态，2#在停止，3#在工频状态

状态6：

BG0

表示1#水泵在变频状态，3#在工频，2#在停止状态

状态7：

0BG

表示1#水泵在停止状态，2#在变频，3#在工频状态

状态8：

GB0

表示1#水泵在工频状态，2#在变频，3#在停止状态

状态9：

G0B

表示1#水泵在工频状态，2#在停止，3#在变频状态

状态10：

0GB

表示1#水泵在停止状态，2#在工频，3#在变频状态

状态11：

BGG

表示1#水泵在变频状态，2#在工频，3#在工频状态

状态12：

GBG

表示1#水泵在工频状态，2#在变频，3#在工频状态

状态13：

GGB

表示1#水泵在工频状态，2#在工频，3#在变频状态

图3-3供水网管原理图

图3-4供水系统控制电气原理图

图3-5供水网管随时间自动变化

图3-6恒压供水控制流程图

3.2.2故障处理

1）故障报警

当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；

特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。

此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。

报警回路如图3-7、图3-8。

表3-2IO点与故障信息对照表

I5.5：

控制柜面板紧急停止

I5.6：

操作面板紧急停止

I0.1：

M1泵电机跳闸

I0.2：

M2泵电机跳闸

I0.3：

M3泵电机跳闸

I2.0：

变频器电源故障

I2.1：

变频器故障

I3.5：

控制电源断路器跳闸

I3.6：

故障报警解除

M23.1：

变频器故障指示灯

图3-7报警回路功能图

图3-8报警回路梯形图

2）水泵检修

为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；

为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用泵之间具有周期定时切换功能，周期间隔由时间控制器设定：

1小时次～96小时次连续可调。

图3-9中断程序流程图

3.3系统的设计与实践

3.3.1基本控制原理

由压力变送器测量管网压力和流量信号转换成标准模拟信号经PLD的AD转换，和设定值比较，进行PID运算，通过DP总线控制变频器频率，调节水泵转速而达到恒压及节能原理。

图3-10主程序流程图

3.3.2通讯网络的选择与设计

PLC的发展除了功能越来越多、集成度越来越高外，网络功能也越来越强。

选择好控制器之后，选择数据的传输方式——通讯网络也是非常重要的。

西门子根据不同自动化水平的要求（工厂级,单元级,现场和传感器执行器级），提供了网络解决方案，包括多点接口（MPI）、Profibus、工业以太网、ProfiNet（基于工业以太网）、点对点连接（PtP）、执行器传感器接口（ASI）。

目前网络是一个发展趋势，一个好的网络系统可以大大降低成本。

本系统使用了Profibus－DP的网络，Profibus-DP通信速率达到12Mbps，能够方便将PC、PLC和变频器通过一根RS485屏蔽双绞线连接在一起实现通信控制，降低了布线和维护的费用。

SIMATICSTEP7提供强大的网络诊断工具也给调试带来很大方便。

图3-11PLC系统转换控制图

3.3.3变频参数设置

可以通过多种途径设置G150变频器参数。

使用STARTER软件能够方便而直观的进行所有的参数设置。

通过STARTER的向导设置G150变频器站地址，和波特率等参数，使之连接到DP总线上，成为S7-200PLC的一个从站。

配置连接的电机类型、电流、功率等参数，配置变频器命令源和主参数设定源为Proverbs方式，选择速度控制方式（Speedcontrol），定义ProfibusPZD数据格式，选择使用水泵电机负载类型。

1）变频器的频率参数、PID参数设定

变频器的参数设定有一定规律可循，主要从供水系统的特性、水泵为平方律负载等方面来考虑，变频器的参数设定注意如下几点：

最高频率：

水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方律增加。

因此变频器的工作频率不允许超过额定频率，最高只能和额定频率相等。

上限频率：

一般来说，以等于额定频率为宜，但变频器内部往往具有转差补偿功能，因此也可设置略低些。

下限频率：

在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成“水泵”空转的现象。

所以，下限频率不宜太低。

2）PID参数