变频恒压供水控制系统设计.docx
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变频恒压供水控制系统设计
课题名称变频恒压供水控制系统设计
学院（部）电子与控制工程学院
专业电气工程及其自动化
班级2011320401
学生姓名阿不都热扎克·阿不都拉_
学号***********
06月23日至06月27日共1周
指导教师（签字）
2011年06月7日
摘要...........................................3
一、设计内容...................................4
二、设计要求...................................4
三、设计内容
1、方案的确定...................................5
2、变频调速恒压供水系统简介及工作原理..........6
3、水泵的容量计算...............................8
4、水泵/变频器/PLC的选择........................9
5、变频器参数设定...............................10
6、PID控制器参数选择...........................10
7、PLC外部接线图的设计.........................11
8、主电路的设计.................................12
9、系统的工作原理...............................12
四、设计图纸.....................................13
五、操作使用说明书...............................14
六、设计体会.....................................15
七、主要参考资料.................................16
附录一/附录二....................................17
附录三...........................................18
附录四...........................................19
摘要
随着我国社会经济的不断发展，住房制度改革的不断深入，人民生活水平的不断提高，城区中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。
小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活与工作，也直接体现了小区物业水平的高低。
传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水灯供水方式普遍不通话程度的存在效率低、可靠性差、自动化不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。
论文分析了采用变频调速方式实现恒压供水的工作机理，通过对PID模块的参数预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环调节系统，利用变频器与水泵的配合作用实现恒压供水且有效节能。
论文论述了多种供水方案的合理性，同时也指出各种方案存在的问题，通过对比比较给出了比较适合该系统的方案——PLC控制变频恒压供水。
关键字：
恒压供水变频调速PLC
一、设计内容
变频器是一种新型技术，将变频调速技术用于供水控制系统中，
具有高效节能、水压恒定等优点。
本课程设计是电气工程及其自动化专业《交流调速》课程的实践性环节，其主要目的是培养学生初步掌握交流调速系统的设计方法及理论知识的应用能力。
本课程设计的基本任务是提高学生在调速系统设计方面的实践技能，培养学生综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。
通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。
二、设计要求
一楼宇供水系统，正常供水量为20m3/小时，最大供水量30m3/小时，扬程60米。
采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。
当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。
具体要求如下：
1．设二台水泵。
一台工作，一台备用。
正常工作时，始终由一台水泵供水。
当工作泵出现故障时，备用泵自投。
2.二台泵可以互换。
3．给定压力可调。
压力控制点设在水泵出口处。
4．具有自动、手动工作方式，各种保护、报警装置。
采用OMRONCPM1APLC、富士变频器完成设计。
三、设计内容
1、方案的确定
相对于传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出地体现在以下几个方面：
（1）高效节能变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在1%～40%。
从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。
（2）恒压供水变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期用户的热水器不能正常使用的情况。
（3）安全卫生系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。
（4）自动运行、管理简便新型的变频恒压供水系统具各了过电流、过电压、欠电压、断相、短路保护，瞬时停电保护，过载、失速保护，低液位保护，主泵定时轮换控制和密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。
（5）延长设备寿命、保护电网稳定使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。
变频器的无级调速运行，实现了机泵软起动，避免了电动机开停时的大电流对电动机绕组和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。
（6）占地少、投资回收期短新型的变频恒压供水系统在水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地非常小，可以节省投资，降低运行管理费，再加上变频供水的节能优点，都决定了变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。
但是变频恒压供水系统开发周期长，对操作人员的素质要求比较高，可靠性较低，维修不方便，且不适用于恶略的环境。
综上所述，传统的供水方式存在普遍不同程度的浪费水力、电力资源、效率低、可靠性低、自动化程度低等缺点，严重影响了居民用水。
目前的供水方式朝高效节能，自动可靠的方向发展，PLC变频调速技术显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风能，水泵，空气压缩机，制冷压缩机等高耗能设备上广泛应用，特别是居民用水的恒压供水系统中，变频调速系统节能效果尤为突出，其优越性在：
一节能效果显著；二是在开停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵，电机自身的机械冲击损耗。
所以本系统采用PLC变频恒压供水系统。
2、变频调速恒压供水系统简介及工作原理
（1）简介
由PLC控制变频恒压供水系统是一种十分灵活的供水系统，在较大的多台水泵供水系统中应用相当的普遍。
变频调速恒压供水系统的应用场合主要有：
a．高层小区，城乡居民小区，企事业单位等生活用水；
b．各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力水网循环，锅炉补水等；
c．中央空调系统；
d．来自水厂增压供水系统；
e．农田灌溉，污水处理，人造喷泉；
f．各种流体恒压供水系统；
（2）工作原理
变频恒压供水系统主要是由PLC、变频器、PID调节器、压力传感器、动力控制线路、2台水泵以及各种电气控制元件等组成。
用户通过控制柜面板上的指示灯、按钮、转换开关来了解系统运行状况和控制系统的运行。
系统工作原理：
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，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，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。
当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
通过PLC实现变频器的启停、故障报警和备用泵自投。
在手动状态下，不再使用变频器，直接手动启停水泵。
（3）变频恒压供水系统原理框图：
给定
图一变频恒压供水系统框图
3、水泵的容量计算
公式如下：
N=Q*H/367/g（0.6~0.85）
式中,N，轴功率，单位是千瓦（kW）
Q，流量，单位是立方米每小时（m3/h）
H，扬程，单位是米（m）
367，是常数，是一个固定值
g,0.6~0.85，是水泵的效率，一般流量大的取大值，流量小的取小值；
假定g=0.6（经验值，各品牌效率均不同），N=30*60/367/0.6=8.18kW
水泵功率=轴功率*安全系数即P=N*KK在N不同时有不同的值。
P=K*N=1.23*8.18=10.06KW
一般水泵的功率有一些模数，从小到大有：
1.1kW，2.2kW，3kW，4kW，5.5kW，7.5kW，11kW，15kW，18.5kW，22kW，30kW，37kW，45kW，55kW，75kW，90kW，110kW，132kW……
故选出的电机功率为：
11KW。
4、水泵/变频器/PLC的选择
水泵型号：
IS65-40-250A（流量：
23.5m3/h；扬程：
70m；转速：
2900r/s）；
变频器的型号为：
FRN11P11S-2JE；
PLC型号为：
CP1L-L20DR-A 20点CPU单元,AC100-220V 12入，8点继电器输出。
断路器选用DZ47-63D40A，热继电器选用JR36-4020-32A的，接触器选用CJ20-40A的，电机的额定电流大约是22A左右。
5、变频器参数设定
代码
设定值
频率设定命令00
1
操作方法01
1
最高频率02
50HZ
基本频率03
50HZ
电子过热或继电器08
1
频率限制
上限11
50HZ
下限12
28HZ
6、PID控制器参数选择
根据设计要求结合PID的经验数据，可得其数据：
采样周期T=3秒，比例系数KP=140,积分时间Ti=24秒。
因为供水系统没有较大的惯性环节所以不需要设置微分参数。
7、PLC外部接线图的设计
PLC根据表1的I/O分配关系和C20P的端子排列位置进行相应的接线，PLC系统外部接线图在中，图中各接触器采用220V电源，信号指示及报警指示灯与接触器共用220V电源。
（PLC外部接线图的设计如附图1所示）
I/O分配表
输入
输出
手动或自动旋钮SA1
00001
1号泵变频启动接触器KM1
01001
1、2号泵备用旋钮SA2
00002
1号泵工频启动接触器KM3
01003
自动
启动SB1
00003
2号泵变频启动接触器KM2
01002
停车SB4
00006
2号泵工频启动接触器KM4
01004
手动
1号泵启动SB2
00004
1号泵变频工作指示灯HL1
01001
1号泵停车SB5
00007
2号泵变频工作指示灯HL2
01002
2号泵启动SB3
00005
1号泵工频工作指示灯HL3
01003
2号泵停车SB6
00010
2号泵工频工作指示灯HL4
01004
1号泵热保护触电FR1
00011
1号泵故障报警指示灯HL1
01005
2号泵热保护触电FR2
00012
2号泵故障报警指示灯HL2
01006
8、主电路的设计
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