PLC和变频器在矿区节能供水系统中的应用.docx
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PLC和变频器在矿区节能供水系统中的应用
本科毕业论文（设计）
论文题目:
PLC和变频器在矿区节能供水
系统中的应用
学生姓名：
所在院系：
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完成时间：
摘要
随着社会经济的飞速发展，对矿区供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。
我国矿区尤其是老矿区供水自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。
控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时作出恰当的反应。
为了保证供水，机组通常处于超压状态运行，不但效率低、耗电量大，而且矿区管网长期处于超压运行状态，曝损也十分严重。
本论文结合我国供水的现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。
变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器以及控制柜等构成。
系统采用一台变频器拖动4台电动机的起动、运行与调速，采用循环使用的方式运行。
在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。
分析水泵工况的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，节能效果明显。
关键词:
PLC,变频调速，恒压供水
TheapplicationofPLCandFrequencychangertomining
area'swater-supply
Abstract
Withtheprogressdevelopmentofsocialeconomicandtheconstructofminingareacontinuouslyenlarge,increasingofpopulationandstandardoflivingofpeoplecontinuouslyimproved,moreandmoredemandingtoquantity,qualityandstabilityofwatersupplybringforwardinminingarea.Theautomaticdegreeofwaterworksintownismuchlowerthanthecorrespondenceincity.Especiallyinsomeoldwaterworks,theequipmentofautomaticcontrolsystemisdroppedbehind.Thecontrolofunitismainlydependedonmanualoperatingofwatches.Theprocessofcontrolisverycomplicatedandthatmanualcontrolcan'tmeetthechangeofpressureinthepipesandthewaterlevelofthepurepond.Italsocan'tacttheproperfeedbackintime.Forthesakeofwatersupply,theelectromotorunitusuallyworksinthestateofovercharge.Notonlyefficiencyofelectromotorislowandelectricityconsumingisbigger,butalsothepressureofpipesisoverloadinlongterm.Onthebasisofanalyzingstatusinquoofthewaterworksinourcountry,thispaperdesignsasuitofconstantpressurewatersupplyautomaticcontrolsystembyusingvariablefrequencyspeed-regulatingtechnologybasedonPLC.
ThesystemismadeupofPLC,transducer,unitsofpumpsandelectromotors,pressuresensor,industrialcontrolcomputerandconsole.Thesystemisusedatransducertomakefourelectromotorsstarting,runningandtiming.
Totuneupthefrequencyofpowersupplybythetransducerinthesystem,thisadjustingmakethespeedofelectromotorandperformancecurveofpumpchange.Atlast,itmakethestatusofapumpalter.Throughanalyzingthefigureofenergywastingofpump,thequalityinpipesisdirectproportionofthespeedofpumpifthespeedofpumpisreduced.Thepowerofelectromotorfellthecubeofthespeedofpump.Sotheenergywastingofconstantpressurewatersupplybasedonvariablefrequencyspeedregulatingtechnologyisenvidentlessthanthetraditionalmodeisusedthrottletosupplywater.
KeyWords:
PLC,Frequencychanger,Constantpressurewater-supply
目录
1绪论……………………………………………………………………...............….1
1.1水泵电机的调控技术……………………………………………………….....1
1.1.1调速节能………………………………………….......……...……………1
1.1.2常用的调速方式……………………………...………………..………….3
1.2多泵恒压供水系统中的关键问题和本文的主要研究内容………………….6
1.2.1多泵恒压供水的关键问题…………………...………………………..….6
1.2.2本文的主要研究内容…………………..……………...………………….6
2变频调速恒压供水系统能耗机析…………………………………………………7
2.1水泵理论及水泵工况点确定的研究………………...……………….…….…7
2.1.1水泵的工作参数……………………………………………………..…....7
2.1.2水泵理论工况点的确定……………………………..…………............…9
2.2水泵工况的调节…………………………………..…………………….……10
2.3变频调速恒压供水系统能耗机理分析………………………………….…..11
2.3.1水泵工况的调节程…………………………………..…………………..11
2.3.2调速范围的确定……………………………………………………..…..13
3变频调速恒压供水系统的设计…………………………………………………..13
3.1系统的方案设计及具体要求…………………………………………….…..13
3.1系统的方案设计及具体要求…………………………………………....…..13
3.1.1供水系统的总体方案设计……………………………..……………....…..13
3.1.2供水系统的具体要求………………………………………………..…..13
3.1.3总体设计方法………………………………………………………..…..14
3.2系统硬件设计…………………………………………………………….…..15
3.2.1硬件电路设计………………………………………………………..…..15
3.2.2系统控制电路设计……………………………………………………....15
3.2.3系统软件设计及变频器主要功能的预置……………………………....17
4结束语…..…………………………………………………………………………19
致谢…………………………………………………………………………………..20
参考文献……………………………..…..…………………………………………..21
1绪论
矿区传统供水系统由交流接触器接通外电运行，全部机组的控制都依赖人工进行手工操作，接触器控制过程繁琐，手动控制系统无法对供水管网的压力和水位变化及时作出恰当的反应，机组通过自藕降压启动，电流对机组的冲击较大，而且为保证供水，机组通常处于超负荷运行状态，不但效率低、耗电量大，而且矿区管网长期处于超压运行状态，曝损也十分严重。
另外矿区用水过程中存在不同时间段用水量不均现象。
如果不对供水量进行调节，管网压力的波动也会很大，容易出现管网失压或爆管事故，同时也浪费了大量能源。
针对上述问题，本课题采用PLC和变频调速技术，研制出PLC控制变频调速自动恒位、恒压供水系统，对矿区供水进行技术改造，保留其原有的手动控制系统，分别增加一台PLC和变频器及辅助控制单元，与现场液位传感器、压力传感器一起组成了各自的闭环控制系统。
并通过与上位机的数据通信，将数据上传到上位机实现数据的处理、管理与状态监控，每天24小时不间断按预先设定的水位及水压恒定地向矿区供水，保证了矿区的不间断生产和消防。
通过该控制系统的应用，不仅能够节约宝贵的水、电资源，降低了生产成本，减少设备维护，降低维修成本;而且提高了整个矿区的生产调度管理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率。
由于矿区节能供水的自动化技术改造在我国有着广泛的应用前景，本控制系统具有较大的发展潜力和较高的推广价值[1]。
1.1水泵电机的调控技术
在供水企业中，水泵的电能消耗及设备的维护管理费用，在生产成本中占有很大的比例;水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的21%以上，具有很大的节能潜力。
由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的，而轴功率与转速的三次方成正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。
因此，这种调控方式虽然简单，但从节约能耗的角度来看，很不经济。
近年来，电机调速技术的应用，为水泵电机的节能开辟了一个新途径。
它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始终在高效区工作，将大大地降低水泵能耗，合理地进行设备管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。
1.1.1调速控制节能分析
水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。
但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。
因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。
通常采用的方法有阀门控制和调速控制。
阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量;而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点，使其流量与扬程适应管用水量的变化，维持压力恒定，从而达到节能效果。
由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比;水泵的转速n与出水流量Q成正比:
管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。
由上述关系有，水泵的输出功率P与转速n的三次方成正比，即:
（1）
（2）
（3）
（4）
式中k，k1，k2，k3为比例常数。
图1变频调速节能原理图
当系统出水流量减小时，通过变频调速装置将供水水泵转速调小，则水泵的输出功率将随转速的变化而减小。
变频调速节能原理图如图1所示。
图中曲线1,2,3为管网阻力特性曲线，曲线4为水泵转速为n1时的运行特性曲线，曲线5为水泵转速为n2，时的运行特性曲线。
水泵原来的工作点为曲线3和曲线4的交点A，此时出水流量为Q1，管网压力为H1,，水泵转速为n1,。
当系统的出水流量减小到Q2时，系统管网特性为曲线1，曲线1和曲线4的交点B为运行工作点。
此时管网压力为H2，水泵的输出功率正比于H2×Q2。
由于H2>H1高出的压力能量被浪费了，同时过高的压力对管网和设备还可能造成危害。
如采用变频调速装置，将此时水泵的转速调至n2，曲线5和曲线2的交点C为水泵的运行工作点。
调速后管网的压力仍保持为H1，出水流量为Q2，水泵的输出功率正比于H1xQ2。
从图中可见阴影部分正比于浪费的功率输出。
例如，当Q2为Q1的80%时，通过调速将n2调为n1的80%则水泵的输出功率P2为P1的51.2%。
如不采用调速控制，48.8%的能量将被浪费，可见变频调速的经济效益十分可观[2]。
1.1.2常用的调速方式
水泵多配用交流异步电机拖动，当电机转速降低时，既可节约能量，经济效益十分显著。
由异步电动机的转速公式:
（5）
式中，n。
一异步电动机的同步转速，r/min;
n一异步电动机转子的转速r/min;
P一电动机的磁极对数;
f一电源频率，电动机定子电压频率;
S—转速差，S=
×100%
改变电动机极对数P、改变转速差S及改变电源频率f都可以改变转速。
（1）变级对数调速
在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，这种电动机称多速电动机。
其转子均采用笼型转子，其转子感应的极对数能自动与定子相适应。
这种电动机在制造时，从定子绕组中抽出一些线头，以便于使用时调换。
如图2将两个半相绕组a1x1与a2x2采用顺向串联，产生两对磁级。
图2极对数为2
若将U相绕组的一半相绕组a2x2反向，如图3将产生一对磁极。
以电动功机一相绕组为例,只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数P。
就可以得到no=3000,1500,1000r/min等不同的同步转速，从而得到不同的转子转速。
这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有极调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器。
图3极对数为1
（2）变频调速
变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。
改变电动机定子频率厂可以平滑地调节同步转速no，相应地也就改变转子转速n，而转差率S可保持不变或很小。
但对电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重时会使电机堵转:
频率增减少，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。
因此，在实用上，要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。
实现调频调压的电跳有两种:
交一直一交变频器，交一交变频器[3]，见图4,
（1）交一直一交变频器
它是山三个环节组成:
可控硅整流电路，其作用是将电压、定频率的交流电路变为电压可调的直流电;可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电;滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。
在交一直一交变频器中，根据滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变频器。
近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型（简称PWM）变频器技术获得了飞速的发展。
PWM变频器也有电压型和电流型两种，目前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。
他不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。
变频技术对水泵电动机进行调速，以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。
（2）交一交变频器
它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过变频电路同时
图4变频器种类
调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。
交一交变频器由于直接交换，减少换流电路减少损耗，效率高，波型好，但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。
（3）可控硅串级调速
它是把异步电动机转子电势经过整流一逆变后回馈给电网差功率。
当改变逆变角时，逆变电势、转差功率、，回收功率就是转转差率都将随之改变，从而达到调速的目的。
图5串级调速系统
由图5可知，电动机运行时经气隙传送到转子的电磁功率PM，一部分成为机械功率P2（即PM（1一S）），另一部分则成为转差功率SPM，电动机正常运行时，转差功率在转子回路中以热的形式损耗掉，因为此时的转差率S很小，转差功率也很小，但在调速时，随着转速的降低，转差率升高，转差功率也直线上升，可控硅串级调速就是把这部分功率取出来，然后回送到电网，从而大大提高电动机低速运行时的效率。
串级调速的最大优点是由于它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但出于线路过于复杂，还需一台与电动机相匹配的变压器，增加了中间环节的电能损耗，带来了成本高，占水泵房面积大等缺点而影响它的推广价值。
1.2多泵恒压供水系统中的关键问题和本文的主要研究内容
1.2.1多泵恒压供水系统中的关键问题
交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。
采用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了软启动的任务。
变频软起动的优点是由于采用电压/频率按比例控制方法，所以不会产生过电流，并可提供等于额定转矩的起动力矩，故特别适合于需重载或满载起动的大功率水泵电机。
多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。
当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。
这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作.
矿区用水，在不同时段的用水量具有明显的差异，样夜负荷变化较大，为保障正常供水，必须解决压力不断减弱和不稳定问题。
目前通常采用恒速泵组切换加压供水、组合泵二次加压供水和高位水塔供水等方式。
在这些供水方式中，因供水拖动电机一直处于高速运行而造成较大的能量损耗。
因而在设计思想上以查询方式为主，中断方式为辅，采用模糊控制法对系统PID参数进行整定，这样大大提高了系统的适应性，使用户减少了调试的工作，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增强。
1.2.2本文的主要研究内容
经过系统的调研和分析，并结合矿区的生产实际，本次研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供水自适应平衡控制系统的研制，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自藕降压起动装置，同时把阀门控制和水泵电机控制都纳入自动控制系统。
整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能，运行参数有记录。
具体而言，论文包括以下内容:
（1）对水泵电机的调控技术进行分析和比较，并对多泵恒压供水系统中的关键问题进行了论述;在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。
（2）从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点（工况点）的确定方法和水泵工况调节的几种常用方法。
在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。
本文重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得出一些有益的结论。
（3）介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频
器拖动多台水泵电机变频运行。
压力传感器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整大功率电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。
重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。
2变频调速恒压供水系统能耗机理分析
随着我国城镇化建设的飞速发展，城市人口和城市居民的不断增加，城市供水不足成为一种普遍现象，传统的供水方式已经不能满足城市发展和人民生活的需要。
自八十年代以来，变频调速恒压供水技术开始应用于我国许多城市的自来水公司。
变频调速恒压供水技术不仅能够保证城市供水的稳定，而且可以节约能源。
和城市供水相比，矿区用水也有相同的特点在不同时段的用水量具有明显的差异，昼夜负荷变化较大，为保障正常供水，必须解压力不断减弱和不稳定问题目前通常采用恒速泵组切换加压供水、组合泵二次加压供水和高位水塔供水等方式。
供水等方式。
在这些供水方式中，因供水拖动电机一直处于高速运行而造成较大的能量损耗。
为了解决矿区供水水压不稳及节能等问题，我们设计了基于PLC的采用变频调速节能恒压供水系统。
据统计若采用变频调速技术来改变流量，可节约20-40%，其节能效果相当可观。
采用变频调速恒压供水系统和传统恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统、气压罐供水系统相比，具有水压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源和减少讨水泵机组设备的冲击等优点[4]。
在讨论变频调速恒压供水的节能机理之前，有必要讨论分析水泵及水泵工况调节等相关理论。
2.1水泵理论及水泵工况点确定的研究
水泵广泛应用于国民经济的各个行业中，但在供水行业中普遍采用的离心式叶片泵，也称离心泵。
离心泵属于高扬程叶片泵，是利用叶轮旋转时产生离心力的原理工作的。
离心泵在起动前必须使泵和进水管中充满液体，当叶轮在泵壳内高速旋转时，液体质点在离心力作用下被甩向叶轮外缘，并汇集到泵壳内，使液体获得动能和压能，并沿着出水管输送出去。
2.1.1水泵的工作参数
水泵工作参数共有六个，即:
流量、扬程、功率、效率、转速及允许吸上真空高度或气穴余量。
在六个参数中，流量、扬程和转速是基本参数，只要其中一个发生变化，其余参数都会按照一定的规律发生相应的变化。
（1）流量Q
水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量，可分为体积流量和质量流量两种。
以L/s（升/秒）、m3/s（米3/秒）、m3/h（米3/小时）、kg/s（千克/秒）、t/s（吨/秒）等表示。
（2）扬程H
水泵扬程也称水头，是水泵由叶轮传给单位质量液体的总能量，可以由水泵进水口、出水口断面上的单位总能量E1,E2的差值表示，其单位以m计。
水泵扬可用下式表示为
（6）
式中，Z1Z2一分别为真空表测压点、压力表零位点至基准面的垂直距离,低于基准面时取负值（m）;
H1,H2—分别为真空表、压力表读数（m），
——分别为水泵进水口、出水口断面的流速水头（m）。
（3）功率
水泵功率有以下两种，有效功率PM和轴功率PN
有效功率PM为泵内液体实际所获得的净功率（kw），可以根据流量和扬程来计算。
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