变频恒压供水控制系统方案设计书.docx

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变频恒压供水控制系统方案设计书

《交流调速》课程设计任务书

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32040802

学生姓名_

学号

12月26日至12月31日共1周

指导教师（签字）

2011年12月9日

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、设计资料

一楼宇供水系统，正常供水45m3/小时，最大供水量60m3/小时，扬程24m。

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。

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。

变频恒压供水系统原理框图：

图一变频恒压供水系统框图

2、水泵的容量

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M每小时（m3/h）

H，扬程，单位是M（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=0.68（经验值，各品牌效率均不同），N=60*24/367/0.68=5.78kW

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，当N22时，K=1.25

=8.42*1.25=7.22kW

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：

7.5KW。

3、系统的工作原理

工作方式选择：

分别闭合总电源开关QF1，控制电路电源开关QF2，变频器电源开关QF3，将自动档位开关SA2旋到自动档位，此时触点0001接通，进而使内部辅助触电1001导通，选择工作方式为自动方式。

备用泵选择：

如选择1号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到1号泵备用档位，此时触电0000被接通，内部辅助触电1002导通，选择1号泵为备用泵。

如选择2号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到2号泵备用档位，此时常闭触电0000被接通，内部辅助触电1003导通，选择2号泵为备用泵。

自动状态启动：

按下启动按钮SB1，PLC内部触电002被接通，此时如果选择1号泵为备用泵则0502触电被接通，2号泵正常工作，1号泵为备用泵。

此时如果选择2号泵为备用泵则0500触电被接通，1号泵正常工作，2号泵为备用泵。

自动状态停止：

按下自动停止按钮SB2则PLC内部触点0003被接通，此时可断开0502和0500输出继电器，可使整个系统停止运行。

同时，

手动启动1号泵：

分别闭合总电源开关QF1，控制电路电源开关QF2，变频器电源开关QF3，将自动档位开关SA2旋到手动档位，此时触电0001被接通，同时常闭触电0001断开，即切除自动状态的功能。

按下SB3启动1号泵工作，触电0004被接通，输出继电器0501动作，启动1号泵工频工作。

手动停止1号泵：

按下SB4，触电0005闭合，切断输出继电器0501，1号泵停止工作。

同时常闭触电0501断开，2号泵无法启动。

手动启动2号泵：

按下SB5启动2号泵工作，触电0006被接通，输出继电器0503动作，启动1号泵工频工作。

手动停止2号泵：

按下SB6，触电0007闭合，切断输出继电器0503，2号泵停止工作。

同时常闭触电0503断开，1号泵无法启动。

故障排除：

1号泵热继电器出现故障时，输入端子FR1动作，接通触点0009，使输出继电器0505接通，点亮L1。

2号泵热继电器出现故障时，输入端子FR2动作，接通触点0010，使输出继电器0506接通，点亮L2。

当变频器出现故障时，输入端子BP动作，接通触点0008，使输出继电器0507接通，蜂鸣器发出声音。

四、设计图纸

1、电气原理控制图（见附录一）

2、自动调节原理框图

3、PLC梯形图（见附录二）

4、I/O分配表（见附录三）

5、PLC程序（见附录四）

五、操作使用说明书

自动启动：

分别闭合总电源开关QF1，控制电路电源开关QF2，变频器电源开关QF3，将自动档位开关SA2旋到自动档位，如选择1号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到1号泵备用档位。

如选择2号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到2号泵备用档位。

自动启动：

按下启动按钮SB1，则系统可自动工作。

自动停止：

按下自动停止按钮SB2则可使整个系统停止运行，变频器自动关闭。

如长时间不用最好切断电源QF1、QF2、QF3。

手动启动1号泵：

分别闭合总电源开关QF1，1号泵电源开关QF4，控制电路电源开关QF2，将自动档位开关SA2旋到手动档位。

按下SB3启动1号泵工作，按下SB5启动2号泵工作。

手动停车：

按下SB4停止1号泵工作，断开电源开关QF4。

按下SB6停止2号泵工作，断开电源开关QF5。

故障排除:

根据指示灯可判断其故障具体位置。

当L1点亮时，说明一号泵热继电器出现故障。

当L2点亮时，说明二号泵热继电器出现故障。

当蜂鸣器发出声音时，说明变频器出现故障。

六、主要参考资料

1）《交流电机变频调速及其应用》张承慧等机械工业出版社

2）《建筑电气控制技术》王俭建筑工业出版社

3）《过程控制》金以慧清华大学出版社

4）富士变频器使用手册

5）电气图用图形符号（国标）

6）《给水排水工程仪表与控制》崔福义建筑工业出版社

7）《水暖空调电气控制技术》孙光伟建筑工业出版社

8）有关杂志、报刊、资料

附录三：

I/O分配表

输入

输出

1、2号泵备用旋钮SA1

0000

1号泵变频启动接触器KM1

0500

手动或自动旋钮SA2

0001

1号泵工频启动接触器KM2

0501

自动

启动SB1

0002

2号泵变频启动接触器KM3

0502

停车SB2

0003

2号泵工频启动接触器KM4

0503

手动

1号泵启动SB3

0004

变频器启停继电器KA

0504

1号泵停车SB4

0005

1号泵故障报警指示灯L1

0505

2号泵启动SB5

0006

2号泵故障报警指示灯L2

0506

2号泵停车SB6

0007

变频器报警蜂鸣器

0507

变频器报警30A

0008

1号泵热保护触电FR1

0009

2号泵热保护触电FR2

0010

附录四（PLC程序）：

LD0000

ANDNOT1000

OUT1002

LDNOT0000

ANDNOT1000

OUT1003

LD0001

OUT1000

LDNOT0001

OUT1001

LD0002

OUTTR0

AND1001

AND1002

OR0506

LDTR0

AND0507

OR0003

OR0505

KEEP0502

LDTR0

AND1001

AND1003

OR0505

LDTR0

AND0506

OR0003

OR0505

KEEP0500

LD1000

OUTTR1

AND0004

ANDNOT0503

LDTR1

AND0505

OR0005

KEEP0501

LDTR1

AND0006

ANDNOT0501

LDTR1

AND0506

OR0007

KEEP0503

LD0008

OUT0507

LD0009

OUT0505

LD0010

OUT0506

LD0500

OR0502

LD0505

OR0506

OR0507

KEEP0504