变频恒压供水.docx

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变频恒压供水

一拖一变频恒压生产自控系统方案

一．系统概述

1.1项目背景

业主名称：

项目名称：

一拖一变频恒压生产自控系统

系统目标：

实现变频生产自控系统集中控制、智能运行、故障监控、一拖一变频恒压自控运行、自动切换、节约能源、人性化操作。

1.2智能自控系统

一拖一变频恒压生产自控系统通过智能化的可编程逻辑PLC集中控制，达到精确控制和操作维护方便的功效，实现对水泵及其辅助设备的数据在线监视和管理控制优化，保证整个系统的长期安全、经济、合理和高效运行。

根据现场情况及要求，整个生产自控系统组成如下：

3台变频器

监控系统集中控制1台压力变送器

（触摸屏）（PLC）1台液位开关

1.3监控要求

◆一拖一变频恒压生产自控系统

设备名称

数量

监控目的

一拖一变频恒压生产监控系统

1套

1、变频生产自控系统为触摸屏，集中控制PLC，仪表采集：

1台压力变送器、1台液位开关

2、采集信号：

运行/停止、正常/故障、手动/自动、时间、压力和液位等运行状态和参数。

3、控制：

启动、停止、自动调节、故障自动切换等。

变频柜及仪表

3套

1、一拖一变频柜3套，完成泵的频率控制。

2、压力变送器完成压力数据采集，液位开关完成液位上、下限采集。

二．方案设计综述

2.1设计范围

本设计方案内容包括以下系统的硬件供应和软件设计：

1监控系统。

2PLCI/O控制柜。

3变频柜及仪表。

2.2设计总原则

2.2.1对设计方案主要遵循以下几个基本原则：

实用性：

保证以合理的价格切实满足需方的实际需求，具有良好的经济性，适用于我国目前常见的工艺流程和管理过程。

可靠性：

先需方之忧而忧，想需方之所想，保证系统的高可靠性，尽可能避免在实际使用过程中可能出现的各种问题。

系统可靠性体现在以下几个方面：

先进、可靠的网络系统保障系统生产数据的可靠性与实时性。

严格的设备选型为系统的稳定运行奠定坚实的基础。

合理的方案设计最大限度发挥设备的工作效率。

先进性：

系统代表目前自动化的最新水平，能最大限度并在未来的一段时间内保持一定的先进性和实用性。

开放性：

系统具备良好的开放性和兼容性，整个系统易于升级。

高效性：

系统操作简便，易于维护，保证日常业务快速处理的能力。

2.2.2现场控制设备设计准则

由于现场站直接操作着现场的各种设备，而任何设备的错误运行或者意外停止均会影响正常生产，造成人力、才力、物力方面的经济损失。

因而，处于现场的所有设备必须做到运行可靠、维护简便。

另外，由于现场站必须为上位机提供准确的现场数据，并且能够根据上位机的调度指令及时地做出正确的动作，因而，现场站必须支持开放的、标准的、快速的通讯协议。

综上，在设计自动化仪表以及监控系统方案时，供方遵循如下准则：

所有的仪表和控制设备均有长期的使用历史，其可靠性必须为需方所证明。

对各段工艺的数据采集以及运行控制由PLC完成，操作站仅提供人机交互的界面。

PLC上的运行程序能在线更改。

PLC模块上带有完备的指示灯，指示模块的健康状况和各个端子的状态。

每个端子上有明确的文字标签，确保接线正确，以及日后的维修。

控制设备使用在线式不间断电源，以保证系统能够连续稳定的运行。

PLC支持多种国际标准通讯协议，以便系统的升级。

2.2.3监控系统设计准则

根据长期的工作经验与需求分析，监控软件系统主要考虑以下几个方面：

以系统正常不停机运行为主线，突出报警与报表的基本功效，强调数据库的核心地位。

工业现场软件要求系统24小时不停机工作，因此在系统设计时应考虑：

选择能长时间不停机运行、适应工业现场环境的工控机作为主要机型。

选择成熟的软件建立系统

监控系统的控制主要体现在指导控制上，即对控制策略、控制参数的调整上；当然，系统含有对执行机构直接控制的机制与权利，且有很好的实时性。

监控系统的主要功能反映在对运行系统数据的获取、及对数据的存储、分析、整理上。

报表是这些数据分析、整理结果的最直接、有效的反映，所以应选择较好的报表制作工具来完成该项工作。

监控系统应采用专业数据库方式来存储数据，而数据的分析可交由其他工作站来完成，这样可减弱专用工作站的负荷，同时采用数据库的形式保存数据可以与其他专业分析软件的接口相兼容。

以图形化的方式形象地反映系统的运行情况

图形（含有运行参数及曲线）是反映现场设备及系统运行最好、最直观的方式。

这不仅体现在监控系统采用动画流程图、各种曲线图来反映运行的情况，也不仅体现在现场报警时监控计算机显示报警图形，而且应在车间管理站上、厂级领导办公计算机上显示出现场设备和系统的运行图形，以期主管领导及上级领导对现场的运行有直观的认识，以利于管理及领导的决策。

采用模块化的系统组件，减少开发周期，缩短业主与承建方相互沟通的周期。

大量的时间证明，系统采用组态化的软件构成可以极大的缩短开发周期，缩短承建方与业主相互沟通的周期，能获得相互满意的结果。

这是由于业主对流程图、报表、控制工艺等，都需要时刻的修订，系统承建方在现场调试期间，有很大的工作是完成业主在这方面的交互式修改。

采用大众化的软件，与世界软件业的发展相一致。

构成现场软件系统的组态软件有很多种，构成厂级网的方案也很丰富。

为保证业主在系统软件投资上的有效性及未来系统的更新换代，可以合理选用大公司生产的，即大众化的软件产品组成系统；这样可以与世界软件的发展同步，同时工厂维护工程师的培训也比较方便。

2.3设计依据

供方提供的系统应符合下列规范和国家标准的最新版本：

ANSI/ISAS5.1仪表符号和说明

ISAS5.4仪表回路图

NEC美国国家电气规范

ANSIMC8.1/ISARP55.1数字过程计算机的硬件检测

其他IEC、ISO和制造厂标准

2.4设计规范

设计遵循以下标准和规范：

<<过程检测和控制流程图用文字和图形符号>>（HG/T20505-2000）

<<自动化仪表选型设计规定>>（HG/T20507-2000）

<<分散型控制系统工程设计规定>>（HG/T20573-1995）

<<自控专业工程设计文件深度的规定>>（HG/T20638-1998）

<<控制室设计规定>>（HG/T20508-2000）

<<仪表供电设计规定>>（HG/T20509-2000）

<<信号报警、联锁系统设计规定>>（HG/T20511-2000）

<<自控安装图册>>（HG/T21581-95）

<<自动化仪表工程施工及验收规范>>（GB50093-2002）

<<自动化仪表安装工程质量检验评定标准>>（GBJ131-90）

2.5设计目的

实现生产系统集中控制、智能运行、节约能源、人性化操作。

生产自控系统通过智能化的逻辑集中控制，达到节省能耗、精确控制和操作维护方便的功效，实现对泵及其辅助设备的数据在线监视和管理控制优化，保证整个系统的长期安全、经济、合理和高效运行。

三．系统方案

3.1基本框架

本系统是实时监控系统，依据集散控制系统设计的基本原则，可以将整个监控系统分为以下3个部分：

1监控系统（触摸屏监控）。

2集中控制（PLCI/O控制柜）。

3变频柜及仪表。

3.2系统简述

系统提供丰富的控制功能，可满足现场的各种功能要求，触摸屏监控可完成系统工艺参数采集、仪表回路控制、流程画面等。

及时提供现场的报警信号，以供操作人员处理参考。

I/O控制柜有强大的采集、处理数据功能，数据进行时时更新功能。

根据系统工艺特点、工艺设备平面布置，本自控系统设计如下监控网络结构：

1、触摸屏监控由一台触摸屏及内置组态组成，实现所有监控对象的监测及控制任务。

2、I/O控制柜由1套PLC控制器和输入/输出模块组成，实现具体设备的事物的管理和状态采集，具有强大的采集、处理数据功能，数据进行时时更新功能。

3、变频柜及仪表由变频柜及现场仪表设备采集电压、电流、压力、液位等信号。

具体监控内容如下：

1、控制系统由触摸屏、PLCI/O控制柜、变频柜及仪表现场仪表设备组成，采用分层分级控制管理的原理，包括现场设备层、控制层和信息层三个级别。

2、PLCI/O控制柜运行模式如下：

①单机远程操作：

需方在控制室观察运行数据和对现场设备进行启/停操作，设备之间不具有联锁关系。

②PLC自动联锁

通过安装在总管末端压力变送器，系统实时监测系统压力，与系统设定值比较，启动相应的控制策略。

当实际压力低于设定压力下限，系统自动调节运行中的变频器。

当实际压力高于上限，系统自动卸载运行中变频器，使系统压力降低。

运行过程中，当运转中的变频器故障停机，自动投用备用设备。

根据设备性能和能效提供最优的设备运行组合和优化负荷分配，提供先进智能的控制算法，以便最大限度的根据负载需求实现节能运行，实现最佳高效运行。

对于需方特殊控制逻辑要求，双方在系统实施前，进行充分沟通，供方尽可能满足需方要求，达到系统最佳运行方案，保证良好使用。

3.3一拖一变频恒压生产自控系统

3.3.1蓄水池

蓄水池设液位开关1台，根据该液位上下限来控制泵的开关，若由于某种原因蓄水池液位降至低限，该液位与给水泵联锁，将给水泵停止以保护水泵。

3.3.3变频恒压供水控制

给水泵的控制采用变频恒压供水方式，该方式根据用水量的大小来控制水泵运行的数量，达到节能降耗的目的。

水压的控制由变频器来控制，水泵的切换及压力信号的采集由可编程序控制器（PLC）来实现。

PLC实现系统的手动/自动方式的转换，水泵及阀门的自动控制，变频器、软启动器的起停控制，水泵的变频/工频方式切换等功能。

3台水泵由3台变频器采用一拖一的方式控制。

3.3.3.1控制原理

系统通过测到的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。

变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时通知变频软起进行变频泵逻辑切换。

为防止水锤现象的产生，泵的启停将联动其出口阀门。

变频恒压供水原理如下图：

3.3.3.2控制方式

离心泵的操作可在控制室与现场两地操作，离心泵的控制可分手动与自动控制方式。

当二级泵房控制柜“远程/现场”旋钮置现场位置，且“手动/自动”旋钮置手动位置时，各离心泵的启停信号由人工通过按钮给出，由变频器拖动；当“手动/自动”旋钮置自动位置时，各离心泵的启停由压力信号给出，由变频器经过内部的PID运算，然后输出相应的工作频率；“远程/现场”旋钮置现场位置时，远程不能操作。

水厂控制柜“远程/现场”旋钮置远程位置，且监控计算机上的软旋钮“手动/自动”旋钮置手动位置时，各离心泵的启停信号由人工点击鼠标通过计算机给出，由变频器或软启动器拖动；当软旋钮“手动/自动”旋钮置自动位置时，各离心泵的启停由压力信号给出，由变频器拖动；“远程/现场”旋钮置远程位置时，现场不能操作。

转换开关旋至“自动”状态时，水泵的启停、电动阀门的启停及泵的变频/工频切换运行完全由PLC根据用水压设定情况自动调整，系统能够全自动运行，最终达到现场无人值守。

整套系统应用程序包括：

启动子程序；运行子程序。

运行子程序包括调节子程序和电机切换子程序，电机切换子程序又包括加电机子程序和减电机子程序。

系统中设一个压力设定值，一个压力上限值，一个压力下限值。

这样设定是因为：

当系统压力偏离（略高或略低）压力设定值时，此时压力上限值与下限值的设定降低了电机、接触器、继电器、电动阀等的启动频率，延长了设备的使用寿命。

当条件满足发出启动信号后，开始运行启动程序，此时由PLC控制1号电机变频运行，同时计时器开始计时，若计时完毕后，压力低于压力下限值，切断1号电机变频运行，同时设定一段延时时间（延时主要有两个原因：

一是为了使开关充分熄弧，防止电网倒送电给变频器；二是为了使变频器减速为零以重新启动另一台电机），延时完毕后，2号电机投入变频运行，此时1号电机工频运行，同时计时器开始计时。

以此类推，直至压力到达系统设定值后转入正常运行调节程序。

运行过程中，若压力上、下限值均未达到，此时系统处于模拟调节状态。

若达到压力上限值，则计时器开始计时。

计时过程中监视系统压力值，如果又低于上限值，则关计时器，继续模拟调节；若计时完毕后，系统压力仍高于压力上限值，则转入减泵切换子程序。

若达到压力下限值，则计时器开始计时，计时过程中监视系统压力值，如果又高于下限值，则关计时器，继续模拟调节；若计时完毕后，系统压力仍低于压力下限值，则转入加泵切换子程序。

水泵切换子程序分为两部分：

加泵子程序和减泵子程序。

此程序动作的条件是：

上面的两个计时器任何一个计时完毕。

减泵子程序：

条件满足后由PLC来决定切除哪台工频运行的电机，切除依据是4台泵中先启的先停，每停完一台泵后要设定一段延时时间，以便变频器调节一段时间，防止连续切除动作。

这主要是考虑到本系统非线性、大惯性因素而采取的措施。

加泵子程序：

条件满足后由PLC控制将变频泵投入工频运行。

延时一段时间后，将备用泵投入变频运行。

加泵的依据谁停的时间长加谁，每加完一台泵后要设定一段延时时间，以便变频器调节一段时间，防止连续加泵动作。

如果系统有1台泵运行就可满足需要，为了防止备用水泵由于长期不使用锈死，系统编写了自动巡检程序。

即任何一台泵连续运行设定的一段时间（如10天）后，会自动停止而由下一台泵继续工作。

综合整个运行，实现了3台泵的轮流切换，使整个系统工作协调，提高了效率和寿命，充分合理地使用了3台设备。

四．系统软件

4.1操作系统

操作系统采用内嵌式。

4.2组态软件

该软件不仅有灵活强大的监控组态功能，便于本系统中的生产监控和调度管理。

4.2.1使用方便、功能丰富的组态功能

系统提供使用方便、功能丰富的组态软件包，可方便地实现系统组态、控制组态、画面组态等功能。

画面组态可实现任意图形、曲线、报表的生成；动画组态支持系统内的各种数据，包括实时监测数据、历史记录数据、人工录入数据等；实时动画显示形象生动；生成画面均可打印输出。

组态软件采用当前最先进的技术、系统的配置和画面的组态具有方便性，而且系统的体系结构是完全灵活的和开放的，它运行的工作平台，具有动态画面、事件触发、报警、趋势、报表输出、历史数据存储等功能，能体现良好的通用性、灵活性、开放性、可靠性和性能价格比。

4.2.2数据库及丰富的数据处理功能

组态王软件具有强大的数据处理功能.系统在计算机的内存中驻留并维护了一个实时数据库,系统将各种数据以数据点的形式保存在这个数据库中,并以此为基础为整个系统提供数据服务，同时为组报表系统提供数据来源，并能根据需方需要，将历史数据长时间保存并提供给其他计算机系统如MIS系统进行数据检索、数据分析、和数据整理。

系统提供事件记录（包括控制记录、报警记录、组态记录等）、最大值／最小值定时记录、平均值定时记录、设备运行时间统计记录、累计量定时记录等功能。

系统提供记录数据的查询显示功能，并根据不同的需方权限提供记录数据的人工修正功能。

此外，系统还支持对人工录入数据的处理，包括人工录入数据的定义、显示及记录等功能。

4.2.3报表

为了满足需方日常统计的需要，本系统设计了数据报表，根据需方和格式要求有周报、日报、年报、设备运行记录等，可以实现定时和随机打印。

4.2.4系统需方管理

本系统的需方管理分两个层次，登录系统后，打开应用软件，出现在需方面前的是应用软件集控系统登录画面。

如果需方要登录到集控系统中，则需要使用合法的操作需方名及正确的口令，这样才能登录到集控系统中进行相关的操作。

集控系统的需方是使用数据库技术进行管理的，可根据不同需方的性质划分不同的需方级别，这样能实现某些重要的操作需要一定级别的需方才能进行操作。

所以本系统的安全性考虑得很周到，能将不合法的需方排除在系统之外，避免系统遭到不合理的破坏。

4.3编程软件

编程软件可对PLC进行编程、丰富的指令对于自动化系统工程师极易使用；功能强大的编程语言满足所有需求。

五．仪器设备描述

5.1柜体

所有柜（箱）体上配有手柄和锁，全部的锁用同一把钥匙；柜体外壳采用不小于2mm厚的钢板，配件采用电焊或螺栓组装；柜体表面采用静电喷涂技术（喷塑）；部分柜体设有散热孔和有效的滤尘，装置设备外壳等级遵照IEC529，防护等级为室内地面设备IP52。

颜色：

7035。

5.2可编程序控制器

控制系统选用西门子S7PLC设备有着很好的稳定性能，是适合于中型应用模块化PLC系统，它具有模块化、易于实现分布、需方界面友好等特点，在行业得到了广泛的应用。

供方提供的PLC满足如下功能要求：

⑴模块化的存储器，容量基本配置256KB，并可根据应用需要扩展到1MB以上；

⑵通信网络冗余，避免由于单一通信电缆故障导致系统失效；

⑶通信速度不低于1M，便于实时监控；

⑷各模块可带电插拔，各模块均无槽位限制，便于系统维护；

⑸有自诊断功能，可自动诊断出系统中任意一个部件是否故障；

⑹系统平均无故障时间大于100000小时；

⑺良好的兼容性易于升级，可与主要厂商的产品通信，升级只需要更换部分硬件或操作系统即可；

⑻隔离的数字量输入（DI）和模拟量输入（AI），带有雷电保护；

⑼通过中间继电器的无源数字量输出（DO），隔离的模拟量输出（AO），带有雷电保护；

⑽输入输出各提供10%的余量，以满足将来扩展的需要；

⑾PLC应用软件基于WINDOWS操作系统，具有在离线仿真功能，易学易用。

六．施工准则

6.1施工规范

盘柜内部接线，工艺美观，达到国优考核标准，严格按照《火力发电厂、变电所二次接线设计技术规定（DL/T5136最新版）》、《电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范（GB50171最新版）》的要求进行设计、制造和供货。

接线整齐，横平竖直，裕度适中，便于查线。

每个端子排只压接一根导线。

所有的二次接线均应有清晰正确的胶头号，短接线不应有断点，并明显易查。

为方便检修及调试，盘柜内的线槽与端子排之间保持有足够的距离。

所有元器件有正式的永久性的名称标志，元器件布置位置适当，以利散热及检修维护等。

照明、风机、检修、交流电压等电源应、经小空开控制。

线槽的配置，已经充分考虑本屏二次线的数量，防止造成槽盒过于拥挤、槽盒盖盖不上的现象。

6.2施工程序

二次线路检查试验→控制保护电器交接试验→控制回路模拟动作试验→盘车或手动操作试验→电气部分与机械部分的转动或协调一致性检查→空载试运行→负载试运行。

6.3施工工艺

6.3.1二次线路检查试验

检查保护装置与其他盘箱的距离是否符合要求。

信号继电器是否装置在易受震动的地方。

接线的排列是否合理，接线标号是否齐全，每个螺钉下是否衬垫弹簧垫圈。

对接线板、元件、设备上的接线螺钉要逐一拧紧。

查对二次接线：

可用万用表或电铃等以导通法来查对二次接线，如果是单层配线，所有导线及连接处都比较明显，所以只要仔细检查，并与原理图与安装图校对，就能判断二次线路的敷设排列是否正确。

应检查个保护盘与控制盘之间，各盘至其他设备二次线路的连接，以及检查多层配线方式的控制保护装置和隐蔽的安装处连接线等，均应以导通法按照图纸进行校对。

还应检查以下几个方面：

电流互感器二次回路不得有开路现象。

检查各限位开关、安全开关和转换开关等应处在正常位置。

对各控制器、继电器初步以手动检查，动作应灵敏可靠。

二次接线绝缘电阻必须大于1MΩ。

6.3.2交流耐压试验

二次回路当绝缘电阻值大于10MΩ时，用2500V兆欧表摇测1min，应无闪络击穿现象；当绝缘电阻值在1~10MΩ时，做1000V交流工频耐压试验，时间1min，应无闪络击穿现象。

6.3.3控制保护电器交接试验

①断路器试验

②热继电器试验

③接触器试验

④起动器试验

⑤中间继电器试验

⑥时间继电器试验

6.3.4控制柜、屏的交流工频耐压试验

①控制柜、屏的交流工频耐压试验：

交流工频耐压试验电压为1kV，当绝缘电阻大于10MΩ时，可采用2500V兆欧表摇测替代，试验持续时间1min，无击穿闪络现象。

②回路中的电子元件不应参加交流工频耐压试验；48V及以下回路可不做交流工频耐压试验。

6.3.5控制回路模拟动作试验

①断开电气线路的回路开关出线处，电动机等电气设备不受电；接通控制电源，检查各部位的电压是否符合规定，信号灯、零序继电器等工作是否正常。

②操作各按钮或开关，相应的各继电器、接触器的吸合和释放都应迅速，无粘滞现象和不正常噪声。

各相关信号灯指示要符合图纸的规定。

③用人工模拟的方法试动各保护元件，应能实现迅速、准确、可靠的保护功能。

检查无功功率补偿手动投切是否正常。

如果几台柜子之间有联系，还要进行联屏试验。

④手动各行程开关，检查其限位作用的方向性及可靠性。

⑤对设有电气连锁环节的设备，应根据电气原理图检查连锁功能是否准确可靠。

6.3.6盘车或手动操作

①盘车：

检查各电动机安装是否牢固，防护网、罩是否装好。

用手盘动机轴应轻松，无卡阻现象，并不得有机械的碰击声或出现其他异常声音，盘动不应感到太吃力。

②相序和旋转方向的确定：

当要求单向运转的电动机接入未知相序的三相电源线路时，如果电动机旋转方向与原规定转向相反，只要任意调换电动机的任意两根电源接线，就可改变电动机的转向。

但对于不可逆的电动机，在起动前，先要确定三相电源线路的相序和电动机的旋转方向，才能使电动机按规定的方向运转。

电源线路的相序的测定，可用相序指示器。

如不具备这样的仪器，也可用感抗法和容抗法。

6.3.7电气部分与机械部分的转动或协调一致性检查

联轴器转动装置常用的是弹性联轴器。

安装时，应先把两半联轴器分别装在两机的轴上，然后把电动机移近连接处；接着用钢直尺调校两联轴器，旋转180°，看它们是否有高有低，若有高低，应予纠正，直至高低一致时，说明两机已处于同轴状态，便可把联轴器和电动机分别固定，最后拧紧安全螺栓。

6.3.8低压电气动力设备试运行

在设备的可接近裸露导体（PE）或接零（PEN）连接完成，动力成套配电（控制）柜、屏、台、箱、盘的交流工频耐压试验及保护装置的动作试验合格，控制回路模拟动作试验合格，盘车或手动操作、电气部分与机械部分的转动或动作协调一致，以上经检查试验确认合格后，可进行空载试运行。

电动机应先试通电，检查转向机械有无异常情况，如发现电动机不能起动或起动转速很低或声音不正常等现象，应立即切断电源，检查原因。

在空载试运行时，交流电动机为防止起动频繁而造成电动机线圈过热，起动次数几间隔时间应符合产品技术条件的要求；无要求时，连续起动两次的时间间隔不应小于5min，再次起动应在电动机冷却至常温下。

调频调速起动电动机要按产品技术文件规定起动的间隔时间。

试运行时，应检查电动机执行机构的动作方向及指示是否符合设备工艺要求；对导体连接处发热情况，应注意检查，防止过热而发生故障。

大容量（630A及以上）导线或母线连接处应做温度抽检记录，可用红外线遥测温度仪进行测量。

按程序运行多台电动机应分别按程序进行手动、自动试验。

电动机动作顺序应正确无误，信号指示正确。

对于远程控制的电动机应分别进行远程起停操作，设备应起停准确。

6.4低压电气动力设备试验与试运行施工质量标准

6.4.1主控项目

①试运行前，相关电气设备和线路应按规定试验合格。

②现场单独安装的低压电器交接试验项目应符合《建筑电气工程施工质量验收规范》GB50303—2002附录B的规定。

6.4.2一般项目

①成套配电（控制）柜、屏、台、箱、盘的运行电压、电流应正常，各种仪表指示正常。

②电动机应试通电，检查转向和机械