变频调速恒水位供水控制系统设计要点Word格式.docx

1、由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。系统对控制水位的模糊控制进行研究。本控制系统将模糊控制、PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，发挥各自优势，

2、并设计了配套的界面美观、操作方便的自动控制系统，使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。实践证明，本系统不仅满足了生产的需要，提高了整个水厂的整体管理水平，而且仅节约用电一项就为水厂创造了巨大的经济效益。由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的前景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。1.2变频调速技术的特点及应用作为高性能的调速传动，直流发电机电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多，例如无极调速、有极调速

3、、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适

4、应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电4060，节水15301。由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器4。自从通用变频器问世

5、以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒水位供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压、恒水位供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水位的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定和水位恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。新型供水方式与过去的水塔

6、或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压、供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深

7、度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。1.3可编程序控制器的特点及应用早期的可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一

8、台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高P

9、LC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。在发达工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元4。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点4,5,6：1可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局

10、部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。3采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦

11、某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等7,8,9,10。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等。1.4毕业设计任务本次毕业设计课题是变频调速恒水位供水系统，我的主要任务是应用软件设计和模糊控制器的设计，大体为以下五项内容：1 变频调速恒水位供水系统现状和发展 主要介绍其系统的目的和意义，变频器的发展史一直到广泛应用，

12、随着技术的发展，其优越性越来越多，主要是节能、恒压、综合技术的集成等，以后将朝大容量、小体积、高性能、易操作、寿命高、可靠性强、无公害化发展；介绍了SIEMENS公司的产品系列史，PLC与其它工业装置的比较：PLC与继电器控制系统，与集散控制系统，与工业控制计算机。以及其特点。2 变频调速恒水位供水系统的理论原理以及总体方按的设计 主要是变频器的构成、控制方式和形式，控制方式有三种形式：V/F控制、转差频率控制、矢量控制；变频器的节能、调速原理；变频器的工况点的确定和能耗机理分析，以及系统调速范围的确定。变频调速恒供水系统方案；控制系统的工作过程 系统的工作过程分为以下三个工作状态：1#电机变

13、频启动；1#电机工频运行，2#电机变频运行；2#电机单独变频运行；变频工频切换技术解决方案。3系统硬件设计（主电路、控制电路）；P LC 接线图设计，包括输出输入上元件的分配及编号，PLC 模块由CPU226，两块数字扩展模块，一块扩展模块所构成。4应用软件设计（PLC程序设计） 主要介绍了编程软件的特点、语言和梯形图其本绘制规则；控制系统程序设计主要包括七大程序，分别是初始化程序、停机程序、阀门开关程序、水泵电机启动程序、小功率电机变频/工频切换程序、报警程序；整个系统程序的工作过程以及编程中应注意的细节。5恒水位供水系统的Fuzzy控制器设计及Simulink仿真研究 主要介绍模糊控制的概

14、念和特点以及模糊控制器的设计，并且运用MATLAB进行Simulink仿真研究 总之，在本次设计中，必须完成图表：论文说明书、主电路图、控制电路图、PLC接线图、PLC程序结构框图、PLC程序设计梯形图。第二章 变频调速恒水位控制系统的方案设计2.1变频器的控制方式变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾经出现过多种类型的变频器，但目前成为市场主流的变频器基本上有着图21所示的基本结构。图21变频器的基本结构变频调速的控制方式经历了V/F控制、转差频率控制、矢量控制的发展，前者属于开环控制，后两者属于闭环控制，正在发展的是直接转矩控制。1、V/F控制异步电动机的转速与定子电源频率

15、f和极对数有关，改变f 就可以平滑的调节同步转速，但是频率f的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象，所以在改变f的同时，还需要调节定子的电压，使气隙磁通保持不变，电动机的效率不下降，这就是V/F控制。V/F控制简单，通用性优良。2、转差频率控制 由电机学的基础知识可知，异步电动机转矩M与气隙磁通、转差频率f2的关系为： （2-1）只要保持气隙中磁通一定，控制转差频率f2就可以控制电动机的转矩，这就是转差频率控制。3、矢量控制 矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制

16、，获得和直流电动机一样的优良的调速性能。2.2变频调速的节能、调速原理一、水泵工况点的确定以及变化11,36 水泵工作点（工况点）是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。如果把某一水泵的性能曲线（即H-Q曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中（图2-2），则这两条曲线的交点A,就是水泵的工作点。 工作点A是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在A点。若把水泵的效率曲线-Q也画在同一坐标系中，在图2-2中可以找出A点的扬程HA、流量QA以及效率A。从图2-2中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于

17、管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证水图2-2 水泵工作点的确定工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。在变频调速恒水位供水过程中，水泵工况点的变化如图23所 图23水泵工况点的变化当P1、P2高于P0时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线A1、A2 向A0方向变化，此时水泵转速逐渐降低，管网口压力也由P2、P1逐渐下降，当P低于P0时，其工况点变化与上述相反即由A1逐渐向A0移动，使管网系统供水始

18、终保持恒定。根据2-4图水泵变速恒压工况分析：当管网用水由Q2、Q1.向Q0移动时，通过改变水泵转速使P0保持恒定。二、变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系： n =60 f（1-s）/p （22）式22中：p极对数,s转差率因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n。改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。 当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从n1降低到n2。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速n

19、,可使供水泵流量Q、扬程H和轴功率N以相应规律改变37。Q1/Q2=n1/n2 （23） H1/H2=（n1/n2）2 （24） P1/P2 =（n1/n2）3 （25）或 H =KQ2 （26） 式26是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。在变频调速恒水位供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率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。其工况调节过程可由图2-5来说明。 图2-5 变频调速恒压供水水泵工况调节图由图2-5可见，设定管网压力值（扬程）为H0，管网初始用水量为QA，初始工况点为A，水泵电

20、机的转速为n1，工作点A的轴功率即为AH0OQA四点所围的面积。当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成4-20A电流信号送往模糊调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率降低的信号，从而降低电机转速至n2,水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点A移至B点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小.。恒压供水系统中压力值恒定在H0,因此水泵工作点又沿着转速n2所对应的水泵性能曲线从点B移至C点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点C点，在图3中可以找出C点的扬程HC、流量QC以及效率C ，工作点C的轴功率即为CH0OQC四点所围

21、的面积。考察水泵的效率曲线-Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。三、变频调速恒水位供水系统调速范围的确定水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%-100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。2.3系统的方案设变频调速恒水位供水系统构成如下图所示，由可编程控制器、变频器、水泵

22、电机组、水位传感器、工控机以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动4台电动机的起动、运行与调速，其中两台大机（220KW）和两台小机（160KW,160KW）分别采用循环使用的方式运行。PLC上接工控计算机，水位传感器采样水池水位信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的模糊模块,PLC根据这两个信号经模糊运算，发出指令，对水泵电机进行工频和变频之间的切换。PLC上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒水位供水系统进行监测控制。如图2-6所示:水位传感器图2-6变频调速恒水位供水自动控制系统组成2.4系统工作过程根据现场生产的实际情况，白天一般只需开动一台大泵和一台小泵，就能

23、满足生产需要，小机工频运行作恒速泵使用，大机变频运行作变量泵；晚上用水低峰时，只需开动一台大机就能满足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的分组方式进行设计，即把1#水泵电机（160KW）和2#水泵电机（220KW）为一组，3#水泵电机（160KW）和4#水泵电机（220KW）分为一组。两组采用循环使用的方式运行，自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。分析自动控制系统的机组（1#、2#水泵电机）工作过程,可分为以下三个工作状态：1） 1#电机变频起动；2）1#电机工频运行，2#电机变频运行；3） 2#电机单独变频运行。一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态之中，当源水的水

24、位发生变化时，管网压力也就随之变化，三种工作状态就要发生相应转换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。1.切换过程1#电机变频起动，频率达到50HZ,1#电机工频运行，2#电机变频运行。系统开始工作时，水池水位低于设定水位下限hl，按下相应的按钮,选择机组运行，在PLC可编程控制器控制下, KM2得电，1#电机先接至变频器输出端，接着接通变频器FWD端，变频器对拖动1#泵的电动机采用软起动，1#电机起动，运行一段时间后，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频（即50HZ），可编程控制器发出指令，接通变频器BX端，变频器FWD端断开，KM2失电，1#电机自变频器输出端断开，KM1得电1#

25、电机切换至工频运行。1#电机工频运行后,开启1#泵阀门，1#泵工作在工频状态。接着KM3得电，2#电机接至变频器输出端,接通变频器FWD端，变频器BX端断开,2#电机开始软起动，运行一段时间后，开启2#泵阀门，2#水泵电机工作在变频状态。从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到水池水位达到设定值为止。2.切换过程由1#电机工频运行，2#电机变频运行转变为2#电机单独变频运行状态。当晚上用水量大量减少时，水压增加，2#水泵电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机转速下降，水泵输出流量减少，当变频器输出频率下降到指定值，电

26、机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压上限时（2# 电机）,在PLC可编程控制器控制下，1#水泵电机从工频断开，2#水泵继续在变频器拖动下变频运行。3.切换过程由2#电机变频运行转变为2#电机变频停止，1#电机变频运行状态。当早晨用水量再次增加时，2#电动机工作在调速运行状态，当变频器输出频率增至工频（即50Hz），水池水位低于设定水位上限H时，接通变频器BX端，变频器FWD端断开， KM3断开，2#电机自变频器输出端断开； KM2得电,1#电机接至变频器输出端；接通变频器FWD端,与此同时变频器BX端断开,1#电机开始软起动。控制系统又回到初始工作状态，开始新一轮循环。在PLC程序设计中，

27、必须认真考虑这三个切换过程，才能保证系统在一个工作周期内实现正常切换与运行。1#和2#机组工作过程流程图如下：图2-7机组工作过程流程图若选择机组（3#和4#水泵电机）运行，其工作过程和上面类似。第三章 控制系统硬件设计3.1 主电路设计图3-1 电流互感器的接线图在硬件系统设计中，采用一台变频器连接4台电动机，其中1#、3#水泵电机是小机，具有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联；2#、4#水泵电机是大机，只有变频工作状态，每台电机只通过一个接触器与变频输出电源连接。变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开

28、关的容量依据大机的额定电流来确定。对于有变频/工频两种状态的1#和3#电动机，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量依据小机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前的工作电流，必须在每台电机三相输入电源前面都接入两个电流互感器，电流互感器和热继电器、两个电流表连接，如图3-1所示。两个电流表一个安装在控制柜上，另一个安装在控制台上，可以方便地观察电机的三相工作电流，便于操作人员监测电机的工作状态。同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。变频器主电路电源输入端子（R、S、T）经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子（U、V、W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子（U、V、W）的任意两相。特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。在变频器起