变频器在恒压供水系统中的运用.docx

1、变频器在恒压供水系统中的运用宜宾职业技术学院 毕业论文（设计）变频器在恒压供水中的应用系 部 自动控制工程系 专 业 名 称 电气自动化技术 班 级 电气1091班 姓 名 张 贵 强 学 号 200* 指 导 教 师 谭 仁 人 2011年 12月 2日摘 要随着社会的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。本文介绍了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出了不同的控制方案，采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运

2、行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。论文对变频调速恒压供水系统的节能原理做了较详细的分析和研究。为防止自动运行部分发生故障，设计了手动运行控制部分。关键词：变频器；恒压供水系统；PLCAbstractthere is a growing demand for betterquality of water supply and higher reliability of supply system. In addition ,considering the current common energy crisis, achiev

3、ing the scheme of automatingthe water supply system. So it is an inevitable tendency to design and create an energy-savingconstant-pressure water supply system of excellent performance with the help of advancedtechniques of automation,monitor-control system; and communication. Meanwhile, the System

4、can also adapt to various water Supply regions.This paper analyzes the structure of VF speed regulating constant-pressure water supply,and proposes several control methods. install the control system with motor speed adjustment and programmable logic controller (PLC), it carries out optimization con

5、trol pump organization of the operation of speed adjustment, and adjusts the number of running pumps, completes pressure of water supply closed-loop control system, reaches the steady pressure of water supply in the changing of rate of flow in the pipe net and the purpose of economizing electrical e

6、nergy.In order to pump water for the people under the uncommon condition of the frequency invertor ,this systerm has designed manual-controller.Key words：Inverter；Constant pressure water supply system；PLC2.1恒压供水方案比较.32.2恒压供水方式选择.43.1.5变频器的参数 .103.2.1 KYB压力传感器的工作原理.123.2.2 KYB压力传感器技术特点.123.2.3 KYB压力传

7、感器主要性能.135 程序的调试与仿真.225.1 程序的调试.225.2 程序的仿真.24结 语.26致 谢.27附 录.291 引 言1.1 选题背景及供水系统现状和发展趋势1.1.1 选题的背景社会的进步，使得城乡居民对水的需求量日渐攀升，而传统的供水方式和供水控制技术已不能满足现代社会的发展。主要表现在用户用水量不能与供水公司供给量保持一致，会造成用户用水难以满足，也会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要

8、大量的占地与投资，由于是二次供水便不能保证供水水质的安全与可靠性。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水稳定、节约能源、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的发展前景。1.1.2 变频恒压供水的研究现况变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量

9、大小需求不同时，保证管网水压恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频

10、泵循坏方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统难以实现数据通信，并且带负载的能力也有一定的局限性。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有

11、的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了

12、起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管进口压力保持恒定为条件。1.1.3 变频供水系统的发展趋势变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展。在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也变得更加的繁琐，维护成本也明显高于国内同等产品。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较

13、快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。2 恒压供水方案比较与设计在生活中，那一方面都离不开水的作用，在水资源日渐缺乏的今天，节水是时代的话题，运用先进的技术实现节能减排是新时代的发展趋势。本文以沁园小区为例，进行恒压供水系统的设计，解决沁园小区传统的恒压供水控制方式，改善其恒压供水控制质量。沁园小区有七栋居民楼，每一栋居民楼七层，约二十一米高，供水进口压力为0.8Mpa,而出水供水压力在高峰用水时期达到3Mpa才能满足居民的用水需求，而沁园小区传统的供水方式已很难满足要求，主要表现在小区居民的用水量与供给量不能

14、保持一致，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。结合沁园小区的实际情况，设计出一个符合沁园小区发展、便于控制的恒压供水系统是本设计的重要内容。2.1 恒压供水方案比较通过查阅恒压供水的相关资料，了解到在我国大多数居民小区的恒压供水方式都比较落后，综合它们的供水方式来看，主要有以下几种方式。(1) 一台恒速泵直接供水方式恒速泵直接从蓄水池中抽水加压送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网水压压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，既浪费电能又不能保持用户用水与供给量保持一致。(2) 恒速泵+水塔的供水方式该方式是水泵先向水塔供

15、水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵，水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量和额定扬程的条件下，水泵处于高效能工作状态。但这种供水方式设备投资大，占地面积大，而且水压也不可调，不能兼顾近期与远期的需要，而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而变化，故还存在一些能量损失和二次污染问题。(3)射流泵十水箱的供水方式这种供水方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用压差和来水管径，出水管细的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量(流量)

16、的现象，无法满足高层供水的需要。(4) 恒速泵十高位水箱的供水方式这种供水方式原理与水塔供水方式原理相类似，只是水箱设在建筑物的层。高层建筑还可分层设立水箱，占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，体积有一定的限制，所以供水范围较小。而且，由于外界因素的影响，一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质，故造成二次污染问题。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操作，使系统的供水质量下降能耗增加。 (5)变频调速供水方式变频器恒压供水系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输

17、出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速的方式在节能效果上也明显优于前几种恒压供水方式。变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流小，启动能耗比较小。变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了饮用水水质可靠。2.2 恒压供水方式的选择由上面的方案比较可以得到，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢

18、材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。又由于沁园小区供水量不断加大，对城市管网的实时监测提出了更高的要求。所以，本设计采用变频器调速恒压供水方式方案进行设计，实现小区对管网水压的灵活性控制。2.3 恒压供水系统的设计方案和工作原理2.3.1 恒压供水的设计方案方框图本系统采用西门子PLC（S7-200）作为控制器，应用变频器MM430作为

19、变速调节装置，用KYB压力传感器把用户管网的供水压力情况反馈给变频器，经变频器内部自带PID进行调节，将调节结果送往PLC作为电动机工频与变频运行的执行条件，从而实现水压的控制，系统的设计方框图如图2-1所示。图2-1 变频器恒压供水系统总体方框图2.3.2 系统的工作原理水泵启动后，压力传感器向控制器提供控制点的反馈压力值。当反馈压力值低于控制器设定参考压力值时，变频调速器向控制器发送提高水泵转速的控制信号；当反馈压力值高于参考压力值时，则发送降低水泵转速的控制信号。变频调速器则依此调节水泵工作电源的频率，改变水泵的转速，由此构成以设定压力值为参数的恒压供水自动调节闭环控制系统。图2-2给出

20、了由三台电动机组成的典型恒压给水系统。这三台电动机可以交替循环工作。图2-2 恒压供水系统原理图设电动机组分别以M1、M2、M3构成，三台接触器分别以KM1、KM2、KM3构成。M1通过微机开关系统从变频器的输出端得到逐渐上升的频率和电压，开始旋转（软启动）。频率上升到供水管网供水压力和流量要求的响应频率，并随供水管网的供水流量变化而做出响应，调整频率实现电动机的调速运行。如果这时供水管网的供水量增加到大于1/3Q、小于2/3Q值时，设备的输出频率上升到工频仍不能满足供水管网的供水要求，这时微机发出指令M1自动切换到工频（50HZ）运行，待M1完全退出变频器，立即指令M2投入变频启动，并自动响

21、应其频率满足该时供水管网流量和压力的要求。如果这时供水管网的供水流量再上升到大于2/3Q、小于Q值，则类似，微机发出指令M2亦切入工频运行，待M2完全退出变频器，立即指令M3投入变频启动，并响应至满足该时供水系统的流量和压力所需的频率运行。如果这时供水管网供水流量降至小于2/3Q,大于1/3Q值时，则微机发出指令M3停止变频运行（M3停止后，处于临界频率的M2立即响应该时流量相应的频率）。如果这时供水流量继续下降至小于1/3Q，则微机发出指令M2停止工频运行，只有M1电动机立即响应该时间流量相应的频率，变频运行。如图2-3所示为水泵工作示意图。图2-3 水泵工作示意图3 变频器恒压供水系统设计

22、3.1变频器的选择3.1.1变频器的组成变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。通常由整流器、中间电路和逆变器组成，对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等。图3-1为变频器的组成方框图。图3-1 变频器组成方框图（1）整流电路交-直部分 整流电路通常由二极管或晶闸管构成的桥式电路组成，把频率、电压都固定的交流电整流成直流电（2）直流中间电路部分滤波电路 根据储能元件不同，滤波电路分为电容滤波和电感滤

23、波两种，分别构成电压型变频器和电流型变频器。 （3）逆变电路直-交部分 逆变电路是交-直-交变频器的核心部分，把直流电逆变成频率、电压都可调的三相交流电源，直接控制电机。3.1.2 变频器的控制方式常见的变频调速模式有两种，一种是开环控制，另一种是速度反馈闭环控制，如图3-2所示。系统根据恒压的控制要求，采用的是PID调节方式(内含在变频器中) 的闭环控制。图3-2 变频调速系统的控制方式3.1.3 变频器的选择交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50Hz

24、。而交流电动机的同步转速，如式3-1所示：N1=60f1/P （式3-1）式中N1-电动机同步转速 f1-电动机定子绕组频率 p-电动机磁极对数而异步电动机转速，如式3-2所示： N=N1(1-S) (式3-2)式中S-异步电机转差率S=(N1-N)/N，一般小于3%均与送入电机的电流频率成正比例或接近于正比例的关系。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调速来说是十分合适的。根据上面的讲说可以选择西门子MM430变频器，该变频器配有PID功能。通过外部电位器作为压力给定值。安装在管网上的压力传感器反馈来的压力信号(4-20mA)作为压力反馈至变频器的辅助输入端

25、10端、11端。变频器时刻跟踪管网压力与设定压力值之间的偏差变化情况。经变频器内部PID运算，调节变频器的输出频率，改变水泵转速。并通过PLC控制水泵工频供电与变频供电的切换，自动控制水泵运行的台数，实现闭环控制，从而实现水压保持稳定。3.1.4 变频器的接线管脚5接PLC的Q0.7管脚，控制电机的正转。I0.0接变频器的20接口，I0.3接变频器的18接口，I0.4接变频器的19接口。频率检测的上/下限信号分别通过18脚和19脚输出至PLC的I0.3与I0.4输入端作为PLC增泵、减泵控制信号。变频其接线图如图3-3所示。图3-3 变频器接线图3.1.5 变频器的参数系统的正常运行还需要进行

26、相关的参数设置，以下是变频器在本系统中主要参数设置，如表3-1所示，变频器PID参数设置如表3-2所示。表3-1 常用参数设置参数号参数名称DefaultLevelDSQCP0003用户参数访问级11CUTP0004参数过滤器01CUTP0010测试用参数过滤器01CTNP3950访问隐含参数04CUTP1000频率设定值选择22CQP0700命令源控制方式21CTQP3900快速调试结束01CQP0201电源电压3803CTP1333FCC的启动频率10.03CUTP1350电机软启动03CUTP1300电动机的控制方式12CTQP1310连续提升50.02CUTP1311加速度提升0.02

27、CUTP1312启动提升0.02CUTP1316提升结束的频率45.03CUTP0304电动机的额定电压3803CUTP0305电动机的额定电流7.93CUTP0307电动机的额定功率3.03CUTP1081电动机的最小工作频率15.03CUTP1082电动机的最大工作频率45.03CUTP0311电动机额定转速28003CUTP0970复位工厂设定值01C表3-2 变频器PID参数设置参数号参数名称DefaultLevelDSQCP2203固定的PID设定值320.03CUTNP2204固定的PID设定值430.03CUTNP2205固定的PID设定值540.03CUTNP2216固定的PI

28、D设定方式113CTNP2217固定的PID设定方式213CTNP2218固定的PID设定方式213CTNP2255PID设定值的增益因子100.03CUTNP2256PID微调信号的增益因子100.03CUTNP2257PID设定值斜坡上升时间5.02CUTNP2258PID设定值斜坡下降时间5.02CUTNP2267PID反馈最大值20.03CUTNP2268PID反馈最小值4.03CUTNP2269PID的反馈增益100.03CUTNP2280PID的比例增益系数3.02CUTNP2285PID的积分时间2.02CUTNP2291PID的输出上限100.02CUTNP2292PID的输出下限0.02CUTNP2293PID输出斜坡上升、下降时间5.03CUTN3.2 传感器的选择检测元件的精度直接影响系统的控制质量。通常可以选用各种压力传感器检测管网压力。传统的压力传感器有利用弹性元件的，如电感压力传感器、电容压力传感器等。KYB系列压力传感器的构造与之不同，属