基于变频器控制的恒压供水系统.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date基于变频器控制的恒压供水系统基于变频器控制的恒压供水系统班级:电气331001班学号:4333100104山西煤炭职业技术学院毕业设计说明书题 目基于变频器控制的恒压供水系统设计姓 名: 指导教师:郝世宇系 部: 机电工程系山西煤炭职业技术学院 2013年 6月2日 毕业设计任务书 设计题目:基于变频器控制的恒压供水系统设计 设计时间:2013.05.08至2013.
2、06.06 设计地点:贵州省兴仁县兴利煤矿小区1、 设计内容:本系统是以一个供水系统作为被控对象,PLC与变频器协调控电机的转速与启动和停止。2、设计要求:系统控制要求:(1) 工艺参数: 供水系统由3台水泵组成:母管压力H0.8时,一台定速,一台变速,一台备用。母管压力H0.64时,一台定速或变速,二台备用。母管压力H0.52时,一台变速,二台备用。(2) 电动机参数:型号:JD-L-39-4 功率:75KW 额定频率:50Hz 额定电压:380VAC; 额定转速:1470 r/min 额定电流:126.6 A(3) 用变频器实现水泵电机的起动/停止、运行、调速控制。(4) 通过母管压力变送
3、器测得实际压力大小,同时和压力给定组成闭环控制。(5) 变频器的运行状态指示(如运行、停止、过流、低压等)。3、提交资料:1、设计(论文)2、图纸(小组一套)3、PPT(论文)山西煤炭职业技术学院毕业答辩 评定书设计题目:基于变频器控制的恒压供水系统设计评定意见:评定成绩:山西煤炭职业技术学院毕业答辩 委员会主任委员2013年05月10日山西煤炭职业技术学院毕业设计 评阅书设计题目:基于变频器控制的恒压供水系统设计评阅意见:基于变频器控制的恒压供水系统指导教师:郝世宇系 主 任:时 间:2013年6月2日- 目 录 摘 要.1第一章 绪 论.31.1 本课题产生的背景和意义.31.2 变频恒压
4、供水的现况.41.2.1 国内外变频供水系统现状.41.2.2 变频供水系统应用范围.51.3 兴利小区的供水情况.51.3.1 该系统的设计思路.6第二章 变频器恒压供水控制系统概述.72.1 变频恒压供水系统理论分析.72.1.1 变频恒压供水系统节能原理.82.2 变频恒压控制理论模型.82.3 恒压供水控制系统构成.92.3.1 系统的工作过程.10第三章 器件的选型及原理.113.1 水泵的选型及原理.123.1.1 电动机参数.123.2 变频器的选用.123.2.1 变频器容量的选择.143.2.2 变频器型号.143.2.3 MM430-110K型号变频器参数的设置.143.2
5、.4 变频器的控制电路.143.2.5 控制回路端子功能说明.153.3 传感器的选用.183.3.1 变频器主电路外围设备选择.203.3.2 可编程控制器(PLC).223.3.3 PLC接线图.23第四章 变频恒压供水系统的设计图.284.1 变频恒压供水系统的总体框图.294.2 变频恒压供水系统原理图.324.3 系统程序设计和PLC的I/O分配.324.3.1系统工作过程.334.3.2 MM430-110K型号变频器的配线图.35第五章 总结与期望.365.1 总结.365.2 展望.36参考文献.37致 谢.38摘 要 供水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。
6、任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言,多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备,由一级或二级水泵从地下市政水管供给,供水的稳定性和可靠性较差。因此,如何建立一个可靠安全、又易于维护的供水系统是值得我们研究的课题。本文将介绍和设计利用变频器和PLC控制,结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置,利用PLC和变频器来解决控制系统的稳定性和可靠性。从而达到较好的控制和节能效果关 键 词:恒压供水系统,变频器,plc 第一章 绪 论1.1 本课题产生的背景和意义水是生命之源,人类生存和发展都离不开
7、水。在通常的城市及乡镇供水中,基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵,产生压力使管网中的自来水流动,把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时,也消耗大量的能量,如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时,降低能耗,将具有重要经济意义。我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多,在工程规模上也有一定水平,但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比,还有一定的差距。随着社会经济的迅速发展,人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定,因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的,如当发生火警时,若供水压力
8、不足或无水供应,不能迅速灭火,会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的,因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生,并且集中反映在供水的压力上:用水多而供水少,则供水压力低;用水少而供水多,则供水压力大。保持管网的水压恒定供水,可使供水和用水之间保持平衡,不但提高了供水的产量和质量,也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式,在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。利用变频技术与自动控制技术相结合,在中小型供水企业实现恒压供水,不仅能达到比较明显的节能效果,提高供水企业的效率,更能有效保证从水系统的安全可靠运
9、行.变频 恒 水 压供水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性,方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性,提高供水效率。所以设计基于变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水,如图1.2),对于提高企业效率以及人民的生活水平, 同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。 图1.1 传统供水机示意图图 1.2 变频供水机示意图 我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后,工业自动化程度低。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
10、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;后者则需要大量的占地与投资。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安全、节约能源、节省钢材、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。1.2 变频恒压供水的现况1.2.1 国内外变频供水系统现状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。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠,恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变
11、频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠,变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多,投资成本高。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、控制要求低的变频供水领域,国产变频器发展较快,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。1.2.2 变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水行业中的应用,按所使用的范围大致分为三类:(1) 小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要
12、用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站,特点是变频控制的电机功率小,一般在135kW以下,控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大,所以是目前国内研究和推广最多的方式。(2) 国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器、电机功率在135kV320kW之间,电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制,目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。(3) 大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂,特点是功率大(一般都大于320kW)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控
13、制器要求较高,多数采用了国外进口变频器和控制系统。目前,国内除了高压变频供水系统,多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围,但在实际运用中,不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的,大多数变频器并不能真正实现通用。所以在部分条件复杂的中小水厂,采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求,现部分中小水厂已认识到这一情况,并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善1.3 兴利小区的供水情况贵州省位于中国西部,地处云贵高原上;淡水资源缺乏,加上西部大开发中,对淡水资源造成了一定的污染,有特别是煤炭行业更为严重,为了加强水资源的管理,造成不必要的浪费,对小区的供水系统
14、进行改造。下面是贵州省兴仁县兴利煤矿小区供水系统改造设计: 从地理位置上看,兴仁县位于贵州省西部的喀斯特地貌,海拔较高,地下水很难得到利用,靠的是河流自来水,兴仁县兴利小区由有12单元组成,一个单元有9层、与水平地面的垂直高度为36米,一层有2个住户。采用传统水塔方式供水,可靠性差,为保障小区供水,需修建24000立方的蓄水池,需将原有蓄水池进行扩建;根据小区地质所承受的压力 ,经计算,设计蓄水池长为40米、宽度为30米,高为20米。 兴利小区楼层的高度为36米,为了保障最高楼层的供水,母管的压强为0.45MPa 。 根据小区的实际情况,为了节省资源、节约能源,在此次供水系统的改造工程中,我们
15、采用了变频器控制的恒压供水系统。1.3.1该系统的设计思路(1) 需将原有的蓄水池进行扩建,修建24000立方的蓄水池;根据小区地质所能承受的压力 ,设计蓄水池长为40米、宽度为30米,高为20米。(2) 将处理后的自来水引入蓄水池。为了防止蓄水池内溢出水,在池内安装水位传感器,对水位进行监测。(3) 在引入水管出水处安装电磁阀,用plc进行控制。(4) 采用变频恒压供水。第二章 变频器恒压供水控制系统概述2.1、变频恒压供水系统理论分析泵站担负着工农业和生活用水的重要任务,运行中需要大量的消耗电能。提高泵站效率;降低能耗,对国民经济有重大意义。我国过去泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展
16、速度快,在工程规模上也有一定水平,但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等原因,至使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比,还有一定的差距。目前,大量的动能消耗在水泵、风机负载上,城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当大的比例。因此,研究提水系统的能量模型,找出能够节能的控制策略方法是目前较为重要的一件事。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点,变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术与一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的
17、稳定性和可靠性,方便的实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能性,这在能量日益紧缺的今天尤为重要,所以研究设计该系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。2.1.1、变频恒压供水系统节能原理 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提,表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f(Q),如图1-1所示。 图1-1供水系统的基本特征 由图可以看出,流量Q越大,扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下,流量的大小主要取决于用户的用水情况,因此,扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q(u)间的关系。而管阻特性是以
18、水泵的转速不变为前提,表明阀门在某一开度下,扬程H与流量Q之间的关系HJ (Qu )。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知,在同一阀门开度下,扬程H越大,流量Q也越大。由于阀门开度的改变,实际上是改变了在某一扬程下,供水系统向用户的供水能力。因此,管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H f (Qc )。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为供水系统的工作点,如图中A点。在这一点,用户的用水流量HA和供水系统的供水流量QA处于平衡状态,供水系统既满足了扬程特性,也符合了管阻特性,系统稳定运行。图1-1供水系统的基本特征。变频恒压
19、供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门、传感器等构成。通常情况下是由异步电动机来驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵做成一体,通过变频器调节异步电机的转速,从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此,供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。2.2 变频恒压控制理论模型变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标,在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数,也可以是一个时间分段函数,在每一个时段内是一个常数。所以,在某个特定时段内,恒压的目标就是使出口总管网的实际供水压力
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