最新PLC及变频器在供水系统中的节能应用.doc

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1、PLCPLC 及变频器在及变频器在供水系统中的节供水系统中的节能应用能应用Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd:a littlebit more.-author-datePLC 及变频器在供水系统中的节能应用-山东省山东省“金蓝领金蓝领”(维修电工维修电工)题题目目：plcplc 及变频器在供水系统中的节能应用及变频器在供水系统中的节能应用PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-姓姓名名：纪纪勇勇指导教师指导教师:二 O 一 O 年 十 月日PLC 及变频器在供水系

2、统中的节能应用概述：概述：采用西门子 PLC 及变频器为主控单元，配合接触器、继电器实现恒压变量系统的智能控制。本设计在公司供水系统的PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-改造中得到了成功的应用，不仅供水压力稳定，满足公司用水需要，而且具有很好的节能、节水效果，极具推广价值。关键词：关键词：恒压变量供水、PLC、变频器。公司位于市郊，近几年房地产的开发，居民区的扩建以及生产规模的不断扩大，使用水高峰较为集中，公司的供水系统极不稳定，高峰期供水不到第 5 层楼，无法满足正常的用水要求。基于以上情况，公司进行了供水系统的改造。在智能化要求的基础上，研究了 PLC 及变频调速技术在恒压供水系统控制

3、中的应用。提出了供水系统的总体设计方案，解决了硬件电路的设计和软件的实现方法，通过运行了实测，在公司供水系统PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-改造中得到了成功的应用，不仅供水压力稳定，满足公司用水的需要，而且具有很好的节能、节水效果，极具推广价值。随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，控制技术在恒压供水中得到了广泛应用，使供水系统完成了高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。变频调速具有故障率低、调速精度高、保护功能多等优点，是对滞留调速、电磁滑差调速进行改造的最理想的选择。在风机、泵类等负载上的应用可实现无冲击起动和软停机的优良控制特性，实现恒压或恒流控制。PLC具有通用性好、可靠性高、

4、安装灵活、扩展方便、性价比高等一系列优点，因此 PLC 在供水行业中得到了广泛应用，实现了PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-供水的实时监测和控制，从而保障了生产过程的连续性，降低了劳动强度，实现了少人或无人值守的目标。一、一、供水系统的总体方案设计：供水系统的总体方案设计：公司车间比较集中，生产用水量最大，高峰期有规律。为了保证稳定供水，在公司生产区建了 150T 贮水池，采用 4 台 15KW 水泵和变频调速装置构成一个完整的微机控制恒压供水系统，如图 1 所示。系统通过调节供水量，保证管网压力恒定（误差0.01Mpa），实现恒压变量控制供水方式，从而达到节能、节水的目的，满足公司用水

5、的需要。PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-1.1.供水系统的具体要求供水系统的具体要求1.1 水泵能自动变频软启动4 台水泵能自动软启动，并根据用水量大小自动调节开泵台数。1.2 电控自动状态时，4 台水泵自动轮换变频运行，工作泵故障时备用泵自动投入，可转换自动或人工手动开、停机。PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-1.3 设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电器保护功能，具有相许保护防止水泵翻转抽空，并具有缺水保护及水位恢复开机功能。1.4 有设备工作、停机、报警指示。2.2.总体设计方法总体设计方法公司考虑恒压系统主要在高峰期投入使用，宜采用一台变频器控制 4 台水泵的“一

6、”控四切换方案。以西门子 S7-200(CPU224)的 PLC 和 6SE6430 变频器为控制核心，采用变频器控制的闭环控制系统，通过对用户管网压力进行实时采样，并与设定压力值比较，根据压力偏差来控制变频器的速度及定量PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-泵的起、停，实现恒压变量的供水方式，从而更好地达到节能、节水的效果。当用户管网压力低于设定压力时，控制器通过压力传感器检测，输出控制信号起动其中一台水泵作变频运行，通过控制变频器使用户管网压力与设定压力相等。如用户用水量较大，变频器输出频率为 50Hz，变频泵转速达到最高，用户管网压力低于设定压力，控制器将变频器切换成工频运行，待变频器

7、输出频率下降至最低值时再接通另一台水泵，由一台工频泵和一台变频泵同时供水。经过变频泵的调节，如管网压力仍低于设定值，控制器以同样的方式将运行频率为 50Hz的变频泵切换成工频运行，而后继续起动另一台水泵作变频运行，直至满足用户用水要求。PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-当用户用水量较少，变频泵转速降到一定程度时，控制器自动停止最先运行的定量泵，并根据管网压力调整变频泵转速，使管网压力始终保持恒定。这样每台水泵的起动均经变频器控制，全部机组实现循环软起动，即每台泵的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升，并遵循“先开的泵先停，先停的泵先开”的原则。当外来管网压力达到设定压力值时，则控制器完

8、全停止各泵工作，由外界管网直接向用户供水。二、二、硬件电路设计硬件电路设计本系统的硬件电路如图 2 所示，它由 4 台 15KW 离心水泵，一台智能型电控柜（包括西门子变频器、PLC 交流接触器、继电器等），一套压力传感器、缺水保护器、断相相序保护装置PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-以及供电主回路等构成。该系统的核心是 S7-200（CPU224）和6SE6430。6SE6430 是水泵专用变频器，扩展功能强，本身具有比较完善的自诊断、保护和报警功能，当变频器系统出现故障时，变频器能自动停车保护，并显示故障信息，可实现无冲击启动和软停机的优良控制特性，并且是实现恒压或恒流控制的最理想的

9、选择。S7-200 PLC 可以单机运行，也可以输入输出扩展，还可以连接功能扩展模块。它结构小巧、可靠性高、运行速度快，继承了其在大、中型 PLC 领域的技术优势，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-展模块，性能价格比非常高，因此它在各行各业中的应用得到迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。S7-200 的扩展配置是由 S7-200 的基本单元和扩展模块组成的。扩展单元没有 CPU，作为基本单元输入输出点数的扩充，只能与基本单元连接使用，不能单独使用。S7-200 的扩展单元包括数字量扩展单元、模拟量扩展单

10、元、热电偶和热电阻扩展单元、PROFIBUS-DP 通信模块。其扩展模块的数量受到两个条件的约束：一个是基本单元能带扩展模块的数量；另一个是基本单元的电源承受扩展模块 DC5V 总线电流的能力。由 CPU224 组成的扩展配置可以由 CPU224 基本单元和最多 7 个扩展模块组成，CPU224 可以向扩展单元提供的PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-DC5V 电流为 660mA。CPU224 基本单元具有 14 个输入点和 10 个输出点，输入点为 24V 直流双向耦合输入电路。DC24 极性可任意选择，系统设置 1M 为输入端子（I0.0I0.7）的公共端，2M为（I1.0I1.5）输

11、入端子的公共端。Q0.0Q0.4 共用 1M 和1L 公共端，Q0.5Q1.1 共用 2M 和 2L 公共端，在公共端上需要用户连接适当的电源，为 PLC 的负载服务。CPU224 的输出电路有晶体管输出电路和继电器输出两种可供用户选择。在晶体管输出电路（型号为 6ES7214-1AD21-0XBO）中，PLC 由 24V 直流电源供电，负载采用了 MOSFET 功率驱动器件，所以只能用直流为负载供电。输出端将数字量输出分为两组，每一组由一个公共端，共有 1L、2L 两个公共端，可PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-接入不同电压等级的负载电源。在继电器输出电路（型号为6ES7212-1BB

12、21-0XB0）中，PLC 由 220V 交流电源供电，负载采用了继电器驱动，所以既可以选用直流为负载供电，也可以采用交流为负载供电。CPU224 另有 24V、280mA 电流供 PLC 输入点使用，具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。1.1.供水系统主电路供水系统主电路PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-如图 3 所示，该系统有 4 台 15KW 电动机，分别拖动 4 台水泵，合上空气开关后，当交流接触器 1KM/3KM/5KM/7KM 主触点闭合时，水泵为工频运行；当 2KM、4KM、6KM、6KM、8KM 主触点闭合时，水泵为变频运行。4 个热继电器 1KR-4KR

13、 分别对 4台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-2.2.供水系统控制电路供水系统控制电路如图 4 所示，Q0.0Q0.7 为 PLC 输出软继电器触点，其中Q0.0、Q0.2、Q0.4、Q0.6 控制变频运行电路;Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7 控制工频运行电路。SAC 为转换开关，实现手动、自动控制切换。当 SAC 切在手动位时，通过 1SB24SB2 按钮分别起动 4 台水泵工频运行；当 SAC 在自动位时，由 PLC 控制水PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-泵进行变频或贡品状态的起动、切换、停止运行。1KA 为缺水

14、保护电路的中间继电器触点，当水池缺水或水位不足时，配合缺水保护装置断开控制电路，切断主电路，实现缺水保护作用。3.3.PLCPLC 及变频器控制模块电路及变频器控制模块电路PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-PLC 及变频器控制模块电路是本系统的核心，它包括时间控制电路、缺水保护电路、断相相序保护电路，如图 5 所示。KT 是时控器的继电器，该时间控制电路可实现 6 个时段的定时开关机控制和定时换泵功能。3.1 缺水保护电路当水池缺水或水位不足时，若不及时切断电源就会损坏水泵，甚至发生事故。本系统设置了缺水自动保护电路，如图 6所示。利用液位继电器等装置时刻检测水池里的水位，经电路转换及处

15、理后对控制回路电源进行控制。水位水池正常时，控制回路电源接通，系统正常工作。水池缺水或水位不足时，液位继电器 1K 释放，系统报警、指示灯亮并通过 1KA 切断系统控PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-制电路及主电路，水泵停止。待排除故障，水位正常后，液位继电器 1K 吸合，重新起动系统。3.2 断相相序保护电路水泵工作在三相交流电，电源发生缺相时，电动机中某一相无电流，而另外两相电流会增大，容易烧毁电动机；另外，为了避免电源相序相反，电动机反转水泵抽空的现象，设置了缺相相序保护电路，如图 7 所示。采用缺相相序保护继电器 KP接在主电路电源进线空气开关之后，三相正常时，KP 得电吸合，控

16、制电路中 KP 的 1-2 触点吸合，接通 PLC 控制电路。反之，缺相或反相时，KP 的 1-2 触点断开，会切断 PLC 控制电路，系统停止工作，缺相相序保护指示灯亮。PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-三、三、系统软件设计系统软件设计PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-本系统稳定运行的关键是 PLC 程序的合理性、可行性和变频器功能的预置问题。1.1.PLCPLC 程序设计程序设计1.1 输入、输出地址及功能表（I/O 表），如表 1 所示。1.2 程序设计思路PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-由于供水系统是一个惯性较大无法突变的系统，不需要过高的响应速度，因而在设计思想上

17、以查询方式为主，中断方式为辅，采用模糊控制法对系统 PID 参数进行整定，这样大大提高了系统的适应性，使用户减少了调试的工作，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增强。本系统 PLC 控制程序由主程序和 4 个子程序组成，如图 8 所示。PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-2.2.变频器主要功能的预置变频器主要功能的预置虽然水泵对系统调速的精度要求不高，但要事供水系统运行性能稳定，工作可靠，就必须正确设置变频器的各种性能。变频器功能的设定通过变频器操作面板的相关按键确认。2.1 频率功能的预置2.1.1 最高频率水泵属于平方率负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重

18、过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定频率的，其最高频率只能与额定频率相等，即fmax=fn=50Hz.PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-2.1.2 上限频率一般来说，上限频率以等于额定频率为宜。但有时也可以预置得略低一些，原因有二：一是变频器内部有转差补偿功能，同在 50Hz 的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电动机的负载；二是变频调速系统在 50Hz 下运行时，还不如直接在工频下运行，可以减少变频器本身的损失。因此，将上限频率预置为 49Hz 或 49.5Hz 是适宜的。2.1.3 下限频率在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于

19、实际扬程，形成水泵“空转”的现象。所以，下限频率应定为 2530Hz.PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-2.1.4 起动频率水泵在起动时，如果从 0Hz 开始起动，水泵基本没有压力输出，为减少调节时间，应预置起动频率值为 1520Hz，即设置变频器 PID 输出值的下限为最大值的30%40%。2.2 升速、降速时间由于水泵电动机不需要频繁的起、停，对于起、停时间无严格要求。整定变频器的升、降速时间主要考虑升、降速时间过短，变频器可能因过流或过压而跳闸；升、降速时间过长，则会使变频器调速系统反应迟缓，造成管路中欠压或超压时间过长，满住不了恒压供水要求。因此，升、降速时间的确定，应根据现场的

20、实际情况来决定。PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-四、节能、节水效果分析四、节能、节水效果分析1.1.节能原理分析节能原理分析根据流体力学的原理知道，水泵流量与转速及轴功率的关系用下述关系式表示：Q1/Q2=n1/n2H1/H2=n1/n22P1/P2=n1/n23式中，Q 为流量，H 为扬程（水压），P 为轴功率，n 为转速。当流量减少，水泵转速下降时，其电动机输出功率迅速下降。例如，当流量下降到 70%，转速也下降到 70%时，其轴功率则下降到额定功率的 34.3%；当流量降低到 50%，轴功率将下降PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-到额定功率的 12.5%。当然还要考虑由于转

21、速降低引起附加控制装置的效率下降等因素，即使这样，其节能潜力也很大。如图 9 所示两条曲线间的阴影部分表示采用变频器调速的节能效果，从图中可以看出，越是速度范围大，其节能效果越明显。2.2.节能节水实测情况分析节能节水实测情况分析本系统于 2010 年 9 月 1326 日进行两周时间的实地测试，每天 5 个用水高峰时段约 6h 投入运行。第一周转换开关PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-SAC 在手动位置，采用阀门调节的方式加压，第二周 SAC 在自动位置，采用变频调速的方式加压，得出表 2 的数据。从表 2 可以计算：（1）节电效果每吨水节电率为（0.352-0.241）/0.352=

22、31.5%，公司年供水量 80 万 T 按 2/3 的用水量加压计算，年节电 5.9 万 KWh,按本市电价 0.8 元/KWh 计算，年节省电费 4.72 万元。PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-（2）节水效果每周节水为 17615-17078=537T，每年按54 周计算节水达 2.9 万 T,按本市水价 3.00 元计算，年节省水费 8.7 万元。两项合计年节省 13.42 万元，节电、节水效果非常可观，一年多即可收回本系统的投资。五、结论五、结论本系统于 2009 年 10 月在本公司安装、调试、运行，通过近一年来的使用，得出以下结论：5.1 本方案设计合理，技术先进，功能完善，

23、高效节能，产品体积小，性价比高。PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-5.2 S7-200（CPU224）PLC 和 6SE6430 变频器性能稳定，通用性和灵活性较强，功能扩展范围较宽，而且价格较低，在本控制电路中便于安装和维护。5.3 控制简单，操作方便，系统起动前，只要将入口、出口阀全部打开，运行过程中则不需要操作任何阀门，并且手动和自动调节切换容易。5.4 该系统运行一年以来，工作稳定，供水压力稳定，经受了全公司日常用水和高峰期用水水量变化大的考验，既解决了用水高峰的矛盾，又避免了因供水压力偏高所造成的浪费，满足全公司供水要求，节电节水效果明显。适合学校、厂矿、民PLC 及变频器在供水系统中的节能应用-用高层建筑等用水量变化大，要求具有足够扬程的企业和场所使用，有广阔的应用前景和推广价值。