2287 變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設計

2287 變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設計,變頻,樓宇,供水系統(tǒng),設計 1..大學畢業(yè)設計說明書題 目： 變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： ..9 姓 名： .. 指導教師： .. 完成日期： 2012 年 5月 25日 2..大學..畢業(yè)論文（設計）任務書論文（設計）題目： 變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設計 學號： ..9 姓名： .. 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： .. 系主任： 1、主要內容及基本要求1、檢索國內外恒壓變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展最新動態(tài)以及分析國內的現(xiàn)狀； 2、提出某棟樓宇的變頻恒壓供水系統(tǒng)的總體設計方案； 3、完成供水系統(tǒng)的軟硬件的部分設計； 4、闡述并認真解決供水系統(tǒng)的遇到的相關問題； 5、完成畢業(yè)設計論文的文稿工作，要求：正文字數(shù)不少于一萬字； 6、翻譯英文技術資料，要求：與本課題相關的資料，3000 單詞以上，復印原稿 和翻譯稿同冊裝訂；二、重點研究的問題1、變頻恒壓樓宇壓供水系統(tǒng)中的相關器件的選型； 2、變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的軟硬件部分設計； 3、變頻恒壓供水樓宇系統(tǒng)中遇到的問題和解決方法分析； 3三、進度安排序號 各階段完成的內容 完成時間1 資料檢索，查閱 第一周2 系統(tǒng)總體方案構想和設計 第二周3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的方案選擇 第三周至第五周4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計 第六周至第八周5 變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟件設計 第九周至第十二周6 畢業(yè)設計論文撰寫和整理 第十三周至第十四周7 畢業(yè)設計論文檢查，答辯準備 第十五周四、應收集的資料及主要參考文獻[1] 周萬珍,高鴻斌(第一版).PLC 分析與設計應用[M]. 北京:北京機械工業(yè)出版社,2004 [2] 韓安榮.通用變頻器及其應用(第二版)[M].北京:北京機械工業(yè)出版社,2000 [3] 姚厚偉.變頻器供水系統(tǒng)中的應用與節(jié)能[M]. 北京：航空航天大學出版社,2003[4] 厲無咎.變頻調速恒壓供水系統(tǒng)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2005 [5] 張燕賓.循環(huán)水系統(tǒng)的變頻調速[M]. 北京:北京機械工業(yè)出版社,2002 [6] 彭小紅,劉國東.基于 PLC的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計[M]. 北京：人民郵電出版社,2004[7] 常斗南.可編程程序控制器原理應用及通信[M].北京:北京機械工業(yè)出版社,20004..大學..畢業(yè)論文（設計）評閱表學號 ..9 姓名 .. 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設計 評價項目 評 價 內 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；5.工科是否有經濟分析能力。論文（設計）質量1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評價評閱人： 2012 年 5 月 日5..大學..畢業(yè)論文（設計）鑒定意見學號： ..9 姓名： .. 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 71 頁 圖 表 張論文（設計）題目 變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設計 內容提要： 1、學會運用 PLC、變頻器、壓力傳感器設計并完成四臺水泵機組等主要設備構建變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設備選型和總體方案的設計，為提高變頻器的使用效率，減少設備投資，采用一臺變頻器拖動四臺水泵電機變頻運行方案。2、分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的工況變化過程，以及確定工況轉換方式，完成 PLC的設計，實現(xiàn)變頻起動，保證水泵從變頻到工頻的可靠、安全的切換。3、設計 PLC 和計算機的通信模式，確定通信協(xié)議，開發(fā)通信與組態(tài)監(jiān)控軟件，實現(xiàn)供水系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、管理和報警。6指導教師評語該學生在做畢業(yè)設計時踏實，勤奮，認真負責，能定時每周來匯報工作進展情況，能按時并出色完成本設計任務。在做畢業(yè)設計中，能虛心學習，積極探討有關問題，動手能力、獨立解決問題能力強，以及有一定的創(chuàng)新能力，是一個優(yōu)秀的大學生。建議成績?yōu)榱己谩Ｖ笇Ы處煟? 年 月 日答辯簡要情況及評語答辯小組組長： 年 月 日7答辯委員會意見答辯委員會主任： 年 月 日目錄一 緒論 ..............................................................................................................................................11.1 研究背景 ..............................................................................................................................11.2 設計思想 ..............................................................................................................................3二 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 ..................................................................................................52.1 設計任務及要求 .................................................................................................................52.2 控制方案的確定 ..................................................................................................................62.3 供水系統(tǒng)的控制流程 ........................................................................................................113 水泵機組選型 ...............................................................................................................................153.1 選型基本要求 ....................................................................................................................153.2 容量的確定 ........................................................................................................................153.3 水泵型號確定 ....................................................................................................................184 變頻器的選型 ..............................................................................................................................214.1 變頻器簡介 .......................................................................................................................214.2 變頻器的確定 .................................................................................................................214.3 變頻器外圍設備選擇 .......................................................................................................255 可編程控制器(PLC) ....................................................................................................................285.2 PLC 的工作原理 ...............................................................................................................305.3 PLC 及壓力傳感器的確定 ...............................................................................................306 變頻器與 PLC 的連接及設定 .....................................................................................................316.1、I/O 分配和變頻器參數(shù)設置： ......................................................................................316.2 控制電路外圍接線： ........................................................................................................337 系統(tǒng)軟件的設計 ...........................................................................................................................397.1 PLC 控制程序設計 ........................................................................................................397.2 主程序圖及程序設計 ........................................................................................................41八 總結 ............................................................................................................................................55致 謝: .............................................................................................................................................57中文翻譯 ..........................................................................................................................................59外文文獻 ..........................................................................................................................................648一 緒論 1.1 研究背景隨著社會經濟的迅速發(fā)展，人們對供水質量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。城市自來水管的水壓一般規(guī)定保證 6層以下樓宇的用水，其余上部分各層均須“提升”水壓才能滿足用水要求。以前大多采用水塔、高位水箱，或氣壓罐增壓設備，但它們都必須由水泵以高出實際用水高度的壓力來“提升”水量，其結果增大了水泵的軸功率和能耗。目前，衡量供水質量的重要標準之一是供水壓力是否恒定，因為水壓恒定對某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，但是用戶用水量是經常變動的，因此用水和供水之間的不平衡的現(xiàn)象時有發(fā)生，并且集中反映在供水的壓力上:用水多而供水少，則供水壓力低;用水少而供水多，則供水壓力過大。保持管網的水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的產量和質量，也確保了供水生產以及電機運行的安全可靠性。9傳統(tǒng)的供水方式普遍不存在同程度的浪費水資源、電力資源、而且效率不高、可靠性較差、自動化程度不高等缺點。嚴重影響了小區(qū)居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。泵站擔負著工農業(yè)和生活用水的重要任務，水泵機組在運行中需要大量消耗能量，所以提高泵站效率；降低能耗，對國民經濟有重大意義。國內目前的供水方式基本上朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展，其中變頻恒壓調速技術以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在樓宇供水系統(tǒng)中得到廣泛應用，特別是在工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在：一、節(jié)能顯著，效率大幅度提高；二、在開、停機時能減小電流對電網的沖擊以及水壓對管網系統(tǒng)的沖擊；三、大幅度的減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗。變頻恒壓供水的現(xiàn)況以及發(fā)展趨勢變頻恒壓供水系統(tǒng)是在變頻調速技術的發(fā)展之后逐漸相應的發(fā)展起來的。目前國外的變頻恒壓供水系統(tǒng)成熟可靠，恒壓控制技術可靠。但國外變頻恒壓供水系統(tǒng)在設計時主要采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式。這種方式運行安全可靠，變壓方式更靈活。但是此方法的缺點就是水泵電機數(shù)量和變頻的數(shù)目一樣多，因而大大提高投資成本高。本系統(tǒng)為節(jié)約設備投資，只采用一臺變頻器來控制多臺水泵協(xié)調工作，因此現(xiàn)在的供水專用變頻器具有 PID調節(jié)器10以及和 PLC集成在一起，組成專用的供水管控一體化系統(tǒng)，只需增加一只水管壓力傳感器，即可組成變頻恒壓供水系統(tǒng)。目前國內外有很多公司在從事進行變頻恒壓供水系統(tǒng)的研制推廣，國產變頻器大多主要采用進口元件組裝或直接進口國外變頻器，在結合 PLC 或 PID調節(jié)器來實現(xiàn)變頻恒壓供水。變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護操作簡單化方向發(fā)展，在國內外，專門針對供水的變頻器集成化越來越高，大部分專用供水變頻器集成了 PLC 或PID，現(xiàn)在甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時維護操作也越來越方便。簡單。1.2 設計思想本設計是對變頻恒壓供水控制系統(tǒng)（軟硬件方面）在實際生活應用中具體作用進行較為詳細的介紹。本系統(tǒng)主要將 PLC、變頻器（含 PID） 、相應的傳感器和執(zhí)行機構地結合起來，通過發(fā)揮各自優(yōu)勢，來實現(xiàn)操作方便，本系統(tǒng)以變頻器調速為核心，以變頻恒壓供水控制系統(tǒng)取代了過去的高位水箱和壓力罐等供水設備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內，避免了以往起動時產生對電網的沖擊；由于泵的平均轉速降低了，就可延長水泵機組和水管閥門等器件的使用壽命；也可以消除起動和停機時的水錘效應。使系統(tǒng)調試和使用起來都十分方便，大大簡化了水廠在管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析等方面的工作量。以變頻器為主體構成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能最大程度滿足實際需要，其安全穩(wěn)定的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全的功能，將使供水系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)水、11節(jié)電、節(jié)省人力，最終獲得高效率優(yōu)質運行，從而大大降低自來水的生產成本和提高生產管理水平的目的。 本變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制路線是：采用變頻器對水泵電動機進行變頻調速，來組成變頻供水壓力的閉環(huán)控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)的主要控制目標是泵站的總管的出水壓力，系統(tǒng)設定的給水壓力值與反饋的回來的總管壓力實際值進行比較，其差值進行 PID運算處理后，發(fā)出控制指令，改變水泵電機的轉速和控制水泵電機的運行臺數(shù)，從而使出水管壓力值穩(wěn)定在設定的壓力值附近。同時本系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，在能源日益短缺的現(xiàn)在尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、以及降低能耗，節(jié)約能源等方面都具有重要的現(xiàn)實意義。12二 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定2.1 設計任務及要求本系統(tǒng)是以一個供水系統(tǒng)作為被控對象，采用 PLC 與變頻器協(xié)調控制 4臺電機的轉速與啟動和停止。從而以達到變頻恒壓供水的要求。系統(tǒng)控制要求：（1）生活供水時，系統(tǒng)應該正常壓力工作，消防供水時系統(tǒng)應在高壓下供水。（2）四臺水泵采用“先開先停”的原則接入和退出。(3) 水泵電機的能軟起動/停止、正轉、調速控制。(4）變頻器采用遠方控制方式，具有手動控制，方便應急和檢修。(5) 通過母管壓力變送器測得實際壓力大小，同時和壓力給定組成閉環(huán)控制。(6) 變頻器的運行狀態(tài)指示（如運行、停止、過流、低壓等） 。(7) 系統(tǒng)要有必要的完善報警處理。132.2 控制方案的確定供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性，是在供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤嵯拢迷谀骋晦D速下?lián)P程 H與流量 Q之間的關系曲線，如圖 2-1可以看出，流量 Q越大，揚程 H越小。在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小取決于用戶的用水情況，揚程特性反映的是揚程 H與用水流量間的關系。圖 2-1中交點 QA。在這一點，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合管阻特性，系統(tǒng)將會穩(wěn)定運行。圖 2-1 供水系統(tǒng)的基本特性曲線如圖 2-2所示，曲線 1表示閥門全部打開時，供水系統(tǒng)的阻力特性；曲線2表示水泵額定轉速時的揚程特性，這時供水系統(tǒng)在 A點：流量為 QA揚程為HA，電機的軸功率與面積 OQAAHA成正比。要將流量調整為 QB，有兩種方法。(1)轉速不變，將閥門關小，則工作點移至 B點，流量為 QB，揚程為 HB，電機的軸功率與面積 QQBBHB成正比。(2)閥門開度不變，降低轉速，閥門的開度不變，降低轉速后揚程特性曲線14如圖 2-2中的曲線 4所示，工作點移至 C點，流量也為 QB，揚程為 HC。電機的軸功率與 QQBCHC成正比。將上述兩種方法加以比較，很容易的看出，采用調節(jié)轉速的方法來調節(jié)流量，電機的功率將大為減少。圖 2-2水泵的流量調節(jié)對供水系統(tǒng)進行變頻恒壓控制，是為了滿足對用戶對流量的需求。所以，流量是本系統(tǒng)的主要控制對象。但如上所述，流量的大小主要取決于揚程，但揚程難以進行具體測量和控制?？紤]到在動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力和用水需求之間的平衡關系有關：供水流量 Qg＞用水需求 Qu，則壓力上升(P 增加） ；供水流量 Qg＜用水需求 Qu，則壓力下降(P 下降） ；供水流量 Qg＝用水需求 Qu，則壓力不變(P 不變） 。由此可見，供水流量與用水需求之間的矛盾具體將反映在流體壓力的變化15上。因此，水管壓力可以作為控制流量大小的主要參變量。保持供水系統(tǒng)中某處壓力值的恒定不變，就可以保證了供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，就會很好處的滿足了用戶所需的用水流量。根據(jù)電機學交流電動機的轉速公式為：(2-1))1(60spfn??其公式中：f 是穩(wěn)壓器頻率、 p 是極對數(shù)、n 是轉速、s 是轉差率。從上式可以看出，當極對數(shù) p不變時，電機轉子的轉速與電源頻率戚正比，因此調節(jié)異步電機供電電源的頻率，也就可以連續(xù)平穩(wěn)地調節(jié)水泵電機的轉速。在變頻調速時， 、高速到低速都可以保持有限的轉差率，因而變頻調速具有高效率、高精度、調速范圍廣、平穩(wěn)性較高等優(yōu)點，調速性能可與直流電動機調速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調速是交流異步電機中一種比較合理和理想的調速方法，目前被廣泛地應用于對水泵電機的調速。在供水系統(tǒng)中，通常以流體流量為控制目的，目前常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。其中閥門控制法是通過調節(jié)閥門開度大小來調節(jié)流量，而水泵電機轉速保持不變。其通過改變水路中的阻力大小來改變流量大小，但是轉速調節(jié)時，需要多少水，就抽多少水，水泵的效率不變，但總處于最佳狀態(tài)。本系統(tǒng)主要硬件組成有壓力傳感器、變頻器、可編程 PLC、水泵機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設計任務是利用變頻器控制四臺水泵，來實現(xiàn)管網水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸。由 PLC和變頻器組成的恒壓控制方式靈活方便，便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，而且又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。整個系統(tǒng)由一臺 PLC，一臺變頻器，水泵機組（本系統(tǒng)為 4臺） ，一個壓力16傳感器，低壓電器及一些輔助部件構成。各部分功能如下：（1）水泵用來提高水壓以實現(xiàn)向高處供水；（2）壓力變送器安裝于供水管道出口上將管網水壓力轉換成電信號；（3）變頻調速器主要用于調節(jié)水泵轉速從而達到調節(jié)管網中水流量目的；（4）PLC 主要用于水泵的邏輯切換、控制等；（5）外圍輔助電路是當自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時隨時可以通過手工檔方式維持系統(tǒng)運行，以保障連續(xù)供水。（6）報警信號是當自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，具有報警作用。系統(tǒng)主要的設計任務是利用 PLC控制系統(tǒng)使變頻器循環(huán)控制 4臺水泵，實現(xiàn)管網出口水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，而且同時對運行過程中的數(shù)據(jù)信號進行傳輸，處理。通過壓力傳感器檢測管道壓力信號不斷反饋給變頻器，變頻器根據(jù)信號來自動調節(jié)所控制水泵的電機轉速，當變頻器所控制的水泵達到工頻時還不能滿足要求時在由 PLC自動把那臺水泵切換到工頻運行，變頻器自動切換到下一臺水泵使其軟啟動運行，當供水量減少時在自動進行切換，減少水泵運行臺數(shù)，實現(xiàn)自動控制。本系統(tǒng)設計時還考慮到水泵切換時電機的自感電動勢現(xiàn)象，各種連鎖保護及報警、應急措施。17用戶M壓力變送器變頻器P L C( 含 P I D )液位變送器水池水泵機組管網壓力信號報警信號水池水位信號圖 2-3系統(tǒng)總體框圖從整體框圖中，我們可以看出系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構、信號檢測、人機界面、以及報警裝置等部分組成。(1)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括 PLC系統(tǒng)、變頻器和電控設備三個部分。①PLC 系統(tǒng):它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號進行采集取樣，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施 PID控制算法，從而得出對執(zhí)行機構的控制方案，在通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構(即水泵)進行控制。②變頻器:它主要是對水泵進行轉速控制的單元。變頻器通過 PLC供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對水泵轉速的穩(wěn)定控制。③電控設備:它主要由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換等。18（2）信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測水壓信號反饋信息和系統(tǒng)報警信號。①水壓信號:反映了用戶管網的實際水壓值，是恒壓供水系統(tǒng)保持恒壓的關鍵反饋信號。②報警信號:監(jiān)測系統(tǒng)是否正常運行，水泵是不是過載、變頻器是否正常工作，是開關量信號。（3）執(zhí)行機構執(zhí)行機構就是一組水泵，使它們協(xié)調工作，通過控制系統(tǒng)的增減泵，保證用戶管網的水壓保持在恒定值附近。（4）報警裝置一個自動控制系統(tǒng)，離不開報警裝置。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，安全運行，防止水泵過載、變頻器異常、水源中斷、泵站內溢水等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，經 PLC收集判斷，從而進行各種顯示和保護動作控制，維護系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 2.3 供水系統(tǒng)的控制流程系統(tǒng)流程圖如圖 2-4所示。變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中壓力傳感器將主水管網壓力信號轉換成電信號再經 PID一系列的運算后將結果送給變頻器，并給出信號控制水泵電動機的轉速和水泵水量來保證管網的壓力穩(wěn)定，壓力值和參數(shù)設定都可以由人機界面完成。主要由 PLC、變頻器、壓力變送器、水泵機組等構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器的上、下限頻率信號及其持續(xù)時間長短可作為 PLC進行邏輯切換、起停泵的依據(jù)。水泵在起動時的急轉和突然停機時的水錘現(xiàn)象19往往會造成管道松動和破裂，嚴重的話可能造成電動機的損壞，但水泵采用變頻器調速后，可以根據(jù)實際的需要，實現(xiàn)水泵的軟啟和軟停，從而使急扭及水錘現(xiàn)象得到解決。可以避免水泵長期滿負載狀態(tài)，減緩老化，也具有節(jié)能的作用，節(jié)電率一般在 15%—40%之間。圖 2-4變頻調速恒壓供水系統(tǒng)流程圖如圖 2-5所示為電控系統(tǒng)主電路。四臺電機分別為 MA1、MA2、MA3 、MA4，接觸器 QA1、QA3、QA5、QA7，分別控制四臺電機的工頻運行。接觸器QA2、QA4、QA6、QA8 分別控制四臺電機的變頻的運行，F(xiàn)R1、FR2、FR3，F(xiàn)R4，分別為四臺電機的過載保護用的熱繼電器；QA10、QA20、QA30、QA40、QA50，分別為變頻器和四臺水泵電動機的主電路的隔離開關；QA0 為主電源的電路總開關，VVVF 為本設計所選的變頻器。20圖 2-5 主電路電器原理圖21增泵工作過程：假定增泵順序為 l、2、3、4 始時，1 泵電機在 PLC控制下先投入調速運行，其運行速度主要由變頻器調節(jié)。當供水壓力小于壓力設定值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉速上升，反之則下降。當變頻器的輸出頻率達到上限，并穩(wěn)定運行后，如果供水壓力仍沒達到設定值時，就需進入增泵過程。在 PLC的邏輯控制下將 1泵電機與變頻器連接的電磁開關斷開，1 泵電機直接切換到工頻運行，同時變頻器與 2泵電機連接，控制 2泵進行調速運行。如果還沒到達設定值，則繼續(xù)按照以上步驟將 2泵切換到工頻運行，控制 3泵投入變頻運行，還沒達到要求時，則將 3水泵切換到工頻，4 水泵投入變頻運行。減泵工作過程：假定減泵順序依次為 4、3、2、1 泵。當供水壓力大于設定值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限，并穩(wěn)定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于設定值時，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調速運行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當將最后一臺正在運行的水泵置于低速運行。223 水泵機組選型3.1 選型基本要求工作水泵型號和臺數(shù)的選擇，應根主要據(jù)用水量變化，要求的水壓大小，機組的效率和功率因素等確定。水泵和電動機是供水系統(tǒng)的能耗重要組成部分，水泵選擇恰當與否和能耗費用有很大的關系。但選泵時應先要滿足供水系統(tǒng)的要求:(1)水泵揚程應略大于實際供水高度；(2)水泵機組最大流量應大于實際最大供水量；(3)水泵能力足以供應最高用水量時的用水量，揚程應在該泵特性曲線的高效工作區(qū)內，以減少耗電量；(4)水泵構造應使泵站內管線簡單，以減少供水的沿程壓力，局部壓力損失；(5)盡量滿足安裝管理方便。3.2 容量的確定設某學校公寓共有 5棟樓，均為 7層，每層 20間，總間數(shù) 5*7*20=700間。樓宇總最大高度約為 32米。 （1） 經過我調查分析，用水量主要分三個階段。(1)最大用水量；(一間 10桶/h)(2)基本用水量；(一間 5桶/h)(3)最少用水量；（一間 1桶/h)（2） 、宿舍的調查（現(xiàn)取平均值，單間公寓宿舍平均住 4人）：N=5*7*20*4=280023（3）5 棟公寓宿舍總共日用水量統(tǒng)計如下（以小時為單位）：1、最大用水量=10 桶 *0.02 m* 700 間=140 m ／h、3基本用水量=5 桶* 0.02 m *700間=70m ／h、最少用水量=1 桶 0.02m * 3700間=14 m ／h 3經上統(tǒng)計，學校公寓日用水量制成表格如下：24表 3-1 水量使用情況表為了計算方便，現(xiàn)取這些用水點日用水量為最大用水量的 2%，時段 用水量（單位：m ／h）3 備注0：00-1:00 70 基本用水量1:00-2:00 70 基本用水量2:00-3:00 14 最少用水量3:00-4:00 14 最少用水量4:00-5:00 14 最少用水量5:00-6:00 14 最少用水量6:00-7:00 70 基本用水量7:00-8:00 140 最大用水量8:00-9:00 70 基本用水量9:00-10:00 70 基本用水量10:00-11:00 70 基本用水量11:00-12:00 70 基本用水量12:00-13:00 140 最大用水量13:00-14:00 70 基本用水量14:00-15:00 140 最大用水量15:00-16:00 70 基本用水量16:00-17:00 70 基本用水量17:00-18:00 140 最大用水量18:00-19:00 70 基本用水量19:00-20:00 70 基本用水量20:00-21:00 70 基本用水量21:00-22:00 140 最大用水量22:00-23:00 70 基本用水量23:00-0:00 70 基本用水量25即：140m /小時* 2%=2.8m ／h 3因此我們可以得出，在高峰期校園公寓的最大用水量為（單位：m ／h)：3q=140+7=142.8m ／h3在計算揚程時一般以供水區(qū)域內最高建筑物的高度作為依據(jù)，理論上若0.1MP 可以獲得約 10米的揚程，一般要求泵的額定揚程 為其計算所得的裝置的最大揚程 的 1.1~1.15倍。校園公寓相對水泵的最大的高度約為 32米，因此H0=1.15×32=36.8m因此所需要的供水壓力約為 0.368MPa3.3 水泵型號確定（1）水泵的有效功率 Pu確定：泵在單位時間內對液體所做有用功即泵的輸出功率，稱為有效功率（單位為 kW） 。它和流量、揚程的關系如下其式中 為液體密度（單位為 kg/m ） ；g 為重力加速度（9.81m/s 2 ） ；q3為泵的流量（單位為單位為 m3 /h） ；H 為泵的揚程。由于一般要求泵的額定流量 為其計算所得的裝置的最大流量的 1.1~1.15倍。( q=1.15*142.8/3600=0.0456m ／s)則計算得：3Pu=16.46 kw（2）軸功率 Pa泵在一定的流量和揚程工作時，電動機輸送給泵軸的功率，即輸入泵的功率，又稱泵的輸入功率。（3）泵的效率確定：26一般小型泵的效率為 0.6～0.7，而大型泵可達 0.8～0.9。根據(jù)泵房大小和安裝要求，我們選擇小型泵 ，因此取泵的效率為 0.6 來進行計算，則軸功率為 27.43kwPu/a??（4）電動機總功率 Pg=Pa×（1.1～1.2）Pg=27.43×1.2=32.91kw綜上所述，我們選用 4臺功率為 11KW的電機進行工作。三臺工作和一臺備用（5）電機型號的確定根據(jù)我們的安裝條件和實際情況需求，以及對比《電機選型及參數(shù)手冊》可得四臺 11kw的電機型號為 y160m1-2.表 3-2 電機參數(shù)表%10Pau???27（6）泵的型號的確定:對于 11kw的電機所搭配的泵，同理我們可以讀出如下數(shù)據(jù)，由此表對比可以得出：對于 11kw的電機所搭配的泵的型號為：80LG50-20×2表 3-3 泵參數(shù)表 型號 流量 揚程 轉速 軸功率 功率 效率 葉輪外徑50LG24-20×4 24 80 2950 7.58 11 69 13450LG24-20×5 24 100 2950 9.47 11 69 13480LG50-20×2 50 40 2950 7.26 11 75 13580LG50-20×3 36 60 2950 8.11 11 72.5 136284 變頻器的選型4.1 變頻器簡介變頻器是把工頻電源變換成各種頻率的交流電源，從而以實現(xiàn)對電機的變頻調速。變頻器主要包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成。其中控制電路完成對主電路的控制作用，整流電路的作用是將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關方式分類，可以分為 PAM控制變頻器、PWM 控制變頻器和高載頻 PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為 V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 目前變頻器的總體發(fā)展趨勢向結構的小型化，專用化，網絡化，高水平的控制等方向發(fā)展。4.2 變頻器的 確定在交流變頻器中使用的控制方式主要有 V/f 協(xié)調控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等方式。 (1) V/f 控制 V/f 控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，在改變電源頻率而進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器都采用這種控制方式。V/f 控制變頻器結構非常簡單，直接可以改變頻率到達控制速度的目的，但不能達到很高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。但在一般精度不高的場所都使用此類控制方式。 (2) 轉差頻率控制 29轉差頻率控制是一種直接控制轉矩的控制方式，是在 V/f 控制的基礎上，按照電動機的實際轉速對應的電源頻率，根據(jù)得到的轉矩來調節(jié)變頻器的輸出頻率，使電動機具有對應的輸出轉矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性。但其復雜，一般用于精度要求高的地方。 (3) 矢量控制 矢量控制通過控制電動機定子電流的大小和相位，從而達到對電動機的勵磁電流和轉矩電流分別進行控制，進而控制電動機轉矩。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，達到各種不同的控制目的。(4) 直接轉矩控制 直接轉矩控制是利用空間矢量坐標的概念，定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，通過檢測定子電阻來觀測定子磁鏈的目的，省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也可以輸出 100%的額定轉矩，對于多拖動具有負荷平衡功能，成本較高，所以一般用于高精度場所。(5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實際中的應用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應用中，就成功的用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 控制方式是決定變頻器使用性能的關鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，選用變頻器時不一定檔次越高越好，只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經濟實惠。當一臺變頻器控制驅動多臺電機時，最佳選擇 U/f的控制模式，下表中參數(shù)供選用時參考。30控制方式U/f=C控制電壓空間矢量控制矢量控制 直接轉矩控制反饋裝置不帶 PG帶 PG或 PID調節(jié)器不要 不帶 PG帶 PG或編碼器速比 I 150%~200%靜態(tài)速度精度/%±（0.2~0.3）±（0.2~0.3） ±0.2 ±0.2 ±0.02 ±0.2適用場合一般風機、泵類等較高精度調速，控制一般工業(yè)上的調速或控制所有調速或控制伺服拖動、高精傳動、轉矩控制負荷起動、起重負載轉矩控制系統(tǒng)，恒轉矩波動大負載表 4-1控制模式參數(shù)表 故綜上所述選擇 U/f=C 為變頻器的控制方法變頻器的容量確定變頻器的容量關系到變頻調速系統(tǒng)的運行可靠性，因此合理的容量將保證最優(yōu)的投資。當一臺變頻器控制多臺電動機時，變頻器的容量應比多臺電動機容量之和都要大，變頻器的總容量的原則是變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅動的電動機的功率和電流。因為變頻器的過載能力遠沒有電機的過載能力強，一旦電機過載，損壞的首先將是變頻器。以下給出了從電流、效率、計算功率等三種基本的容量選擇方法;1、從電流的角度考慮31大多數(shù)變頻器容量都可從三個角度選擇：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。在選擇變頻器時，變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。其重要的是，在確定變頻器容量前應了解設備的工藝情況以及電動機各參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，同時它允許短時處于堵轉工作狀態(tài)，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應保證在無故障狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。 2、從系統(tǒng)效率方面系統(tǒng)最終效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有當兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：（1）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適。（2）當變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率。（3）電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。（4）經測試，電動機實際功率確實有富余，也可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器。（5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調整節(jié)能程序的設置，以利達到較高的節(jié)能效果。3、從計算功率的角度對于連續(xù)運轉的變頻器必須同時滿足以下 3 個計算公式：(1)滿足負載輸出：Pcn≥P m／η (3.1)(2)滿足電動機容量：Pcn≥√3KU eIe cosφ ×10 -3 (3.2)(3)滿足電動機電流：Icn≥KIe (3.3)式中 Pcn 為變頻器容量（單位 kW），P m--負載要求的電動機軸輸出功率（單位 KW）， U 為電動機額定電壓（單位 V），Ie 為電動機額定電流（單位32A），η 為電動機效率（通常約為 0．85），cosφ 為電動機功率因數(shù)（通常約為0．75），k 是電流波形補償系數(shù)（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應有所增加，通常 K 約為 1．05～1．1）。將本系統(tǒng)參數(shù)帶入求得 Pcn=12.9kw ，Icn=23.98A 所取變頻器三墾SAMCO-vm05-11k 額定容量為 16.6kw,額定電流為 24A 的變頻器。該變頻器采用 V/f 分離與自由的 V/f 圖形功能，完全應對各類電機的特殊要求，具有自動節(jié)能運行功能、 低電壓補償功能，隨時應對惡劣的電網環(huán)境、 超強通訊功能，應對多種總線需求、具備輸入、防止電源斷線損壞，變頻器標準的內置PID 反饋控制功能。4.3 變頻器外圍設備選擇1、斷路器變頻器需要檢修時，或者因某種原因而長時間不用時，將 QF 切斷，使變頻器與電源隔離。當變頻器輸入側發(fā)生短路等故障時，過電流，電源電壓過低時進行保護。選擇主要原則如下：(1)變頻器在剛接通電源的瞬間，對電容器的充電電流可達額定電流的（2-3）倍；(2)變頻器的進線電流是脈沖電流，其峰值?？赡艹^額定電流；(3)變頻器允許的過載能力為 150%，1min。為了避免誤動作，斷路器的額定電流 應選：QNI=24*1.4 =33.6A (3.4)NQNII)4.1~3(?其中 為變頻器的額定電流。故選擇斷路器額定電流選擇 QF=40A。2、接觸器(1)主要作用：可通過按鈕開關方便地控制變頻器的通電與斷電；變頻器發(fā)生故障時，可自動切斷電源。(2)選擇原則：33接觸器選擇主要考慮電動機在工頻的啟動情況，其觸點電流可以按電動機的額定電流在加大一個檔次來選擇，由于接觸器自身并無保護功能，不存在誤動作的問題，故選擇原則是主觸點的額定電流 =33.6 即可，可以選擇主NKI?觸點額定電流為 35 的接觸器。3、制動電阻 準確計算制動電阻值十分麻煩，在實際工作中基本不用。許多變頻器的使用說明書上給了一些計算方法，也有的直接提供了供用戶選用的制動電阻的規(guī)格。但按說明書上選擇電阻時須注意下面問題，變頻器生產廠家為了減少制動電阻檔次，常常對若干種不同容量的電動機提供相同阻值和容量的制動電阻。選用時，應注意根據(jù)生產機械的具體情況進行調整。對同一擋中電動機容量較小者，制動轉矩與額定轉矩的比值偏大。為了減小能量的消耗，應根據(jù)制動過程的緩急程度以及飛輪力矩的大小，考慮能否選擇阻值較大的制動電阻。對同一擋中電動機容量較大者，制動轉矩與額定轉矩的比值偏小。在一些飛輪力矩較大，又要求快速制動的場合，或者如起重機械那樣，需要釋放位能的場合，上述制動電阻有可能滿足不了要求，靠考慮選擇阻值較小的一擋制動電4、壓力傳感器壓力傳感器作用是通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成 4～20mA 變化的電流信號或 0～5V 間變化的電壓信號與標準信號進行 PID調節(jié)，經運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得出一個調節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網中的壓力保持在給定壓力上。根據(jù)用水量的大小由 PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調速，實現(xiàn)恒壓供水。 壓力傳感器采用 CY-YZ-1001 型絕對傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應原理實現(xiàn)壓力測量的力-電轉換。傳感器由敏感芯體和信號調理電路組成，當壓力作用于傳感器時，敏感芯體內硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術指標的要求。傳感器的量程為340～2.5MPa，工作溫度為 5℃～60℃，輸出電壓為 0～5V，供電電源在 28V 左右，適合作為本系統(tǒng)的反饋信號供給 PLC。下列為 CY-YZ-1001 實物圖：5、安裝與配線注意事項（1） 變頻器的輸入端 R、S、T 和輸出端 U、V 、W 是絕對不允許接錯的，否則將引起兩相間的短路而將逆變管燒壞。（2） 變頻器都有一個接地端子“E” ，用戶應將此端子與大地相接。變頻器與其他設備，或多臺變頻器一起接地時，每臺設備都必須分別和地線相接，不允許將一臺設備接地端和另一臺設備的接地端相接后接地。（3） 在進行變頻器的控制端子接線時，務必與主動線分離，也不要配置在同一配線管內，否則可能產生誤動作。（4） 壓力設定信號線和來自壓力傳感器的反饋信號線必須采用屏蔽線，屏蔽線的屏蔽層與變頻器的控制端子 ACM 連接；屏蔽線與另一端的屏蔽層懸空。355 可編程控制器(PLC)5.1 PLC 的定義及特點在 PLC 的發(fā)展過程中，美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）經過 4 年的調查，于 1987 年的 2 月頒布了第三稿。終于對可編程控制器做如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字式運算操作電子裝置。專為工業(yè)環(huán)境設計。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，并實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、計數(shù)、計時和算術運算功能，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械的生產過程；而有關的外圍設備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充功能的原則設計。PLC 的主要特點如下：1、可靠性為提高抗干擾能力，PLC 在硬件和軟件方面都采取了許多措施，在電子線路，機械結構以及軟件結構上都吸取了許多生產廠家的生產控制經驗，主要都采取大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路，I/O 系統(tǒng)設計有著完善的通道保護和信號調理電路，結構上，在耐熱、防潮、防塵等都有周到的考慮，而在硬件上，采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施，在軟件上、采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施，采用信息保護和恢復技術，以及實施報警和運行信息顯示等，PLC 采用微電子技術，大量的開關動作都由無觸點的電子儲存器件來完成，所以這些措施都可以使 PLC 的抗干擾能力和可靠性大大的提高。2、I/O 模塊36按 PLC 的 I/O 點數(shù)的多少可以將 PLC 分成三類，小型機、中型機和大型機。小型機的 I/O 點數(shù)一般在 128 點以下，具有較強的通信能力和一定量的模擬量處理能力。中型機 I/O 的點數(shù)在 128—2048 點之間，具有極強的開關量邏輯控制功能，和強大的通信聯(lián)網功能和模擬量處理能力。而大型機 I/O 點數(shù)則在2048 點以上。其性質已經和計算機相當，具有計算、控制、調節(jié)功能，具有強大的網絡結構和通信聯(lián)網能力和冗余能力。PLC 還針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如： 交流或直流； 開關量或模擬量； 電壓或電流； 脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如： 按鈕 行程開關 接近開關 傳感器及變送器 電磁線圈 控制閥直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網絡，它還有多種通訊聯(lián)網的接口模塊，等等。3、整體和模塊式結構微型和小型的 PLC 一般為整體式，整體式的結構特點是將 PLC 的基本部件，如 CPU 板，I/O 接口，電源板等緊湊的安裝在一個標準機殼內，構成一個整體，組成 P