PLC控制变频器的恒压供水系统的设计剖析.pdf
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1、1 PLC 控制变频器的恒压供水系统的设计 摘要 随着电力技术的发展, 以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压 力罐等供水设备, 起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的 冲击;由于泵的平均转速降低, 从而可以延长泵和阀门等器件的使用寿命;可以消除起动和 停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能, 使供水实现节水、 节电、节省人力并最终达到高效率的运行目的。本文介绍了采用 PLC控制 的变频调速供水系统, 由 PLC进行逻辑控制, 由变频器进行压力凋节。 在通过 PLC控制变频 器,实现闭环自动调节恒压变量供水。运
2、行结果表明,该系统具有压力稳定,结构简单,工 作可靠等特点。 第一章绪论 1.1 引言 水是生命之源, 人类生存和发展都离不开水。 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。 随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高,变频恒压供水系统 已逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于多层住宅小区生活供水系统。然而,由于新系 统多会继续使用原有系统的部分旧设备(如水泵
3、),在对原有供水系统进行变频改造的实践 中,往往会出现一些在理论上意想不到的问题。本文介绍的变频控制恒压供水系统,是在对 一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中,根据尽量保留原有设备的原则设计的,该系统 很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题,既体现了变频控制恒压供水的技术优势,同时有 效的节省了资金。 1.2变频器恒压供水系统简介 1.2.1 变频恒压供水的现况 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、压频比控制及 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
4、足供水量大小 需求不同时, 保证管网压力恒定, 需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器,对压力进 2 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。 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,像日本 SAMC 公司,就推出了恒压供水基板,备有“变频泵固定方式”, “变频泵循环方式” 两种模式。它将PID调节器和 PLC 可
5、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7台电机 (泵)的供水系统。这类设备 虽微化了电路结构, 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 ( 如BA 系统)和组态软件难以实现数据通信,并且限制了带 负载的容量,因此在实际使用时其范围将会受到限制。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程,大多采用国外的变频器控制水泵的转 速,水管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)
6、及相应 的软件予以实现 ; 有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。艾默 生电气公司和成都希望集团( 森兰变频器 ) 也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-22kW), 无需外 接PLC 和PID调节器,可完成最多 4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。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。 可以看出,目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设
7、计中,对于能适应不同 的用水场合,结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC) ,的变 频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此,有待于进一步研究改善变频恒压供水系 统的性能,使其能被更好的应用于生活、生产实践。 1.2.2 变频供水系统应用的范围 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)小区供水变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、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. 如希望集团 ( 森兰
8、变频器 ) 推出的恒 3 压供水专用变频器。 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 135kw到320kw 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、 机组多、多数采用高压 变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高, 多数采用了国外进口变频器和控制系统。 如利德福华的一些高压供水变频器 在本文中,研究和设计的变频器是以第一种应用范围为基础。 1.
9、2.3 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。同时维护操作也越来越简明显偏高,维护成本也高于国内产品。 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。 第二章
10、恒压供水的设计的控制要求 (1)有三台水泵,按设计要求两台运行,一台备用,自动运行时泵运行累计10H 轮换一次,手动时不 切换; (2)用水高峰1 台工频全速运行,1 台变频器运行。用水低谷时,一台变频器运行。 4 (3)切换后起动和停电后起动须5s 报警,运行异常可自动切换到备用泵,并报警; (4)三台水泵分别由M1 、M2,M3 电动机拖动,由KM1 、KM3. KM5 变频控制; KM2,KM4,KM6 全速控制, (5)变频器(使用三菱FR-A540 ),调节电动机的转速; (6)水压在010kg 可调,通过触摸屏(使用三菱F940 )输入调节; (7)触摸屏可以显示设定水压、实际水压
11、、水泵的运行时间、转速、报警信号等; (8)变频器的其余参数自行设定。 (9)试验时, KM1,KM3,KM5可并起接变频器与电动机,KM2,KM4,KM6不接入,用指示灯代替。 第三章变频恒压供水系统主要硬件设备的设计 2.1 可编程控制器 (PLC) 2.1.1 PLC 的定义及特点 在 PLC的发展过程中,美国电气制造商协会( NEMA )经过 4 年的调查,于 1980 年把这 种新型的控制器正式命名为可编程序控制器(Programmable Controller) ,英文缩写为 PC , 并作如下定义: “可编程序控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器来存储 指令,并实现
12、逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能,用来对各种机械或生产过 程进行控制。 PLC的特点如下: 1、高可靠性 (1) 所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上 隔离。 (2) 各输入端均采用 R-C滤波器,其滤波时间常数一般为1020ms. (3) 各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。 (4) 采用性能优良的开关电源。 (5) 对采用的器件进行严格的筛选。 (6) 良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU 立即采用有效措施, 以防止故障扩大。 (7) 大型 PLC还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三CPU 构成表决
13、系统 , 使可靠性更进一步 提高。 2、丰富的 I/O 接口模块 PLC针对不同的工业现场信号, 如: 交流或直流; 开关量或模拟量;电压或电流; 脉 冲或电位;强电或弱电等。有相应的I/O 模块与工业现场的器件或设备,如:按钮 行程 开关 接近开关传感器及变频器电磁线圈 控制阀直接连接。 另外为了提高操作性能, 它还 5 有多种人 -机对话的接口模块 ; 为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块, 等等。 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
14、,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。使用时只需将现场的各种设 备与 PLC相应的 I/O 端相连接, 即可投入运行。 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。 2.1.2 PLC 的工作原理 P
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