變頻調速控制柜設計

1、<p>　　******************* 畢業(yè)設計</p><p>　　專業(yè) 年級 </p><p>　　學號 姓名 </p><p>　　題 目 變頻調速控制柜的設計 </p><p>　　指導老

2、師： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次設計采用“一臺變頻器控制多臺水泵”的多泵控制系統(tǒng)。在這里利用PLC設計一套變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據管網瞬間壓力變化自動調節(jié)某臺水泵的轉速和多臺水泵的投入及退出，使管網主干管出口端保持在恒定的設定壓力值，并滿足用戶的流量需求，使整個系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。可

3、實現(xiàn)恒壓變量、雙恒壓變量等控制方式，多種啟?？刂品绞剑撓到y(tǒng)可以通過人意修改參數(shù)指令（如壓力設定值、控制順序、控制電機數(shù)量、壓力上下限、PID值、加減速時間等）；具有完善的電氣安全保護措施，對過流、過壓、欠壓、過載、斷水等故障均能自行診斷并報警。 </p><p>　　為保證小區(qū)的供水正常，利用PLC控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，按照用戶的需求按需調節(jié)水泵流量，根據夜間用水少可以只開一個小流量泵，并滿足用

4、戶的流量需求，使真?zhèn)€系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。</p><p>　　關鍵詞：變頻器；可編程控制器；恒壓供水 </p><p>　　Abstract </p><p>　　This design adopts \"one inverter control more water pump pump control system. Here u

5、sing the PLC design a set of variable frequency speed regulation constant pressure water supply system, the system can automatically adjust according to network instantaneous pressure change of a rotational speed of pump

6、s and water pumps more input and exit, pipeline ZhuGanGuan outlet in a constant set pressure value, and satisfy the user's demand, the whole system always maintain the best condition of high effi</p><p>

7、　　In order to ensure the village water supply is normal, the use of PLC control of frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system, in accordance with user requirements according to the nee

8、d to adjust the pump flow, according to the night less water can only open a small flow pump, and satisfy the user's demand, make the whole system always maintain the best condition of high efficiency and energy savi

9、ng.  </p><p>　　Keywords：Frequency converter; Programmable controller; Constant pressure water supply</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要……………………………………………………………………1

10、</p><p>　　第一章 引言…………………………………………………………4</p><p>　　1.1 應用背景和選題意義…………………………………………4</p><p>　　1.2 設計要求和內容 …………………………………………………5</p><p>　　第二章 系統(tǒng)的總體設計方案 ………………………………………7</p&

11、gt;<p>　　2.1 功能設定………………………………………………………7</p><p>　　2.2 總體結構關系……………………………………………………8</p><p>　　2.3 總體工作流程……………………………………………………9</p><p>　　第三章 系統(tǒng)主要硬件的選擇及應用………………………………11</p>&

12、lt;p>　　3.1 主要硬件的選擇………………………………………………11</p><p>　　3.2 水泵控制回路………………………………………………13 </p><p>　　3.3 變頻器的輸入輸出回路 ……………………………………14 </p><p>　　第四章 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計…………………………16</p>&l

13、t;p>　　4.1 變頻調速系統(tǒng)簡介………………………………………………16</p><p>　　4.2 變頻調速控制方式……………………………………………16</p><p>　　4.3 控制系統(tǒng)的電路設計…………………………………………17</p><p>　　第五章 系統(tǒng)的軟件開發(fā)…………………………………………22</p><p&g

14、t;　　5.1 PLC應用的開發(fā)步驟…………………………………………22</p><p>　　5.2 PLC的程序設計………………………………………………23</p><p>　　第六章 柜體設計………………………………………………………25</p><p>　　6.1. 尺寸要求……………………………………………………25</p><p>

15、　　6.2. 功能要求………………………………………………………25</p><p>　　6.3. 機柜的工藝性要求……………………………………………26</p><p>　　第七章 電氣布置圖的設計……………………………………………27</p><p>　　7.1低壓電器電控設備的布置原則……………………………………27</p><p>　

16、　7.2操縱器件的布置………………………………………………28</p><p>　　7.3其他器件的布置………………………………………………28</p><p>　　7.4全文總結…………………………………………………29</p><p>　　致謝……………………………………………………………31</p><p>　　參考文獻……………………

17、…………………………………32</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　隨著變頻技術的發(fā)展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質的供水質量等特點，廣泛應用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時

18、保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產品質量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追

19、求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設中成片開發(fā)、智能樓宇、網絡供水調度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。 </p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點: </p><p>　　(1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對

20、控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。 </p><p>　　(2)用戶管網中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網壓力的變化成正比，因此變頻調速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。 </p><p>　　(3)變頻調速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管

21、網結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。 </p><p>　　(4)在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認為，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。</p><p>　　§

22、1.1 應用背景和選題意義</p><p>　　近年來已被全國幾百家供水單位采用，均獲得良好的節(jié)能效果，深獲廣泛好評。</p><p>　　交流電機變頻調速技術是近年來發(fā)展起來的一項高新技術。主要原來是根據電機不同的負荷、工藝或轉矩要求，通過交流變頻調速器調節(jié)電動機的轉速，使其改變電機主軸的輸出特性。變頻調速技術應用于水泵風機等流體負載時，可使流體的流量、壓力根據實際需要自動恒壓或恒流量

23、調節(jié)。它比采用閥門、節(jié)流孔板調節(jié)流量或壓力節(jié)省電能，同時延長設備使用壽命，占地面積大，設備啟動頻繁，電流和水壓沖擊嚴重，設備維修量大等問題。    根據流體力學原理，水泵的流量與電機轉速出正比，壓力與電機轉速的平方成正比，所以風機水泵采用變頻調速技術后，節(jié)能效果比采用閥門控制壓力或流量的方法可節(jié)電40% ~ 50%，節(jié)水7%。    常規(guī)水泵大部分時間均在額定負荷下運行

24、，特別是自來水廠和居民區(qū)生活供水，其設計均按最大用水負荷選擇水泵，而每天24h用水負荷變化很大，在夜間用水量更少，采用變頻恒壓供水設備，可根據用水量的大小變化，自動調節(jié)水泵轉速，同時確保供水壓力恒定，不僅可節(jié)約大量能源，延長設備使用壽命，又解決了水源二次污染問題，是一種十分理想的高科技節(jié)能產品。</p><p>　　可編程序控制器(Programmable Logic Controller簡稱PLC)是60年代在

25、美國首先出現(xiàn)的，其目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能.在此基礎上，后來又增添了不少功能，如模擬量輸入/輸出，移位寄存，四則運算，PDD閉環(huán)回路控制，中斷控制，特殊功能函數(shù)，強制I/O等等，因而使功能更加完善、靈活，適于大規(guī)模的復雜控制系統(tǒng)。</p><p>　　PLC不但功能齊全，而且用戶使用也很方便，其標準的積木式硬件結構以及模塊化的軟件設計，使得它可以適應大小不同、功能繁復的控制要

26、求.PC采用電氣操作人員習慣的梯形圖與功能助記符編程，便于用戶十分方便地讀懂程序、編寫和修改。PC具有完善的監(jiān)視和診斷功能，移定性高，抗干擾能力強，可以適應惡劣的工業(yè)應用環(huán)境。</p><p>　　§1.2 設計要求和內容</p><p><b>　　變頻調速控制柜設計</b></p><p><b>　　一、設計課題<

27、;/b></p><p><b>　　變頻調速控制柜設計</b></p><p><b>　　二、設計要求</b></p><p><b>　　1．功能要求</b></p><p>　　1)有短路保護、過載保護、缺相保護、相序保護和防雷措施。要有電壓、電流、水壓以及電動機

28、各種運行狀態(tài)的指示。</p><p>　　2)兩臺電動機能分別實行手動或自動控制，手動、自動控制能夠切換。</p><p>　　3)通過變頻調速，使水壓穩(wěn)定在2．5MPa。</p><p>　　4)選擇相應的變頻器，設定合理的參數(shù)。</p><p><b>　　2．工藝要求</b></p><p>

29、;　　電器元件安裝時要排列有序，符合元器件的安裝工藝要求；導線及母線排的布置，也要符合各自的工藝要求。</p><p><b>　　3．對柜體的要求</b></p><p>　　所設計的柜體要在滿足使用功能要求的前提下，滿足尺寸要求和工藝要求(可選用標準柜)。</p><p><b>　　三、設備概述</b></p&

30、gt;<p>　　要求設計的控制柜的控制對象是某自來水廠兩臺55kW的三相交流異步電動機，型號為YLB250～1—4，其額定電流為96．8A，同步轉速為1500r／min，堵轉電流為677．6A，軸向負荷為28420N，用于恒壓供水，其水壓要求為2．5MPa。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)的總體設計方案</p><p><b>　　§ 2.1功能設定

31、</b></p><p>　　運行方式分為手動、全自動兩種。它們可以由一個按鈕操作，ON為自動方式，OFF為手動。在手動方式下，可以對控制水泵中的任意一臺進行啟動和關閉操作，該方式主要用于系統(tǒng)設計初期的測試，方便任一時期的檢修，以及緊急情況下的水泵控制，注意當有一臺水泵工作在變頻狀態(tài)時及有超壓信號時手啟泵無效，因為此時系統(tǒng)肯定已經能夠滿足控制要求，增開泵屬于無理操作，所以系統(tǒng)不響應用戶要求。任意時刻的

32、停泵要求系統(tǒng)都應該響應，否則不能滿足緊急情況下的停泵要求。而整個系統(tǒng)本身正常狀態(tài)下的運行主要采用全自動方式，使供水系統(tǒng)高度自動化，這也是系統(tǒng)開發(fā)的目的之一。在全自動方式下，按下啟動按鈕，系統(tǒng)就能自動賦初值，根據用水量的變化自動調節(jié)水泵轉速和運行臺數(shù)，確定每臺泵的具體工作狀態(tài)，使達到最優(yōu)配置。另外，全自動方式下，系統(tǒng)應該能夠判斷出變頻器是否正常，從而自動選擇采用哪一種運行方式（全自動工頻運行方式或全自動變頻運恒壓方式）。</p>

33、;<p>　　要對管網水壓進行實時數(shù)據采樣，信號直接送變頻器或者經A/D轉換后送PLC，從而實現(xiàn)對管網壓力的閉環(huán)控制。采樣點可以選擇在水泵的出口管道處，這樣比較方便且傳送距離比較近，壓力信號基本不失真；采樣點也可以選擇在管道最不利點處（一般是指供水的最高樓層），這樣壓力傳感器傳送距離比較遠，如果不采樣取其它措施的話，信號的失真度比較大，如果采取保真措施的話，成本提高，但是選擇最不利點有一個優(yōu)勢就是節(jié)能效果比較好。</

34、p><p>　　管網水壓參數(shù)的設定。給定參數(shù)值 P=2.5Mpa，</p><p>　　硬件的選擇要留有余地，特別是PLC的I/O點數(shù)和內部繼電器數(shù)，為以后的功能擴展和系統(tǒng)升級做好準備。</p><p>　　5.要對變頻器的運行情況進行監(jiān)測，還有供水池的水位、水泵的轉速、管網壓力都進行監(jiān)控，對于危險情況要設置報警信號，并自動作出反應，切除危險源，防止危險擴大。</

35、p><p>　　6.要具有多機的通信功能。要為以后的多臺機子的聯(lián)合控制作好準備，并為以后的拓展為在局域網絡下運行留有余地。</p><p>　　7. TD-200作為人機界面，要能夠完成簡單的人機交流，如系統(tǒng)的運行狀況監(jiān)控、初值的改變、參數(shù)的改變等。應該做到系統(tǒng)正常運行時或修改一些常用的參數(shù)時，工作人員和PLC的工作交流都能夠通過TD-200進行，而不需要經常性的用攜編程器或計算機對PLC進行

36、修改。</p><p>　　§2.2總體結構關系</p><p>　　由壓力調節(jié)器、變頻器、水泵組、水壓力傳感器等組成恒壓變頻調速系統(tǒng)。壓力傳感器輸出信號Vpf經過放大后送至壓力調節(jié)器PT，將Vpf與壓力設定值Vpg比較，對比較得出的電壓差進行PI運算，并以此結果控制變頻器輸出頻率。當壓力傳感器的信號發(fā)生變化時，系統(tǒng)可通過壓力調節(jié)器控制變頻器的輸出頻率，從而改變水泵的轉速，達到管

37、道水壓恒定的目的。由于變頻器具有軟啟動功能，因此，壓力調節(jié)器在PI作用下輸出信號的階躍變化不會引起變頻器輸出頻率的突變，從而避免了對變頻器自身的電流沖擊。當壓力傳感器反饋值Vpf與設定值Vpg相等時，變頻器輸出頻率f就會保持一個恒定值，即系統(tǒng)運行在穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　本系統(tǒng)采用PLC可編程控制和變頻器調速兩層控制的結構。PLC負責按鈕、模擬信號和其它開關量信號的輸入，以及發(fā)出信號去控制接觸器、變頻器等

38、電氣元件，進而控制水泵的運轉及整個系統(tǒng)的正常運行。另外PLC還負責各自異常情況的處理。而變頻器則主要負責控制當前電機轉速，使轉速的變化能跟隨水量的變化，實現(xiàn)恒壓的閉環(huán)控制。也就是說，PLC是宏觀調控，變頻器則微觀調控，兩者緊密結合共同完成系統(tǒng)的變頻恒壓控制任務。系統(tǒng)開始運行后，PLC給變頻器FWD信號，使變頻器RUN，變頻器則給PLC提供超壓、欠壓、變頻器故障三種信號，PLC根據這三種信號進行處理，輸出控制信號。TD-200則負責對PL

39、C的運行狀況進行監(jiān)測，它只是個人機界面，方便了操作員對PLC進行操作和控制。所以，在本系統(tǒng)中，PLC是整個控制系統(tǒng)的核心部件，TD-200則是作為輔助部件出現(xiàn)的，負責與外界的交流，變頻器是系統(tǒng)的執(zhí)行機構。它們之間的連接關系如圖所示：</p><p>　　§2.3總體工作流程</p><p>　　系統(tǒng)開始運行之前，應先把管壓參數(shù)SP賦給PLC、變頻器。按下全自動按鈕，系統(tǒng)開始運行，

40、PLC給變頻器RUN信號，然后判斷變頻器是否工作正常，若正常則采用全自動變頻恒壓控制方式，反之采用全自動工頻運行方式?，F(xiàn)在假設變頻器工作正常，系統(tǒng)開始運行，水泵1變頻零轉速啟動，壓力傳感器開始采樣，隨著PLC的不斷掃描，系統(tǒng)不斷輸入管壓信號的采樣結果，采樣結果通過模擬輸入輸出單元將模擬輸入值轉換為PLC可以接收的數(shù)字信號，另一路模擬信號作為反饋信號輸入變頻器模擬輸入端子，通過變頻器的PID控制，與目標值做比較，將偏差調整為零，也就是提高

41、或降低水泵轉速，使管網水壓達到目標值。如果一臺水泵額定轉速運行仍不能管網水壓達到設定值，將水泵1切換到工頻態(tài)運行，延時后變頻器的控制對象切換到水泵2，同時保持水泵1維持工頻運行，水泵2從零轉速開始運行，過程如上。在該種運行方式下，系統(tǒng)大部分時間是工作于其中一臺泵變頻運行進行微調，其它泵或工頻或停止的狀態(tài)。</p><p>　　如果變頻器不能正常工作，系統(tǒng)采用全自動工頻運行方式，泵1先工作在工頻狀態(tài)，壓力傳感器采樣

42、后送給PLC，看是否在控制區(qū)間內，若在，則系統(tǒng)狀態(tài)不變；否則改變狀態(tài)，超過區(qū)間上限則切除泵1，系統(tǒng)繼續(xù)壓力信號采樣，重新建立監(jiān)控區(qū)間。如此循環(huán)掃描，直至達到控制目的。</p><p>　　如果系統(tǒng)發(fā)生故障，則轉入故障處理程序。如果變頻器不能正常工作，則如上所述轉入工頻運行；如果其中一臺水泵發(fā)生故障，則切換該泵，其它泵正常運行。如果有其它報警信號（如水位不足），則轉入報警處理程序。</p><p

43、>　　第三章 系統(tǒng)主要硬件的選擇及應用</p><p>　　§ 3.1 主要硬件的選擇</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻控制柜、壓力傳感器、水泵等組成。變頻控制柜由斷路器、變頻器、接觸器、中間繼電器、PLC等組成。</p><p><b>　　供水系統(tǒng)選用原則</b></p><p>　?。?/p>

44、I） 蓄水池容量應大于每小時最大供水量。</p><p>　　（II）水泵揚程應大于實際供水高度。</p><p>　?。↖II）水泵流量總和應大于實際最大供水量。</p><p>　　變頻控制柜選型：用戶可根據供水量和供水高度確定水泵型號及臺數(shù)，然后對控制柜進行選型。</p><p><b>　　變頻器的選擇</b>&

45、lt;/p><p>　　配用ABB ACS600系列變頻器。ACS 600系列變頻器是ABB公司采用直接轉矩控制（DTC）技術，結合諸多先進的生產制造工藝推出的高性能變頻器。它具有很寬的功率范圍，優(yōu)良的速度控制和轉矩控制特性,完整的保護功能以及靈活的編程能力，較高的可靠性和較小的體積。</p><p>　　主要技術數(shù)據：　　·功率范圍：2.2-3000kW　

46、·電源電壓：380/400/415/440/460/480/500VAC 3相±10%； 　　·電源頻率：48-63Hz　　·控制連接：2個可編程的模擬輸入（AI）；1個可編程的模擬輸出（AO）；5個可編程的數(shù)字輸入（DI）；2個可編程的數(shù)字輸出（DO）?！　?#183;連續(xù)負載能力：150% In，每10分鐘允許1分鐘　　·串行通訊能力：標準的RS

47、—485接口可使變頻器方便地與計算機連接?！　?#183;保護特性：過流保護、I2t、過壓保護、欠壓保護、過熱保護、短路保護、接地保護、欠壓緩沖、電機欠/過載保護、堵轉保護、串行通訊故障保護、AI信號丟失保護等?！　?#160;外型結構緊湊，安裝方便。產品經過多種電氣安全規(guī)范認證，符合GE、UL及質量認證體系ISO9001和ISO4001等?！　?#160;ABB變頻器獨特的直接轉矩控制（DTC）功能是目前最佳的電機控制方式，它可

48、以對所有交流電機的核心變量進行直接控制，無需速度反饋就可以實現(xiàn)電機速度和轉矩的精確控制。</p><p>　　ACS600變頻器內置PID、PFC、預磁通等八種應用，只需選擇需要的應用，相應的所有參數(shù)都自動設置，輸入輸出端子也將自動配置，這些預設的應用配置大大節(jié)約了調試時間，減少出錯。</p><p><b>　　（2）PLC的選擇</b></p>&l

49、t;p>　　采用西門子S7-200型。SIMATIC S7-200 可編程序控制器是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應用；大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應自動控制任務，各種單獨的模塊之泛組合以用于擴展；簡單實用的分散式結構和多界面網絡能力，使得應用十分靈活；方便用戶和簡易的無風扇設計；當控制任務增加時，可以自由擴展；大范圍的集成功能使得它的功能非常強勁?！　?#160;多種的性能遞增的C

50、PU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/O擴展模塊，使用戶可以完全根據實際應用選擇合適的模塊。當任務規(guī)模擴大，可隨時使用附加模塊對PLC進行擴展。　 應用范圍　　1. 該系統(tǒng)既可用于生產、生活用水，亦可用于熱水供應，恒壓噴淋等系統(tǒng)?！　. 可廣泛用于工業(yè)企業(yè)、生活、生產供水系統(tǒng)及企業(yè)自備并改造工程，自來水廠、生活小區(qū)及消防供水系統(tǒng)?！　. 可用于各種場合的恒壓、變壓、冷卻水和循環(huán)供水系統(tǒng)?！　.

51、 可用于污水泵站、污水處理及污水提升系統(tǒng)?！　. 可用于農業(yè)排灌、園林噴淋、水景和音樂噴泉系統(tǒng)?！　. 可用于賓館、大型公共建筑供水及消防系統(tǒng)?！　?. 技術指標　　a．最大供水高度：2</p><p>　　(2)水泵及電動機的選擇</p><p>　　兩臺55kW的三相交流異步電動機，型號為YLB250～1—4，其額定電流為96．8A，

52、同步轉速為1500r／min，堵轉電流為677．6A，軸向負荷為28420N，用于恒壓供水，其水壓要求為2．5MPa。查手冊選IS200-150-350型水泵。</p><p>　　(3) 壓力傳感器的選擇</p><p>　　由于每種應用都有其各自的特點，因此，必須在選擇過程中充分考慮整個系統(tǒng)的各方面影響。確定壓力源的輸入，希望的輸出和各種相關的操作條件。安裝位置和方向，與壓力源的遠近程

53、度、導線應力、接口和壓力連接、確定封裝形式能承受的沖擊性能和影響的精度范圍。在受溫度波動影響的測量過程中，必須有更高級的傳感器用于補償和校準偏移量，如此才能消除材料產生的溫度系數(shù)。諸如濕度和污染等周圍環(huán)境。精度方面的權衡結果是通過微處理器控制某些特性并消除不希望的結果。系統(tǒng)組成（如電源、放大器、A/D轉換器、控制電路）與傳感器模擬輸出信號的兼容性必須達到希望的解決方案和全部設計的精度。</p><p>　　

54、67;3.2 水泵控制回路</p><p>　　生活給水設備，一般可分為匹配式和非匹配式。非匹配式供水設備的特點是水泵的供水量，總大于系統(tǒng)的用水量。但是需配置蓄水設施，如高位水箱、水塔等，利用高位水箱、水塔等向系統(tǒng)供水。當水箱、水塔中存儲的水處于低位時，水泵啟動，向水箱、水塔中供水，當水箱、水塔中存儲的水處于高位時，水泵停止。通過循環(huán)往復的工作，向用水系統(tǒng)供水。</p><p>　　配式供

55、水設備的特點是供水量總是適應用水量的變化而變化，設有多余的水，也沒有蓄水設施（但需要有消防供水的除外）。應用變頻調速設備調節(jié)水量，就是一種完全匹配式的供水方式，它通過改變水泵電機的供電頻率，調節(jié)水泵的轉速，通過線儀表檢測出供水壓力并加以控制，以保證在用水量變化時，供水量隨之變化，實現(xiàn)供水量與用水量的相互搭配。它的優(yōu)點是省去了蓄水設備，也不用氣壓罐，增加了建筑物的建筑面積并減少了載荷，節(jié)約了電能。缺點是如果停電，則會停水，造成生活的不便。

56、</p><p>　　本系統(tǒng)采用單臺變頻器控制多臺水泵的控制方案適用于大多數(shù)供水系統(tǒng)，是目前應用中比較先進的一種方案?？刂葡到y(tǒng)的工作原理如下：</p><p>　　開始工作時，系統(tǒng)用水量不多，只有1號泵在變頻器控制下運行，2號泵處于停止狀態(tài)，當用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則1號泵電機的轉速也增加，當變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有1臺水泵工作已不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制

57、系統(tǒng)，1號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動2號泵電機，控制處于狀態(tài)2。</p><p>　　當用水高峰以后，用水量減少時，變頻器輸出頻率減少，若減少設定頻率時，表示只有一臺水泵已能滿足用水量的要求，此時，通過控制系統(tǒng)，可將1號泵電機停運，2號電機仍由變頻器電源供電，這時，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)3。</p><p>　　當用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，則2號泵電機的轉速也

58、增加，當變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有一臺水泵工作已不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)的控制，2號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動1號泵電機，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。</p><p>　　當控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4時，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減少到設定頻率時，表示只有一臺水泵工作已能滿足用水的要求，此時通過控制系統(tǒng)的控制，可將2號泵電機停運，一號泵電機仍由變頻器供電，這時，控制

59、系統(tǒng)又回到了狀態(tài)1，如此循環(huán)往復的工作，以滿足系統(tǒng)用水量的需要。</p><p>　　§ 3.3 變頻器的輸入輸出電路</p><p>　　本系統(tǒng)中的變頻器的輸入信號有兩種，一種是控制信號，它包括PLC輸出給變頻器FWD信號和壓力傳感器送來的壓力信號，F(xiàn)WD信號由PLC的YIC輸出，壓力信號是作為變頻器的PID單元的反饋輸入信號；另一種是輸入電源信號，本系統(tǒng)采用的三相380V的交

60、流電源。三相電流輸入連接在端子L1/R，L2/S，L3/T上。若采用三相輸入，則用主電路的電源端子L1/R，L2/S，L3/T通過線路保護用斷路器或帶漏電保護的斷路器連接至三相交流電源，不許要考慮連接相序。如果條件允許，還可以在電源電路中串入一個電磁接觸器，這樣就可以保證變頻器保護功能動作時能切除電源和防止故障擴大，以保證安全。盡量不要采用主電路電源ON/OFF的方法控制變頻器的停止和運行，應該用控制電路端子FWD、REV或者鍵盤面板上

61、REV、FWD和STOP鍵控制變頻器的運行和停止。</p><p>　　變頻器的運行要根據可編程控制器輸出Q1.0(DCOM1-DI2)是否閉合來確定,變頻器的停止要根據可編程控制器輸出Q0.7(DCOM1-DI1)是否閉合來確定。將變頻器的內部可編程繼電器RO1,RO2設定成頻率達到。相關參數(shù)設定如下表所示: </p><p><b>　　變頻器的參數(shù)設定</b>&

62、lt;/p><p>　　變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計</p><p>　　§ 4.1 變頻調速系統(tǒng)簡介</p><p>　　隨著電力電子技術的發(fā)展，電力電子器件的理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量、耐壓、特性和類型等方面得到了很大的發(fā)展。進入90年代電力電子器件向著大容量、高頻率、響應快、低損耗的方向發(fā)展。作為應用現(xiàn)代電力電子器件與微計算機技術

63、有機結合的交流變頻調速裝置，隨著產品的開發(fā)創(chuàng)新和推廣應用，使得交流異步電動機調速領域發(fā)生一場巨大的技術革命。目前自動恒壓供水系統(tǒng)應用的電動機調速裝置均采用交流變頻技術，而系統(tǒng)的控制裝置采用PLC控制器，因PLC不僅可實現(xiàn)泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字PID調節(jié)功能，可對系統(tǒng)中的各種運行參數(shù)、控制點的實時監(jiān)控，并完成系統(tǒng)運行工況的CRT畫面顯示、故障報警及打印報表等功能。自動恒壓供水系統(tǒng)具有標準的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位

64、機聯(lián)網，實現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調度、管理、監(jiān)控及經濟運行的手段。</p><p>　　變頻調速恒壓供水系統(tǒng)能實現(xiàn)水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今先進合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。</p><p>　　變頻調速恒壓供水技術是以保證用戶用水水壓恒定為目標，實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制調節(jié)。它由控制器、變頻器、壓力傳感器、

65、水泵構成。水泵啟動后，壓力傳感器向控制器提供控制點的壓力信號，當該點的壓力不等于設定值時，控制器通過調節(jié)變頻器的輸出頻率以改變拖動水泵的轉速來調節(jié)管道壓力。由于通過壓力傳感器將用戶水壓情況反饋到控制器，構成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此用戶水壓調節(jié)及時，波動較小，效果較好。</p><p>　　§4.2變頻調速控制方式</p><p>　　常見的變頻調速模式有兩種,一種是開環(huán)控制,另一種是

66、速度反饋控制,如下圖所示,本系統(tǒng)根據恒壓的控制要求,采用的是PID調節(jié)方式(內含于變頻器中)的閉環(huán)控制。</p><p>　　4.3 控制系統(tǒng)的電路設計</p><p>　　4.3.1 控制電路的設計原理</p><p>　　恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機調速裝置與可編程控制器(PLC)構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數(shù)

67、，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。根據以上原理，本系統(tǒng)的泵機原理圖及其控制回路如下所示：</p><p>　　4.3.2 主電路的設計</p>

68、<p>　　電氣控制系統(tǒng)主回路如圖所示，圖中M1、M2為兩臺電機，交流接觸器KM1-KM4控制兩臺電機的運行，KH1、KH2為電機M1、M2過載保護作用的熱繼電器，QF1、QF2、QF3、QF4分別為主電路、變頻器和兩臺泵的工頻運行空氣開關。</p><p>　　水泵的控制回路基本上采用通用的設計方法，三相電源引出后，先通過保險、空氣開關進行短路或過電流保護，其后接上接觸器，利用它來控制水泵的啟動和

69、停止，最后接上所用的三相異步電機和水泵。在水泵的出水口處必須設置逆止閥，防止水倒流，以保證水泵能夠從零轉速開始運行。有一點就是本系統(tǒng)中實驗采用的水泵（電動機）是220V/380V的三相異步電動機，既可以用380V的電源，也可以用220V的電源，若采用380V的變頻器輸出，則電機也必須選用380V的三相接入。</p><p>　　4.3.3 PLC的配置</p><p>　　本系統(tǒng)由SEI

70、MENS S7-200的CPU224，ABB ACS600系列7.5KW的變頻器和具有壓力顯示的PID調節(jié)器組成。系統(tǒng)占用PLC的4個輸入點,6個輸出點。具體分配如下：</p><p><b>　　PLC的I/O分配</b></p><p>　　利用變頻器的兩個可編程繼電器輸出端口R01和R02進行功能設定。當變頻器達到最高頻率時，R01的常開觸點R01B-R01C閉

71、合；當變頻器達到最低頻率時，R02的常開觸點R02B-R02C閉合。可以以此作為CPU224的輸入信號，判斷是否進行加泵和切泵。采用具有模擬量輸入/輸出的PID調節(jié)器，將壓力傳感器的信號（4-20mA或0-5V）送給調節(jié)器，調節(jié)器再將模擬量輸出給變頻器進行頻率調節(jié)</p><p>　　4.3.4 控制電路的設計</p><p>　　本系統(tǒng)的電氣控制線路如下圖所示，圖中，SA為手動/自動轉換

72、開關，KA為手動/自動中間繼電器，打在1位置為手動狀態(tài)，打在2位置為自動狀態(tài)，同時KA吸合。在手動狀態(tài)，可以按動SB1-SB4控制兩臺泵的起停。在自動狀態(tài)下，系統(tǒng)根據PLC的程序運行，自動控制泵的起停。HL1-HL5為各種運行指示燈，中間繼電器KA的常開觸點接I0.3，控制自動狀態(tài)時的起動。中間繼電器KA的兩個常閉觸點，接在兩臺泵的手動控制電路上，控制兩臺泵的手動運行。在自動狀態(tài)時，兩臺泵在PLC的控制下，能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。K

73、H1、KH2為兩臺泵的熱繼電器的常閉觸點，可對電機進行過流保護。</p><p>　　第五章．系統(tǒng)的軟件開發(fā)</p><p>　　§ 5.1 PLC應用的開發(fā)步驟</p><p>　　本系統(tǒng)的程序開發(fā)主要是PLC的程序開發(fā),采用的是根據系統(tǒng)的控制流程和控制目標,在計算機上先編輯好PLC軟件,然后傳給PLC的方法,所用軟件是由采用西門子提供在Windows操

74、作系統(tǒng)下的專門軟件STEP7一Micro/ WIN32，通過PC/PPI電纜與CPU224相連，來實現(xiàn)程序的上傳、下載及程序的調試等功能。PLC的應用設計,一般應按下述幾個步驟進行：</p><p>　　(1).熟悉被控對象</p><p>　　首先要全面詳細的了解被控對象的機械結構和生產工藝過程，了解機械設備的運動內容，運動方式和步驟，歸納出工作循環(huán)圖或狀態(tài)（功能）流程圖。</p&

75、gt;<p>　?。?）明確控制任務與設計要求</p><p>　　要了解工藝過程和機械運動與電氣執(zhí)行元件之間的關系和對電控系統(tǒng)的控制要求。例如機械部件的傳動與驅動，液壓、氣動的控制，儀表、傳感器的連接與驅動等。歸納出電氣執(zhí)行元件的動作節(jié)拍圖。</p><p>　?。?）制定電氣控制方案</p><p>　　（4）確定電控系統(tǒng)的輸入輸出信號</p

76、><p>　　（5）PLC的選型和硬件配置</p><p>　　選擇合適的PLC型號并確定各種硬件配置，本系統(tǒng)選定了德國西門子公司的S7-200系列的S7-200 CPU224。</p><p>　?。?）PLC元件的編號分配</p><p>　　對各種輸入輸出信號占用的PLC輸入輸出端點及其他元件進行編號分配，并設計出PLC的外部設計圖。<

77、;/p><p><b>　?。?）程序開發(fā)</b></p><p>　　用PLC廠家提供的專用軟件按照特定的規(guī)則，開發(fā)出梯形圖程序或語句表程序。</p><p>　　（8）模擬運行與調試程序</p><p>　　將開發(fā)好的程序傳入PLC中，再逐條檢查與驗證，并修改開發(fā)時的語法，數(shù)據錯誤，然后可以在實驗室里進行模擬運行和調試程

78、序。</p><p>　　§ 5.2 PLC的程序設計</p><p>　　5.2.1 程序的流程圖</p><p><b>　　第六章 柜體設計</b></p><p>　　6.1. 尺寸要求 </p><p>　　機柜為電氣元器件和各種附件提供必須的安裝空間，因而首先遇到的是尺寸

79、問題。由于工程設計和機柜本身配件的需要，對機柜的外形尺寸、安裝尺寸和某些互換尺寸必須作出一些規(guī)定，一般都以標準的形式加以規(guī)范。</p><p>　　外型尺寸mm（寬ⅹ高ⅹ深）=600ⅹ900ⅹ250 （一拖二）</p><p>　　=700ⅹ1800ⅹ400（一拖多臺）</p><p>　　注：15KW以上柜體按照泵的功率及臺數(shù)而定。</p><

80、p><b>　　6.2. 功能要求</b></p><p>　　機柜的功能要求包括產品的功能要求和機柜結構的功能要求這兩個方面。歸納起來大致有①電氣元器件及其附件的安裝要求；②外殼防護要求；③屏蔽和接地要求；④通風散熱要求；⑤人機學要求；⑥布線要求；⑦機柜的強度和剛性要求等。6.3. 機柜的工藝性要求</p><p>　　機柜的工藝性要求是指在滿足使用功能要求

81、的前提下，對機柜的總體及零件、部件制造的可行性和經濟性的要求，以及機柜滿足電氣設備裝配的工藝性和可維修性要求。   在設計一般的配電、控制柜時，柜體都可選用標準系列柜。對于非標準柜，可根據以上設計原則進行設計。為縮短設計時間、減少工作量、降低成本，原則標準柜。   跟據要求選擇標準ABB柜，產品代號NCK，主要尺寸為長700mm，寬400mm，高1700mm。此柜的柜門采用鍍鋅轉軸式鉸鏈與

82、構架相連，安裝、拆卸方便。柜體前后，頂面及兩端側的防護等級達到IP30，也可根據用戶的要求在IP20～IP40之間選擇。在柜體的下部、后上部和頂部均有通風散熱孔，使柜體在運行中形成自然通風道，有較好的散熱性能。柜體的頂蓋可在需要時拆除，便于現(xiàn)場主母線的裝配和調整。柜頂?shù)乃慕茄b有吊環(huán)，便于起吊、裝運。另外ABB柜的價格也比較適中，可以滿足我們的要求。</p><p>　　第七章 電氣布置圖的設計</p>

83、<p>　　7.1低壓電器電控設備的布置原則    在進行布置時應考慮到監(jiān)視、操作、連線及維修的方便，并應力求整齊美觀。設計要符合GB4720《電氣傳動控制設備   第一部分：低壓電器電控設備》中技術條件的規(guī)定。 </p><p>　　接觸器、繼電器的布置 控制柜、屏上繼電器、接觸器均應符合本身的安全要求。</p><p&g

84、t;　　噴弧距離較長的接觸器應布置在屏、柜的最上部，并保證噴弧距離，以免引起事故，有必要時，可增設阻隔電弧的設施。但應注意構架的機械強度及振動影響。大型元件可裝在屏、柜的下部。      在屏、柜的整個區(qū)域內均可布置中小型接觸器和繼電器，而手動復位繼電器則應布置在便于操作的部位，推薦布置在距地面700～1700mm的區(qū)域內。對噴弧區(qū)較大的電器，應布置在距地面1.7m以上的區(qū)域。元件的空間距離應

85、符合GB4720《電氣傳動控制設備  第一部分：低壓電器電控設備》的規(guī)定，即安裝在設備上的電器元件與另一個電器元件的導電部分之間；一個導電部件與另一個導電部件之間的爬電距離和電氣間隙，不得低于下表中的數(shù)據。 </p><p>　　布置元器件時，應留有布線，接線，維修和調整操作的空間距離，板前接線式元器件應大于板后接線式元器件的空間間距。</p><p>　　變頻控制柜

86、換氣排風設備圖</p><p>　　7.2操縱器件的布置 </p><p>　　控制柜的儀表板上只能安裝小型操縱器件，且一般布置在儀表板的下部。其他操縱器件推薦布置在柜、屏距地面700～1700mm的區(qū)域。布置時應按照操作順序由左到右、從上至下布置。    按鈕的排列：停止按鈕可放在一端或中間位置，在這個控制線路中按鈕的排列，如下圖 ：

87、 停止運行</p><p>　　7.3其他器件的布置 1）接線座   用于相鄰柜、屏間的連線時，宜布置在柜、屏的兩側；用于外部接線的接線座，宜布置在柜、屏下部。接線座布置在屏下時，不宜低于300mm，柜內布置時不應低于200mm。周圍需留有足夠的空間，以便于外部電纜的引入。 2）母線   母線應涂色表示相序、正極、負級及中性線。除安全接線需全

88、長標色外，其他允許在母線的題目處標示一段。主電路相序排列和顏色，以屏、柜的正視方向為準應符合規(guī)定。 </p><p><b>　　7.4全文總結</b></p><p>　　本文針對我國中小城市供水的特點，設計開發(fā)了一套簡單的基于PLC的變頻調速恒壓供水自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單臺變頻器實現(xiàn)兩臺水泵電機的軟起動和調速，摒棄了原有的自藕降壓起動裝置，同時把閥門控制和水泵

89、電機控制都納入自動控制系統(tǒng)。壓力傳感器采樣管網壓力信號經PID處理傳送給變頻器，變頻器根據壓力大小調整電機轉速，通過改變水泵性能曲線來實現(xiàn)水泵的流量調節(jié)，保證管網壓力恒定。該系統(tǒng)不僅有效地保證了供水系統(tǒng)管網壓力恒定，而且成功地解決大功率電機變頻轉工頻的問題。本論文包括了以下幾項研究成果：</p><p>　　1、在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉速n，從而改變

90、水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。分析水泵工況點節(jié)流調節(jié)和變速調節(jié)能耗比較圖，可以看出利用變頻調速實現(xiàn)恒壓供水，當轉速降低時，流量與轉速成正比，功率以轉速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力的節(jié)流方式相比，可以減少能量損耗，節(jié)能效果十分明顯。水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。</p><p>　　2、變頻調速恒壓供水自動控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻

91、器、水泵電機組、壓力傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動2臺電動機的起動、運行與調速，其中一臺主機和一臺備用機分別采用循環(huán)使用的方式運行。壓力傳感器采樣管網壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給PLC的PID模塊，PLC根據這兩個信號經PID運算，發(fā)出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。</p><p>　　3、對ＰＬＣ進行編程控制,采用西門子提供在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)

92、下的專門軟件ＳＴＥＰ7-Ｍｉ ｃｒｏ/ＷＩＮ32,通過ＰＣ/ＰＰＩ電纜與ＣＰＵ222相連,來實現(xiàn)程序的上傳、下載及程序的調試等功能。</p><p>　　4．軟件編程過程中，主要是對一主一備兩臺泵進行恒壓供水控制。軟件運行功能包括：⑴主泵、備泵切換;運行時自動切換,停機時手動切換。⑵對泵的軟起動。⑶在閉環(huán)系統(tǒng)中,對反饋的壓力信號進行簡單的ＰＩＤ優(yōu)化算法的調節(jié),以維持恒壓供水。 </p><p&

93、gt;<b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]李全 恒壓供水自動控制系統(tǒng) 電氣自動化 1998年第1期</p><p>　　[2]王曉詰 曹懷軍 變頻恒壓自動供水系統(tǒng) 青海科技 1999年3月</p><p>　　[3]王化冰 瞿子楠 變頻調速技術理論在恒壓供水系統(tǒng)中的應用 平頂山師專學報</p>&l

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