DZ219變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)
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變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn),學(xué)生:金光華指導(dǎo)教師:尤文,概 述,智能建筑是建筑技術(shù)與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是信息社會(huì)與經(jīng)濟(jì)國(guó)際化的需要,是寫字樓等公共建筑發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì),是科技高度發(fā)展的結(jié)晶。隨著人民生活水平的日趨提高,新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用 ,使給供水設(shè)計(jì)得到了發(fā)展的機(jī)遇,當(dāng)前住宅建筑的小區(qū)規(guī)劃趨向于更具人性化的多層次住宅組合,不再僅僅追求立面和平面的美觀和合理,而是追求空間上布局的流暢和設(shè)計(jì)中貫徹以人為本的理念,特別是在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的浪潮中,力求土地使用效率的最大化。于是選擇一種符合各方面規(guī)范、衛(wèi)生安全而又經(jīng)濟(jì)合理的供水方式,對(duì)供水設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。智能建筑往往是從樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)開(kāi)始。本文主要針對(duì)當(dāng)前供水系統(tǒng)中存在的自動(dòng)化程度不高、能耗高、供水可靠性低的問(wèn)題加以研究,開(kāi)發(fā)出一種新型的并在這三個(gè)方面都有所提高的PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)。恒壓供水是指在供水管網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時(shí),出口壓力保持不變的供水方式。供水管網(wǎng)(系出口)壓力值是根據(jù)用戶需求確定的。傳統(tǒng)的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用,利用變頻器、PID調(diào)節(jié)器、傳感器、PLC等器件的有機(jī)結(jié)合,構(gòu)成控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)水泵的輸出流量,實(shí)現(xiàn)恒壓供水。該技術(shù)已在供水行業(yè)普及。 本文采用可編程控制器(PLC),利用變頻調(diào)速控制技術(shù),借助傳感器和執(zhí)行器等現(xiàn)代工業(yè)控制常用的控制部件及其相關(guān)控制算法,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)??梢源蟠筇岣叨喂┧目煽啃?,與氣壓供水設(shè)備相比可節(jié)能20以上。,二次供水的發(fā)展現(xiàn)狀 一般城市管網(wǎng)的水壓為 1.4-2.4kg/cm2,只能保證6層樓以下樓房的用水,6層以上各樓層均須提升水壓才能保證用水要求,以前大多采用傳統(tǒng)的水塔,高位水箱或是氣壓增壓設(shè)備,但它們都必須有水泵以高出實(shí)際用水高度的壓力來(lái)提升水量,增大了水泵的軸功率和能耗。 水箱/水塔供水是由水箱/水塔直接供應(yīng),用上水泵把水送入高位水箱,水箱中的水靠重力自流向用戶供水,即為重力供水。它是由位置高度所形成的壓力來(lái)進(jìn)行供水的,因此,必須建造高大的水塔或在建筑物屋頂建立貯水箱。由于水箱和水塔的容積是一定的,在用水高峰常常不能滿足供水要求。同時(shí),由于其存水量大,在屋頂形成很大的負(fù)重,增加了結(jié)構(gòu)的承重和占用樓層的建筑面積。此外,水箱和水塔的貯水,增加了水被二次污染的機(jī)會(huì)。 氣壓供水系統(tǒng)不在屋頂上設(shè)置水箱,也不用單獨(dú)建筑水塔,僅在地下室或某些空余之處設(shè)置水泵機(jī)組和氣罐設(shè)備。采用壓力給水來(lái)滿足供水要求。氣壓供水系統(tǒng)是以氣壓罐代替水塔或高位水箱,利用密閉壓力罐內(nèi)的壓力將水壓送入管網(wǎng),其優(yōu)點(diǎn)是靈活性大,建設(shè)快,少受污染,利于抗震等;缺點(diǎn)是體積和投資大,壓力變化大,運(yùn)行效率低,還需空氣壓縮機(jī)充氣。因此,耗費(fèi)動(dòng)力較多,維護(hù)費(fèi)用高。變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng),無(wú)須貯水箱或塔,它由單臺(tái)泵或多臺(tái)泵將水源的水直接打入用戶主管網(wǎng)中,根據(jù)用水量隨時(shí)調(diào)速水泵的速度和水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù),以保持管網(wǎng)壓力恒定。在用水高峰能保持恒定水壓,在用水低谷或無(wú)人用水時(shí),可調(diào)低水泵運(yùn)行速度或進(jìn)入睡眠狀態(tài),具有顯著的節(jié)能效果。除此之外,該系統(tǒng)還具有設(shè)備占地面積小,綜合造價(jià)低,減輕水質(zhì)二次污染,便于使用和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。,基于PLC的定壓供水系統(tǒng):可編程邏輯控制器(PLC) 及其網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的支柱之一, 由于近年來(lái)PLC 的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、圖形顯示、聯(lián)網(wǎng)通信功能得到了很大的加強(qiáng), 使得PLC 得以向過(guò)程控制滲透和發(fā)展。過(guò)程控制通常是指工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制。在過(guò)程控制領(lǐng)域, PID是最主要的調(diào)節(jié)器之一, 其原理簡(jiǎn)單、適用性和魯棒性強(qiáng), 最突出的特點(diǎn)是它不依賴于對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型, 因此可以解決工業(yè)過(guò)程精確建模時(shí)的困難。目前各種PLC 都提供相應(yīng)的PID控制指令和相應(yīng)的回路調(diào)節(jié)軟件。因此, 將PLC 應(yīng)用于PID控制, 能夠使控制系統(tǒng)小型化, 使控制模塊高度集成, 且易于操作和維護(hù)。課題研究意義1. 高效節(jié)能 變頻定壓供水系統(tǒng)的最顯著優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約電能,節(jié)能量通常在10-40%。從單臺(tái)水泵的節(jié)能來(lái)看,流量越小,節(jié)能量越大。 2. 恒壓供水 變頻定壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化,從而可以保證用戶任何時(shí)候的用水壓力,不會(huì)出現(xiàn)在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。3. 安全衛(wèi)生 系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)供水后,用戶的水全部由管道直接供給,取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設(shè)施,避免了用水的“二次污染”,取消了水池定期清理的工作。,4. 自動(dòng)運(yùn)行、管理簡(jiǎn)便 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統(tǒng)具備了過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、欠相、短路保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)、過(guò)載、失速保護(hù)、低液位保護(hù)、主泵定時(shí)輪換控制、密碼設(shè)定等功能,功能完善,全自動(dòng)控制,自動(dòng)運(yùn)行,泵房不設(shè)崗位,只需派人定期檢查、保養(yǎng)。 5. 延長(zhǎng)設(shè)備壽命、保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定 使用變頻器后,機(jī)泵的轉(zhuǎn)速不再是長(zhǎng)期維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,減少了機(jī)械磨損,降低了機(jī)泵故障率,而且主泵定時(shí)輪換控制功能自動(dòng)定時(shí)輪換主泵運(yùn)行,保證各泵磨損均勻且不銹死,延長(zhǎng)了機(jī)泵使用壽命。變頻器的無(wú)級(jí)調(diào)速運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了機(jī)泵軟啟動(dòng),避免了電機(jī)開(kāi)停時(shí)的大電流對(duì)電機(jī)線圈和電網(wǎng)的沖擊,消除了水泵的水錘效應(yīng)。 6. 占地少、投資回收期短 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統(tǒng)采用水池上直接安裝立式泵,控制間只要安放一到兩個(gè)控制柜,體積很小,整個(gè)系統(tǒng)占地就非常小,可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設(shè)專人管理、設(shè)備故障率極低等方面都實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步減少投資,運(yùn)行管理費(fèi)低的特點(diǎn),再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點(diǎn),都決定了小區(qū)變頻定壓供水系統(tǒng)的投資回收期短,一般約2年。,系統(tǒng)性能具有供水壓力調(diào)整方便、精度高、占地面積小、靈活性強(qiáng)、投資小、高效節(jié)能,控制系統(tǒng)內(nèi)置微電腦控制器,可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)定時(shí)供水,徹底實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)供水,具有過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓、缺相、失速、過(guò)熱等多種保護(hù)功能,水泵起動(dòng)方式為軟起動(dòng),無(wú)水錘效應(yīng),對(duì)電網(wǎng)和水泵無(wú)沖擊,延長(zhǎng)了水泵及電器的使用壽命,增加了系統(tǒng)的可靠性,控制系統(tǒng)具有故障報(bào)警和顯示功能,并可進(jìn)行工頻直接運(yùn)行,應(yīng)急供水。系統(tǒng)特點(diǎn)1、系統(tǒng)具有軟起軟停及恒壓供水功能,設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種運(yùn)轉(zhuǎn)功能;2、系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力;3、控制電源:電壓:AC 220V;功率:40W4、定壓范圍: 00.5Mpa, 5、定壓控制精度:0.01Mpa 6、完成4臺(tái)水泵的組合邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),其中每臺(tái)泵都可以采取變頻控制方式和工頻控制方式,其中同一時(shí)間僅有一臺(tái)泵采取變頻控制,其他為工頻控制,單臺(tái)水泵的流量: Q=50m3/h 揚(yáng)程:P=50m 功率:P=15KW 其中要求各個(gè)泵工作順序?yàn)橄乳_(kāi)先停,保證每個(gè)水泵的工作時(shí)間大致相同。,系統(tǒng)組成典型的自動(dòng)定壓供水系統(tǒng)具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能,系統(tǒng)通過(guò)安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器,實(shí)時(shí)將壓力、流量非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),輸入至可編程控制器(PLC)的輸入模塊,信號(hào)經(jīng)CPU運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算,得出最佳的運(yùn)行工況參數(shù),由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設(shè)定值,控制泵站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵的運(yùn)行工況,并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵的調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖如下,圖2.1 自動(dòng)定壓供水系統(tǒng)原理框圖,硬件設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)的水泵有四臺(tái),而變頻器只有一臺(tái),為了使四臺(tái)水泵的使用工況接近,需要使四臺(tái)水泵能夠輪流進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài),而未按變頻運(yùn)行的水泵也要輪流的處于工頻運(yùn)行,使得各水泵的運(yùn)行時(shí)間接近,延長(zhǎng)水泵和系統(tǒng)的使用壽命,為此,在系統(tǒng)上需要進(jìn)行硬件和軟件的特殊設(shè)計(jì)。為了充分保障系統(tǒng)的安全,本系統(tǒng)采用以下措施:(1)要求對(duì)工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實(shí)現(xiàn)互鎖。(2)當(dāng)水泵的功率較大時(shí),為防止直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流過(guò)大,需要采用軟啟動(dòng)的方法,即用變頻器來(lái)啟動(dòng)水泵。(3)原先變頻運(yùn)行的水泵在斷開(kāi)變頻器后,利用其運(yùn)行的慣性切換到工頻電源,可避免切換過(guò)程中電流過(guò)大的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)恒壓供水,首先將供水管道的出口壓力值經(jīng)壓力傳感器檢測(cè),并變送成010V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),送入變頻器,經(jīng)變頻器內(nèi)部A/D采樣和PID運(yùn)算,控制變頻器的輸出頻率,從而控制供水的壓力平衡。由于在現(xiàn)場(chǎng)一般存在著各種各樣的干擾,為了使控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確穩(wěn)定的運(yùn)行,啟用了變頻器內(nèi)部在A/D之前的一級(jí)一階低通濾波器。在PLC軟件之中采用平均值濾波的算法去除干擾。,ACS40/ABB變頻器 遠(yuǎn)傳壓力表監(jiān)測(cè)管網(wǎng)供水壓力,其輸出的模擬量傳遞到PLC,經(jīng)過(guò)PLC轉(zhuǎn)換后以模擬量輸出的形式傳給變頻器(壓力反饋),變頻器根據(jù)管網(wǎng)壓力的變化調(diào)整電機(jī)頻率。管網(wǎng)壓力當(dāng)前值高于變頻器設(shè)定時(shí),變頻器就會(huì)提高其頻率;當(dāng)前值低于變頻器設(shè)定時(shí),變頻器就會(huì)降低其頻率。當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率達(dá)到50hz時(shí),若此時(shí)管網(wǎng)壓力仍低,系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)工頻泵;當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率降到10hz時(shí),若此時(shí)管網(wǎng)壓力仍高,系統(tǒng)將自動(dòng)摘除一臺(tái)工頻泵。加泵、減泵時(shí)均需考慮30秒的延時(shí),以免電機(jī)產(chǎn)生震蕩。PLC供水泵的自動(dòng)控制采用的是日本歐姆龍公司的PLC,機(jī)器型號(hào)為CPM2A-30CDR-A和模擬量控制模塊CPM1A-MAD02-CH。主要完成供水泵的工頻、變頻自動(dòng)運(yùn)行。其控制包括14號(hào)泵的工頻、變頻接觸器、報(bào)警燈、報(bào)警器、變頻器啟停控制等。在模擬量控制中,模擬量模塊是由四路輸入和一路輸出組成,四路輸入分別連接為P1小區(qū)供水管網(wǎng)壓力(002CH中的低八位)、P2市供水管網(wǎng)壓力(002CH中的高八位)、F變頻器的當(dāng)前頻率(003CH中的低八位)。一路輸出為P11(12CH中的低八位,P11=P1)。,軟件設(shè)計(jì)軟件主要有兩大塊:一塊用于處理PLC從變頻器讀取控制變量和設(shè)定變量。由于USS協(xié)議是主從式協(xié)議,所以在PLC軟件中,需首先發(fā)送一個(gè)讀取參數(shù)的指令,然后進(jìn)入查詢狀態(tài),當(dāng)變頻器收到指令,并返回相應(yīng)的參數(shù)時(shí),軟件放置好參數(shù)值,并發(fā)送讀取下一個(gè)參數(shù)的指令。若軟件在發(fā)出指令之后的255ms之內(nèi)沒(méi)有收到反饋指令,則認(rèn)為通訊故障,要重新發(fā)送指令,如果重發(fā)三次都不能正常收到反饋指令,則報(bào)警處理。第二塊是處理水泵運(yùn)行順序,控制啟停和控制算法的實(shí)現(xiàn)。在編制該子塊時(shí)關(guān)鍵的問(wèn)題是對(duì)各水泵進(jìn)行編號(hào),并實(shí)時(shí)的記憶當(dāng)前的狀態(tài),尤其是在切換變頻泵到工頻泵時(shí),軟件必須有一個(gè)時(shí)延確認(rèn)的處理,這樣可以避免發(fā)生變頻器受電流沖擊的危險(xiǎn)。在處理采樣各開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)時(shí),都附加了一個(gè)時(shí)延確認(rèn),以避免頻繁的啟/停某一水泵。,總結(jié)變頻式恒壓供水的最大好處,就是用多少水供多少水,不做無(wú)用功,因而達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目的。根據(jù)流體力學(xué)原理和試驗(yàn)結(jié)論,對(duì)于水機(jī)水泵等的流量與轉(zhuǎn)速成正比,壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比,所需功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,所以水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)電效果非常顯著。根據(jù)實(shí)際使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),采用變頻式恒壓供水,可節(jié)電3060。展望在短短的幾年內(nèi),調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)逐步完善的發(fā)展過(guò)程,早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替。樓宇自動(dòng)化恒壓供水系統(tǒng)的飛躍發(fā)展給我國(guó)的小區(qū)供水帶來(lái)了很大的便利。它充分利用了變頻軟啟動(dòng)和PLC技術(shù)的相結(jié)合實(shí)現(xiàn)一拖多泵的供水系統(tǒng)。PLC編程在工業(yè)領(lǐng)域更適用,它通過(guò)梯形圖編程、它更容易被人們理解。PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi),形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部,這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容內(nèi)部,這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)PID算法的編程,而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易,這不僅降低了生產(chǎn)成本,而且大大提高了生產(chǎn)效率。變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性,引起國(guó)內(nèi)幾乎所有供水設(shè)備廠家的高度重視,并不斷投入開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。目前正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制,多品種系列 化的方向發(fā)展。追求高度智能化,系列標(biāo)準(zhǔn)化是未來(lái)供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開(kāi)發(fā)智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。,
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