变频恒压供水系统论文外文文献

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1 引言 供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频恒压供水系统能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频恒压供水系统出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。变频恒压供水系统不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，s7-200具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f (q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f (q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。 图1 供水系统的基本特性3 变频恒压供水系统的构成及工作原理3.1 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的s7-200 plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，交流接触器和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。s7-200 plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。三相交流电与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接异步电动机，异步电动机带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到交流接触器，交流接触器两端连接的是工频或变频的三相交流电，主要起接通或断开三相交流电与异步电动机。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。 图2 变频恒压供水系统的总体框图3.2 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转速为： 其中： n0为异步电机同步转速；n为异步电机转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的闭环控制系统，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。 图3 变频恒压供水系统的控制原理框图4 硬件电路设计4.1 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、热继电器kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。 图4 系统主电路图4.2 控制电路控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的i0.0输入口相连接，当按下sb0时，i0.0为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，i0.1为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，i0.5为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，i0.6为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。i0.5和i0.6的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，i0.2为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。 图5 plc外围接线图5 程序设计5.1 plc程序设计plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，i0.1为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。 图6 主程序流程图当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到i0.5。此时，q0.1为“0”， q0.2为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后q0.3为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到i0.6。此时，q0.4为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时q0.1为“1”，q0.2为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。5.2 变频器mm440的参数配置变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过a/d转换器得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。附表 mm440的参数配置 6 结束语应用西门子plc（s7－200）内部的pid模块和变频器mm440的无极调速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实验效果表明，采用plc（s7－200）和变频器mm440构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，体现了变频调速恒压供水的技术优势，为供水领域开辟了切实有效的途径。参考文献[1] 李光,谢欢,王直杰. 高压变频器模拟量控制电路及功能设计[j]. 电气传动自动化,2008,38(7):63-68.[2] 彭旭昀. 一种基于变频器pid功能的plc控制恒压供水系统[j]. 机电工程技术,2005,34(10):54-56.[3] 陈新恩,王永祥. 基于s7-200的变频调速恒压供水系统[j]. 制造业电气,2006,25(6):37-39.[4] 朱玉堂. 变频恒压供水系统的研究开发与应用[d]. 杭州:浙江大学,2005.

论文题目：PLC和变频技术在恒压供水系统中的应用 PLC和变频技术在恒压供水系统中的应用WwWWW 摘要： 本文是针对节能和提高供水质量问题而提出的恒压供水系统设计和应用的研究．文中分析了旧系统存在的问题，介绍了水位自动检测技术及保护措施，阐述了采用变频技术、PLC技术及自动控制技术相结合来实现的恒压供水控制的系统总体设计方案和软件设计。通过实践证明．该系统具有较强的功能．对供水质量、节约能源和运行可靠性具有较好的改善。关键词：变频技术；PLC技术；恒压供水；自启动1 引言随着各住宅小区的宿舍楼等一座座高楼拔地而起，相应的生活用水量也大幅度增加。人们对提高供水质量的要求越来越高，另外人们的节能意识及对运行的可靠性的要求越来越强。采用变频器及PLC技术实现的无塔恒压供水系统，不仅能提高供水质量，而且在节约能源和运行可靠性具有较好的改善。其中，采用变频调速的主要目的是通过调速来恒定用水管道的压力以达到节能的目的，恒压供水则是为了满足用户对流量的要求。应用PLC技术是为了实现系统的软启动，减少手动操作或抚慰操作，同时替代部分继电器减少机械触点的故障，增强可靠性。下面笔者根据这方面的工作经验谈谈在恒压供水系统设计和实践过程中的一些思路和做法。2 变频器的工作原理在恒压供水控制系统中，关键技术主要是变频技术。目前效率最高、性能最好的系统是变压变频调速控制系统。2．1变频器的基本构成变频器的基本构成如图1所示，由主回路（包括整流器、滤波器、逆变器）和控制电路组成。 整流器的作用是把三相交流整流成直流。滤波器是用来缓冲直流环节和负载之间的无功能量。逆变器最常见的结构形式是利用六个半导体器件开关组成的三相桥式逆变电路，有规律地控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。控制电路主要是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。2．2变频器基本原理 变频器的基本原理是利用逆变器中的开关元件，由控制电路按一定的规律控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一系列等幅而不等宽的矩形脉冲波形，来近似等效于正弦电压波。图2所示出正弦波的正半周，并将其分为n等分（n=12）。每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等幅矩形所代替。这样，由n个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的正半周等效。正弦波的负半周也可以用相同的方法来等效。可采用正弦波与三角波相交的方案来确定各分段矩形脉冲的宽度。当逆变器输出端需要升高电压时，只要增大正弦波相对三角波的幅值，这时逆变器的输出的矩形脉冲幅值不变而宽度相应增大，达到了调压的要求。当逆变器的输出端需要变频时，只要改变正弦波的频率就可以了。3 控制系统总体设计过去的供水控制系统投资多，采用的模式为多台小功率水泵供水。在运行实践中暴露出主控电路设计不合理和逻辑控制设计不合理的现象。新系统总体设计方案如图3所示。在该供水系统的控制电路中除采用了变频器（VVVF），还采用一些先进控制装置如数字调节器（PID）、可编程控制器（PLC）等，这些装置都是以电脑芯片为内核完成各自不同的控制功能。为简化控制电路，根据负荷需要，使用一台18．5KW大容量水泵供水。为提高使用的安全系数，选用一台日本富士22．5KW变频器进行水泵调速，该变频器内置PID调节功能，但不具备参数监视功能。为能有效监视调节工况，特选数字显示调节器进行监视和控制，以备实现串级PID控制。鉴于外部I／O可控点数不多，可编程控制器PLC选用20点即可满足控制要求。4 水位检测电路设计4．1水位检测开关考虑到水位检测装置要求故障率少，运行可靠，为简化检测环节，设计中采用结构简单的浮子式水位检测开关，但为防止信号串扰，另外增加了一个隔离转换装置。该装置内选用了干簧继电器用以提高开关接点的可靠性和使用寿命。4．2水位检测逻辑控制水位检测逻辑控制功能如前所述完全由可编程控制器PLc编程实现，减少了硬件配置，提高了运行的可靠性和应用的灵活性。PLC的I／O地址分配见图4（a）所示，简化梯形图如图4（b）所示。其逻辑电路主要完成如下功能，见图4（b）所示。（1）水位信号保持功能水位开关检测分别由PLC的常开接点实现。由于水位由于簧管的常开接点来检测，只有在水面越过该点时闭合，低于该点即断开，因此信号需由PLC保持。（2）水位信号显示、报警、保护功能水位正常时01002动作，使输出绿灯亮。水位低时01003动作，使输出红灯亮，且通过其常闭接点停供水泵。水位高时20000、01000同时启动，使输出黄灯亮（闪光l5秒转平光）且无条件停蓄水泵。 5 操作保护功能设计除了常规保护功能外还增加了人性化操作功能。考虑到泵短时间内的频繁启动对泵运行不利，故设置1分钟内只允许连续启动两次，第三次需延时3分钟后进行，以利泵的散热，延长设备使用寿命，减少功耗。编程时可采用定时器和计数器配合来实现。这项功能在启停调试设备过程中得到检验。6 系统自启动功能设计（1）自启动概述为了方便运行维护人员，有两种情况可以考虑自启动：①系统断电一段时间后恢复供电的自启动，系统在正常运行工况下突然停电时，如果其它检测无异常则来电后可实现自启动，这一点在夜间更为重要，可给维护人员带来方便，此项功能得到了维护人员的认可。②低水位使泵跳闸后水位恢复时的自启动管网用水负荷过大或蓄水水压过低流量减少造成的低水位，会引起供水泵跳闸。在水位恢复正常后可实现自启动。（2）自启功能的实现 如图5所示。图中，“自启动条件”有两个：一是计数器C103接点，二是“水位正常”信号接点。由于计数器C103具有停电记忆特性，所以只要水位恢复正常时01002闭合就可自启动。其过程是：微分继电器20006（13）产生的微分信号由20009继电器保持，再经时间继电器"1"020延时后使其输出的常开接点"1"020（见图4b）接通启动回路，则水泵重新运转。 （3）自启动的预置自启动功能可根据用户需要事先预置，否则，该功能会被屏蔽。设计方案如下：①预置和解除均借用运行状态下的启动按钮。预置时按动启动按钮三下使计数器C103启动，则其常开接点C103闭合。解除自启功能：按住启动按钮1秒，使计数器C103复位或按停止按钮使泵停运的同时也解除了自启动设置。②预置的显示借用水位正常灯（闪光3秒），解除借用高水位报警灯（闪光3秒）。7 结束语上述无塔供水控制系统经投入使用，各项设计功能运行正常，供水质量有了很大提高，单位大功率设备用电量也明显减少。期间，还经历了系统实际异常情况自动处理的考验，如“储水罐满水后的蓄水泵自动跳闸”、“电力网停电来电后的供水泵自启动”、“电源缺相报警”等，这些功能都得到了很好的验证。参考文献[1]张燕宾主编．变频调速应用实践．机械工业出版社，2001．[2]北京四通工控技术有限公司编．FRENIC5000G11S／P11S说明手册．2001．[3]北京鹭岛公司编．OMRON可编程控制器使用手册．2000．[4]高勤主编．电器与PLC控制技术．高等教育出版社，2001． 借鉴一下吧，以前搞了很多，找不到了~不好意思

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