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PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

時(shí)間:2017-9-19 閱讀:1902
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近年來(lái),,伴隨著城市化建設(shè)的不斷發(fā)展,,城市中的高層建筑也在不斷增加,因此人們對(duì)高層飲用水的質(zhì)量和可靠性提出了更高的要求,。傳統(tǒng)供水方式包括高位水塔供水,、恒速泵供水等,,其中高位水塔供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高,、占地面積大,,容易造成水的二次污染;而恒速泵供水系統(tǒng)一般是由多個(gè)水泵電動(dòng)機(jī)組成,,系統(tǒng)在工作期間為適應(yīng)供水量的變化需要頻繁地起動(dòng)或停止水泵機(jī)組,,這樣不僅使水泵的工作效率低下、使用壽命縮短,,而且電機(jī)的頻繁啟停也會(huì)產(chǎn)生很大沖擊,,從而導(dǎo)致供水設(shè)備故障率升高,可靠性降低,,其結(jié)果是既增大水泵機(jī)組的功率損耗也浪費(fèi)了大量的電能,。因此,利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)和裝備設(shè)計(jì)出性能好,、節(jié)能性高,、并且能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)已成為必然趨勢(shì)。
1,、控制策略
變頻恒壓供水系統(tǒng)由控制器,、變頻器、壓力變送器,、水泵和電機(jī)等組成,,其中水泵和電機(jī)通常合并組裝在一起,由電機(jī)帶動(dòng)水泵的旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)供水,。由電機(jī)工作原理可知,,當(dāng)電機(jī)極對(duì)數(shù)不變時(shí),其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子的供電頻率成正比,,即只要平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)供電頻率就可以連續(xù)地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速,這就是實(shí)現(xiàn)電機(jī)變頻調(diào)速的基本原理,,因此供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速,。采用這一供水系統(tǒng)時(shí)必須使用到一種裝置—變頻器,它可以把電網(wǎng)提供的恒壓恒頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)椋啊担埃龋烧{(diào)的變壓變頻交流電并輸送給水泵電機(jī),,從而改變電機(jī)的供電頻率,。為此系統(tǒng)中需要設(shè)置其控制裝置,以期能夠準(zhǔn)確,、及時(shí)地控制變頻器的輸出頻率,實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制,。
可編程控制器(Programmable Logic Controller,,PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng),,它具有體積小,功能強(qiáng),,編程簡(jiǎn)單,,可靠性高等優(yōu)點(diǎn),如今已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)及生活等各個(gè)方面,。鑒于PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化特點(diǎn),,用戶可以根據(jù)工業(yè)要求選擇不同的具有特殊用途的擴(kuò)展模塊來(lái)參與控制。因此針對(duì)供水系統(tǒng)所存在的問(wèn)題以及結(jié)合變頻器所具有的優(yōu)勢(shì),,可以將PLC作為供水系統(tǒng)的控制核心,,由PLC時(shí)時(shí)控制變頻器的輸出頻率,以此控制水泵的轉(zhuǎn)速,,使供水壓力始終保持恒定,,實(shí)踐證明采用PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)不僅可以提高供水的穩(wěn)定性和可靠性,而且具有良好的節(jié)能性,,維護(hù)也很方便,。這一特點(diǎn)在能源日益緊缺的今天尤為重要,因此研究并設(shè)計(jì)該系統(tǒng)對(duì)于提高生產(chǎn)效率和人民生活水平,、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,。
2、學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐
如今,,高層供水系統(tǒng)已越來(lái)越多地采用變頻恒壓供水方式,,其應(yīng)用前景極為廣泛,因此高等院校電工理論專業(yè)可以把“基于PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”這一課題作為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的典型案例進(jìn)行了解和學(xué)習(xí),。由于該系統(tǒng)是建立在PLC技術(shù),、變頻技術(shù)和電工學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用,因此學(xué)生在設(shè)計(jì)之初需要深入學(xué)習(xí)相關(guān)課程的理論基礎(chǔ)知識(shí),,例如PLC基本結(jié)構(gòu),、接口配置、程序設(shè)計(jì)方法,、電機(jī)的工作原理,、變頻器的參數(shù)設(shè)置等等內(nèi)容。
變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)質(zhì)上是為了滿足用戶對(duì)供水量的需求,,即供水系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)瞬間的壓力變化自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)以控制變頻器的輸出頻率,,從而調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和轉(zhuǎn)速,改變水泵的出水量,,使系統(tǒng)水壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi),,實(shí)現(xiàn)恒壓供水。學(xué)生在明確以上設(shè)計(jì)要求后應(yīng)首先了解這一系統(tǒng)的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀,充分理解實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)任務(wù)所產(chǎn)生的社會(huì)意義,,接下來(lái)需要詳細(xì)分析供水系統(tǒng)的工作原理,、特性以及結(jié)構(gòu)組成,在此基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的硬件配置,,包括PLC和變頻器等設(shè)備的選型和參數(shù)設(shè)置,,組建系統(tǒng)主電路及控制電路圖,編寫PLC控制程序,,分析采用PID調(diào)節(jié)原理在實(shí)現(xiàn)恒壓供水中的作用和運(yùn)行效果,,zui后得出結(jié)論。
以PLC為主控器的變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。系統(tǒng)啟動(dòng)后,,安裝在水泵出水管處的壓力變送器會(huì)將采集到的出口壓力值轉(zhuǎn)換為4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送入PLC中并與系統(tǒng)壓力設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差值,再由PLC中的PID模塊進(jìn)行運(yùn)算后得出調(diào)節(jié)參量送至變頻器中,,以此控制變頻器的輸出頻率,,實(shí)現(xiàn)對(duì)1號(hào)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,,供水量與用水量平衡,,水泵工作在變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用水量增大而導(dǎo)致管網(wǎng)壓力降低時(shí),,系統(tǒng)會(huì)通過(guò)PID調(diào)節(jié)以增大電機(jī)轉(zhuǎn)速,;反之,當(dāng)用水量減少而管網(wǎng)壓力增加時(shí),,系統(tǒng)會(huì)減小水泵的轉(zhuǎn)速,。當(dāng)用水量繼續(xù)增加導(dǎo)致變頻器的輸出頻率達(dá)到上限50Hz而管網(wǎng)壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí),系統(tǒng)此時(shí)會(huì)將1號(hào)水泵切換至工頻狀態(tài),,同時(shí)將變頻器切換至2號(hào)水泵,,使之變頻啟動(dòng)運(yùn)行,因此每當(dāng)水泵達(dá)到zui大轉(zhuǎn)速時(shí),,系統(tǒng)都將實(shí)施上述切換并將有新的水泵投入運(yùn)行,;當(dāng)用水量下降時(shí)變頻泵將降低轉(zhuǎn)速,系統(tǒng)按先開先停的順序逐臺(tái)關(guān)閉工頻泵直到下一臺(tái)變頻泵運(yùn)行,;當(dāng)夜間用水量很小且只有一臺(tái)變頻泵運(yùn)行時(shí),,系統(tǒng)將關(guān)閉主泵、啟動(dòng)附屬泵來(lái)保持管網(wǎng)壓力,。

圖1變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
通過(guò)對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程使學(xué)生從以下幾個(gè)方面得到提高 :
(1)了解變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作流程,,掌握系統(tǒng)中主要設(shè)備的使用方法。
(2)掌握PID控制原理,、算法和PID功能的實(shí)現(xiàn)以及PLC在恒壓供水系統(tǒng)中對(duì)模擬量的處理過(guò)程,。
(3)合理選用PLC 型號(hào),,選擇適合系統(tǒng)的I/O端口配置,熟悉變頻器的性能特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo),,能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求選擇參數(shù)設(shè)置與調(diào)試方法,;在確定系統(tǒng)控制方案后,,根據(jù)系統(tǒng)的供水需求選擇合理的水泵電機(jī)容量型號(hào)和參數(shù)設(shè)置,。
(4)根據(jù)系統(tǒng)控制要求,設(shè)計(jì)出變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件組成,,準(zhǔn)確地完成主電路和控制電路的連線,,完整地分析系統(tǒng)控制流程,并參照流程圖編寫PLC軟件程序,。
(5)學(xué)生還要對(duì)自主設(shè)計(jì)的控制程序進(jìn)行硬件和軟件的反復(fù)測(cè)試并進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整,,以期達(dá)到*控制效果,zui后還要對(duì)系統(tǒng)調(diào)試以及運(yùn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和總結(jié),,得出結(jié)論,。
以往電工類的專業(yè)基礎(chǔ)課程通常采取每一門理論課程單獨(dú)進(jìn)行講授和學(xué)習(xí),因此基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的知識(shí)銜接性不夠,,造成學(xué)生所學(xué)知識(shí)有限,,專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)不夠健全,以致學(xué)生在到實(shí)踐應(yīng)用時(shí)無(wú)從下手,。通過(guò)對(duì)以上課題的理論分析與實(shí)踐操作,,可以使學(xué)生將基礎(chǔ)理論知識(shí)與專業(yè)課程知識(shí)真正地融會(huì)貫通并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中,提高了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解和綜合應(yīng)用能力,,真正做到工學(xué)結(jié)合,、學(xué)有所用的目的,實(shí)現(xiàn)了學(xué)校與企業(yè)的對(duì)接,。
目前,,變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正朝著可靠性高、全數(shù)字化微機(jī)控制,、多品種系列化的方向發(fā)展,。未來(lái)高智能化、系列化,、標(biāo)準(zhǔn)化的供水設(shè)備必將更加適應(yīng)城鎮(zhèn)化建設(shè),、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度、智能樓宇的需求,。為了適應(yīng)這一要求,,作為系統(tǒng)主控單元的PLC產(chǎn)品可以采用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通信協(xié)議與其他設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)連接,實(shí)現(xiàn)高速,、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換,,從而實(shí)現(xiàn)靈活的集中分散式控制系統(tǒng);此外,隨著觸摸屏技術(shù)的發(fā)展和普及,,將觸摸屏與PLC結(jié)合起來(lái),,利用功能強(qiáng)、可視性佳,、操作簡(jiǎn)便的組態(tài)軟件系統(tǒng),,再配合Windows軟件平臺(tái)形成功能強(qiáng)大的控制管理系統(tǒng),可以完成例如系統(tǒng)參數(shù)配置,、監(jiān)控水泵運(yùn)行狀態(tài),,實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)故障等任務(wù),同時(shí)還能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程,、縮短設(shè)計(jì)周期,、提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率,這樣可以真正實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控,。
如今,,國(guó)內(nèi)外對(duì)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的研究,對(duì)于能否適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合以及對(duì)供水期間電磁兼容性(EMC)的分析與研究還不夠完善,,因此,,有待于今后研究人員進(jìn)一步探討和改善供水系統(tǒng)的工作性能,以便能被更好地適用于生產(chǎn),、生活實(shí)踐中,。
變頻恒壓供水系統(tǒng)是一項(xiàng)有效的節(jié)能降耗技術(shù),目前已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用并取得了良好的節(jié)能效果,。通過(guò)對(duì)基于PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的深入研究與實(shí)踐,,使學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中加深了對(duì)PLC技術(shù)及變頻調(diào)速技術(shù)的理解,學(xué)生在實(shí)踐技能及創(chuàng)新能力方面得到很大的提高,,也為學(xué)生今后從事相關(guān)工作提供了豐富的經(jīng)驗(yàn),。 

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