變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2911變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例 1131111.1變頻恒壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 170751.2變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案 2214301.3恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)備選擇 4255721.1.1水泵的選擇 494311.1.2壓力傳感器的選型 7321231.1.3變頻器的選型 844201.1.4PLC的選型 9277081.4變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 925771.4.1變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì) 939111.4.2變頻恒壓系統(tǒng)I/O分配表 11252661.4.3控制電路的設(shè)計(jì) 134401.4.4PLC梯形圖的設(shè)計(jì) 141.1變頻恒壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分主要有PLC、變頻器、接觸器/繼電器、壓力傳感器、泵等，本論文所采取的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體如下：本系統(tǒng)控制可分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩部分，在手動(dòng)模式的情況下PLC輸出端的信號(hào)直接控制接觸器，接觸器的兩端又與三相交流電機(jī)相連接，然后再由電機(jī)將電流分配到3個(gè)泵中控制供水系統(tǒng)的運(yùn)行，PLC的數(shù)字輸出端分別從兩路發(fā)出控制信號(hào)，一路控制三相交流電可以區(qū)分工頻與變頻兩種模式，另一路的控制信號(hào)是去控制指示燈，這樣可以起到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的提示作用。在自動(dòng)模式中，三相交流電將會(huì)流過(guò)變頻器從而在變頻器中將電流轉(zhuǎn)換為交流電并實(shí)現(xiàn)電流的變頻，然后再將電流通向后面步驟的異步電機(jī)中，從而得以控制3個(gè)泵，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的運(yùn)行。在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖1.1所示。圖1.1系統(tǒng)構(gòu)成圖1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案本論文的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)傳感器來(lái)檢測(cè)管網(wǎng)中的實(shí)際水壓值，在進(jìn)行PID控制的計(jì)算、轉(zhuǎn)換下將最終的水壓值反饋給變頻器再經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換將電信號(hào)傳遞給繼電器從而控制3臺(tái)水泵的供水量。該控制系統(tǒng)的方案設(shè)定為：1.該供水系統(tǒng)可以分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種控制狀態(tài)。自動(dòng)控制狀態(tài)就是根據(jù)住戶的需求判定供水，根據(jù)用戶每天每個(gè)時(shí)間段的需求量來(lái)設(shè)定水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)一臺(tái)泵機(jī)的供水量達(dá)不到用戶需求時(shí)就啟動(dòng)下一臺(tái)泵機(jī)，泵機(jī)供水可分為變頻和工頻兩種工作狀態(tài)，變頻情況下的供水量正常情況下是小于工頻狀態(tài)下的供水量。手動(dòng)模式的設(shè)計(jì)是為了防止突發(fā)情況，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，手動(dòng)模式可以自行調(diào)節(jié)每個(gè)泵機(jī)的工作狀態(tài)使供水系統(tǒng)得以正常運(yùn)行，手動(dòng)模式還可以運(yùn)用于初期的測(cè)試階段，可以通過(guò)手動(dòng)模式來(lái)觀察每個(gè)泵機(jī)是否有故障或者故障發(fā)生的頻率是多少。在供水系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，若有一臺(tái)泵機(jī)發(fā)生故障也因有指示燈提示以使得工作人員了解情況并方便維修人員修理設(shè)備。2.供水系統(tǒng)運(yùn)作前需提前設(shè)定一個(gè)水壓值，在對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)水壓檢測(cè)時(shí)，需要拿實(shí)際值與設(shè)定值做比較，這樣才能水壓和供水的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。1.若發(fā)生泵熱過(guò)載現(xiàn)象，不僅不需要指示燈的提示還需要對(duì)水泵進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以免發(fā)生進(jìn)一步的危險(xiǎn)事故。4.要建立通訊系統(tǒng)，使得PLC的控制信息能夠與上位機(jī)的信息進(jìn)行匹配交換從而可以對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的操控。該供水系統(tǒng)泵的運(yùn)行情況如下圖1.2所示圖1.2供水系統(tǒng)運(yùn)作框圖如圖1.2所示，供水系統(tǒng)總共有6個(gè)工作狀態(tài)，假定1工作狀態(tài)為起始狀態(tài)，此時(shí)水的需求量較少，第4工作狀態(tài)為最大限度工作狀態(tài)或則為消防供水狀態(tài)，供水系統(tǒng)的運(yùn)行步驟為1-2-3-4-5-6-1閉環(huán)式運(yùn)行。供水系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)，在第一環(huán)節(jié)用水量還較小的時(shí)候，住戶的供水只需要用一臺(tái)泵機(jī)就可以解決，所以此時(shí)只有泵1在供水，泵2和3都處于停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)住戶的供水量上升后，變頻器的輸出功率將會(huì)不斷增加并逐步達(dá)到一臺(tái)泵水機(jī)的頻率上限，所以僅一臺(tái)泵機(jī)的供水量不能滿足住戶用水需求和為了防止泵機(jī)1熱過(guò)載，這時(shí)候?qū)?huì)啟動(dòng)泵2開(kāi)始供水，此時(shí)泵1改為工頻狀態(tài)供水，泵2位變頻狀態(tài)供水，泵3還是處于停止?fàn)顟B(tài)。如果住戶的用水量還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，那么將會(huì)根據(jù)上述原理，進(jìn)一步啟動(dòng)泵3，使得供水量達(dá)到住戶需求，此時(shí)泵1和泵2都以工頻方式供水，只有泵3處于變頻狀態(tài)，顯然此時(shí)并沒(méi)有達(dá)到最大輸出功率即供水最大限度。對(duì)于用水需求非常高的時(shí)間段或者在需要消防用水提供很多水源的情況下，系統(tǒng)將會(huì)開(kāi)啟最大限度供水模式，此時(shí)三臺(tái)泵機(jī)都會(huì)以工頻的方式供水，這是的變頻器的功率也會(huì)達(dá)到最大值。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的最大供水后，用水需求量通常都會(huì)有所降低，但此時(shí)水流的壓力還是處于剛才的極限最大值狀態(tài)，這時(shí)系統(tǒng)將會(huì)檢測(cè)到壓力上限從而將狀態(tài)4改為狀態(tài)5，這將會(huì)減少供水量以使系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)恢復(fù)到狀態(tài)3的模式。當(dāng)用水量繼續(xù)減少時(shí)，根據(jù)上面一樣的原理，供水量將會(huì)再次減少?gòu)亩誀顟B(tài)5的方式運(yùn)行。一班情況下，到了深夜，此時(shí)是小區(qū)用水量最少的時(shí)候，所以把運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)狀態(tài)即狀態(tài)1就足以滿足所有住戶的用水量，這不僅可以節(jié)能還能防止泵機(jī)由于過(guò)度使用發(fā)生故障的情況。需要注意的是，當(dāng)某個(gè)運(yùn)行過(guò)程中若出現(xiàn)某臺(tái)泵機(jī)發(fā)生了故障，這臺(tái)泵的工作狀態(tài)將會(huì)傳遞至下一臺(tái)泵機(jī)，例如:當(dāng)泵1工頻運(yùn)作、泵2變頻運(yùn)作、泵3停止時(shí)泵1突然發(fā)生故障，此時(shí)想要達(dá)到正常供水就需要將泵2將變頻狀態(tài)改為工頻狀態(tài)、泵3開(kāi)始變頻狀態(tài)、泵1停止運(yùn)行。1.3恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)備選擇1.1.1水泵的選擇1.各住戶的用水標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于不同的小區(qū)住宅，每天居民的用水量一般情況下是不同的，由于數(shù)據(jù)量過(guò)于龐大，次論文采用的用水依據(jù)是《城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50331—2002，文件用水標(biāo)準(zhǔn)部分見(jiàn)于下表1.1。表1.1各住宅的用水標(biāo)準(zhǔn)住宅類型給水衛(wèi)生器具完善程度用水標(biāo)準(zhǔn)（m3/人日）小時(shí)變化系數(shù)1僅有水龍頭0.04-0.082.0-2.52有給水衛(wèi)生器具，但無(wú)淋浴設(shè)備0.052-0.132.0-2.53有給水衛(wèi)生器具，并有淋浴設(shè)備0.13-0.191.8-2.54有給水衛(wèi)生器具，有淋浴設(shè)備和集中熱水供應(yīng)0.17-0.251.5-2.02.供水規(guī)模根據(jù)表1.1個(gè)住宅、設(shè)備的用水標(biāo)準(zhǔn)，推斷、計(jì)算將用水標(biāo)準(zhǔn)換算為用水規(guī)模，即每人每天的用水量，換算結(jié)果如下表1.2所示戶數(shù)用水標(biāo)準(zhǔn)（m3/人口）0.100.150.200.2525021.8032.8041.7054.6035036.2039.3052.6065.4040035.0052.5070.1087.5045039.5059.0078.6098.2050041.5065.5087.50109.7060052.5078.60104.90131.5070061.4091.90122.40152.9080070.00105.00140.00175.00100087.50131.50175.00219.00表1.2供水規(guī)模1.根據(jù)用水量對(duì)泵的型號(hào)進(jìn)行選擇，泵的主要型號(hào)如下表1.3。表1.3水泵的型號(hào)及其參數(shù)用水量/（m3/h）揚(yáng)程/m水泵型號(hào)電機(jī)功率/KW配用變頻器/KW36xN4065LG36-20x27.57.56065LG36-20x311118065LG36-20x4151510065LG36-20x518.518.512065LG36-20x62222注：表中的N代表水泵的臺(tái)數(shù)水泵抽水流量的計(jì)算：每小時(shí)水泵流量的最值計(jì)算公式為：Q=[(m?q)/t]*K公式1.1其中m為住戶用水人數(shù)，t為住戶用水時(shí)間，q為用水標(biāo)準(zhǔn)，K為變化系數(shù)。5.水泵揚(yáng)程H（m）的原則：當(dāng)建筑層數(shù)為1、2、3、4層時(shí)（層數(shù)每次加1），最低的揚(yáng)程為15、19、23、27（每個(gè)數(shù)字加4），即沒(méi)增加一層揚(yáng)程增加4米。6.選擇合適的水泵：（1）由表1.1可計(jì)算出，小區(qū)住戶的用水量大概為每人每天0.20m3；（2）有表1.2可計(jì)算出，小區(qū)內(nèi)每小時(shí)住戶的用水量的最大值大概為105m3；（3）在小區(qū)的層數(shù)為7層的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式1.1可計(jì)算出供水的水壓大概為0.35MP；（4）由以上計(jì)算再參考表1.3水泵的型號(hào)及參數(shù)，確定水泵的型號(hào)為65LG36-20x2，三臺(tái)水泵可以全選取該型號(hào)的水泵，水泵的電機(jī)功率為7.5KW。在下面的論文中會(huì)全以這種型號(hào)的水泵為基礎(chǔ)，然后再進(jìn)行模擬和運(yùn)行。1.1.2壓力傳感器的選型該變頻恒壓供水系統(tǒng)的壓力傳感器適用于測(cè)定水壓的，所以其需要具備功能穩(wěn)定和精度高的優(yōu)點(diǎn)，由于測(cè)定的是水壓這使得傳感器必須具備能夠適應(yīng)較大溫度范圍的特性，又由于水流在流動(dòng)時(shí)會(huì)造成水壓從而對(duì)壓力傳感器造成較大的沖擊，所以該壓力傳感器又要具備較大的韌性和抗震性能，由于傳感器中較好的信號(hào)傳遞功能是區(qū)分好壞的標(biāo)志。綜上，選擇CYYB-120系列的壓力傳感器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，它不僅價(jià)格實(shí)惠并且具有上述所需要的功能。1.1.3變頻器的選型變頻器的應(yīng)用可以使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)變得更加方便快捷，變頻器的選型要求結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，持久耐用且成本低，本論文中的變頻恒壓供水系統(tǒng)所采用的是一種公認(rèn)的大眾品牌：三菱所生產(chǎn)的FR-E700型變頻器。1.1.4PLC的選型PLC（ProgrammableLogicController）中文名稱為可編程邏輯控制器，是一種將數(shù)字與電氣相結(jié)合的技術(shù)，在當(dāng)今許多科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛大量的應(yīng)用。PLC內(nèi)部各組成部分包含電源、中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出借口電路、功能模塊以及通信模塊這幾大部分。PLC的工作可分為三個(gè)階段，具體包含輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段以及輸出刷新階段。本論文所采用的PLC為三菱所生產(chǎn)的FX2N系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品包含了輸入繼電器（X）、輸出繼電器（Y）、內(nèi)部屬豬繼電器（M）、內(nèi)部狀態(tài)繼電器（S）、內(nèi)部定時(shí)器（T）、內(nèi)部計(jì)數(shù)器（C）、數(shù)據(jù)寄存器（D）以及內(nèi)部指針（P、I)。1.4變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本論文中變頻恒壓供水系統(tǒng)主要包括主電路設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)計(jì)。1.4.1變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)如下圖1.3所示，L1、L2、L3三相電源控制三臺(tái)泵M1、M2、M3，QS為線路主電路開(kāi)關(guān)，由于水泵可能會(huì)發(fā)生熱過(guò)載現(xiàn)象，設(shè)定三個(gè)熱繼電器FR1、FR2、FR3對(duì)三臺(tái)水泵進(jìn)行熱過(guò)載保護(hù)，熔斷器FU1—FU4則是用來(lái)對(duì)主電路和三臺(tái)水泵進(jìn)行短路保護(hù)，交流接觸器KM1—KM3分別為泵1—泵3的工頻運(yùn)行模式，交流接觸器KM4—KM6則分別為泵1—泵3的變頻運(yùn)行模式,KM7連接變頻器為主電路的接通電源。該主電路的設(shè)計(jì)就是來(lái)源于一個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)以及變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式，又由于自動(dòng)模式下需要變頻器轉(zhuǎn)換和傳遞信號(hào)，所以主電路需要與變頻器進(jìn)行連接。該控制恒壓供水系統(tǒng)泵發(fā)生供水轉(zhuǎn)化主要有檢測(cè)到頻率上限和壓力上限兩個(gè)原因。圖1.3系統(tǒng)主電路圖1.4.2變頻恒壓系統(tǒng)I/O分配表變頻恒壓系統(tǒng)I/O分配表若下表1.4所示表1.4I/O分配表輸入器件輸出器件PLC輸入端符號(hào)名稱PLC輸出符號(hào)名稱X0SB1系統(tǒng)啟動(dòng)X20RUN壓力上限X1SB2系統(tǒng)停止X21SU壓力下限X2SB3自動(dòng)啟動(dòng)Y0KM1泵1工頻X3SB4手動(dòng)啟動(dòng)Y1KM2泵2工頻X4SB5泵1變頻Y2KM3泵3工頻X5SB6泵1工頻Y3KM4泵1變頻X6SB7泵2變頻Y4KM5泵2變頻X7SB8泵2工頻Y5KM6泵3變頻X10SB9泵3變頻Y6KM7系統(tǒng)啟動(dòng)X11SB10泵3工頻Y10L1泵1故障X12FR1泵1熱過(guò)載Y11L2泵2故障X13FR2泵2熱過(guò)載Y12L3泵3故障X14FR3泵3熱過(guò)載Y14L4變頻器啟動(dòng)X15FU頻率上限Y20STF變頻正轉(zhuǎn)X16IPF頻率下限1.4.3控制電路的設(shè)計(jì)圖1.4控制線路圖如上圖1.4所示，該變頻恒壓供水系統(tǒng)分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。在自動(dòng)模式中，三相電源接通，開(kāi)關(guān)QS閉合電路接通，按下自動(dòng)按鈕后系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)水壓并自動(dòng)進(jìn)入水泵變頻供水狀態(tài)，正常情況下，先啟動(dòng)的水泵為泵1，若泵1發(fā)生故障則往下延續(xù)。由于一個(gè)水泵不能同時(shí)處于兩種供水狀況，所以同臺(tái)泵機(jī)的兩種供水方式需要形成互鎖即KM1與KM4，KM2與KM5，KM3與KM6之間需要互鎖以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。水泵的變頻原因主要為頻率達(dá)到上限與壓力達(dá)到上限兩種原因，當(dāng)用戶的用水量不斷上升從而使得變頻器的輸出功率不斷增加并逐步達(dá)到一臺(tái)至兩泵水機(jī)的頻率上限時(shí)，此時(shí)當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到頻率達(dá)到上限則會(huì)啟動(dòng)下一臺(tái)泵機(jī)開(kāi)始供水，上一臺(tái)泵機(jī)則切換到工頻狀態(tài)供水；當(dāng)用戶用水需求量突然下降時(shí)，此時(shí)水流的壓力還是處于剛才的泵機(jī)供水最大值狀態(tài)，此時(shí)為了保護(hù)設(shè)備以及