变频恒压供水系统.doc
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1、装订线毕业项目报告纸摘要: 本论文在分析和比较了国内外供水自动控制系统的发展现状和特点的基础上,结合我国中小城市供水厂的现状,设计了一套以变频调速技术为基础的恒压供水计算机监控系统。该系统综合运用计算机技术、变频调速技术以及自动控制技术,实现了恒压供水的参数整定自动控制,保证了随时供水系统维持在最佳运行状况。关键词:供水系统 变频 PLCAbstract:On the basis of analyzing and comparing the development and characteristic of domestic and overseas automatic system of w
2、ater supply, combined with status in quo of the waterworks in our country, this paper designs a suit of computer controlling system based on variable frequency speed-regulating technology. Through using computer technology, variable frequency speed-regulating technology and automation technology, th
3、e system can make the water pressure of water supply system constantly by the way of paramete【Key words】:Water supply system,Conversion, PLC目 录摘要关键词.1目录.3第1章 变频调速恒压供水系统的现状和发展1.1变频调速恒压供水的目的和意义.41.2变频调速及PLC在供水行业中的应用.51.3毕业设计任务及要求.8第2章 变频调速恒压供水系统工作原理2.1系统工作过程.92.2变频调速的节原理能、调速.112.3 变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析.
4、142.4本章小结. 18第3章 系统监控软件的设计与实现.193.1系统监控软件总体结构设计.203.2数据库设计.243.3监控软件结构设计.273.4 本章小结和全问小结.27参考文献.28致谢 .30第一章 变频调速恒压供水系统的现状和发展1.1变频调速恒压供水的目的和意义近年来我国中小城市发展迅速,集中用水量急剧增加。据统计,从1990年到1998年,我国人均日生活用水量(包括城市公共设施等非生产用水)有175.7升增加到241.1升,增长了37.2%,与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高1。在用水量高峰期时供水量普遍不足,造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用
5、水对供水压力的要求变化较大,仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足,用水低峰期时供水压力过高,不仅十分浪费能源而且存在事故隐患(例如压力过高容易造成爆管事故)。供水厂希望通过对原有系统的技术改造,提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件,改变传统的落后管理方式,使管理工作规范化,提高水厂的业务管理水平。由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统,所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行,设计一套取水和供水的自动控制系统,克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系
6、统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题,降低能源消耗和资源浪费,提高设备的可维护性和运行的可靠性,以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。在相当比较大规模的工业生产供水系统,变频调速恒压供水有它自身的特点:1.供水量在短时间内(一天时间内)变化大,这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2.对供水压力的要求比较严格,供水的压力随供水的流量的变化而变化,甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3.一般情况下,供水系统的水流量受到水消耗量的控制,而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。从上即可结论:以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要,也提高整个系统的效率,延长系
7、统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。1.2变频调速及PLC在供水行业中的应用1.2.1变频调速技术的特点及应用作为高性能的调速传动,直流发电机电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦,价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多,例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。70年代以后,由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展,促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点,而且调速性能可以和直流电动机的调
8、速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点,其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末,交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术,它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流,再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源,以此电源拖动电机在变速状态下运行,并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式,从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中,较为传统的运行方式是可节电4060,节水15302。由于变频调速具有调速的机械特性好,效率高,调速范围宽
9、,精度高,调整特性曲线平滑3,可以实现连续的、平稳的调速,体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时,可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器,变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类,目前国内大都使用交直交变频器。自从通用变频器问世以来,变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点,使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,在
10、用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求,是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展,变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能,对合理设计变频调速恒压供水设备,降低成本,保证产品质量等方面有着非常重要的意义。新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比,不论是设备的投资,运行的经济性,还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势,而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性,引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视,并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该
11、产品正向着高可靠性、全数字化微机控制,多品种系列化的方向发展。追求高度智能化,系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内,变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程,早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠,但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低,而多泵调速系统投资更为节省,运行效率高,被实际证明是最优的系统设计,很快发展成为主导产品。1.2.2可编程序控制器的特点及应用早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC),主要用来代替继电器
12、实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展,可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体,具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点,以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能,在工业生产中得到了广泛的应用。1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成,主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期,体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC,使得PLC的功能大大增强。在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模
13、块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面,PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言,除了保持原有的逻辑运算等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片,大大提高了PLC软、硬件功能。在发达工业国家,PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称,1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元5。随着电子技术和计
14、算机技术的发展,PLC的功能得到大大的增强,具有以下特点5,6,7:1可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号,有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能,它还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块。3采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需
15、要自行组合。4编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5安装简单,维修方便。PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点,使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管
16、理系统等8,9,10,11。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以监测等。1.3毕业设计任务及要求毕业设计课题是变频调速恒压供水系统监控软件设计,大体为以下四项内容:1.变频调速恒压供水系统现状和发展 主要介绍其系统的目的和意义,简述了目前我们常用的供水系统,根据社会发展的需要必须要进行技术改造,变频器的广泛应用,随着技术的发展,其优越性越来越多,主要是节能、恒压、综合技术的集成等,以后将朝大容量、小体积、高性能、易操作、寿命高、可靠性强、无公害化发展,从而可以看出变频调速恒压供水的广泛前景;同时介绍了该供水系统起关键作用的变频调速技术和PLC的应用以及其特
17、点。2.变频调速恒压供水系统的理论原理 主要介绍变频调速恒压供水系统的工作原理,变频器的节能、调速原理;变频器的工况点的确定和能耗机理分析,以及系统调速范围的确定。3.系统软件设计与实现 主要介绍变频调速恒压供水监控软件的总体结构设计,包括了数据采集与通信,设备状态控制及数据管理;供水监控软件的数据库设计和供水监控软件结构设计都是采用Delphi6.0编程软件及其中的数据库开发Database Desktop而进行的。4.PLC与上位机间的串口通信设计 主要介绍串行通信与并行通信的优缺点,从而确定供水监控软件必须采用PLC与上位机的串口通信,然后进行通讯参数设置,开发出通信测试界面,用PLC通
18、信程序指令实现串行通信。 总之,通过完成毕业设计的主要内容,必须掌握变频恒压供水监控系统软件设计的一系列技术,也必须达到如下要求:完成毕业论文说明书,不得少于45页;完成恒压供水系统监控软件主窗体,设计出能正常运行的系统软件;完成PLC与上位机间的串行通信设计,能够进行通信测试。第二章 变频调速恒压供水系统工作原理变频调速供水系统中,是通过变频器来改变水泵的转速,从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点,是指水泵在确定的管路系统中,实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中,水泵工况点的调节是一个十分关键的问题
19、。如果水泵工况点偏离设计工作点较远,不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象,还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程,这三种因素任一项发生变化,水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关。2.1系统工作过程根据现场生产的实际情况,白天一般只需开动一台大泵和一台小泵,就能满足生产需要,小机工频运行作恒速泵使用,大机变频运行作变量泵;晚上用水低峰时,只需开动一台大机就能满足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的进行设计,即把1#水泵电机(160KW)和2#水泵电机(220KW)为
20、一组,自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。分析自动控制系统的机组(1#、2#水泵电机)工作过程,可分为以下三个工作状态:1) 1#电机变频起动;2)1#电机工频运行,2#电机变频运行;3) 2#电机单独变频运行。一般情况下,水泵电机都处于这三种工作状态之中,当管网压力突变时,三种工作状态就要发生相应转换,因此这三种工作状态对应着三个切换过程。1.切换过程1#电机变频起动,频率达到50HZ,1#电机工频运行,2#电机变频运行。系统开始工作时,管网水压低于设定压力下限,按下相应的按钮,选择机组运行,在PLC可编程控制器控制下, KM2得电,1#电机先接至变频器输出端,接着接
21、通变频器FWD端,变频器对拖动1#泵的电动机采用软起动,1#电机起动,运行一段时间后,随着运行频率的增加,当变频器输出频率增至工频(即50Hz),可编程控制器发出指令,接通变频器BX端,变频器FWD端断开,KM2失电,1#电机自变频器输出端断开,KM1得电1#电机切换至工频运行。1#电机工频运行后,开启1#泵阀门,1#泵工作在工频状态。接着KM3得电,2#电机接至变频器输出端,接通变频器FWD端,变频器BX端断开,2#电机开始软起动,运行一段时间后,开启2#泵阀门,2#水泵电机工作在变频状态。从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行,2#水泵接入变频器并启动运行,在系统调节下变频器输出频率不断
22、增加,直到管网水压达到设定值()为止。2.切换过程由1#电机工频运行,2#电机变频运行转变为2#电机单独变频运行状态。当晚上用水量大量减少时,水压增加,2#水泵电机在变频器作用下,变频器输出频率下降,电机转速下降,水泵输出流量减少,当变频器输出频率下降到指定值,电机转速下降到指定值,水管水压高于设定水压上限时(2# 电机),在PLC可编程控制器控制下,1#水泵电机从工频断开,2#水泵继续在变频器拖动下变频运行。3.切换过程由2#电机变频运行转变为2#电机变频停止,1#电机变频运行状态。当早晨用水量再次增加时,2#电动机工作在调速运行状态,当变频器输出频率增至工频(即50Hz),水管水压低于设定
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