双恒压无塔供水系统设计

双恒压无塔供水系统设计内容摘要：

此可以看出，由变速恒压的供水系统，特别是生活供水大小差异很大的供水系统，节能是相当明显的。 泵的轴功率与电机转速的 3 次方成比例，并通过此变速恒压供水，节约了大量以前消耗在阀门上的能量，对设备的保养也是有益处的。 电气专业 高级工毕业课题设计说明书 17 3 总体方案设计 系统总述 此系统是针对某生活小区的实际情况，结合用户生活 /消防双恒压供水的控制要求，设计的一个三泵、恒压无塔供水系统。 众所周知，恒压供水系统对于生活小 区是非常重要的，例如在生活小区供水过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响居民生活。 又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大损失和人员伤亡。 所以，生活小区采用生活 / 消防双恒压供水系统，具有较大的经济和社会 意义。 用户的现场情况 如图 1 所示，市网自来水用高低水位控制器 EQ 来控制注水阀 YV1 ，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动向水箱注水。 水池的高低水位信号也直接送给 PLC ，作为水位报警。 为了保持供水的连续性，水位上、下限传感器高低 距离较少。 生活用水和消防用水共用 三 台泵，平时电磁阀 YV2 处于失电状态，关闭消防管网， 三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。 当有火灾发生时，电磁阀 YV2 得电， 打开消防 用水管网， 三 台泵供 生活 /消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。 火灾结束后， 三 台泵改为生活供水使用。 图 供水现场图 恒压供水控制系统的基本控制策略 采用 电动机调速装置与可编程控制器 (PLC)构成控制系统 ，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组 的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。 系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定电气专业 高级工毕业课题设计说明书 18 的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入 CPU 运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。 恒压供水就是利用 PLC 的 PID计算 功能实现的工业过程的闭环控制。 即将压力控制点测的压力信号 (4－ 20ｍ A)输入到 PLC 中，由 PLC 将其与用户设定的压力值进行比较，并通过 PLC 内置 PID 运算将结果转换为频率调 节信号 输出到变频器调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。 供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大于实际最大供水量。 恒压供水系统的基本构成 恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。 配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。 而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。 而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为 水泵电机供电。 在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。 另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。 如图。 图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。 当用水量大时，水压降低。 用水量小时，水压升高。 水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。 电气专业 高级工毕业课题设计说明书 19 图 恒压供 系统 的构成 调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。 调节器的输出信号一般是模拟信号， 420mA 变化的电流信号或 010V 间变化的电压信号。 信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。 在 PLC 恒压供水系统中，执行设备就是 PLC。 用 PLC 代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此， PLC 作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给 定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字 PID 调节。 它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。 如规定和变频器相连接的泵为主泵 (主泵也是轮流担任的 )，主泵在运行时达到最高频时，须增加一台工频泵投入运行。 PLC则是泵组管理的执行设备。 PLC 同时还是变频器的驱动控制。 恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用 PLC 的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经 PID 处理后得出的模拟量信号，并依此信 号的变化改变变频器的输出频率。 另外，泵站的其他控制逻辑也由 PLC 承担，如 :手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。 系统总体框架 整体双恒压供水系统由电机、水泵、变频器、可编程控制器 PLC、压力传送器组成。 由管压传送压力信号给 PLC 的 PID 单元，处理运算控制变频器，实现电机的变频工作拖动水泵供水，由 PIC 运算控制电机间的切换，实现水泵供水的切换，达到多台水泵供水。 整体设计框架如下图所示 CPU222 EM222 EM235 变 频 器 工频 /变频 切换电路 水压信号 水位信号 其它开关信号 3 号泵 1 号泵 2 号泵 电气专业 高级工毕业课题设计说明书 20 图 变频 调速恒压供水控制系统图 PID 控制环节 西门子公司从 S7200 系列 PLC 中的 CPU215, CPU216 开始增加了用于闭环控制的PID 模块。 它是通过 PID 调节器来调节输出，保证偏差值 e 为零，使系统达到稳定状态。 在 PID 控制环节中，外部压力传送装置采集实际压力反馈给 PID 运算，传送控制变频器工作频率的变化，实现水泵的变速供水，以达到输出水压的恒定。 图 PID 变 频 器 调节 水泵切换流程 在整体控制系统中，水 泵由变频工作转为工频工作由 PLC 采集变频器的工作频率实现，当水泵工作在上限频率一定时间后，使该泵切换到工频工作，同时复位变频器，切换下一台泵加入变频工作。 反之，当变频器工作在下限频率一定时间后， PLC 控制停止一个工频泵，调节变频器工作达到水压恒定。 下图为水泵切换图： 图 三泵状态转换 PLC 实现泵切换流程，在系统初始化过程中，给变频器设定下限频率和上限频率。 在 PID 运算过程中将变频器的运行频率反馈给 PLC，比较所给定的上、下限值处理运算， f PID 调节器 变频器 水泵 压力变送器 设定压力值 u e 压力 1变频工作 2变频工作 3变频工作 1工频 2变频工作 2工频 3变频工作 3工频 1变频工作 12工频 3变频工作 23工频 1变频工作 13工频 2变频工作 电气专业 高级工毕业课题设计说明书 21 实 现加、减泵的目的。 当频率达到上限一定时间后，发泵切换信号，变频器复位信号，将当前泵切换到工频工作，下一台泵接变频器，开始 PID 运算直到压力达到所需值。 反之当压力过高时， PID 单元运算时间变频器的减频工作，当当前泵达到所设下限频率一定时间后， PLC 控制单元发停止当前工频泵工作信号，当前工作最久的工频泵停止运行，当前变频泵由 PID 单元控制变频实现压力达到所需要的值。 本章小结 本论文设计变频器调速恒压供水系统具有以下几方面特点 : ①具有自动 /手动双运行功能。 自动状态下可实现无人值守自动恒压 、自动转入消防供水状态。 手动状态下可作不定期的检查和紧急状态下的紧急操作。 ②具有双电源供电，自动 /手动供电电源切换功能。 ③具有自动定期巡检功能，系统可靠性高。 ④由于采用变频调速恒压，恒压精度高，压力变化≦ 节能效果显著，节电率在 14%40%左右。 ⑤消防供水或生活 (生产 )供水中，任何一台水泵出现故障，系统会自动启动其他泵满足供水。 ⑥采用变频调速技术实现交流电机平滑调速，使交流调速系统的性能指标能与直流调速系统媲美。 ⑦多台电机均能可靠地实现软启动，避免了启动电流过大对电网的 影响，且大大延长了设备的使用寿命。 ⑧常压运行时，三泵交替工作，可在不停水情况下对系统进行维护、检修，提高系统的可靠性。 同时，与其它供水系统相比，具有以下几方面的优点 : ①不设高位水箱、减轻建筑物负荷、节省基建投资、缩小施工工期。 ②消除了水源再次污染的可能性。 ③以变频调速控制水压、实现全天恒压供水。 ④消防供水响应速度快、供水压力均衡适量。 ⑤自动化程度高，可实现无人值守智能化运行。 ⑥设备使用寿命长，维护工作量小。 电气专业 高级工毕业课题设计说明书 22 4 硬件系统设计 设备的选择 水泵的选择 水泵的型号参 数如下表 泵型号意义： 如 40LG12－ 15 40－进出口直径（ mm） LG－高层建筑给水泵（高速） 12－流量（ m3/h） 15单级扬程（ M） 200QJ20108/8 200表示机座号 200 QJ潜水电泵 20— 流量 20m3/h 108扬程 108M 8级数 8 级 水泵的基本构成：电机、联轴器、泵头（体）及机座（卧式）。 水泵的主要参数有：流量， 用 Q 表示，单位是 M3/H ， L/S。 扬程，用 H 表示，单位是 M。 对清水泵，必需汽蚀余量（ M）参数非常重要，特别是 用于吸上式供水设备时。 对潜水泵，额定电流参数（ A）非常重要，特别是用于变频供水设备时。 电机 的主要参数：电机功率（ KW），转速（ r/min），额定电压（ V），额定电流（ A）。 联轴器 泵头（体 _) 卧式机座 小区用水量估算 在此系统中，小区为普通居住小区，住户大约为 500 户，人口约为 2020 人，人均每天用水量约 327 升 /日。 但是日用水量是个随机性很大的数据，所以在计算时采用分时电气专业 高级工毕业课题设计说明书 23 计算。 小区公共设施用水约占人均用水的 1/3，用水平均在白天工作的 8 小时。 2020 人中约 1000 人为正常工作人员，用水集中在 晚上 8– 10 点，其他人员用水集中在每天休息时段的 6 个小时。 夜间 6 个小时的用水量几乎为 0。 经折算后可知，每日小区的最高用水时段为晚上 810 小时，约需水量为 108m3/h，设计总系统供水的 70%提供生活用水，可知该系统的最大供水量约为 155 m3/h。 系统由三台水泵供水，需要单台水泵的供水量为 52 m3/h。 该小区的最高楼层为 7层，可知需要的水泵的的扬程约为 25M，考虑此供水系统采用变频调速恒压供水，频率下降时，水泵的扬程也下降，为了使水泵拥有较大的调速范围，选择水泵的扬程选用 50M左右的离心式水泵。 在此设 计中选择成都西南水泵厂的 IS8050200 型水泵三台，此水泵排量 50m3/h，扬程 50m，额定转速 2980r/min,轴功率 ,配带电机15kw ,Y160M22 型效率 69%， 必需汽 蚀余量。 变频器选择 变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。 选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。 人们在实践中常将生产机械分为三种类型 :恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。 恒转矩负载： 负载转矩ＴＬ与转速ｎ无关，任何转速下ＴＬ总保持恒定或基本恒定。 例如传送带、 搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。 变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。 如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。 恒功率负载： 机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。 负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。 当速度很低时，受机械强度的限制，ＴＬ不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。 负载的恒功率区和恒转矩区 对传动方案的选择有很大的影响。 电动机在恒磁通调速时，最大容许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大容许输电气专业 高级工毕业课题设计说明书 24 出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。 如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓 “ 匹配 ” 的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。 风机、泵类负载： 在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度ｎ的２次方成正比。 随着转速的减小，转速按转速的２次方减小。 这种负载所需的。