DZ219變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)的研究與實現(xiàn),dz219,變頻,調(diào)速,供水系統(tǒng),研究,鉆研,實現(xiàn) 變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)的研究與實現(xiàn),學　　生：　金光華 指導教師：　尤　文,概 述,智能建筑是建筑技術(shù)與計算機信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是信息社會與經(jīng)濟國際化的需要,是寫字樓等公共建筑發(fā)展的一個趨勢，是科技高度發(fā)展的結(jié)晶。隨著人民生活水平的日趨提高，新技術(shù)和先進設備的應用 ，使給供水設計得到了發(fā)展的機遇，當前住宅建筑的小區(qū)規(guī)劃趨向于更具人性化的多層次住宅組合，不再僅僅追求立面和平面的美觀和合理，而是追求空間上布局的流暢和設計中貫徹以人為本的理念，特別是在市場經(jīng)濟的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是選擇一種符合各方面規(guī)范、衛(wèi)生安全而又經(jīng)濟合理的供水方式，對供水設計帶來了新的挑戰(zhàn)。智能建筑往往是從樓宇自動化控制系統(tǒng)開始。本文主要針對當前供水系統(tǒng)中存在的自動化程度不高、能耗高、供水可靠性低的問題加以研究，開發(fā)出一種新型的并在這三個方面都有所提高的PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)。 恒壓供水是指在供水管網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水管網(wǎng)（系出口）壓力值是根據(jù)用戶需求確定的。傳統(tǒng)的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施來實現(xiàn)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟和廣泛應用，利用變頻器、PID調(diào)節(jié)器、傳感器、PLC等器件的有機結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實現(xiàn)恒壓供水。該技術(shù)已在供水行業(yè)普及。 本文采用可編程控制器（PLC），利用變頻調(diào)速控制技術(shù)，借助傳感器和執(zhí)行器等現(xiàn)代工業(yè)控制常用的控制部件及其相關控制算法，設計并實現(xiàn)了變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、運行可靠等特點?？梢源蟠筇岣叨喂┧目煽啃裕c氣壓供水設備相比可節(jié)能20％以上。,二次供水的發(fā)展現(xiàn)狀 一般城市管網(wǎng)的水壓為 1.4-2.4kg/cm2，只能保證6層樓以下樓房的用水，6層以上各樓層均須提升水壓才能保證用水要求，以前大多采用傳統(tǒng)的水塔，高位水箱或是氣壓增壓設備，但它們都必須有水泵以高出實際用水高度的壓力來提升水量，增大了水泵的軸功率和能耗。 水箱/水塔供水是由水箱/水塔直接供應，用上水泵把水送入高位水箱，水箱中的水靠重力自流向用戶供水，即為重力供水。它是由位置高度所形成的壓力來進行供水的，因此，必須建造高大的水塔或在建筑物屋頂建立貯水箱。由于水箱和水塔的容積是一定的，在用水高峰常常不能滿足供水要求。同時，由于其存水量大，在屋頂形成很大的負重，增加了結(jié)構(gòu)的承重和占用樓層的建筑面積。此外，水箱和水塔的貯水，增加了水被二次污染的機會。 氣壓供水系統(tǒng)不在屋頂上設置水箱，也不用單獨建筑水塔，僅在地下室或某些空余之處設置水泵機組和氣罐設備。采用壓力給水來滿足供水要求。氣壓供水系統(tǒng)是以氣壓罐代替水塔或高位水箱，利用密閉壓力罐內(nèi)的壓力將水壓送入管網(wǎng)，其優(yōu)點是靈活性大，建設快，少受污染，利于抗震等；缺點是體積和投資大，壓力變化大，運行效率低，還需空氣壓縮機充氣。因此，耗費動力較多，維護費用高。 變頻調(diào)速定壓供水系統(tǒng)，無須貯水箱或塔，它由單臺泵或多臺泵將水源的水直接打入用戶主管網(wǎng)中，根據(jù)用水量隨時調(diào)速水泵的速度和水泵運行的臺數(shù)，以保持管網(wǎng)壓力恒定。在用水高峰能保持恒定水壓，在用水低谷或無人用水時，可調(diào)低水泵運行速度或進入睡眠狀態(tài)，具有顯著的節(jié)能效果。除此之外，該系統(tǒng)還具有設備占地面積小，綜合造價低，減輕水質(zhì)二次污染，便于使用和維護等優(yōu)點。,基于PLC的定壓供水系統(tǒng)： 可編程邏輯控制器(PLC) 及其網(wǎng)絡是現(xiàn)代工業(yè)自動化的支柱之一, 由于近年來PLC 的數(shù)據(jù)運算處理、圖形顯示、聯(lián)網(wǎng)通信功能得到了很大的加強, 使得PLC 得以向過程控制滲透和發(fā)展。過程控制通常是指工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期進行的生產(chǎn)過程自動控制。在過程控制領域, PID是最主要的調(diào)節(jié)器之一, 其原理簡單、適用性和魯棒性強, 最突出的特點是它不依賴于對象精確的數(shù)學模型, 因此可以解決工業(yè)過程精確建模時的困難。目前各種PLC 都提供相應的PID控制指令和相應的回路調(diào)節(jié)軟件。因此, 將PLC 應用于PID控制, 能夠使控制系統(tǒng)小型化, 使控制模塊高度集成, 且易于操作和維護。 課題研究意義 1. 高效節(jié)能 變頻定壓供水系統(tǒng)的最顯著優(yōu)點就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10-40%。從單臺水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。 2. 恒壓供水 變頻定壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現(xiàn)在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。 3. 安全衛(wèi)生 系統(tǒng)實行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。,4. 自動運行、管理簡便 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、低液位保護、主泵定時輪換控制、密碼設定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。 5. 延長設備壽命、保護電網(wǎng)穩(wěn)定 使用變頻器后，機泵的轉(zhuǎn)速不再是長期維持額定轉(zhuǎn)速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調(diào)速運行，實現(xiàn)了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應。 6. 占地少、投資回收期短 新型的小區(qū)變頻定壓供水系統(tǒng)采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統(tǒng)占地就非常小，可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設專人管理、設備故障率極低等方面都實現(xiàn)了進一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點，都決定了小區(qū)變頻定壓供水系統(tǒng)的投資回收期短，一般約2年。,系統(tǒng)性能 具有供水壓力調(diào)整方便、精度高、占地面積小、靈活性強、投資小、高效節(jié)能，控制系統(tǒng)內(nèi)置微電腦控制器，可實現(xiàn)全自動定時供水，徹底實現(xiàn)無人值守自動供水，具有過流、過載、過壓、欠壓、缺相、失速、過熱等多種保護功能，水泵起動方式為軟起動，無水錘效應，對電網(wǎng)和水泵無沖擊，延長了水泵及電器的使用壽命，增加了系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)具有故障報警和顯示功能，并可進行工頻直接運行，應急供水。 系統(tǒng)特點 1、系統(tǒng)具有軟起軟停及恒壓供水功能，設有自動和手動兩種運轉(zhuǎn)功能； 2、系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力； 3、控制電源：電壓：AC 220V；功率：40W 4、定壓范圍： 0～0.5Mpa, 5、定壓控制精度：±0.01Mpa 6、完成4臺水泵的組合邏輯控制系統(tǒng)設計，其中每臺泵都可以采取變頻控制方式和工頻控制方式，其中同一時間僅有一臺泵采取變頻控制，其他為工頻控制，單臺水泵的流量: Q=50m3/h 揚程：P=50m 功率：P=15KW 其中要求各個泵工作順序為先開先停，保證每個水泵的工作時間大致相同。,系統(tǒng)組成 典型的自動定壓供水系統(tǒng)具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實時將壓力、流量非電量信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸入至可編程控制器(PLC)的輸入模塊，信號經(jīng)CPU運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出最佳的運行工況參數(shù)，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設定值，控制泵站投運水泵的臺數(shù)及變量泵的運行工況，并實現(xiàn)對每臺水泵的調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖如下,圖2.1 自動定壓供水系統(tǒng)原理框圖,硬件設計 由于本系統(tǒng)的水泵有四臺，而變頻器只有一臺，為了使四臺水泵的使用工況接近，需要使四臺水泵能夠輪流進入變頻運行狀態(tài)，而未按變頻運行的水泵也要輪流的處于工頻運行，使得各水泵的運行時間接近，延長水泵和系統(tǒng)的使用壽命，為此，在系統(tǒng)上需要進行硬件和軟件的特殊設計。 為了充分保障系統(tǒng)的安全，本系統(tǒng)采用以下措施： （1）要求對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實現(xiàn)互鎖。（2）當水泵的功率較大時，為防止直接啟動時啟動電流過大，需要采用軟啟動的方法，即用變頻器來啟動水泵。（3）原先變頻運行的水泵在斷開變頻器后，利用其運行的慣性切換到工頻電源，可避免切換過程中電流過大的問題。 為了實現(xiàn)恒壓供水，首先將供水管道的出口壓力值經(jīng)壓力傳感器檢測，并變送成0~10V的標準信號，送入變頻器，經(jīng)變頻器內(nèi)部A/D采樣和PID運算，控制變頻器的輸出頻率，從而控制供水的壓力平衡。由于在現(xiàn)場一般存在著各種各樣的干擾，為了使控制系統(tǒng)能準確穩(wěn)定的運行，啟用了變頻器內(nèi)部在A/D之前的一級一階低通濾波器。在PLC軟件之中采用平均值濾波的算法去除干擾。,ACS40/ABB變頻器 遠傳壓力表監(jiān)測管網(wǎng)供水壓力，其輸出的模擬量傳遞到PLC，經(jīng)過PLC轉(zhuǎn)換后以模擬量輸出的形式傳給變頻器（壓力反饋），變頻器根據(jù)管網(wǎng)壓力的變化調(diào)整電機頻率。管網(wǎng)壓力當前值高于變頻器設定時，變頻器就會提高其頻率；當前值低于變頻器設定時，變頻器就會降低其頻率。當變頻器的運行頻率達到50hz時，若此時管網(wǎng)壓力仍低，系統(tǒng)將自動啟動一臺工頻泵；當變頻器的運行頻率降到10hz時，若此時管網(wǎng)壓力仍高，系統(tǒng)將自動摘除一臺工頻泵。加泵、減泵時均需考慮30秒的延時，以免電機產(chǎn)生震蕩。 PLC 供水泵的自動控制采用的是日本歐姆龍公司的PLC，機器型號為CPM2A-30CDR-A和模擬量控制模塊CPM1A-MAD02-CH。主要完成供水泵的工頻、變頻自動運行。其控制包括1—4號泵的工頻、變頻接觸器、報警燈、報警器、變頻器啟?？刂频?。在模擬量控制中，模擬量模塊是由四路輸入和一路輸出組成，四路輸入分別連接為P1小區(qū)供水管網(wǎng)壓力（002CH中的低八位）、P2市供水管網(wǎng)壓力（002CH中的高八位）、F變頻器的當前頻率（003CH中的低八位）。一路輸出為P11（12CH中的低八位，P11=P1）。,軟件設計 軟件主要有兩大塊：一塊用于處理PLC從變頻器讀取控制變量和設定變量。由于USS協(xié)議是主—從式協(xié)議，所以在PLC軟件中，需首先發(fā)送一個讀取參數(shù)的指令，然后進入查詢狀態(tài)，當變頻器收到指令，并返回相應的參數(shù)時，軟件放置好參數(shù)值，并發(fā)送讀取下一個參數(shù)的指令。若軟件在發(fā)出指令之后的255ms之內(nèi)沒有收到反饋指令，則認為通訊故障,要重新發(fā)送指令，如果重發(fā)三次都不能正常收到反饋指令，則報警處理。 第二塊是處理水泵運行順序，控制啟停和控制算法的實現(xiàn)。在編制該子塊時關鍵的問題是對各水泵進行編號，并實時的記憶當前的狀態(tài)，尤其是在切換變頻泵到工頻泵時，軟件必須有一個時延確認的處理，這樣可以避免發(fā)生變頻器受電流沖擊的危險。在處理采樣各開關量輸入信號時，都附加了一個時延確認，以避免頻繁的啟/停某一水泵。,,總　結(jié) 變頻式恒壓供水的最大好處，就是用多少水供多少水，不做無用功，因而達到節(jié)能節(jié)水的目的。根據(jù)流體力學原理和試驗結(jié)論，對于水機水泵等的流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，所需功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以水泵調(diào)速運行的節(jié)電效果非常顯著。根據(jù)實際使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用變頻式恒壓供水，可節(jié)電30～60％。 展　望 在短短的幾年內(nèi)，調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替。樓宇自動化恒壓供水系統(tǒng)的飛躍發(fā)展給我國的小區(qū)供水帶來了很大的便利。它充分利用了變頻軟啟動和PLC技術(shù)的相結(jié)合實現(xiàn)一拖多泵的供水系統(tǒng)。PLC編程在工業(yè)領域更適用，它通過梯形圖編程、它更容易被人們理解。PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。變頻調(diào)速技術(shù)在各個領域得到了廣泛的應用，變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點。 恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國內(nèi)幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。目前正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制，多品種系列 化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。,