前言
近年来,随着电力电子技术的飞速发展,以变频器为核心的交流变频调速技术日趋成熟与完善,目前这种交流调速技术在国内外各领域里得到了广泛的应用,它具有体积小、重量轻、安装操作简单、数据可靠、性能稳定和节电效果明显等特点, 是一项较为成熟的高科技成果。可编程控制器(PLC )作为一种新型的工业自动化装置。因其功能强大,可靠性高,操作使用方便也得到了广泛的应用,它在民用建筑行业中的应用也日益广泛与普及。
在现代化城市发展的今天,以前的给水设备已经远远不能满足现代人民生活的需要,如何保证在供水量波动的时候水压恒定,采取变频恒压控制是现代供水控制系统的主要方式 本设计以PLC 、远传压力表、调节器、变频器及水泵机组组成一闭环变频恒压供水系统,它利用交流闭环变频技术使送水管网压力始终基本保持恒定,代替了传统的水塔供水控制方案,具有自动化程度高,高效节能等优点,在小区和工厂供水控制中得到广泛应用,并取得了明显的经济效益
目录
一、方案论证.........................................................3
1、系统选型....................................................3 2、水泵及配套电机的选择........................................3 3、 变频器的选择................................................4 二、系统原理.........................................................4
1、系统原理框图.................................................5 2、系统工作原理.................................................6 三、系统设计.........................................................6
1、PLC 选择及 I/O分配...........................................6 2、系统主电路图................................................7 3、梯形图设计与分析.............................................7 ⑴启泵及备用泵选择...........................................7 ⑵故障检测及备泵自投.........................................7 ⑶变频器控制及指示...........................................8
四、指令语言程序....................................................9 五、结束语..........................................................10
1、本系统优点..................................................10 2、系统再认识..................................................10 ⑴系统存在的问题............................................10 ⑵解决方法..................................................10
六、参考文献........................................................11 七、附图............................................................11 1、变频恒压供水系统电气控制原理图................................12 2、安川-616G5通用型变频器接线图................................13
变频恒压供水控制系统的设计
一、方案论证
⒈系统选型
由于水泵属平方减转矩类负载,这类负载在低速时负载转矩减小,所以选用通用型变频器控制水泵电机较为合适。而且本系统所要求的控制精度不是很高,所以可选用PLC 、变频器、调节器、电气式压力表组成的闭环调速系统控制水泵电机,另外该系统不存在大惯性负载,所以采用PI 调节器足以达到控制要求。
考虑到传感器与调节器之间标准信号的匹配问题,本系统选用远传压力表作为水泵出口处管路的压力检测仪表,选用远传压力表也比较经济,因为压力变送器的价格一般都较高。 ⒉水泵及配套电机的选择
由于本系统的最大供水量为Q max =35m 3/小时,扬程H=55米,根据水泵轴的功率计算公式N=
γQH
可估算得水泵轴功率N=7.49kw。式中γ=9800N/m3为1000η
水的重度,η为水泵的效率,取为70%。由于本系统始终是单台泵工作,所以可根据下表选择具体的水泵类型:
从表中可以看出,可选择适合城镇给排水的XA 型卧式离心泵XA50/20A。
从而可选择Y160M2-2封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机(电机参数:I N =29.4A,n N =2930r/min,
XA50/20A型卧式离心泵
η=85%,Pn=15kw),这类电机适合水泵、风机类负载。 ⒊变频器的选择
根据上述原则初选日本安川(VS-616G5)通用型变频器
CIMR-G5A4015、柜内安装型(变频器参数:
S N =26KVA , I N =34A , U N =380V )。
安川VS-616G5通用型变频器参数(400V 电压级)
由于变频器连续运转且驱动一台水泵电动机,现根据变频器选择原则校验如下: ⑴
满
足
负
载
输
出
原
则
:
kp 1.05⨯15
==24.7≤S N =26(KVA )
ηcos ϕ0.85⨯0.75
⑵ 满足电动机容量原则
:
k N I N ⨯10-3=20.3≤S N =26(KVA ) ⑶ 满足电动机电流原则:
kI N =1.05⨯29.4=30.9A ≤I N =34A
安川通用变频器外形图
上述三个校验式中的k 为电流波形补偿系数,取1.05进行校验。可见校验均满足要求,所以维持初选不变。
二、系统原理
⒈系统原理框图
采用PLC 、变频器、调节器、远传压力表组成的闭环变频供水系统原理框图如下:
⒉系统工作原理
设在水泵出口管路上的远传压力表将检测到的水压力信号变为4—20mA 标准电信号送至PI 调节器,PI 调节器将此信号与给定压力信号进行比较,利用比例积分调节规律产生标准输出信号到变频器的输入端,变频器再根据预先设定的频率控制规律控制异步电动机在设定的时间里迅速启动到预定速度,从而带动水泵实现正常供水。若用户的用水量有变化,则管网的水压必然会变化,此时调节器就会根据新的差值按PI 调节规律重新进行调节,变频器的输出频率也会相应的变化,从而改变电机转速,同时改变水泵的流量和扬程,这种调节一直持续到远传压力表检测到的信号与给定值基本相等为止,这样的调节最终使得出水管网的压力基本恒定不变,即实现恒压供水。 三、系统设计
⒈PLC 选择及 I/O分配
根据控制要求可以看出本系统的控制电路部分既可用接触器,继电器控制,又可用可编程控制器控制,考虑到系统的自动化程度及以后的功能扩展,这里采用第二种方案,可以统计出系统的输入点数为11个,输出点数为7个,所以选用欧姆龙小型可编程控制器OMRON C20P。
I/O分配表
⒉系统主电路图
系统主电路图见附图电路,可采用PLC 的一个输出继电器去控制变频器的“正转/停止”输入端,此端子在本系统中仅作为控制电机运行的必要条件 (这个端子闭合后,变频器才有输出电压,该系统只存在水泵电机的起停问题,不存在正转,反转的情况);另外用PLC 的一个输入端监视变频器的正常运行与否,一个输入端监视变频器故障与否,由于变频器自带的保护功能已比较完善,比如外部故障过电流保护、自身故障过电流保护、过载保护、电源过电压保护、降速过电压保护、模块保护等,这些保护功能除了能保护变频器自身之外,还可以对外电路的故障进行保护,所以这里只用一个输入端监视变频器是否故障足以,目的只是指示出故障即可。
另外,安川(VS-616G5)通用型变频器CIMR-G5A47P5的输入输出允许电流、电压和OMRON C20P PLC的输入输出所允许的电流、电压是匹配的。所以PLC 和变频器可以连接。 ⒊梯形图设计与分析
相关约定:为了分析表达方便,以下设计分析中相关符号表示意义分别为:某个线圈带电用“+”表示,过度过程用“ →”表示,线圈带电并保持用“_+”表示,线圈失电用“-”表示。 ⑴ 启泵及备用泵选择
当需要1#机组工作时,即选择2#机组作为备用机组时,按下2# 机组备用选择按钮 SRES2,则0002+
则有: + 1101+
0504+ + 1001–
变频器正转/停止端闭合 1#机组工作
1解除1#机组备用信号
同理,2#机组需要工作时,只需按下1# 机组备用选择按钮SRES1即可。 ⑵ 故障检测及备泵自投
本设计将故障分为两种情况,一种是当电机主回路中的热继电器动作,即过载时,视为故障;另一种是当装设于水泵出水口的压力继电器不动作时(动作整定值小于正常工作时压力最小值),说明该机组回路出故障,导致水压上不去。
现假设1#机组在工作时出了故障,分析如下:
当1#机组过载(0009+)或压力继电器不动作(0003—),有: +
1201+
+1102+
0501+
启动2#泵
1#水泵电机故障报警指示
同理,当2#机组发生故障时,1#机组也会自动投入运行且有相应的报警指示。 ⑶ 变频器控制及指示
变频器正常运行时,由于0011带电且保持,0506带电且保持,所以变频器运行指示灯HL3亮;变频器故障时,0007带电,0505带电,所以变频器故障指示灯RD3亮。
在启泵时,通过1#,2#机组启泵信号去控制变频器的“正转/停止”输入端,使其始终闭合接通,允许电机启动工作;停泵时,通过停泵按扭STP1(0005),STP2 (0006),使变频器该端子也同时禁止,实现停泵后,机组回路彻底失电,这样做比较安全。
四、指令语言程序
五、结束语
⒈本系统优点
该系统采用PLC 控制变频器实现变频恒压供水,使用方便,工作可靠,系统压力恒定,具有较好的控制效果。由于使用了变频器调节水泵转速,使系统实现了高效节能,节能效率可达40%左右,而且采用变频器还可以对电机实行软起动,减少了设备损耗,延长了水泵、电机设备的使用寿命。系统采用闭环控制,参数超调小,偏差能及时进行控制,而且由于变频器具有十分灵敏的故障检测、诊断、数字显示等功能,提高了水泵运行的可靠性。所以采用PLC 和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统,具有很强的实用性! ⒉系统再认识 ⑴ 系统存在的问题
本变频恒压供水系统由于变频器始终只控制一台水泵工作,而且该水泵始终工作在变频状态下,其能达到的最大供水量也只能是频率上限(最高为工频50HZ )所对应的供水量,所以要想达到更大的供水量,就必须选择较大容量的电机和变频器,这无疑增加了系统设计的投入成本;同时在这种工作方式下由于一台水泵长期连续工作,另一台水泵长期不工作,可能会减小长期连续工作泵的寿命,而长期不工作的那台水泵也有可能因为生锈腐蚀而不能工作。 ⑵ 解决方法
让变频器不只控制一台水泵工作,而是根据用水量的需求循环控制这两台水泵,当水压力达到压力下限,频率达到频率上限时(说明此时水供不应求),这时将第一台水泵机组接入交流工频电网运行,同时让变频器去控制另外一台水泵变频运行;若工作一段时间后,频率达到下限,水压达到上限时(说明此时水供大于求了),将第一台机组从交流工频电网断开,继续让第二台机组变频运行;若频率又达到上限,水压力达到下限时,将第二台机组接入交流工频电网运行,第一台机组变频运行。如此循环工作,这种控制方案不但能在不增加系统投入的前提下提供更大的供水量,而且能延长各水泵机组的使用寿命,使系统的利用效率更高。
六、参考文献
【1】 交直流传动技术实训教程 张兴华等 科学出版社 2005.3
【2】 通用变频器及其应用 满永奎等 机械工业出版社 1998
【3】 建筑电气控制技术 王俭等 中国建筑工业出版社 2001
【4】 实用建筑给水排水工程设计与CAD 姜湘山等 机械工业出版社 2004.6
【5】 安川-616G5通用型变频器说明书
七、附图
⑴ 变频恒压供水电气控制原理图。
⑵ 安川-616G5通用型变频器控制回路接线图
前言
近年来,随着电力电子技术的飞速发展,以变频器为核心的交流变频调速技术日趋成熟与完善,目前这种交流调速技术在国内外各领域里得到了广泛的应用,它具有体积小、重量轻、安装操作简单、数据可靠、性能稳定和节电效果明显等特点, 是一项较为成熟的高科技成果。可编程控制器(PLC )作为一种新型的工业自动化装置。因其功能强大,可靠性高,操作使用方便也得到了广泛的应用,它在民用建筑行业中的应用也日益广泛与普及。
在现代化城市发展的今天,以前的给水设备已经远远不能满足现代人民生活的需要,如何保证在供水量波动的时候水压恒定,采取变频恒压控制是现代供水控制系统的主要方式 本设计以PLC 、远传压力表、调节器、变频器及水泵机组组成一闭环变频恒压供水系统,它利用交流闭环变频技术使送水管网压力始终基本保持恒定,代替了传统的水塔供水控制方案,具有自动化程度高,高效节能等优点,在小区和工厂供水控制中得到广泛应用,并取得了明显的经济效益
目录
一、方案论证.........................................................3
1、系统选型....................................................3 2、水泵及配套电机的选择........................................3 3、 变频器的选择................................................4 二、系统原理.........................................................4
1、系统原理框图.................................................5 2、系统工作原理.................................................6 三、系统设计.........................................................6
1、PLC 选择及 I/O分配...........................................6 2、系统主电路图................................................7 3、梯形图设计与分析.............................................7 ⑴启泵及备用泵选择...........................................7 ⑵故障检测及备泵自投.........................................7 ⑶变频器控制及指示...........................................8
四、指令语言程序....................................................9 五、结束语..........................................................10
1、本系统优点..................................................10 2、系统再认识..................................................10 ⑴系统存在的问题............................................10 ⑵解决方法..................................................10
六、参考文献........................................................11 七、附图............................................................11 1、变频恒压供水系统电气控制原理图................................12 2、安川-616G5通用型变频器接线图................................13
变频恒压供水控制系统的设计
一、方案论证
⒈系统选型
由于水泵属平方减转矩类负载,这类负载在低速时负载转矩减小,所以选用通用型变频器控制水泵电机较为合适。而且本系统所要求的控制精度不是很高,所以可选用PLC 、变频器、调节器、电气式压力表组成的闭环调速系统控制水泵电机,另外该系统不存在大惯性负载,所以采用PI 调节器足以达到控制要求。
考虑到传感器与调节器之间标准信号的匹配问题,本系统选用远传压力表作为水泵出口处管路的压力检测仪表,选用远传压力表也比较经济,因为压力变送器的价格一般都较高。 ⒉水泵及配套电机的选择
由于本系统的最大供水量为Q max =35m 3/小时,扬程H=55米,根据水泵轴的功率计算公式N=
γQH
可估算得水泵轴功率N=7.49kw。式中γ=9800N/m3为1000η
水的重度,η为水泵的效率,取为70%。由于本系统始终是单台泵工作,所以可根据下表选择具体的水泵类型:
从表中可以看出,可选择适合城镇给排水的XA 型卧式离心泵XA50/20A。
从而可选择Y160M2-2封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机(电机参数:I N =29.4A,n N =2930r/min,
XA50/20A型卧式离心泵
η=85%,Pn=15kw),这类电机适合水泵、风机类负载。 ⒊变频器的选择
根据上述原则初选日本安川(VS-616G5)通用型变频器
CIMR-G5A4015、柜内安装型(变频器参数:
S N =26KVA , I N =34A , U N =380V )。
安川VS-616G5通用型变频器参数(400V 电压级)
由于变频器连续运转且驱动一台水泵电动机,现根据变频器选择原则校验如下: ⑴
满
足
负
载
输
出
原
则
:
kp 1.05⨯15
==24.7≤S N =26(KVA )
ηcos ϕ0.85⨯0.75
⑵ 满足电动机容量原则
:
k N I N ⨯10-3=20.3≤S N =26(KVA ) ⑶ 满足电动机电流原则:
kI N =1.05⨯29.4=30.9A ≤I N =34A
安川通用变频器外形图
上述三个校验式中的k 为电流波形补偿系数,取1.05进行校验。可见校验均满足要求,所以维持初选不变。
二、系统原理
⒈系统原理框图
采用PLC 、变频器、调节器、远传压力表组成的闭环变频供水系统原理框图如下:
⒉系统工作原理
设在水泵出口管路上的远传压力表将检测到的水压力信号变为4—20mA 标准电信号送至PI 调节器,PI 调节器将此信号与给定压力信号进行比较,利用比例积分调节规律产生标准输出信号到变频器的输入端,变频器再根据预先设定的频率控制规律控制异步电动机在设定的时间里迅速启动到预定速度,从而带动水泵实现正常供水。若用户的用水量有变化,则管网的水压必然会变化,此时调节器就会根据新的差值按PI 调节规律重新进行调节,变频器的输出频率也会相应的变化,从而改变电机转速,同时改变水泵的流量和扬程,这种调节一直持续到远传压力表检测到的信号与给定值基本相等为止,这样的调节最终使得出水管网的压力基本恒定不变,即实现恒压供水。 三、系统设计
⒈PLC 选择及 I/O分配
根据控制要求可以看出本系统的控制电路部分既可用接触器,继电器控制,又可用可编程控制器控制,考虑到系统的自动化程度及以后的功能扩展,这里采用第二种方案,可以统计出系统的输入点数为11个,输出点数为7个,所以选用欧姆龙小型可编程控制器OMRON C20P。
I/O分配表
⒉系统主电路图
系统主电路图见附图电路,可采用PLC 的一个输出继电器去控制变频器的“正转/停止”输入端,此端子在本系统中仅作为控制电机运行的必要条件 (这个端子闭合后,变频器才有输出电压,该系统只存在水泵电机的起停问题,不存在正转,反转的情况);另外用PLC 的一个输入端监视变频器的正常运行与否,一个输入端监视变频器故障与否,由于变频器自带的保护功能已比较完善,比如外部故障过电流保护、自身故障过电流保护、过载保护、电源过电压保护、降速过电压保护、模块保护等,这些保护功能除了能保护变频器自身之外,还可以对外电路的故障进行保护,所以这里只用一个输入端监视变频器是否故障足以,目的只是指示出故障即可。
另外,安川(VS-616G5)通用型变频器CIMR-G5A47P5的输入输出允许电流、电压和OMRON C20P PLC的输入输出所允许的电流、电压是匹配的。所以PLC 和变频器可以连接。 ⒊梯形图设计与分析
相关约定:为了分析表达方便,以下设计分析中相关符号表示意义分别为:某个线圈带电用“+”表示,过度过程用“ →”表示,线圈带电并保持用“_+”表示,线圈失电用“-”表示。 ⑴ 启泵及备用泵选择
当需要1#机组工作时,即选择2#机组作为备用机组时,按下2# 机组备用选择按钮 SRES2,则0002+
则有: + 1101+
0504+ + 1001–
变频器正转/停止端闭合 1#机组工作
1解除1#机组备用信号
同理,2#机组需要工作时,只需按下1# 机组备用选择按钮SRES1即可。 ⑵ 故障检测及备泵自投
本设计将故障分为两种情况,一种是当电机主回路中的热继电器动作,即过载时,视为故障;另一种是当装设于水泵出水口的压力继电器不动作时(动作整定值小于正常工作时压力最小值),说明该机组回路出故障,导致水压上不去。
现假设1#机组在工作时出了故障,分析如下:
当1#机组过载(0009+)或压力继电器不动作(0003—),有: +
1201+
+1102+
0501+
启动2#泵
1#水泵电机故障报警指示
同理,当2#机组发生故障时,1#机组也会自动投入运行且有相应的报警指示。 ⑶ 变频器控制及指示
变频器正常运行时,由于0011带电且保持,0506带电且保持,所以变频器运行指示灯HL3亮;变频器故障时,0007带电,0505带电,所以变频器故障指示灯RD3亮。
在启泵时,通过1#,2#机组启泵信号去控制变频器的“正转/停止”输入端,使其始终闭合接通,允许电机启动工作;停泵时,通过停泵按扭STP1(0005),STP2 (0006),使变频器该端子也同时禁止,实现停泵后,机组回路彻底失电,这样做比较安全。
四、指令语言程序
五、结束语
⒈本系统优点
该系统采用PLC 控制变频器实现变频恒压供水,使用方便,工作可靠,系统压力恒定,具有较好的控制效果。由于使用了变频器调节水泵转速,使系统实现了高效节能,节能效率可达40%左右,而且采用变频器还可以对电机实行软起动,减少了设备损耗,延长了水泵、电机设备的使用寿命。系统采用闭环控制,参数超调小,偏差能及时进行控制,而且由于变频器具有十分灵敏的故障检测、诊断、数字显示等功能,提高了水泵运行的可靠性。所以采用PLC 和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统,具有很强的实用性! ⒉系统再认识 ⑴ 系统存在的问题
本变频恒压供水系统由于变频器始终只控制一台水泵工作,而且该水泵始终工作在变频状态下,其能达到的最大供水量也只能是频率上限(最高为工频50HZ )所对应的供水量,所以要想达到更大的供水量,就必须选择较大容量的电机和变频器,这无疑增加了系统设计的投入成本;同时在这种工作方式下由于一台水泵长期连续工作,另一台水泵长期不工作,可能会减小长期连续工作泵的寿命,而长期不工作的那台水泵也有可能因为生锈腐蚀而不能工作。 ⑵ 解决方法
让变频器不只控制一台水泵工作,而是根据用水量的需求循环控制这两台水泵,当水压力达到压力下限,频率达到频率上限时(说明此时水供不应求),这时将第一台水泵机组接入交流工频电网运行,同时让变频器去控制另外一台水泵变频运行;若工作一段时间后,频率达到下限,水压达到上限时(说明此时水供大于求了),将第一台机组从交流工频电网断开,继续让第二台机组变频运行;若频率又达到上限,水压力达到下限时,将第二台机组接入交流工频电网运行,第一台机组变频运行。如此循环工作,这种控制方案不但能在不增加系统投入的前提下提供更大的供水量,而且能延长各水泵机组的使用寿命,使系统的利用效率更高。
六、参考文献
【1】 交直流传动技术实训教程 张兴华等 科学出版社 2005.3
【2】 通用变频器及其应用 满永奎等 机械工业出版社 1998
【3】 建筑电气控制技术 王俭等 中国建筑工业出版社 2001
【4】 实用建筑给水排水工程设计与CAD 姜湘山等 机械工业出版社 2004.6
【5】 安川-616G5通用型变频器说明书
七、附图
⑴ 变频恒压供水电气控制原理图。
⑵ 安川-616G5通用型变频器控制回路接线图