闭环控制系统的框图:TD2100变频器构建恒压供水系统

来源：百度文库编辑：九乡新闻网时间：2024/04/29 07:06:29

广州城市职业学院

学生毕业论文（设计）手册

毕业论文（设计）题目 TD2100变频器构建恒压供水系统

教学单位信息与汽车工程学院

专业/年级电气自动化技术（08级）

姓名卓志强

学号 1506080153

指导教师姓名/职称龚雄文助教

日期 2011年4月10日

独创性声明

本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得广州城市职业学院或其他教育机构的证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本论文（设计）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

论文（设计）作者签名：签字日期：年月日

摘要：随着变频器技术的不断发展，其专业功能日趋强大，下面介绍一种由TD2100系列供水专业变频器组成的恒压供水系统，该系统结构简单，运行稳定，功能强大，节约能源。

关键词：专业变频器，恒压供水， PID控制

1、前言... 5

1.1设备概述... 5

1.2设备组成... 6

1.3应用范围... 7

2本系统的功能... 8

2.1、系统的技术先进... 8

2.2、系统的高效节能... 8

2.3、系统的供水压力稳定... 8

2.4、系统的操作稳定... 8

2.5、延长电机、水泵寿命... 8

2.6、完善的保护功能... 8

2.7、小流量睡眠功能... 8

2.8、运行动作功能... 8

3 TD2100变频器的工作原理... 9

3．1供水模式... 10

3．2泵的定时轮换功能... 10

3.3闭环控制功能... 11

3.4供水定时控制功能... 12

3．5休眠泵控制功能... 12

3．6进水池缺水检测功能... 12

3．7自动拨号报警功能... 12

4 TD2100变频器的供水应用指南... 13

4.1应用需求分析及数据统计... 13

4.2 电气接线原理图设计... 14

4.3 现场安装及配线... 15

4.4 上电前相序测试及连线检查... 15

4.5.上电简单运行及测试... 15

4.6.供水功能码参数设置... 16

4.7 调试运行及参数调整... 16

4.8 运行及维护... 17

5电气控制系统... 17

5.1 应用TD2100变频器构建恒压供水系统接线原理图... 17

6. 结论... 18

参考文献... 19

致谢... 20

1、前言

1.1设备概述

变频器恒压供水设备是一种新型的节能供水设备。变频器恒压供水设备系统运用当今先进的微电脑控制技术，将变频调速器与电机水泵组合而成的机电一体化高科技节能供水装置。变频恒压供水设备以水泵出水端水压（或用户用水流量）为设定参数，通过微机自动控制变频器的输出频率从而调节水泵电机的转速，实现用户管网水压的闭环调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率提高，水泵转速加快；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢。这样就保证了整个用户管网随时都有充足的水压（与用户设定的压力一致）和水量（随用户的用水情况变化而变化）。

图表 1 TD2100变频器

1.2设备组成

变频恒压供水设备主要由水泵机组、测压稳压罐、压力传感器、变频控制柜等组成，能始终维持压力表压力（即用户管网水压）等于用户设定值。可用于一般生活或生产供水。供水系统组成方式有：

1.2.1、变频供水设备与市政管网并网恒压供水，在供水压力可满足需要时，自动停运全部水泵。否则，恒压供水设备起动，增大压力满足用水要求。

1.2.2、附加小泵或气压罐，为完全消除小流量或零流量供水电耗，可增加辅助小泵或辅助气压罐，当供水压力低时，自动停运主泵，使小泵或气压罐运行

图表 2 恒压供水主要设备组成图

变频器接外部控制按钮，控制变频器的启停、速度，变频器控制水泵的速度。

有一个压力传感器，把压力信号传给变频器，变频器里面的PID调节器进行运算比较，发出信号再去控制水泵，形成一个闭环控制。

图表 3 生活用水恒压供水

1.3应用范围　

1.3.1、新建的住宅小区、别墅、写字楼、综合楼生活供水。

1.3.2、高层建筑、消防用水、高级宾馆饭店等的生活供水。　

1.3.3、气压给水,地面水池加压等传统供水系统改造。

1.3.4、各种锅炉冷水供水系统、锅炉热水。

1.3.5、自来水厂的中间加压泵站、自来水二次增压。

1.3.6、各工矿企业的生产、生活用水、管网稳压。

1.3.7、各种类型的循环水、冷却水供应系统。

1.3.8、自来水压力不能满足要求的生活、消防加压供水等

2本系统的功能

2.1、系统的技术先进

采用了变频器和PLC（PC/智能控制器）的自动化控制，使设备根据各种供水要求实现智能化恒压变量供量供水；

2.2、 系统的高效节能

由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。

2.3、系统的供水压力稳定

系统实现闭环控制，能自动调节设定压力和系统压力的差值，是压力保持恒定；

2.4、 系统的操作稳定

系统由变频器或变频器加智能控制器自动控制，操作极为简单；

2.5、延长电机、水泵寿命

各泵皆为软启动，消除了启动时的冲击电流。各泵循环启动，使备用水泵不会因长久不用而生锈或使用频繁而磨损。对消防实现定期巡检；

2.6、完善的保护功能

具有过流、缺相、过压、过热、过载等多种保护，水泵运行如有故障，自动停止工作并报警输出；系统具有自检、故障判断、故障记忆、故障显示、自动启动备用泵等功能；

2.7、小流量睡眠功能

可配接附属小泵，使系统运行在夜间或其它小流量情况下，自动关闭主泵，开启附属小泵，从而避免因开大功率水泵而造成的浪费；

2.8、运行动作功能

变频器和控制器的编程与设定方便简单，容易掌握和操作。

3 TD2100变频器的工作原理

TD2100系列供水专用变频器具备了一般的供水控制系统中通用变频器和PLC两者的功能，用更加经济和简单的方式实现了整个系统包括常规泵、休眠泵、消防泵和排污泵等多台泵的智能化管理。图l为供水系统的流程图，可以看出该系统上要由一台TD2100犁变频器、压力变送器、4台水泵组成。4台水泵中3台为15kW常规泵，一台3 kW休眠泵，每台水泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用。
供水系统的压力设定值通常为0．6MPa，休眠泵压力设定为0．3 MPa，用水高峰期2台常规泵供水，低峰期只有1台水泵运行。当压力变送器输出的压力值与压力设定值相等时，水泵1保持稳定的转速。当供水压力低于设定值时，水泵1转速上升，供水量增加，供水压力上升，直到供水压力与设定值相等时，水泵1在新的转速下运行；当供水压力上升时，水泵1的转速随之下降，直至达到新的平衡。当水泵1运行到变频器设定频率上限供水压力仍低于设定值时，水泉1切换到工频运行，水泵2变频运行，使供水压力与设定值相等：水泵3为备用泵．当水泵1、水泵2工频运行时供水压力仍低于设定值时，水泵3变频运行，使供水压力与设定值相等。

图表4 供水系统流程图

由于供水系统对压力的稳定性要求较高，超过压力的上限值，会造成生产事故。低于下限时，供水不足，有些用户又不得不停工停产。因此需要对变频器过限功能的最高频率和最低频率进行重点调试，经过运行发现，正常情况下，2台水泉同时运行，水泵2的工作频率在30～40Hz之间，由于电动机低速运行时，电机风扇的散热能力下降，会出现电机温度上升的现象，故将变频器的最低频率设为25 Hz。
系统的所有功能都是由TD2100供水专用变频器来控制实现的，所以本系统的功能介绍也就是TD2100变频器主要功能的介纠。

3．1供水模式

TD21C0变频器有8种供水模式供选择，能够满足用户的各种需求。本系统采用了先起先停的3泵变频循环方式（如网2所示）。
采用变频循环工作方式时，变频器按照一定顺序轮流驱动各泵变频运行。变频器能够按照压力闭环控制要求在设定范围内自动确定运行泵台数，同一时刻只有一台泵由变频驱动，当变频驱动的泵运行到设定的上限频率而需要增加泵时，变频器将该泵切换到工频运行，同时驱动另一台泵变频运行。

3．2泵的定时轮换功能

在实际中常规泵的容量一致时使用该功能比较合适，可以均衡各泵的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用而发生锈蚀的现象，这样就提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。

图表5 系统配置示意图

该功能有效时，在循环方式下所设置的泵全部参与定时轮换；在固定方式下，变频固定泵作为主调节泵而不参加轮换，工频泵则进行定时轮换控制。对于小同容量的泵，不宜采用定时轮换功能。

3.3闭环控制功能

图表 6 闭环控制系统图

变频器内部的PI调节器，是专为温度、压力、流量等过程控制系统设置的，能够监视反馈装置的输出信号，并根据反馈的要求调整变频器的输出。采用比例积分增益调节方式，加上反馈标定、偏差容限（偏差在此设定范围内，PI调节器停止调节，变频器保持输出）等功能，使变频器根据PI设定值和反馈值来控制变频器的输出，如果反馈装置检测出反馈值偏离理想点时，PI调节器将调整变频器的输出，直到反馈值等于设定值。

在图4中，一路是压力给定信号，根据生产过程的要求，确定压力的设定值。由压力变送器检测现场的压力反馈值，与压力给定值比较后，得到偏差值△P，经过比例积分控制器处理后得到频率输出信号，控制电动机的运行。

3.4供水定时控制功能

为了适应生活供水中的压力/流量波动特性，如通常白天的3个用水高峰期流量波动，以及其他一些特殊应用，系统提供了最多6段的定时压力给定控制以满足使用，有利于节水和节能。其中有常规日和指定日的区分。

3．5休眠泵控制功能

休眠功能主要用于夜间供水量急剧减少的情况，通过设定变频器内部参数指定每日休眠工怍的起止时刻和体眠时的压力给定值。休眠期间，休眠小泵工作，变频器只监测管网压力，当管网压力低于设定的休眠压力时，系统自动唤醒，变频泵投入工作，当管网压力高于设定时，系统再次进入休眠状态，即只有休眠小泵运行。这种休眠泵的控制，实现了节水节电功效。

3．6进水池缺水检测功能

变频器内置集成的液位传感器（也叫外接液位传感器）很容易实现液位的检测和控制。变频器能够根据水池水位的检测值自动控制系统的运行和停止，这将有效的防止水泵系统设备因缺水而损坏。

3．7自动拨号报警功能

当供水系统或变频器发生战障时，通过内置的RS232串行通信接口与外接的Modem设备进行信号连接，自动起动预先设定的电话号码，及时通知设备维护人员进行相应处理。
TD2100系列变频器的设计充分考虑了供水系统中所需要的各种控制要求，设计相当精细，相应的功能还有很多，这里没有一一陈述。

4TD2100变频器的供水应用指南

4.1应用需求分析及数据统计

在进行供水系统电气原理图设计之前，要对实际应用需求进行全面系统的分析，如图1所示典型的供水系统基本配置

4.1.1 确认系统功能配置

对于新的供水系统进行变频控制时，应考虑如下几点：基本功能配置，根据供水系统的功能设计需求，选择常规水泵，消防泵，排污泵以及休眠泵的组合配置。

根据常规用水的最高负荷和泵的备份方式等因素确定常规泵的数量荷容量，根据消防管网的特性和压力要求确定消防方式和消防泵容量，根据污水的需求，确定污水泵的大小和容量。

根据各个功能泵的容量确定匹配电机的功率大小，由变频器驱动的最大电机容量作为 TD2100变频器选取的标准。对于旧的供水系统的改造，实现应分析原有系统的功能配置情况，是否有消防、排污的功能要求，是否有休眠等，再根据功能泵的容量和电机功率选择TD2100变频器的容量及型号。

4.1.2 系统功能选择供水模式的确定，确定系统采用变频固定方式(最多7泵)还是变频循环（最多4泵）方式。

是否需要定时轮换控制，并确定定时轮换周期。是否有压力定时控制的需求，确定相应的各时间段（最多6段）和压力设定值。如有特定日期段（最多3段）的压力控制要求，还应落实相应的时间表和年/周循环方式，包括月/日或星期。

需要哪些特殊的应用，如休眠、排污或消防等。

需要哪些故障检测和保护功能、如进水池缺水、管网超/欠压、传感器断线、故障自动恢复、以及故障自动拔好功能等。

图表 7典型供水系统配置图

4.2 电气接线原理图设计

感觉详细应用需求分析，就可以进行电气接线原理图设计，请参考第三章中供水基本接线原理示意图有关部分，同时应注意：

当采用变频循环方式，或有工频旁路时，电机可能工作在变频或工频两种状态，其变频工频两个对应的接触器必须进行电气逻辑互锁设计，应选用带机械装置的交流接触器，以保证安全和可靠运行：

带采用变频固定方式，若其工频固定泵电机容量较大，一般大于30KW，则不宜采用直接工频启动，而应采取工频降压启动，如Y-△启动，自藕调压器降压启动等方式；

若电机功率大于37KW时，请不用用变频器内继电器板上的控制信号直接驱动电机交流接触器，以免损伤继电器板，而应选择中间继电器或接触式继电器进行信号放大后，再驱动接触器：

控制信号接线设计中，要注意出厂时数字地“COM”与模拟地“GND”之间不相通，“P24”与“COM”之间组成+24V直接电源输出回路。

4.3 现场安装及配线

良好的电气原理图设计使用现场安装及配线有了正确的依据，但在实际操作过程中也应该注意几点：

应安装一般工业及电气设备安装规范进行安装及配线，包括控制柜，电机及水泵的安装，注意设备接地和绝缘要求，对变频器而言，应使接地电阻小于10Ω：

主回路电缆截面积应满足通过电流能力要求，控制电缆与主电缆应尽量分开走线，或垂直交叉布线，以减小对控制信号的干扰。

传感器电缆应采用屏蔽线，且与主电缆分开走线；

变频器输出端子（U、V、W）之间或输出端子与地之间不能接有电容和压敏电阻类涌浪吸收器，以免损坏设备。

严禁将电源输入线接到变频器输出端子（U、V、W）。

4.4 上电前相序测试及连线检查

对于变频循环方式应用时，第一次上电前相序测试尤为重要：电机在变频和工频两种方式下切换工作时，如电机连接的工频电源L1、L2、L3的相序应与连接变频器输出U、V、W时的相序不一致，将在切换中出现电机瞬时正/反得过渡过程，造成比电机直接工频启动更大的冲击，特别对于电机功率较大的系统其后果更严重，容易损坏设备，且能引起较大面积的电源跳闸恶性事故。

实践表明，有些水泵在电机反转的情况下仍能供水，但输出水压只有之恩正常泵输出压力的一般左右（50HZ）用户容易忽视，故在设备调试时还要注意查水泵转向。

首先，可采用相序测试仪表对供水电气系统输入电源线进行测试，判断出哪条线是 L1到L2到L3到L1的正相序输入电源线。

其次，TD2100系列变频输出相序主要由“功能码F04”决定，当运转方向设置为正转时，其U、V、W输出相序未正相序，既U、V、W、U，如果运转方向设置为反转时则U、V、W输出方向相序，既W、V、U、W。（说明：TD2100的出厂设置为正转，即U、V、W输出正相序。）

最后，根据电气原理图和测试的电源相序结果，进行检查，保证电动机连接的工频电源L1、L2、L3的相序应与连接变频器输出U、V、W保持一致。

4.5.上电简单运行及测试

在接线检查确认无误后，即可进行变频器上电的一些简单调测，主要目的是验证变频器上电是否正常，拖动M1电机开环率给定运行是否正常。

4.6.供水功能码参数设置

功能码设置的正确与否是TD2100使用成败的关键，应根据前面所做的详细的应用需求分析和数据统计。在实际运用中相应各控制功能的执行优先级如图

图表 8 控制功能优先级

4.7调试运行及参数调整

各应用参数设置完毕后，应根据功能需求进行核定，特别是与变频器外围电气接线密切相关的一些参数，如控制方式、供水模式、继电器输出设定、闭环反馈信号标定等，应重点检查，无误会后方可进行系统调试运行。主要包括以下几方面：

测试各泵电机转向是否正确。对于变频循环方式，可采用手动软启动方式分别试运行各泵电机，如果发现转向方向，则只需在电机侧任意调换两相的电机电缆即可纠正。对于变频固定方式，可对变频泵进行单独变频试运行，选用开环频率给定方式或采用手动软启动方式均可验正变频泵电机的转向；而对于各工频固定泵，可直接将系同选择为手动操作方式，利用各工频的手动启停开关或按钮来试运行各泵，从而确认各泵电机转向的正确性。

针对闭环控制参数进行运行调节。开始运行前，压力设定应设置得比实际需求小一些，以免管网出现异常超压。试运行中，根据管网闭环控制的不稳定情况及时调节相应参数，如PI参数，采用周期、偏差带、给定或反馈虑波时间等参量；直到系统调节到稳定合理的外围，并保证一定的响应速度。

对于多泵切换过程参数的调节，包括电磁开关切换延迟时间、泵切换判断时间，对于变频固定方式侧还要加减泵过程的平滑时间F35、F36的调节等，使泵的切换过程平滑、冲击小、不宜震荡等。

其他一些供水功能的工况模拟及调制，包括消防功能的模拟测试、排污测试、缺水测试、管网超/欠压测试、定时轮换测试等。当然，在调试时，相应的一些时间参量可感觉需要适当修改，如超欠压保护动作时间。

4.8 运行及维护

各项调试正常后，将有关的调测过程功能变量进行修改，使之适应实际的参数（如超欠压保护动作时间），然后便可启动系统运行。

实际运行中，经常有些参数需要调整，如用户指定日的设定；当需水量有变化时，如夏季/冬季，则需要调整压力给定值等。

5电气控制系统

5.1应用TD2100变频器构建恒压供水系统接线原理图

图表9 应用TD2100变频器构建恒压供水系统接线原理