變頻恒壓供水系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、畢業(yè)設計摘要隨著中國經濟的快速發(fā)展，城市化步伐加快?，F在很多人已經住進小區(qū)，所以小區(qū)必須提供給人們很好的供水質量，但也不能浪費有限的水資源。每個小區(qū)都建有自己的供水系統(tǒng)。小區(qū)供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性，經濟性直接影響到供水質量，傳統(tǒng)的供水方式普遍存在占地面積大、可靠性差、難以維護等缺點，所以現在基本已經被淘汰了。本文主要設計一套小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PLC，變頻器，水泵機組，壓力傳感器，液位傳感器，上位機，通信模塊等設備組成。該系統(tǒng)具有生活管網和消防管網。該系統(tǒng)可以手動運行，也可以自動運行，同時還設計了人機界面，通過遠程通信可以遠程控制系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)針對傳統(tǒng)供水方式的缺點有了大大的改善

2、，不僅提高了供水質量，同時也節(jié)約了水資源，投入資金較少，維護方便。變頻恒壓供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)供水系統(tǒng)相比，節(jié)能效果非常顯著。為了實現系統(tǒng)的恒壓，本設計通過壓力傳感器檢測壓力，然后反饋給變頻器的PID模塊，這樣就構成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。再通過變頻器控制電機的轉速，這就是變頻調速。論文同時也討論了消防供水的問題，在消防管網中配備了兩臺高功率的電機。 最后，還通過組態(tài)軟件編譯了人機界面，使系統(tǒng)更加完善。同時通過通信模塊與上位機相連接，構成一個遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過上位機就可以實現遠程監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況，還可以改變系統(tǒng)的運行參數。對于保護環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設計了水位報警，變頻器故障報警，軟啟動器保護等。關鍵詞：變頻器；

3、PLC；恒壓供水；變頻調速；監(jiān)控系統(tǒng)ABSTRACTAlong with the rapid development of Chinese economy, the urbanization step is quickly. Now many people have moved to communities, so the Community has to provide good water supply quality to people, but can not waste water resources. Community built their own water systems.

4、 Community water supply system must supplies water the stability, credibility of system, the economy directly influences to supply water quality .The traditional means of water supply cover big area, and low efficiency，hard maintenance etc. So its already been eliminated now.This text mainly designs

5、 a cell constant pressure water supply system, which by the PLC, transducer, water pump, pressure sensors, liquid level sensors, host computer, communication modules and other equipment composition. The system has to live tube net and fire net. The system can control by hand, it also can control aut

6、omatically. It still designed a man-machine interface at the same timePassing the long range correspondence can with the movement that the long range control the system. The system has solved the problem existing in the traditional way of water supply, such as economize water resources, it are littl

7、e to throw in funds, maintenance convenience.The system compare with the traditional way of water supply, it has energy conservation effect extraordinary prominence. For carrying out system of constant pressure, this design spreads the feeling machine examination pressure through a pressure, Then th

8、e feedback give the PID mold piece of inverter. Therefore this made one cyclic control system. And then variable-frequency controls the electric machine, so this is a variable velocity variable frequency. The problem that the thesis also discussed that the fire fight supplies water at the same time

9、took care of to provide with the electrical engineering of two set high powers in the net in the fire fight.Finally, it also edited and translated a man-machine interface through a set of software. The system is more perfect. At the same time we Build up a conjunction between the PLC and the compute

10、r. For the protection link, the system designed water level to report to the police, the inverter breakdown reports to the police, the soft starter protects etc.Key words：Variable-frequency; PLC; Constant pressure water-supply; Variable Velocity variable frequency; monitor and control-system目錄摘要2第一章

11、 緒論71.1變頻恒壓供水產生的背景和意義71.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內研究現狀81.2.1各類供水系統(tǒng)的比較81.2.2國內恒壓供水系統(tǒng)研究狀況81.3幾種供水系統(tǒng)的比較81.4本課題的主要研究內容10第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論以及方案確定1121 供水系統(tǒng)的基本模型和主要參數1222供水系統(tǒng)的特性曲線和工作點1323供水系統(tǒng)中恒壓實現方式1424異步電動機調速方法1525 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)能耗分析1626供水系統(tǒng)安全性討論1827變頻恒壓控制的理論模型1928變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數學模型202.9變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析21第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計2231

12、變頻恒壓供水系統(tǒng)總體控制方案的確定2232變頻恒壓供水系統(tǒng)總體結構圖2433變頻恒壓供水系統(tǒng)主要器件的選型以及參數整定26331系統(tǒng)配置設備的參數計算26332變頻器的選型26333 PLC及其擴展模塊的選型31334水泵機組的選型3333壓力傳感器的選型34335軟啟動器或自耦變壓器3434系統(tǒng)電路設計34341系統(tǒng)管網設計34342壓力傳感器的接線圖35343變頻器和控制電路設計35344系統(tǒng)控制電路的設計3935系統(tǒng)的I/O地址分配39第四章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟件設計4141變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理4142系統(tǒng)的主程序流程圖4243 PID調節(jié)器控制以及參數整定44431 PID調節(jié)

13、器控制44432變頻器PID參數調整流程圖46433變頻器PID參數設置及參數調整47第五章 系統(tǒng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計4951 監(jiān)控系統(tǒng)硬件構成495.2 三菱FX系列PLC通信協議515.3 PLC通信程序設計525.4計算機通信程序設計535.5上位機監(jiān)控軟件設計54第六章 總結56參考文獻57附錄1：梯形圖57第一章 緒論1.1變頻恒壓供水產生的背景和意義隨著社會經濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、現代

14、控制技術于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義在變頻恒壓供水系統(tǒng)中利用變頻器改變電動機的電源頻率，從而達到調節(jié)水泵轉速，改變水泵的出口的壓力的目的，這種方法比靠調節(jié)閥門控制水泵出口壓力的方法，具有更高的效率和優(yōu)越性。由于水泵工作在變頻工況下，在其出口流量小于額定流量時，泵的轉速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長了泵和電動機的機械使用壽命。實現恒壓供水的自動控制，不需要操作人員頻繁的操作，大大

15、降低了人員的勞動強度，節(jié)省了人力和能源的消耗。1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內研究現狀1.2.1各類供水系統(tǒng)的比較水池水泵（恒壓變頻或氣壓罐）管網系統(tǒng)用水點是目前國內外普遍采用的方法。該系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關”的順序關泵，工作泵與備用泵不固定死。這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運行時間，有效地防止因為備用泵長期不用發(fā)生銹死現象，提高了設備的綜合利用率，降低了維護費用。水池水泵高位水箱用水點這種供水方式通過水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用戶。但是這第種二次供水方式不可避免造成二次污染，影響居民的身體健康。所以這種方案并不可取，終將淘汰。單元水箱單元

16、增壓泵單元高位水箱各單位用水點的確也達到了樓房高層的用戶不因城市供水管網水壓減小而用不到水的目標，但是它的投資較大，總費用比上兩種方式增加一、二十萬元。這些費用要在用戶的水電費上來扣除，這對于居民和學校來說是巨大的壓力，所以也不可取。結合小區(qū)用水的特點和經濟效益的考慮,決定采用恒壓變頻供水系統(tǒng)。1.2.2國內恒壓供水系統(tǒng)研究狀況從20世紀70年代起，國內的很多專家，學者就開始嘗試將計算機技術應用于供水系統(tǒng)的模擬，優(yōu)化設計及供水系統(tǒng)控制等方面。目前，國內供水系統(tǒng)采用的自動控制技術不少，其特點是變頻技術與其他自動化技術相結合。如最初的恒壓供水系統(tǒng)采用繼電接觸器控制電路，是與開關量邏輯控制技術結合，

17、通過人工啟動或停止水泵和調節(jié)泵出口閥開度來實現恒壓供水。該系統(tǒng)線路復雜，操作麻煩，勞動強度大，維護困難，自動化程度低，應用前景不好。后來增加了微機和PLC監(jiān)控系統(tǒng)，提高了自動化程度。但由于驅動電機是恒速運轉，水流量靠調節(jié)泵出口閥開度來控制，浪費大量的能源，也沒有很好的發(fā)展前景。轉速控制法是通過改變水泵的轉速來調節(jié)流量，通過變頻技術調速。變頻調速以其優(yōu)異的調速和起、制動性能，高效率、高功率因數和節(jié)電效果，得到了廣泛的應用。1.3幾種供水系統(tǒng)的比較1恒速泵加壓供水：這種方式無法對供水管網的壓力做出及時的反應，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負荷運行，不但

18、效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網長期處于超壓運行狀態(tài)，爆損現象嚴重，電機硬起動易產生水錘效應，破壞性大，目前較少采用。2重力供水：重力供水通常需要設置水箱或者水塔，系統(tǒng)用水是由水箱或者水塔直接供應，所以供水壓力比較穩(wěn)定。但它需要由位置高度所形成的壓力進行供水，為此需要建造水塔或者將水箱置于建筑物頂層的最高處。在大型建筑物中，即使如此，還常常不能滿足最不利供水點的供水要求。同時由于其存水比較大，在屋頂形成很大的負重，增加了結構的承重和占用樓宇的建筑面積，也妨礙美觀，此外，屋頂水箱還必須高出屋面幾米，建筑立面較難處理，存在投資大、周期長、能源浪費大的缺點。3氣壓供水：氣壓供水是采用氣壓罐

19、代替水塔或高位水箱利用密閉壓力罐內的空氣將罐內儲水壓到管網中去。它的優(yōu)點是靈活性大、建設快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水錘與噪聲，缺點是體積和投資大、壓力變化大、運行效率低、需要使用張力膜、維護費用高、耗費動力大。4變頻恒壓供水：變頻恒壓供水系統(tǒng)即實現水泵電機的無級調速，根據用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。將變頻調速技術用于更新改造傳統(tǒng)供水設備之后，大大地推動了恒壓供水技術裝備的發(fā)展。這種恒壓供水方式與傳統(tǒng)的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，在設備的投資、運行的經濟性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和自動化程度等方面具有無法比擬的優(yōu)勢。供水系統(tǒng)

20、采用變頻控制，既能大量節(jié)約能源，又能穩(wěn)定供水系統(tǒng)的壓力，保障管網系統(tǒng)的安全運行，是非常有實際意義的，并且供水系統(tǒng)的電動機相對鼓、引風機而言容量較小，投資不大，還可以在恒壓供水的過程中，實現水泵電機的軟啟動、水泵及管路保護，并且可以節(jié)約能源、提高勞動生產率，所以非常值得推廣和應用。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在著浪費水電力資源、效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展，變頻調速技術以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設備上廣泛應用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水

21、的各級加壓系統(tǒng)和居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機時能減小電流對電網的沖擊以及供水水壓對管網系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗。1.4本課題的主要研究內容通過對現有供水系統(tǒng)的調研和分析，依據用戶對供水系統(tǒng)的要求，確定以可靠性高、使用簡單、維護方便、編程靈活的工控設備變頻器和PLC作為主要控制設備來設計變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控與管理，保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的技術經濟性能。具體而言，論文包括以下內容：1 論文在對課題對進行分析和研究的基礎上，提出了系統(tǒng)的設計方案和

22、思路，確定論文主要的研究內容和研究方法；2分析供水系統(tǒng)基本模型及主要參數，對恒壓供水系統(tǒng)中采用轉速調節(jié)法和閥門控制法作了比較，詳細分析和論證變頻調速方式在恒壓供水系統(tǒng)中的節(jié)能原理和效果。并分析了變頻調速方式對減少供水系統(tǒng)的水錘效應，提高系統(tǒng)安全性的作用。3論文就變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的設計做了詳細的分析和研究。從用戶的需求入手確定設備的選型；詳細分析全自動變頻恒壓運行方式水泵運行的各種有效狀態(tài)及其轉換過程，討論PLC的程序設計方法及程序執(zhí)行特點，并在此基礎上提出供水系統(tǒng)控制程序的功能模塊和設計方案；在介紹PID調節(jié)原理的基礎上，分析利用PID調節(jié)原理實現恒壓供水的調節(jié)過程，給出PID參數設置

23、方法；最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。4 通過計算機和PLC的通信，實現供水系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時遠程監(jiān)控是本論文的一個特色之處。論文介紹了計算機和PLC通信系統(tǒng)的組成和通信協議，給出了通信程序，并提出供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計方法。第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論以及方案確定在供水系統(tǒng)中，用水量處于動態(tài)變化過程之中，采取恒速泵供水方式，無法維持管壓恒定，同時也影響設備壽命：若采取閥門控制調節(jié)流量來維持管壓，必然造成大量的電能浪費；而且水泵電機直接工頻起動與制動帶來的水錘效應，對管網、閥門等也具有破壞性的影響?；诤銐?、節(jié)能及安全性考慮，采取變頻調速恒壓供水方式是一種不錯的選擇。據統(tǒng)計采用變頻調速技

24、術調節(jié)流量實現恒壓供水，可節(jié)能2050，節(jié)能效果相當顯著。在討論變頻調速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能機理與安全性之前，有必要討論分析供水系統(tǒng)的一些基本概念和特性。21 供水系統(tǒng)的基本模型和主要參數供水系統(tǒng)的基本模型如圖2-1所示。泵用戶水面 h1吸水口摩擦損失 流量控制全揚程水壓泵實際揚程h0L0h2Hh3（a） 圖2-1 供水系統(tǒng)的基本模型 （b）（a）全揚程的概念 (b)基本模型)圖中：L0一一水泵中心位置；h0一一吸水口水位；h1一一水平面水位；h2一一管道最高處水位：h3一一在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真實的管道系統(tǒng)中，這個位置并不存在。只有

25、在h3大于管道的實際最高位置的情況下，才能正常供水。主要參數有：1流量Q ：單位時間內流過管道內某一截面的水流量，常用單位是m3min。2揚程H也稱水頭：是供水系統(tǒng)把水從一個位置上揚到另一位置時水位的變化量，數值上等于對應的水位差。常用單位是m。3實際揚程Hb：供水系統(tǒng)中，實際的最高水位h2與最低水位h1，之間的水位差，即供水系統(tǒng)實際提高的水位。即：Hb=h2一h1。4全揚程HT：水泵能夠泵水上揚的最高水位h3與吸入口的水位ho之間的水位差。全揚程的大小說明了水泵的泵水能力。即：HT=h3h0.5損失揚程HL：全揚程與實際揚程之差，即為損失揚程。Hb，HT，HL之間的關系是：HT=HL+ Hb

26、。供水系統(tǒng)為了保證供水，其全揚程必須大子實際揚程，這多余的揚程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵償各部分管道內的摩擦損失；6管阻R：閥門和管道系統(tǒng)對水流的阻力。和閥門開度、流量大小、管道系統(tǒng)等多種因素有關，難以定量計算，常用揚程與流量間的關系曲線來描述。7壓力p：表明供水系統(tǒng)中某個位置水壓大小的物理量。其大小在靜態(tài)時主要取決于管路的結構和所處的位置，而在動態(tài)情況下，則還與流量與揚程之間的平衡情況有關。22供水系統(tǒng)的特性曲線和工作點供水系統(tǒng)的參數表明了供水的性能。但各參數之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內在聯系和變化規(guī)律。這種聯系和變化規(guī)律可用供水系統(tǒng)的特性曲線直觀地反映，主要有揚

27、程特性曲線和管組特性曲線，如圖22。通過特性曲線可以掌握供水系統(tǒng)的性能，確定其工作點。QQE QNHTHoHEHNHCHB0ABN1234圖2-2 供水系統(tǒng)特性曲性圖22中：曲線1一一額定轉速nN時的揚程特性曲線曲線2一一轉速n1時的揚程特性曲線曲線3一一閥門開度100時的管阻特性曲線曲線4一一閥門開度不足100時的管阻特性曲線1揚程特性以管路中的閥門開度不改變?yōu)榍疤?，即截面積不變，水泵在某一轉速下，全揚程與流量間的關系曲線HT=f （Q），稱為揚程特性曲線。不同轉速下，揚程特性曲線不同，圖22中的曲線1、2分別對應于轉速nN、n1，且nN> n1，。曲線表明轉速一定時，用水量增大，即流

28、量增大，管道中的管阻損耗也就越大，供水系統(tǒng)的全揚程就越小，反映用戶的用水需求狀況對全揚程的影響的。在這里，流量的大小取決于用戶，是用水流量，用Qu，表示。用水量一定時，即Qu不變，轉速越低，水泵的供水能力越低，供水系統(tǒng)的全揚程就越小。2管阻特性以水泵的轉速不改變?yōu)榍疤?，閥門在某一開度下，全揚程與流量間的關系曲線HT=f （Q），稱為管阻特性曲線。不同閥門開度，管阻特性曲線不同，圖2-2中的曲線3對應閥門開度大于曲線4對應的閥門開度。管阻特性表明由閥門開度來控制供水能力的特性曲線。此時轉速一定，表明水泵供水能力不變，流量的大小取決于閥門的開度，即管阻的大小，是由供水側來決定的，故管阻特性的流量可

29、以認為是供水流量，用QG表示。在實際的供水管道中，流量具有連續(xù)性，并不存在供水流量與用水流量的差別。這里的QG和QU是為了便于說明供水能力和用水需求之間的平衡關系而假設的量。當供水流量QG接近于0時，所需的揚程等于實際揚程(HT=HB)。表明了如果全揚程小于實際揚程的話，將不能供水。因此，實際揚程也就是能夠供水的基本揚程。3供水系統(tǒng)的工作點揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點。在這一點，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。圖22中的點表示水泵工作于額定轉速，閥門開度為100時的供水狀態(tài)，為系統(tǒng)的額定工作點。4 供水功率供水系統(tǒng)向用戶

30、供水時所消耗的功率PG(kw)稱為供水功率，供水功率與流量和揚程的乘積成正比： PG=CPHTQ （2-1） 式中：CP比例常數。23供水系統(tǒng)中恒壓實現方式對供水系統(tǒng)進行的控制，歸根結底是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，而揚程難以進行具體測量和控制。考慮到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚程大小的反映，而揚程與供水能力(由流量QG表示)和用水需求(由用水流量QU表示)之間的平衡情況有關。若：供水能力QG>用水需求QU，則壓力P上升；若：供水能力QG<用水需求Qu，則壓力P下降；若：供水能力QG=用水需求QU，則壓力P不變?？梢?，

31、流體壓力P的變化反映了供水能力與用水需求Qu之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來調節(jié)管道流量大小。這說明，通過恒壓供水就能保證供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。將來用戶需求發(fā)生變化時，需要對供水系統(tǒng)做出調節(jié)，以適應流量的變化。這種調節(jié)就是以壓力恒定為前提來實現的。常用的調節(jié)方式有閥門控制法和轉速控制法兩種。(1)閥門控制法轉速保持不變，通過調節(jié)閥門的開度大小來調節(jié)流量。實質是水泵本身的供水能力不變，而通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量大小，以適應用戶對流量的需求。這時的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。(2)轉速控制法閥門開度保持不變，通過改

32、變水泵的轉速來調節(jié)流量。實質是通過改變水泵的供水能力來適應用戶對流量的需求。當水泵的轉速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。24異步電動機調速方法通過轉速控制法實現恒壓供水，需要調節(jié)水泵的轉速。水泵通過三相異步電動機來拖動，因此水泵轉速的調節(jié)，實質就是需要調節(jié)異步電動機的轉速。由三相異步電動機的轉速公式：n=n1（1s）=60f（1s）p （22）式中，n1一一異步電動機的同步轉速，rmin；n一一異步電動機轉子轉速，rmin；P一一異步電動機磁極對數；f一一異步電動機定子電壓頻率，即電源頻率；s一一轉速差，s=1nn1?？芍{速方法有；變極調速、變轉差調速和變頻調整。1變極調速在電

33、源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數，實現電機轉速的改變。磁極對數的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現。這種調速方式只適用于專門的變極電機，而且是有極調速，級差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉速的連續(xù)調節(jié)。2，變轉差調速通過改變電動機的轉差率實現電機轉速的改變。三相異步電動機的轉子銅損耗耗與電機的轉差率成正比，又稱為轉差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動機工作在額定狀態(tài)時，轉差率J很小，相應的轉子銅損耗小，電機效率高。但在供水系統(tǒng)中由轉速控制法實現恒壓供水時，為適應流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉速值往往遠低于額定轉速，此時的轉差率s增大，轉差功率增大，電機運行效率降低。雖然變轉差調

34、速中的串級調速法能將增加部份的轉差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網，但其功率因數較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。因此變轉差調速方法不適用于恒壓供水系統(tǒng)中的轉速控制法。3變頻調速通過調節(jié)電動機的電源頻率來實現電機轉速的調節(jié)方式。這種調速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡稱為VVVF(Variable voltage Variable Frequency)。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通m基本不變，其關系為：U1f1=常數 （23）式中：U1一一變頻器輸出電壓；f1一一變頻器輸出

35、頻率：變頻調速過程的特點：靜差率小，調速范圍大，調速平滑性好，而且，很關鍵的一點是調速過程中，其轉差率不變。電機的運行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉速控制法。因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調速方式可以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果。25 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)能耗分析1轉速控制調節(jié)流量實現節(jié)能(1) 轉速控制法與閥門控制法供水能耗分析在圖2-2中，將閥門控制法和轉速控制法的特性曲線畫在了同一坐標系中。假設系統(tǒng)原工作于額定狀態(tài)N點，當所需流量減少，從額定流量QN變?yōu)镼E時，在恒壓前提下，采用閥門控制法時供水系統(tǒng)工作點將移到A點，對應的供水功率PG與面積AHEOQE成正比；采用轉速控制法時供水系統(tǒng)

36、工作點將移到B點，對應的供水功率PG與面積BHcOQE成正比。兩種控制方式下的面積之差P=AHEHcB表明了采取轉速控制方式相對于閥門控制方式可以實現節(jié)能。(2) 轉速調節(jié)與恒速運行供水能耗分析根據水泵比例定理，改變轉速n，水泵流量Q、揚程H和軸功率P隨之相應變化，其關系式為：Q1Q=n1n （24）H1H=（n1n）2 （25）P1P=( n1n)3 (26)式中，n1、Q1、H1、P1分別為調速后的水泵轉速、流量、揚程和軸功率。從以上關系可知，當轉速n下降時，軸功率按轉速變化的3次方關系下降，可見轉速對功率的影響是最大的。一般在設計中，水泵均考慮在最不利工況下供水，水泵在選型上也是按水泵額

37、定工作點選型和安裝使用，即按額定工作點設計。但在實際運行中，管網用水量常常低于最不利工況，這時，如降低轉速相對于恒速泵供水運行，能使水泵的軸功率大大減少?？梢?，在供水系統(tǒng)中根據用水量的大小，通過變頻方式調節(jié)水泵轉速的方式來實現供水具有很好的節(jié)能效果。而且這種方式在用水量較少時節(jié)能效果更為明顯。2變頻調速電機運行效率高在設計供水系統(tǒng)時，額定揚程和額定流量通常留有裕量，而且，實際用水流量也往往達不到額定值，電動機也常常處于輕載狀態(tài)，電機恒速運行時效率和功率因數很低。采用變頻調速方式變頻器能夠根據負載輕重調整輸入電壓，從而提高了電動機的工作效率。這是變頻調速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個方面。26供水

38、系統(tǒng)安全性討論1 水錘效應在極短時間內，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強過高或過低的沖擊，并產生空化現象，使管道受壓產生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘效應。水錘效應具有極大的破壞性。壓強過高，將引起管子的破裂；壓強過低又會導致管子的癟塌。此外，水錘效應還可能損壞閥門和固定件。2 產生水錘效應的原因及消除辦法產生水錘效應的根本原因，是水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉矩太大，短時間內流量的巨大變化而引起的。采用變頻調速，通過減少動態(tài)轉矩，可以實現徹底消除水錘效應。水泵的動態(tài)轉矩大小決定了水泵加速過程的快慢，決定了加速過程流量變化的快慢，也就決定了水錘效應的強弱。拖動系統(tǒng)中，動態(tài)轉矩 TJ

39、= TM TL （27）TM ：是電動機的拖動轉矩TL ：是供水系統(tǒng)的制動轉矩圖24反映了全壓起動和變頻起動過程中動態(tài)轉矩情況。fNbTNa圖：全壓啟動 b圖：變頻啟動fNf1f2f3f4TnT 0TJnnN圖24水泵的直接起動和變頻起動a圖2 4 b中的鋸齒狀線是變頻起動過程中的動態(tài)轉矩。由圖24可知，水泵在直接起動過程時，因動態(tài)轉矩很大，造成了強烈的水錘效應，通過變頻起動，可有效地降低動態(tài)轉矩消除水錘效應。停機過程效果類似。3 變頻調速對供水系統(tǒng)安全性的作用采用變頻調速，對系統(tǒng)的安全性有一系列的好處：(1) 消除了水錘效應，減少了對水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命；(2

40、) 降低水泵平均轉速，減小工作過程中的平均轉矩，從而減小葉片承受的應力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長；(3) 避免了電機和水泵的硬起動，可大大延長聯軸器壽命；(4) 減少了起動電流，也就減少了系統(tǒng)對電網的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性：27變頻恒壓控制的理論模型變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上。反饋參 數實際壓 力轉速頻率給定參數變頻器PID水

41、泵管網壓力傳感器圖25變頻恒壓控制原理圖從圖25中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經過計算和轉換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵機組的轉速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調節(jié)的結果是實際供水壓力和設定壓力相等。28

42、變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數學模型如前文所述，由于變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對象，我們難以得出它的精確數學模型，只能進行近似等效。水泵由初始狀態(tài)向管網進行恒壓供水，供水管網從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網壓力達到穩(wěn)定要求時經歷兩個過程：首先是水泵將水送到管網中，這個階段管網壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程；其次是水泵將水充滿整個管網，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個大時間常數的慣性過程；然而系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉換、壓力檢測等的時間常數和滯后時間與供水系統(tǒng)的時間常數和滯后時間相比，可忽略不計，均可等效為比例環(huán)

43、節(jié)。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數學模型可以近似成一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，G(S) = Ke s (Ts+1) (28)式中：K為系統(tǒng)的總增益，T為系統(tǒng)的慣性時間常數，為系統(tǒng)滯后時間2.9變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析在上面的工作流程中，我們提到當一臺調速水泵己運行在上限頻率，此時管網的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的。當調速水泵和恒速水泵都在運行且調速水泵己運行在下限頻率，此時管網的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少恒速水泉來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，刁能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換。盡管通用變頻

44、器的頻率都可以在0-400Hz范圍內進行調節(jié)，但當它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在50Hz時進行。由于電網的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50Hz成為頻率調節(jié)的上限頻率。當變頻器的輸出頻率己經到達50Hz時，即使實際供水壓力仍然低于設定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機組切換，增加運行機組數量來實現。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0Hz。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到0Hz。因為當水泵機組運行，

45、電機帶動水泵向管網供水時，由于管網中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于0Hz,具體數值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在20Hz左右。由于在變頻運行狀態(tài)下，水泵機組中電機的運行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調節(jié)的下限頻率。在實際應用中，應當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。所謂延時判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條

46、件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時間（比如1-2分鐘），如果在這一段延時的時間內切換條件仍然成立，則進行實際的機組切換操作;如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計31 變頻恒壓供水系統(tǒng)總體控制方案的確定從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設計任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟起動

47、以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數據進行傳輸。系統(tǒng)總體設計方案采用“變頻器+PLC(包括變頻控制、調節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器的控制方案。這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數據交換：通用性強，由于PLC產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設計上，只需確定PLC的硬件配置和IO的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過Pc機來改變存貯器中的控制程序，所以現場調試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無

48、關。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數據傳輸的優(yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。本文的供水系統(tǒng)主要用于小區(qū)生活用水，其水量主要集中早、晚兩個時間段，平時處于低流量狀態(tài)，屬連續(xù)型低流量變化型。這類型用水需求在較長時間段表現為低流量，相對于設計流量有較大的余量，采用變頻調速方式來實現低流量時的恒壓供水節(jié)能效果比較明顯，與通常的工頻氣壓給水設備相比平均節(jié)能可達30。水泵變頻軟起動沖擊電流小，也有利于電機泵的壽命，此外水泵在低速運行時，平穩(wěn)、噪聲小。由于用水呈低流量變化型的特點，采用多臺水泵并聯供水，根據用水量大小調節(jié)投入水泵臺數的方案。在全流量范圍內靠變頻泵的連續(xù)調節(jié)和工頻泵的分級調節(jié)

49、相結合，使供水壓力始終保持為設定值。多泵并聯代替一、二臺大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。首先是節(jié)能，每臺泵都可以較高效率運行，長期運行費用少：其二，供水可靠性好，一臺泵故障時，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便； 其三，小泵起動電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺泵來配置變頻器容量，減少投資。多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實現多泵分級調節(jié)的關鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強、調試方便、維護工作量小的PLC通過編程來實現。供水系統(tǒng)的恒壓通過壓力傳感器、PID調節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)控制。根據水壓的變化，由變頻器調節(jié)電機轉速來實現恒壓。為了減少對

50、泵組、管道所產生的水錘，泵組配置電動蝶閥，開啟水泵后打開電動碟閥，當水泵停止時先關電動閥后停機。為實現遠程監(jiān)控的功能，系統(tǒng)中還配置了計算機和通信模塊。綜上所述，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分組成。(1)執(zhí)行機構執(zhí)行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網，其中由變頻泵構成，變頻泵是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定。(2)信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號:水壓信號:它反映的是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。報警信號:它

51、反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常。該信號為開關量信號。(3)控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器:它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構(即水泵)進行控制。變頻器:它是對水泵進行轉速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。電控設備:它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組

52、成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換等。(4)人機界面人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設定壓力，修改一些系統(tǒng)設定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)示，對報警進行顯示。(5)通訊接口通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進行數據交換，同時通過通訊接口，還可以將現代先進的網絡技術應用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進行遠程的診斷和維護等(6)報警裝置作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)

53、能適用于不同的供水領域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網過大波動、供水水源中斷、出水超壓、泵站內溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。32變頻恒壓供水系統(tǒng)總體結構圖綜合以上分析，確定以可靠性高、使用簡單、維護方便、編程靈活的工控設備變頻器和PLC作為主要控制設備來設計變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，其總體結構如圖31所示：泵5（消防）變頻輸出工頻輸入RS232RS-485電網壓力上下限電流電動閥門進水口 高水位儲水池低水位泵4（消防）泵3泵2泵1P 變I 頻D 器P FXONL

54、485ADPCFX-485PCIF上位機用戶故障自動撥號系統(tǒng)壓力變送器圖31系統(tǒng)總體方案結構圖33變頻恒壓供水系統(tǒng)主要器件的選型以及參數整定根據系統(tǒng)總體結構圖得知：系統(tǒng)所需的主要硬件有：變頻器PLC及擴展模塊水泵機組壓力傳感器軟啟動器或自耦變壓器331系統(tǒng)配置設備的參數計算設備基本要求 供水高度： 3m*9層=27m （層高和層數按實際選?。?用水人數： 4人*750戶=3000人 （每戶按3.55選?。?根據公式：最大小時用水量：Q=n* q* k /24,000 (m3/h) 最大小時用水量計算公式取值：用水人數： n=3000 (人) 用水標準： q=260 (升/人*日) （q為常數） 峰谷系數： k=3 （k按24選?。﹦t最大小時用水量：Q=n*q*k/24000=3000*260*3/24000=97.5 (m3/h) 揚程計算根據所需供水揚程：H=h1+h2+h3 (m)取值-供水高度： h1= 30 (m) 流阻總和