恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計論文

1、 . PAGE15 / NUMPAGES15目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc245279815一、引言 PAGEREF _Toc245279815 h 3HYPERLINK l _Toc245279816二、恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略 PAGEREF _Toc245279816 h 4HYPERLINK l _Toc245279817三、恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 PAGEREF _Toc245279817 h 4HYPERLINK l _Toc245279818四、PLC的模擬量擴(kuò)展單元的配置和選型 PAGEREF _Toc245279818 h 5H

2、YPERLINK l _Toc245279819六、系統(tǒng)的程序設(shè)計 PAGEREF _Toc245279819 h 8HYPERLINK l _Toc245279820七、小結(jié) PAGEREF _Toc245279820 h 13HYPERLINK l _Toc245279821八、致詞 PAGEREF _Toc245279821 h 14HYPERLINK l _Toc245279822九、參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc245279822 h 15恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計摘 要：變頻調(diào)速恒壓供水控制裝置能夠極改善給水管網(wǎng)的供水環(huán)境，該系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)壓力變化，自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和多臺水泵電機(jī)的

3、投入與退出，使管網(wǎng)主干出口端保持在恒定的設(shè)定壓力值，整個供水系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能和運行在最佳狀態(tài)。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)主要采用變頻器，PID調(diào)節(jié)部分、壓力傳感器與低壓電氣等，對水泵進(jìn)行恒壓調(diào)速統(tǒng)。它通過壓力傳感器感知管網(wǎng)壓力變化，并將電信號傳輸給PID調(diào)節(jié)部分，經(jīng)分析運算后，單片機(jī)輸出信號給變頻器，由變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速。在供水過程中水泵用水量大時增加水泵，用水量少時件泵，用水量極少與無人用水時進(jìn)入小泵補(bǔ)壓或進(jìn)入休眠狀態(tài)，這些都由單片機(jī)控制進(jìn)行控制。本文提出了一種變頻調(diào)速系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)無需水塔或壓力罐，提出了變頻調(diào)速在一定條件下具有節(jié)能、調(diào)節(jié)性好、控制靈活與運行可靠等特點；根據(jù)供水管網(wǎng)用水量的

4、變化，自動調(diào)節(jié)供水泵的轉(zhuǎn)數(shù)和臺數(shù)，使供水管網(wǎng)始終保持恒定的設(shè)定壓力和所需流量，高效節(jié)能；并且具有相當(dāng)高的性能價格比。關(guān)鍵詞：恒壓給水，單片機(jī)，變頻器，PID調(diào)節(jié)Abstract：Throughchangethefrequencytoadjustthepressofthewatersupplysystem,thecontroldevicecanimprovethewatersupplyenvironmentofthewaterpipenetbiggest.Thesystemcanaccordingthevariebletubenetpressuretoregulatethewaterpumpmo

5、tortoturnautomaticallyanddecideifmorewaterpumpengineeringusedornot,soitcanmaketheexitofthenetsmainstemtokeepattheconstantpressurethatsettled,thewholewatersupplysystemkeepsalwaysefficientlyeconomicandcirculateinthebestsituationefficiently.Thefrequency-changeconstantpressurewatersupplysystemcontainsth

6、etransduser,thePIDregulatedpart,thepressurecensorandthelow-pressureelectricitydiviceetc.,usepumpstocarryonconstantpressvariablespeedwatersupplysystem.Itspreadsthecensorsfeelingtoknowthenet atedpart,afteranalysisoperation,sigle-chipmicrocomputeroutputsthesignaltochangethefrequencyofthetransduer,useth

7、etransdueroutputtocontrolwaterpumpsspeed.Whileitcancontrolthepumpnumberbythenetsvariablepressure, whilewatersupplyisveryfewornomanusewater,enterthepumpenterthedormancyappearance,theseareallcontroledbythesigle-chipmicrocomputer.Thistextputforwardakindoffrequency-changevariablespeedproject.Thatsystemd

8、onotneedthewatertowerorthepressurebottles,pointoutthatchangefrequencytoadjustthespeedhavetheeconomicandgoodregulationundertheconditionofcertain,controlvividandcirculatedcredibileetc.Accordingtothevariablewatersupplyofthenet,regulatewaterpumpnumberautomatically,makewatersupplyofthenettokeepatthesettl

9、edpressureandsatisfythedemand,efficientlysavethepowerandhavetheveryhighfunctionpricecompare.KeyWords：ConstantPressureWaterSupplySystem，Single-chipcomputer，F(xiàn)requencySpeedControl，PID Controller.一、引言隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水的質(zhì)量和安全可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動化技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水企業(yè)新的要求。在大力提倡節(jié)約能源的今天，研究高性能、經(jīng)濟(jì)型的恒壓供水監(jiān)控系

10、統(tǒng)。所以，對于某些用水區(qū)提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗、信息共享，采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)以其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用，恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)可依據(jù)用水量的變化(實際上為供水管網(wǎng)的壓力變化)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，保持水恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)，在短短的幾年、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，投資更為節(jié)省，運行效率提高，成為主導(dǎo)產(chǎn)品。自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國

11、供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。 恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時使產(chǎn)品報廢和設(shè)備損壞。又如發(fā)生火災(zāi)時，若供水壓力不足或或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。在實際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強(qiáng)。充分利用變頻器置的各種

12、功能，對合理設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面很有潛力，恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時缺水時，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時使產(chǎn)品報廢和設(shè)備損壞。又如當(dāng)發(fā)生火警時，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。據(jù)統(tǒng)計資料報道，我國現(xiàn)有約5000萬臺水泵和風(fēng)機(jī)在運行，總計年用化量可達(dá)約1000億度。泵和風(fēng)機(jī)均屬于葉片式流體機(jī)械；由流體機(jī)械理論，在相似工況下，泵、風(fēng)機(jī)的流量，揚程和功率分別與其轉(zhuǎn)速的一次方、二次方和三次方成正比。如轉(zhuǎn)

13、速下降一半，其功率可下降到原來的 。流量是給水系統(tǒng)在使用過程中需要調(diào)節(jié)的主要參數(shù)。由水泵通過管路供水的理論可知，調(diào)節(jié)流量原則上有兩大方法；一是節(jié)流調(diào)節(jié)，泵的轉(zhuǎn)速不變，改變供水管路上閥門的開度以調(diào)節(jié)流量；開大閥門，流量增加；關(guān)小閥門，流量減少。采用流調(diào)節(jié)，有大量能量消耗在節(jié)流損耗上。調(diào)節(jié)流量的第二種方法是變速調(diào)節(jié)，即供水管路的狀態(tài)不變(供水閥門度不變)，改變泵的轉(zhuǎn)速以進(jìn)行流量調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)速升高，流量增加，轉(zhuǎn)速降低，流量減少。用調(diào)速調(diào)節(jié)流量可以大幅度降低節(jié)流能量損耗，具有顯著的節(jié)能效果。我國政府機(jī)關(guān)(國家科委、國家經(jīng)貿(mào)委)在頒發(fā)的中國節(jié)能技術(shù)政策大綱中把泵和風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)列為國家九五計劃重點推廣的

14、節(jié)能技術(shù)項目。二、恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進(jìn)行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機(jī)的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水就是利用變頻器的PID或PI功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓力信號（420）直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設(shè)定的壓

15、力值進(jìn)行比較，并通過變頻器置PID運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。供水系統(tǒng)選用原則水泵揚程應(yīng)大于實際供水高度。水泵流量總和應(yīng)大于實際最大供水量。三、恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成恒壓供水泵站一般需要設(shè)多臺水泵與電機(jī)，這比設(shè)單臺水泵電機(jī)節(jié)能而可靠。配單臺電機(jī)與水泵時，它們的功率必須足夠大，在用水量少時來開一臺大電機(jī)肯定是浪費的，電機(jī)選小了用水量大時供水量則相應(yīng)的會不足。而且水泵與電機(jī)維修的時候，備用泵是必要的。而恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化的，那么這就是要用變頻器為水泵電機(jī)供電。在此這里有兩種配置方案，一種是為每

16、一臺水泵電機(jī)配一臺相應(yīng)的變頻器，從解決問題方案這個比較簡單和方便，電機(jī)與變頻器間不須切換，但是從經(jīng)費的角度來看的話這樣比較昂貴。另一種方案則是數(shù)臺電機(jī)配一臺變頻器，變頻器與電機(jī)間可以切換的，供水運行時，一臺水泵變頻運行，其余的水泵工頻運行，以滿足不同的水量需求。PSMCAFURMP+壓力傳感器調(diào)節(jié)器變頻器水箱水泵用戶開關(guān)圖2 恒壓供水泵的構(gòu)成 如圖為恒壓供水泵的水的構(gòu)成示意圖2。圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時，水壓降低；用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。 調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，它具有設(shè)定水管水壓的給定值、接受傳

17、感器送來得管網(wǎng)水壓的實測值、根據(jù)給定值與實測值的綜合依一定的調(diào)接規(guī)律發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)接信號等功能。調(diào)節(jié)器的輸出信號一般是模擬信號，420MA變化的電流信號或010V間變化的電壓信號。信號的量值與前邊的提到的差值成正比例，用于驅(qū)動執(zhí)行器設(shè)備工作。在變頻器恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。 用PLC代替調(diào)節(jié)器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作為恒壓供水系統(tǒng)的主要控制器，其主要任務(wù)就是代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給定值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)；它還控制水泵的運行與切換，在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設(shè)備均勻的磨損，水泵與電機(jī)是輪換的工作。如規(guī)定和變頻器相連接的泵為主泵（主泵也是輪流

18、擔(dān)任的），主泵在運行時達(dá)到最高頻時，須增加一臺工頻泵投入運行。PLC則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備。PLC同時還是變頻器的驅(qū)動控制。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采用PLC的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端子接受到傳感器送來的模擬信號，輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng)PID處理后得出的模擬量信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。另外，泵站的其他控制邏輯也由PLC承擔(dān)，如：手動、自動操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站的工作異常的報警，系統(tǒng)的自檢等等。四、PLC的模擬量擴(kuò)展單元的配置和選型1PLC模擬量擴(kuò)展單元的配置與應(yīng)用PLC的普通輸入輸出端口均為開關(guān)量處理端口，為了使PL

19、C能完成模擬量的處理，常見的方法是為整體式PLC加配模擬量擴(kuò)展單元。模擬量擴(kuò)展單元可以將外部模擬量轉(zhuǎn)換為PLC可處理的數(shù)字量與將PLC部運算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機(jī)外所需的模擬量。模擬量擴(kuò)展單元有單獨用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨用于數(shù)/模轉(zhuǎn)換的，也有兼具模/數(shù)與數(shù)/模兩種功能的。如用S7-200系列PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235，它具有四路模擬量輸入與一路模擬量輸出，可以用于恒壓供水控制中。2PLC系統(tǒng)的選型系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點6個、開關(guān)量輸出點12個；模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個。如果選用CPU224的PLC，也需要擴(kuò)展單元；如果選用CPU226的PLC，價格比較高，這樣形成的浪費較大。因此參照

20、西門子S7-200產(chǎn)品目錄與市場價格可知選用的主機(jī)為CPU222一臺，加上一臺數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM222，再擴(kuò)展一個模擬量模塊EM235。這樣配置是最為經(jīng)濟(jì)的。整個PLC系統(tǒng)的配置如圖3所示： 圖3 PLC系統(tǒng)的配置五、電控系統(tǒng)的原理圖電控系統(tǒng)的原理圖包括主電路圖、控制電路圖與PLC的外圍接線圖。1主電路圖如圖4為電控系統(tǒng)的主電路圖。三臺電機(jī)分別為M1，M2，M3。接觸器KM1，KM3，KM5分別控制電機(jī)M1，M2，M3的供頻運行；接觸器KM2，KM4，KM6分別控制電機(jī)M1，M2，M3的變頻運行；FR1，F(xiàn)R2，F(xiàn)R3分別為三臺水泵電機(jī)的過載保護(hù)的熱繼電器；QS1，QS2，QS3，QS4分別為

21、變頻器和三臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；FU1為主電路的熔斷器；VVVF為通用變頻器。2、控制電路圖圖5為電控系統(tǒng)控制的電路圖。SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置時候為手動控制狀態(tài)；SA打在2的位置時候為自動控制狀態(tài)；在手動運行時，可用按鈕SB1SB8控制三臺電機(jī)的起/停和電磁閥YV2的通/斷；自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。圖中的HL10為自動運行狀態(tài)時的電源指示燈。對變頻器的頻率進(jìn)行復(fù)位控制時只提供一個干觸點信號，由于PLC為4個輸出點為一組共用的一個COM端，而系統(tǒng)本身又沒有剩下單獨的COM端輸出組，所以通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進(jìn)行復(fù)位控制。圖5 控制電路圖圖中

22、的Q0.0Q0.5與.Q1.0Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點。在此可以看到在檢修是的控制原理和水泵在正常運行是的控制原理一樣的，最終是通過控制接觸器的通與斷來控制水泵的啟動與停泵。在PLC控制時候與檢修時的控制最大的區(qū)別是，PLC可以通過變頻器來控制水泵的轉(zhuǎn)速從而達(dá)到對水壓的壓力控制，而檢修的目的是對機(jī)器的維護(hù)而不是控制水壓，因此不必通過對其轉(zhuǎn)速控制。3、PLC的外圍接線圖（略）六、系統(tǒng)的程序設(shè)計對泵站軟件的設(shè)計分析如下：1、由“恒壓”要求出發(fā)的工作組數(shù)量的管理為了恒定水壓，那么在水壓降低時，需要升高變頻器的輸出頻率，并且在一臺水泵工作是不能滿足恒壓要求時，這時需要啟動第二臺或第三臺水泵。這

23、樣有一個判斷標(biāo)準(zhǔn)來決定是否需要啟動新泵即為變頻器的輸出頻率是否達(dá)到所設(shè)定的頻率上限值。這一功能可以通過比較指令來實現(xiàn)。為了判斷變頻器的工作頻率達(dá)到上限的確定性，應(yīng)濾去偶然因素所引起的頻率波動所達(dá)到的頻率上限值的情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波情況。2、臺組泵站泵組的管理規(guī)存入生活/消防頻率下限由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機(jī)均為軟啟動，有規(guī)定各臺水泵必須交替使用，那么多臺組泵站泵組的投入運行需要有一個管理規(guī)。在本次設(shè)計中控制要求中規(guī)定任意的一臺水泵連續(xù)運行不得超過3h，因此每次需要啟動新泵或切換變頻泵的時候，以新運行泵為變頻是合理的。具體的操作時，將現(xiàn)運行的變頻器從變頻器上切除，并且接上工頻

24、電源加以運行，同時將變頻器復(fù)位并且用于新運行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，在本設(shè)計中所使用的是用泵號加1的方法來實現(xiàn)變頻器的循環(huán)控制即3加上1等于0的邏輯，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號來實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。 3、程序的結(jié)構(gòu)與程序功能的實現(xiàn)根據(jù)前面可知，PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的功能比較多，由于模擬量單元與PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化與中斷程序，本程序可以分為三個部分：主程序、子程序和中斷程序。 系統(tǒng)的初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能來實現(xiàn)PID控制的定時采樣與輸出控制。初始化子程序流程框圖如圖4。在初始化的子程序中僅僅在上

25、電和故障結(jié)束時用，其主要的用途為節(jié)省大量的掃描時間加快整個程序的運行效率，提高了PID中斷的精確度。上電處理的作用是CPU進(jìn)行清除部繼電器，復(fù)位所有的定時器，檢查I/O單元的連接。 主程序流程圖如圖5。其功能最多，如泵的切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合與報警處理等等都在主程序中。生活與消防雙恒壓的兩個恒壓值是采用數(shù)字式方式直接在程序中設(shè)定的。生活供水時系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的70%，消防供水時系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的90%。本系統(tǒng)中的增益和時間常數(shù)為：增益 Kc=0.25，采樣時間 Ts=0.2s，積分時間 Ti=30min 中斷程序如圖6，其作用主要用于PID的相應(yīng)計算，在PLC的常閉繼電器

26、SM0.0的作用下工作，它包括：設(shè)定回路輸入與輸出選項、設(shè)定回路參數(shù)、設(shè)定循環(huán)報警選項、為計算指定存區(qū)域、指定初始化子程序與中斷程序。七、小結(jié)恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機(jī)的機(jī)械使用壽命。實現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力。水泵電動機(jī)采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，避免電動機(jī)啟動時的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運行過程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運行過程中可節(jié)約可觀的電能，其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。正因為此，系統(tǒng)具有收回投資快，而長期受益