1、 PAGE69 / NUMPAGES77畢業(yè)設(shè)計(jì)基于PLC的水廠變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Waterworks Frequency Control of motor speed constant pressure water supply system design Based on PLC學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息專(zhuān)業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 班級(jí) 測(cè)控07-1班畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任務(wù)書(shū)院（系）：計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院 專(zhuān)業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)課題基于PLC的水廠變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、畢業(yè)設(shè)計(jì)工作自2011年3月21日起至2011年6月20日止三、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn)測(cè)控專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室 四、畢業(yè)設(shè)計(jì)的容

2、要求：(1)到河?xùn)|水廠進(jìn)行實(shí)習(xí)調(diào)研，明確其供水狀況和變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供水監(jiān)控要求; (2)學(xué)習(xí)可編程序控制器(PLC)與組態(tài)王監(jiān)控軟件; (3)設(shè)計(jì)基于“組態(tài)王”的泵站監(jiān)測(cè)系統(tǒng); (4)設(shè)計(jì)以西門(mén)子S7-200為下位機(jī)的泵站控制系統(tǒng)； (5)系統(tǒng)仿真調(diào)試; (6)編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū); (7) 查閱20篇以上參考文獻(xiàn)，其中外文文獻(xiàn)不少于5篇并翻譯1篇。完成1篇不少于2萬(wàn)字的畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告，報(bào)告要寫(xiě)作規(guī)、容正確、條理分明、語(yǔ)言流暢、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)。圖紙、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)資料的運(yùn)用和引用符合學(xué)校和學(xué)科 ( 專(zhuān)業(yè) ) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 接受畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行日期2011年 3月 21 日學(xué)生簽名:摘 要隨

3、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。本設(shè)計(jì)是針對(duì)居民生活用水而設(shè)計(jì)的。在對(duì)河?xùn)|水廠進(jìn)行調(diào)研，對(duì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可編程序控制器與組態(tài)王監(jiān)控軟件基本性能特點(diǎn)進(jìn)行充分分析和研究的基礎(chǔ)上，本文提出西門(mén)子S7-200系列作為下位機(jī)的方案。由變頻器、PLC與PID調(diào)節(jié)器組成控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量。電動(dòng)機(jī)泵組由三臺(tái)水泵和一臺(tái)輔助泵并聯(lián)而成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)出口水壓和流量來(lái)控制變頻器電動(dòng)機(jī)泵組之間的切換與速度，使系統(tǒng)運(yùn)行在最合理的狀態(tài)，保證按需供水。上位機(jī)本文采用“組態(tài)王”為監(jiān)控軟件。調(diào)試和仿真運(yùn)行表明，該系統(tǒng)能夠?qū)┧^(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，能夠有效地降低能耗

4、，保證了供水系統(tǒng)維持在最佳運(yùn)行狀況，提高生產(chǎn)管理水平。該監(jiān)控系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠;監(jiān)控軟件功能齊全，人機(jī)界面友好，使用方便。關(guān)鍵字：PLC、變頻調(diào)速、恒壓供水、組態(tài)王系統(tǒng)、PIDAbstractWith the rapid development of social economy, and water quality and water supply people to improve the reliability of the system requirements.This design is designed for residents of water. On the b

5、asis of research on pumping station in MaomiHedong Waterworks and analysis and research on the basic capability of industry control computer PLC and state view software, This paper put forward Siemens s7-200 for lower level computer solutions.The inverter, PLC and PID adjustor composition control sy

6、stem, adjust the water pump output flow. Motor pump group of three pumps and a auxiliary pump parallel and become, by inverter or industrial frequency power supply, according to the water supply system to control the pressure and flow export of frequency switching between motor pump group, so the sy

7、stem and speed in the most reasonable position, make sure on-demand water supply. a kingview for the monitoring software .Commissioning and operation shows that the system can be automatic control of water supply process can effectively reduce the energy consumption and ensure the water supply syste

8、m to maintain in the best operation condition, improve production management level. Monitoring systems easy installation and maintenance, operation is stable, reliable; Monitoring software function is well-found, friendly man-machine interface, easy to use. Key Words: PLC, variable frequency speed-r

9、egulating, constant pressure water-supply King View, PID目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295712560摘要 PAGEREF _Toc295712560 h iHYPERLINK l _Toc295712561Abstract PAGEREF _Toc295712561 h iiHYPERLINK l _Toc295712562第一章緒論 PAGEREF _Toc295712562 h 1HYPERLINK l _Toc295712563變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生的背景與其研究意義 PAGEREF _

10、Toc295712563 h 1HYPERLINK l _Toc295712564變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc295712564 h 2HYPERLINK l _Toc2957125651.1.1 國(guó)外變頻恒壓供水的現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc295712565 h 2HYPERLINK l _Toc2957125661.1.2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用圍 PAGEREF _Toc295712566 h 3HYPERLINK l _Toc2957125671.2.3變頻恒壓供水的發(fā)展趨勢(shì) PAGEREF _Toc295712567 h 4HYPERLINK l

11、_Toc2957125681.3課題來(lái)源與本文研究的主要容 PAGEREF _Toc295712568 h 4HYPERLINK l _Toc295712569第二章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 PAGEREF _Toc295712569 h 6HYPERLINK l _Toc2957125702.1供水系統(tǒng)的基本特性 PAGEREF _Toc295712570 h 6HYPERLINK l _Toc2957125712.1.1水泵的主要參數(shù) PAGEREF _Toc295712571 h 6HYPERLINK l _Toc2957125722.1.2水泵的供水特性 PAGEREF _Toc

12、295712572 h 7HYPERLINK l _Toc2957125732.1.3水泵的工作點(diǎn)確定 PAGEREF _Toc295712573 h 8HYPERLINK l _Toc2957125742.1.4水泵的工作點(diǎn)調(diào)節(jié) PAGEREF _Toc295712574 h 9HYPERLINK l _Toc2957125752.3三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 PAGEREF _Toc295712575 h 11HYPERLINK l _Toc2957125762.3.1 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理 PAGEREF _Toc295712576 h 11HYPERLINK l _Toc2957125772.

13、3.2 調(diào)速方法 PAGEREF _Toc295712577 h 11HYPERLINK l _Toc2957125782.4 本章總結(jié) PAGEREF _Toc295712578 h 13HYPERLINK l _Toc295712579第三章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295712579 h 14HYPERLINK l _Toc2957125803.1 變頻恒壓控制原理 PAGEREF _Toc295712580 h 14HYPERLINK l _Toc2957125813.2 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案 PAGEREF _Toc295712581 h 14HYPERLI

14、NK l _Toc2957125823.2.1變頻恒壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295712582 h 14HYPERLINK l _Toc2957125833.2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方框圖和組成原理框圖 PAGEREF _Toc295712583 h 15HYPERLINK l _Toc2957125843.2.3變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制流程 PAGEREF _Toc295712584 h 18HYPERLINK l _Toc2957125853.2.4變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析 PAGEREF _Toc295712585 h 19HYPERLINK l

15、_Toc2957125863.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc295712586 h 22HYPERLINK l _Toc295712587第四章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié) PAGEREF _Toc295712587 h 23HYPERLINK l _Toc2957125884.1 變頻調(diào)速恒壓供水的PID調(diào)節(jié) PAGEREF _Toc295712588 h 23HYPERLINK l _Toc2957125894.1.1 PID控制與其控制算法 PAGEREF _Toc295712589 h 23HYPERLINK l _Toc2957125904.2變頻調(diào)速恒壓供水的PID調(diào)節(jié)

16、過(guò)程 PAGEREF _Toc295712590 h 25HYPERLINK l _Toc2957125914.2.1 變頻調(diào)速恒壓供水的PID調(diào)節(jié)過(guò)程分析 PAGEREF _Toc295712591 h 25HYPERLINK l _Toc2957125924.2.2變頻器PID控制功能參數(shù)設(shè)置 PAGEREF _Toc295712592 h 26HYPERLINK l _Toc2957125934.3本章小結(jié) PAGEREF _Toc295712593 h 28HYPERLINK l _Toc295712594第五章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295712594

17、 h 29HYPERLINK l _Toc2957125955.1恒壓供水系統(tǒng)電控系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc295712595 h 29HYPERLINK l _Toc2957125965.1.1 主電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295712596 h 29HYPERLINK l _Toc2957125975.1.2電氣控制電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295712597 h 30HYPERLINK l _Toc2957125985.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件 PAGEREF _Toc295712598 h 32HYPERLINK l _Toc2957125995.2.1 PLC

18、與其擴(kuò)展模塊的選型 PAGEREF _Toc295712599 h 32HYPERLINK l _Toc2957126005.2.2變頻器的選型 PAGEREF _Toc295712600 h 33HYPERLINK l _Toc2957126015.2.3壓力變送器與數(shù)顯儀的選型 PAGEREF _Toc295712601 h 35HYPERLINK l _Toc2957126025.2.4 水泵機(jī)組的選型 PAGEREF _Toc295712602 h 35HYPERLINK l _Toc2957126035.3 系統(tǒng)可靠性措施 PAGEREF _Toc295712603 h 35HYPE

19、RLINK l _Toc2957126045.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc295712604 h 36HYPERLINK l _Toc295712605第六章PLC程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295712605 h 37HYPERLINK l _Toc2957126066.1 PLC程序設(shè)計(jì)方法 PAGEREF _Toc295712606 h 37HYPERLINK l _Toc2957126076.2 供水系統(tǒng)控制程序 PAGEREF _Toc295712607 h 39HYPERLINK l _Toc2957126086.3本章小結(jié) PAGEREF _Toc295712608

20、 h 42HYPERLINK l _Toc295712609第七章水廠監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295712609 h 43HYPERLINK l _Toc2957126107.1引言 PAGEREF _Toc295712610 h 43HYPERLINK l _Toc2957126117.2 泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)的選擇 PAGEREF _Toc295712611 h 43HYPERLINK l _Toc2957126127.2.1系統(tǒng)監(jiān)控軟件的選擇 PAGEREF _Toc295712612 h 43HYPERLINK l _Toc2957126137.2.2 組態(tài)王的介紹

21、 PAGEREF _Toc295712613 h 43HYPERLINK l _Toc2957126147.2.3組態(tài)王軟件的使用方法和特點(diǎn) PAGEREF _Toc295712614 h 44HYPERLINK l _Toc2957126157.2.4組態(tài)王與S7-200PLC通訊 PAGEREF _Toc295712615 h 44HYPERLINK l _Toc2957126167.3組態(tài)王系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295712616 h 45HYPERLINK l _Toc2957126177.3.1組態(tài)王系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 PAGEREF _Toc295712617 h 45H

22、YPERLINK l _Toc2957126187.3.2組態(tài)王系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程 PAGEREF _Toc295712618 h 45HYPERLINK l _Toc2957126197.4變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)用戶畫(huà)面 PAGEREF _Toc295712619 h 48HYPERLINK l _Toc2957126207.4.1恒壓供水系統(tǒng)登錄畫(huà)面 PAGEREF _Toc295712620 h 48HYPERLINK l _Toc2957126217.4.2恒壓供水主窗口 PAGEREF _Toc295712621 h 49HYPERLINK l _Toc2957126227.4.3泵房流程窗

23、口 PAGEREF _Toc295712622 h 49HYPERLINK l _Toc2957126237.4.4報(bào)警窗口 PAGEREF _Toc295712623 h 50HYPERLINK l _Toc2957126247.4.5歷史趨勢(shì)曲線窗口 PAGEREF _Toc295712624 h 50HYPERLINK l _Toc2957126257.4.6 恒壓供水報(bào)表窗口 PAGEREF _Toc295712625 h 51HYPERLINK l _Toc2957126267.5本章小結(jié) PAGEREF _Toc295712626 h 52HYPERLINK l _Toc29571

24、2627結(jié)束語(yǔ) PAGEREF _Toc295712627 h 53HYPERLINK l _Toc295712628參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc295712628 h 54HYPERLINK l _Toc295712629致 PAGEREF _Toc295712629 h 55第一章緒論1.1變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生的背景與其意義水是生命之源，是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的不可替代的重要資源之一。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。我國(guó)

25、家是一個(gè)在水資源和電能方面都很短缺的國(guó)家，在大力提倡節(jié)約能源的今天，人們也更加重視有關(guān)降低供水系統(tǒng)能耗的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)負(fù)載約占我國(guó)總耗電量的80%，這主要是由于我國(guó)供水設(shè)備工作效率低，控制方式不合理，據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泵的效率大多不足60%，存在著很大的能源浪費(fèi)1，因此運(yùn)用水泵供水節(jié)能技術(shù)，設(shè)計(jì)可靠性高，運(yùn)行效率高的供水系統(tǒng)具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是集變頻技術(shù)，電氣傳動(dòng)技術(shù)，現(xiàn)代控制技術(shù)于一體先進(jìn)的供水控制系統(tǒng)。它可以根據(jù)用水管網(wǎng)瞬間用水量的不同所引起的壓力變化，自動(dòng)地改變水泵的轉(zhuǎn)速，自動(dòng)調(diào)節(jié)峰谷供水量，保證管網(wǎng)供水壓力恒定，以滿足用水的要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)自80年代世界各

26、國(guó)將其投入工業(yè)應(yīng)用以來(lái)，它顯示出了強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)力，采用該系統(tǒng)供水可以取得非常顯著的節(jié)能效果，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以與人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在恒壓供水技術(shù)之前出現(xiàn)了很多種供水方式，經(jīng)過(guò)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)各種傳統(tǒng)的供水方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下2:(l)重力供水水塔高位水箱供水方式屬于重力供水方式，缺點(diǎn)是基建投資大，占地面積廣，維修清洗不方便，需要定期清理，消毒，容易造成水源的二次污染，水泵電機(jī)為硬啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，控制柜觸點(diǎn)多，易燒壞，優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡(jiǎn)單，短時(shí)維修或斷電可不停水。當(dāng)用水量很小時(shí)，可以長(zhǎng)時(shí)間不

27、再開(kāi)泵。(2)壓力供水氣壓罐供水方式屬于壓力供水，具有體積小、技術(shù)簡(jiǎn)單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且起動(dòng)頻繁，聯(lián)軸器沖擊大，起動(dòng)電流大，觸點(diǎn)易燒，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動(dòng)次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無(wú)謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。（3）恒速泵加壓供水恒速泵加壓供水方式無(wú)法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力做出與時(shí)的反應(yīng)，水泵的增減都依賴(lài)人工進(jìn)行手工操作，自動(dòng)化程度低，而且為保證供水，機(jī)組常處于滿負(fù)荷運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時(shí)，管網(wǎng)長(zhǎng)期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動(dòng)易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采

28、用。(4)調(diào)速供水液力禍合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對(duì)一驅(qū)動(dòng)，需經(jīng)常檢修;優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，維修方便。單片機(jī)變頻調(diào)速供水方式優(yōu)點(diǎn)是能做到變頻調(diào)速、自動(dòng)化程度優(yōu)于以上幾種供水方式，可以定時(shí)供水等，缺點(diǎn)是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)、參數(shù)設(shè)置煩瑣、可靠性比較低、維修不方便，不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍存在不同程度的浪費(fèi)水力，電力資源，效率低，可靠性差，自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展和需求，嚴(yán)重影響了居民的生活用水和工業(yè)生產(chǎn)用水質(zhì)量。PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)

29、進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以與人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)簡(jiǎn)介1.2.1國(guó)外變頻恒壓供水的現(xiàn)狀目前，國(guó)大中城市的水廠基本上都采用變頻恒壓供水方式，生產(chǎn)過(guò)程的重要參數(shù)可以實(shí)行自動(dòng)監(jiān)測(cè);加氯加礬、沉淀池、濾池與泵房、變電所也同樣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)管理，構(gòu)成完整的DCS系統(tǒng)。現(xiàn)代化水廠除了中心調(diào)度室和化驗(yàn)室以外都可以做到無(wú)人值班。國(guó)的小城鎮(zhèn)的供水狀況比較落后，基本上還停留在氣壓罐、水塔供水方式。這些供水方式都需要將水提升到一個(gè)滿足最高層用戶用

30、水的固定高度上，這樣，就有相當(dāng)一部分電能被浪費(fèi)。同時(shí)，管網(wǎng)壓力的不穩(wěn)定，很容易造成管路曝?fù)p，管路和水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。而在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，以PLC為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)已成為當(dāng)今水工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主流，其控制系統(tǒng)正向著智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。企業(yè)部之間以與與外部交換信息的需求不斷擴(kuò)大，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)的管理要求不斷提高，這種要求已不局限于通常意義上的對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時(shí)還要求把現(xiàn)場(chǎng)信息和管理信息結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)經(jīng)營(yíng)決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過(guò)程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場(chǎng)控制等信息的綜合處理，形成一個(gè)意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)，亦稱(chēng)為“管控一體化”。在國(guó)外,一個(gè)10 x10，m3/d的水廠只需

31、35人管理。在運(yùn)行當(dāng)中，還采用了自動(dòng)化智能措施，運(yùn)用實(shí)時(shí)指示器不斷評(píng)定每一階段程序處理效果和作出微小糾正3，并融合了以太網(wǎng)技術(shù)，提高了水廠的信息化程度。1.2.2變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用圍變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)集合了變頻技術(shù)、PLC應(yīng)用、工控機(jī)應(yīng)用技術(shù)等多方面的現(xiàn)代化技術(shù)，所以有較好的性能特點(diǎn)：（1）節(jié)能性恒壓供水技術(shù)通過(guò)變頻調(diào)速閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，相對(duì)于閥門(mén)調(diào)節(jié)控制水泵出口壓力的方式來(lái)說(shuō)，具有降低管道阻力、大大減少截流損失的效應(yīng)，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可節(jié)約一定的電能，并能長(zhǎng)期受益，并且由于電動(dòng)機(jī)故障率的減少，設(shè)備壽命的延長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量的提高等等，都必將產(chǎn)生難以估計(jì)的經(jīng)濟(jì)

32、效益。（2）可延長(zhǎng)電機(jī)和水泵壽命由于水泵在變頻下工作，其出口流量小于額定流量時(shí)，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)了泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。 （3）運(yùn)行安全可靠水泵電機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，可以避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，減少對(duì)電網(wǎng)電，避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂而造成波動(dòng)的影響，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成水泵系統(tǒng)的喘振。 （4）聯(lián)網(wǎng)功能采用全中文工控組態(tài)軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)站點(diǎn)，如電機(jī)的電壓、電流、工作頻率、管網(wǎng)壓力與流量等。并且能夠累積每個(gè)站點(diǎn)的用電量，累積每臺(tái)泵的出水量，同時(shí)提供各種形式的打印報(bào)表，以便分析統(tǒng)計(jì)。 （5）控制靈活分段供水，定時(shí)供水，手動(dòng)選擇工作方式。 （6）容錯(cuò)性當(dāng)出現(xiàn)

33、意外情況時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)水泵與變頻器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況與水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動(dòng)切換，保證管網(wǎng)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)轉(zhuǎn)而執(zhí)行專(zhuān)門(mén)的故障子程序，保證在緊急情況下仍能進(jìn)行供水。變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用圍非常的廣泛，其廣泛的應(yīng)用如下4:(1) 高層建筑、城鄉(xiāng)供水小區(qū)、企事業(yè)生活用水;(2) 特殊種類(lèi)工業(yè)需要恒壓控制的用水如冷卻水循環(huán)、熱力網(wǎng)水循環(huán)、鍋爐補(bǔ)水等;(3) 自來(lái)水廠增壓系統(tǒng);(4) 農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉;(5) 各種液體恒壓控制系統(tǒng)。1.2.3變頻恒壓供水的發(fā)展趨勢(shì)(1)變頻恒壓供水目前正向集成化，維護(hù)操作簡(jiǎn)單化方向發(fā)展在國(guó)外專(zhuān)門(mén)針對(duì)供水的變頻器集成化越來(lái)越高，很多專(zhuān)用變頻器

34、集成了PLC和PID，甚至將壓力變送器也融入變頻組件，同時(shí)維護(hù)操作也越來(lái)越簡(jiǎn)單，部分新品的變頻供水只需簡(jiǎn)單設(shè)定壓力值就可正常運(yùn)行，控制軟件和其他參數(shù)在出廠時(shí)就已設(shè)定，或利用傳感器自動(dòng)獲取完畢。(2)高壓變頻系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用在過(guò)去變頻供水較少涉與高壓變頻系統(tǒng)，這也是系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，高一低一高型的高壓變頻系統(tǒng)，串聯(lián)多電平高壓變頻系統(tǒng)目前已在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善，高壓變頻中的諧波問(wèn)題己逐步得到解決。(3)變頻供水系統(tǒng)正在融入更全面的供水管理系統(tǒng)面對(duì)日益復(fù)雜的供水系統(tǒng)，如何在滿足供水需求的前提下，最大限度的提高供水系統(tǒng)的效益，是所有供水部門(mén)共同面臨的重要課題，目前，在美國(guó)，日本，法國(guó)等地的有些

35、城市己基本上實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化。基于PLC的變頻調(diào)速恒壓控制是現(xiàn)代供水控制系統(tǒng)的主要方式，它利用、傳感器、電氣控制設(shè)備、變頻器與水泵機(jī)組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使供水管網(wǎng)壓力保持恒定。由于具有自動(dòng)化程度高、高效節(jié)能、安全衛(wèi)生、維護(hù)方便等特點(diǎn)，在小區(qū)供水和工廠供液供水控制中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的控制效果和社會(huì)效5。1.3課題來(lái)源與本設(shè)計(jì)的主要容本課題來(lái)源于市河?xùn)|水廠的實(shí)習(xí)。通過(guò)前面對(duì)傳統(tǒng)供水現(xiàn)狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析可知，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在我國(guó)已成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、人機(jī)界面、各種傳感器等組成。本文研究的目標(biāo)是對(duì)恒壓控制技術(shù)

36、給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更加簡(jiǎn)捷，故障報(bào)警與時(shí)迅速，同時(shí)具有開(kāi)放的數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)的主要容如下:1）通過(guò)揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運(yùn)行曲線，說(shuō)明供水系統(tǒng)的節(jié)能原理。2）分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實(shí)用性的控制方案。3）研究PDI控制器的設(shè)計(jì)原理與方法。4）設(shè)計(jì)變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件。5）對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)與可編程序控制器(PLC)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。7）以組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)工控機(jī)監(jiān)控程序。第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析2.1供水系統(tǒng)的基本特性2.1.1水泵的主要參數(shù)水泵主要工作參數(shù)有

37、:流量、揚(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速以與壓力6。流量Q水泵流量是指水泵在單位時(shí)間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質(zhì)量流量?jī)煞N。以耐/s(米3/秒)、m3/h(米3/小時(shí))、七/:(千克/秒)、t/:(噸/秒)等表示。供水系統(tǒng)的基本任務(wù)是滿足用戶的流量要求。揚(yáng)程水泵揚(yáng)程也稱(chēng)水頭，是水泵由葉輪傳給單位質(zhì)量液體的總能量，單位以m計(jì)。揚(yáng)程主要包括三個(gè)方面:提高水位所需的能量;克服水在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)所需的能量;使水流具有一定流速所需的能量。其中提高水位所需的能量是揚(yáng)程的主體部分。因此把水從一個(gè)位置“上揚(yáng)”到另一位置時(shí)，用水位的變化量(即水位差)代表?yè)P(yáng)程。即水泵揚(yáng)程最終反映的是水泵供水高度。水泵總揚(yáng)程包括

38、把水上揚(yáng)到最高水位所需的能量，以與克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，等于排水垂直水柱和管路阻力損失水柱之和。實(shí)際揚(yáng)程是通過(guò)水泵實(shí)際提高的水位所需的能量。損失揚(yáng)程是全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差,即:總揚(yáng)程=實(shí)際揚(yáng)程+損失揚(yáng)程功率水泵功率有兩種:有效功率PM和軸功率PN。有效功率PM(KW)為泵液體實(shí)際所獲得的凈功率；軸功率PM(KW)是水泵在一定流量、揚(yáng)程下運(yùn)行時(shí)所需的外來(lái)功率，即由電動(dòng)機(jī)傳給水泵軸上的功率。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，才成為有效功率。效率有效功率與軸功率的比值為效率 （2-1）水泵效率標(biāo)志著水泵傳遞能量的有效程度，亦即反映了泵功率損失的大小，是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)

39、濟(jì)指標(biāo)。轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)速n是指葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速改變后，水泵工作性能也隨著改變。壓力pP表示供水系統(tǒng)中某個(gè)位置或某個(gè)點(diǎn)水壓的物理量，其大小在靜態(tài)時(shí)取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動(dòng)態(tài)情況下，則還與供水流量與用水流量之間的平衡情況有關(guān)。2.1.2水泵的供水特性水泵的供水特性包括揚(yáng)程特性和管阻特性7。(1) 揚(yáng)程特性在管路中閥門(mén)完全打開(kāi)的情況下，表明全揚(yáng)程H隨用水量Q變化曲線H=f(Q)，稱(chēng)為揚(yáng)程特性曲線，如圖 2-1所示。圖中A1點(diǎn)是流量較小(等于Q1)時(shí)的情形，這時(shí)全揚(yáng)程較大，為H1；A2點(diǎn)是流量較大(等于Q2)時(shí)的情形，這時(shí)全揚(yáng)程較小，為H2。當(dāng)流量越大時(shí)，管道中的摩擦損失以與保持一定流速

40、所需的能量也越大，故供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小。流量的大小取決于用戶，是“用水流量”。因此，揚(yáng)程特性反映了用戶的用水需求對(duì)全揚(yáng)程的影響。圖 2-1 水泵的揚(yáng)程特性(2) 管阻特性管阻是管道系統(tǒng)(包括水管、閥門(mén)等)對(duì)水流阻力的物理量。通常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來(lái)描述。管阻特性也叫管路特性，是反映為了維持一定的流量而必須克服管阻所需的能量，它和閥門(mén)開(kāi)度有關(guān)。實(shí)際上是表明當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度一定時(shí)，為了提供一定流量的水所需要的揚(yáng)程，因此這里的流量可以理解為“供水流量”，用Q表示.所以管阻特性的函數(shù)關(guān)系是H=f(Q)，如圖2-2所示，供水流量較小(Q=Q1)時(shí)，所需揚(yáng)程也較小(H=H1)，如點(diǎn)B1;反之，在供水流

41、量較大(Q=Q2)時(shí)，所需揚(yáng)程也較大(H=H2)，如點(diǎn)B2。管阻特性的起始揚(yáng)程等于靜揚(yáng)程HA，如果全揚(yáng)程小于靜揚(yáng)程的話，將不足以克服管路的管阻，從而不能供水，因此，靜揚(yáng)程也是能夠供水的“基本揚(yáng)程”。圖2-2 水泵的管阻特性2.1.3水泵的工作點(diǎn)確定水泵工作點(diǎn)是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以與相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)8。水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)取決于水泵性能管路性能以與所需實(shí)際揚(yáng)程。這三種因素任一項(xiàng)發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會(huì)發(fā)生變化。如果把某一水泵揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線畫(huà)在同一坐標(biāo)系中(圖 2-3)，則這兩條曲線的交點(diǎn)A就是水泵的工作點(diǎn)。圖 2-3 水泵的工作點(diǎn)的確

42、定工作點(diǎn)A是水泵運(yùn)行的理想工作點(diǎn)，若把水泵的效率曲線也畫(huà)在同一坐標(biāo)系中，在圖 2-3中可以找出A點(diǎn)的揚(yáng)程H、流量Q以與效率。從圖中可以看出，水泵在工作點(diǎn)A點(diǎn)提供的揚(yáng)程和管路所需的揚(yáng)程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達(dá)到流量和能量的平衡，這個(gè)平衡點(diǎn)是有條件的，平衡也是相對(duì)的。實(shí)際運(yùn)行時(shí)水泵并非總是固定在A點(diǎn)。一旦當(dāng)水泵和管阻特性中的一個(gè)參數(shù)或所有參數(shù)同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，平衡就會(huì)被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。另外確定工況點(diǎn)一定要保證水泵裝置在高效率圍運(yùn)行。工作點(diǎn)的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中的一個(gè)重要問(wèn)題9。供水功率是供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率P(KW

43、)稱(chēng)為供水功率，供水功率與流量Q和揚(yáng)程H的乘積(如圖2-3中0QAAHA的面積)成正比。2.1.4水泵的工作點(diǎn)調(diào)節(jié)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。所以在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對(duì)象是流量。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，實(shí)際運(yùn)行中水泵的流量是隨著用水量的變化而變化的，揚(yáng)程也因水位和流量的變化而變化，因此水泵不能總工作在一個(gè)工況點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制，因此要討論節(jié)能問(wèn)題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手，即工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)方法，常見(jiàn)的方法有閥門(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種910：閥門(mén)控制法圖2-4 管網(wǎng)和泵運(yùn)行曲線閥門(mén)控制法屬于節(jié)流調(diào)節(jié)，即通過(guò)關(guān)小或開(kāi)大閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量，而泵的轉(zhuǎn)速保持

44、不變。閥門(mén)控制法的實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的要求。這時(shí)管阻特性將隨閥門(mén)開(kāi)度的改變而改變，但是揚(yáng)程特性不變。這種通過(guò)關(guān)小閘閥來(lái)改變水泵工作點(diǎn)位置的方法，稱(chēng)為節(jié)流調(diào)節(jié)，如圖2-4所示。泵的初始工作點(diǎn)在A點(diǎn)，水泵提供的揚(yáng)程、流量恰好與管路所需得揚(yáng)程、流量相等。當(dāng)用戶所需流量減少時(shí)，設(shè)從Qa降至Qb，必須把水泵出水口閘閥關(guān)小來(lái)減少水泵出口水流量，使之與管網(wǎng)所需流量相等，否則會(huì)因管網(wǎng)過(guò)載而造成爆管的危險(xiǎn)。此時(shí)，管阻特性由曲線2變?yōu)榍€4，水泵的工況點(diǎn)則沿著水泵特性曲線由A點(diǎn)移至B點(diǎn)，此時(shí)流量減小了，但揚(yáng)程卻由HA增大到HB。供水功率與面積

45、OEBF成正比，水泵所提供的能量一部分消耗于克服閘閥的附加阻力，造成額外損失。并且隨著閥門(mén)的不斷關(guān)小，閥門(mén)的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是H增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。(2) 轉(zhuǎn)速控制法轉(zhuǎn)速控制法屬于變速調(diào)節(jié)，是通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門(mén)開(kāi)度則保持不變(通常為最大開(kāi)度)，轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水泵的供水能力來(lái)適應(yīng)用戶對(duì)流量的要求，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變而管阻特性不變。如圖 2-4，當(dāng)用戶所需用水流量由QA減小至QB，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€3，管阻特性仍為特性曲線2，故工作點(diǎn)從A點(diǎn)移動(dòng)到C點(diǎn)，在C點(diǎn)流量減小為QB，而揚(yáng)程減

46、小為HC，供水功率與面積0ECHC成正比。兩種方法比較:由于閥門(mén)控制是通過(guò)增加管道的阻力而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量;而電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制可以通過(guò)改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)變更水泵的工況點(diǎn)，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，從而達(dá)到節(jié)能的效果。但由于開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速控制中，揚(yáng)程隨著流量的減小而減小，往往不能滿足實(shí)際工程需要。圖 2.5變頻恒壓控制工況點(diǎn)調(diào)節(jié)因此采用閉環(huán)恒壓控制，對(duì)于變頻調(diào)速恒壓控制，工況點(diǎn)如圖2.5所示，理想運(yùn)行特性曲線為直線H*ABC。2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速2.3.1 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理變頻供水系統(tǒng)是通過(guò)變頻器控制泵的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵供水來(lái)改變水泵的實(shí)時(shí)供

47、水量，完成恒壓供水的目標(biāo)。因此，供水系統(tǒng)變頻調(diào)速的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是指在電動(dòng)機(jī)負(fù)載不變的條件下，通過(guò)控制改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到用戶要求。這種調(diào)速方式，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)中的變速機(jī)構(gòu)，提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為: （2-2）其中n0是異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，f1是異步電動(dòng)機(jī)的電源頻率，p為異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率為： （2-3）其中n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。根據(jù)公式 (2.3)和公式 (2.2)，得三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為: （2-4）2.3.2 調(diào)速方法由公式 (2.4)

48、可知，異步電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)改變電源頻率、磁極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)調(diào)速。(l) 變極調(diào)速改變定子極對(duì)數(shù)，可使異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速改變，從而得到轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)調(diào)速相當(dāng)困難，這會(huì)使電機(jī)結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，而且不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。(2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速即轉(zhuǎn)子電路串接電阻調(diào)速、改變定子電壓調(diào)速、滑差電機(jī)等。這些方法的共同特點(diǎn)是:在調(diào)速過(guò)程中均產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率，消耗在轉(zhuǎn)子電路，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性較差，會(huì)使效率降低，而且調(diào)速?lài)彩艿较拗啤?3)變頻調(diào)速當(dāng)極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與電動(dòng)機(jī)的電源頻率f1成正比。因此，通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)供電頻率，就可以平滑的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻

49、調(diào)速具有調(diào)速?lài)鷱V、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這種調(diào)速的設(shè)備稱(chēng)作變頻器，變頻器的硬件組成框圖見(jiàn)圖 2-6所示。圖 2-6 交流變頻調(diào)速器的基本原理下面簡(jiǎn)單介紹一下變頻器的工作原理:變頻器由整流電路、中間電路、逆變電路、控制電路、操作面板等組成。交流電源首先經(jīng)過(guò)整流電路，將工頻交流電源整流成直流，通過(guò)中間電路中的電感或者電容濾波作用，使整流后的直流紋波降低，同時(shí)中間電路可以降低逆變電路反饋到工頻電源的諧波電流。逆變電路是變頻器的功率輸出部分，一般由多刀T等大功率開(kāi)關(guān)器件與其驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路構(gòu)成。逆變電路接受來(lái)自控制板的控制信號(hào)，將直流電進(jìn)行逆變成交流電，而逆變得到的交流電的頻率、電壓是可變

50、的。控制電路是變頻器的控制中心，它可以根據(jù)外部接線端子、操作面板或者由上位機(jī)來(lái)的通訊指令控制變頻器中的逆變電路輸出一個(gè)頻率和電壓可變的交流電壓。一般在控制電路中還集成了其它功能，如PID調(diào)節(jié)器等。操作面板是變頻器人-機(jī)對(duì)話的界面，通過(guò)操作面板可以觀察變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，或者修改變頻器的運(yùn)行參數(shù)。綜上所述，通過(guò)改變電源頻率的方法，可以從高速到低速保持高效率、寬圍和高精度的調(diào)速性能。2.4 本章小結(jié)本章分析了供水系統(tǒng)的基本特性。根據(jù)揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線可以看出用水流量和供水流量處于平衡狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速是由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門(mén)控制方

51、式節(jié)能效果顯著。通過(guò)對(duì)電機(jī)的幾種調(diào)速方式的分析比較，采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水，能夠提高系統(tǒng)的可靠性，降低能耗。第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 變頻恒壓控制原理恒壓供水控制原理圖如3-1所示：圖3-1 閉環(huán)恒壓供水原理圖用戶用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，因此供水不足或供水過(guò)剩的情況時(shí)有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低;用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。如圖3.1所示，變頻器是電機(jī)變頻調(diào)速的執(zhí)行者，只要改變f就可實(shí)現(xiàn)n的變化，從而達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)速的目的

52、。測(cè)量元件用壓力變送器，U*為恒定壓力供水設(shè)定值。供水壓力P作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。在運(yùn)行中，當(dāng)用水量增大的時(shí)候，水管道壓力值變低，反饋值Uf變小，即U*大于Uf時(shí)，變頻器通過(guò)置PID進(jìn)行調(diào)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速加快，增加水流量，提高管道壓力，直到管道壓力P與設(shè)定壓力U*對(duì)應(yīng)的期望壓力值相等。當(dāng)用水量減少時(shí)，水管道壓力值p變大，反饋值Uf變大，即U*小于Uf時(shí)，變頻器通過(guò)置PID進(jìn)行調(diào)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，減小水流量，降低管道壓力，直到管道壓力P與期望壓力設(shè)定值U*相等。總之，根據(jù)反饋控制原理，最終達(dá)到的平衡狀態(tài)使實(shí)際供水壓力和設(shè)定期望壓力相等。3.2 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案3.2.1變頻恒壓控

53、制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)從恒壓供水的原理分析可知，系統(tǒng)主要有變頻器、壓力傳感器、壓力變送器、恒壓控制單元與低壓電器等。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)以與變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。由于PLC+變頻器組成的恒壓控制方式靈活方便，便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制精度的要求。同時(shí)由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場(chǎng)所，本文采用PLC與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，即根據(jù)實(shí)際設(shè)定

54、水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，自動(dòng)補(bǔ)償用水量的變化，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值,既可以滿足生產(chǎn)供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。為了提高系統(tǒng)的控制靈活性和方便性，本系統(tǒng)在變頻器+PLC控制的基礎(chǔ)上增加上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)。采用PLC，由于其本身抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)可靠性高，且由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種要求和規(guī)格不同的控制系統(tǒng)。由于PLC和上位機(jī)具有良好的通信功能，此系統(tǒng)方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。當(dāng)控制要求改變時(shí)，利用編程軟件很容易進(jìn)行程序的修改和下載。由于有良好的人機(jī)界面，使得操作更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)更直觀。因此本系統(tǒng)采用“變頻器+PL

55、C+上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)”的模式13。3.2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方框圖和組成原理框圖圖3-2 系統(tǒng)控制方框圖圖3-3 系統(tǒng)組成電氣原理圖從上面的原理圖和框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由泵組、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面等部分組成。1、水泵組水泵組用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖中的4個(gè)水泵分為三種類(lèi)型。(1)調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。當(dāng)水泵采用循環(huán)的控制方式時(shí)，一、二、三號(hào)泵既可以做調(diào)速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式時(shí)，一、二、三號(hào)泵中有且只有一臺(tái)可以調(diào)速泵，其余兩臺(tái)為恒速泵或停止?fàn)顟B(tài)。(3)輔助

56、小泵:它只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如:夜間)對(duì)管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，這樣構(gòu)成水泵組有下幾個(gè)原因:(1)用幾個(gè)小功率的水泵代替一臺(tái)大功率的水泵，使水泵選型容易，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)更適合于大功率的供水系統(tǒng)。(2)供水系統(tǒng)的增容和減容容易，無(wú)需更換水泵，只要再增加恒速泵即可。(3)以小功率的變頻器代替大功率的變頻調(diào)速器，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。(4)輔助泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時(shí)(如:夜間)可以停止所有的主泵，用小泵進(jìn)行補(bǔ)水，降低系統(tǒng)的運(yùn)行噪音。(5)在用水量不太大時(shí)，系統(tǒng)中不是所有的水泵在運(yùn)行，這樣可以提高水泵的運(yùn)行壽命，同時(shí)降

57、低系統(tǒng)的功耗，達(dá)到節(jié)能的目的。2、信號(hào)檢測(cè)在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括水壓信號(hào)、液位信號(hào)和報(bào)警信號(hào):(1)水壓信號(hào):它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入PLC時(shí)，需進(jìn)行戶以D轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入。(2)液位信號(hào):它反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號(hào)來(lái)自在安裝于水源處的液位傳感器。(3)報(bào)警信號(hào):它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量

58、信號(hào)。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(shè)備三個(gè)部分。(1)供水控制器:它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制。(2)變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從

59、水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)。(3)電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換與就地/集中等工作。4、人機(jī)界面人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所。通過(guò)人機(jī)界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時(shí)使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運(yùn)行情況與設(shè)備的工作狀態(tài)。人機(jī)界面還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)示，對(duì)報(bào)警進(jìn)行顯示。3.2.3變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制流程整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據(jù)檢測(cè)到的輸入信號(hào)的狀態(tài)、按照系統(tǒng)的控制流程、通過(guò)孿頻調(diào)速器和執(zhí)行元件對(duì)

60、水泵組進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)恒壓供水目的。其需要完成的控制流程如圖3.4所示。圖3.4 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)流程圖現(xiàn)將流程圖說(shuō)明如下:1、系統(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)水泵一號(hào)泵(可以是二號(hào)泵，也可以是三號(hào)泵 ，這里以一號(hào)泵為例)，通過(guò)恒壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制一號(hào)泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間一號(hào)泵工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。2、當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值，反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水