畢業(yè)論文----恒壓供水系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　恒壓供水系統(tǒng)的設計</b></p><p><b>　　畢業(yè)設計開題報告</b></p><p>　　一、課題設計（論文）目的及意義</p><p>　　1．通過這次的畢業(yè)設計，使我對恒壓供水方面及相關專業(yè)課程方面的知識更加鞏固了，同時也對供水系統(tǒng)有了一個系統(tǒng)的掌握和認識，培養(yǎng)了我的獨立思考，

2、獨立解決問題，獨立分析問題的能力。</p><p>　　2．同時也養(yǎng)成了工作認真，嚴謹?shù)淖黠L。提高了自身素質，使自己在以后的工作中更加的嚴格嚴格要求自己。形成一絲不茍的工作精神。</p><p>　　3.熟練地掌握了對課題知識查詢的能力，以及供水系統(tǒng)方面的知識在生活中的實際應用。使理論知識與實際生活相接軌。讓自己更加對恒壓供水有一個全方位的認知認識及更深入方面知識的探究。</p>

3、;<p>　　二、課題設計（論文）提綱</p><p>　　1.恒壓供水產生的背景及意義，以及它所面臨的現(xiàn)狀。</p><p>　　2.變頻恒壓供水的理論分析</p><p><b>　　1）水泵的工作原理</b></p><p>　　2）供水壓力和變頻輸出頻率的關系</p><p>

4、;　　3.變頻恒壓供水系統(tǒng)的構成及控制原理</p><p>　　1）通用變頻器+PLC（包括變頻控制、調節(jié)器控制人機界面+傳感器） </p><p>　　2）變頻恒壓供水系統(tǒng)的結構</p><p>　　3）變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案</p><p>　　4）變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓恒定控制</p><p>　

5、　5）變頻供水水泵加減的控制</p><p>　　4.變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計</p><p><b>　　1）理論可行性</b></p><p><b>　　2）技術可行性</b></p><p><b>　　3) 硬件設計</b></p><p>&l

6、t;b>　　4）軟件設計</b></p><p>　　三、課題設計（論文）思路、方法及進度安排</p><p><b>　　思路方法：</b></p><p>　　1）在圖書館閱讀有關恒壓供水方面的書籍，以及搜集此方面的知識。</p><p>　　2）利用網絡了解恒壓供水在變頻器方面的應用</p&

7、gt;<p>　　3）與指導老師及同學及共同進行交流和探討，從老師那多了解一些恒壓供水方面的資料，使自己對此課題有更深一步的了解。有利于自己的畢業(yè)設計能更加的完善。</p><p><b>　　進度安排：</b></p><p>　　第一周：弄清該設計的工作原理，選題方案，對比各種方案，選擇合適的方案。</p><p>　　第二、

8、三周：在網上和書上搜集各種資料。</p><p>　　第四周：寫出論文的整體提綱。</p><p>　　第五周：寫畢業(yè)論文。</p><p><b>　　第六周：畢業(yè)答辯</b></p><p>　　四、課題設計（論文）參考文獻：</p><p>　?。?］王兆義．可編程控制器原理及應用［M］．北

9、京：機械工業(yè)出版社，1993．［2］李世基．微機與可編程控制器［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2001．［3］西門子SIMATIC S7-200可編程控制器操作與編程指南［S］．重慶鋼鐵設計研究所，1998．［4］SIMATICS7－200編程手冊［S］．常州機床電器廠，1997． </p><p>　　[5] 謝仕宏. 恒壓供水軟啟動節(jié)能控制系統(tǒng)設計[J].中國給排水，2004.</p>&

10、lt;p>　　[6] 張建奇.數(shù)字PID變頻調速在PLC恒壓供水系統(tǒng)中的應用[J].微計算機信息，2002</p><p>　　[7] 陳建洪.PID控制程序在恒壓供水系統(tǒng)中的應用[J].龍巖師專學報，2004</p><p>　　[8] 屈有安.變頻器PID恒壓供水系統(tǒng)[J].江蘇電器，2002.</p><p>　　[9] 嚴盈富.恒壓供水系統(tǒng)的控

11、制與仿真[J].南昌航空工業(yè)學院學報，2004</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要9</b></p><p><b>　　1 緒論10</b></p><p><b>　　1.1引言10</b></

12、p><p>　　2 變頻恒壓供水的理論分析12</p><p>　　2.1水泵的工作原理12</p><p>　　2.2供水壓力和變頻器輸出頻率的關系13</p><p>　　3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構成及控制原理17</p><p>　　3.1 通用變頻器+PLC17</p><p>　　

13、3.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的結構18</p><p>　　3.3變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案21</p><p>　　3.4變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓恒定控制22</p><p>　　3.5變頻供水水泵加減的控制23</p><p>　　4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計27</p><p>　　4.1理論可行性27<

14、/p><p>　　4.2技術可行性27</p><p>　　4.3硬件設計28</p><p>　　4.4軟件設計30</p><p>　　本 章 小 節(jié)32</p><p><b>　　致 謝33</b></p><p><b>　　摘要</b&g

15、t;</p><p>　　隨著我國社會經濟的發(fā)展，住房制度改革的不斷深入，人們生活水平的不斷提高，城市建設發(fā)展十分迅速，同時也對基礎設施建設提出了更高的要求。城市供水系統(tǒng)的建設是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經濟性直接影響到用戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了供水管理水平的高低。傳統(tǒng)供水廠，特別是中小供水廠所普遍采用的恒速泵加壓供水方式存在效率較低、可靠性不高、自動化程度低等缺點，難以滿足當前經濟生活的

16、需要。隨著人們對供水質量和供水系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，需要利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，要求設計出高性能、高節(jié)能、能適應供水廠復雜環(huán)境的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。</p><p>　　本文首先根據管網和水泵的運行特性曲線，闡明了供水系統(tǒng)的變頻調速節(jié)能原理;從具體分析了變頻恒水壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結構，提出不同的控制方案，通過研究和比較，得出結論:變頻調速是一種優(yōu)于調壓調速、變極調速、串級調速、

17、機械調速等的調速方式，是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣、最有發(fā)展前途的電機調速技術.它集微機控制技術、電力電子技術和電機傳動技術于一體，實現(xiàn)了工業(yè)交流電動機的無級調速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點的結論。因此本文以采用變頻器和PLC 組合構成系統(tǒng)的方式，以德州第一水廠160kw和75kw水泵電動機控制系統(tǒng)為對象，逐步闡明如何實現(xiàn)水壓恒定供水和數(shù)據傳輸?shù)?</p><p>　　最后，從分析該廠恒壓變

18、頻供水的可行性，改造的理論、技術、經濟可行性等方面進行多次實驗分析:其次，分別從確定變頻器的參數(shù)，設計變頻主電路、變頻電機的運行模式、控制模式及流程。在此基礎上，對中小供水廠變頻電機的選型、安裝、調試和運行各步驟加以詳細地闡述。然后歸納和分析了安裝運行中的問題和注意事項。通過變頻恒壓供水系統(tǒng)的試運行，對該系統(tǒng)在實際供水中所取得的節(jié)約電耗、恒定壓力、保護管網等實際效果進行了總結，指出變頻技術在中小供水廠供水領域所取得的成果及應用中的局限性

19、。</p><p>　　關鍵詞：PLC、恒壓供水、變頻器</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開水。在通常的城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水中，基本上都是靠供水站的電動機帶動離心水泵，產生壓力使管網中的自來

20、水流動，把供水管網中的自來水送給用戶。但供水機泵供水的同時，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機泵的效率、確保供水機泵的可靠穩(wěn)定運行的同時，降低能耗，將具有重要經濟意義。我國供水機泵的特點是數(shù)量大、范圍廣、類型多，在工程規(guī)模上也有一定水平，但在技術水平、工程標準以及經濟效益指標等方面與國外先進水平相比，還有一定的差距。</p><p>　　對于大多數(shù)采用供水企業(yè)來說，傳統(tǒng)供水機泵存在日常運行費用太高，供水成本居高

21、不下，單位供水的能耗偏大的問題，尋求供水與能耗之間的最佳性價比，是困擾企業(yè)的一個長期問題。目前各供水廠的供水機泵設計按最大揚程與最大流量這一最不利條件設計，水泵大多數(shù)時間在設計效率以下運行。導致電動機與水泵之間常常出現(xiàn)大馬拉小車問題(如圖 1.1)。因此，如何解決供水與能耗之間的不平衡，尋求提高供水效率的整體解決方案，是各供水解水企業(yè)關心的焦點問題之一。</p><p>　　變頻調速技術以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可

22、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。利用變頻技術與自動控制技術相結合，在中小型供水企業(yè)實現(xiàn)恒壓供水，不僅能達到比較明顯的節(jié)能效果，提高供水企業(yè)的效率，更能有效保證從水系統(tǒng)的安全可靠運行.</p><p>　　變頻恒水壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣傳動技術、現(xiàn)代控制技術于一體。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(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控;同時可達到良好的節(jié)

23、能性，提高供水效率。所以研究設計基于變頻調速的恒定水壓供水系統(tǒng)(簡稱變頻恒壓供水，如圖1.2)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平，同時降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。</p><p>　　2 變頻恒壓供水的理論分析</p><p>　　2.1水泵的工作原理</p><p>　　供水所用水泵主要是離心泵，普通離心泵如圖2.1所示:葉輪安裝在泵殼2內，并緊固在泵軸3

24、上，泵軸由電機直接帶動，泵殼中央有一液體吸入口4與吸入管5連接，液體經底閥6和吸入管進入泵內，泵殼上的液體排出口8與排出管9連接。</p><p>　　在泵啟動前，泵殼內灌滿被輸送的液體:啟動后，葉輪由軸帶動高速轉動，葉片間的液體也必須隨著轉動。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開葉輪外緣進入蝸形泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴大而減速，又將部分動能轉變?yōu)殪o壓能，最后以較高的壓力流

25、入排出管道，送至需要場所。液體由葉輪中心流向外緣時，在葉輪中心形成了一定的真空，由于貯槽液面上方的壓力大于泵入口處的壓力，液體便被連續(xù)壓入葉輪中?？梢?，只要葉輪不斷地轉動，液體便會不斷地被吸入和排出。</p><p>　　2.2供水壓力和變頻器輸出頻率的關系</p><p>　　在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，供水壓力是通過對變頻器輸出頻率的控制來實現(xiàn)的。確定供水壓力和輸出頻率的關系是設計控制環(huán)節(jié)控

26、制策略的基礎，是確定控制算法的依據。</p><p>　　送水泵站所采用的水泵是離心泵，它是通過裝有葉片的葉輪高速旋轉來完成對水流的輸送，也就是通過葉輪高速旋轉帶動水流高速旋轉，靠水流產生的離心力將水流甩出去。離心泵也因此而得名。在給水排水工程中，從使用水泵的角度來看，水泵的工作必然要和管路系統(tǒng)以及許多外界條件聯(lián)系在一起.在給水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系統(tǒng)稱為 “裝置”，在控制系統(tǒng)的設計中，真正

27、對系統(tǒng)的分析和設計有價值的也是這種成為系統(tǒng)的裝置，而不是單單的孤立水泵。在水泵結構和理論中，有一些評價水泵性能的參數(shù)，供水系統(tǒng)的主要參數(shù)如下:：</p><p>　　流量(Q):單位時間內流過管道內某一截面的水流量，在管道截面不變的情況下，其大小決定于水流的速度。 </p><p>　　揚程

28、問: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(shù)值上等于對應的水位差。其常用單位是m。</p><p>　　軸功率(幾):水泵軸上的輸入功率(電動機的輸出功率)，或者說是水泵取用的功率。 </p><p>　　

29、供水功率(幾):供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率幾你叨，供水功率與流量和揚程的乘積成正比:</p><p>　　式中Cp一 比例常數(shù)。</p><p>　　工作效率偽，):水泵的供水功率Pc和軸功率界之比，如式2.6所示。這里所說的水泵工作效率，實際上包含了水泵本身的效率和供水系統(tǒng)的效率。其根據實際供水的揚程和流量算得的功率，是供水系統(tǒng)的輸出功率。</p><p>

30、　　其中有效功率是指單位時間內通過水泵的液體從水泵那里得到的能量叫做有效功率。</p><p>　　轉速(n卜水泵葉輪的轉動速度。</p><p>　　根據水泵理論，如圖2.3所示.</p><p>　　由于水泵在送水過程中，清水池水位一般高于水泵的測量點，所以不存在進水口抽真空，所以在進水口的真空值為0.水泵進水口與出水口都沿水平方向放置，位置差為0。水泵在正常工

31、作時，動能的變化相對較小?？紤]這些具體情況，</p><p><b>　　上式可以改寫為:</b></p><p>　　由于水泵是由一臺交流感應電動機帶動運行的，電機的轉速與水泵的轉速相同。電機的輸出有效功率與水泵的軸功率相等。在電機理論中，感應電機的機械功率為:</p><p>　　在變頻調速時，由于磁通中m不變，從電機公式(212)可以看出

32、，要使主磁</p><p>　　通中m保持不變，則UI/fl必須保持不變。</p><p>　　因此在變頻調速過程中.電壓應該與頻率成正比例變化，設</p><p><b>　　代入式(2.n)得</b></p><p>　　根據能量守恒定律，有</p><p>　　水泵裝置在變頻調速的工作狀態(tài)下

33、運行時，有:</p><p>　　其中杯為電機的效率。所以，</p><p>　　從上式可以看出，當變頻器的輸出頻率一定的情況下，當用戶用水量增大，從而Q增大時，壓力表的讀數(shù)將會變小，即管網供水壓力將會降低。為了保持供水壓力，就必須增大變頻器的輸出頻率以提高水泵機組的轉速;當用戶的用水量減小時，Q減小，在變頻器輸出頻率不變的情況下，管網的供水壓力將會增大，為了減小供水的壓力，就必須降低變頻

34、器的輸出頻率.由于用戶的用水量是始終在變化的，雖然在時段上具有一定的統(tǒng)計規(guī)律，但對精度要求很高的恒壓控制來講，在每個時刻它都是一個隨機變化的值。這就要求變頻器的輸出頻率也要在一個動態(tài)的變化之中，依靠對頻率的調節(jié)來動態(tài)地控制管網的供水壓力，從而使管網中的壓力恒定。</p><p>　　3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構成及控制原理</p><p>　　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

35、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(xiàn)管網水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據進行傳輸。根據系統(tǒng)的設計任務要求，結合系統(tǒng)的使用場所，本文選用通用變頻器+PLC控制。 </p><p>　　3.1 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調節(jié)器控制人機界面+壓力傳感器

36、)</p><p>　　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(shù)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P比 的硬件配置和拍 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(xiàn)場調試方便。同時由于P比 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

37、不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。</p><p>　　3.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的結構</p><p>　　通過變頻恒壓供水系統(tǒng)我們可以看出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、通訊接口以及報警裝置等部分組成。如圖3.1所示。 .</p><p><b>　　3.2.1執(zhí)行機構</b></p>

38、;<p>　　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。</p><p><b>　　通常這些水泵包括:</b></p><p>　　1)調速泵: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。</p><p>　　2)恒速泵:水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以

39、在用水量增大而調速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充。.</p><p>　　此外，通常一些變頻系統(tǒng)還會增設附屬小泵，它只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如:夜間)對管網用水量進行少量的補充.。</p><p><b>　　3.2.2信號檢測</b></p><p>　　在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓

40、信號、液位信號和報警信號:</p><p>　　(l)。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。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進行 冉刃 轉換。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測。檢測結果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入。</p><p>　　(2)。液位信號:它反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時。控制系統(tǒng)要對系

41、統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自在安裝于水源處(在樂山第一水廠設計中，為清水池水位)的液位傳感器。</p><p>　　(3)。報警信號:它反映系統(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。</p><p><b>　　3.2.3控制系統(tǒng)</b></p><p>　　供水控制系統(tǒng)一般安裝在供

42、水控制柜中，包括供水控制器(P比 系統(tǒng))、變頻器和電控設備三個部分:</p><p>　　(1)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)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)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(即水泵成行控制)。.</p><p>　　(2)變頻器:它是對水泵進行轉速控

43、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。根據水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有如下兩種工作方式:</p><p>　　1)變頻循環(huán)式:變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機。</p>&l

44、t;p>　　2)變頻固定式:變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇。</p><p>　　變頻器的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/自動切換及就地/集中等工作。</p>

45、<p><b>　　3.2.4人機界面</b></p><p>　　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)視，對報警進行顯示。</p><p><b>　　3.2.5通

46、訊接口</b></p><p>　　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(shù)據交換;同時通過通訊接口，還可以將現(xiàn)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。</p><p><b>　　3.2.6報警裝置</b></p><p>　　作為一個控制系統(tǒng)，

47、報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)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、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由P比 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。</p><p>　　3.3變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案有多種，有1臺變頻

48、器控制1臺水泵的簡單控制方案，也有1臺變頻器控制幾臺水泵的方案，本文簡單介紹單臺變頻器控制單臺水泵。</p><p>　　單臺變頻器控制單臺水泵的控制方案在國內通常是指是一臺變頻器控制一臺水泵。由于全部變頻系統(tǒng)中，變頻器、控制器、電機均無備份設備，出現(xiàn)問題無法切換，故目前多適用于用水量不大，對供水的可靠性要求不高的場合。該控制方案的控制原框圖見圖3.2，電路見圖3.3。</p><p>　

49、　值得一提的是，在國外或國內少數(shù)大企業(yè)，也有一種每臺變頻器只帶一臺水泵的運行方式，但它的控制方式與上面是不同的，這些泵站往往是同時配備了多臺變頻器配多臺水泵，采用集中控制的辦法，這種變頻系統(tǒng)與國內水泵站常用的一臺變頻器控制單臺水泵的工作方式是完全不一樣的。在這種系統(tǒng)中，由于有多臺變頻器，各水泵既可以同時變頻運行，也可以分別工頻運行，使其可靠性、安全性、可調節(jié)性大大優(yōu)于國內常見的各種控制方式，不過在成本上，也遠遠高于目前國內的常用的變頻恒

50、壓供水系統(tǒng)。</p><p>　　3.4變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓恒定控制</p><p>　　在變頻恒壓供水中，整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據檢測到的輸入信號的狀態(tài)，按照系統(tǒng)的控制流程，通過變頻調速器和執(zhí)行元件對水泵組進行控制實現(xiàn)恒壓供水的目的。這個控制過程是一個閉環(huán)過程，它的反饋信號是由壓力傳感器產生的供水壓力，執(zhí)行機構是變頻器，通過控制系統(tǒng)將控制結果傳輸?shù)阶冾l器中，改造變頻器的輸出頻率，

51、從而使供水壓力發(fā)生改變，完成整個控制過程。其中需要完成的控制流程如圖3.5所示。</p><p>　　對于一臺變頻器帶兩臺或兩臺以上電機的系統(tǒng)，電機的控制通常按上節(jié)方案2所述流程進行.</p><p>　　在實際運用中，通常對水壓的閉環(huán)控制都采用PID控制，電機增減的控制根據不同的情況有所不同，但多數(shù)采用頻率、頻率結合壓力的方法來實現(xiàn)。PD 的算法和實現(xiàn)將在3一4.2節(jié)進行詳細闡述，電機的

52、增減控制算法在將在3.5節(jié)加以分析。</p><p>　　3.5變頻供水水泵加減的控制</p><p>　　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已運行在下限頻率，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泵來減少供水流量，達到恒壓的目

53、的。那么何時進行切換，才能使系統(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?</p><p>　　盡管通用變頻器的頻率都可以在60Hz甚于上百Hz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50F吃時運行，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

54、已經到達 50比 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(shù)量來實現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是OHz。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降傳到OHz，因為當水泵機組運行，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

55、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OHz，具體數(shù)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</p><p>　　從上面的分析可以看出，當變頻器的輸出頻率已經到達上限頻率，而實際的供水壓力仍然低于設定壓力時，存在的實際供水壓力差己經不能夠使輸出頒率增大，實際

56、供水壓力也不會提高.當變頻器的輸出頻率己經下降到下限頻率，實際的供水壓力卻仍高于設定的供水壓力時，存在的壓力差不會使輸出頻率繼續(xù)降低，實際的供水壓力也不會降低.所以，選擇這兩個時刻作為水泵機組切換的時機是合理的，但要做以下考慮。首先把上面的判別條件簡寫如下:</p><p>　　對于第一個判別條件，可能出現(xiàn)這種情況:輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設定壓力上下波動。在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要

57、條件一滿足就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設定壓力。并且使新投入運行的機組幾乎在變頻器輸出頻率的下限運行，對供水作用很小。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。假設這一段時間內用戶的用水狀況保持不變(其實在一個穩(wěn)定的供水時段可以看作這種情況)，那么按照要求停掉了一個工頻狀

58、態(tài)下運行的機組之后，機組的整體運行情況與增加運行機組之前完全相同.可以預見，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入一切出，再投入~再切出地循環(huán)下去。這增加了機組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中。同時，在切換過程和變頻器從啟動到穩(wěn)定的過程中，系統(tǒng)的供水情況是不穩(wěn)定的，實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損</p&g

59、t;<p>　　對于第二個判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結論。所以，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。相應的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質就是增加了回滯環(huán)的應用和判別條件的延時成立。</p><p>　　在恒壓供水中，機組的切換為機組增加與機組減少兩種情況，這兩種情況由于變頻器輸出頻率與供水壓力的不同邏輯關系相對應?？紤]到只有當變頻器

60、的輸出頻率在上下限頻率時才可能發(fā)生切換，并且上限頻率時不可能減泵，下限頻率時不可能增泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進行判別如圖3_7表示</p><p>　　即:如果變頻器的輸出為上限頻率，則只有當實際的供水壓力低于比設定壓力小△P故 的時候才允許進行機組增加:如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當實際的供水壓力高于比設定壓力大△P故 的時候才允許進行機組的減少?；販h(huán)的應用提供了這樣一個保障，即如果切換的判別條件滿

61、足，那就說明此時實際供水壓力在當前機組的運行狀況下滿足不了設定的要求。但這個判別條件的滿足也不能夠完全證明當前確實需要進行機組切換，因為有兩種情況可能使判別條件的成立存在問題:實際供水壓力超調的影響;現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰。</p><p>　　這兩種情況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內滿足，造成判斷上的失誤，引起機組切換的誤操作。這兩種情況有一個共同的特點，即它們維持的時間短，只能夠使

62、機組切換的判別條件在一個瞬間滿足。根據這個特點，在判別條件中加入延時的判斷就顯得尤為必要了。所謂延時判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，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，比如一、兩分鐘，如果在這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。經過上

63、面的討論，將實際的機組切換的實際條件定為：</p><p>　　4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計</p><p><b>　　4.1理論可行性</b></p><p>　　在第二章已對變頻電機的理論和在恒壓供水中所產生的效果進行了理論分析，在第一水廠中，供水壓力長期恒定在0.35一0.4MPa之間，在實際操作中，也經常采用機組切換及閥門掩閥操作。.在

64、理論上，如在第一水廠采用變頻電機實現(xiàn)恒壓供水，對恒定供水壓力確保管網壓力的穩(wěn)定、減少啟動電流、節(jié)約電耗都可以產生積極和效果。</p><p><b>　　4.2技術可行性</b></p><p>　　供水行業(yè)作為特殊行業(yè)，在采用新技術的同時，對技術穩(wěn)定性、可靠性也有較高要求，變頻恒壓供水技術雖然出現(xiàn)時間不長，但20世紀90年代，變頻器大規(guī)模進人中國后，發(fā)展迅速，技術上

65、己逐步成熟.目前國內有90多個品牌的變頻器，產品主要為:來自日本的廠家如三菱、富士、東芝、安川、日立和松下等，歐洲的西門子、ABB、施耐德等。同時也有大量的國產品牌或合資品牌，如深圳的華為、四川的森蘭、成都的佳靈、南京的耐特和煙臺的惠豐等。在低壓(4。ov)小容量(315kw以內)變頻器范圍上，國內產品在性價比和可維護性上己表現(xiàn)出良好的應用前景.在國內的上海、廣東等大量中小型供水廠中，都己采用了低壓變頻供水設施。</p>

66、<p><b>　　4.3硬件設計</b></p><p>　　4.3.1變頻供水主電路設計</p><p>　　供水主電電路設計如圖41，采用了以一臺變頻器連接同時連接Y3巧電機和Y28OS電機。由于變頻恒壓供水改造不需要對電機進行改進，故電路設計中盡可能保持現(xiàn)有的電氣設備，以確保系統(tǒng)的可靠性。要注意的是，因為是一拖二方式，所以必須確保開關 IKM與IK入

67、住電氣聯(lián)鎖，ZKMI與ZKN12電氣聯(lián)鎖。連鎖功能由開關柜自身實現(xiàn)，在變頻器出現(xiàn)問題時，要求可以手工實現(xiàn)工頻、變頻轉換。開關柜KM上設過流保護，開關柜盤面上設電流表、有功電能表、開、停指按鈕等，還應設一個多段LED顯示器，以顯示從變頻器PLC 控制器內取得變頻器運行參數(shù)，并能方便操作人員進行常用變頻器參數(shù)設定。</p><p>　　4.3.2控制系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　變頻器控制

68、電路設計如圖4.2，其中最主要的利用P比 采集壓力信號進行反饋控制。</p><p>　　在硬件設計中，考慮了各種報警信號的處理，液位傳感器用于處于清水池(電機水源)液位信號，當清水池水位過低，就必須報警，必要時PLC 應輸出停機信號關閉運行電機。同樣，考慮到變頻器在送水泵房中長期運行可能造成的溫度過高，可以利用PLC 來判斷溫度報警信號并啟動強制制冷風車，以確保系統(tǒng)的安全運行。此外，在中小供水廠中，普遍缺少大型

69、水廠那種齊全的生產監(jiān)控設備及遠程停機控制設備，應將流量和水質等信號接入PLC 中，以便生產環(huán)節(jié)出現(xiàn)事故時能自動緊急停機，這是不同于小區(qū)和加壓泵站供水的一個重要方面。</p><p><b>　　4.4軟件設計</b></p><p>　　在控制系統(tǒng)中，變頻器通過PLC 通過對電機出廠壓力點處設置的壓力變送器反饋信號，進行單閉環(huán)控制。此外，為了適應供水情況的突發(fā)變化等，

70、在必要時，可以實現(xiàn)手動頻率控制功能。P比 程序設計的主要任務是接受外部開關信號的輸入以及管網的壓力信號和水池水位信號，判斷當前的系統(tǒng)狀態(tài)是否正常，然后執(zhí)行程序，由輸出信號去控制接觸器、繼電器和變頻器等器件，以完成相應的控制任務，除了PID運算，PLC主要控制任務就是輸出頻率的計算和工頻、變頻的切換。在設計時，需要注意的是由于供水系統(tǒng)是一個慣性較大無法突變的系統(tǒng)，不需要過高的響應速度，因而在設計思想上應以查詢方式為主，中斷方式為輔。.&l

71、t;/p><p>　　4.4.1系統(tǒng)初始化程序設計</p><p>　　在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對模擬量(管網壓力、液位等)數(shù)據處理的數(shù)據表進行初始化處理，賦予一定的初值。</p><p>　　4.4.2壓力恒定控制程序設計</p><p>　

72、　在變頻恒壓供水系統(tǒng)壓力控制程序的設計流程如圖43，檢測壓力的大小，信號傳送到PLC，系統(tǒng)首選對數(shù)值進行分析，確認數(shù)據正常后，與壓力設定值進行判斷，如果與設定值相同，則直接進入下一采樣周期，如果不同，則進行PID控制，通過PLC控制變頻器改變頻率參數(shù)，從而實現(xiàn)恒壓供水。在恒壓供水程序設計中，還應考慮到報警問題，通常要設計中斷程序處理信號報警。特別要注意的是，在中小供水廠有條件的情況下，除了通常的液位報警和過載報警等外，還應將流量儀、濁度

73、儀、余氯儀等報警信號接入PLC，從而實現(xiàn)在供水廠出現(xiàn)流量嚴重異?；蛩|事故時可以實現(xiàn)緊急停機。</p><p><b>　　本 章 小 節(jié)</b></p><p>　　本章首先分析了第一水廠的電機和水泵組成、電機和水泵在實際工作中的運行情況。對第一水廠電機進行恒壓變頻改造進行了可行性分析。從經濟上進行了通過采用不同的流量控制方式淺閥和變頻調速)的對比，體現(xiàn)了變頻調速恒

74、壓供水具有的經濟效益優(yōu)勢，在技術上，通過目前變頻技術在國內外的分析及恒壓變頻供水的應用，說明了恒壓變頻供水的技術可行性。本章最后在可行性分析的基礎上，對第一水廠變頻恒壓供水改造進行了系統(tǒng)設計，包括供水主電路的改造設計、電機啟動流程的設計和PLC恒壓供水控制的設計為第一水廠恒壓變頻供水改造工程打下基礎。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>

75、;　?。?］王兆義．可編程控制器原理及應用［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1993．［2］李世基．微機與可編程控制器［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2001．［3］西門子SIMATIC S7-200可編程控制器操作與編程指南［S］．重慶鋼鐵設計研究所，1998．［4］SIMATICS7－200編程手冊［S］．常州機床電器廠，1997． </p><p>　　[5] 謝仕宏. 恒壓供水軟啟動節(jié)能控制系統(tǒng)設計[J

76、].中國給排水，2004.</p><p>　　[6] 張建奇.數(shù)字PID變頻調速在PLC恒壓供水系統(tǒng)中的應用[J].微計算機信息，2002</p><p>　　[7] 陳建洪.PID控制程序在恒壓供水系統(tǒng)中的應用[J].龍巖師專學報，2004</p><p>　　[8] 屈有安.變頻器PID恒壓供水系統(tǒng)[J].江蘇電器，2002.</p>&l

77、t;p>　　[9] 嚴盈富.恒壓供水系統(tǒng)的控制與仿真[J].南昌航空工業(yè)學院學報 </p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在本次設計中，我要真誠的感謝范興隆老師給予我的指導，在設計過程范興隆老師嚴格督促我的畢業(yè)設計速度，及時的幫我解決我在設計中遇到的各種問題和困難，在設計中一直對我嚴格要求，在整個畢業(yè)設計過程中都給我

78、耐心的指導和講解，并主動為我提供各種相關技術資料，在范老師的幫助和指導下我順利完成了本次畢業(yè)設計，也讓我在這次畢業(yè)設計中受益匪淺，在此謹向范興隆老師致以深切的謝意！同時向在我畢業(yè)設計中給予了我?guī)椭耐瑢W們表示誠摯的感謝！</p><p>　　在這次畢業(yè)設計中我同樣還得到了電氣工程系其他眾多老師的幫助和指導，各位老師在工作中上的一絲不茍得精神和踏實的生活態(tài)度，更是我值得學習的地方。</p><p