城市小区恒压供水系统学士学位论文

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1、毕业设计 题 目 城市小区恒压供水系统 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 学 院 答辩日期 92 毕业设计摘要我国人口众多，每年所消耗的能量巨大。近年来，能源紧张影响到工业生产及人民生活。因此，节能降耗是保证工业和生活稳定发展的一项关键措施。然而，长期以来，由于我国自动化程度低，用水行业的技术水平相对比较落后，经常导致用水高峰期用户用水的不稳定，例如水压较低，供水量低于需求量。因此针对小区居民的日常用水问题，设计了一套基于PLC控制的变频调速恒压供水系统。此变频调速恒压供水系统由PLC、变频器、压力变送器等组成，由一台变频器实现对三台水泵电机的软启动和变频调速，三台泵电机采用变频和工频循环

2、运行方式，运行切换采用“先启先停”的原则。使用STEP7 Micro/WIN编程软件，设计了一个用于供水系统压力控制的控制器内置在PLC中，对压力给定值与测量值的偏差进行处理，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速和水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近，并且利用组态软件设计了系统的用户管理和监控界面。关键词：变频调速；恒压供水；可编程控制器 AbstractFor the numerous population, much energy is consumed every year in our countryIn recent years, s

3、hortage of source have affected the industrial production and peoples life.Therefore, energy saving and reduce the consumption is a crucial measure to guarantee industry and lifes stable development.However,since automation level is low ,for a long time,our country falls behind with the technical ho

4、rizon comparison with water profession, users often appears with the instability of water in using water peak-hour,such as hydraulic pressure is low and the supply of water is measured below demand. According to the problem in using water designed a variable frequency speed-regulating constant press

5、ure water-supply system with PLC .The water supply system consists of PLC,frequency converter and pressure transmitter etc.A frequency converter to realize three phase pump generators soft start and frequency control, three pump generators to comprise the circulating run mode of frequency conversion

6、, operation switch adopts to the principle ofstart first stop first.using STEP7 Micro/WIN program software designed a control system with PLC .The control system can compare the measured pressure with the advanced pressure , to control the real-time output Voltage and frequency.the output quality of

7、 pump is changed along with the changing of pumps speed.It makes the pressure of pipe self-regulating and steady in the scheduled value,and have designed a operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition.Key Words：variable frequency speed-regulating；constant pressure wa

8、ter-supply；programmable logical controller 目录第一章 绪论11.1 变频恒压供水系统研究的技术背景和设计依据11.2 变频恒压供水系统国内外的研究现状及发展趋势21.3 可编程控制器简介31.4 本文研究的主要内容6第二章 变频恒压供水系统分析72.1 供水系统的基本特性和方式72.2 常用调速方式及变频调速原理92.3 变频调速技术112.4 水泵调速运行的节能原理122.5 变频恒压供水的特点分析13第三章 基于变频调速的恒压供水系统设计153.1 变频调速恒压供水系统要完成的主要功能153.2 变频调速恒压供水系统的控制方案及选择153.3 变

9、频调速恒压供水系统的构成173.4 变频调速恒压供水系统工作原理193.5 变频至工频的同步切换203.6 变频调速恒压供水系统运行分析21第四章 系统硬件设计224.1 变频器的选择224.1.1 MM440型变频器性能特点及技术指标234.1.2 MM440型变频器的主要作用244.1.3 MM440型变频器的电路结构254.1.4 MM440型变频器的参数设定和调试264.2 水泵的选择274.3 其他相关设备的选择294.3.1 变送器的选择294.3.2 接触器的选择304.3.3 软启动器的选择314.3.4 主令电器的选择324.4 系统电路设计334.4.1 主电路设计334.

10、4.2 控制电路设计344.5 PLC I/O分配364.6 PLC的选型384.7 变频器与PLC的连接404.8 系统硬件连接图41第五章 系统软件设计425.1 总体流程图设计425.1.1 手动运行流程图设计425.1.2 自动运行流程图设计435.2 各个模块梯形图设计485.2.1 软元件设置485.2.2 手动控制程序设计495.2.3 自动控制程序设计515.2.4 初始化程序设计575.2.5 报警程序设计605.3 系统的测试与运行分析615.3.1 系统手动运行测试615.3.2 系统自动运行测试61第六章 基于组态王的恒压供水系统监控设计636.1 组态王简介636.2

11、 组态王系统设计636.2.1 组态王系统设计步骤636.2.2 组态王系统设计过程64第七章 总结68参考文献69外文原文71外文翻译83致谢92毕业设计第一章 绪论1.1 变频恒压供水系统研究的技术背景和设计依据水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度较低。在通常的城市小区供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供

12、水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能源的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，频繁启/停电机控制产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿

13、命；水塔二次供水调节的方式则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质量的安全与可靠性。因此，保持管网的水压恒定可以使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。而寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰人们的一个长期问题。因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案是各供水企业关心的焦点问题之一。变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约

14、能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。所以研究设计基于变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。为了尽可能地满足城市生产和人们日常生活供水需要，如何做好供水设备的维护和管理并有效解决电能消耗问题成了必须解决好的关键问题。1.2 变频恒压供水系统国内外的研究现状及发展趋势近年来，交流调速中最活跃、发展最快

15、的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主要内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。但长期以来，交流电的频率却一直固定而不能受人为控制，变频调速技术的出现使频率变成可以利用的资源。现在，我国已有很多的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的研究开发工作。但自行开发生产的变频调速产品和国际上的同类产品相比还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，变频调速己形成了一个巨大的市场。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器 (PLC)实现；有的采用单片

16、机及相应的软件实现。这两种控制方案，从可靠性方面讲，PLC优于单片机，从经济性方面看，单片机优于PLC。在变频与工频电源的切换技术上，多数采用主电路串接软起动器的方法进行降压起动，也有采用切换时封锁变频器的控制脉冲，使变频器输出为零，切换到工频电源上。这两种方法中，采用主电路串接软起动器的方法进行降压起动容易实现，软起动器一般为成品部件，但设备投资较大；后者采用切换时封锁变频器的控制脉冲设备投资少，但频率波动大，易引起水管管网压力不稳定。国外生产的变频器多为通用型且单机控制即一台变频器拖动一台电机，功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在中、

17、大容量的变频恒压供水系统中，为了满足供水量大小需求不同时，保证水管管网压力恒定，需在变频器外部提供压力闭环调节；多台水泵的循环控制需外部提供逻辑控制；在变频与工频电源的切换技术上，大多采用主电路串接软启动器降压启动的方法。八十年代中期进入中国市场的日本Samco公司，推出了独有的恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只需要搭载配套的恒压供水单元，便可以直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机泵的供水系统。该设备简化了电路结构和实际工作量，

18、提高了系统的可靠性，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，并且限制了带负载的容量，因此适用范围受到限制。除此之外，针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家也来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN公司的SAMCO-I系列产品；富士公司的G11S/P11S系列产品；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品等等。1.3 可编程控制器简介可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综

19、合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求,再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，并且开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。早期的可编程序控制器(Pr

20、ogrammable Logic Controller，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及其良好的工作环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。具体有以下特点：1)可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2)具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提

21、高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。3)采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4)编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5)安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置

22、，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等可编程控制器PC或PLC是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过

23、程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取自于I/O映像区，而不直接与外部设备发生关系。当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。当处于运行工作模式时，PLC要进行内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作，如下图所示：图1-1 PLC工作流程在运行模式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程

24、序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC断电或切换至STOP工作模式。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信服务等工作。当PLC运行时，一次循环可分为五个阶段：内部处理、通信服务、输入处理、程序处理和输出处理。PLC的这种周而复始地工作方式称为扫描工作方式。当然，由于PLC执行指令的速度极快，所以从输入与输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的，但严格地说，它们是具有时间差异的。1、内部处理阶段在内部处理阶段，PLC检查CPU内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其他内部工作。2、通信服务阶段在通信服务阶段，PLC与其他的设备通信，响应编程器键入

25、的命令，更新编程器的显示内容。当PLC处于停止模式时，只执行以上两个操作；当PLC处于运行模式时，还要完成另外三个阶段的操作。3、输入处理阶段输入处理又叫输入采样。在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态。它们分别称为输入映像区和输出映像区。PLC的其他元件如M等也有对应的映像存储区，统称为元件映像寄存器。外部输入信号电路接通时，对应的输入映像区中的位为ON状态，则梯形图中对应的输入继电器的触点动作，即常开触点接通，常闭触点断开。外部输入信号电路断开时，对应的输入映像区中的位为OFF状态，则梯形图中对应的输入继电器的触点保持原状态，即常开触点断开，常闭触点闭合。在输入

26、处理阶段，PLC顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入到输入映像区中。此时，输入映像区中的状态被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序处理时，输入映像区与外界隔离，此时即使有输入信号发生变化，其映像区的各位的内容也不会发生改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。4、程序处理阶段根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右、先上后下的顺序，逐行逐句扫描，执行程序。但若遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当用户程序涉及输入/输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读取上一阶段输入处理时对应输入继电器的状态，从输出映像寄存器中读取对应输出继电器的状态，根据用户程

27、序进行逻辑运算，运算的结果存入有关元件寄存器中。因此，输出映像区中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。5、输出处理阶段在输出处理阶段，CPU将输出映像区中的每位的状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈接通时，对应的输出映像区中的位为ON状态。信号经输出单元隔离和功率放大后，继电器型输出单元中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器的线圈断开，对应的输出映像区中的位为OFF状态，在输出处理阶段之后，继电器输出单元中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断开。可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样

28、阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。1.4 本文研究的主要内容通过前面对供水技术现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国已成为供水行业发展的主流趋势。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器(PLC)、人机界面(HMI)、各种传感器和变送器等组成。本文将从供水系统的基本特性和方式入手，探讨变频恒压供水技术的性能和特点，使系统的稳定性和节能效果得到进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速。主要内容如下：1、对水泵电机的调速原理进行分析。根据供水特点，分析供水系统对电气调速的要求。设计一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统。2、重点阐述变频调速恒压供水系统的构成及其

29、工作原理。即系统由一台变频器拖动三台水泵变频启动运行，由PLC控制切换，由压力传感器检测管网压力，根据压力给定值与压力测量值的偏差进行处理，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，适应用户用水量改变的需求，保持管网压力恒定。3、进行变频恒压供水系统的硬件（包括系统主回路和控制回路）设计、PLC程序（包括系统各个模块的程序）的设计、变频器功能预置等。4、利用组态软件设计良好的恒压供水系统的用户监控和管理界面。5、分析提恒压供水变频调速控制系统存在的变频至工频转换和三台电机在运行过程中的电气互锁和自锁问题，并提出了可能的解决方法，使变频

30、恒压供水系统应用于实践中达到真正的节能效果。第二章 变频恒压供水系统分析2.1 供水系统的基本特性和方式长期以来，我国的用电、用水行业的技术水平相对比较落后，自动化程度低，节能节水具有较大的发展空间。如供水系统，由于用户用水的不稳定性，经常出现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低、水供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高、水供过于求的情况，不仅白白造成电能的浪费，有时还造成水管破裂和用水设备损坏等情况。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。以下对各种供水方式的优缺点进行讨论。（1）恒速泵供水恒

31、速泵供水即水泵电机的转速恒定，通过改变阀门的开度及投入运行的泵的数量来适应用户用水量的改变需求。水泵机组全部或部份不间断运行，通过人工调节运行机组数量和调节出口阀门开度，从而调节管网压力。这种方式过去较多使用，但自动化程度低，压力变化大，水泵电机启动频繁，电力消耗大，能量大量损失在阀门和调节阀上。且频繁启停将影响设备使用寿命及电网电压。因此这种方法已逐渐被淘汰。（2）高位水箱供水此种方法利用水泵工作时将水位提高到高于用户位置，储存水源，利用水源自身重量形成重力供水，但需要修建水塔、水箱、水池等，这种方式占用空间大、建址地势高、修建周期长、建筑投资大，后期维护、管理工作量较大。且高位水箱供水还存

32、在以下问题：供水压力由水位重力形成，当用户发生变化时，管道阻力也会发生变化。如用水量增多时，管道阻力减小，用水量减小时，管道阻力增加，因此这种方法不能保证恒压供水，用户在不同用水段得到的用水质量不同，在用水高峰期将有可能得到的水流量较小。水箱容易受到二次污染。由于高楼的承重有限，水箱容积受到限制，储水量受到限制。当出现火灾等意外情况时，靠水箱储水灭火远远不够。此种方法安全可靠，技术较简单，在过去的高楼供水中广泛采用，但由于存在以上种种问题，已逐渐被其他方式所取代。（3）气压罐供水气压罐供水是用水罐储存水源，用户用水时，通过压缩空气使水进入用户管道，随着罐内水的减小，压力也会降低。气压供水技术简

33、单，不受高度限制，近年来已在高层建筑中广泛采用。但其体积大，实际应用中受场地限制，且电机启动频繁，对设备要求较高。另外这种方式制造成本高、投资大，电力消耗较大。因此一般常用于增压及稳压设施。然而在一些小区生产用水和生活用水都非常大，并且生活用水具有非常明显的时段性。为了解决大量人口的住房问题，近年来不断新建小高层住宅，且由于有些地区地势相差较大，部分地势较高的小区及小高层用户的用水问题突出。（4）变频调速供水方式其工作原理是：通过安装在系统中的压力变送器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出来无级调节水泵转速，使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。细分起来又

34、有如下3种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。1)出口恒压控制水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中始终保持出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小的情况，即整个给水系统的压力可以看作是恒定的。当在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路损耗较大，在低峰用水时，容易造成最不利点的流出水头高于设计值，不能得到最佳的节能效果。2)出口变压控制在这种供水方式中，也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不只有一个而是多个，即按用水曲线将每日24小时分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段

35、恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。它比水泵出口恒压控制方式更能节能，其节能效果取决于将全天24小时分成的时段数以及所需水泵出口压力值的精确程度。水泵出口压力计算得越符合实际情况就越节能，将全天分得越细也越节能，当然实现起来也越复杂。3)最不利点恒压控制最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处，使系统在运行过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。变频调速方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐供水方式依靠压力罐中的压缩空气送水。当气压罐配套水泵运行时，水

36、泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。加上水泵是工频启动，且启动频繁，又会造成一定的电能损耗。相比之下，变频恒压供水能在系统用水量下降时无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流小，启动能耗也比较小。另外气压罐供水需要配备一定量的钢罐，气压罐体积一般比较大，占地面积达几十平方米。在变频调速方式中，调速装置占地面积仅有几平方米，相比气压罐供水方式将节省大量占地面积。从运行效果上看，气压罐方式与调速式相比也存在着一定的差距。气压罐方式运行不太稳定，突出表现

37、在频繁启动时。由于气压罐的调节容量仅占其总容积的l/3l/6，因而每个罐的调节能力很小，只能依靠频繁的启动来保证供水稳定性，这不仅将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，常常造成供水压力不稳。由于是硬启动，电气和机械冲击也较大，设备损坏很快。变频调速式的运行则十分稳定可靠。没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，由于是经水泵加压后直接送往用户的，防止了水质的二次污染，保证了饮水水质质量。通过上述比较可以看出，变频调速式供水系统具有节约能源、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，因而具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益

38、。2.2 常用调速方式及变频调速原理变频恒压供水系统主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成，通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵来供水，并且把电机和水泵做成一体。变频供水系统是通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的异步电机的转差率定义为： (2.1)异步电机的同步速度为： (2.2)异步电机的转速为： (2.3)式中：异步电机的理想空载转速异步电机转子转速异步电机的定子供电电源频率异步电机的极对数转差率由(2.3)式可知，当极对数不变时，电机转子转速与定子

39、电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。（1）变级对数调速在电源频率一定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。可以通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数。以电动机一相绕组为例，只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数。如果使=1，2，3等，就可以得到=3000、1500、1000r/min等不同的同步转速，从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器。（2）变频调速变频

40、调速是将电网工频交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率可以平滑地调节同步转速，相应地也就改变了转子转速，而转差率可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行会受到影响。如果电压不变，频率增加时，磁通量将减少，电动机转矩会下降，严重时会使电机堵转；而当频率降低时，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许出现的情况。因此，在实用上，要求在调频的同时，也改变定子电压，以保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。实现调频调压的电路有两种：交直一交变频器和交一交变频器1)交一直一交变

41、频器它由三个环节组成：可控硅整流电路，其作用是将电压、定频率的交流电变为电压可调的直流电；可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电；滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。在交一直一交变频器中，根据滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变频器。近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型(简称PWM)变频器技术获得了飞速的发展。PWM变频器也有电压型和电流型两种，目前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。它不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。2)交

42、一交变频器它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过变频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。交一交变频器由于直接交换，减少了换流电路，损耗少，效率高，波型好，但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。利用变频技术对水泵电动机进行调速，可以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。（3）可控硅串级调速它是把异步电动机转子电势经过整流逆变后回馈给电网，回收功率就是转差功率。当改变逆变角时，逆变电势、转差功率、转差率都将随之改变，从而达到调速的目的。电动机运行时经气隙传送到转子的电磁功率，一部分成为机械功率(即(1一)，另一部分则成为转差功率。

43、电动机正常运行时，转差率很小，转差功率也很小，转差功率在转子回路中以热的形式损耗掉。但在调速时，随着转速的降低，转差率升高，转差功率也直线上升。可控硅串级调速就是把这部分功率取出来，然后回送到电网，从而大大提高电动机低速运行时的效率。串级凋速的最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好。但是由于调速线路过于复杂，且还需要增加一台与电动机相匹配的变压器，增加了中间环节的电能损耗，带来了成本高、占水泵房面积大等缺点因而影响它的推广使用。目前，国内大都使用交直交变频器。其特点如下：（1） 效率高 ，调速过程中没有附加损耗。（2） 应用范围广，可用于鼠笼型异步电动机。（3） 调速范围广，

44、特性硬，精度高。（4） 技术复杂，造价高，维护检修困难。（5） 本方法适用于要求精度高，调速性能较好的场合。变频调速技术在国民经济和日常生活中有很重要的地位：（1） 应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术。（2） 是节约能源的高新技术。（3） 是国际上技术更新换代最快的领域。（4） 是高科技领域的综合性技术。（5） 是替代进口，节约投资的最大领域之一。2.3 变频调速技术变频调速在驱动水泵电动机组中具有良好的节能降耗功效，其节电率很高，因为采用变频调速可通过变频改变驱动电动机速度来改变水泵出口流量。由于流量与转速成正比，而电动机的消耗功率与转速的立方成正比，因此当需水量降低时，电动机

45、转速降低，水泵出口流量减少，电动机的消耗功率大幅度下降，从而达到节约能源的目的。几年内就能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来，又由于其具有调速精度高，功率因数高等特点，使用它可以提高出水质量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。因此利用PLC与交流电机变频调速技术对管网供水进行自动控制，近几年在国内得到了极大发展。变频恒压供水系统是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构

46、，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。目前国内也有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用PLC及相应的软件实现；有的采用单片机及相应的软件实现。在变频与工频电源的切换技术上，多数采用主电路串接软启动器的方法进行降压起动，也有采用切换时封锁变频器的控制脉冲使变频器输出为零，切换到工频电源上。系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了

47、恒压供水专用变频器(5.5kw22kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通信技术的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，对于我国现有的技术水平应该在变频调速及恒压供水系统的性能方面有待于进一步研究改善，使其能够被更好的应用于我们的生活、生产实践。2.4 水

48、泵调速运行的节能原理在供水系统中，通常以流量为控制目标，常用的控制方法有阀门控制法和转速控制法两种。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量。因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变。这种控制方法是通过改变水的动能来改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制，其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的

49、转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时可以通过增大变频器输出频率来控制电机加速，用水量减小时通过减小变频器输出频率来使电机减速。 水泵调速的原理就是通过改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。2.5 变频恒压供水的特点分析变频恒压供水系统能适应生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合，与传统供水方式相比，变频恒压供水系统的优点突出体现在以下几个方面口：（1）高效节能恒压供水技术因为采用变频器改变电动机的供电频率，从而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，相对于阀门调节控制水泵出口压力的方式来说，具有降低管道阻力、大大减少截流损失的效应。同

50、时，由于变量泵工作在变频电源下，其运行过程中的转速是由外界供水量决定的，故系统在运行过程中可节约大量的电能，经济效益十分明显。由于其节能效果明显，所以系统投资成本可在短期内收回，并能长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大的。（2）恒压供水变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。（3）安全卫生系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。（4）自动运行、管理简便小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠

51、压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行。（5）延长设备寿命、保护电网稳定使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且各泵定时轮换控制功能自动定时轮换泵运行，保证各泵磨损，延长了机泵的使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。（6）占地少、投资回收期短小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。另外不用水塔或水池

52、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短。而以供水压力为主要控制对象的变频供水控制系统则具有以下特性：（1）滞后性：供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如：温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。（2）非线性：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。（3）多变性：变频调速恒压供水系统要具

53、有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统。而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。（4）时变性：在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。（5）容错性：当出现意外的情况，例如突然断电或水泵、变频器、软启动器等出现故障时，系统能根据泵、变频器或软启动器的状态、电网状况及水源水位以及管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故

54、障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。第三章 基于变频调速的恒压供水系统设计3.1 变频调速恒压供水系统要完成的主要功能1、系统运行方式分为手动、全自动两种。这两种方式可以由一个按钮操作，自动方式和手动方式。在手动方式下，可以对控制水泵中的任意一台进行启动和关闭操作，该方式主要用于系统设计初期的测试，方便在任一时期的检修，以及紧急情况下的水泵控制。而整个系统本身正常状态下的运行主要采用全自动方式，使供水系统高度自动化，这也是系统开发的目标之一。在全自动方式下，按下启动按钮，系统就能自动赋初值，根据用水量的变化自动调节水泵转速和运行台数，确定每台水泵电动机的具体工作状态，使系统达到最优配置。2

55、、要对管网水压进行实时数据采样，信号经A/D转换后送PLC，从而实现对管网压力的闭环控制。采样点选择在水泵的出口管道处。3、变频器应该能够对水泵电动机组进行变频器过载、失速、过电流、过电压、欠电压、输入缺相、电动机过载、变频器过热变频器内散热板过热及其它一些常规保护。变频器只对当前工作在变频态的水泵电动机组负责。4、对变频器的运行情况、水泵电动机组的转速、管网压力都要进行监控，对于危险情况要设置报警信号，并自动做出反应。5、有友好的人机界面，要能够完成人机交流，可以对系统的运行状况进行监控，可以通过监控软件改变初值、参数等。6、应该做到系统无故障运行时，基本上可以做到无人自动恒压变频无级别调速

56、运行。3.2 变频调速恒压供水系统的控制方案及选择变频恒压系统主要由压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统设计的主要任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定、水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要进行运行数据传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，一共有以下几种方案可供选择：（1）有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。该方法虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但是

57、压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求。在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。（2）通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长；程序一旦固化，修改较为麻烦，现场调试的灵活性差；变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频

58、恒压供水中。（3）通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力变送器这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其它的系统进行数据交换：通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此，该系统适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。通过对以上几种方案的分析和比较，可以看出“变频器主电路+PLC(包括变

59、频控制、调节器控制)+人机界面+压力变送器”的控制方式更适合于实际应用。该控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。供水系统的恒压通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电动机转速来实现恒压。为了减少对水泵电动机组、管道所产生的水锤，水泵电动机组配置电动阀，开启水泵后打开电动阀，当水泵停止时先关电动阀后停机。为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。综上所述，控制系统是整个系统的核心部分，主要由PLC、变频器、水泵电动机组、压力变送器和上位监控计算机组成。则变频调速系统的原理图如图3-1所示

60、：图3-1 系统原理框图3.3 变频调速恒压供水系统的构成本设计的供水系统主要适合于小区的供水，即供水控制系统的结构总的来讲包括两个部分：一个是机械机构部分；另一部分就是电气控制系统。其中系统的机械部分主要是供水系统管网系统，它构成了一个立体的管道网络，设计相对简单，其中设备、结构组成都比较固定，是实现控制功能的前提和基础，而电气控制系统是整个恒压供水系统的核心部分，它包括如下组成部分。从系统组成来讲，恒压供水系统可由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。1、执行机构执行机构由一组水泵组成，用于将水供入用户管网。（1）调速泵：由变频调速器控制，用以根据用水量的

61、变化改变电机的转速，以维持管网水压恒定。（2）恒速泵：水泵只运行在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。当水泵采用循环控制方式时，M1，M2，M3既可以做调速泵，也可以做恒速泵。在变频调速恒压供水系统中，之所以这样构成水泵机组，是有以下几个原因：1)用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵，使水泵选型容易，同时这种结构更适合于大功率的供水系统。2)供水系统的增容和减容容易，无需更换水泵，只要再增加恒速泵即可。3)以小功率的变频器代替大功率的变频调速器，以降低系统成本，增加系统运行可靠性。使系统在用水量很低时(如夜间)可以停止其他两台泵，用一

62、台泵进行补水，降低系统的运行噪音。在用水量不太大时，系统中不是所有的水泵都在运行，既可以提高水泵的运行寿命，也可以降低系统的功耗，以达到节能的目的。2、信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号：（1）水压信号：它反映的是用户管网的水压值，是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为了加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测结果可以送给PLC，作为数字量输入。（2）液位信号：它反映水泵的进水水源是否充足。当水源不足时，控制系统要启动保护机制，以防止水泵抽空而损坏电机和水泵。此信号来自安装

63、于水源处的液位变送器。（3）报警信号：它反映系统是否正常运行，例如水泵电机是否过载、变频器是否有异常等。3、控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。（1）供水控制器：它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。（2）变频器：它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式：1)变频循环式：变频器拖动某一台水泵作为调速泵；如果当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍然不能达到用水要求，供水控制系统就先将变频器从该水泵电机中脱出，并将其切换为工频，然后去变频拖动另一台水泵电机。2)电控设备：它由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成，用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换以及就地/集中等工作。4、人机界面人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以