恒壓供水控制系統(tǒng)

1、第一章緒論1.1 課題的的產(chǎn)生及其研究意義水是萬物之源，在現(xiàn)實生產(chǎn)生活中不可或缺。在我國水資源和電能短缺的客觀現(xiàn)狀下，節(jié)水節(jié)能就成為了當(dāng)前迫切需要進(jìn)行推廣的。但是，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)用水等幾個方面和供水技術(shù)一直比較落后且自動化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期水的供給量常常低于需求量，水壓降低無法正常供水，但在用水低谷期水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供水供過于求的現(xiàn)象。這樣不僅造成水資源及電能的浪費，同時水壓過高有可能導(dǎo)致輸水管爆裂和用水設(shè)備的損壞。在這樣的歷史背景下，恒壓供水控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。1.2 恒壓供水控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究概況恒壓供水控制系統(tǒng)是在變頻調(diào)速技

2、術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器（丹佛斯是傳動產(chǎn)品全球五大核心供應(yīng)商之一）后，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化

3、程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水控制功能的變頻器，像瑞士的ABB集團(tuán)推出了HVA嘎頻技術(shù)，法國的施耐德公司推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式?？刂扑玫霓D(zhuǎn)速。對于水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采目前國內(nèi)有不少在做變頻恒壓供水工程的公司，大多采用國外品牌的變頻器用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)；有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都

4、希望集團(tuán)也推出了恒壓供水專用變頻器(2.2kw-30kw),無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(huán)(丹麥丹佛斯公司的VLT系列變頻器可實現(xiàn)七臺水泵機(jī)組的切換)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所?？梢钥闯觯壳霸趪鴥?nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其

5、能被更好的應(yīng)用于居民生活、工業(yè)生產(chǎn)中。采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟起動，電機(jī)起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對于電機(jī)的機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以水管進(jìn)口壓力保持恒定為條件，實際上給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。因此這種調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài)。變頻調(diào)速優(yōu)于以往的調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速等調(diào)速方法，其是當(dāng)今國際上一項效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù).它采用微機(jī)控制技術(shù)；電力電子技術(shù)和電機(jī)

6、傳動技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)交流電動機(jī)的無級調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點。1.3PLC 變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點及可行性分析通常變頻恒業(yè)供水存在以下6個特點特點：1、節(jié)能，可以實現(xiàn)節(jié)點20%-40%，能實現(xiàn)綠色用電；2、占地面積小，投入少，效率高；3、配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠；4、運行合理，系統(tǒng)的軟起和軟停，不但消除水錘效應(yīng)，而且縮短電機(jī)軸上的平均扭矩和減少磨損，減少了維修量和維修費用，并且延長水泵的壽命；5、由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式

7、的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭；6、通過通信控制，可以實現(xiàn)無人值守，節(jié)約了人力物力。第二章恒壓供水控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點傳統(tǒng)的供水方式普遍存在不同程度水力、電力資源的浪費；供水系統(tǒng)效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中用水。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(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機(jī)時能減

8、少電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減少水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗。變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點:(1)變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如：溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。(2)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。由于用戶管網(wǎng)中有管阻、水錘等因素的存在，同時又水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成線性變化。(3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)面向各種各樣的供水系統(tǒng)具有廣泛的通用性，而

9、不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強(qiáng)的多變性。(4)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。由于系統(tǒng)中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運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化。(5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。2.2 系統(tǒng)原理及電氣控制要求圖2.1系統(tǒng)原理結(jié)

10、構(gòu)框圖如圖2.1,整個系統(tǒng)由電機(jī)泵組（3臺）、一臺變頻調(diào)速器、一臺PLC30酥口一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺水泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器（反饋05V電壓信號）或壓力變送器（反饋420mA；變頻器是恒壓供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機(jī)的頻率實現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速、波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。圖2.2變頻恒壓供水構(gòu)成圖從原理框圖2.2,我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、以及報警裝置等部分組成。（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用

11、于將水供入用戶管網(wǎng).通常這些水泵包括變量泵：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。定量泵：水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時，對供水量進(jìn)行定量的補充.（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(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制系統(tǒng)的主要反饋信號。報警信號：它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。（3）控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水系統(tǒng)柜中，包括供水控制器（PLC系統(tǒng)）、變頻器和電控設(shè)備

12、三個部分。供水控制器：它是整個變頻恒壓控制系統(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(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即水泵）進(jìn)行控制。變頻器：它是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。電控設(shè)備：它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)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等。（4）人機(jī)界面人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場所。通過人機(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。（5）通訊接口通訊接口是

13、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(jìn)行數(shù)據(jù)交換（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)能適用于不同的供水領(lǐng)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(jī)過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量實時反饋，由PLC判斷報警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失。2.3系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)主電路圖如下:圖2.3主電路圖由圖2.3可以看出，合上空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)投入運行。PLC中程序首先接通KM6并起動變頻器。根據(jù)壓力設(shè)定值（根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定）

14、與壓力實際值（來自于壓力傳感器）的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預(yù)先設(shè)定好的加速時間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實現(xiàn)恒壓控制。同時變頻器在運行頻率器的運行頻率是否到達(dá)信號，由程序判斷是否要起動第2臺泵（或第3臺泵）。當(dāng)變頻器運行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時間，則PLC會將當(dāng)前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速起動下一臺泵變頻運行。此時PID會繼續(xù)通過由遠(yuǎn)傳壓力表送來的檢測信號進(jìn)行分析、計算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運行頻率，使管壓設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。增泵工作過程：假定增泵順序為1、2、3泵。開始時，1泵電機(jī)在PLC控制下線投入調(diào)速運行，其運行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力設(shè)定時變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運行后，如果供水壓力仍沒達(dá)到設(shè)定值，則需進(jìn)入增泵過程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開關(guān)斷開，1泵電機(jī)切換到工頻運行，同時變頻器與2泵電機(jī)連接，控制2泵投入調(diào)速運行。如果還沒有達(dá)到設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運行，控制3泵投入變頻運行。減泵工作過程：假定