基于PLC的水廠變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計論文

1、 PAGE69 / NUMPAGES77畢業(yè)設計基于PLC的水廠變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計Waterworks Frequency Control of motor speed constant pressure water supply system design Based on PLC學院計算機與電子信息專業(yè) 測控技術與儀器 班級 測控07-1班畢 業(yè) 設 計 任務書院（系）：計算機與電子信息學院 專業(yè)測控技術與儀器 一、畢業(yè)設計課題基于PLC的水廠變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計二、畢業(yè)設計工作自2011年3月21日起至2011年6月20日止三、畢業(yè)設計進行地點測控專業(yè)實驗室 四、畢業(yè)設計的容

2、要求：(1)到河東水廠進行實習調研，明確其供水狀況和變頻調速恒壓自動控制供水監(jiān)控要求; (2)學習可編程序控制器(PLC)與組態(tài)王監(jiān)控軟件; (3)設計基于“組態(tài)王”的泵站監(jiān)測系統(tǒng); (4)設計以西門子S7-200為下位機的泵站控制系統(tǒng)； (5)系統(tǒng)仿真調試; (6)編寫畢業(yè)設計說明書; (7) 查閱20篇以上參考文獻，其中外文文獻不少于5篇并翻譯1篇。完成1篇不少于2萬字的畢業(yè)設計報告，報告要寫作規(guī)、容正確、條理分明、語言流暢、結構嚴謹。圖紙、實驗數據各種標準資料的運用和引用符合學校和學科 ( 專業(yè) ) 國家標準規(guī)定。 接受畢業(yè)設計任務開始執(zhí)行日期2011年 3月 21 日學生簽名:摘 要隨

3、社會經濟的迅速發(fā)展，人們對供水質量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。本設計是針對居民生活用水而設計的。在對河東水廠進行調研，對工業(yè)控制計算機可編程序控制器與組態(tài)王監(jiān)控軟件基本性能特點進行充分分析和研究的基礎上，本文提出西門子S7-200系列作為下位機的方案。由變頻器、PLC與PID調節(jié)器組成控制系統(tǒng)來調節(jié)水泵的輸出流量。電動機泵組由三臺水泵和一臺輔助泵并聯(lián)而成，由變頻器或工頻電網供電，根據供水系統(tǒng)出口水壓和流量來控制變頻器電動機泵組之間的切換與速度，使系統(tǒng)運行在最合理的狀態(tài)，保證按需供水。上位機本文采用“組態(tài)王”為監(jiān)控軟件。調試和仿真運行表明，該系統(tǒng)能夠對供水過程進行自動控制，能夠有效地降低能耗

4、，保證了供水系統(tǒng)維持在最佳運行狀況，提高生產管理水平。該監(jiān)控系統(tǒng)安裝維護方便，運行穩(wěn)定可靠;監(jiān)控軟件功能齊全，人機界面友好，使用方便。關鍵字：PLC、變頻調速、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變頻調速恒壓供水系統(tǒng)產生的背景與其研究意義 PAGEREF _

10、Toc295712563 h 1HYPERLINK l _Toc295712564變頻調速恒壓供水技術簡介 PAGEREF _Toc295712564 h 2HYPERLINK l _Toc2957125651.1.1 國外變頻恒壓供水的現狀 PAGEREF _Toc295712565 h 2HYPERLINK l _Toc2957125661.1.2 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的特點和應用圍 PAGEREF _Toc295712566 h 3HYPERLINK l _Toc2957125671.2.3變頻恒壓供水的發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc295712567 h 4HYPERLINK l

11、_Toc2957125681.3課題來源與本文研究的主要容 PAGEREF _Toc295712568 h 4HYPERLINK l _Toc295712569第二章變頻調速恒壓供水系統(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 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水泵的工作點確定 PAGEREF _Toc295712573 h 8HYPERLINK l _Toc2957125742.1.4水泵的工作點調節(jié) PAGEREF _Toc295712574 h 9HYPERLINK l _Toc2957125752.3三相異步電動機的調速 PAGEREF _Toc295712575 h 11HYPERLINK l _Toc2957125762.3.1 異步電動機調速原理 PAGEREF _Toc295712576 h 11HYPERLINK l _Toc2957125772.

13、3.2 調速方法 PAGEREF _Toc295712577 h 11HYPERLINK l _Toc2957125782.4 本章總結 PAGEREF _Toc295712578 h 13HYPERLINK l _Toc295712579第三章變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計 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)方案設計 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變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的控制流程 PAGEREF _Toc295712584 h 18HYPERLINK l _Toc2957125853.2.4變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析 PAGEREF _Toc295712585 h 19HYPERLINK l

15、_Toc2957125863.3 本章小結 PAGEREF _Toc295712586 h 22HYPERLINK l _Toc295712587第四章變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的PID調節(jié) PAGEREF _Toc295712587 h 23HYPERLINK l _Toc2957125884.1 變頻調速恒壓供水的PID調節(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變頻調速恒壓供水的PID調節(jié)

16、過程 PAGEREF _Toc295712590 h 25HYPERLINK l _Toc2957125914.2.1 變頻調速恒壓供水的PID調節(jié)過程分析 PAGEREF _Toc295712591 h 25HYPERLINK l _Toc2957125924.2.2變頻器PID控制功能參數設置 PAGEREF _Toc295712592 h 26HYPERLINK l _Toc2957125934.3本章小結 PAGEREF _Toc295712593 h 28HYPERLINK l _Toc295712594第五章變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計 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 主電路設計 PAGEREF _Toc295712596 h 29HYPERLINK l _Toc2957125975.1.2電氣控制電路設計 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壓力變送器與數顯儀的選型 PAGEREF _Toc295712601 h 35HYPERLINK l _Toc2957126025.2.4 水泵機組的選型 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 PAGEREF _Toc295712604 h 36HYPERLINK l _Toc295712605第六章PLC程序設計 PAGEREF _Toc295712605 h 37HYPERLINK l _Toc2957126066.1 PLC程序設計方法 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 PAGEREF _Toc295712608

20、 h 42HYPERLINK l _Toc295712609第七章水廠監(jiān)控網絡的設計 PAGEREF _Toc295712609 h 43HYPERLINK l _Toc2957126107.1引言 PAGEREF _Toc295712610 h 43HYPERLINK l _Toc2957126117.2 泵站計算機監(jiān)測與管理系統(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 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)的設計 PAGEREF _Toc295712616 h 45HYPERLINK l _Toc2957126177.3.1組態(tài)王系統(tǒng)設計的步驟 PAGEREF _Toc295712617 h 45H

22、YPERLINK l _Toc2957126187.3.2組態(tài)王系統(tǒng)設計過程 PAGEREF _Toc295712618 h 45HYPERLINK l _Toc2957126197.4變頻調速恒壓供水系統(tǒng)用戶畫面 PAGEREF _Toc295712619 h 48HYPERLINK l _Toc2957126207.4.1恒壓供水系統(tǒng)登錄畫面 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報警窗口 PAGEREF _Toc295712623 h 50HYPERLINK l _Toc2957126247.4.5歷史趨勢曲線窗口 PAGEREF _Toc295712624 h 50HYPERLINK l _Toc2957126257.4.6 恒壓供水報表窗口 PAGEREF _Toc295712625 h 51HYPERLINK l _Toc2957126267.5本章小結 PAGEREF _Toc295712626 h 52HYPERLINK l _Toc29571

24、2627結束語 PAGEREF _Toc295712627 h 53HYPERLINK l _Toc295712628參考文獻 PAGEREF _Toc295712628 h 54HYPERLINK l _Toc295712629致 PAGEREF _Toc295712629 h 55第一章緒論1.1變頻調速恒壓供水系統(tǒng)產生的背景與其意義水是生命之源，是人類賴以生存和發(fā)展的不可替代的重要資源之一。隨著社會經濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊與網絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。我國

25、家是一個在水資源和電能方面都很短缺的國家，在大力提倡節(jié)約能源的今天，人們也更加重視有關降低供水系統(tǒng)能耗的問題。據統(tǒng)計，風機和泵類負載約占我國總耗電量的80%，這主要是由于我國供水設備工作效率低，控制方式不合理，據統(tǒng)計，水泵的效率大多不足60%，存在著很大的能源浪費1，因此運用水泵供水節(jié)能技術，設計可靠性高，運行效率高的供水系統(tǒng)具有重大的經濟意義。變頻調速恒壓供水系統(tǒng)是集變頻技術，電氣傳動技術，現代控制技術于一體先進的供水控制系統(tǒng)。它可以根據用水管網瞬間用水量的不同所引起的壓力變化，自動地改變水泵的轉速，自動調節(jié)峰谷供水量，保證管網供水壓力恒定，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、國將其投入工業(yè)應用以來，它顯示出了強勁的競爭力，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)的經濟效益和社會效益。這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(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實意義。在恒壓供水技術之前出現了很多種供水方式，經過調研，發(fā)現各種傳統(tǒng)的供水方式的優(yōu)缺點如下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，水泵電機為硬啟動，啟動電流大，控制柜觸點多，易燒壞，優(yōu)點是控制方式簡單，短時維修或斷電可不停水。當用水量很小時，可以長時間不

27、再開泵。(2)壓力供水氣壓罐供水方式屬于壓力供水，具有體積小、技術簡單、不受高度限制等特點，但此方式調節(jié)量小、水泵電機為硬起動且起動頻繁，聯(lián)軸器沖擊大，起動電流大，觸點易燒，系統(tǒng)維護工作量大，而且為減少水泵起動次數，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，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法對供水管網的壓力做出與時的反應，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負荷運行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網長期處于超壓運行狀態(tài)，爆損現象嚴重，電機硬起動易產生水錘效應，破壞性大，目前較少采

28、用。(4)調速供水液力禍合器和電池滑差離合器調速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅動，需經常檢修;優(yōu)點是價格低廉，結構簡單明了，維修方便。單片機變頻調速供水方式優(yōu)點是能做到變頻調速、自動化程度優(yōu)于以上幾種供水方式，可以定時供水等，缺點是系統(tǒng)開發(fā)周期較長、參數設置煩瑣、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水力，電力資源，效率低，可靠性差，自動化程度不高等缺點，已經不能滿足當前社會的發(fā)展和需求，嚴重影響了居民的生活用水和工業(yè)生產用水質量。PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體。采用該系統(tǒng)

29、進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(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，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(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實意義。1.2變頻調速恒壓供水技術簡介1.2.1國外變頻恒壓供水的現狀目前，國大中城市的水廠基本上都采用變頻恒壓供水方式，生產過程的重要參數可以實行自動監(jiān)測;加氯加礬、沉淀池、濾池與泵房、變電所也同樣實現自動控制與計算機管理，構成完整的DCS系統(tǒng)?，F代化水廠除了中心調度室和化驗室以外都可以做到無人值班。國的小城鎮(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滿足最高層用戶用

30、水的固定高度上，這樣，就有相當一部分電能被浪費。同時，管網壓力的不穩(wěn)定，很容易造成管路曝損，管路和水資源浪費嚴重。而在西方發(fā)達國家，以PLC為基礎的集散型控制系統(tǒng)已成為當今水工業(yè)自動化系統(tǒng)的主流，其控制系統(tǒng)正向著智能化、分散化、網絡化發(fā)展。企業(yè)部之間以與與外部交換信息的需求不斷擴大，現代工業(yè)企業(yè)對生產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生產現場狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時還要求把現場信息和管理信息結合起來，通過對經營決策、管理、計劃、調度、過程優(yōu)化、故障診斷、現場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)，亦稱為“管控一體化”。在國外,一個10 x10，m3/d的水廠只需

31、35人管理。在運行當中，還采用了自動化智能措施，運用實時指示器不斷評定每一階段程序處理效果和作出微小糾正3，并融合了以太網技術，提高了水廠的信息化程度。1.2.2變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的特點和應用圍變頻調速恒壓供水系統(tǒng)集合了變頻技術、PLC應用、工控機應用技術等多方面的現代化技術，所以有較好的性能特點：（1）節(jié)能性恒壓供水技術通過變頻調速閉環(huán)控制方式調節(jié)水泵轉速改變水泵出口壓力，相對于閥門調節(jié)控制水泵出口壓力的方式來說，具有降低管道阻力、大大減少截流損失的效應，系統(tǒng)在運行過程中可節(jié)約一定的電能，并能長期受益，并且由于電動機故障率的減少，設備壽命的延長，產品質量的提高等等，都必將產生難以估計的經濟

32、效益。（2）可延長電機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，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長了泵和電動機的機械使用壽命。 （3）運行安全可靠水泵電機采用軟啟動方式，可以避免電動機啟動時的電流沖擊，減少對電網電，避免管網壓力超限，管道破裂而造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成水泵系統(tǒng)的喘振。 （4）聯(lián)網功能采用全中文工控組態(tài)軟件，實時監(jiān)控各個站點，如電機的電壓、電流、工作頻率、管網壓力與流量等。并且能夠累積每個站點的用電量，累積每臺泵的出水量，同時提供各種形式的打印報表，以便分析統(tǒng)計。 （5）控制靈活分段供水，定時供水，手動選擇工作方式。 （6）容錯性當出現

33、意外情況時，系統(tǒng)能根據水泵與變頻器的狀態(tài)，電網狀況與水源水位，管網壓力等工況自動切換，保證管網壓力恒定。在故障發(fā)生時，系統(tǒng)會轉而執(zhí)行專門的故障子程序，保證在緊急情況下仍能進行供水。變頻恒壓供水系統(tǒng)的應用圍非常的廣泛，其廣泛的應用如下4:(1) 高層建筑、城鄉(xiāng)供水小區(qū)、企事業(yè)生活用水;(2) 特殊種類工業(yè)需要恒壓控制的用水如冷卻水循環(huán)、熱力網水循環(huán)、鍋爐補水等;(3) 自來水廠增壓系統(tǒng);(4) 農田灌溉，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(1)變頻恒壓供水目前正向集成化，維護操作簡單化方向發(fā)展在國外專門針對供水的變頻器集成化越來越高，很多專用變頻器

34、集成了PLC和PID，甚至將壓力變送器也融入變頻組件，同時維護操作也越來越簡單，部分新品的變頻供水只需簡單設定壓力值就可正常運行，控制軟件和其他參數在出廠時就已設定，或利用傳感器自動獲取完畢。(2)高壓變頻系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應用在過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)目前已在實際應用中不斷完善，高壓變頻中的諧波問題己逐步得到解決。(3)變頻供水系統(tǒng)正在融入更全面的供水管理系統(tǒng)面對日益復雜的供水系統(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，是所有供水部門共同面臨的重要課題，目前，在美國，日本，法國等地的有些

35、城市己基本上實現了供水系統(tǒng)的計算機優(yōu)化。基于PLC的變頻調速恒壓控制是現代供水控制系統(tǒng)的主要方式，它利用、傳感器、電氣控制設備、變頻器與水泵機組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使供水管網壓力保持恒定。由于具有自動化程度高、高效節(jié)能、安全衛(wèi)生、維護方便等特點，在小區(qū)供水和工廠供液供水控制中得到廣泛應用，并取得了良好的控制效果和社會效5。1.3課題來源與本設計的主要容本課題來源于市河東水廠的實習。通過前面對傳統(tǒng)供水現狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應用前景分析可知，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)在我國已成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、人機界面、各種傳感器等組成。本文研究的目標是對恒壓控制技術

36、給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進一步提高，操作更加簡捷，故障報警與時迅速，同時具有開放的數據傳輸。本設計的主要容如下:1）通過揚程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點，根據管網和水泵的運行曲線，說明供水系統(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，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實用性的控制方案。3）研究PDI控制器的設計原理與方法。4）設計變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件。5）對變頻調速技術與可編程序控制器(PLC)進行簡單介紹。7）以組態(tài)軟件組態(tài)王設計工控機監(jiān)控程序。第二章 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析2.1供水系統(tǒng)的基本特性2.1.1水泵的主要參數水泵主要工作參數有

37、:流量、揚程、功率、效率、轉速以與壓力6。流量Q水泵流量是指水泵在單位時間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質量流量兩種。以耐/s(米3/秒)、m3/h(米3/小時)、七/:(千克/秒)、t/:(噸/秒)等表示。供水系統(tǒng)的基本任務是滿足用戶的流量要求。揚程水泵揚程也稱水頭，是水泵由葉輪傳給單位質量液體的總能量，單位以m計。揚程主要包括三個方面:提高水位所需的能量;克服水在管網中流動時所需的能量;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程的主體部分。因此把水從一個位置“上揚”到另一位置時，用水位的變化量(即水位差)代表揚程。即水泵揚程最終反映的是水泵供水高度。水泵總揚程包括

38、把水上揚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。實際揚程是通過水泵實際提高的水位所需的能量。損失揚程是全揚程與實際揚程之差,即:總揚程=實際揚程+損失揚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)為泵液體實際所獲得的凈功率；軸功率PM(KW)是水泵在一定流量、揚程下運行時所需的外來功率，即由電動機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，是一項重要的技術經

39、濟指標。轉速n轉速n是指葉輪每分鐘的轉數。當轉速改變后，水泵工作性能也隨著改變。壓力pP表示供水系統(tǒng)中某個位置或某個點水壓的物理量，其大小在靜態(tài)時取決于管路的結構和所處的位置，而在動態(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。2.1.2水泵的供水特性水泵的供水特性包括揚程特性和管阻特性7。(1) 揚程特性在管路中閥門完全打開的情況下，表明全揚程H隨用水量Q變化曲線H=f(Q)，稱為揚程特性曲線，如圖 2-1所示。圖中A1點是流量較小(等于Q1)時的情形，這時全揚程較大，為H1；A2點是流量較大(等于Q2)時的情形，這時全揚程較小，為H2。當流量越大時，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)的全揚程就越小。流量的大小取決于用戶，是“用水流量”。因此，揚程特性反映了用戶的用水需求對全揚程的影響。圖 2-1 水泵的揚程特性(2) 管阻特性管阻是管道系統(tǒng)(包括水管、閥門等)對水流阻力的物理量。通常用揚程與流量間的關系曲線來描述。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，它和閥門開度有關。實際上是表明當閥門開度一定時，為了提供一定流量的水所需要的揚程，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關系是H=f(Q)，如圖2-2所示，供水流量較小(Q=Q1)時，所需揚程也較小(H=H1)，如點B1;反之，在供水流

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

42、定工作點A是水泵運行的理想工作點，若把水泵的效率曲線也畫在同一坐標系中，在圖 2-3中可以找出A點的揚程H、流量Q以與效率。從圖中可以看出，水泵在工作點A點提供的揚程和管路所需的揚程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到流量和能量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。實際運行時水泵并非總是固定在A點。一旦當水泵和管阻特性中的一個參數或所有參數同時發(fā)生變化時，平衡就會被打破，并且在新的條件下出現新的平衡。另外確定工況點一定要保證水泵裝置在高效率圍運行。工作點的參數，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設計和運行管理中的一個重要問題9。供水功率是供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率P(KW

43、)稱為供水功率，供水功率與流量Q和揚程H的乘積(如圖2-3中0QAAHA的面積)成正比。2.1.4水泵的工作點調節(jié)對供水系統(tǒng)進行的控制，歸根結底是為了滿足用戶對流量的需求。所以在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。而流量的大小又取決于揚程，實際運行中水泵的流量是隨著用水量的變化而變化的，揚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工況點，需要根據實際情況進行控制，因此要討論節(jié)能問題，必須從考察調節(jié)流量的方法入手，即工況點的調節(jié)方法，常見的方法有閥門控制法和轉速控制法兩種910：閥門控制法圖2-4 管網和泵運行曲線閥門控制法屬于節(jié)流調節(jié)，即通過關小或開大閥門來調節(jié)流量，而泵的轉速保持

44、不變。閥門控制法的實質是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量，以適應用戶對流量的要求。這時管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但是揚程特性不變。這種通過關小閘閥來改變水泵工作點位置的方法，稱為節(jié)流調節(jié)，如圖2-4所示。泵的初始工作點在A點，水泵提供的揚程、流量恰好與管路所需得揚程、流量相等。當用戶所需流量減少時，設從Qa降至Qb，必須把水泵出水口閘閥關小來減少水泵出口水流量，使之與管網所需流量相等，否則會因管網過載而造成爆管的危險。此時，管阻特性由曲線2變?yōu)榍€4，水泵的工況點則沿著水泵特性曲線由A點移至B點，此時流量減小了，但揚程卻由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。并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是H增大，而被浪費的功率要隨之增加。(2) 轉速控制法轉速控制法屬于變速調節(jié)，是通過改變水泵的轉速來調節(jié)流量，而閥門開度則保持不變(通常為最大開度)，轉速控制法的實質是通過改變水泵的供水能力來適應用戶對流量的要求，當水泵的轉速改變時，揚程特性將隨之改變而管阻特性不變。如圖 2-4，當用戶所需用水流量由QA減小至QB，當轉速下降時，揚程特性變?yōu)榍€3，管阻特性仍為特性曲線2，故工作點從A點移動到C點，在C點流量減小為QB，而揚程減

46、小為HC，供水功率與面積0ECHC成正比。兩種方法比較:由于閥門控制是通過增加管道的阻力而達到控制流量的目的，因而浪費了能量;而電動機調速控制可以通過改變水泵電動機的轉速來變更水泵的工況點，使其流量與揚程適應管網用水量的變化，從而達到節(jié)能的效果。但由于開環(huán)轉速控制中，揚程隨著流量的減小而減小，往往不能滿足實際工程需要。圖 2.5變頻恒壓控制工況點調節(jié)因此采用閉環(huán)恒壓控制，對于變頻調速恒壓控制，工況點如圖2.5所示，理想運行特性曲線為直線H*ABC。2.3三相異步電動機的調速2.3.1 異步電動機調速原理變頻供水系統(tǒng)是通過變頻器控制泵的異步電機的轉速，通過異步電動機驅動水泵供水來改變水泵的實時供

47、水量，完成恒壓供水的目標。因此，供水系統(tǒng)變頻調速的實質是異步電動機的變頻調速。三相異步電動機的調速是指在電動機負載不變的條件下，通過控制改變電機轉速，達到用戶要求。這種調速方式，可以大大簡化系統(tǒng)中的變速機構，提高系統(tǒng)的性能價格比。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。異步電動機的同步轉速為: （2-2）其中n0是異步電動機的同步轉速，f1是異步電動機的電源頻率，p為異步電動機的極對數。異步電動機的轉差率為： （2-3）其中n為異步電動機的轉子轉速。根據公式 (2.3)和公式 (2.2)，得三相異步電動機的轉速為: （2-4）2.3.2 調速方法由公式 (2.4)

48、可知，異步電動機可以通過改變電源頻率、磁極對數和轉差率實現調速。(l) 變極調速改變定子極對數，可使異步電動機的同步轉速改變，從而得到轉速的調節(jié)。改變電機的極對數調速相當困難，這會使電機結構變復雜，而且不能實現無級調速。(2)變轉差率調速變轉差率調速即轉子電路串接電阻調速、改變定子電壓調速、滑差電機等。這些方法的共同特點是:在調速過程中均產生大量的轉差功率，消耗在轉子電路，使轉子發(fā)熱，調速的經濟性較差，會使效率降低，而且調速圍也受到限制。(3)變頻調速當極對數p不變時，電機轉子轉速n與電動機的電源頻率f1成正比。因此，通過連續(xù)調節(jié)異步電動機供電頻率，就可以平滑的調節(jié)電動機的轉速。異步電動機變頻

49、調速具有調速圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點。實現這種調速的設備稱作變頻器，變頻器的硬件組成框圖見圖 2-6所示。圖 2-6 交流變頻調速器的基本原理下面簡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。交流電源首先經過整流電路，將工頻交流電源整流成直流，通過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等大功率開關器件與其驅動、保護電路構成。逆變電路接受來自控制板的控制信號，將直流電進行逆變成交流電，而逆變得到的交流電的頻率、電壓是可變

50、的?？刂齐娐肥亲冾l器的控制中心，它可以根據外部接線端子、操作面板或者由上位機來的通訊指令控制變頻器中的逆變電路輸出一個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調節(jié)器等。操作面板是變頻器人-機對話的界面，通過操作面板可以觀察變頻器的運行狀態(tài)，或者修改變頻器的運行參數。綜上所述，通過改變電源頻率的方法，可以從高速到低速保持高效率、寬圍和高精度的調速性能。2.4 本章小結本章分析了供水系統(tǒng)的基本特性。根據揚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)時系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在供水系統(tǒng)中采用變頻調速是由于水泵的功率與轉速的立方成正比，所以調速控制方式要比閥門控制方

51、式節(jié)能效果顯著。通過對電機的幾種調速方式的分析比較，采用變頻調速實現恒壓供水，能夠提高系統(tǒng)的可靠性，降低能耗。第三章 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計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常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(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，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質量。如圖3.1所示，變頻器是電機變頻調速的執(zhí)行者，只要改變f就可實現n的變化，從而達到無級調速的目的

52、。測量元件用壓力變送器，U*為恒定壓力供水設定值。供水壓力P作為輸出量，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。在運行中，當用水量增大的時候，水管道壓力值變低，反饋值Uf變小，即U*大于Uf時，變頻器通過置PID進行調速，使電機的轉速加快，增加水流量，提高管道壓力，直到管道壓力P與設定壓力U*對應的期望壓力值相等。當用水量減少時，水管道壓力值p變大，反饋值Uf變大，即U*小于Uf時，變頻器通過置PID進行調速，使電機的轉速降低，減小水流量，降低管道壓力，直到管道壓力P與期望壓力設定值U*相等。總之，根據反饋控制原理，最終達到的平衡狀態(tài)使實際供水壓力和設定期望壓力相等。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)方案設計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，實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以與變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數據進行傳輸。由于PLC+變頻器組成的恒壓控制方式靈活方便，便于數據傳輸的優(yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制精度的要求。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，根據系統(tǒng)的設計任務要求，結合系統(tǒng)的使用場所，本文采用PLC與變頻調速裝置構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環(huán)控制，即根據實際設定

54、水壓自動調節(jié)水泵電機的轉速，自動補償用水量的變化，以保證供水管網的壓力保持在設定值,既可以滿足生產供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實現恒壓供水。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控制的基礎上增加上位監(jiān)控計算機。采用PLC，由于其本身抗干擾能力強，系統(tǒng)可靠性高，且由于PLC產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和上位機具有良好的通信功能，此系統(tǒng)方便與其他系統(tǒng)進行通信和數據交換。當控制要求改變時，利用編程軟件很容易進行程序的修改和下載。由于有良好的人機界面，使得操作更加簡單，系統(tǒng)運行狀態(tài)更直觀。因此本系統(tǒng)采用“變頻器+PL

55、C+上位監(jiān)控計算機”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速恒壓供水系統(tǒng)由泵組、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面等部分組成。1、水泵組水泵組用于將水供入用戶管網，圖中的4個水泵分為三種類型。(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。當水泵采用循環(huán)的控制方式時，一、二、三號泵既可以做調速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式時，一、二、三號泵中有且只有一臺可以調速泵，其余兩臺為恒速泵或停止狀態(tài)。(3)輔助

56、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。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，這樣構成水泵組有下幾個原因:(1)用幾個小功率的水泵代替一臺大功率的水泵，使水泵選型容易，同時這種結構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速器，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)運行可靠性。(4)輔助泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時(如:夜間)可以停止所有的主泵，用小泵進行補水，降低系統(tǒng)的運行噪音。(5)在用水量不太大時，系統(tǒng)中不是所有的水泵在運行，這樣可以提高水泵的運行壽命，同時降

57、低系統(tǒng)的功耗，達到節(jié)能的目的。2、信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號:(1)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，需進行戶以D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，作為數字量輸入。(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的液位傳感器。(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

58、信號。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))、變頻器和電控設備三個部分。(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)進行控制。(2)變頻器:它是對水泵進行轉速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送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。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

59、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。(3)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/自動切換與就地/集中等工作。4、人機界面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)的一些運行情況與設備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)示，對報警進行顯示。3.2.3變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的控制流程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、通過孿頻調速器和執(zhí)行元件對

60、水泵組進行控制實現恒壓供水目的。其需要完成的控制流程如圖3.4所示。圖3.4 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)流程圖現將流程圖說明如下:1、系統(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動水泵一號泵(可以是二號泵，也可以是三號泵 ，這里以一號泵為例)，通過恒壓控制器，根據用戶管網實際壓力和設定壓力的誤差調節(jié)變頻器的輸出頻率，控制一號泵的轉速，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩(wěn)定到某一定值，這期間一號泵工作在調速運行狀態(tài)。2、當用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉速到另一個新的穩(wěn)定值，反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水