變頻調(diào)速供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

常州工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文目錄第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研…………3第二部分設(shè)計(jì)說明……………………5第三部分設(shè)計(jì)成果……………………18第四部分結(jié)束語………………………24第五部分致謝…………25第六部分參考文獻(xiàn)…………………26

第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研1.1畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)隨著社會(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，再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。本論文結(jié)合我國中小城市供水廠的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)。變頻調(diào)速恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、傳感器、以及控制柜等構(gòu)成。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺(tái)水泵的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。分析水泵的能耗比較圖，可以看出利用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與傳統(tǒng)供水方式中用閥門節(jié)流方式相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。1.2設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)針對(duì)恒壓供水控制系統(tǒng)包括軟硬件方面在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中具體作用進(jìn)行詳細(xì)的介紹。系統(tǒng)將PLC、變頻器（含PID）、相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來，并發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，這個(gè)操作方便的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以變頻調(diào)速為核心，以智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。使得系統(tǒng)調(diào)試和使用都十分方便，而且大大簡化了水廠在管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析等方面的工作量。變頻器為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要，其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，降低自來水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。1.3調(diào)研的目的和總結(jié)。水是人類生活、生產(chǎn)中不可缺少的重要物質(zhì)，在節(jié)水節(jié)能已成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政府供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低，而隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的不斷深入，城市建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也對(duì)城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。如何提高城市供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性的問題就日漸突顯出來。比如，對(duì)于城市用戶來說，在白天或者用水高峰時(shí)，供水系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷最大，常常需要滿負(fù)荷運(yùn)行；而在晚上或休閑時(shí)，所需水量減少很多，但是電動(dòng)機(jī)的損耗也比較大。所以要根據(jù)不同的需求條件來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)恒壓供水，來實(shí)現(xiàn)更高要求的節(jié)能功能。第二部分設(shè)計(jì)說明2.1理論分析供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線，如圖2-1所示。由圖2-1可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量間的關(guān)系。如圖2-1中交點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖2-1供水系統(tǒng)的基本特性曲線對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。所以，流量是系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。如前所述，流量的大小取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測量和控制?？紤]到在動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系有關(guān)：供水能力＞用水需求，則壓力上升；供水能力＜用水需求，則壓力下降；供水能力＝用水需求，則壓力不變?？梢?，供水能力與用水需求之間的矛盾具體反映在流體壓力的變化上。因此，壓力可以用來作為控制流量大小的參變量。即保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論,交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：其中：f為定子的電源或穩(wěn)壓器頻率；p為極對(duì)數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率。從上式可知，當(dāng)極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速刀與定子電源頻率戚正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)中一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速。在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，用多少水，抽多少水，水泵的效率不變，總處于最佳狀態(tài)。2.2設(shè)計(jì)方案該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。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)以及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)定性及控制精度的要求。整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)PLC，一臺(tái)變頻器，水泵機(jī)組（本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3臺(tái)），一個(gè)壓力傳感器，低壓電器及一些輔助部件構(gòu)成。各部分功能如下：（1）水泵用來提高水壓以實(shí)現(xiàn)向高處供水；（2）安裝于供水管道上的遠(yuǎn)傳壓力表將管網(wǎng)水壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；（3）變頻調(diào)速器用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)管網(wǎng)中水流量；（4）PLC用于水泵的邏輯切換、控制等；（5）外圍輔助電路可以當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運(yùn)行，以保障連續(xù)供水。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用PLC控制系統(tǒng)使變頻器循環(huán)控制3臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)對(duì)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傳輸，處理。通過壓力傳感器檢測管道壓力信號(hào)不斷反饋給變頻器，有變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)所控制水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)變頻器所控制的水泵達(dá)到工頻時(shí)還不能滿足要求時(shí)由PLC自動(dòng)把那臺(tái)水泵切換到工頻運(yùn)行，把變頻器自動(dòng)切換到下一臺(tái)水泵使其軟啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)供水量減少時(shí)在自動(dòng)進(jìn)行切換，減少水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到水泵切換時(shí)電機(jī)的自感電動(dòng)勢(shì)現(xiàn)象，各種連鎖保護(hù)及報(bào)警、應(yīng)急措施。系統(tǒng)總體框圖如下：圖2-2系統(tǒng)總體框圖從整體框圖中，我們可以看出系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等部分組成。(1)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。①PLC系統(tǒng):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)中的工況、壓力、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)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(shí)施控制算法，得出對(duì)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(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來的控制信號(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。③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(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換等。（2）信號(hào)檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測水壓信號(hào)反饋信息和系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)。①水壓信號(hào):反映了用戶管網(wǎng)的水壓值，是恒壓供水系統(tǒng)保持恒壓的關(guān)鍵反饋信號(hào)。②報(bào)警信號(hào):監(jiān)測系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵是不是過載、變頻器是否正常工作，為開關(guān)量信號(hào)。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是一組水泵，它們協(xié)調(diào)工作，通過控制系統(tǒng)的增減泵工作，使得用戶管網(wǎng)的水壓保持恒定。（4）報(bào)警裝置任何一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，都離不開報(bào)警裝置。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，安全運(yùn)行，防止因水泵過載、變頻器異常、電網(wǎng)出現(xiàn)大波動(dòng)、水源中斷、泵站內(nèi)溢水等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測，經(jīng)PLC收集判斷，進(jìn)行各種顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，維護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定。2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)PLC選型2.3.1PLC選型PLC即可編程序控制器，是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語言知識(shí)，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐[1]。在選擇PLC的型號(hào)時(shí)一般從以下幾個(gè)方面來考慮：(1)功能要適當(dāng)。PLC的選型基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要?？刂葡到y(tǒng)需要什么功能，就選擇具有什么樣功能的PLC，當(dāng)然要兼顧維修、備件的通用性。(2)I/O點(diǎn)數(shù)是基礎(chǔ)。準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出被控設(shè)備對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的總需要量是PLC選型的基礎(chǔ)。把各輸入設(shè)備和被控設(shè)備詳細(xì)列出，然后在實(shí)際統(tǒng)計(jì)出I/O點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上加15%～20%的備用量，以便今后調(diào)整和擴(kuò)充。(3)充分考慮輸入輸出信號(hào)的性質(zhì)。除決定好I/O點(diǎn)數(shù)外，還要注意輸入輸出信號(hào)的性質(zhì)、參數(shù)等。關(guān)于PLC的選型問題，當(dāng)然還應(yīng)考慮到PLC的聯(lián)網(wǎng)通信功能、價(jià)格因素。系統(tǒng)可靠性也是考慮的重要因素。FX2N系列PLC是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)，具有較高的性能價(jià)格比，應(yīng)用廣泛。由于它緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格、豐富的功能模塊以及強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，使得FX2N可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求。根據(jù)系統(tǒng)要求和功能，本系統(tǒng)選用FX2N-32MR型PLC。2.3.2水泵機(jī)組選型工作水泵型號(hào)和臺(tái)數(shù)的選擇，應(yīng)根據(jù)逐時(shí)、逐日、逐季的用水量變化，要求的水壓，機(jī)組的效率和功率因素等確定。水泵和電動(dòng)機(jī)是供水系統(tǒng)的重要組成部分，水泵選擇恰當(dāng)與否和動(dòng)力費(fèi)用有很大的關(guān)系，故須加以重視。選泵時(shí)，首先要滿足供水系統(tǒng)的要求:(1)水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實(shí)際供水高度；(2)水泵流量總和應(yīng)大于實(shí)際最大供水量；(3)水泵能力足以供應(yīng)最高用水量時(shí)的用水量，揚(yáng)程應(yīng)在該泵特性曲線的高效工作區(qū)內(nèi)，以減少耗電量；(4)水泵型號(hào)應(yīng)使泵站建筑面積和泵站的基礎(chǔ)埋深為最小，以降低泵站造價(jià)；(5)水泵構(gòu)造應(yīng)使泵站內(nèi)管線簡單，以減少水頭損失；(6)安裝管理方便。1.水泵的功率計(jì)算及選型：（1）.有效功率Pu泵在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)液體所做有用功即泵的輸出功率，稱為有效功率（單位為kW）。它和流量、揚(yáng)程的關(guān)系如下液體密度；g為重力加速度；為泵的流量；H為泵的揚(yáng)程。由于一般要求泵的額定流量為其計(jì)算所得的裝置的最大流量的1.1~1.15倍，即=（1.1~1.15）所以=1.15×54.71=62.95/h=0.0175/s

（2）.軸功率Pa泵在一定的流量和揚(yáng)程工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸送給泵軸的功率，即輸入泵的功率，又稱泵的輸入功率。（3）.泵的效率一般小型泵的效率為0.6～0.7，而大型泵可達(dá)0.8～0.9。根據(jù)泵房大小和安裝要求，我們選擇小型泵，因此取泵的效率為0.6來進(jìn)行計(jì)算綜上所述，我們選用兩臺(tái)功率為11kw,7.5KW的電機(jī)進(jìn)行工作，并選用一臺(tái)7.5KW功率的電機(jī)作為備用。2.電機(jī)型號(hào)的確定:根據(jù)我們的安裝條件和實(shí)際需求，對(duì)比《電機(jī)選型及參數(shù)手冊(cè)》可以知道，11kw的電機(jī)型號(hào)為y160m1-2，兩臺(tái)7.5kw的電機(jī)型號(hào)為y132s2-2.3.泵的型號(hào)的確定:泵分為臥式結(jié)構(gòu)和立式結(jié)構(gòu)，立式結(jié)構(gòu)安裝調(diào)試方便，獨(dú)特設(shè)計(jì)的電機(jī)和泵體采用聯(lián)體機(jī)座，同心度，加工精度高，占地面積大大減少，縮減了建筑投資。底腳穩(wěn)固、結(jié)構(gòu)緊湊，精美的鑄造和外觀處理賦予立式多級(jí)泵新的美感，使產(chǎn)品煥發(fā)藝術(shù)的魅力，可以和國外著名廠家多級(jí)泵媲美。所以泵我們采用立式結(jié)構(gòu)。我們以LG立式結(jié)構(gòu)為代表分析：對(duì)于11kw的電機(jī)所搭配的泵，我們根據(jù)《泵的選型手冊(cè)》可以知道： 型號(hào)流量揚(yáng)程轉(zhuǎn)速軸功率功率效率葉輪外徑50LG24-20×4 24 802950 7.58 11 69 13450LG24-20×5 24 100 2950 9.47 11 69 13480LG50-20×2504029507.26117513580LG50-20×3366029508.111172.5136由此表對(duì)比可以得出：對(duì)于11kw的電機(jī)所搭配的泵的型號(hào)為80LG50-20×3。②對(duì)于11kw的電機(jī)所搭配的泵，同理我們可以讀出如下數(shù)據(jù)：40LG12-15×71210529005.727.56012040LG12-15×81212029006.547.56012050LG24-20×3246029505.687.56913465LG36-20×2364029505.417.572136由此表對(duì)比可以得出：對(duì)于7.5kw的電機(jī)所搭配的泵的型號(hào)為：50LG24-20×3。所以，我們可以得出，我們所選泵的型號(hào)分別為：80LG50-20×3對(duì)應(yīng)電機(jī)為11kw50LG24-20×3對(duì)應(yīng)電機(jī)為7.5kw。2.3.3變頻器選型從前面我們的介紹可以看到，要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的高度自動(dòng)化的恒壓變頻供水系統(tǒng)，我們需要設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)的控制部分，主電路部分和信號(hào)采集及反饋部分?？刂撇糠中枰瓿烧麄€(gè)恒壓變頻供水系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行功能，所以這也是整個(gè)系統(tǒng)的主要部分，一般的供水體統(tǒng)是采用PLC。主電路包括變頻器和水泵及其接線，此部分主要的任務(wù)就是使水泵能夠在工頻變頻情況下正常運(yùn)行，滿足用戶用水需求。信號(hào)采集及反饋部分主要的作用是通過壓力傳感器采集管網(wǎng)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓或電流，反饋到系統(tǒng)中與系統(tǒng)設(shè)定的電壓或電流進(jìn)行比較，產(chǎn)生差值信號(hào)，然后通過PID調(diào)節(jié)使系統(tǒng)的水壓不斷向目標(biāo)靠近。根據(jù)以上恒壓變頻供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，我選擇了艾默生公司的TD2100供水系統(tǒng)專用變頻器。TD2100供水系統(tǒng)專用變頻器與通用變頻器的不同之處在于，它除了通用變頻的功能之外還擁有PLC的功能，以及PID轉(zhuǎn)換的功能，方便了用戶的使用，簡化了恒壓變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。采用TD2100變頻器設(shè)計(jì)的恒壓變頻供水系統(tǒng)，流程和前面講到的基本是一致的。如果我們采用四個(gè)供水泵和一個(gè)消防泵的供水系統(tǒng)，則其流程圖如下所示：圖3恒壓變頻供水系統(tǒng)流程圖2.3.4.壓力傳感器壓力傳感器作用是通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成4～20mA變化的電流信號(hào)或0～5V間變化的電壓信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。壓力傳感器使用CY-YZ-1001型絕對(duì)壓力傳感器。該傳感器的量程為0～2.5MPa，工作溫度為5℃～60℃，供電電源為28±3V（DC）。2.3.5.系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖3-8系統(tǒng)主電路接線基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3.2所示：三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2、M3，它們分別帶動(dòng)水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行；FR1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；FU為主電路的熔斷器。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用PLC控制系統(tǒng)使變頻器循環(huán)控制3臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，通過壓力傳感器檢測管道壓力信號(hào)不斷反饋給變頻器，有變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)所控制水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)變頻器所控制的水泵達(dá)到工頻時(shí)還不能滿足要求時(shí)由PLC自動(dòng)把那臺(tái)水泵切換到工頻運(yùn)行，把變頻器自動(dòng)切換到下一臺(tái)水泵使其軟啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)供水量減少時(shí)在自動(dòng)進(jìn)行切換，減少水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。2.3.6系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。PLC主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，要完成以下功能：自動(dòng)控制三臺(tái)水泵的投入運(yùn)行；能在三臺(tái)水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換；三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能；對(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用；系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。如圖3.3為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕SB1~SB6控制三臺(tái)水泵的啟/停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。圖中的HL10為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個(gè)干觸發(fā)點(diǎn)信號(hào)，本系統(tǒng)通過一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。圖中的Q0.0~Q0.5及Q1.1~Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點(diǎn)，他們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號(hào)，可結(jié)合下節(jié)中圖3.4一起讀圖。圖3.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖注：PLC各I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié)I/O端口分配中將詳細(xì)介紹。本系統(tǒng)在手動(dòng)/自動(dòng)控制下的運(yùn)行過程如下：(1)手動(dòng)控制：手動(dòng)控制只在檢查故障原因時(shí)才會(huì)用到，便于電機(jī)故障的檢測與維修。單刀雙擲開關(guān)SA打至1端時(shí)開啟手動(dòng)控制模式，此時(shí)可以通過開關(guān)分別控制三臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。SB1按下時(shí)由于KM2常閉觸點(diǎn)接通電路使得KM1的線圈得電，KM1的常開觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能，電機(jī)M1可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。只有當(dāng)SB2按下時(shí)才會(huì)切斷電路，KM1線圈失電，電機(jī)M1停止運(yùn)行。同理，可以通過按下SB3、SB5啟動(dòng)電機(jī)M2、M3，通過按下SB4、SB6來使電機(jī)M2、M3停機(jī)。（2）自動(dòng)控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)下。單刀雙擲開關(guān)SA打至2端時(shí)開啟自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制的工作狀況由PLC程序控制。Q0.0輸出1#水泵工頻運(yùn)行信號(hào)，Q0.1輸出1#水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng)Q0.0輸出1時(shí)，KM1線圈得電，1#水泵工頻運(yùn)行指示燈HL1點(diǎn)亮，同時(shí)KM1的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)KM1、KM2的電氣互鎖。當(dāng)Q0.1輸出1時(shí)，KM2線圈得電，1#水泵變頻運(yùn)行指示燈HL2點(diǎn)亮，同時(shí)KM2的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)KM2、KM1的電氣互鎖。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。當(dāng)Q1.1輸出1時(shí)，水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7點(diǎn)亮；當(dāng)Q1.2輸出1時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈HL8點(diǎn)亮；當(dāng)Q1.3輸出1時(shí)，白天供水模式指示燈HL9點(diǎn)亮；當(dāng)Q1.4輸出1時(shí)，報(bào)警電鈴HA響起；當(dāng)Q1.5輸出1時(shí)，中間繼電器KA的線圈得電，常開觸點(diǎn)KA閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動(dòng)控制狀態(tài)下，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈HL10一直點(diǎn)亮。2.3.7閥門的選擇：根據(jù)我們所畫的坡上《校園恒壓變頻供水系統(tǒng)管路分布圖》可以知道，我們需要的閥門如下表：連接形式中：“法蘭”閥門名稱作用需求數(shù)量安裝位置截止閥開斷用，用來接通或切斷管路介質(zhì)7水泵進(jìn)水管，水泵出水管，總出水管止回閥止回用，用來防止介質(zhì)倒流3水泵出水口安全閥在介質(zhì)壓力超過規(guī)定值時(shí)，用來排放多余的介質(zhì)，保證管路系統(tǒng)及設(shè)備安全4總出水管通過系統(tǒng)分析，并查閱《閥門選型手冊(cè)》確定出閥門的型號(hào)，如下表：型號(hào)公稱通徑ＤＮ／mm結(jié)構(gòu)尺寸/mm質(zhì)量/kg閥體材質(zhì)適用溫度適用介質(zhì)L/mmH/mm/mmJ41H-16（截止閥）10035044524043鑄鐵≦200水、油品、蒸汽H41H-16（止回閥）100350200/48灰鑄鐵≦200水、蒸汽表3.4-2截止閥與止回閥的型號(hào)參數(shù)型號(hào)公稱質(zhì)量/kg主要結(jié)構(gòu)尺寸/mm閥體材質(zhì)適用溫度適用介質(zhì)通徑ＤＮ／mm壓力PN/MPaDD′LL1HWCB≦300水、油品、空氣A41H-16C（安全閥）1001.670215215170160525表3.4-2安全閥的型號(hào)參數(shù)第三部分設(shè)計(jì)成果恒壓變頻供水系統(tǒng)的主體電路部分所包含的元件及要完成的功能最多，其中包括水泵及變頻器的型號(hào)的選擇，以便使其功率滿足用戶的要求。同時(shí)還要使水泵能夠在工頻和變頻狀態(tài)下運(yùn)作，從而使供水系統(tǒng)有自動(dòng)運(yùn)行的前提。完成供水系統(tǒng)PID的轉(zhuǎn)換，使供水系統(tǒng)處于一個(gè)閉環(huán)狀態(tài)，減小誤差3.1.主體電路 圖4主體電路從上圖中我們可以看到，水泵通過兩條線路分別和工頻電源以及變頻器相連，為了防止兩條線路可能出現(xiàn)同時(shí)接通電路的情況，我們通過互鎖這種機(jī)械連鎖的方式，使兩條線路的開關(guān)連接起來。這樣當(dāng)KM0閉合時(shí)，KM1就會(huì)強(qiáng)制的斷開，當(dāng)KM1閉合時(shí)KM0就會(huì)斷開，所以線路中每個(gè)水泵只能在工頻狀態(tài)或變頻狀態(tài)，永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)閉合的情況，從而避免了這些故障狀況。主體電路這部分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先需要考慮到水泵的選擇和變頻器的對(duì)應(yīng)。在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，我們首先要考慮的是滿足用戶用水量的需求。比如說我們要設(shè)計(jì)一個(gè)小區(qū)的供水系統(tǒng)，這個(gè)小區(qū)共有5棟樓，每棟5層，每層有6戶，樓高18米。按照每戶月均用水量為20，每天用水高峰為12個(gè)小時(shí)來計(jì)算，那么我們計(jì)算一下可以得到，月總用水量為55620=3000，那么流量=8.3，然后我們可以根據(jù)揚(yáng)程和流量來確定我們所需要的水泵。在前面介紹的過程中，我們已經(jīng)了解到在實(shí)現(xiàn)相同的功能的前體現(xiàn)下，水泵功率越小越能夠節(jié)省能量避免浪費(fèi)。因此，我們?cè)谶x擇水泵的時(shí)候應(yīng)盡量選擇剛好滿足要求的水泵。本系統(tǒng)采用的是4個(gè)供水泵的供水系統(tǒng)，在系統(tǒng)通電開關(guān)閉合之后，為了使供水系統(tǒng)既能滿足用戶需求，又不能因水量過大而造成浪費(fèi)，我們采用閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。4個(gè)水泵在開關(guān)剛開始閉合的時(shí)候處于低峰期，只有1臺(tái)水泵運(yùn)行。當(dāng)壓力變送器輸出的壓力值與壓力設(shè)定值相等時(shí)，水泵l保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。當(dāng)供水壓力低于設(shè)定值時(shí)，水泵l轉(zhuǎn)速上升，供水量增加，供水壓力上升，直到供水壓力與設(shè)定值相等時(shí)，水泵1在新的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，當(dāng)供水壓力上升時(shí)，水泵1的轉(zhuǎn)速隨之下降，直至達(dá)到新的平衡。當(dāng)水泵l運(yùn)行到變頻器設(shè)定頻率上限供水壓力仍低于設(shè)定值時(shí)，水泵1切換到工頻運(yùn)行，水泵2變頻運(yùn)行，使供水壓力與設(shè)定值相等；同理當(dāng)水泵1、水泵2工頻運(yùn)行時(shí)供水壓力仍低于設(shè)定值時(shí)，水泵1、水泵2水工頻運(yùn)行。泵3變頻運(yùn)行，使供水壓力與設(shè)定值相等。當(dāng)三個(gè)水泵工頻運(yùn)行都不滿足要求時(shí)，水泵4再變頻運(yùn)行。當(dāng)然在水泵選好之后，我們還要找到與選擇的水泵功率大小相匹配的變頻器。變頻器和電機(jī)的對(duì)應(yīng)表格如下所示：變頻器型號(hào)額定容量（KVA）額定輸入電流(A)額定輸出電流(A)適配電機(jī)(KW)TD2100-4T0055S8.512135.5TD2100-4T0075S1116177.5TD2100-4T0110S17242511TD2100-4T0150S21303215TD2100-4T0185S24353718.5TD2100-4T0220S30424522TD2100-4T0300S40586030TD2100-4T0370S50747537TD2100-4T0450S60899045TD2100-4T0550S7211011055TD2100-4T0750S10015515275表1變頻器型號(hào)表由于TD2100變頻器內(nèi)部自帶了PID的轉(zhuǎn)換功能，因此我們不需要在專門設(shè)計(jì)PID的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。變頻器內(nèi)部PID的原理圖如下圖所示：圖5TD2100變頻器內(nèi)置PID原理從上圖中我們可以看到，TD2100變頻器中PID轉(zhuǎn)換的原理，他涉及到了比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)所提供的給定量和反饋量的差值，經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)能夠產(chǎn)生較好的輸出信號(hào)。輸出信號(hào)在進(jìn)入供水系統(tǒng)之后，功過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)水泵的供水量，從而使管網(wǎng)的水壓產(chǎn)生改變，壓力傳感器將信號(hào)再次傳回，通過PID調(diào)節(jié)再次形成新的輸出信號(hào)，管網(wǎng)的水壓不斷接近設(shè)定水壓，優(yōu)化了供水系統(tǒng)。3.2.控制電路整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據(jù)檢測到的輸入信號(hào)的狀態(tài)、按照系統(tǒng)的控制流程、通過變頻調(diào)速器和執(zhí)行元件對(duì)水泵組進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)恒壓供水目的。本供水系統(tǒng)包括四個(gè)供水泵，一個(gè)消防泵。由于平時(shí)，消防泵都處于閑置狀態(tài)，所以我們可以將消防泵單獨(dú)出來處理。當(dāng)需要用到消防泵的時(shí)候，我們就需要消防泵處于額定工作狀態(tài)，所以消防泵可以直接接在工頻電源之上。但是供水泵為了節(jié)省能量，我們就需要將其與工頻電源以及變頻器兩部分都連接起來。4個(gè)水泵在開關(guān)剛開始閉合的時(shí)候，如果用戶用水處于低峰期，只許1臺(tái)水泵變頻運(yùn)行。當(dāng)壓力變送器輸出的壓力值與壓力設(shè)定值相等時(shí)，水泵l保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。當(dāng)供水壓力低于設(shè)定值時(shí)，水泵l轉(zhuǎn)速上升，供水量增加，供水壓力上升，直到供水壓力與設(shè)定值相等時(shí)，水泵1在新的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行；當(dāng)供水壓力上升時(shí)，水泵1的轉(zhuǎn)速隨之下降，直至達(dá)到新的平衡。當(dāng)水泵l運(yùn)行到變頻器設(shè)定頻率上限供水壓力仍低于設(shè)定值時(shí)，水泵1切換到工頻運(yùn)行，水泵2變頻運(yùn)行，使供水壓力與設(shè)定值相等；同理當(dāng)水泵1、水泵2工頻運(yùn)行時(shí)供水壓力仍低于設(shè)定值時(shí)，水泵1、水泵2水工頻運(yùn)行。泵3變頻運(yùn)行，使供水壓力與設(shè)定值相等。當(dāng)三個(gè)水泵工頻運(yùn)行都不滿足要求時(shí)，水泵4再變頻運(yùn)行。下圖即為本系統(tǒng)的控制電路：根據(jù)控制部分電路部分的接線圖，我們可以得到。當(dāng)接通電源，開關(guān)KA打到變頻控制這邊后，我們使接觸器Y1閉合，則我們可以看到線圈KM0接通，這樣KM0的所有常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開。從主電路圖中我們可以看到，KM0常開觸點(diǎn)閉合時(shí)，電機(jī)M1變頻運(yùn)行，此時(shí)由于主電路中工頻和變頻線路之間有機(jī)械連鎖，常開觸點(diǎn)KM0閉合時(shí)，KM1斷開，供水系統(tǒng)處于變頻狀態(tài)。當(dāng)Y2閉合時(shí)，線圈KM1通電，常開觸點(diǎn)KM1閉合，常閉觸點(diǎn)斷開。所以，當(dāng)常開觸點(diǎn)KM1閉合的時(shí)候，KM0就因?yàn)闄C(jī)械連鎖而處于斷開的狀態(tài)，水泵M1就處于工頻工作狀態(tài)。當(dāng)M1工頻工作狀態(tài)仍不滿足需求的時(shí)候，我們就可以將接觸器Y3接通，則電機(jī)M2變頻運(yùn)行，同理如果還不滿足用戶用水需求，接觸器Y4接通，使M2工頻運(yùn)行。依此類推知道系統(tǒng)滿足用戶的用水需求為止。開