藍(lán)天生活小區(qū)管道系統(tǒng)的PID控制-水泵變頻調(diào)速控制給水系統(tǒng)的電氣設(shè)計

摘要本系統(tǒng)是針對居民生活用水而設(shè)計的一套由變頻器、PLC、水泵機(jī)組等設(shè)備組成的自動變頻恒壓供水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將PLC、變頻器、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，能夠最大程度滿足需要，具有運行穩(wěn)定、操作簡單和高效節(jié)能等特點。該系統(tǒng)對變頻器內(nèi)置PID模塊參數(shù)進(jìn)行預(yù)置，通過壓力傳感器對水壓的反饋構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；PID模塊根據(jù)用水量的變化調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實現(xiàn)恒壓供水，并達(dá)到有效節(jié)能的目的。本文首先介紹了采取變頻調(diào)速方式實現(xiàn)恒壓供水相對于傳統(tǒng)供水方式的節(jié)能原理；其次，對水泵機(jī)組的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換的條件、水泵由變頻轉(zhuǎn)工頻運行方式的切換過程進(jìn)行分析，著重研究并提出了基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)的方案，并給出了硬件設(shè)計和PLC控制程序設(shè)計,以及主電路圖和控制電路圖的繪制。關(guān)鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；恒壓供水

AbstractThesystemisdesignedforresidentialwatersetbytheinverter,PLC,waterpumpandotherequipmentconsistingofautomaticconstantpressurewatersupplycontrolsystem.ThesystemPLC,inverter,thecorrespondingsensorsandactuatorstogetherorganically,andtheirrespectiveadvantages,tothegreatestextenttomeettheneedsofastable,simpleandenergyefficientfeatures.ThesystemisbuiltonthedriveparameterspresetPIDmodules,pressuresensorsonthepressurethroughtheclosedloopfeedbackcontrolsystem;PIDblockchangesinwaterregulationunderthepumpoutputflow,constantpressurewatersupply,andtoachieveaneffectiveenergy-savingpurposes.Thispaperdescribestheapproachtakentoachievefrequencycontrolconstantpressurewatersupplycomparedtotraditionalmethodsofenergyconservationprinciple;Secondly,thestateofthepumpunitandconversionofvariouswatersupplyconditions,waterpumprunbythefrequencyswitchmodefrequencyoftheswitchingprocess,focusesontheproposedPLCandinverterbasedWaterSupplySystemprogram,andgivesthehardwaredesignandPLCcontrolprogramdesignandthemaincircuitandcontrolcircuitofthedrawing.Keywords:PLC;frequencyconversion;constantpressurewatersupply

目錄第一章緒論 11.2國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀 11.2.1國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)的研究狀況 21.2.2各類供水系統(tǒng)的比較 31.3本課題的總體方案 41.3.1系統(tǒng)的總體布局圖 51.3.2系統(tǒng)的總體方案 51.3.3本系統(tǒng)的特點 61.4本課題的主要工作 7第二章恒壓供水系統(tǒng)的原理 92.1變頻器 92.1.1變頻器的基本原理 92.1.2變頻器的結(jié)構(gòu)電路圖 102.1.3變頻器的配線 132.1.4故障診斷與對策 152.2軟起動 172.2.1軟起動的基本原理及性能特點 172.2.2軟啟動的主要起動方式 182.2.3常見故障的排除 19第三章供水系統(tǒng)中生活用水及消防用水的相關(guān)計算 213.1用戶用水量的相關(guān)計算 213.2水泵揚程的計算 233.3水泵的選擇 243.3.1生活供水泵的選擇 243.3.2消防泵的選擇 25第四章供水系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 274.1主要器件選型 274.1.1電動機(jī)選型 274.1.2變頻器和軟起動選型 274.1.3控制器件選型 284.2PID調(diào)節(jié)器 304.2.1PID調(diào)節(jié)原理 304.2.2PID參數(shù)設(shè)計 314.2.3PID設(shè)定值的調(diào)整及控制算法 324.3壓力傳感器 334.4供水系統(tǒng)的電氣設(shè)計 344.4.1恒壓供水思路 344.4.2強(qiáng)電驅(qū)動線路1 354.4.3強(qiáng)電驅(qū)動線路2 374.4.4電動閥控制電路 374.4.5PLC接線圖 384.4.6控制線路 39第五章恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計 425.1編寫PLC程序的基本步驟 425.2PLC程序中使用的繼電器 425.3恒壓供水系統(tǒng)I/O分配表 465.4程序流程圖 465.5程序編寫 475.5.1梯形圖的基本繪制規(guī)則 475.5.2梯形圖 475.6程序調(diào)試 475.6.1PLC程序的運行和模擬調(diào)試 475.6.2硬件功能調(diào)試 485.6.3系統(tǒng)總體調(diào)試 48結(jié)論 50參考文獻(xiàn) 51致謝 52附錄1PLC程序流程圖 53附錄2PLC程序 57第一章緒論1.1恒壓供水問題的提出隨著工業(yè)發(fā)展和人民生活水平的提高，用水量越來越多，而水資源有限，造成用水緊張。并且在城市化進(jìn)程迅速的今天，城市的居住形式主要是生活小區(qū)，那么小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)就顯得尤為重要。供水的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性直接影響到小區(qū)住戶的正常生活和工作。傳統(tǒng)的供水方式如水塔高位水箱供水，氣壓給水，單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等都存在不同程度浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。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，特別是在城鄉(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。應(yīng)用變頻器恒壓供水，水箱能大幅度減小，因此能有效地減小樓房的負(fù)載，由于減小了供水水箱和樓房的負(fù)荷，可以節(jié)約工程造價，相應(yīng)地也擴(kuò)大了樓房的面積。變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點，在供水行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電動機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化（實際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻器調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。1.2國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀變頻調(diào)速給水是國內(nèi)十幾年來發(fā)展起來的新型給水方式，已被廣泛應(yīng)用于居住區(qū)、高層大廈、工礦企業(yè)、農(nóng)村、城鎮(zhèn)的生活給水和一些生產(chǎn)工藝有特殊要求的生產(chǎn)給水系統(tǒng)。它有明顯的節(jié)能效果。凡需增壓的給水系統(tǒng)，為了節(jié)能，均可采用變頻調(diào)速給水系統(tǒng)。隨著我國科技發(fā)展和生產(chǎn)能力的提高，變頻調(diào)速給水控制方式也從一般邏輯電子電路控制方式，發(fā)展到可編程序控制器控制方式；從一臺泵固定變頻發(fā)展到按可編程序自動切換變頻的方式，使之運行更可靠、更合理、更加節(jié)能。1.2.1國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)的研究狀況目前,就國內(nèi)而言，歸結(jié)起來主要采用以下三種方法:（1）水池－水泵（恒壓變頻或氣壓罐）－管網(wǎng)系統(tǒng)－用水點這種方式是集中供水。對于一、二層是商業(yè)群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前較多采用此種供水方案。一般設(shè)計有地下生活水池一座，集中恒壓變頻供水，不設(shè)屋頂水箱。主水泵一般有三臺，二開一備自動切換，副泵為一般為一小流量泵，夜間用水量小時主泵自動切換到副泵，以維持系統(tǒng)壓力基本不變。恒壓變頻供水是較為理想和先進(jìn)的。首先恒壓變頻供水保證出水壓力不變，根據(jù)用水量大小進(jìn)行變頻供水，既節(jié)約電能，又保證水泵軟啟動（對電網(wǎng)電壓沖擊不大），延長了水泵壽命。各臺水泵自動輪換使用，即最先投入使用的水泵最早退出運行，這樣各臺水泵壽命均等，而且一旦水泵出現(xiàn)故障，該系統(tǒng)能自動跳過故障泵運行。如圖1-1所示。（2）水池－水泵－高位水箱－用水點此方式也是集中供水。單幢次高層和高層建筑的高壓供水區(qū)較多采用該種方案。一般也需要設(shè)計有一座地下水池，通過兩臺水泵（一用一備）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水點。該方式是較成熟的水泵、水箱供水方式。（3）單元水箱－單元增壓泵－單元高位水箱－各單位用水點此方式已簡化為單元總水表進(jìn)水。單元水箱和單元增壓泵實際上是一個整體，我們稱之為單元增壓器。由于有屋頂水箱，高水位時停泵，低水位時啟泵，這樣，水泵也有了停息時間，既省電又不至于一停電就停泵無水供應(yīng)，用水有了保障，社會效益較好。

圖1-1傳統(tǒng)恒壓供水方式1.2.2各類供水系統(tǒng)的比較1.2.1中三種供水方式是現(xiàn)階段常用的三種供水方式，這三種供水方式各有其特點，為小區(qū)供水提供了較多的選擇。（1）水池－水泵（恒壓變頻或氣壓罐）－管網(wǎng)系統(tǒng)－用水點是目前國內(nèi)外普遍采用的方法。該系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關(guān)”的順序關(guān)泵，工作泵與備用泵不固定死。這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運行時間，有效地防止因為備用泵長期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率，降低了維護(hù)費用。（2）水池－水泵－高位水箱－用水點這種供水方式通過水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用戶。雖然各種利用水箱進(jìn)行供水的系統(tǒng)都存在水箱清洗困難的問題，但是這種二次供水方式不可避免造成了較嚴(yán)重的二次污染，影響居民的身體健康。所以這種方案并不可取，終將淘汰。（3）單元水箱－單元增壓泵－單元高位水箱－各單位用水點的確也達(dá)到了樓房高層的用戶不因城市供水管網(wǎng)水壓減小而用不到水的目標(biāo)，但是它的投資較大，總費用比上兩種方式增加一、二十萬元。這些費用要在用戶的水電費上來扣除，這對于居民和學(xué)校來說是巨大的壓力，所以也不可取。結(jié)合小區(qū)用水的特點和經(jīng)濟(jì)效益的考慮,決定采用恒壓變頻供水系統(tǒng)。自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。但上述的恒壓供水系統(tǒng)有一個很大的弊病，就是在一個變頻泵已經(jīng)工作但壓力仍然達(dá)不到設(shè)定壓力，需要啟動另外一個泵時把主線路從變頻器切換到工頻線路上，從理論上講是不錯的，變頻器輸出電壓是380V，工頻線路輸出的也是380V。但是實際應(yīng)用中工頻線路的電壓是不定的。一般在水廠的配電室里對外輸出有兩到三個檔，一個是春秋季節(jié)時用的380V的供電電壓，另一個是夏天時用的420V或420V以上（因為用空調(diào)冰箱較多），設(shè)所需水壓0.2mpa，單泵只能達(dá)到0.195mpa，則需要加泵，當(dāng)線路由變頻切換到工頻時，電壓突然增大，多出來的電壓會使水泵向上抽更多的水，很有可能使水壓超過設(shè)定值，PLC根據(jù)壓力傳感器的信號令A(yù)泵退出運行，但實際水壓并未達(dá)到0.2mpa穩(wěn)定后仍然需要加泵，B泵頻率上升至50Hz，切換線路并啟動C泵，切換時又遇到剛才的狀況，導(dǎo)致水泵頻繁切換，但水壓始終上不去。1.3本課題的總體方案本設(shè)計針對恒壓供水控制系統(tǒng)包括軟硬件方面在工業(yè)實際應(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，這個操作方便的自動控制系統(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，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(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器件的使用壽命；可以消除起動和停機(jī)時的水錘效應(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)定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，使供水實現(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。1.3.1系統(tǒng)的總體布局圖圖1-2系統(tǒng)總體布局圖1.3.2系統(tǒng)的總體方案本系統(tǒng)采用3臺水泵并聯(lián)運行方式，把1泵和變頻器連接，實現(xiàn)變頻運行。為保護(hù)電機(jī)，2泵和3泵用軟起動器來啟動，起動參數(shù)可調(diào)，而且采用軟起動具有軟停車功能，即平滑減速，逐漸停機(jī)，它可以克服瞬間斷電停機(jī)沖擊電流大的弊病，減輕對管道的沖擊，避免高程供水系統(tǒng)的“水錘效應(yīng)”，減少設(shè)備損壞。在工作過程中，壓力傳感器將主管網(wǎng)水壓變換為電流信號，經(jīng)模擬量輸入模塊，輸入PLC，PLC根據(jù)給定的壓力設(shè)定值與實際檢測值進(jìn)行PID運算，輸出控制信號經(jīng)模擬量輸出模塊至變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的頻率。當(dāng)用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下恒壓運行，當(dāng)用水量大到水泵全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力達(dá)到設(shè)定值時，壓力傳感器上傳的信號被PLC檢測到，PLC自動將變頻泵的頻率降至出水頻率，同時將第二臺泵軟啟動投入到工頻運行，以保持壓力的穩(wěn)定，此時管網(wǎng)壓力恒定依靠調(diào)節(jié)變頻泵頻率實現(xiàn)；一段時間后，若2臺泵運轉(zhuǎn)仍不能滿足壓力的要求，則依次將軟啟動下一臺水泵。當(dāng)用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號有效，這時實際壓力值大于設(shè)定壓力，PLC將最后啟動的工頻泵停掉，以減少供水量。一段緩沖時間后，當(dāng)變頻器仍工作在出水頻率以下時，PLC再軟停車停掉第2臺工頻運行的電機(jī)，此時管網(wǎng)壓力恒定依靠調(diào)節(jié)變頻泵頻率實現(xiàn)。為了防止備用泵銹死，用PLC設(shè)定時，B、C泵循環(huán)備用。循環(huán)時間可默認(rèn)定在每周三凌晨2點，因為這時用水量較少，備用泵循環(huán)可順利進(jìn)行。主要參數(shù)的設(shè)定可用文本顯示器來設(shè)定，省去了改寫程序的麻煩。綜上所述，恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制水泵組的變頻調(diào)速運行，并自動調(diào)整水泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進(jìn)行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機(jī)的投入運行的臺數(shù)和運行變量泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力數(shù)值上。1.3.3本系統(tǒng)的特點（1）設(shè)備時刻監(jiān)測供水量。在變壓（或恒壓）給水條件下，經(jīng)過微機(jī)控制水泵機(jī)組的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速，使之處于高效節(jié)能的運行狀態(tài)，避免了電能的浪費。水泵在微機(jī)和變頻控制器控制下軟起動，啟動電流?。ㄒ话悴怀^額定工作電流的110%），能耗少。與常規(guī)繼電接觸器控制相比，節(jié)電10%~30%。（2）以微機(jī)控制水泵運行，調(diào)整速度快，控制精度高。一般恒壓給水系統(tǒng)給水壓力誤差±0.02Mpa。（3）水泵的軟啟動，降低了對電網(wǎng)供電容量的要求，減少了水泵機(jī)組的機(jī)械沖擊和磨損及水泵切換時的振蕩現(xiàn)象，因而延長了設(shè)備的使用壽命。（4）設(shè)備一般均具有變頻自動、工頻手動、手動三種操作方式，且以微機(jī)控制運行，使之管理簡便，運行可靠。（5）變頻給水具有軟啟動、過載、短路、過壓、欠壓、缺相、過熱和失速保護(hù)功能，在異常情況下的聲、光信號報警，且有自檢、故障判斷功能，設(shè)備運行更加安全可靠。（6）設(shè)備一般均為一體化裝置，體積小占地少。其中提高備用泵的利用率和節(jié)能是本給水系統(tǒng)的主要特點，故引用以下一個例子加以說明。在山東農(nóng)村，每村平均戶數(shù)在260戶左右，每戶每月用水量大約在3t，每月全村用水量約780t，平均每天用水約26t。經(jīng)過統(tǒng)計，每天早、中、晚各1h用水量之和占全天用水量的80％左右，即3h供水量為21t，平均7t/h。而其他21h供水總量為5.4t，平均0.26t/h。如該村選用的潛水電泵是2OOQj32—52/4，額定流量32m/h，額定功率7.5KW，則在除早、中、晚三時的時間里，其流量占額定流量的0.81％，不足1％，而在早中晚三時，流量占額定流量的21％。根據(jù)試驗，當(dāng)2OOQj32—52/4潛水電泵與變頻設(shè)備合理匹配的情況下，當(dāng)流量達(dá)到額定流量21％，其能耗為3.1KW。由上面的分析可知，早中晚三時供水總量為80％，而耗電量為9.3kW·h；而其他21個小時，供水總量為20％，而耗電量為34.65kW·h。早、中、晚三時供水量80％，只占全天耗電的21％，而其余時間供水量20％，耗電卻占全天的79％。這顯然是極不合理的現(xiàn)象。因此，必須解決好微小流量時能耗大效率低的問題。當(dāng)流量較小時，恒壓供水模式將轉(zhuǎn)換成壓差供水模式。壓差供水模式的工作過程如下，當(dāng)流量條件滿足壓差方式時，系統(tǒng)自動切換。變頻泵以50Hz的頻率開啟，向微泄露補(bǔ)償器壓水，當(dāng)壓力達(dá)到壓差上限時，水泵停止供水并停機(jī)。這時管道的壓力由微泄露補(bǔ)償器來提供。當(dāng)壓力傳感器檢測到壓力低于壓差下限時，變頻泵再次以工頻把補(bǔ)償器壓滿。在壓力達(dá)到壓差上限時，定時器同時計時，在變頻器若干次的啟停后（系統(tǒng)默認(rèn)為4次），PLC自動比較壓力由壓差上限到壓差下限的的時間是否低于系統(tǒng)設(shè)定的頻率上升時間，若都低于說明需水量已增大，系統(tǒng)就自動切換到恒壓供水狀態(tài)。微泄露補(bǔ)償器是比傳統(tǒng)的壓力罐、氣壓罐更先進(jìn)、更環(huán)保的恒壓裝置。只使用普通氣囊儲氣，而微泄露補(bǔ)償器使用高質(zhì)量橡膠囊儲氣，杜絕了二次污染。本系統(tǒng)是由變頻技術(shù)、壓差—恒壓自動轉(zhuǎn)換技術(shù)及微泄露補(bǔ)償技術(shù)組成。采用這種技術(shù)供水時，變頻設(shè)備能自動的根據(jù)供水流量轉(zhuǎn)換供水方式，并利用微泄漏補(bǔ)償器儲能，來實現(xiàn)微小流量下高效率供水的目標(biāo)。1.4本課題的主要工作畢業(yè)設(shè)計課題是變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計，大體包括以下五項內(nèi)容：1.緒論主要介紹恒壓供水問題的提出、國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀、以及恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義，簡述了目前我們常用的供水系統(tǒng)，根據(jù)社會發(fā)展的需要必須要進(jìn)行技術(shù)改造，變頻器的廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)越性越來越多，主要是節(jié)能、恒壓、綜合技術(shù)的集成等，以后將朝大容量、小體積、高性能、易操作、壽命高、可靠性強(qiáng)、無公害化發(fā)展，從而可以看出變頻調(diào)速恒壓供水的廣泛前景；并且對幾種供水系統(tǒng)進(jìn)行了比較，從工作原理到優(yōu)越性均進(jìn)行了細(xì)致的闡述。2.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論原理主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理，變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理；變頻器的工況點的確定和能耗機(jī)理分析，以及系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定。3.各種附圖的繪制：工程設(shè)計離不開圖紙，繪制各種圖是設(shè)計工程的基本要求。本設(shè)計應(yīng)需四張圖，包括：生活泵主電路，消防泵主電路，消防控制電路，變頻器的外部接線圖，可編程控制器PLC的外部接線圖等。4.供水量、水泵揚程及其相關(guān)計算。5.元器件的選擇：根據(jù)元器件的選取原則，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，根據(jù)經(jīng)驗公式選取合適的器件。總之，通過完成畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容，必須掌握變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計的一系列技術(shù)，也必須達(dá)到如下要求：完成畢業(yè)論文說明書；完成恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計出能正常運行的系統(tǒng)軟件；完成PLC與變頻器的外部接線。

第二章恒壓供水系統(tǒng)的原理2.1變頻器變頻器的功能是將頻率固定的(通常為50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電。變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經(jīng)濾波由電容Cd輸出直流電壓Vd，逆變器將直流Ud變換成頻率可調(diào)的交流電源供給電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當(dāng)于是恒壓源，故稱電壓型。電流型交-直-交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當(dāng)于電流源，故稱電流型。2.1.1變頻器的基本原理變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié)4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。從理論上可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速N與供電頻率f有以下關(guān)系：n=2×60f(1-s)∕q(2-1）(q-電機(jī)極數(shù)s-轉(zhuǎn)差率)由上式可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，如果不改變電動機(jī)的級數(shù)，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。變頻器在工頻以下和工頻以上工作時的情況：（1）變頻器小于50Hz時，由于I*R很小，所以U/F=E/F不變時，磁通為常數(shù)，轉(zhuǎn)矩和電流成正比，這也就是為什么通常用變頻器的過流能力來描述其過載（轉(zhuǎn)矩）能力，并成為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。（2）變頻器50Hz以上時，通常的電機(jī)是按50Hz電壓設(shè)計制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(nèi)給出的。因此在額定頻率之下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。(T=Te,P<=Pe)變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關(guān)系下降。當(dāng)電機(jī)以大于50Hz頻率速度運行時，電機(jī)負(fù)載的大小必須要給予考慮，以防止電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不足。舉例，電機(jī)在100Hz時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的1/2。因此在額定頻率之上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速。下面用公式來定性的分析一下頻率在50Hz時的情況。眾所周知，對一個特定的電機(jī)來說,其額定電壓和額定電流是不變的。如變頻器和電機(jī)額定值都是:15kW/380V/30A,電機(jī)可以工作在50Hz以上。當(dāng)轉(zhuǎn)速為50Hz時，變頻器的輸出電壓為380V，電流為30A。這時如果增大輸出頻率到60Hz，變頻器的最大輸出電壓電流還只能為380V/30A。很顯然輸出功率不變。所以我們稱之為恒功率調(diào)速。這時的轉(zhuǎn)矩情況怎樣呢？由于功率是角速度與轉(zhuǎn)矩的乘積。因為功率不變，角速度增加了，所以轉(zhuǎn)矩會相應(yīng)減小。我們還可以再換一個角度來看：從電機(jī)的定子電壓U=E+I×R(I-電流，R-電子電阻，E-感應(yīng)電勢)（2-2）可以看出，U、I不變時，E也不變。而E=k×f×X(k-常數(shù)，f-頻率，X-磁通)（2-3）所以當(dāng)f由50-->60Hz時，X會相應(yīng)減小。對于電機(jī)來說，T=K×I×X(K-常數(shù)，I-電流，X-磁通)（2-4）因此轉(zhuǎn)矩T會跟著磁通X減小而減小。結(jié)論：當(dāng)變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會減小。2.1.2變頻器的結(jié)構(gòu)電路圖目前，通用型變頻器絕大多數(shù)是交—直—交型變頻器，通常尤以電壓器變頻器為通用，其主回路圖（見圖2-1），它是變頻器的核心電路，由整流回路（交—直交換），直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直—交變換）組成，當(dāng)然還包括有限流電路、制動電路、控制電路等組成部分。圖2-1變頻器的結(jié)構(gòu)電路圖（1）整流電路

如圖2-2所示，通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò)的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號和浪涌過電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當(dāng)電源電壓為三相380V時，整流器件的最大反向電壓一般為1200—1600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。圖2-2整流電路圖（2）濾波電路

逆變器的負(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動機(jī)，無論異步電動機(jī)處于電動或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動機(jī)之間，總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件來緩沖。同時，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動，直流濾波電路起到對整流電路的輸出進(jìn)行濾波的作用。通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因為電解電容器容量有較大的離散性，這將使它們隨的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個阻值等相的勻壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會嚴(yán)重制約變頻器的壽命。

（3）逆變電路

逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。最常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個功率開關(guān)器件（GTR、IGBT、GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護(hù)電路及驅(qū)動電路。如三菱公司生產(chǎn)的IPMPM50RSA120，富士公司生產(chǎn)的7MBP50RA060，西門子公司生產(chǎn)的BSM50GD120等，內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測保護(hù)功能。模塊的典型開關(guān)頻率為20KHz，保護(hù)功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時輸出故障信號燈。逆變電路中都設(shè)置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當(dāng)頻率下降時，異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當(dāng)位于同一橋臂上的兩個開關(guān)，同時處于開通狀態(tài)時將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實際的通用變頻器中還設(shè)有緩沖電路等各種相應(yīng)的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時，對換流器件進(jìn)行保護(hù)。

2.1.3變頻器的配線1、主回路端子臺的配線圖如圖2-3所示。圖2-3變頻器配線圖2、控制回路端子（1）控制回路端子圖變頻器實際應(yīng)用中接線端子排列如圖2-4所示。圖2-4變頻器端子圖（2）控制回路端子功能說明變頻器中所用的各個端子說明如表2-1所示。JP1跳線說明：電源：1-2短接，V+輸出5V/50mA。電源：2-3短接，V+輸出10V/10mA。

表2-1變頻器端子功能表種類端子符號端子功能備注模擬輸入V+向外提供+5V/50mA電源或+10V/10mA電源由控制板上JP1選擇V-向外提供-10V/10mA電源VI1頻率設(shè)定電壓信號輸入端10～10VVI2頻率設(shè)定電壓信號輸入端2-10～10VII頻率設(shè)定電流信號輸入正端（電流流入端）0～20mAGND頻率設(shè)定電壓信號的公共端（V+、V-電源地），頻率設(shè)定電流信號輸入負(fù)端（電流流出端）控制端子X1多功能輸入端子1多功能輸入端子的具體功能由參數(shù)L-63~L-69設(shè)定，端子與CM端閉合有效X2多功能輸入端子2X3多功能輸入端子3X4多功能輸入端子4X5多功能輸入端子5X6多功能輸入端子6X7多功能輸入端子7，也可作外部脈沖信號的輸入端子FWD正轉(zhuǎn)控制命令端與CM端閉合有效，F(xiàn)WD-CM決定面板控制方式時的運轉(zhuǎn)方向。REV逆轉(zhuǎn)控制命令端RST故障復(fù)位輸入端CM控制端子的公共端+24向外提供的+24V/50mA的電源（CM端子為該電源地）模擬輸出AM可編程電壓信號輸出端，外接電壓表頭（由參數(shù)b-10設(shè)定）最大允許電流1mA輸出電壓0～10VFM可編程頻率信號輸出端，外接頻率計（由參數(shù)b-11設(shè)定）最高輸出信號頻率50KHz、幅值10VAM-AM、FM端子的公共端內(nèi)部與GND端相連OC輸出OC1OC2可編程開路集電極輸出，由參數(shù)b-15及b-16設(shè)定最大負(fù)載電流50mA，最高承受電壓24V故障輸出TATBTC變頻器正常：TA-TB閉合TA-TC斷開變頻器故障：TA-TB斷開TA-TC閉合觸點容量：AC250V1A阻性負(fù)載RS485通訊ABRS485通訊端子

3、變頻器的基本配線圖如圖2-5所示。圖2-5變頻器基本配線圖2.1.4故障診斷與對策當(dāng)變頻器有故障時，1泵故障輸入置1，1泵停止，具體故障如表2-2。

表2-2變頻器故障對策表故障代碼故障說明可能原因?qū)Σ逧r.01加速中過流1.加速時間過短2.轉(zhuǎn)矩提升過高或V/F曲線不合適1.延長加速時間2.降低轉(zhuǎn)矩提升電壓、調(diào)整V/F曲線Er.02減速中過流減速時間太短增加減速時間Er.03運行中過流負(fù)載發(fā)生突變減小負(fù)載波動Er.04加速中過壓1.輸入電壓太高2.電源頻繁開、關(guān)1.檢查電源電壓2.用變頻器的控制端子控制變頻器的起、停Er.05減速中過壓1.減速時間太短2.輸入電壓異常1.延長減速時間2.檢查電源電壓3.安裝或重新選擇制動電阻Er.06運行中過壓1.電源電壓異常2.有能量回饋性負(fù)載1.檢查電源電壓2.安裝或重新選擇制動電阻Er.07停機(jī)時過壓電源電壓異常檢查電源電壓Er.08運行中欠壓1.電源電壓異常2.電網(wǎng)中有大的負(fù)載起動1.檢查電源電壓2.分開供電Er.09變頻器過載1.負(fù)載過大2.加速時間過短3.轉(zhuǎn)矩提升過高或V/F曲線不合適4.電網(wǎng)電壓過低1.減小負(fù)載或更換成較大容量變頻器2.延長加速時間3.降低轉(zhuǎn)矩提升電壓、調(diào)整V/F曲線4.檢查電網(wǎng)電壓Er.10電機(jī)過載1.負(fù)載過大2.加速時間過短3.保護(hù)系數(shù)設(shè)定過小4.轉(zhuǎn)矩提升過高或V/F曲線不合適1.減小負(fù)載2.延長加速時間3.加大電機(jī)過載保護(hù)系數(shù)（H-2）4.降低轉(zhuǎn)矩提升電壓、調(diào)整V/F曲線Er.11變頻器過熱1.風(fēng)道阻塞2.環(huán)境溫度過高3.風(fēng)扇損壞1.清理風(fēng)道或改善通風(fēng)條件2.改善通風(fēng)條件、降低載波頻率3.更換風(fēng)扇Er.12輸出接地1.變頻器的輸出端接地2.變頻器與電機(jī)的連線過長且載波頻率過高1.檢查連接線2.縮短接線、降低載波頻率Er.13干擾由于周圍電磁干擾而引起的誤動作給變頻器周圍的干擾源加吸收電路Er.14輸出缺相變頻器與電機(jī)之間的接線不良或斷開檢查接線Er.15IPM故障1.輸出短路或接地2.負(fù)載過重1.檢查接線2.減輕負(fù)載Er.16外部設(shè)備故障變頻器的外部設(shè)備故障輸入端子有信號輸入檢查信號源及相關(guān)設(shè)備Er.17電流檢測錯誤1.電流檢測器件或電路損壞2.輔助電源有問題向廠家尋求服務(wù)Er.18PID反饋故障1.PID反饋信號線斷開2.用于檢測反饋信號的傳感器發(fā)生故障3.反饋信號與設(shè)定不符1.檢查反饋通道2.檢查傳感器有無故障3.核實反饋信號是否符合設(shè)定要求2.2軟起動2.2.1軟起動的基本原理及性能特點交流電機(jī)軟啟動器工作原理：軟起動的工作原理是由檢測回路和控制回路將信號送至微電腦，通過微電腦的計算(主板)，給驅(qū)動電路(驅(qū)動板)發(fā)出啟動運行信號，驅(qū)動電路根據(jù)接收的控制信號，發(fā)出相應(yīng)的控制信號控制串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)可控硅的觸發(fā)角，通過控制可控硅觸發(fā)角的大小來改變可控硅的開通程度，從而達(dá)到控制電機(jī)啟動的目的。一般變頻器內(nèi)均包含軟起動器，無特殊需要不必另設(shè)軟起動器。(其控制原理見圖2-6所示)。

圖2-6軟啟動的控制框圖軟起動起動性能特點：

三臺電機(jī)可分別啟動，也可同時啟動。

(1)啟動電壓可調(diào)，保證電機(jī)啟動的最小啟動轉(zhuǎn)矩，避免電機(jī)過熱和能源浪費。

(2)控制電機(jī)平滑啟動，減少啟動電流沖擊。

(3)啟動電流可根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整，減少啟動損耗，以最小的電流產(chǎn)生最佳的轉(zhuǎn)矩。

(4)啟動時間可調(diào)，在該時間范圍內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升，避免轉(zhuǎn)速沖擊。

(5)對傳動機(jī)械的機(jī)械保護(hù)，清除轉(zhuǎn)矩浪涌并降低沖擊電流。

(6)恒定的加減速，不需要測速機(jī)，即使當(dāng)電機(jī)負(fù)載變化時也是如此。

(7)自由停車和軟停車可選，軟停車快慢可調(diào)。

(8)有相序、缺相、過熱、啟動過程過流、運行過程過流和過載的檢測及保護(hù)，其過流值和過載值可調(diào)。2.2.2軟啟動的主要起動方式軟起動器的起動方式是指用什么方法使電動機(jī)由靜止態(tài)到穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)態(tài)。例如限電流起動，電壓斜坡起動，電流帶沖擊的(“踢一腳”)起動(這個沖擊有助于克服靜阻矩)，以及這些方式的交替或組合起動方式等。

(1)電壓雙斜坡起動：如圖2-7所示，在起動過程中，電機(jī)的輸出力矩隨電壓增加，在起動時提供一個初始的起動電壓，根據(jù)負(fù)載可調(diào)，將調(diào)到大于負(fù)載靜摩擦力矩，使負(fù)載能立即開始轉(zhuǎn)動。這時輸出電壓從開始按一定的斜率上升(斜率可調(diào))，電機(jī)不斷加速。當(dāng)輸出電壓達(dá)到達(dá)速電壓時，電機(jī)也基本達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。軟起動器在起動過程中自動檢測電壓，當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，使輸出電壓達(dá)到額定電壓。

圖2-7啟動輸出特性(2)限流起動：就是電機(jī)的起動過程中限制其起動電流不超過某一設(shè)定值(J)的軟起動方式。其輸出電壓從零開始迅速增長，直到輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值J，然后保持輸出電流J(J的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。這種起動方式的優(yōu)點是起動電流小，且可按需要調(diào)整。對電網(wǎng)影響小，其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間。

(3)突跳起動：這一起動開始階段，讓晶閘管在極短的時間內(nèi)全導(dǎo)通后回落，再按原設(shè)定的值線性上升，進(jìn)入恒流起動，該起動方法適用于重載并需克服摩擦的起動場合。如采用此方式，還可以減少啟動時的振動。其原理如圖2-8所示：

圖2-8啟動輸出特性

(4)組合起動方式：施耐德及西門子軟啟動器就采用的是組合起動方式，此種啟動方式是在滿足給定的電壓與電流條件下，主板根據(jù)負(fù)荷變化，通過計算，輸出一種最佳啟動方式。組合起動方式對主板要求較高，但是啟動效果較好，適用于大負(fù)荷及對啟動要求較高的場所。2.2.3常見故障的排除STR軟啟動器有10種保護(hù)功能。當(dāng)軟啟動器故障保護(hù)功能動作時，軟啟動器立即停機(jī)。操作鍵盤顯示故障保護(hù)代碼，用戶可根據(jù)代碼所對應(yīng)的故障原因進(jìn)行分析處理。在故障排除后，可通過復(fù)位鍵RESET進(jìn)行復(fù)位。使軟啟動器回到啟動準(zhǔn)備狀態(tài)。詳見表2-3。表2-3軟啟動器故障對策表常見故障原因說明處理辦法Phr進(jìn)線電源相序錯誤調(diào)換任兩相進(jìn)線Pho進(jìn)線電源缺相檢查進(jìn)線使之可靠接入Pr01起動峰值電流過流保護(hù)起動電流超過4倍Ie調(diào)整起動時間及起始電壓Pr02I2t保護(hù)調(diào)整限流參數(shù)或起動時間參數(shù)設(shè)定Pr03電動機(jī)過流保護(hù)避免負(fù)載急劇變化Pr04電動機(jī)過載保護(hù)減小電機(jī)負(fù)載Pr05非法起動保護(hù)重新確認(rèn)控制模式Pr06在起動或運行中缺相檢查進(jìn)線電源Pr07干擾保護(hù)處理干擾源Pr08設(shè)定參數(shù)丟失重新設(shè)定各參數(shù)OH過熱保護(hù)降低起動頻度

第三章供水系統(tǒng)中生活用水及消防用水的相關(guān)計算3.1用戶用水量的相關(guān)計算設(shè)計秒流量計算后填入表3-1：取ɑ=2.16（即每人每日最高用水量標(biāo)準(zhǔn)125L/人），k=0.002,每層各設(shè)置拖布池和家具盆一個，分段編號計算管徑（拖布池Ng為1.0，家具盆為0.7）生活秒流量計算公式：qg=0.2ɑ√Ng+kNg(L/s)ɑ,k—根據(jù)建筑物用途而定的系數(shù)Ng—計算管段的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量總數(shù)eq\o\ac(○,1)管段秒流量q=0.2L/seq\o\ac(○,2)管段秒流量q=0.2×2.16√1.7+0.002×1.7=0.259L/s，其中該段的N=1.0+0.7=1.7eq\o\ac(○,3)管段秒流量q=0.2×2.16√3.4+0.002×3.4=0.3592L/s,其中N=3.4eq\o\ac(○,4)管段秒流量q=0.2×2.16√5.1+0.002×5.1=0.436L/s,其中N=5.1eq\o\ac(○,5)管段秒流量q=0.2×2.16√6.8+0.002×6.8=0.5L/s,其中N=6.8eq\o\ac(○,6)管段秒流量q=0.2×2.16√8.5+0.002×8.5=0.555L/s,其中N=8.5eq\o\ac(○,7)管段秒流量q=0.2×2.16√10.2+0.002×10.2=0.6065L/s,其中N=10.2

管段編號衛(wèi)生潔具的當(dāng)量拖布池家具盆當(dāng)量總數(shù)Ng設(shè)計秒流量q(L/s)管徑DN(mm)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,7)1.01.00.72.01.43.02.14.02.85.03.56.04.21.01.73.45.16.88.510.20.20.2590.35920.4360.50.5550.605015202020202020表3-1根據(jù)計算的設(shè)計秒流量，查表選擇管徑。根據(jù)下表（住宅最高日生活用水定額及小時變化系數(shù)）可得表3-2住宅類別衛(wèi)生器具設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)用水定額/（L/人*d）小時變化系數(shù)Kh普通住宅I有大便器.洗滌盆85-150=2\*ROMANII有大便器洗臉盆洗滌盆洗衣機(jī)沐浴設(shè)備130-300Ⅲ有大便器洗臉盆洗滌盆洗衣機(jī)集中熱水供應(yīng)和沐浴設(shè)備180-320別墅有大便器洗臉盆洗滌盆洗衣機(jī)灑水栓，家用熱水機(jī)組和沐浴設(shè)備200-350最大小時用水量的計算公式：其中：T＝24h為每日用水時間Kh—時間常數(shù)（I類住宅，Kh＝2.5）由題目已知，用水量在4-14立方米每小時變化，則Qh=14m3/h根據(jù)公式可求出Qd=134.4。最高日用水量的計算公式：其中—最高日生活用水量qd—單位用水定額（I類住宅，qd＝125L/人）m—設(shè)計小區(qū)內(nèi)的人數(shù)則m=1075.2,即設(shè)計小區(qū)內(nèi)的人數(shù)約為1076人。取與Qq中較大者作為供水標(biāo)準(zhǔn)，流量取?？紤]選泵時留有裕度10％～15％，所以按×（1＋10％）＝14×110％＝15.4/h選泵。消防用水量根據(jù)規(guī)范，人數(shù)小于2.5萬人時，一次滅火用水量為15L/S，本小區(qū)人數(shù)為1076人，消防用水量選為15L/S,選泵時留有裕度10％，所以Qq消防＝Qq×110％＝15×110％＝16.5L/S=59/h。3.2水泵揚程的計算在供水系統(tǒng)中，一般把最遠(yuǎn)最高層作為計算依據(jù)。如果小區(qū)最遠(yuǎn)點的建筑不是最高的建筑，則必須選擇兩個最不利供水點分別計算供水揚程，并以供水揚程較大的建筑最遠(yuǎn)點供水揚程。壓力換算公式：1at=760mmHg=10mH2O=105Pa=0.1MPa由題目已知供水壓力恒定為（28±1）mH2O,則28mH2O=0.28Pa（應(yīng)保持室外壓力H0近似等于室內(nèi)壓力H）理論上，若0.1Mpa的壓力可以獲得10m揚程，因此，供水揚程可計算如下：H＝P/0.01H—供水揚程P—供水壓力0.01MPa揚程為1m，此設(shè)計給定水壓為0.28Mpa，所以揚程H為28m。在使用變頻器進(jìn)行調(diào)速調(diào)壓的供水系統(tǒng)中，水泵的總揚程與所需揚程相差不大時，變頻調(diào)速的節(jié)能效果并不明顯，但是也并不是水泵的總揚程與所需揚程相差越大越好，如果相差太大，電機(jī)的電流就會過大，若長時間運行將導(dǎo)致電機(jī)溫度升高，絕緣層就會加速老化，并且有可能過電流導(dǎo)致變頻器停機(jī)保護(hù)。綜合考慮，所選揚程應(yīng)在所需揚程的1.3—1.5倍之間，因此揚程應(yīng)取36.4m—42m之間。3.3水泵的選擇3.3.1生活供水泵的選擇在水泵并聯(lián)時，多臺水泵的流量并不等于多臺水泵中每臺水泵出水量之和。根據(jù)經(jīng)驗公式，兩臺水泵并聯(lián)時流量為單臺的190％，三臺水泵并聯(lián)時，流量為單臺的251％，四臺水泵并聯(lián)流量僅為單臺的284％。因此，在本設(shè)計中綜合考慮，使用三臺泵進(jìn)行生活用水的供水。選三臺水泵每臺水泵流量為/2.51＝14/2.51＝5.58/h。在小區(qū)供水中，對于沒有特殊要求的，綜合成本、維護(hù)等各方面的情況，一般選擇單級單吸式離心泵，IS型單級單吸清水離心泵是按照國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的一種普適性水泵適用于：工業(yè)制藥，飲料，化工等工礦和城市給水，排水，亦可用于農(nóng)業(yè)排灌。結(jié)構(gòu)簡單，單級單吸軸向吸入便于維護(hù)，因此選用此類水泵。表3-3IS型單級單吸離心泵性能參數(shù)型號流量

mз/h揚程

m轉(zhuǎn)速

r/min電機(jī)功率

KW口徑mm吸入排出IS50-32-12512.52029002.250326.3514500.555032IS50-32-16012.5322900350326.3814500.555032IS50-32-20012.55029000.550326.312.514500.755032IS50-32-25012.58029001150326.32014501.55032IS65-50-125252029003655012.5514500.556550IS65-50-160253229005.5655012.5814500.756550IS65-40-200255029007.5654012.512.514501.16540IS65-40-2502580290015654012.52014502.26540IS65-40-31525125290030654012.532145046540IS80-65-125502029005.5806525514500.758065IS80-65-160503229007.5806525814501.58065IS80-50-200505029001580502512.514502.28050IS80-50-250508029002280502520145038050IS80-50-315501252900378050253214505.58050IS100-80-125100202900111008050514501.510080IS100-80-160100322900151008050814502.210080IS100-65-20010050290022100655012.51450410065IS100-65-2501008029003710065502014505.510065IS100-65-31510012529007510065503214501110065IS125-100-2002005029004512510010012.514507.5125100IS125-100-2502008029007512510010020145011125100IS125-100-315200125290011012510010032145015125100IS125-100-40010050145030125100IS150-125-25020020145018.5150125IS150-125-31520032145030150125IS150-125-40020050145045150125IS200-150-25040020145037200150IS200-150-31540032145055200150IS200-150-40040050145090200150根據(jù)用戶用水流量和水泵揚程，表3-3中有多種型號均符合條件，在此選擇IS65-40-250型即可。3.3.2消防泵的選擇消防水泵應(yīng)采用一用一備，或多用一備，備用消防泵的工作能力不應(yīng)小于其中最大一臺工作消防泵。當(dāng)為多用一備時，應(yīng)考慮多臺消防泵并聯(lián)時，流量疊加對消防泵出口壓力的影響。選擇消防泵時，其水泵性能曲線應(yīng)平滑無駝峰，消防泵零流量時的壓力不應(yīng)超過系統(tǒng)設(shè)計額定壓力的140%，當(dāng)水泵流量為額定流量的150%時，此時消防泵的壓力不應(yīng)低于額定壓力的65%。消防泵電機(jī)軸功率應(yīng)滿足水泵流量揚程曲線上任何一點的工作要求。最好選擇消防專用水泵。小區(qū)消防用水Qq＝59/h，查規(guī)范有：六層最不利配水點，消火栓剩余壓力為0.23Mpa，所以選水泵揚程為28＋23＝51m。消防泵選用自吸水泵XBD-5.78/23.89—IS100—65—250B--JM型消防專用水泵一臺。備用泵選擇同樣型號的水泵。XBD型消防泵可傳送80以下的清水或物理化學(xué)性質(zhì)類似于水的液體之用，也可用于高層建筑的生活供水、工廠倉庫、電站、碼頭消防用泵及城市礦山給排水。表3-4XBD-5.78/23.89—IS100—65—250B--JM型消防專用水泵性能參數(shù)流量（）揚程（m）轉(zhuǎn)速（r/min）效率（%）汽蝕余量（m）功率（kw）軸電動機(jī)86592900723.819.322

第四章供水系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計4.1主要器件選型4.1.1電動機(jī)選型（1）電動機(jī)容量的選擇：電動機(jī)的容量可以根據(jù)水泵的軸功率和電動機(jī)與水泵轉(zhuǎn)速一致來選擇。（2）電動機(jī)的選擇：生活供水水泵電動機(jī)選Y系列三相異步電動機(jī)，Y180M—Ⅱ型電動機(jī)三臺。電機(jī)參數(shù)：額定功率22KW，滿載時：定子電流為42.2A，轉(zhuǎn)速為2940r/min，效率為88％，功率因數(shù)為0.88，啟動電流為額定電流的7倍，啟動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.7倍，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2.2倍。消防泵電機(jī)選用Y系列三相異步電動機(jī)，同樣選用Y180M—Ⅱ型電動機(jī)兩臺。電機(jī)的性能參數(shù)如表3-3和3-4中所示。4.1.2變頻器和軟起動選型1變頻器選型：根據(jù)設(shè)計題目要求可以選擇西門子430變頻器，MicroMaster430。其外形特點如圖4-1所示：圖4-1各項功能特點：（1）風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩控制專家--傳動平穩(wěn)，輕松無憂。MicroMaster430是全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家。功率范圍7.5kW至250kW。它按照專用要求設(shè)計，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)(BiCo)技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性。控制軟件可以實現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動/自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運行方式等。（2）控制功能：線性v/f控制，并帶有增強(qiáng)電機(jī)動態(tài)響應(yīng)和控制特性的磁通電流控制(FCC)，多點v/f控制。內(nèi)置PID控制器?？焖匐娏飨拗疲乐惯\行中不應(yīng)有的跳閘。數(shù)字量輸入6個，模擬量輸入2個，模擬量輸出2個，繼電器輸出3個；具有15個固定頻率，4個跳轉(zhuǎn)頻率，可編程。采用BiCo技術(shù)，實現(xiàn)I/O端口自由連接。集成RS485通訊接口，可選PROFIBUS-DP通訊模塊。靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器，可選平滑功能。三組參數(shù)切換功能：電機(jī)數(shù)據(jù)切換，命令數(shù)據(jù)切換。風(fēng)機(jī)和泵類專用功能：多泵切換，旁路功能，手動/自動切換，斷帶及缺水檢測，節(jié)能方式。（3）保護(hù)功能：過載能力為140％額定負(fù)載電流，持續(xù)時間3秒和110％額定負(fù)載電流，持續(xù)時間60秒。過電壓、欠電壓保護(hù)。變頻器過溫保護(hù)。接地故障保護(hù)，短路保護(hù)。I2t電動機(jī)過熱保護(hù)。PTC/KTY電機(jī)保護(hù)。2軟起動選型：根據(jù)電動機(jī)頻率值，軟起動器可選擇STR015A，功率為18.5KW。4.1.3控制器件選型器件：使用國產(chǎn)配置 功率：30KW電流：62A

表4-1器件名稱數(shù)量貨品型號規(guī)格可編程控制器1FX2N-32MR-001PLC數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊1FX2N-4DAPLC模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊1FX2N-4AD空氣開關(guān)3DZ47-63/3P-50A交流接觸器4CJ-X1-45/22-220V熱繼電器33U-A59/25-40A壓力傳感器1YYB-ES（錢江儀器儀表廠）中間繼電器2JZ-C1-22V萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)1LW112旋鈕3LAY37-NED1紅按鈕3LAY16-A-01R綠按鈕3LAY16-A-10G紅指示燈5AD16-22R31綠指示燈4AD16-22G31熔斷器1HG30-32熔芯1RT14-10A電流表16L2-100/5A電壓表16L2-450V電流互感器1LMK-0.66-100/5A液位控制器261F-GP-N(歐姆龍)接線端子5JH9-15A接線端子13JH9-100A浮動開關(guān)1GSK-1B(精士)控制柜殼11200*600*370

4.2PID調(diào)節(jié)器4.2.1PID調(diào)節(jié)原理圖4-2PID控制接線圖僅用P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動作的P+I控制。用PI控制時，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是，I動作過強(qiáng)時，對快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨使用P動作控制。對于PD控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨D動作還要大的操作量，以此抑制偏差的增加。偏差小時，P動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負(fù)載場合，僅P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負(fù)載。利用I動作消除偏差作用和用D動作抑制振蕩作用。在結(jié)合P動作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時間的負(fù)載系統(tǒng)（即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié)）效果比較好。

PID調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是：(4-1)或（4-2）式中Kc：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Ti：調(diào)節(jié)器的積分時間Td：調(diào)節(jié)器的微分時間：比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)e：調(diào)節(jié)器的偏差信號U：輸出PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：（4-3）不難看出，由上式表示的調(diào)節(jié)器動作規(guī)律在物理上是不能實現(xiàn)的。工業(yè)上實際采用的PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)一般為（4-4）其中K‘c=FKc；T’i=FTi；T‘d=Δd/F式中帶‘的量是調(diào)節(jié)器參數(shù)的實際值，不帶的為參數(shù)的刻度值。F成為相互干擾系數(shù)：Ki為積分增益；Kd為微分增益。4.2.2PID參數(shù)設(shè)計①P增益：設(shè)定范圍：0.01～10.0倍這是操作量和偏差之間有比例關(guān)系的動作。增益取大時，響應(yīng)快，但過大將產(chǎn)生振蕩。增益取小時，響應(yīng)遲后。實際中取10。②積分時間：設(shè)定范圍：0.1～3600s，0.0：不動作。操作量（輸出頻率）的變化速度和偏差成比例關(guān)系的動作，即輸出按偏差積分的動作。積分時間大時，響應(yīng)遲后，另外，對外部擾動的控制能力變差。積分時間小時，響應(yīng)速度快，但過小將產(chǎn)生振蕩。實際中取150s。③微分時間：設(shè)定范圍：001～10.0s0.0：不動作。操作量（輸出頻率）和偏差的微分值成比例動作（D動作）。微分時間大時，能使發(fā)生偏差時P動作引起的振蕩很快衰減。微分時間小時，發(fā)生偏差時的衰減作用小。實際中取取0.4。4.2.3PID設(shè)定值的調(diào)整及控制算法圖4-3PID設(shè)定值的調(diào)整①PID值可在用示波器監(jiān)視響應(yīng)波形的同時進(jìn)行調(diào)整?？勺魅缦驴傮w調(diào)整：

1）P增益，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；

2）I積分時間，在不發(fā)生振蕩條件下減小其值；

3）D微分時間，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；

4）對于抑制超調(diào)，可以增大積分時間，減小微分時間；

5）對于加快響應(yīng)速度，如果允許有小量超調(diào)的話，可以減小積分時間，增大微分時間；

6）抑制比積分時間長的周期振蕩，增大積分時間；

7）抑制大約和微分時間同樣長周期的振蕩，減小微分時間。②PID控制算法：如圖4-4，PID控制原理圖，將壓力傳感器傳來的電流信號（0～10mA）通過一個1KΩ的電阻轉(zhuǎn)化為0～10V的電壓信號。這個電壓信號經(jīng)RTD模塊放大后送給西門子PLC的模擬輸入量模塊FX2N-4AD轉(zhuǎn)化為12位的數(shù)字信號，該模塊有四個模擬量輸入通道，12位的分辨率，總體精度在+1%，轉(zhuǎn)換速度15ms/通道。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入PLC內(nèi)部特殊數(shù)據(jù)寄存器D0。PLC根據(jù)采集的信號計算出偏差e(t)和偏差變化率ec(t)，按照PID的控制規(guī)則計算控制量u(t)，并輸出控制量u(t)。西門子PLC的模擬輸出量模塊FX2N-4DA的D/A轉(zhuǎn)換，變換成0~5V的電壓信號，送至變頻器，并通過變頻器調(diào)節(jié)3#水泵電機(jī)的工作電流，實現(xiàn)系統(tǒng)的變頻恒壓控制FX2N-4DA模塊有四通道D/A輸出，總體精度+1%，轉(zhuǎn)換速度2.1ms。圖4-4PID控制原理圖③在壓力采集時，運用FROM(FNC78)指令采樣5次求平均值e(t)，在軟件上設(shè)計數(shù)字濾波程序，實現(xiàn)每個通道數(shù)據(jù)的均值濾波，力求在擾動多、滯后大的系統(tǒng)中提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實性。然后對照下圖4-5來3#水泵電機(jī)變頻運行實現(xiàn)變頻恒壓控制。圖4-5工作模式區(qū)域劃分1）當(dāng)e0<e(t)≤e1，啟動3#水泵電機(jī)變頻運行，此狀態(tài)稱為Z1狀態(tài)；

2）當(dāng)e1<e(t)≤e2，啟動一臺水泵工頻電機(jī)運行，3#水泵電機(jī)變頻運行，此狀態(tài)稱為Z2態(tài)；

3）當(dāng)e2<e(t)≤e3，啟動兩臺水泵工頻電機(jī)運行，3#水泵電機(jī)變頻運行，此狀態(tài)稱為Z3態(tài)；4.3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，把出口壓力信號變成4～20mA變化的電流信號或0～5V間變化的電壓信號的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一個調(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水泵的調(diào)速，實現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。壓力傳感器使用CY-YZ-1001型絕對壓力傳感器。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當(dāng)壓力作用于傳感器時，敏感芯體內(nèi)硅片上的電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進(jìn)行溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。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）。4.4供水系統(tǒng)的電氣設(shè)計4.4.1恒壓供水思路本系統(tǒng)具體控制方案為：1、供水（1）單泵工作開機(jī)延時5秒，首先開啟真空泵，開啟1泵真空電磁閥和1泵電動閥，真空泵工作1分鐘后（可以設(shè)置），開啟變頻1泵，關(guān)閉真空泵，關(guān)閉1泵真空電磁閥；1泵按25HZ/S速度上升至出水頻率（可以設(shè)置），再按30HZ/S速度工作。（2）進(jìn)泵當(dāng)1泵到達(dá)全速但壓力達(dá)不到設(shè)定值，延時（可以設(shè)置）開啟真空泵，開啟2泵真空電磁閥和2泵電動閥，真空工作1分鐘后（可以設(shè)置），軟起工頻2泵，關(guān)閉真空泵，關(guān)閉2泵真空電磁閥；1泵下降至出水頻率（可以設(shè)置），若壓力超過設(shè)定壓力，重新執(zhí)行單泵工作程序。（3）退泵當(dāng)1泵頻率下降至出水頻率（可以設(shè)置），實際壓力超過設(shè)定壓力，延時（可以設(shè)置），停止2泵，關(guān)閉2泵電動閥，重新執(zhí)行單泵工作程序；（4）3泵為手動/自動備用泵，本系統(tǒng)考慮到當(dāng)遇到特殊情況時兩個泵達(dá)不到需求時，要啟動3泵。故在PLC程序中編寫了進(jìn)退3泵的程序。（5）電動閥門可自動，也可手動控制。2、取水當(dāng)蓄水池水位下降到水位下限后，停止所有工作供水泵，并開啟取水電動閥；到達(dá)工作上限時，自動啟動系統(tǒng)，關(guān)閉取水電動閥，按照以上程序執(zhí)行。

3、工作狀態(tài)系統(tǒng)分自動和手動控制，在自動狀態(tài)下執(zhí)行自動程序，在手動狀態(tài)下能夠手動啟動所有負(fù)載。具體思路如圖4-6所示。圖4-6