【正文】 ............................................................. 32 5 總結(jié) 與展望 ............................................................................................................ 33 致 謝 ........................................................................................................................ 34 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 35 附錄 A 系統(tǒng)硬件總圖 .............................................................................................. 36 附錄 B 系統(tǒng)梯形圖 .................................................................................................. 37 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 1 1 緒論 研究背景 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 。 假定一棟樓有 10層，由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時將造成能源的浪費。因此，自來水廠通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個用戶。傳統(tǒng)的供水方式 如 水塔高位水箱供水 ， 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，因為水箱能大幅度減小，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，何以節(jié)約工程造價，相應(yīng)地也擴(kuò)大了樓房的面積。 由于采用了變頻調(diào)速，減小了供水水泵的頻繁啟動，可以使水泵工作在高效狀態(tài)，從而可以節(jié)約能源，減小對電網(wǎng)的沖擊。由于電動機(jī)所消耗的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此可以獲得較好的節(jié)能效果。二是 在開、停機(jī)時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊 。三是用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動，啟動電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。 變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(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)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 2 的各種功能，對合理設(shè)計變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等尤其重要。 PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)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(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低 能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變 頻 器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用 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)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗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。原深圳華為電氣公司和成都 希望集團(tuán)（森蘭變頻器）也推出了廈壓供水專用變頻器，無需外接 PLC和 PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和 定時循環(huán)。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。 可以看出，目前在國內(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)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。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 其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐 。 供水系統(tǒng) 安全性討論 影響供水系統(tǒng)安全性的一大因素便是水 錘效應(yīng)，所謂的水錘效應(yīng)就是在極短時間內(nèi)，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣的現(xiàn)象。水錘效應(yīng)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 3 具有極大的破壞性。壓強(qiáng)過高，將引起管子的破裂；壓強(qiáng)過低又會導(dǎo)致管子的癟塌。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門和固定件。而采用變頻調(diào)速，對系統(tǒng)的安全性有一系列的好處： (1)產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因是：水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。采用變頻調(diào)速，通過減少動態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實現(xiàn)消除水錘效應(yīng)，減少了對水泵及管道系統(tǒng)所受的沖 擊，可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。 (2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命大大延長。 (3)變頻調(diào)速的軟啟動器避免了電機(jī)和水泵的硬起動，可大大延長聯(lián)軸器壽命。 (4)減少了起動電流，也就減少了系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。 本文的設(shè)計思想 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東西的使用壽命；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，將使供水實現(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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 4 2 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 調(diào)速方式的比較與選擇 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚(yáng)程特性是 以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H與流量 Q之間的關(guān)系曲線，如圖 21所示。由圖 21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。而管阻特 性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚(yáng)程與流量之間的關(guān)系 。管阻特性反映了水泵的能量用來克服 泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程 越 大，流量 也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水 系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量 間的關(guān)系。揚(yáng)程特 性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖 21中 交 點。在這一點，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)定運行。 Q H管 阻 特 性揚(yáng) 程 特 性Q AH A 圖 21 供水系統(tǒng)的基本 特性曲線 對供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是系統(tǒng)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 5 的基本控制對象。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。 可見，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。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。 根據(jù)電機(jī)學(xué)理論 ,交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： )1(60 spfn ?? (21) 其 中： f 為定子的電源 或 穩(wěn)壓器頻率 ； p 為極對 數(shù)； n 為轉(zhuǎn)速 ； s 為轉(zhuǎn)差率。 從上式可知，當(dāng)極對數(shù) p不變時，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，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，調(diào)速性能可與直流電動機(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)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 6 速保持不變。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理 是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時電機(jī)加速，用水量減小時電機(jī)減速。 當(dāng)用閥門控制流量時， 無論用水量多大，電機(jī)都一樣運行，尤其用水量少時，效率很低， 有 很多 功率被浪費掉 。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，用多少水，抽多少水， 水泵的效率不變，總處于最佳狀態(tài) [3]。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展、完善，變頻調(diào)速所具有的調(diào)速的機(jī)械特性好，效率高，調(diào)速范圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線平滑，可以實現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護(hù)簡單方便、自動化水平高等一系列突出的優(yōu)點而倍受人們的青睞。而發(fā)展到現(xiàn)在為止交流 電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一項成熟的技術(shù)，它將供給交流電機(jī)的工頻交流電源經(jīng)過二極管整流變成直流，再由 IGBT 或 GTR 模塊等器件逆變成頻率可調(diào)的交流電源，以此電源拖動電機(jī)在變速狀態(tài)下運行，并自動適應(yīng)變負(fù)荷的條件。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機(jī)啟動后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運行方式，從而達(dá)到節(jié)能目的?，F(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運行方式可節(jié)電 40％～ 60％，節(jié)水 15％～ 30％ ， 所以本文供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水方式 。 控制系統(tǒng)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)計任務(wù)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(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(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，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。 同時由于 PLC 的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 7 結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，本文 采用 PLC 與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，