【正文】 化程度低，而且為保證供水，機(jī)組常處于滿負(fù)荷運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時(shí)，管網(wǎng)長期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動(dòng)易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)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(shí)意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載約占我國總耗電量的 80%，這主要是由于我國供水設(shè)備工作效率低，控制方式不合理，據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泵的效率大多不足 60%，存在著很大的能源浪費(fèi) [1]，因此運(yùn)用水泵供水節(jié)能技術(shù)，設(shè)計(jì)可靠性高，運(yùn)行效率高的供水系統(tǒng)具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。 第一章 緒論 1 第一章 緒論 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生的背景及其意義 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。 該監(jiān)控系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定 可靠 。 由變頻器、 PLC及 PID 調(diào)節(jié)器組成控制系統(tǒng)來 調(diào)節(jié)水泵的輸出流量。圖紙、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)資料的 運(yùn)用和引用符合學(xué)校和學(xué)科 ( 專業(yè) ) 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 (4)設(shè)計(jì)以西門子 S7200 為下位機(jī)的泵站控制系統(tǒng)； (5)系統(tǒng)仿真調(diào)試 。 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 基于 PLC 的 水廠 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) Waterworks Frequency Control of motor speed constant pressure water supply system design Based on PLC 學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息 專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 班級(jí) 測控 071 班 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 院（系）： 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院 專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)課題 基于 PLC 的水廠變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)工作自 2020 年 3 月 21 日起至 2020 年 6 月 20 日止 三、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn) 測控 專業(yè) 實(shí)驗(yàn)室 四、畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容要求： (1)到茂名河?xùn)|水廠進(jìn)行實(shí)習(xí)調(diào)研，明確其供水狀況和變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供水監(jiān)控要求 。 (6)編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 。 接受畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)開始執(zhí)行日期 2020 年 3 月 21 日 學(xué)生簽名 : i 摘 要 隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高 。電動(dòng)機(jī)泵組由三臺(tái)水泵 和一臺(tái)輔助泵 并聯(lián)而成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)出口水壓和流量來控制變頻器電動(dòng)機(jī)泵組之間的切換及速度，使系統(tǒng)運(yùn)行在最合理的狀態(tài)，保證按需供水。監(jiān)控軟件功能齊全，人機(jī)界面友好，使用方便。 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是集變頻技術(shù)，電氣傳動(dòng)技術(shù)，現(xiàn)代控制技術(shù)于一體先進(jìn)的供水控制系統(tǒng)。 在恒壓供水技術(shù)之前出現(xiàn) 了很多種供水方式，經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)各種傳統(tǒng)的供水方式的優(yōu)缺點(diǎn)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(diǎn)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(jī)為硬啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，控制柜內(nèi)觸點(diǎn)多，易燒壞，優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡單，短時(shí)維修或斷電可不停水。 (4)調(diào)速供水 液力禍合器和電池滑差離合器調(diào)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(qū)動(dòng)，需經(jīng)常檢修 。 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。現(xiàn)代化水廠除了中心調(diào)度室和化驗(yàn)室以外都可以做到無人值班。而在西方發(fā)達(dá)國家，以PLC為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)已成為當(dāng)今水工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主流，其控制系統(tǒng)正向著智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)集合了變頻技術(shù)、 PLC 應(yīng)用、工控機(jī)應(yīng)用技術(shù)等多方面的現(xiàn)代化技術(shù)，所以有較好的性能特點(diǎn)： （ 1） 節(jié) 能性 恒壓供水技術(shù)通過變頻調(diào)速閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，相對于閥門調(diào)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(yīng)，系統(tǒng)在運(yùn)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(dòng)機(jī)故障率的減少，設(shè)備壽命的延長，產(chǎn)品質(zhì)量的提高等等，都必將產(chǎn)生難以估計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。并且能夠累積每個(gè)站點(diǎn)的用電量，累積每臺(tái)泵的出水量，同時(shí)提供各種形式的打印報(bào)表，以便分析統(tǒng)計(jì)。 變頻恒壓供水 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍 非常的廣泛，其廣泛的 應(yīng)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 。 (5) 各種液體恒壓控制系統(tǒng)。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓控制是現(xiàn)代供水控制系統(tǒng)的主要方式 ， 它利用 ＰＬＣ 、傳感器、電氣控制設(shè)備、變頻器及水泵機(jī)組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使供水管網(wǎng)壓力保持恒定 。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、人機(jī)界面、各種傳感器等組成。 3） 研究 PDI 控制器的設(shè)計(jì)原理及方法。廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 6 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 供水系統(tǒng)的基本特性 水泵的主要參數(shù) 水泵主要工作參數(shù)有 :流量、揚(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速以及壓力 [6]。 (2) 揚(yáng)程 水泵揚(yáng)程也稱水頭，是水泵由葉輪傳給單位質(zhì)量液體的總能量，單位以 m計(jì)。 其中提高水位所需的能量是揚(yáng)程的主體部分。 實(shí)際揚(yáng)程是通過水泵實(shí)際提高的水位所需的能量。 (4) 效率 有效功率與軸功率的比值為效率 η mnP=P? （ 21） 水泵效率標(biāo)志著水泵傳遞能量的 有效程度，亦即反映了泵內(nèi)功率損失的大小，是 一 項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 水泵的供水特性 水泵的供水特性包括揚(yáng)程特性和管阻特性 [7]。流量的大小取決于用戶，是“用水流量”。 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(guān)。 圖 22 水泵的管阻特性 水泵的工 作點(diǎn)確定 水泵工作點(diǎn)是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù) [8]。 圖 23 水泵的工作點(diǎn)的確定 H H 1H 2 H AB 1 B 2Q 1Q 2 Q0HH AA0Q A Q 管阻特性曲線 揚(yáng)程特性曲線 水泵效率曲線 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 9 工作 點(diǎn) A 是水泵運(yùn)行的理想工作 點(diǎn)，若把水泵的效率曲線也畫在同一坐標(biāo)系中，在圖 23 中可以找出 A 點(diǎn)的揚(yáng)程 H、流量 Q 以及效率 η 。另外確定工況點(diǎn)一定要保證水泵裝置在高效率范圍內(nèi)運(yùn)行 。所以在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。這種通過關(guān)小閘閥來改變水泵工作點(diǎn)位置的方法，稱為節(jié)流調(diào)節(jié)，如圖 24 所示 。供水功率與面積 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。 兩種方法比較 : 由于閥門控制是通過增加管道的阻力而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量 。 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理 變頻供水系統(tǒng)是通過變頻器控制泵的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵供水來改變水泵的實(shí)時(shí)供水量，完成恒壓供水的目標(biāo)。 異步電動(dòng)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(shí)現(xiàn)調(diào)速的。 (l) 變極調(diào)速 改變定子極對數(shù)，可使異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 10 60fn=p改變，從而得到轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 (3)變頻調(diào)速 當(dāng)極對數(shù) p 不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與電動(dòng)機(jī)的電源頻率 f1 成正比。 整 流 電 路 中 間 電 路逆 變 電 路控 制 電 路M3 ~外 部 接 線 端 子控 制 面 板交流電源RST 圖 26 交流變頻調(diào)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。 控制電路是變頻器的控制中心，它可以根據(jù)外部接線端子、操作面板或者由上位機(jī)來的通訊指令控制變頻器中的逆變電路輸出一個(gè)頻率和電壓可變的交流電壓。 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 13 本章 小結(jié) 本章分析了供水系統(tǒng)的基本特性。 廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 14 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 變頻恒壓控制原理 恒壓供水控制原理圖如 31 所示： 圖 31 閉環(huán)恒壓供水原理圖 用戶用水 的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，因此供水不足或供水過剩的情況時(shí)有發(fā)生。如圖 所示，變頻器是電機(jī)變頻調(diào)速的執(zhí)行者，只要改變 f 就可實(shí)現(xiàn) n 的變化，從而達(dá)到無級(jí)調(diào)速的目的。當(dāng)用水量減少時(shí)，水管道內(nèi)壓力值 p 變大，反饋值 Uf變大，即 U*小于 Uf時(shí)，變頻器通過內(nèi)置 PID 進(jìn)行調(diào)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)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(shè)定值 U*相等。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。由于 PLC 和上位機(jī)具有良好的通信功能，此系統(tǒng)方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方框圖和組成原理框圖 供 水 控 制 器（ P L C ）變 頻 器電 控 設(shè) 備液 位 傳 感 器1 號(hào) 泵2 號(hào) 泵3 號(hào) 泵輔 助 泵壓 力 傳 感 器清 水 池 圖 32 系統(tǒng)控制方框圖 廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 16 圖 33 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(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由 泵組 、信號(hào)檢測、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面等部分組成。 (3)輔助 小泵 :它只運(yùn)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(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充。 RST變頻器UVW一號(hào)泵 二號(hào)泵 三號(hào)泵 輔助泵Q 0 . 0Q 0 . 3Q 0 . 1 Q 0 . 4 Q 0 . 2 Q 0 . 5Q 0 . 6Q 0 . 7L 1L 2L 3KM 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 (4)輔助 泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時(shí) (如 :夜間 )可以停止所有的主泵，用小泵進(jìn)行補(bǔ)水，降低系統(tǒng)的運(yùn)行噪音。另外為加強(qiáng)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(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測。此信號(hào)來自在安裝于水源處的液位傳感器。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)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(shí)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。 (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。人機(jī)界面還可以對系統(tǒng)的運(yùn)廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 18 行