【正文】 ...............43 第 6 章 總結(jié) ...................................................................................................................................44 致謝 ...............................................................................................................................................45 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................46 附錄 1 變頻恒壓供水系統(tǒng)電路圖 ....................................................................................................48 附錄 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)程序 .......................................................................................................49 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) Ⅲ 前言 隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，供水問(wèn)題日益突出：一方面要求提供供水質(zhì)量，不因?yàn)閴毫Φ牟▌?dòng) 而 造成供 水障礙；另一方面要求保證水的可靠性和安全性，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，能夠可靠供水。 它是運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)的自動(dòng)化系統(tǒng)。 變頻恒壓供水系統(tǒng) 由壓力傳感器、 PLC、變頻器、組態(tài)軟件等構(gòu)成。變頻恒壓供水系統(tǒng)能清晰地展現(xiàn)生活供水管網(wǎng)的恒壓供水、以天為周期的定時(shí)控制壓力控制、夜間小流量下的生活供水、消防模式下的恒壓供水和帶上位機(jī)系統(tǒng)的 PID 控制。 監(jiān)控界面 使得 變頻恒壓供水系統(tǒng) 的控制變得更加方便。變頻恒壓供水系統(tǒng)在生活中應(yīng)用很廣泛，在住宅小區(qū)、寫(xiě)字樓、賓館、飯店、商店、大型超市都可以看見(jiàn)它的身影。開(kāi)發(fā)高效的供水系統(tǒng)，保障人們用水，這是一個(gè)非常有意義的工作。在 變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器的輸出值能跟隨用水需要的變化而變化，水泵轉(zhuǎn)速在變頻器的控制下也發(fā)生改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)供水流量的目的。 變頻 恒壓供水系統(tǒng) 利用流量與轉(zhuǎn)速成正比，而電機(jī)的消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比的關(guān)系，當(dāng)需求壓力降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低， 水 泵出口流量減少，電動(dòng)機(jī)的消耗功率大幅 度下降從而達(dá)到節(jié)能的目的。 第一章 緒論 1 第 1 章 緒論 變頻恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生的背景和意義 水是人類(lèi)寶貴的資源，是人類(lèi)生存的基本條件，又是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的生命線。 水是生命之源，我們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在與水打交道。沒(méi)有足夠的水量將火撲滅，損失將會(huì)很慘重。 傳統(tǒng)的改變供水壓力的方式效率低、能耗大。當(dāng)設(shè)備遭到損壞時(shí)，又需要投入大量的資金進(jìn)行維護(hù)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外變頻恒壓供水系統(tǒng)主要采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式。同時(shí)，采用這種方式也能實(shí)現(xiàn)靈活變壓。這些系統(tǒng)能進(jìn)行 PID 控制，實(shí)現(xiàn)水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)。這些系統(tǒng)的功能有的通過(guò)可編程邏輯控制器（ PLC）來(lái)實(shí)現(xiàn)，有的通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到所有用戶(hù) 的要求。在這些領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)的變頻恒壓供水系統(tǒng)在技術(shù)上有待進(jìn)一步提高。 但目前的變頻恒壓供水系統(tǒng)尚存在一些不足之處。如果能將這些滲透到系統(tǒng)中，它的性能將會(huì)得到更大的拓展，應(yīng)用在繁雜的控制中，滿(mǎn)足更多用戶(hù)的需求 ，以 充分發(fā)揮它的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是，在這種 供水方式 中 ，水泵電機(jī)為硬啟動(dòng)，啟動(dòng)頻繁時(shí)對(duì)電器設(shè)備要求較高。 恒速泵加壓供水 具有很多缺點(diǎn)。不僅如此，如果對(duì)供水設(shè)備不進(jìn)行適當(dāng)控制，它的壽命也很短。如果將其投入運(yùn)行，它的工作效率也低，而且后期改造麻煩。同時(shí)， 水箱需要建在高處，這使 它 的 基建投資 比別的供水方式大。雖然，它有很多的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)它的這些不足之處也使得它得不到廣泛的應(yīng)用。變頻恒壓供水系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)供水方 式的缺點(diǎn)，它采用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，在保證供水質(zhì)量的同時(shí)，還節(jié)約了大量能源。 本章小結(jié) 在社會(huì)快速發(fā)展的今天，供水成為了一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。它適合一些小容量用水市場(chǎng)，在對(duì)供水有嚴(yán)格要求的場(chǎng)所，它在技術(shù)上還得進(jìn)一步改進(jìn)。 全揚(yáng)程表示的是水位的最高值與水被吸入時(shí)的水位差。 （ 4）損失揚(yáng)程 HL。流量的單位是 m3/min。 壓力表示的是管網(wǎng)中某一處的水壓。在流量為 Q1 時(shí)，揚(yáng)程對(duì)應(yīng)為 HT1，這便是 A1 點(diǎn)表示的情況。 管阻特性與揚(yáng)程特性正好相反，當(dāng)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為定值，對(duì)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行改變，相應(yīng)的，此時(shí)全揚(yáng)程與流量間又會(huì)存在另一種關(guān)系，我們稱(chēng)這種關(guān)系為管阻特性。 管阻特性 曲線 如 圖 22 所示。簡(jiǎn)而言之，通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，流量是隨著揚(yáng)程的增大而增大的。 在圖中，揚(yáng)程特性與管阻特性有一交點(diǎn)，這一交點(diǎn)就是系統(tǒng)的工作點(diǎn)。 圖 23 供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) （ 2） 供水功率 。 第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論及方案確定 6 閥門(mén)關(guān)小閥門(mén)全開(kāi)轉(zhuǎn)速下降額定轉(zhuǎn)速揚(yáng)程特性管阻特性Δ③④①② 變頻恒壓供水系統(tǒng)能耗分析 1. 調(diào)節(jié)流量的方法 節(jié)能方面的問(wèn)題與流量直接相關(guān)。 閥門(mén)控制法，顧名思義，即通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，在這種方法中，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速是不變的。當(dāng)流量為 QE 時(shí)便能達(dá)到用戶(hù)用水要求，使閥門(mén) 開(kāi)度變小，管阻特性會(huì)變成曲線③，揚(yáng)程特性曲線不變，這時(shí)， E 點(diǎn)變?yōu)榱斯ぷ鼽c(diǎn)。 現(xiàn)在的供水系統(tǒng)一般用的都是 轉(zhuǎn)速控制法 ， 它在節(jié)能等方面有著非常顯著的效果。 圖 24 調(diào)節(jié)流量的方法 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 7 ② ①2. 轉(zhuǎn)速控制法 能耗分析 （ 1）供水功率的比較。η P 為水泵的工作效率，它可以表示為： η P=PG/PP 在上面的式子里， PG 表示的是水泵的軸功率，也可以稱(chēng)為水泵的取用功率； PP 指的是供水功率，它是根據(jù)實(shí)際情況算出來(lái)的功 率。 C1 和 C2 是常數(shù)，在一般情況下， C1－ C2=1?？梢钥闯?，流量在減少時(shí)，水泵的工作效率會(huì)發(fā)生顯著的降低。 第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論及方案確定 8 變頻器 的 工作 原理 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為 式中， —— 同步轉(zhuǎn)速， r/min； —— 定子電流頻率， Hz； P—— 柵極對(duì)數(shù)。 從上面的 公式 可以看出 ， 和 一起決定 的 大小 ， 如果把握住 對(duì) 兩者 控制 ，就可以使 不變。 如果忽略定子的漏阻抗壓降，在這個(gè)時(shí)候 ，我們近似認(rèn)為 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 與 定子相電壓 相等。 （ 2） 假設(shè) 頻率 的 額定值 為 ，此值 增大 時(shí) ， 上升到 額定電壓 便不能繼續(xù)增加，這個(gè)時(shí)候 只 能 使 等于 不變。 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成 變頻恒壓供水系統(tǒng) 是采用先進(jìn)工業(yè)控制技術(shù)的高度自動(dòng)化設(shè)備，這從它的組成就可以看得出來(lái)。 壓力傳感器 安裝在用戶(hù)總管的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力檢測(cè)，實(shí)時(shí)測(cè)量參考點(diǎn)的水壓，檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA 的電信號(hào)。管網(wǎng)流量減小時(shí)的原理是一樣的。 可以看到，在單機(jī)的自動(dòng)化控制中， PLC 的作用是顯而易見(jiàn)的。 PLC 克服了繼電器控制系統(tǒng)的很 多缺點(diǎn)，因此，它在很大程度上提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。 輸入輸出點(diǎn)在 PLC 中 有著很重要的作用，利用它們便可以實(shí)現(xiàn) I/O 設(shè)備間 信息的傳輸 。 采用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，由于調(diào)速靈活、可靠性高， 因此得到了很大的推廣。 U/f 的控制方式較為簡(jiǎn)單，它主要是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電壓與頻率比（ U/f）進(jìn)行調(diào)速的。由于能夠任意控制與轉(zhuǎn)矩電流有直接關(guān)系的轉(zhuǎn)差頻率，與 U/f 控制方式相比，其加減速特性和限制過(guò)電流的能力得到了提高。 矢量控制方法的提出 是具有跨時(shí)代 意義的，它 的優(yōu)點(diǎn)非常明顯 。 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要由變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，變頻器接收 PLC 的 D/A 模塊輸出的數(shù)據(jù)，改變輸出的頻率，從而實(shí)現(xiàn)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 它有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，利用它能對(duì)設(shè)備進(jìn)行各種保護(hù)， 充分保證 人身安全與 設(shè)備安全。當(dāng)電路中出現(xiàn)非常嚴(yán)重的故障時(shí)，它能及時(shí)切斷電路， 確保事故不擴(kuò)大。 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)有過(guò)載的情況。 熱 繼電器 的組成部分有 雙金屬片、熱元件、和觸頭。 在一些生產(chǎn)過(guò)程很復(fù)雜的流程中，傳統(tǒng) 的控制方式存在相當(dāng)多的缺點(diǎn)，這在很大程度上影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率。 通過(guò)組態(tài)軟件，工廠或企業(yè)能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。 為了使操作者與系統(tǒng)能進(jìn)行信息交流，顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作，設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控軟件。 這種供水方式 具有運(yùn)行可靠、控制方便的優(yōu)點(diǎn)。以前一般采用的是 單 臺(tái) 泵 的 供水系統(tǒng) ， 目前 這種方式不被采用了。 圖 27 總體控制原理圖 變頻恒壓供水系統(tǒng) 與 傳統(tǒng)的供水方式 一個(gè)很大的不同之處在于，它能 實(shí)現(xiàn)水泵 的無(wú)級(jí)調(diào)速。 當(dāng)人們 需 要大量的 水 ，如果此時(shí)供水設(shè)備不能提供充足的水， 這樣的話，管網(wǎng)壓力就低。PLC 在供水系統(tǒng)中起重至關(guān)重要的作用， 相關(guān)的信號(hào)采集與數(shù)據(jù)運(yùn)算都是在它里面進(jìn)行的。 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 變頻恒壓供水系統(tǒng)的功能控制 雙泵切換控制 變頻恒壓供水系統(tǒng)中有 4 臺(tái)水泵，由于其中 2 臺(tái)常規(guī)泵處在變頻循環(huán)方式；所以這 2臺(tái)常規(guī)泵處在變頻和工頻兩種狀態(tài)。 單泵控制即一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路壓力定值控制，它是變頻恒壓供水系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單也是最基本的一個(gè)環(huán)節(jié)； 邏輯狀態(tài)的切換依靠單回路控制（ PID）的運(yùn)算結(jié)果、時(shí)間邏輯（休眠控制）和外部信號(hào)（消防控制）輸入 3 種條件的組合進(jìn)行控制。 變頻恒壓供水 系統(tǒng)中的 雙泵切換是依靠單回路控制（ PID）的運(yùn)算結(jié)果和時(shí)間邏輯來(lái)控制兩臺(tái)常規(guī)水泵（常規(guī)泵 1 和常規(guī)泵 2）之間的切換 的 。 在人們用水少，系統(tǒng)提供過(guò)多的水時(shí)， 變頻器會(huì)帶動(dòng) 2 號(hào)泵使之轉(zhuǎn)速下降，如果 2 號(hào)泵的頻率下降 至最低 0Hz，系統(tǒng)提供的水還是太多 ， 此時(shí)， 變頻恒壓供水 設(shè)備會(huì)把 2 號(hào)泵停掉，讓1號(hào)泵從工頻再轉(zhuǎn)為變頻運(yùn)行， 讓系統(tǒng)回到只有 1 臺(tái)泵控制的狀態(tài)， 使水壓始終保持恒定。休眠水泵用于滿(mǎn)足夜 間小流量供水， 在具有了 休眠狀態(tài)控制 后，該設(shè)備便成為了 一套充分節(jié)能的供水系統(tǒng)。當(dāng)管網(wǎng)壓力低于休眠壓力下限時(shí)（特殊情況下的用水量增加），系統(tǒng)進(jìn)入休眠喚醒狀態(tài)， 在這時(shí)， 常規(guī)水泵 也會(huì) 投入工作， 直至控制壓力穩(wěn)定在需求壓力值附近。如果此時(shí)供水量很大， 可想而知，大量能源會(huì)被浪費(fèi)掉的。在流量大時(shí)，壓力 也高，系統(tǒng)提供的水也隨之增加。開(kāi)發(fā)在不同時(shí)段具有節(jié)水作用的供水設(shè)備是很有意義的研究。系統(tǒng)的消防狀態(tài)在系統(tǒng)的各種狀態(tài)中具有最高的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)消防信號(hào)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)其他狀態(tài)均停止，即無(wú)論系統(tǒng)是處于正常的白天供水狀態(tài)，還是夜間供水狀態(tài)，系統(tǒng)強(qiáng)制將其切換到消防狀 態(tài)，只用于控制消防水泵工作。當(dāng)出現(xiàn)災(zāi)情時(shí)，滅火成了一件非常緊迫的事。變頻恒壓供水系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)雙泵切換控制、休眠控制、消防控制等功能。它易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。 本次設(shè)計(jì)選用的 PLC 型號(hào)是 FX2N32MR。 特殊功能模塊 占用 FX2N 擴(kuò)展總線的 8 個(gè)點(diǎn)，這 8 個(gè)點(diǎn)可以分配輸入或輸出，消耗 FX2N 主單元或有源擴(kuò)展單元 5V電源槽 30mA 的電流。 三菱 A740 系列變頻器在無(wú)速度反饋、普通感應(yīng)電機(jī)控制時(shí)的有效調(diào)速范圍可以達(dá)到 1:200，最大輸出頻率為 400Hz，速度響應(yīng)可以達(dá)到 120rad/s（ 20Hz），過(guò)載能力可達(dá) 200%。因此，它被頻繁用于位置、轉(zhuǎn)矩控制的場(chǎng)合。 兩臺(tái)常規(guī)循環(huán)泵在此變頻器的帶動(dòng)下，即使用水量不斷變化 ，也能始終保持管網(wǎng)水壓恒定，實(shí)現(xiàn)日常生活供水功能。 熔斷器的選擇主要靠熔體的額定電流來(lái)確定。對(duì)電動(dòng)機(jī)，可以按下式進(jìn)行計(jì)算 在上面的式子中， K 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可為 1～ 。 過(guò)載電流變化時(shí)，熱繼電器能夠自動(dòng)對(duì)動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。由此可知，應(yīng)選 JR1620/3 型熱繼電器，熱元件的額定電流為 。當(dāng)用于實(shí)際樓層中時(shí)，它們的缺點(diǎn)便暴露了出來(lái)。 真實(shí)的樓層供水系統(tǒng) 包含消防水系統(tǒng)、 生活水系統(tǒng)、生產(chǎn)水系統(tǒng) ， 只有 變頻恒壓供水系統(tǒng) 才能為此提供可靠的供水。 變頻恒壓供水系統(tǒng) 由儲(chǔ)水系統(tǒng)、動(dòng) 力系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)、回水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（手動(dòng)控制、自動(dòng)控制）組成。 第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件