【正文】 .................................................... 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 .................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 共 63 頁 1 緒論 選題的背景 自從改革開放以來，我國國民經(jīng)濟發(fā)展迅速，人民生活水平快速提高。因此供水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性會直接影響到居民生活水平。變頻調(diào)速技術(shù)具有能夠自動化地根據(jù)需要來調(diào)節(jié)供水壓力，它更加節(jié)約了資源更節(jié)省了運行成本。同時， 變頻恒壓供水啟動 方式平緩 ， 可以避免 電機水泵 和電機 的 供電 沖擊 力 ， 避免了傳統(tǒng)供水方式中水錘現(xiàn)象的發(fā)生。 變頻恒壓供水的特點 （ 1）節(jié)約資源，比傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)節(jié)約百分之五十至七十的電量，正式國家所倡導(dǎo)的綠色科技。而且它的自動化程度較高，減少了人對其的工作量，使整個系統(tǒng)設(shè)計更加具備人性化。大大 減少了人力成本。而恒壓供水系統(tǒng)能夠為其提供穩(wěn)定、安全、節(jié)能的供水系統(tǒng)。 過去的 供水 模式 占地 相對較 大，水質(zhì) 十分容易被 污染，基建 成本高 ， 而最為不足之處是無法維持水壓恒定 ， 導(dǎo)致許多設(shè)備不能處于正常工作狀態(tài) 。 如果 閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都 保持恒定 的 情況 下，流量的 控制 主要 決定于居民 的用水 需求 ，因此，揚程特性 具體表征 的是用水流量 Qu與揚程 H 間的關(guān)系 H=f(Qu)。因此，管阻特性 表征的 是揚程 H 與供水流量 Qc 之間的關(guān)系 曲線 H=f(Qc)。 通常是 異步電動機 帶動 水泵 來供水 ， 并 且把電機和水泵 整合在一起 ，異步電機的轉(zhuǎn)速 由 變頻器 控制 ， 通過調(diào)節(jié) 出水流量 來的大小完成 恒壓供水。閥門控制法 原理是通過控制閥門開度來控制流量大小，系統(tǒng) 電機轉(zhuǎn)速 保持不變 。因此，揚程特性 與 水泵轉(zhuǎn)速 成線性關(guān)系 ， 而 管阻特性 維持穩(wěn)定 。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了 獲得較大的調(diào)速范圍而一般選取 串級調(diào)速的 辦法 ， 該方法 最大 好處就是能夠循環(huán)利用 轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果 更為突出 ，且調(diào)速性能 優(yōu)越 ，但 因為 線路 結(jié)構(gòu)太過繁瑣 ，增加了 線路 環(huán)節(jié)的電能損 耗 ，成本高 的缺點嚴(yán)重了 影響它的推廣價值?；?PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 第 6 頁 共 63 頁 但是， 簡單的控制 電源 頻率 變化 ， 會導(dǎo)致 電機運行性能惡化。 依據(jù) 系統(tǒng)的設(shè)計目的 要求，有以下幾種方案可供 參考 ： (1) 有供水基板的變頻器 +水泵機組 +壓 力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 相對比較簡單 ，將 PID 調(diào)節(jié)器 與 PLC 等硬件集成在變頻器供水基板上， 采取 設(shè)置指令代碼 完成 PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的 功能 。該系統(tǒng) 僅 適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水 系統(tǒng) 中。 并且基 于 PLC 的抗干擾能力強、可靠性高 特點 ，因華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 63 頁 此系統(tǒng)的可靠性大大 改善 。 系統(tǒng)的 組成及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng) 一般由 變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機組 等幾個部分 組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 22 所示： 圖 22 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為： (l) 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu) 由一組水泵組構(gòu)成 ， 該組水泵的作用是 將水 引 入 居民用水管網(wǎng)， 該水泵組主要 由一臺變頻泵和兩臺工頻泵 組成 ，變頻泵是 通過 變頻調(diào)速器控制、能夠 進行變頻調(diào)整 功能 的水泵，用 來依據(jù)具體的用水情況調(diào)節(jié) 電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的 壓力穩(wěn) 定；工頻泵 僅工作 于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量 相對較 大（變頻泵達到工頻運行狀態(tài)都 不能達到供水需求 時）的情況下投入 使用 。 此外 為 改善 系統(tǒng)的可靠性，還需對供水 管網(wǎng) 的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表實施 檢測，檢測結(jié)果可以送給 PLC， 當(dāng)作 數(shù)字量輸入；水池水位信號 表征 水泵的進水水源是否 充裕 。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的 絕對重點 。由于 該 系統(tǒng) 可適應(yīng) 于 各種 供水領(lǐng)域，所以為了 確保 系統(tǒng)安全、可靠、 穩(wěn)定 的運行 性能 ， 避免 因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對 各種 報警量進行監(jiān)測 分析 ，由 PLC 判斷報警類別，進行顯示和 不同的 保護動作控制， 從而避 免造成不必要的損失。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C 圖 23 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng) 一般利用安裝 在 居民 供水管 網(wǎng) 上的壓力變送器實時地 測量 參考點的水壓， 測得 管網(wǎng)出水壓力，并將 該信號 轉(zhuǎn) 化成 4—20mA 的電 子 信號 ， 該 檢測信號是 完成 恒壓供水的 主要 參數(shù)。反之， 若 用水量 降低 水壓增加時， 利用 壓力閉環(huán) 系統(tǒng) ，減小水泵的轉(zhuǎn)速 且會達 到另一個 相對穩(wěn)定的 值。 若實際 用水量繼續(xù)下降，并且 達到 減少水泵的 相應(yīng) 條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上 相同的過程 ， 且會使 另一臺工頻泵 M3 關(guān)掉。 事實上 ，在實際 情況 中，變頻器輸出頻率是不可能降 至 0HZ， 因此 當(dāng)水泵機組運行，電機驅(qū)動 水泵 組給用戶 管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中 水壓 會 產(chǎn)生 反 作用而作用于 水泵，給 驅(qū)動 水泵運行電機一個反向的力矩， 并且該 水壓也阻 礙 源 了 水池中的水 順利地 進入 用戶 管網(wǎng)，因此， 若 電機運行頻率下降到 某個 值時，水泵 其實已經(jīng)根本 抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。 當(dāng) 變頻器實際 輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。 該運行狀況 既無法 為供水系統(tǒng) 提供 穩(wěn)定可靠的壓力， 更 使得機組 頻繁的進行切換 而增大 機械 損耗 ， 縮短了機組設(shè)備使用 壽命。供水規(guī)模 由住宅 的 類型以及 居民 用戶 的 數(shù) 量兩個因素決定 。 表 31 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn) 住宅類型 給水衛(wèi)生器具完善程度 用水標(biāo)準(zhǔn)（ 3m /人日） 小時變化系數(shù) 1 僅有給水龍頭 ～ ～ 2 有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設(shè)備 ～ ～ 3 有給水衛(wèi)生器具，并有淋浴設(shè)備 ～ ～ 4 有給水衛(wèi)生器具，有無淋浴設(shè)備和集中熱水供應(yīng) ～ ～ 2. 供水規(guī)模換算表。 表 33 水泵，電機和變頻器選型表 用水量 /（ 3m /h） 揚程 /m 水泵型號 電機功率 /KW 配用變頻器 /KW 50xN 60 80LG5020x3 15 15 80 80LG5020x4 100 80LG5020x5 22 22 120 80LG5020x6 30 30 100xN 40 100DL2 60 100DL3 30 30 80 100DL4 37 37 100 100DL5 45 45 120 100DL6 55 55 注： N為水泵臺數(shù) 4. 設(shè)定供水壓力經(jīng)驗數(shù)據(jù)：平方供水壓力 P=；樓房供水壓力 P=（ +樓層數(shù)） MPa () ： （ 1） 貯水池本身 容量 必須 大于每小時 總 供水量 峰值 ； （ 2）水泵揚程 一定要超過 實際供水高度； （ 3）水泵流量總和 必須 大于 實際用水峰值 。 1987 年 國際電工會員會 （ International Electrical Committee）頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做了如下 解釋 ： “PLC 是一種 產(chǎn)生于特定 工業(yè) 運行條件 下 的 數(shù)字運算操作的電子 自動控制 裝置。 完整的 完成 以上 三個 部分稱之為 一個掃描周期。 即使在兩個階段 輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù) 產(chǎn)生了改變 ， I/O 映 像 區(qū)中的 對應(yīng) 單元的華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 共 63 頁 信息 也不會 發(fā)生改變 。 (三 ) 輸出刷新階段 掃描用戶程序 過程結(jié)束 后， PLC 就 開始進入 輸出刷新 過程 。 (3)方便學(xué)習(xí)與應(yīng)用 ， 被廣大 工程技術(shù)人員 所 接受。受限于當(dāng)時 元器件條件及計算機 發(fā)展應(yīng)用 水平，早期的 PLC 通常 由分立組件和集成電路 兩部分 組成， 可以實現(xiàn)相對簡單 的邏輯控制 過程 及定時、計數(shù) 過程 。 20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控制器 進入到實際應(yīng)用發(fā)展階段 ，計算機技術(shù)已 經(jīng)全方面被應(yīng)用到 可編程控制器，使其 結(jié)構(gòu) 功能發(fā)生了 巨大 飛躍。 該 階段的另一個特點是世界上 發(fā)展 可編程 控制器的國家 數(shù)量 日 趨上升 ，產(chǎn)量日益 增加 。 日 前， PLC 在國內(nèi)外已 普遍使 用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、輕紡、交通運輸、及文 化娛樂等 不同 行業(yè)，被稱為現(xiàn)代 控制 技術(shù)的三大 砥柱 之一。 六、 PLC 及其擴展模塊的選型 PLC 是整個供水控制系統(tǒng) 中的 核心 器件 ， 該器件需 要 實現(xiàn) 對系統(tǒng)中所有輸入 信 號的收 集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的 信息 交換。 SIEMENS 公司的 PLC 具 備 高可靠性，擴展性 較高 ，又 擁有比 較 齊全 的通信指令 系華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 共 63 頁 統(tǒng) ，且通信協(xié)議 十分 簡單等優(yōu)點； PLC 能夠與工業(yè)控制用的 計算機 系統(tǒng)進行連接 ，對自動控制系統(tǒng)進行 一定的 監(jiān)測 與控制 。 變頻器的選型 一、變頻器的定義 變頻器是 利用 變頻技術(shù)與微電子技術(shù)通過改變 電機 工作電源 頻率 方 法 來 調(diào)節(jié) 交流電動機的電力 調(diào)節(jié) 設(shè)備。 第一、 主電路 為 電力變換部分 ，他為 異步電動機 提供 了 調(diào)壓調(diào)頻電源，變頻器的主電路大體上可分為兩類：將電壓源的直流變換為交 流的變頻器 屬于電壓型 ，電容 是該 直流回路的濾波。也可 使 用兩組 晶體管 變流器構(gòu)成功率方向可逆 、可 進行再生運轉(zhuǎn) 的 可逆變流器。 （ 3） 逆變器 與 整流器 所相比 ，逆變器是將直流 性質(zhì)的電流 變換為 需要的 頻率的交流 性質(zhì)的電流 ， 在已經(jīng) 確定的時間使 6 個開關(guān) 元件進行 導(dǎo)通、關(guān)斷就 能夠獲得 3 相交流輸出。 （ 2）電壓電流檢測電路：與主回路 相 電位隔離 ，用于 檢測電壓、電流等。 （ 5）保護電路：當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常 時，令 逆變器工作停止或抑制電壓、電流值 ，測量 主電路的電壓。 假使 電機不能在滿負荷 得條件 下 工作 時，除 滿足 動力驅(qū)動 需 求之 外， 剩余 的力矩 大大 增加了有功功率的消耗， 并且 造成 能源 的 白白 浪費。該設(shè)備首先 需 把電源的交流電變換為直流電（ DC）， 這樣做的目的 為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，這個過程叫整流。變頻器輸出的模擬正弦波多 是用在三相異步電動機調(diào)速 過程中 ， 故而 又叫 做 變頻調(diào)速器。變頻器設(shè)備 中 產(chǎn)生變化的電壓或頻率裝置叫“inverter”， 所以 該產(chǎn)品被命名為 “inverter”， （ 即變頻器 ）。但是他的前提條件是： 第一、為風(fēng)機 /泵類負載且功率 相對較大 ； 第二、裝置 本 身具 備軟件支持的 節(jié)電功能； 第三、 處于 長期 持續(xù)的工作狀態(tài) 。 徹底了解 了 本質(zhì) ， 就能 巧妙的利用他為你服務(wù)。 （ 3） 軟啟動節(jié)能 電機硬啟動 會對 電網(wǎng) 系統(tǒng) 造成 相當(dāng)大 的沖擊 ，同時 對電網(wǎng)容量要求 也比較 高，正常 啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、 線 路的使用壽命 十分有害 。變頻器 能完成 補償功率因素 、 電機軟啟動、通過改變設(shè)備輸入電壓頻率達到節(jié)能調(diào)速的 宗旨 ，而且能給設(shè)備提供過流、過壓、過載等保護功能。 （ 3） 逆變器： 將直流電轉(zhuǎn)化成 交流電，由 大功率開關(guān)晶體 管陣列組成電子開關(guān)。 該 系統(tǒng)中要實現(xiàn)監(jiān)控 功能 ，所以變頻器還應(yīng) 具備 通訊 特性 。它是由微處理器 調(diào)節(jié)的 用于三相交流電動機調(diào)速系列產(chǎn)品，采 取 絕緣柵雙極型晶體管 當(dāng)做 功率輸出器件，具 備 很強的 性 能和很高的運行可靠性。 此外 選擇西門子的變頻器 能夠 通過RS485 通信協(xié)議和接口直接與西門子 PLC 相連，更 方便 設(shè)備之間的 互通 。 二、壓力變送器的工作原理 壓力變送器把壓力信號傳 至 電子設(shè)備， 然后 在計算機 上 顯示壓力。 三、壓力變送器的選型 壓力變送器 一般安裝 在泵站的出水口， 作用是 檢測管網(wǎng)中水壓，壓力傳感器和壓力變送器將水管中的水壓變化 轉(zhuǎn)化 為 相應(yīng)電子 信號，作為模擬 量 輸入模塊的輸入， 進行選擇時一般 采用 4~20mA 輸出壓力變送器， 這樣可以避免 傳輸過程中的干擾與損耗。 液位變送器的選型 一、液位變送器的定義 液位變送器是壓力變送器技術(shù)的延伸 與 發(fā)展， 依據(jù) 不同比重的液體在不同高度所產(chǎn)生壓力成線性關(guān)系的 規(guī)律 ， 完成 對液高、水、重量的 精確 測量和 輸送