【正文】 是為每臺(tái)電機(jī)泵配一臺(tái)變頻器，這種方式，電機(jī)與變頻器間不需要切換，但是購買變頻器的費(fèi)用較高，成本過大；另一種方式是一 臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電機(jī)泵，變頻器與電機(jī)泵之間可以切換，供水運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)電機(jī)泵變頻運(yùn)行，其余電機(jī)泵共頻運(yùn)行，這種方式，不僅可以滿足不同用水量的需求，而且可以充分利用變頻器和 PLC 的控制資源。 IV （ 5）電機(jī)泵在啟動(dòng)時(shí)具有變頻軟啟動(dòng)功能，且采用分組方式運(yùn)行。 國內(nèi)不少公司在做變頻恒壓供水工程時(shí)，大多采用國外的變頻器來控制水泵的轉(zhuǎn)速并實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的還需要采用可編程控制器輔以相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)，有的則采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。在初期階段，變頻器主要用來進(jìn)行頻率控制、變速控制、正反轉(zhuǎn)控制、啟制動(dòng)控制、壓頻比控制等。一方面要求避免因壓力的波動(dòng)而造成的供水障礙，另一方面要求保障供水的可靠性和安全 性，甚至于在火災(zāi)發(fā)生時(shí)也能可靠供水。此外，變頻恒壓供水系統(tǒng)還具有良好的節(jié)能性，這在大力提倡節(jié)能降耗的今天尤為重要。在供水工程中，也是采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，造成投資成本很高。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(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載的數(shù)量，也不具有數(shù)據(jù)通信功能，只適用于小容量、控制要求不高的供水場(chǎng)所。 設(shè)計(jì)方案（研究 /設(shè)計(jì)方法、理論分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)方法和步驟等）： 研究 /設(shè)計(jì)方法 通過 PLC控制器控制變頻器，再通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)泵的運(yùn)行狀況，以此實(shí)現(xiàn)正常的供水。調(diào)節(jié)器接受了實(shí)測(cè)水壓的反饋信號(hào)后，將其與給定值進(jìn)行比較求差。而且目前在國內(nèi)，專門針對(duì)供水的變頻器集成化越來越高，維護(hù)操作也越來越簡單，很多專用供水變頻器集成了 PLC 和 PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻組件中，壓力給定值可以通過變頻器輸入設(shè)定，也可以通過電位器送入，而微處理器控制系 統(tǒng)的壓力給定值也可通過相應(yīng)的裝置輸入。 本 文根據(jù)貴州省六盤水市水城縣供水公司的供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析、控制方式以及變頻調(diào)速后的節(jié)能效果等幾個(gè)方面，介紹了變頻調(diào)速技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。在 32個(gè)百萬人口以上的特大城市中，有 30個(gè)長期受到缺水的困擾，特別是位于水資源短缺地區(qū)的城市，其水的供需矛盾尤為突出。 2 研究意義 傳統(tǒng)調(diào)節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟／停電機(jī)控制和水塔二次供水調(diào)節(jié)的方式，前者產(chǎn)生大量的能耗，而且對(duì)電網(wǎng)中其他負(fù)荷造成影響，設(shè)備不斷啟停會(huì)影響設(shè)備壽命；后者則需要大量的占地與投資，且由于是二次供水，不能保證供水質(zhì)的安全與可靠性。 因此，為適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的快速發(fā)展，市政供水一方面要求避免因壓力的波動(dòng)而造成的供水障礙，另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，甚至于在火災(zāi)發(fā)生時(shí)也能可靠供水。在初期階段，變頻器主要用來進(jìn)行頻率控制、變速控制、正反轉(zhuǎn)控制、啟制動(dòng)控制、壓頻比控制等。 國內(nèi)不少公司在做變頻恒壓供水工程時(shí)，大多采用國外的變頻器來控制水泵的轉(zhuǎn)速并實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的還需要采用可編程控制器輔以相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)，有的則采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。 水管理系統(tǒng) 面對(duì)日益復(fù)雜的供水系統(tǒng)，如何在滿足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系統(tǒng)的效益，是所有供水部門共同面臨的重要課題。分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實(shí)用性的控制方案。相比之下，變頻恒壓供水能在系統(tǒng)用水量下降時(shí)無級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能，同時(shí)變頻器對(duì)水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流小，啟動(dòng)能耗也比較小。在小區(qū)供水 中，由于是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的，防止了水質(zhì)的二次污染，保證了飲水水質(zhì)質(zhì)量。該方法雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但是壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，無法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求。因此，該系統(tǒng)適用于各類不同要求的恒 8 壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。 對(duì)于變頻器而言，變頻器外控端子有 FWD、 BX、 RST 和 CM。最后以較高的壓力流入排出管道，送至需要場(chǎng)所。 11 按上式求出的功率，不一定與產(chǎn)品功率相同。即： 城區(qū)日最高生活用水量： （ 22） 最高小時(shí)生活用水量： （ 23） 其中： m —— 縣城區(qū)人數(shù)； dq —— Ⅲ類住宅用水定額（?。?190L/人 /天）； HK —— Ⅲ類住宅時(shí)間常數(shù)（?。?）； T —— 每日用水時(shí)間。其只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以夜間對(duì)管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充。 （ 3）水泵及適配電動(dòng)機(jī)選型（ M1～ M3） 終上所述，由于需要 12 臺(tái)電機(jī)泵同時(shí)協(xié)調(diào)工作，于是結(jié)合目前市場(chǎng)現(xiàn)有水泵型號(hào)， M1～ M3可選擇 300S58A 水泵三臺(tái)作為主供機(jī)泵，其流量 720m3/h、揚(yáng)程 49m、軸功率 118kw、轉(zhuǎn)速 1485r／ min。因此，只要這兩條曲線之一的形狀或位置有了改變，工況點(diǎn)的位置也就隨之改變。 電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率來選擇，盡量使電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行。 水泵電機(jī) 供水所用水泵主要是普通 離心泵，其葉輪安裝在泵殼內(nèi)，并緊固在泵軸上，泵軸由電機(jī)直接帶動(dòng)，泵殼中央有一液體吸入口與吸入管連接，液體經(jīng)底閥和吸入管進(jìn)入泵內(nèi)，泵殼上的液體排出口與排出管連接。 圖 恒壓供水系統(tǒng)控制方案原理框圖 圖 恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖 供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 主電路圖設(shè)計(jì) 供水主電路設(shè)計(jì)如圖 所示，采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng) 3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、壓力信號(hào) PL C 控制器 變頻器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （ 電機(jī)泵 ）壓力變送器信號(hào)檢測(cè)通訊接口 蓄水池水位控制JS浮球開關(guān)加水入口蓄水池PLC變頻器M 1M 2M 3M 4壓力變送器通訊接口消防用水生活用水 9 運(yùn)行與調(diào)速，每臺(tái)電機(jī)泵具有變頻 /工頻兩種工作狀態(tài)，三臺(tái)電機(jī)都通過三個(gè)接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。因此，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，變頻恒壓控制的目標(biāo)就是使總管網(wǎng)出口的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。氣壓罐方式運(yùn)行不太穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在頻繁啟動(dòng)時(shí)。氣壓罐供水方 式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水。由于是水城縣的重要供水廠，因此，其供水量主要用于縣城區(qū)生活、消 5 防用水，供水量的時(shí)變化系統(tǒng)較大。 變頻供水系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 、維護(hù)操作簡單化方向 發(fā)展 在國內(nèi)外，專門針對(duì)供水的變頻器集成化越來越高。隨著變頻恒壓供水系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來，再加上其顯著的節(jié)能效果，許多變頻器生產(chǎn)廠家開始推出具有恒壓供水功能的變頻器，例如：日本 Samco 公司就推出了恒壓供水基板，具有“變頻泵固定方式”和“變頻泵循環(huán)方式”兩種工作模式，它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC可編程控制器 等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC和 PID 等電控系統(tǒng)的功能，在應(yīng)用時(shí)只需搭載配套的恒壓供水單元，便可以直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，最多可構(gòu)成 7臺(tái)電機(jī) (泵 )的供水系統(tǒng)。本論文將圍繞變頻恒壓控制技術(shù)開展研究工作，以期為城市供水行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和科技應(yīng)用做出貢獻(xiàn)?，F(xiàn)有的供水系統(tǒng)主要是恒速控制系統(tǒng)并且用常規(guī)的閥門來控制供水量。有資料顯示，水泵電機(jī)作為一種高耗能通用機(jī)械，其耗電量占全國總耗電量的 21%以上，具有很大的節(jié)能潛力，如果能在提高供水機(jī)泵的效率、確保供水機(jī)泵的可靠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，降低能耗，將具有重要經(jīng)濟(jì)意義。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口和城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，人們的生活水平也越來越高，對(duì)城市集中供水的規(guī)模、質(zhì)量、安全性及穩(wěn)定性等提出了越來越高的要求。 VII 時(shí)間進(jìn)程 12 周 翻閱資料，確定課題，理論論證分析，完成開題報(bào)告，準(zhǔn)備開題答辯； 34 周 構(gòu)思系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，確定設(shè)計(jì)模塊，依據(jù)主要研究內(nèi)容確定總體控制策略； 56 周 確定電 機(jī)泵、 PLC、變頻器的選擇，完成供水系統(tǒng)的構(gòu)成方案及控制原理方案； 78 周 完成系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)及地址分配； 910 周 完成供水系統(tǒng)的能耗分析，供水系統(tǒng)安全性分析，供水系統(tǒng)的維護(hù)方案等； 1112 周 控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，程序編寫及調(diào)試，繪制原理圖； 1314 周 控制系統(tǒng)總體調(diào)試，完善論文的撰寫工作； 1516 周 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文以及相關(guān)技術(shù)文檔的整理，準(zhǔn)備答辯。為了保障供水的持續(xù)性，水位上下限傳感器之間的距離不應(yīng)相差很大。 恒壓供水系統(tǒng)的主要目標(biāo)是為了保證管壓網(wǎng)水壓的恒定，電機(jī)泵的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著用水量的變化而變化，這就要求變頻器對(duì)電機(jī)泵進(jìn)行供電控制。 （ 4）具有電機(jī)泵過載保護(hù)、變頻器報(bào)警輸出和自動(dòng)復(fù)位等保護(hù)措施。該類變頻器能夠適應(yīng)風(fēng)機(jī)、水泵等二次方遞減轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，節(jié)能、省力，充分挖掘了系統(tǒng)的應(yīng)變能力，滿足了整體成本下降的需要。 變頻恒壓供水技術(shù)是在變頻調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)之上逐漸發(fā)展起來的。隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，城市高層建筑的供水問題日益突出，對(duì)供水質(zhì)量的要求進(jìn)一步提高。本論文將圍繞變頻恒壓控制技術(shù)開展研究工作，以期為城市供水行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和科技應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。隨著變頻恒壓供水系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來，再加上其顯著的節(jié)能效果，許多變頻器生產(chǎn)廠家開始推出具有恒壓供水功能的變頻器，例如：日本 Samco 公司就推出了恒壓供水基板，具有“變頻 III 泵固定方式”和“變頻泵循環(huán)方式”兩種工作模式，它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在 變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC 和 PID等電控系統(tǒng)的功能，在應(yīng)用時(shí)只需搭載配套的恒壓供水單元，便可以直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，最多可構(gòu)成 7 臺(tái)電機(jī) (泵 )的供水系統(tǒng)。 （） 研究 /設(shè)計(jì)的目標(biāo)： 本設(shè)計(jì)要求以 PLC為核心設(shè)計(jì)一個(gè)恒壓無塔供水系統(tǒng)，包括生活用水的恒 壓控制和消防用水的恒壓控制 —— 即雙恒壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)： （ 1）可編程控制器 PLC 需根據(jù)恒壓供水的需要，通過反饋信息控制啟動(dòng)電機(jī)泵的數(shù)量。 圖 21：恒壓供水系統(tǒng)控制方案原理框圖 V JS浮球開關(guān)加 水 入 口蓄 水 池PLC變頻器M 1M 2M 3M 4壓力變送器通 訊 接 口消 防 用 水生 活 用 水 圖 22：生活消防雙恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖 理論分析： 恒壓供水站一般需設(shè)多臺(tái)電機(jī)泵，這比設(shè)單臺(tái)電機(jī)泵更加節(jié)能而可靠。如果給定值大于實(shí)測(cè)值，說明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大電機(jī)泵的轉(zhuǎn)速，如果水壓高于理想水壓，則降低電機(jī)泵的轉(zhuǎn)速。允許用戶在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置 PID 參數(shù)，通過調(diào)試選出最佳參數(shù)，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定。該系統(tǒng)具有自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行、自動(dòng)工頻運(yùn)行、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制等多種模式。由于供水不足，城市工業(yè)每年的經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 2300 億元，同時(shí)也給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市化過程中的一大隱患。而變頻調(diào)速式運(yùn)行十 分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險(xiǎn)。基于 這兩方面的要求， PLC 控制的變頻恒壓無塔供水系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在這個(gè)階段，變頻器僅僅用作變頻恒壓供水系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從使用調(diào)查情況來看，雖然取得了可喜的進(jìn)步，但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 、穩(wěn)定性能抗干擾性能以及開放性等方面，還沒有完全達(dá)到用戶的要 4 求。目前，在美國、日本、法國等地的有些城市已基本上實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化，把變頻供水與計(jì)算機(jī)直接調(diào)度管理結(jié)合起來，我國也正在進(jìn)行著這方面的研究與小范圍應(yīng)用。分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)際性能與使用效果。另外氣壓罐供水需要配備一定量的鋼罐，氣壓罐體積一般比較大，占地面積達(dá)幾十平方米。 通過上述比較可以看出，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。在調(diào)試時(shí)，PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能不易保證。 通過對(duì)以上幾種方案的分析和比較，可以看出“通用變頻器＋ PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )＋人機(jī)界面＋壓力傳感器”的控制方案更適合于實(shí)際應(yīng)用。其中 FWD 控制變頻器啟動(dòng) /停止； BX 控制變頻器緊急停止； RST 控制變頻器故障復(fù)位； CM則是外控端子的信號(hào)公共端。液體由葉輪中心流向外緣時(shí)，在葉輪中心形成了一定的真空，由于貯 槽液面上方的壓力大于泵入口處的壓力，液體便被連續(xù)壓入葉輪中。因此，所選電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)等于或稍大于計(jì)算所得的功率。 （ 2）供水揚(yáng)程及給定水壓計(jì)算 在供水系統(tǒng)中，計(jì)算揚(yáng)程一般把最不利點(diǎn)（最遠(yuǎn)或最高層）作為計(jì)算依據(jù)。 6SA8 水泵流量 、揚(yáng)程 50m、轉(zhuǎn)速 2950r／ min，適配電動(dòng)機(jī)Y200L22/37kw，其功率 37kw、效率 92%、轉(zhuǎn)速 2950r／ min、額定電流 、電壓 380V。