【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 些加壓設(shè)施中越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性 。 @@@學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 6 2 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 供水系統(tǒng)的主要參數(shù) ① 流量 流量是單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道內(nèi)某一截面的水量，常用單位是 m3/s、 m3/min、m3/h等 .符號(hào)是 Q， 供水系統(tǒng)的基本任務(wù)是滿足用戶的流量需求。 ② 揚(yáng)程 揚(yáng)程是單位質(zhì)量的水被上揚(yáng)時(shí)所獲得的能量，常用單位是 m，符號(hào)是 H。揚(yáng)程主要包含是以下幾個(gè)方面：一、供水中水位提高需要的能量；二、供水中水在管道中流動(dòng)時(shí)有阻力，要克服這個(gè)阻力所需的能量；三、要 使水在管網(wǎng)流動(dòng)，具有流速所需的能量。一般情況下，我們認(rèn)為提高水位需要的能量是揚(yáng)程的主要部分，因?yàn)樵谕粋€(gè)管道里，上面所說(shuō)的二和三是基本上不變化的，其數(shù)值相對(duì)較小。由此我們?cè)诜治鱿到y(tǒng)時(shí)，同一管道揚(yáng)程常常只考慮把水位提高所需要的那部分能量而忽略了其他兩個(gè)因素，即水位差就簡(jiǎn)單的代表了揚(yáng)程。 ③ 全揚(yáng)程 全揚(yáng)程可以叫總揚(yáng)程也可以叫做水泵揚(yáng)程，它是一個(gè)說(shuō)明水泵的泵水能力的物理量。水從蓄水池被上揚(yáng)到最高的水位時(shí)所要的那部分能量和使水具有流速及克服管道阻力所需要的能量，符號(hào)是 HT。 ④ 實(shí)際揚(yáng)程 實(shí)際揚(yáng)程 就是用 水泵提 聲 水位 時(shí) 所需 的能量，符號(hào)是 HA 。 ⑤ 損失揚(yáng)程 全揚(yáng)程 減去 實(shí)際揚(yáng)程 就是 損失揚(yáng)程，符號(hào)是 HL。 HT 、 HA和 HL 之間的關(guān)系是 : HT = HA + HL ⑥ 管阻 管阻是管道系統(tǒng)包括水管、閥門等對(duì)水流阻力的物理量，符號(hào)是 R。通常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來(lái)描述。 供水系統(tǒng)的基本特性 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性的前提是供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的閥門開(kāi)度為定值，如圖 21所示，闡述的關(guān)系是水泵在某一轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)中揚(yáng)程 H與流量 Q，從圖中可以反映出，當(dāng)流量 Q增大的時(shí)候，揚(yáng)程 H逐漸變小。以閥門開(kāi)度和水泵轉(zhuǎn)速都不改變?yōu)榍疤岬那闆r下， 流量的大小主要是由用戶的實(shí)際用水量來(lái)決定的。所@@@學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 7 以，可以得出揚(yáng)程特性主要是反映揚(yáng)程 H與用水流量間的關(guān)系。管阻特性是在前提為水泵的轉(zhuǎn)速不變的情況下，表明閥門在某一開(kāi)度下，揚(yáng)程與流量之間的關(guān)系。水泵中的能量用來(lái)克服水泵系統(tǒng)中的壓力差、水位、水在管網(wǎng)中流動(dòng)受到的阻力的變化規(guī)律就是由管阻特性來(lái)反映的。從圖中可以得知，在同一閥門開(kāi)度下，揚(yáng)程增大，流量也隨著變大。在某一揚(yáng)程下，系統(tǒng)向用戶供水的能力，取決于閥門開(kāi)度的大小。由此可知，揚(yáng)程與供水流量間的關(guān)系是由管阻特性來(lái)反映。供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)是揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn) ，如圖 。在這一點(diǎn)上，系統(tǒng)的供水量與系統(tǒng)中用戶的用水量剛好相同。達(dá)到一種平衡狀態(tài)。這樣供水系統(tǒng)同時(shí)滿足了管阻特性與揚(yáng)程特性，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。 Q H管 阻 特 性揚(yáng) 程 特 性Q AH A 圖 供水系統(tǒng)的基本 特性曲線 研究恒壓供水系統(tǒng)就是要提供一種能夠在不同環(huán)境下滿足用戶對(duì)水流量的需求。因此，供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象就是流量。按照前面說(shuō)敘述的，流量的大小決定于揚(yáng)程，可是揚(yáng)程是很難進(jìn)行具體測(cè)量和控制。在動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小與用戶用水需求、供水能力之間的平衡關(guān)系如下： 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。 可此可見(jiàn)，流體壓力的變化詮釋了供水能力與用水需求之間的矛盾。所以，我們把壓力作為一個(gè)控制流量大小的參考變量。意思就是如果在系統(tǒng)中保證了檢測(cè)管道處的壓力保持不變，那么這個(gè)地方的供水能力與用水量的平衡狀態(tài)就得到了保證。這樣就能使供水系統(tǒng)最優(yōu)化的滿足用戶的用水需求。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵電機(jī)、閥門和管道等構(gòu)成。恒壓供水系統(tǒng)通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵工作，一般電機(jī)和水泵都做為一體的（所以文中將水泵直接代替電 機(jī)和水泵），由變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，進(jìn)而根據(jù)需要來(lái)@@@學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 8 調(diào)節(jié)供水量實(shí)現(xiàn)恒壓供水。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速就是供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)。變頻器通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)定子供電的頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改變異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速。 根據(jù)電機(jī)學(xué)理論 ,交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 ： )1(60 spfn ?? 式（ 21） 其中： f 為定子的電源或穩(wěn)壓器頻率； p 為極對(duì)數(shù)； n 為轉(zhuǎn)速； s 為轉(zhuǎn)差率。 轉(zhuǎn)差率 S，是同步轉(zhuǎn)速減去異步轉(zhuǎn)速的值再去比同步轉(zhuǎn)速的百分比 ， 三相異步電 動(dòng)機(jī)各機(jī)種型號(hào)及生產(chǎn)廠家的轉(zhuǎn)差率不盡相同，應(yīng)根據(jù)銘牌額定轉(zhuǎn)速計(jì)算就能得出轉(zhuǎn)差率。從上式可知，當(dāng)極對(duì)數(shù) p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速刀與定子電源頻率成正比，所以我們要連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行變頻調(diào)速過(guò)程中，電機(jī)從高速到低速都能夠保持有限的轉(zhuǎn)差率，因此變頻調(diào)速具有高精度、機(jī)械特性較硬、高效率、平滑性較高、調(diào)速范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，其調(diào)速的性能完全可以同直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。綜上所訴，采用變頻器對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速是一種比較理想合理調(diào)速方試，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速 中。流量是供水系統(tǒng)中常用的控制量，通常采用控制閥門或轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行流量的控制。閥門控制法不常用，此方法在控制中可能會(huì)出現(xiàn)超壓或欠壓現(xiàn)象。原因是通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，此時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速是保持不變的。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變管道中水路阻力大小來(lái)改變流量，由此，管道阻力將隨閥門開(kāi)度的變化而變化，但其中的揚(yáng)程特性是不變的。而實(shí)際用水過(guò)程中，用戶的用水需求是不定的，它在不斷的變化，如果閥門的開(kāi)度在某一段時(shí)間內(nèi)維持恒定不變的化，就會(huì)造成這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是常用的一種控制方法。它是保持閥門的開(kāi)度不變，通過(guò)改變水泵 電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水的動(dòng)能來(lái)使流量改變。因此，這種方式下的管阻特性是不變的，揚(yáng)程特性就會(huì)隨水泵轉(zhuǎn)速而改變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作過(guò)程中，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)節(jié)的，始終保持了管道壓力的穩(wěn)定不變，如果用水需求量增大，則電機(jī)開(kāi)始加速運(yùn)行。如果用水需求量減小時(shí)，則電機(jī)減速運(yùn)行。當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，無(wú)論用水量多大，電機(jī)都一樣運(yùn)行，尤其用水量少時(shí)，效率很低，有很多功率被浪費(fèi)掉。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，用多少水，抽多少水，水泵的效率不變，總處于最佳狀態(tài)。 電子技術(shù)的發(fā)展和完善， 促進(jìn)了變頻調(diào)速領(lǐng)域的發(fā)展，變頻調(diào)速的機(jī)械特性好，精度高，效率高，調(diào)整特性曲線平滑，調(diào)速范圍寬，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護(hù)方便、自動(dòng)化水平高。這一系列突出的優(yōu)點(diǎn)倍受人們的青睞。現(xiàn)在交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，它將配電網(wǎng)恒@@@學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 9 定頻率的交流電經(jīng)過(guò)整流二極管變成直流，再由 IGBT 或 GTR 模塊等組成的逆變電路變成頻率可調(diào)的交流電源，用此電源拖動(dòng)交流電機(jī)在變速狀態(tài)下運(yùn)行，并能自動(dòng)適應(yīng)負(fù)荷變動(dòng)的條件。它改寫傳統(tǒng)工業(yè)中電機(jī)啟動(dòng)后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運(yùn)行方式的歷史，達(dá)到現(xiàn)代社會(huì)節(jié)能的要 求。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于供水系統(tǒng)中，較傳統(tǒng)的供水方式可節(jié)電 40％～ 60％，節(jié)水 15％～ 30％，所以本文采用變頻調(diào)速恒壓供水方式。 變頻恒壓供水方式的選擇 目前國(guó)內(nèi)變頻恒壓供水設(shè)備電控柜的控制方式有： ① 邏輯電子電路控制方式 這類控制電路往往采用一臺(tái)泵變頻運(yùn)行，其余泵為工頻運(yùn)行的方式。難實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調(diào)節(jié)，所以控制精度較低、抗干擾能力較弱、調(diào)試較麻煩、工頻泵起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)有沖擊、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大，但是成本較低。 ② 單片微機(jī)電路控制方式 此控制電路要好于邏輯電路，但在對(duì)不同供水、不同管網(wǎng) 情況時(shí)，調(diào)試比較繁瑣。追加功能時(shí)往往還要重新修改電路，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不太好 。 ③ 新型變頻調(diào)速供水設(shè)備 由于傳統(tǒng)的供水設(shè)備都有著不同的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外很多廠家研制出了一批新的供水設(shè)備，華為的 TD2100、 富士公司的 GIIS／ PIIS系列產(chǎn)品、 SANKEN的 SAMCO— I系列、施耐德公司的 Altivar58泵切換卡、 ABB公司的 ACS600、 ACS400系列產(chǎn)品等等。這些產(chǎn)品的特點(diǎn)是減少了對(duì) PLC的容量的要求，不用對(duì) PID調(diào)節(jié)器編程，調(diào)試容易，成本低，還提高了生產(chǎn)效率。水壓的調(diào)節(jié)很平滑， 反饋準(zhǔn)確。這些特點(diǎn)都源于新產(chǎn)品綜合了 PLC的一些簡(jiǎn)單功能和 PID調(diào)節(jié)器。而且， PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法。這種變頻器在供水領(lǐng)域很受歡迎。 分析以上 3 種方案后，本次設(shè)計(jì)就采用的第四種方案，用新型的變頻調(diào)速設(shè)備。供水系統(tǒng)方案如圖 所示。 @@@學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 10 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號(hào)報(bào) 警 信 號(hào)水 池 水 位 信 號(hào) 圖 供水系統(tǒng)方案圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理 系統(tǒng)的構(gòu)成 本系統(tǒng)有變頻器，可編程控制器（ PLC）， 3 臺(tái)水泵電機(jī)，壓力傳感器和若干輔助部件構(gòu)成。每臺(tái)水泵的出水管都配有手動(dòng)閥門，便于系統(tǒng)維修和調(diào)節(jié)水量， 3臺(tái)泵在控制信號(hào)下變頻或工頻運(yùn)行， 以滿足供水需求。系統(tǒng)中壓力傳感器檢測(cè)管道上的壓力，一般采用電阻式傳感器 (反饋 0～ 5V電壓信號(hào) )或壓力變送器 (反饋 4～20mA 電流 )；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)極調(diào)速、無(wú)波動(dòng)穩(wěn)壓和其他功能的重要器件。 通過(guò)的圖 ，我們可以知道恒壓供水系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、信號(hào)檢查、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、報(bào)警裝置等組成。 ① 控制系統(tǒng) 供水控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器、變頻器、電控設(shè)備組成，安裝在專門的控制柜中。 1) 可編程邏輯 控制器（ PLC） :它像人的大腦，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。它可以采集系統(tǒng)中的壓力、工況、報(bào)警信號(hào)，分析數(shù)據(jù)信息 ，再處理運(yùn)算，得出控制方案供水控制器，發(fā)送指令給變頻器、接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施控制。 2) 變頻器 :它是控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的單元。變頻器通過(guò)接收跟蹤 PLC給出的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，其原理是通過(guò)改變運(yùn)行頻率來(lái)完成對(duì)調(diào)速水泵的轉(zhuǎn)速控制。 @@@學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 11 3) 電控設(shè)備 :主要由一些轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、接觸器、保護(hù)繼電器等電氣元件組成。用于主電路中在控制系統(tǒng)的控制下進(jìn)行水泵的切換，保護(hù)用電設(shè)備等。 ② 信號(hào)檢測(cè) 在變頻恒壓供水系統(tǒng)中信號(hào)的檢查主要是檢查出水管中水的壓力和一些報(bào)警信號(hào)。 水壓信號(hào) :它是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)重要反饋信號(hào)，反映的是用戶管網(wǎng)里水的壓力通 過(guò)壓力傳感器測(cè)出來(lái)的水壓值，是模擬量信號(hào)。 報(bào)警信號(hào) :開(kāi)關(guān)量信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)不正常，水泵過(guò)載運(yùn)行或變頻器異常的時(shí)候會(huì)反映出來(lái)。這個(gè)信號(hào)的檢查對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和設(shè)備的保護(hù)起著重要作用。 ③ 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)顧名思義就是系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備，在這個(gè)系統(tǒng)里就是 3臺(tái)水泵，通過(guò)水泵把水送給用戶。它們用于將水供入用戶管網(wǎng)。 ④ 通訊接口 通訊接口是用來(lái)與外界通信用的，比如可以結(jié)合組態(tài)軟件制作一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在 LED上顯示，數(shù)據(jù)的交換就是通過(guò)通訊接口傳送。還可以利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)。 ⑤ 報(bào)警裝置 為了保證控制系統(tǒng)的 安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，防止由于電網(wǎng)大的波動(dòng)、水源終斷、電機(jī)過(guò)載、站內(nèi)溢水、變頻器報(bào)警、出水超壓等情況而造成故障，恒壓供水系統(tǒng)的報(bào)警裝置是必不可少的。報(bào)警信號(hào)通過(guò) PLC的判斷，進(jìn)行報(bào)警和保護(hù)動(dòng)作的控制。 工作原理 首先將總電路上的空氣開(kāi)關(guān)閉合，使供水系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。然后再將狀態(tài)開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)上，系統(tǒng)就開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行（一般系統(tǒng)出故障時(shí)才需要手動(dòng)運(yùn)行）。這個(gè)時(shí)候就可以通過(guò) PLC程序來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行了。在 PLC程序中接通 KM6，并啟動(dòng)變頻器，此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí) PLC判斷壓力傳感器檢測(cè)的壓力值與系統(tǒng)設(shè)置的壓力值的偏差進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)，改變變頻器的輸出頻率控制水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、水泵運(yùn)行個(gè)數(shù)以及水泵運(yùn)行狀態(tài)。 增泵工作過(guò)程：本系統(tǒng)水泵電機(jī) 3臺(tái)，分為 1號(hào)、 2號(hào)、 3號(hào)水泵，系統(tǒng)啟動(dòng)后，