【文章內容簡介】 些加壓設施中越來越顯示出其優(yōu)越性 。 @@@學院本科畢業(yè)設計（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 ① 流量 流量是單位時間內流過管道內某一截面的水量，常用單位是 m3/s、 m3/min、m3/h等 .符號是 Q， 供水系統(tǒng)的基本任務是滿足用戶的流量需求。 ② 揚程 揚程是單位質量的水被上揚時所獲得的能量，常用單位是 m，符號是 H。揚程主要包含是以下幾個方面：一、供水中水位提高需要的能量；二、供水中水在管道中流動時有阻力，要克服這個阻力所需的能量；三、要 使水在管網流動，具有流速所需的能量。一般情況下，我們認為提高水位需要的能量是揚程的主要部分，因為在同一個管道里，上面所說的二和三是基本上不變化的，其數值相對較小。由此我們在分析系統(tǒng)時，同一管道揚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因素，即水位差就簡單的代表了揚程。 ③ 全揚程 全揚程可以叫總揚程也可以叫做水泵揚程，它是一個說明水泵的泵水能力的物理量。水從蓄水池被上揚到最高的水位時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，符號是 HT。 ④ 實際揚程 實際揚程 就是用 水泵提 聲 水位 時 所需 的能量，符號是 HA 。 ⑤ 損失揚程 全揚程 減去 實際揚程 就是 損失揚程，符號是 HL。 HT 、 HA和 HL 之間的關系是 : HT = HA + HL ⑥ 管阻 管阻是管道系統(tǒng)包括水管、閥門等對水流阻力的物理量，符號是 R。通常用揚程與流量間的關系曲線來描述。 供水系統(tǒng)的基本特性 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性的前提是供水系統(tǒng)管網中的閥門開度為定值，如圖 21所示，闡述的關系是水泵在某一轉速下系統(tǒng)中揚程 H與流量 Q，從圖中可以反映出，當流量 Q增大的時候，揚程 H逐漸變小。以閥門開度和水泵轉速都不改變?yōu)榍疤岬那闆r下， 流量的大小主要是由用戶的實際用水量來決定的。所@@@學院本科畢業(yè)設計（論文） 摘 要 7 以，可以得出揚程特性主要是反映揚程 H與用水流量間的關系。管阻特性是在前提為水泵的轉速不變的情況下，表明閥門在某一開度下，揚程與流量之間的關系。水泵中的能量用來克服水泵系統(tǒng)中的壓力差、水位、水在管網中流動受到的阻力的變化規(guī)律就是由管阻特性來反映的。從圖中可以得知，在同一閥門開度下，揚程增大，流量也隨著變大。在某一揚程下，系統(tǒng)向用戶供水的能力，取決于閥門開度的大小。由此可知，揚程與供水流量間的關系是由管阻特性來反映。供水系統(tǒng)的工作點是揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點 ，如圖 。在這一點上，系統(tǒng)的供水量與系統(tǒng)中用戶的用水量剛好相同。達到一種平衡狀態(tài)。這樣供水系統(tǒng)同時滿足了管阻特性與揚程特性，系統(tǒng)達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。 Q H管 阻 特 性揚 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)境下滿足用戶對水流量的需求。因此，供水系統(tǒng)的基本控制對象就是流量。按照前面說敘述的，流量的大小決定于揚程，可是揚程是很難進行具體測量和控制。在動態(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，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)中保證了檢測管道處的壓力保持不變，那么這個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、閥門和管道等構成。恒壓供水系統(tǒng)通過異步電動機帶動水泵工作，一般電機和水泵都做為一體的（所以文中將水泵直接代替電 機和水泵），由變頻器對電機進行速度調節(jié)，進而根據需要來@@@學院本科畢業(yè)設計（論文） 摘 要 8 調節(jié)供水量實現恒壓供水。異步電動機的變頻調速就是供水系統(tǒng)變頻的實質。變頻器通過改變異步電動機定子供電的頻率進而實現改變異步電動機同步轉速。 根據電機學理論 ,交流電動機的轉速公式為 ： )1(60 spfn ?? 式（ 21） 其中： f 為定子的電源或穩(wěn)壓器頻率； p 為極對數； n 為轉速； s 為轉差率。 轉差率 S，是同步轉速減去異步轉速的值再去比同步轉速的百分比 ， 三相異步電 動機各機種型號及生產廠家的轉差率不盡相同，應根據銘牌額定轉速計算就能得出轉差率。從上式可知，當極對數 p不變時，電機轉子轉速刀與定子電源頻率成正比，所以我們要連續(xù)平滑的調節(jié)電機的轉速就可以通過連續(xù)調節(jié)異步電機供電電源頻率來實現。在進行變頻調速過程中，電機從高速到低速都能夠保持有限的轉差率，因此變頻調速具有高精度、機械特性較硬、高效率、平滑性較高、調速范圍廣的優(yōu)點，其調速的性能完全可以同直流電動機調速系統(tǒng)相媲美。綜上所訴，采用變頻器對交流異步電動機調速是一種比較理想合理調速方試，它被廣泛地應用于對水泵電機的調速 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速來進行流量的控制。閥門控制法不常用，此方法在控制中可能會出現超壓或欠壓現象。原因是通過調節(jié)閥門開度來調節(jié)流量，此時的電機轉速是保持不變的。閥門控制法的實質是通過改變管道中水路阻力大小來改變流量，由此，管道阻力將隨閥門開度的變化而變化，但其中的揚程特性是不變的。而實際用水過程中，用戶的用水需求是不定的，它在不斷的變化，如果閥門的開度在某一段時間內維持恒定不變的化，就會造成這種現象的出現。轉速控制法是常用的一種控制方法。它是保持閥門的開度不變，通過改變水泵 電機的轉速來調節(jié)流量，實質是通過改變水的動能來使流量改變。因此，這種方式下的管阻特性是不變的，揚程特性就會隨水泵轉速而改變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作過程中，水泵電機的轉速是根據用戶用水量的變化自動地調節(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，則電機開始加速運行。如果用水需求量減小時，則電機減速運行。當用閥門控制流量時，無論用水量多大，電機都一樣運行，尤其用水量少時，效率很低，有很多功率被浪費掉。轉速調節(jié)時，用多少水，抽多少水，水泵的效率不變，總處于最佳狀態(tài)。 電子技術的發(fā)展和完善， 促進了變頻調速領域的發(fā)展，變頻調速的機械特性好，精度高，效率高，調整特性曲線平滑，調速范圍寬，可以實現連續(xù)的、平穩(wěn)的調速，體積小、維護方便、自動化水平高。這一系列突出的優(yōu)點倍受人們的青睞?，F在交流電機的變頻調速技術已經發(fā)展成為一項成熟的技術，它將配電網恒@@@學院本科畢業(yè)設計（論文） 摘 要 9 定頻率的交流電經過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的交流電源，用此電源拖動交流電機在變速狀態(tài)下運行，并能自動適應負荷變動的條件。它改寫傳統(tǒng)工業(yè)中電機啟動后只能以額定功率、定轉速的單一運行方式的歷史，達到現代社會節(jié)能的要 求。變頻調速技術應用于供水系統(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速恒壓供水方式。 變頻恒壓供水方式的選擇 目前國內變頻恒壓供水設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泵變頻運行，其余泵為工頻運行的方式。難實現水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調節(jié)，所以控制精度較低、抗干擾能力較弱、調試較麻煩、工頻泵起動時對電網有沖擊、水泵切換時水壓波動大，但是成本較低。 ② 單片微機電路控制方式 此控制電路要好于邏輯電路，但在對不同供水、不同管網 情況時，調試比較繁瑣。追加功能時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 新型變頻調速供水設備 由于傳統(tǒng)的供水設備都有著不同的缺點，國內外很多廠家研制出了一批新的供水設備，華為的 TD2100、 富士公司的 GIIS／ PIIS系列產品、 SANKEN的 SAMCO— I系列、施耐德公司的 Altivar58泵切換卡、 ABB公司的 ACS600、 ACS400系列產品等等。這些產品的特點是減少了對 PLC的容量的要求，不用對 PID調節(jié)器編程，調試容易，成本低，還提高了生產效率。水壓的調節(jié)很平滑， 反饋準確。這些特點都源于新產品綜合了 PLC的一些簡單功能和 PID調節(jié)器。而且， PID調節(jié)器采用了優(yōu)化算法。這種變頻器在供水領域很受歡迎。 分析以上 3 種方案后，本次設計就采用的第四種方案，用新型的變頻調速設備。供水系統(tǒng)方案如圖 所示。 @@@學院本科畢業(yè)設計（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 組管 網 壓 力 信 號報 警 信 號水 池 水 位 信 號 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)的構成 本系統(tǒng)有變頻器，可編程控制器（ PLC）， 3 臺水泵電機，壓力傳感器和若干輔助部件構成。每臺水泵的出水管都配有手動閥門，便于系統(tǒng)維修和調節(jié)水量， 3臺泵在控制信號下變頻或工頻運行， 以滿足供水需求。系統(tǒng)中壓力傳感器檢測管道上的壓力，一般采用電阻式傳感器 (反饋 0～ 5V電壓信號 )或壓力變送器 (反饋 4～20mA 電流 )；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，是實現電機無極調速、無波動穩(wěn)壓和其他功能的重要器件。 通過的圖 ，我們可以知道恒壓供水系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、信號檢查、執(zhí)行機構、報警裝置等組成。 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，是整個控制系統(tǒng)的核心。它可以采集系統(tǒng)中的壓力、工況、報警信號，分析數據信息 ，再處理運算，得出控制方案供水控制器，發(fā)送指令給變頻器、接觸器對執(zhí)行機構實施控制。 2) 變頻器 :它是控制水泵電機轉速的單元。變頻器通過接收跟蹤 PLC給出的控制信號來調節(jié)水泵的轉速，其原理是通過改變運行頻率來完成對調速水泵的轉速控制。 @@@學院本科畢業(yè)設計（論文） 摘 要 11 3) 電控設備 :主要由一些轉換開關、接觸器、保護繼電器等電氣元件組成。用于主電路中在控制系統(tǒng)的控制下進行水泵的切換，保護用電設備等。 ② 信號檢測 在變頻恒壓供水系統(tǒng)中信號的檢查主要是檢查出水管中水的壓力和一些報警信號。 水壓信號 :它是整個系統(tǒng)的一個重要反饋信號，反映的是用戶管網里水的壓力通 過壓力傳感器測出來的水壓值，是模擬量信號。 報警信號 :開關量信號，當系統(tǒng)不正常，水泵過載運行或變頻器異常的時候會反映出來。這個信號的檢查對系統(tǒng)的正常運行和設備的保護起著重要作用。 ③ 執(zhí)行機構 執(zhí)行機構顧名思義就是系統(tǒng)的執(zhí)行設備，在這個系統(tǒng)里就是 3臺水泵，通過水泵把水送給用戶。它們用于將水供入用戶管網。 ④ 通訊接口 通訊接口是用來與外界通信用的，比如可以結合組態(tài)軟件制作一個實時監(jiān)控系統(tǒng)，在 LED上顯示，數據的交換就是通過通訊接口傳送。還可以利用現代網絡技術對系統(tǒng)進行遠程診斷和維護。 ⑤ 報警裝置 為了保證控制系統(tǒng)的 安全、穩(wěn)定、可靠運行，防止由于電網大的波動、水源終斷、電機過載、站內溢水、變頻器報警、出水超壓等情況而造成故障，恒壓供水系統(tǒng)的報警裝置是必不可少的。報警信號通過 PLC的判斷，進行報警和保護動作的控制。 工作原理 首先將總電路上的空氣開關閉合，使供水系統(tǒng)進入運行狀態(tài)。然后再將狀態(tài)開關打到自動上，系統(tǒng)就開始自動運行（一般系統(tǒng)出故障時才需要手動運行）。這個時候就可以通過 PLC程序來控制系統(tǒng)的運行了。在 PLC程序中接通 KM6，并啟動變頻器，此時系統(tǒng)開始運轉。此時 PLC判斷壓力傳感器檢測的壓力值與系統(tǒng)設置的壓力值的偏差進行 PID調節(jié)，改變變頻器的輸出頻率控制水泵的運轉速度、水泵運行個數以及水泵運行狀態(tài)。 增泵工作過程：本系統(tǒng)水泵電機 3臺，分為 1號、 2號、 3號水泵，系統(tǒng)啟動后，