【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ....................... 16 附錄 ........................................................................ 16 西 安 交通大學(xué) 繼續(xù) 教育 學(xué)院畢業(yè)論文 1 前 言 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè) 備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。 目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來(lái)供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。 西 安 交通大學(xué) 繼續(xù) 教育 學(xué)院畢業(yè)論文 2 第一章 恒壓變頻供水簡(jiǎn)介 恒壓變頻供水產(chǎn)生的背景及國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 我 國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，工業(yè)自動(dòng)化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象 。而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過(guò)于求的情況，此時(shí)會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)還有可能造成水管爆裂和用水設(shè)備的損壞。 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)生大量能耗的，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。而恒壓變頻供水系統(tǒng)就是在這種情況下產(chǎn)生的。恒壓變頻供水系統(tǒng)通過(guò)安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定壓力值作比較，再通過(guò)控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，使系統(tǒng)水壓無(wú)論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。沒(méi)有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，避免了電氣、機(jī)械沖擊，也沒(méi)有水塔供水所帶來(lái)的二次污染的危險(xiǎn)。這樣供水系統(tǒng)所供應(yīng)的水量就和用戶的實(shí)際需求不斷接近，最大程度上節(jié)約了水資源。 由此可見(jiàn)，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有供水安全、節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、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)，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。目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。 因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。 恒壓變頻供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) （ 1）恒壓變頻供水設(shè)備運(yùn)行合理，由于是軟起和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費(fèi) 用，并且水泵的壽命大大提高。 （ 2）恒壓變頻供水設(shè)備由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二西 安 交通大學(xué) 繼續(xù) 教育 學(xué)院畢業(yè)論文 3 次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。 （ 3）高效節(jié)能，因?yàn)樽冾l恒壓供水系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制運(yùn)行，水泵不必總是工作在最大功率的狀態(tài)，所以恒壓變頻供水系統(tǒng)能夠節(jié)約電能和水資源，節(jié)能量通常在 10%40%。而且單臺(tái)水泵流量越小，節(jié)約能量越多。 （ 4）小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、欠相、短路保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)、過(guò)載、失速保護(hù)、液位保護(hù)、主泵定時(shí)輪換控制、密碼設(shè)定等功能，功能完善，全自動(dòng) （ 5）恒壓變頻供水設(shè)備配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠。 （ 6）用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。 第二章 恒壓變頻供水系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想 恒壓變頻供水的原理 整個(gè)系統(tǒng)由三臺(tái)水泵，一臺(tái)變頻調(diào)速器，一臺(tái) PLC 和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺(tái)水泵中每臺(tái)泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺(tái)泵 協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測(cè)管路壓力的壓力傳感器，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，通過(guò)改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速、無(wú)波動(dòng)穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。如下圖所示： 西 安 交通大學(xué) 繼續(xù) 教育 學(xué)院畢業(yè)論文 4 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 恒壓變頻供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是供水系統(tǒng)出口的水流量，它是一個(gè)在時(shí)刻變化著的非線性量。要使水流量時(shí)刻滿足用戶的要求，就必須得有檢測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)管網(wǎng)的壓力，然后反饋給系統(tǒng)，再通過(guò)系統(tǒng)調(diào)節(jié)來(lái)使其不斷向目標(biāo)靠近。我們從上面的描述中可以 看到，恒壓變頻供水系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。原理框圖如下： 圖 原理框圖 系統(tǒng)以 PLC 為核心，其輸入信號(hào)主要包括 : （ 1）模擬量輸入 :管網(wǎng)的當(dāng)前壓力 (420mA， 05V)。 （ 2）數(shù)字量輸入 :進(jìn)水壓力繼電器 。水箱水位 。出水壓力繼電器 。電機(jī)的過(guò)載保護(hù) 。變頻器故障 。工作方式選擇 。手動(dòng)操作的按鈕 (旋鈕信號(hào) )等。 PLC 的輸出主要控制下列對(duì)象 : （ 1） 用于各水泵電機(jī)工、變頻工作的中間繼電器、交流接觸器 。變頻器啟動(dòng)、停車、故障復(fù)位的開關(guān)量信號(hào)。 （ 2）操作狀態(tài)切換的中間繼電器。 （ 3）變頻器頻率給定的模擬量信號(hào) (010V)。 變頻調(diào)速原理 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道等構(gòu)成。通常由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。異步西 安 交通大學(xué) 繼續(xù) 教育 學(xué)院畢業(yè)論文 5 電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為： 11 nnS ?? （ 25） 異步電機(jī)的同步速度為 : pfn 601 ? （ 26） 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： ? ?p sfn ?? 160 （ 27） 其中： 1n 為異步電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速； n 為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； f 是異步電機(jī)的定子電源頻率； p 為異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。 從上式可知，當(dāng)極對(duì)數(shù) 不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 與定子電源頻率 成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較 硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速。 PID 調(diào)節(jié)器 采用 PID 控制較單獨(dú)的 P、 PI、 PD 控制效果要好，基本上能獲得無(wú)偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過(guò)程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng) (即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過(guò)程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID 調(diào)節(jié) )效果比較好。 西 安 交通大學(xué) 繼續(xù) 教育 學(xué)院畢業(yè)論文 6 圖 PID 控制示意圖 通過(guò)對(duì)被控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)控制量 (反饋量 )，將其與目標(biāo)值 (溫度、流量、壓力等設(shè)定值 )進(jìn)行比較。若有偏差，則通過(guò)此功能的控制動(dòng)作使偏差為零。也就是使反饋量與日標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過(guò)程量的控制。在恒壓供水中常見(jiàn)的 PID 控制器的控制形式主要有兩種 : （ 1）硬件型：即通用 PID 控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線路的連接和 P、 I、 D 參數(shù)及日標(biāo)值的設(shè)定。 （ 2）軟件型：使用離散形式的 PID 控制算法在可編程序控制器 (或單片機(jī) )上做 PID 控制器。 PLC 的控制原理 PLC 是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即在 PLC 運(yùn)行時(shí)，