【文章內容簡介】 ....................... 16 附錄 ........................................................................ 16 西 安 交通大學 繼續(xù) 教育 學院畢業(yè)論文 1 前 言 隨著變頻技術的發(fā)展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質的供水質量等特點，廣泛應用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調速，依據(jù)用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設 備、降低成本、保證產品質量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，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、標準化，是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡供水調度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。 西 安 交通大學 繼續(xù) 教育 學院畢業(yè)論文 2 第一章 恒壓變頻供水簡介 恒壓變頻供水產生的背景及國內現(xiàn)狀 我 國長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產循環(huán)供水等方面技術一直比較落后，工業(yè)自動化程度低。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)水壓升高供過于求的情況，此時會造成能量的浪費，同時還有可能造成水管爆裂和用水設備的損壞。 傳統(tǒng)調節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟 /停電機控制和水塔二次供水調節(jié)的方式，前者產生大量能耗的，而且對電網(wǎng)中其他負荷造成影響，設備不斷啟停會影響設備壽命 。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生的。恒壓變頻供水系統(tǒng)通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設定壓力值作比較，再通過控制器調節(jié)變頻器的輸出，無級調節(jié)水泵轉速，設備運行十分平穩(wěn)，使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內。沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，啟動方式為軟啟動，避免了電氣、機械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險。這樣供水系統(tǒng)所供應的水量就和用戶的實際需求不斷接近，最大程度上節(jié)約了水資源。 由此可見，變頻調速恒壓供水系統(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、調節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現(xiàn)代控制技術、網(wǎng)絡和通訊技術同時兼顧系統(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，使其能被更好的應用于生活、生產實踐。 恒壓變頻供水系統(tǒng)的優(yōu)點 （ 1）恒壓變頻供水設備運行合理，由于是軟起和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費 用，并且水泵的壽命大大提高。 （ 2）恒壓變頻供水設備由于變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二西 安 交通大學 繼續(xù) 教育 學院畢業(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，因為變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠自動控制運行，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)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、液位保護、主泵定時輪換控制、密碼設定等功能，功能完善，全自動 （ 5）恒壓變頻供水設備配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。 （ 6）用變頻器進行調速，用調節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。 第二章 恒壓變頻供水系統(tǒng)的總體設計思想 恒壓變頻供水的原理 整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調速器，一臺 PLC 和一個壓力傳感器及若干輔助部件構成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調節(jié)水量之用，三臺泵 協(xié)調工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測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 )或壓力變送器 (反饋 4～ 20mA 電流 )；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無極調速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。如下圖所示： 西 安 交通大學 繼續(xù) 教育 學院畢業(yè)論文 4 圖 系統(tǒng)結構圖 恒壓變頻供水系統(tǒng)的控制對象是供水系統(tǒng)出口的水流量，它是一個在時刻變化著的非線性量。要使水流量時刻滿足用戶的要求，就必須得有檢測裝置來檢測管網(wǎng)的壓力，然后反饋給系統(tǒng)，再通過系統(tǒng)調節(jié)來使其不斷向目標靠近。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，其輸入信號主要包括 : （ 1）模擬量輸入 :管網(wǎng)的當前壓力 (420mA， 05V)。 （ 2）數(shù)字量輸入 :進水壓力繼電器 。水箱水位 。出水壓力繼電器 。電機的過載保護 。變頻器故障 。工作方式選擇 。手動操作的按鈕 (旋鈕信號 )等。 PLC 的輸出主要控制下列對象 : （ 1） 用于各水泵電機工、變頻工作的中間繼電器、交流接觸器 。變頻器啟動、停車、故障復位的開關量信號。 （ 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 (010V)。 變頻調速原理 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要由水泵、電動機、管道等構成。通常由鼠籠式異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調節(jié)異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現(xiàn)調速的。異步西 安 交通大學 繼續(xù) 教育 學院畢業(yè)論文 5 電機的轉差率定義為： 11 nnS ?? （ 25） 異步電機的同步速度為 : pfn 601 ? （ 26） 異步電機的轉速為： ? ?p sfn ?? 160 （ 27） 其中： 1n 為異步電機的理想空載轉速； n 為異步電機轉子轉速； f 是異步電機的定子電源頻率； p 為異步電機的極對數(shù)。 從上式可知，當極對數(shù) 不變時，電機轉子轉速 與定子電源頻率 成正比，因此連續(xù)調節(jié)異步電機供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調節(jié)電機的同步轉速，從而調節(jié)其轉子的轉速。變頻調速時，從高速到低速都可以保持有限的轉差率，因而變頻調速具有高效率、高精度、調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較 硬的優(yōu)點，調速性能可與直流電動機調速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調速是交流異步電機一種比較合理和理想的調速方法，它被廣泛地應用于對水泵電機的調速。 PID 調節(jié)器 采用 PID 控制較單獨的 P、 PI、 PD 控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產生偏差到出現(xiàn)響應需要一定時間的負載系統(tǒng) (即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID 調節(jié) )效果比較好。 西 安 交通大學 繼續(xù) 教育 學院畢業(yè)論文 6 圖 PID 控制示意圖 通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量 (反饋量 )，將其與目標值 (溫度、流量、壓力等設定值 )進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與日標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、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的 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，在使用時只需要進行線路的連接和 P、 I、 D 參數(shù)及日標值的設定。 （ 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 )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)”的方式進行工作的。即在 PLC 運行時，