【文章內(nèi)容簡介】 到了限制，與 網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備等 系統(tǒng)很難 實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的通訊，在實(shí)際 應(yīng)用中， 范圍 在很大程度上 受到了限制。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性 能 、穩(wěn)定性及抗擾性等方面，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到用戶的要求。 目前，國內(nèi)推出了小功率水泵（ ～ 22kw）的恒壓供水專用變頻器，將閉環(huán)調(diào)節(jié)功能與 邏輯控制功能通過調(diào)節(jié)變頻器內(nèi)部參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，無需外接任何 PID調(diào)節(jié)器和 PLC 控制器，可實(shí)現(xiàn)最多 4 臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停。但該變頻器其輸出接口仍然限制了所帶負(fù)載容量大小，操作不方便的同時(shí)不能實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，所以只這類變頻器適用范圍小，控制要求低。因此，當(dāng)前國內(nèi)外的變頻恒壓供水有很大的缺陷與不足，還有待于進(jìn)一步研究并且改善其性能，使其能更好的應(yīng)用于生活及實(shí)踐。 儀器儀表 儀器儀表是根據(jù)現(xiàn)存在的各種科學(xué)原理，對被研究的系統(tǒng)對象進(jìn)行檢測、顯內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 3 示、觀察和控制的裝置的總稱。 儀表在控制系統(tǒng)中的作用 控制儀表 是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的一種重要工具。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，由傳感器及檢測儀表裝置將生產(chǎn)的工藝參數(shù)變?yōu)殡娦盘?hào)或氣壓等數(shù)字信號(hào)后，不僅還要由數(shù)字儀表顯示或者記錄，讓人們深入了解生產(chǎn)過程，同時(shí)還需要將此信號(hào)傳送給控制儀表和裝置，對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制，使參數(shù)更加符合工藝要求。 給排水的常用儀表及其作用 在供水，排水等系統(tǒng)中，儀表是不可或缺的儀器。它在系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用，集檢測、顯示、觀察與控制為一體的控制器。常用的有過程參數(shù)檢測儀表、調(diào)節(jié)控制的執(zhí)行設(shè)備、過程控制儀表等。最常用的就是液位傳感器、壓力變送器等 液位傳 感器 是一種 相當(dāng)于變壓 、 變流用的 用來 測量液位 高度 的 壓力傳感器 。投入式液位 傳感器 是 以 所測液體靜壓與該液體 高度 所 成比例的原理，采用 現(xiàn)在 先進(jìn)的 陶瓷電容壓力敏感傳感器 或者 隔離型擴(kuò)散硅 敏感元件 ，將靜壓 差變 為電信號(hào)，再 繼續(xù) 經(jīng)過 一定的 線性修正 和 溫度補(bǔ)償 ，轉(zhuǎn)化 為 標(biāo)準(zhǔn) 的 電信號(hào)（一般為 1～ 5VDC或者 4～ 20mA） ， 并 將 液體 液位的高度轉(zhuǎn)化為電信號(hào) ，以電信號(hào) 的形式進(jìn)行輸出。當(dāng)然， 我們 還 可以對電信號(hào)進(jìn)行 進(jìn)一步的 處理 ， 讓其與 專業(yè)顯示器 直接 相連 ，從而能直接 輸出 當(dāng)前 液位的高度。 在今天 ，液位傳感器 在生產(chǎn)領(lǐng)域的 發(fā)展仍 然 存在 很大 的挑戰(zhàn)。 據(jù)了解 ， 目前從事液位傳感器的 研發(fā) 和 生產(chǎn)的企業(yè) 已經(jīng)超過了 1800 多家 ， 它的 年產(chǎn)量突破 了 24個(gè) 億，產(chǎn)品 的分類分為了 10 個(gè) 大類、 42 個(gè) 小類、 6000 多個(gè)品種， 整體 呈現(xiàn) 一種很 好的發(fā)展 趨勢。 但在這 行 業(yè) 領(lǐng)域 中，外 企 的 優(yōu)勢 更為 明顯，比重達(dá)到 了 67%。我國 國有企業(yè) 和民 營 企業(yè)所占比重僅 僅 為 33%。 我國 生產(chǎn)液位變送器的 規(guī)模小， 專業(yè)人才短缺、研發(fā)能力弱，難與國外企業(yè) 相 抗衡。 壓力變送器是指輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的壓力傳感器 。 是接受壓力 的 一種變量，經(jīng)傳感 器 轉(zhuǎn)換 以 后，將壓力變化量轉(zhuǎn)換為一定比例 的 標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)的儀表。 壓力變送器是 由 壓力傳感器 、過程連接 部 件 、 測量電路 三部分 組合 而成，將測壓傳感器感受到的 氣體 或者 液體等壓力參數(shù)轉(zhuǎn) 換 成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（如 4~20mADC 等），以供給 記錄儀 、 指示 報(bào)警儀、調(diào)節(jié)器等 二次儀表 進(jìn)行測量、指示和過程調(diào)節(jié) ， 是直接與被測介質(zhì) 互 相接觸的現(xiàn)場儀表，常常在高溫 、 低溫 、 腐蝕 、 振動(dòng) 、 沖擊等環(huán)境內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 4 中工作。在石油、化工、電力、鋼鐵、輕工等行業(yè)的壓力測量及現(xiàn)場控制中應(yīng)用非常廣泛。 主要分為 電容式壓力變送器和擴(kuò)散硅壓力變送器，陶瓷壓力變送器，應(yīng)變式壓力變送器等。 它的 的發(fā)展大體經(jīng)歷了 以下 四個(gè)階段： (1)壓力變送器 在早期 采用大位移式 的 工作原理，精度低 、而 且 本身 笨重。 (2)20世紀(jì) 中期 ，隨著 力平衡式差壓變送器 的出現(xiàn) ， 他的 精度 有所提高， 但 是反饋力 很 小，結(jié)構(gòu) 、性能等 均 不高 。 (3)70 年代中期， 伴隨著 電力 電子技術(shù)的 飛速 發(fā)展 ，科研出的 位移式變送器 結(jié)構(gòu)簡單的 ，且小巧靈活。 (4)到今天，科學(xué)技術(shù)達(dá)到飛速發(fā)展的高潮 ， 出現(xiàn)的這批 變送器 更加符合我們的應(yīng)用實(shí)際， 精度高 、 逐漸 實(shí)現(xiàn) 智能化 ， 輸出的 數(shù)字信號(hào) 更容易被 采集。 20世紀(jì) 90 年代， 伴隨著 現(xiàn)場總線技術(shù) 的 迅速崛起，工業(yè)過程控制系統(tǒng)逐漸向具有 智能儀表控制 和 雙向通信 的 方向發(fā)展 。 由此， 新一代的智能壓力變送器 產(chǎn)生了 。它們的主要特點(diǎn)如下。 (1)能夠輸出 數(shù)字量。 (2)出現(xiàn)了 自診斷功能 ， 在接通電源時(shí) 將會(huì)自動(dòng) 進(jìn)行自檢 ,在工作中實(shí)現(xiàn) 了 運(yùn)行檢查。 (3)微處理器和基本傳感器之間具有雙向通信的功能 ， 構(gòu)成 了 閉環(huán)工作系統(tǒng)。 (4)擁有了 信息存儲(chǔ)和記憶 的 功能。 (5)擁有 自補(bǔ)償功能 ， 如非線性、響應(yīng)時(shí)間、噪聲 、 溫度誤差和交叉感應(yīng)等 的補(bǔ)償 。 基于 以上的 功能 ,智能壓力變送器 在 精度、 重復(fù)性 、 穩(wěn)定性 和可靠性 等方面 都得到改善 與 提高 。其雙向通信 功能更是 實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)軟件控制及遠(yuǎn)程設(shè)定量程等狀態(tài)。 本設(shè)計(jì)的主要研究 內(nèi)容 本設(shè)計(jì)是以由加壓站和水源井群組成的某供水廠為遠(yuǎn)在方圓 15KM外的幾十個(gè)村莊供水系統(tǒng)為控制對象，設(shè)計(jì)一套基于電氣及儀表控制的的變頻恒壓供水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行。 系統(tǒng)是由補(bǔ)水及供水兩部分組成的。補(bǔ)水的時(shí)候根據(jù)水池水位對 3 臺(tái)潛水泵內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 5 進(jìn)行控制，在水池水位設(shè)超高、高、低、超低 4 個(gè)水位，潛水泵控制應(yīng)能根據(jù)水池水位的高低控制所啟動(dòng)的潛水泵臺(tái)數(shù)，從 3 眼井組成的水源井群中抽水注入加壓站的蓄水池中。當(dāng)水位為超高水位的時(shí)候，應(yīng)停止所有的潛水泵；當(dāng)水位為高水位的時(shí)候，只啟動(dòng)一臺(tái)潛水泵，當(dāng)水位為低水位的時(shí)候，啟 動(dòng)兩臺(tái)潛水泵，當(dāng)水位為超低水位的時(shí)候，同時(shí)啟動(dòng)三臺(tái)潛水泵。采用水位傳感器及數(shù)字顯示儀表實(shí)現(xiàn)水位顯示電路，實(shí)現(xiàn)四限位、三臺(tái)潛水泵的起停。 供水部分是由兩臺(tái)加壓水泵組成的，采用變頻調(diào)速控制。根據(jù)用戶要求的供水壓力供水，當(dāng)一臺(tái)水泵能滿足供水要求時(shí)，只由一臺(tái)水泵變頻調(diào)速供水，當(dāng)一臺(tái)水泵難以滿足供水要求時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)第二臺(tái)水泵，同時(shí)第一臺(tái)工頻運(yùn)行，第二臺(tái)水泵的啟動(dòng)應(yīng)為變頻軟啟動(dòng)。當(dāng)兩臺(tái)水泵供水壓力高于要求的供水壓力時(shí)，自動(dòng)停止一臺(tái)供水加壓泵。兩臺(tái)水泵既能實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行又能實(shí)現(xiàn)工頻運(yùn)行，當(dāng)變頻器故障時(shí)，應(yīng)能工頻運(yùn)行供水。變 頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、加壓 水泵機(jī)組和壓力變送器等 一起組成的完整閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 。 本設(shè)計(jì)中有 1個(gè)貯水池， 3臺(tái) 潛 水泵， 2臺(tái)加壓泵，變頻器 根據(jù) 供水 管網(wǎng) 的 壓力 ， 自動(dòng)控制各個(gè)水泵之間 、不同水泵之間的工、變頻 切換，并 且 根據(jù) 當(dāng)前 壓力檢測值和給定值之間 的 偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算， 結(jié)果 輸出給變頻器 的端子，作用他的輸出頻率，調(diào)節(jié) 供水的 流量，使供水 的 壓力恒定。 根據(jù)上述的控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)方案整體的設(shè)計(jì)。選出相應(yīng)的電器、控制儀表、電線、電纜等硬件設(shè)備，繪制出控制系統(tǒng)的電氣電路及變頻調(diào)速控制電路。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 6 第二章 控制方案擬定 變頻調(diào)速恒壓供水的主 要特點(diǎn) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 與過去的典型的供水方式相比在運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、設(shè)備的節(jié)約性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面都有具有典型的優(yōu)勢。在過去， 恒速泵加壓供水始終保持一個(gè)速度、在用戶用水量不同時(shí)不能很好地調(diào)節(jié)出水量的多少，可能造成資源的浪費(fèi)同時(shí)損壞供水設(shè)備；水塔高位水箱供水在資源節(jié)約方面可能會(huì)比恒速泵更經(jīng)濟(jì)一些，但水塔的進(jìn)水無疑又成為一個(gè)難題。 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)能很好地用于農(nóng)村供水廠和城市里小區(qū)的生活用水、消防用水以及工業(yè)生產(chǎn)用水等眾多供水場合，主要具有以下特點(diǎn)： (1)供水系統(tǒng)要具有通用性。面向多種的供水系統(tǒng)，不同用 水量和揚(yáng)程，供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在著很大的差異，因此模型要有很強(qiáng)的多變性，供水系統(tǒng)要有通用性。 (2)供水系統(tǒng)的控制對象是給用戶供水的水壓，它是一個(gè)過程量，與其他一些過程控制量一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性，同時(shí)用于對水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后性。 (3)水泵的電氣控制柜，同時(shí)具有遠(yuǎn)程和就地控制的功能，數(shù)據(jù)通訊接口能與控制信號(hào)或者軟件相連，對供水的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、監(jiān)控以及報(bào)表的打印等功能。 (4)由于在變頻器控制的 恒壓供水系統(tǒng)中，由于始終存在泵的起、停。這樣不同水泵的運(yùn)行狀態(tài)直接 影響供水系統(tǒng)的參數(shù)，使系統(tǒng)參數(shù)不斷發(fā)生變化，由此，科學(xué)認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的對象是不確定、時(shí)時(shí)發(fā)生變化的。 (5)當(dāng)意外情況出現(xiàn)的時(shí)候 (如突然斷電、停水等外部故障，或者水泵、變頻器或軟啟動(dòng)器等內(nèi)部故障 )，系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)前工況自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)切換，保證供水壓力的恒定，且能同時(shí)滿足用戶的用水需求。 (6)有專門的故障程序或者故障電路，在故障突發(fā)時(shí)執(zhí)行，保證在突發(fā)情況下，仍能進(jìn)行供水。 (7)通過反饋的參數(shù)調(diào)節(jié)變頻器的頻率來控制水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺(tái)加壓水泵實(shí)行變頻軟啟動(dòng)，電流可以從零 到到電機(jī)額定電流，減少了直接啟動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)降低了直接啟動(dòng)大慣性對設(shè)備的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 7 延長了設(shè)備的使用壽命。 變頻調(diào)速恒壓供水的節(jié)能原理 圖 供水系統(tǒng)的基本特性 圖 如圖 所示，為 供水系統(tǒng)的基本特性 圖，它 是 在 供水系統(tǒng) 中 ，管路 的閥門開度 保持 不變?yōu)榍疤?的條件下，供水 系統(tǒng)的基本特性 和揚(yáng)程特性，表明 加壓 泵在某同 一轉(zhuǎn)速下 的 流量 （ Q） 與 揚(yáng)程 （ H） 之 間的關(guān)系 f(Q)。由圖可 知 ， 流量與揚(yáng)程大致呈反比關(guān)系， 流量 增大時(shí) ，揚(yáng)程 反而會(huì)下降 。 若管路中 閥門開度和 加壓 泵轉(zhuǎn)速都 恒定 不變， 此時(shí) 流量的大小主要取決于 實(shí)時(shí)用水用戶 的多少 和 用水 的 情況 ，因此， 用水流量 Q(u)和 揚(yáng)程 H之 間的關(guān)系 反映的是 揚(yáng)程特性。 以 加壓 泵的轉(zhuǎn)速 保持 不變 、閥門在某一特定開度下保持不變 為前提 反映的 是管阻特性 ， 此時(shí) 揚(yáng)程 H與流量 Q之間的關(guān)系 H f (Qc )。管阻特性反映了在 供水 管道中流動(dòng) 的 液體 阻力的變化規(guī)律 ， 以及加壓 泵用來克服 供水 系統(tǒng)的水位 以 及壓力差 的能量 。由圖 可 知 ，在 某個(gè) 時(shí)刻，相同 閥門開度下，揚(yáng)程 和流量的變化基本一致，隨著揚(yáng)程增大， 流量 也 增大 。閥門開度的 不同 ，實(shí)際 反應(yīng)的 是 在 此時(shí)刻的 某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向 用水 用戶的供水能力。如圖 中 A 點(diǎn) 為 供水系統(tǒng)的工 作點(diǎn)。在 A 點(diǎn)，系統(tǒng)的 的流量在 供水 和 用戶的用水處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng) 同時(shí) 滿足了揚(yáng)程特性 和 管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行 ，同時(shí)也節(jié)約了設(shè)備及能源 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 8 常見供水系統(tǒng)的安全性問題 對供水 的 電機(jī)和電網(wǎng) 進(jìn)行 的保護(hù) 由于變頻恒壓供水 大部分都采用 變頻 軟 啟動(dòng)，啟動(dòng) 時(shí)候電機(jī) 頻率低、電流小，因此，除了對供水 電機(jī) 和管網(wǎng)有保護(hù)作用， 同時(shí) 對 系統(tǒng)的 電網(wǎng)也 能起到很 好的保護(hù)作用。 變頻恒壓 供水系統(tǒng) 中， 電機(jī)直接啟動(dòng)與變頻 調(diào)速軟 啟動(dòng)的對比如表 所示。 表 電機(jī)直接啟動(dòng)和變頻調(diào)速軟啟動(dòng)的對比 表 電機(jī)直接啟動(dòng)和變頻調(diào)速軟啟動(dòng)的對比 對比內(nèi) 容 直接啟動(dòng) 變頻調(diào)速啟動(dòng) 啟動(dòng)電流 額定電流的 5～ 7倍 在額定電流以下 啟動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對變壓器的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對開關(guān)、接觸器等電器的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對電纜的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對電機(jī)的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對聯(lián)結(jié)軸的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對變速箱的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)和運(yùn)行的可靠性 低 高 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 9 水錘效應(yīng)的 產(chǎn)生原因 及其消除方法 在進(jìn)行全電壓啟動(dòng)時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)只需要 就可以從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速狀態(tài) 。這 就 意味著 ， 在 段 里， 水管里 水的流量從零增到 額定流量。由于水的 不可壓縮性， 還具有動(dòng)量， 因此，在極短時(shí)間內(nèi) ， 流量 發(fā)生 的巨大變化 會(huì)直接 引起對管道的 過高或過低的 壓強(qiáng)沖擊，并 由此 產(chǎn)生空化現(xiàn)象。壓力 的過于 沖擊將 導(dǎo)致 管壁 突然受力而產(chǎn)生噪音 ， 就好像用 錘子敲擊管 道壁 一樣，故稱 之 為水錘效應(yīng)。 水錘效應(yīng) 由于壓強(qiáng)過高， 具有極大的破壞性 能 引起管道 壁 的破裂，反之，壓強(qiáng)過低時(shí)， 又會(huì)導(dǎo)致管道的癟塌。此外，水錘效應(yīng)也 有 可能 導(dǎo)致 閥門和固定件 的損壞 。 同時(shí)，在直接停機(jī) 的 時(shí) 候 ，供水系統(tǒng)的 水龍 頭 部分 將克服電動(dòng)機(jī)的 強(qiáng)大慣性強(qiáng)制 使 系統(tǒng)急劇地停止。也 會(huì)引起水錘效應(yīng) 和壓力沖擊 。 所以水錘效應(yīng)產(chǎn)生的根本 原因是在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大。 在拖動(dòng)系統(tǒng)中，決定加速過程的是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 JT J M LT T T?? 水泵在直接啟動(dòng)過程中， 加速過程很快。 當(dāng)系統(tǒng)