【導(dǎo)讀】水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開(kāi)水。隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，城市高層建筑的。供水問(wèn)題日益突出，對(duì)供水質(zhì)量的要求進(jìn)一步提高。一方面要求避免因壓力的波動(dòng)而造成的。供水障礙，另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，甚至于在火災(zāi)發(fā)生時(shí)也能可靠供水?；谶@兩方面的要求，PLC控制的恒壓無(wú)塔供水系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。有利于實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控。此外，變頻恒壓供水系統(tǒng)還具有良好的節(jié)能性，這。在大力提倡節(jié)能降耗的今天尤為重要。本論文將圍繞變頻恒壓控制技術(shù)開(kāi)展研究工作，以期。為城市供水行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和科技應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。工業(yè)自動(dòng)化程度低。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，爆裂以及用水設(shè)備的損壞等等不良情況的發(fā)生。變頻器僅僅用作變頻恒壓供水系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)組運(yùn)行的情況，造成投資成本很高。從使用調(diào)查情況來(lái)看，雖然取得了。間不得超過(guò)40小時(shí)，并輪流切換。

　　

【正文】 分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)際性能與使用效果。 此外，本設(shè)計(jì)要求以 PLC 為核心設(shè)計(jì)一個(gè)變頻恒壓無(wú)塔供水系統(tǒng)，包括生活用水的恒壓控制和消防用水的恒壓控制 —— 即雙恒壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)： （ 1）生活供水時(shí)系統(tǒng)應(yīng)低恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運(yùn)行； （ 2）可編程控制器 PLC 需根據(jù)恒壓供水的需要，通過(guò)反饋信息控制啟動(dòng)電機(jī)泵的數(shù)量； （ 3）正常生活供水時(shí)，一臺(tái)電機(jī)泵連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間不得超過(guò) 40 個(gè)小時(shí)，并輪流切換，即系 統(tǒng)具有“倒泵功能”，以避免某一臺(tái)電機(jī)泵持續(xù)工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)； （ 4）在用水高峰期時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)用水需求量控制 1～ 2 臺(tái)電機(jī)泵同時(shí)協(xié)調(diào)工作，保證用水需求的正常供給； （ 5）控制系統(tǒng)具有故障指示功能，并且在故障發(fā)生時(shí)可進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障處理 （ 6）三臺(tái)電機(jī)泵在啟動(dòng)時(shí)具有變頻軟啟動(dòng)功能，且采用分組方式運(yùn)行； （ 7）控制系統(tǒng)可以與上位機(jī)進(jìn)行通信，并可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警。 6 第 2 章 供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 供水方式的選擇 本設(shè)計(jì)的供水方式選擇變頻調(diào)速供水方式，該方式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐供水方式。氣壓罐供水方 式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水。當(dāng)氣壓罐配套水泵運(yùn)行時(shí)，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下工作。當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時(shí)，供水壓力將超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費(fèi)。加上水泵是工頻啟動(dòng)，且啟動(dòng)頻繁，又會(huì)造成一定的電能損耗。相比之下，變頻恒壓供水能在系統(tǒng)用水量下降時(shí)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能，同時(shí)變頻器對(duì)水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流小，啟動(dòng)能耗也比較小。另外氣壓罐供水需要配備一定量的鋼罐，氣壓罐體積一般比較大，占地面積達(dá)幾十平方米。在變頻調(diào)速方式中，調(diào)速裝置占地面 積僅有幾平方米，相比氣壓罐供水方式將節(jié)省大量占地面積。從運(yùn)行效果上看，氣壓罐方式與調(diào)速式相比也存在著一定的差距。氣壓罐方式運(yùn)行不太穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在頻繁啟動(dòng)時(shí)。由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容量?jī)H占其總?cè)莘e的 1/3～ l/6，因而每個(gè)罐的調(diào)節(jié)能力很小，只能依靠頻繁的啟動(dòng)來(lái)保證供水穩(wěn)定性，這不僅將產(chǎn)生較大的噪聲，同時(shí)由于啟動(dòng)過(guò)于頻繁，常常造成供水壓力不穩(wěn)。由于是硬啟動(dòng)，電氣和機(jī)械沖擊也較大，設(shè)備損壞很快。變頻調(diào)速式的運(yùn)行則十分穩(wěn)定可靠，沒(méi)有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，加之啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊。在小區(qū)供水 中，由于是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的，防止了水質(zhì)的二次污染，保證了飲水水質(zhì)質(zhì)量。 通過(guò)上述比較可以看出，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、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)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。 系統(tǒng)方案選擇 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)變的、非線性的、滯后的和模型不穩(wěn)定的，對(duì)它的控制屬于工業(yè)過(guò)程控制的范疇，即以供水出口管網(wǎng)水壓為控制 7 目標(biāo)，通過(guò)控制作用實(shí)現(xiàn)總管網(wǎng)的出口實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。所設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)， 即在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。因此，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，變頻恒壓控制的目標(biāo)就是使總管網(wǎng)出口的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。 變頻恒壓系統(tǒng)主要由壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定、水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場(chǎng)所，一共有以下幾種方案可供選擇： ＋水泵機(jī)組＋壓力傳感器 這種控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。該方法雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但是壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，無(wú)法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求。在調(diào)試時(shí)，PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場(chǎng)合。 ＋單片機(jī) (包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )＋人機(jī)界面＋壓力傳感器 這種方式控 制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性能 /價(jià)格比，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；程序一旦固化，修改較為麻煩，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差；變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。 ＋ PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )＋人機(jī)界面＋壓力傳感器 這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，可以方便地與其它的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；通用性強(qiáng)，由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制 系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過(guò) PC 機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。同時(shí)由于 PLC 的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此，該系統(tǒng)適用于各類不同要求的恒 8 壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。 通過(guò)對(duì)以上幾種方案的分析和比較，可以看出“通用變頻器＋ PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )＋人機(jī)界面＋壓力傳感器”的控制方案更適合于實(shí)際應(yīng)用。該控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的 要求。恒壓供水系統(tǒng)控制方案原理如圖 所示；恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成如圖 。 圖 恒壓供水系統(tǒng)控制方案原理框圖 圖 恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖 供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 主電路圖設(shè)計(jì) 供水主電路設(shè)計(jì)如圖 所示，采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng) 3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、壓力信號(hào) PL C 控制器 變頻器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （ 電機(jī)泵 ）壓力變送器信號(hào)檢測(cè)通訊接口 蓄水池水位控制JS浮球開(kāi)關(guān)加水入口蓄水池PLC變頻器M 1M 2M 3M 4壓力變送器通訊接口消防用水生活用水 9 運(yùn)行與調(diào)速，每臺(tái)電機(jī)泵具有變頻 /工頻兩種工作狀態(tài)，三臺(tái)電機(jī)都通過(guò)三個(gè)接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)。變頻器輸入電源前面接入一個(gè)自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)，在變頻器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí) ，要求可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)工頻／變頻轉(zhuǎn)換。自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)的容量依據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流來(lái)確定，所有的接觸器也將依據(jù)電動(dòng)機(jī)的容量來(lái)適當(dāng)選擇。 圖 供水主電路原理圖 圖中 M1～ M3 為三臺(tái)主供水電機(jī)泵， M4 為附屬小電機(jī)泵； BP 為變頻器；QS1～ QS6為斷路器； KM1～ KM13為接觸器，分別用于控制 M1～ M4電機(jī)泵； PG1～PG3 為電流表，用于檢測(cè)電機(jī)泵的電流； PV1～ PV3 為電壓表，用于檢測(cè)三相電各相電壓； TA1～ TA3為電流互感器； ZB1～ ZB3 為自耦變壓器，用于在手動(dòng)操作時(shí)對(duì)主供水 電機(jī) M M M3 進(jìn)行降壓?jiǎn)?dòng)； BB1～ BB4 為熱繼電器； FA1～FA7 為快速熔斷器。 對(duì)于變頻器而言，變頻器外控端子有 FWD、 BX、 RST 和 CM。其中 FWD 控制變頻器啟動(dòng) /停止； BX 控制變頻器緊急停止； RST 控制變頻器故障復(fù)位； CM則是外控端子的信號(hào)公共端。當(dāng) FWDCM 接通時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行；當(dāng) FWDCM 10 112PP ???斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行停止；當(dāng) BXCM 接通時(shí)，變頻器斷開(kāi)所有輸出，電機(jī)處于自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式。因此，變頻器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，必需保證 BXCM 斷開(kāi)。 水泵電機(jī) 供水所用水泵主要是普通 離心泵，其葉輪安裝在泵殼內(nèi)，并緊固在泵軸上，泵軸由電機(jī)直接帶動(dòng)，泵殼中央有一液體吸入口與吸入管連接，液體經(jīng)底閥和吸入管進(jìn)入泵內(nèi)，泵殼上的液體排出口與排出管連接。 在泵啟動(dòng)前，泵殼內(nèi)灌滿被輸送的液體：?jiǎn)?dòng)后，葉輪由軸帶動(dòng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片間的液體也必須隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開(kāi)葉輪外緣進(jìn)入蝸形泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能。最后以較高的壓力流入排出管道，送至需要場(chǎng)所。液體由葉輪中心流向外緣時(shí)，在葉輪中心形成了一定的真空，由于貯 槽液面上方的壓力大于泵入口處的壓力，液體便被連續(xù)壓入葉輪中?？梢?jiàn)，只要葉輪不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，液體便會(huì)不斷地被吸入和排出。 供水電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵運(yùn)行，和離心泵共同組成了供水系統(tǒng)的整體，電機(jī)的配置主要以水泵供水負(fù)載來(lái)決定。 電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率來(lái)選擇，盡量使電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行。選擇時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： (1)如果電動(dòng)機(jī)功率選得過(guò)小，就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電動(dòng)機(jī)被燒毀。 (2)如果電動(dòng)機(jī)功率選得過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，其輸出機(jī)械功率不能得到 充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對(duì)用戶和電網(wǎng)不利，而且還會(huì)造成電能浪費(fèi)。 要正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率，必須經(jīng)過(guò)以下計(jì)算或比較： 對(duì)于恒定負(fù)載連續(xù)工作方式，如果知道負(fù)載的功率 (即生產(chǎn)機(jī)械軸上的功率 )P1（ kw），可按式 計(jì)算所需電動(dòng)機(jī)的功率 P(kw)： （ 21） 其中： 1? —— 為生產(chǎn)機(jī)械的效率； 2? —— 為電動(dòng)機(jī)的效率，即傳動(dòng)效率 。 11 按上式求出的功率，不一定與產(chǎn)品功率相同。因此，所選電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)等于或稍大于計(jì)算所得的功率。 水泵調(diào)速運(yùn)行，是指水泵在運(yùn)行中根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的需要，人為的改變運(yùn)行工作狀況點(diǎn) (簡(jiǎn)稱工況點(diǎn) )的位置，使流量、揚(yáng)程、軸功率等運(yùn)行參數(shù)適應(yīng)新的工作狀況的需要。水泵的工況點(diǎn)是由水泵的性能曲線和管網(wǎng)的特性曲線的交點(diǎn)確定的。因此，只要這兩條曲線之一的形狀或位置有了改變，工況點(diǎn)的位置也就隨之改變。所以，水泵的調(diào)節(jié)從原理上講是通過(guò)改變水泵的性能曲線或管網(wǎng)特性曲線或二者同時(shí)改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 （ 1）用戶供水量計(jì)算 六盤水市水城縣供水公司主要負(fù)責(zé)縣城區(qū)約 6 萬(wàn)人的生活、消防供水。由于六盤水屬中小城市，所以最大生活用水量按Ⅲ類住宅用水定額標(biāo)準(zhǔn)（ 190L/人 /天）計(jì)算。即： 城區(qū)日最高生活用水量： （ 22） 最高小時(shí)生活用水量： （ 23） 其中： m —— 縣城區(qū)人數(shù)； dq —— Ⅲ類住宅用水定額（?。?190L/人 /天）； HK —— Ⅲ類住宅時(shí)間常數(shù)（取： ）； T —— 每日用水時(shí)間。 （ 2）供水揚(yáng)程及給定水壓計(jì)算 在供水系統(tǒng)中，計(jì)算揚(yáng)程一般把最不利點(diǎn)（最遠(yuǎn)或最高層）作為計(jì)算依據(jù)。本設(shè)計(jì)中，六盤水市老城區(qū)樓房比較集中，遠(yuǎn)近相差不大，而最高樓約為 37m，所以設(shè)計(jì)中選擇最高層作為揚(yáng)程計(jì)算依據(jù)，再加上經(jīng)驗(yàn)值 10m～ 15m，則泵的總揚(yáng)程約為 47～ 51m。 理論上，若要獲得 10m 揚(yáng)程則需要 的壓力，因此，本設(shè)計(jì)給定水壓應(yīng)為： （ 24） 3600 00 190 ( / ) 114 000 00( / ) 114 00( m / )DdQ m q L L? ? ? ? ? ?天 天 天33114002 . 3 ( / h ) 1 0 9 2 . 5 ( / h )24DHH K m mT? ? ? ? ?a a aH 3 7P M P M P 0 .3 7 M P1 0 0 1 0 0???（ ） （ ） （ ） 12 其中： H —— 實(shí)際供水高度，即樓高 37m。 （ 3）水泵及適配電動(dòng)機(jī)選型（ M1～ M3） 終上所述，由于需要 12 臺(tái)電機(jī)泵同時(shí)協(xié)調(diào)工作，于是結(jié)合目前市場(chǎng)現(xiàn)有水泵型號(hào)， M1～ M3可選擇 300S58A 水泵三臺(tái)作為主供機(jī)泵，其流量 720m3/h、揚(yáng)程 49m、軸功率 118kw、轉(zhuǎn)速 1485r／ min。 根據(jù)本章式 可計(jì)算出適配的電動(dòng)機(jī)功率： （ 25） 其中： 1P —— 生產(chǎn)機(jī)械軸上的功率； 1? —— 為生產(chǎn)機(jī)械的效率（取 80%）； 2? —— 為電動(dòng)機(jī)的效率，即傳動(dòng)效率（取 %）。 所選的電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)該比計(jì)算值略大一些，因此，結(jié)合泵的型號(hào)及目前市場(chǎng)電動(dòng)機(jī)型號(hào)，確定適配電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 Y315L14/160kw，該電動(dòng)機(jī)為三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、功率 160kw、效率 %、轉(zhuǎn)速 1485r／ min、額定電流、電壓 380V。 （ 4）附屬小泵選型（ M4） 為了適應(yīng)夜間用水量很小的情況，還需要一臺(tái) Y200L22/37kw 電機(jī)帶動(dòng)6SA8水泵作為附屬小泵，即： M4。其只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以夜間對(duì)管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充。 6SA8 水泵流量 、揚(yáng)程 50m、轉(zhuǎn)速 2950r／ min，適配電動(dòng)機(jī)Y200L22/37kw，其功率 37kw、效率 92%、轉(zhuǎn)速 2950r／ min、額定電流 、電壓 380V。 在該供水系統(tǒng)