【正文】 摘 要 12 減泵工作過程：當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定壓力值高于實際壓力值并穩(wěn)定運行就關(guān)閉 1臺電機。 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，1號水泵先開始變頻運行，當(dāng)壓力信號超過設(shè)置的信號值并且持續(xù)一段時間，經(jīng)過PLC和變頻器進行處理后，就會將 1號水泵切換為工頻運行并啟動 2號水泵， 2號水泵變頻運行。在 PLC程序中接通 KM6，并啟動變頻器，此時系統(tǒng)開始運轉(zhuǎn)。然后再將狀態(tài)開關(guān)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）。報警信號通過 PLC的判斷，進行報警和保護動作的控制。還可以利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對系統(tǒng)進行遠程診斷和維護。它們用于將水供入用戶管網(wǎng)。這個信號的檢查對系統(tǒng)的正常運行和設(shè)備的保護起著重要作用。 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(wǎng)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。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(shè)備等。變頻器通過接收跟蹤 PLC給出的控制信號來調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，其原理是通過改變運行頻率來完成對調(diào)速水泵的轉(zhuǎn)速控制。它可以采集系統(tǒng)中的壓力、工況、報警信號，分析數(shù)據(jù)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(gòu)實施控制。 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(shè)備組成，安裝在專門的控制柜中。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(xiàn)電機無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓和其他功能的重要器件。 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)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(wǎng) 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(gòu)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(gòu)成。 分析以上 3 種方案后，本次設(shè)計就采用的第四種方案，用新型的變頻調(diào)速設(shè)備。而且， PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法。水壓的調(diào)節(jié)很平滑， 反饋準(zhǔn)確。 ③ 新型變頻調(diào)速供水設(shè)備 由于傳統(tǒng)的供水設(shè)備都有著不同的缺點，國內(nèi)外很多廠家研制出了一批新的供水設(shè)備，華為的 TD2100、 富士公司的 GIIS／ PIIS系列產(chǎn)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(chǎn)品等等。追加功能時往往還要重新修改電路，不靈活也不方便。難實現(xiàn)水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調(diào)節(jié)，所以控制精度較低、抗干擾能力較弱、調(diào)試較麻煩、工頻泵起動時對電網(wǎng)有沖擊、水泵切換時水壓波動大，但是成本較低。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)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(diào)速恒壓供水方式?，F(xiàn)在交流電機的變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一項成熟的技術(shù)，它將配電網(wǎng)恒學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 9 定頻率的交流電經(jīng)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(diào)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(yīng)負(fù)荷變動的條件。 電子技術(shù)的發(fā)展和完善， 促進了變頻調(diào)速領(lǐng)域的發(fā)展，變頻調(diào)速的機械特性好，精度高，效率高，調(diào)整特性曲線平滑，調(diào)速范圍寬，可以實現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護方便、自動化水平高。當(dāng)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。其工作過程中，水泵電機的轉(zhuǎn)速是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)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。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(zhuǎn)速而改變。轉(zhuǎn)速控制法是常用的一種控制方法。閥門控制法的實質(zhì)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。閥門控制法不常用，此方法在控制中可能會出現(xiàn)超壓或欠壓現(xiàn)象。綜上所訴，采用變頻器對交流異步電動機調(diào)速是一種比較理想合理調(diào)速方試，它被廣泛地應(yīng)用于對水泵電機的調(diào)速 中。從上式可知，當(dāng)極對數(shù) p不變時，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速刀與定子電源頻率成正比，所以我們要連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速就可以通過連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機供電電源頻率來實現(xiàn)。 根據(jù)電機學(xué)理論 ,交流電動機的轉(zhuǎn)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(shù)； n 為轉(zhuǎn)速； s 為轉(zhuǎn)差率。異步電動機的變頻調(diào)速就是供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)。 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(gòu)成。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。 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。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。 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。達到一種平衡狀態(tài)。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。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(wǎng)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。所學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)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(guān)系。 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(wǎng)中的閥門開度為定值，如圖 21所示，闡述的關(guān)系是水泵在某一轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)中揚程 H與流量 Q，從圖中可以反映出，當(dāng)流量 Q增大的時候，揚程 H逐漸變小。 HT 、 HA和 HL 之間的關(guān)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。 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 。 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。一般情況下，我們認(rèn)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(shù)值相對較小。 ② 揚程 揚程是單位質(zhì)量的水被上揚時所獲得的能量，常用單位是 m，符號是 H。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在這些加壓設(shè)施中越來越顯示出其優(yōu)越性 。市政供水管網(wǎng)中自動恒壓供水系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，還可以和城市供水系統(tǒng)的上位機進行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)整個城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，使城市供水系統(tǒng)提具有現(xiàn)代化的調(diào)度、監(jiān)控、管理、經(jīng)濟運行等特點。本設(shè)計中恒壓供 水系統(tǒng)中電動機調(diào)速裝置采用交流變頻技術(shù)，控制裝置采用 PLC 控制器。 本 論文 主要設(shè)計思想 本設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一套恒壓供水系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制 ，節(jié)約能耗，無論在用水高峰期還是低峰期都能滿足用戶的用水問題，本文以城市小區(qū)供水系統(tǒng)為研究對象，采用現(xiàn)在控制技術(shù)，用 PLC(含 PID 模塊） 和變頻器集合來控制 3 臺水泵電機的工作，代替了傳統(tǒng)的水塔、壓力罐的供水方式，變頻器與 PLC 組成控制系統(tǒng)，對水泵電機進行的調(diào)速運行，實現(xiàn)對供水壓力的閉環(huán)控制，當(dāng)管網(wǎng)流量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 5 發(fā)生變化時實現(xiàn)恒壓供水的目的。 ③ 變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟啟動代替了硬啟動 ， 有效保護了電氣設(shè)備 。采用變頻調(diào)速技術(shù)，可以減少動態(tài)轉(zhuǎn)矩，消除水錘效應(yīng)，減少了水泵和管道的沖擊，延長水泵管道系統(tǒng)的壽命 。而且，水錘效應(yīng)還有可能損壞閥門和一些固定件。水錘效應(yīng)的破壞性極大。因此，我們還需要進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使供水系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的環(huán)境，保障生活、生產(chǎn)實踐。容量小，只適合用于需求不高、控制要求低的地方。 PLC和 PID控制器功能已經(jīng)內(nèi)置于變頻器中。對于用在恒壓供水的專用變頻器國內(nèi)的企業(yè)也有研究，成都希望集團和原深圳華為電氣公司就生產(chǎn)出 了專用的恒壓供水變頻器 (~22kw)，這種變頻器最多可以完成 4臺電機的定時循環(huán)、循環(huán)切換、定時啟動、停止控制。國內(nèi)的供水系統(tǒng)有的是采用的單片機結(jié)合相應(yīng)的軟件加上國外進口的變頻器來實現(xiàn)，有的采用 PLC結(jié)合其他軟件加變頻器來實現(xiàn)的。 在我國也同樣有許多企業(yè)在做恒壓供水變工程。不能與其他組態(tài)軟件、監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)通訊，雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高， 所帶負(fù)載的容量受到限制，與別的監(jiān)控系統(tǒng) (如 BA系統(tǒng) )和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。但也有一定的缺點。這樣就可以構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)（最多可以有 7臺水泵電機）。比如日本的 Samco公司，他們就生產(chǎn)出了恒壓供水基板，這種設(shè)備具有兩種工作模式：一種是變頻泵固定方式另一種是變頻泵循環(huán)方式。變頻技術(shù)應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中使系統(tǒng)節(jié)能、可靠、穩(wěn)定、并且自動化程度高。其主要功能主要是正反控制、頻率控制、啟動控制、制動控制、升降速控制、壓頻比控制和各種保護。 恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著電子技術(shù)電力技術(shù)的發(fā)展，變頻器開始逐步進入市場，變頻器對交流電機的調(diào)速日益成熟，變頻恒壓供水系統(tǒng)開始發(fā)展起來。先進的控制技術(shù)、自動化技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等在供水領(lǐng)域的應(yīng)用，成為了對供水系統(tǒng)的新要求。系統(tǒng)采用軟開關(guān)技術(shù)對電網(wǎng)、設(shè)備沖擊小，運行穩(wěn)定可靠，維修方便，還可以配以組態(tài) 實時監(jiān)控，具有明顯的經(jīng)濟效益與社會效益，應(yīng)用前景廣闊。 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 3 變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)優(yōu)于前面介紹的所有系統(tǒng)，它的流量輸出根據(jù)用戶需求而改變，調(diào)節(jié)能力強，節(jié)約了能源。 ⑥ 變頻調(diào)速供水方式 變頻恒壓供水系統(tǒng)是變頻器結(jié)合 PLC控制的系統(tǒng)，自動化程度高，系統(tǒng)的原理是通過系統(tǒng)中 安裝的壓力傳感器，將用水的壓力信號傳到 PLC中，與設(shè)定壓力值作比較、運算，然后由控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。而且水泵工頻啟動，啟動頻繁會有一定的能耗，電氣機器設(shè)備損壞快。這種方式明顯優(yōu)于前面幾種方式。氣壓罐需要的占地面積也比較小，可以把它直接放地上，這樣成本就要低于水塔方式。 ⑤ 恒速泵十氣壓罐供水方式 這種供水方式是將高位水箱用封閉的氣壓罐來取代。水箱可能被一些動物甚至人進入，導(dǎo)致水質(zhì)污染。 ④ 恒速泵十高位水箱的供水方式 這種方式的原理與水塔是一樣的，只是水箱被放置在建筑物的頂層上，建筑物過高還可以分層設(shè)立水箱。這種方式有時會出現(xiàn)有壓力而沒有流量的情況。還有一種情況是可能發(fā)生供水質(zhì)量的劇烈下降和能耗增加，此情況發(fā)生是由于供水系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置受到破壞，水泵不的自動開、停功能受到損壞，水泵的啟、停只能有人來操作。水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠期的需求。優(yōu)點是比上一 種節(jié)能，供水的壓力較穩(wěn)定。當(dāng)水塔里的水低于設(shè)定的學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 2 下限值，水泵電機啟動，開始抽水，水滿后，水泵停止運行。 ② 恒速泵 +水塔的供水方式 此方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。此供水方式，水泵整天不停運轉(zhuǎn)，在夜間用水量少時可能停止工作。下面就介紹一些在變頻恒壓供水技術(shù)沒有出現(xiàn)時，人們采用過的一些傳統(tǒng)的供水方式。 傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的比較 傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)不足之處主要 表現(xiàn)在用水高峰期水的供給量不能滿足用戶的需求量，出現(xiàn)了水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象，這樣很多高樓住戶和遠距離的用戶得不到供水。而用水量和供水量之間的關(guān)系可以通過檢測水的壓力來體現(xiàn)（即是：用水量＞供水量 —— 水泵供水側(cè)壓力低；用水量＜供水量 —— 水泵供水側(cè)壓力高）。隨著人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，利用先進的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計出高性 能，