【正文】 司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)；有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本Samco公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”、“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，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，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。在早期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起動(dòng)控制以及制動(dòng)控制、壓頻比控制以及各種保護(hù)功能?？傊?，雖然國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績(jī)，但是總體上來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱，對(duì)國(guó)外公司的依賴還很嚴(yán)重。現(xiàn)在，我國(guó)約有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作，但自行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品和國(guó)際市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品相比，還有比較大的技術(shù)差距。從20世紀(jì)80年代后半期開(kāi)始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的基于VVVF技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用。1964年，最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制PWM技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中的是德國(guó)人。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動(dòng)可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級(jí)加壓系統(tǒng)和居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開(kāi)、停機(jī)時(shí)能減小電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗。供水系統(tǒng)采用變頻控制，既能大量節(jié)約能源，又能穩(wěn)定供水系統(tǒng)的壓力，保障管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，是非常有實(shí)際意義的，并且供水系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)相對(duì)鼓、引風(fēng)機(jī)而言容量較小，投資不大，還可以在恒壓供水的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)、水泵及管路保護(hù)，并且可以節(jié)約能源、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，所以非常值得推廣和應(yīng)用。將變頻調(diào)速技術(shù)用于更新改造傳統(tǒng)供水設(shè)備之后，大大地推動(dòng)了恒壓供水技術(shù)裝備的發(fā)展。它的優(yōu)點(diǎn)是靈活性大、建設(shè)快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水錘與噪聲，缺點(diǎn)是體積和投資大、壓力變化大、運(yùn)行效率低、需要使用張力膜、維護(hù)費(fèi)用高、耗費(fèi)動(dòng)力大。同時(shí)由于其存水比較大，在屋頂形成很大的負(fù)重，增加了結(jié)構(gòu)的承重和占用樓宇的建筑面積，也妨礙美觀，此外，屋頂水箱還必須高出屋面幾米，建筑立面較難處理，存在投資大、周期長(zhǎng)、能源浪費(fèi)大的缺點(diǎn)。但它需要由位置高度所形成的壓力進(jìn)行供水，為此需要建造水塔或者將水箱置于建筑物頂層的最高處。1．恒速泵加壓供水：這種方式無(wú)法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力做出及時(shí)的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動(dòng)化程度低，而且為保證供水，機(jī)組常處于滿負(fù)荷運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時(shí)，管網(wǎng)長(zhǎng)期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動(dòng)易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。由于水泵工作在變頻工況下，在其出口流量小于額定流量時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)了泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。而變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒(méi)有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，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，也沒(méi)有水塔供水所帶來(lái)的二次污染的危險(xiǎn)。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。沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文變頻恒壓供水系統(tǒng)完結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄摘 要 IAbstract II1 緒論 1 1 1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 變頻調(diào)速技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究與現(xiàn)狀 3 變頻恒壓供水的模式 4 本人主要工作 52 變頻恒壓供水系統(tǒng)的分析 6 供水系統(tǒng)基本特性 6 水泵的工作原理 6 供水電機(jī)的搭配 7 水泵的基本參數(shù)和特性 8 水泵的調(diào)節(jié)方式 9 恒速調(diào)節(jié) 10 變速調(diào)節(jié) 11 供水壓力和變頻器輸出頻率的關(guān)系 15 恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析 18 調(diào)節(jié)流量的方法和比較 18 供水系統(tǒng)的安全性問(wèn)題 20 水錘效應(yīng) 20 水錘效應(yīng)的產(chǎn)生原因 20 水錘效應(yīng)的消除 21 延長(zhǎng)水泵壽的其他因素 21 對(duì)供水電機(jī)和供水電網(wǎng)的保護(hù) 213 PID控制 22 PID控制基本結(jié)構(gòu) 22 數(shù)字PID控制的算法 24 位置式PID控制算法 24 增量式PID控制算法 28 PID參數(shù)理論計(jì)算整定法 314 系統(tǒng)主要器件介紹 33 可編程控制器(PLC)簡(jiǎn)介 33 可編程控制器的特點(diǎn) 33 可編程控制器的工作原理 34 變頻器的原理與分類 37 變頻器的分類 38 變頻器的控制方式 38 變頻與變壓(VVVF)原理 39 變頻調(diào)速的基本原理 415 變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 42 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成 42 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案 43 供水基本環(huán)境的確定 43 控制方案確定 44 系統(tǒng)各元件的選則 45 水泵機(jī)組的選擇 45 變頻器的選擇 46 MM430變頻器端子介紹 47 壓力變送器的選擇 49 液位變器的選擇 50 其他低壓電器的選擇 50 PLC選型 51 I/O點(diǎn)的統(tǒng)計(jì) 51 PLC選型的基本原則 52 I/O端口的分配 52 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 53 系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì) 54 變頻器參數(shù)的預(yù)置 566 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 58 程序介紹 58 應(yīng)用STEP7Micro/WIN32編程軟件編程 60 程序的仿真與調(diào)試 66結(jié) 論 70致 謝 71參考文獻(xiàn) 72附 錄 74外文原文 74中文翻譯 8187871 緒論隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。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，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。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。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義在變頻恒壓供水系統(tǒng)中利用變頻器改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，改變水泵的出口的壓力的目的，這種方法比靠調(diào)節(jié)閥門控制水泵出口壓力的方法，具有更高的效率和優(yōu)越性。實(shí)現(xiàn)恒壓供水的自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁的操作，大大降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力和能源的消耗。2．重力供水：重力供水通常需要設(shè)置水箱或者水塔，系統(tǒng)用水是由水箱或者水塔直接供應(yīng)，所以供水壓力比較穩(wěn)定。在大型建筑物中，即使如此，還常常不能滿足最不利供水點(diǎn)的供水要求。3．氣壓供水：氣壓供水是采用氣壓罐代替水塔或高位水箱利用密閉壓力罐內(nèi)的空氣將罐內(nèi)儲(chǔ)水壓到管網(wǎng)中去。4．變頻恒壓供水：變頻恒壓供水系統(tǒng)即實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，根據(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。這種恒壓供水方式與傳統(tǒng)的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，在設(shè)備的投資、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和自動(dòng)化程度等方面具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在著浪費(fèi)水電力資源、效率低、可靠性差、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。[27] 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻調(diào)速技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展。20世紀(jì)80年代初，日本學(xué)者提出了基于磁通軌跡的磁通軌跡控制方法。在我國(guó)，60%的發(fā)電量是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗掉的，因此如何利用電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行方式的改造以節(jié)約電能，一直受到國(guó)家和業(yè)界人士的重視。隨著改革開(kāi)放和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)采取要么直接從發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口現(xiàn)成的變頻調(diào)速設(shè)備，要么內(nèi)外結(jié)合，即在自行設(shè)計(jì)制造的成套裝置中采用外國(guó)進(jìn)口或合資企業(yè)的先進(jìn)變頻調(diào)速設(shè)備，然后自己開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件的辦法，很好地為國(guó)內(nèi)重大工程項(xiàng)目提供了電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的解決辦法，適應(yīng)了社會(huì)的需要。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究與現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制[3]。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶的要求。該工頻泵提供的流量是恒定的。反之，當(dāng)用水量下降時(shí)，變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降（變頻器供電頻率下降），當(dāng)頻率下降到一定下限時(shí)，PLC發(fā)出一個(gè)指令，自動(dòng)關(guān)閉一臺(tái)工頻泵，使之退出并聯(lián)供水。在退出時(shí)，變頻泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)自動(dòng)上升，然后慢慢下降以滿足恒壓供水的要求。當(dāng)該泵的轉(zhuǎn)速升高到工頻轉(zhuǎn)速時(shí)，由PLC把該水泵切換到工頻供電。隨著用水量增大，采用先起先停的工作模式，其余各并聯(lián)泵均按上述相同的方式軟啟動(dòng)投入；當(dāng)用水量減小時(shí)，各并聯(lián)工頻泵有PLC控制并按按先投入先關(guān)泵的順序退出。在變頻泵固定方式中，各并聯(lián)水泵是按工頻方式自動(dòng)投入或退出的，因?yàn)樽冾l泵固定不變，當(dāng)用水量變化時(shí)，變頻泵始終處于運(yùn)行狀態(tài)，因此變頻泵的運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)。[29] 本人主要工作本課題通過(guò)對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究，了解了恒壓供水系統(tǒng)的基本特性，水泵的工作原理，水泵的調(diào)節(jié)方式并對(duì)恒壓供水系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析。通過(guò)設(shè)計(jì)了解并熟悉PLC的工作過(guò)程，變頻器的基本原理和變頻方式，變頻調(diào)速的基本原理，以及系統(tǒng)的節(jié)能原理。對(duì)恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行了主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的控制設(shè)備選用S7200系列的PLC（CPU224），變頻器選用西門子泵類專用的變頻器MM430，對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)置。在控制過(guò)程中，電控系統(tǒng)由S7200完成，PID控制由變頻器完成。 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的分析 供水系統(tǒng)基本特性供水系統(tǒng)的基本特性是水泵在某一轉(zhuǎn)速下,揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系曲線F (Q)，前提是供水系統(tǒng)管路中的閥門開(kāi)度不變。流量Q越大，揚(yáng)程H越小。管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，閥門在某一開(kāi)度下，揚(yáng)程H與供水流量Q之間的關(guān)系H=F（Q）。由圖1可知，在同一閥門開(kāi)度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也越大，流量Q的大小反映了系統(tǒng)的供水能力。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量達(dá)到平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。[1] 供水系統(tǒng)的基本特性 水泵的工作原理供水所用水泵主要是離心泵，葉輪1安裝在泵2內(nèi)，并緊固在泵軸3上，泵軸由電機(jī)直接帶動(dòng)，泵殼中央有一液體吸入口4與吸入管5連接，液體經(jīng)底閥6和吸入管進(jìn)入泵內(nèi)，泵殼上的液體排出口8與排出管9連接。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)入泵殼。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。[2]圖 離心泵結(jié)構(gòu)示意圖 供水電機(jī)的搭配供水電機(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。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。因此，要正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率，對(duì)恒定負(fù)載連續(xù)工作方式下，如果知道負(fù)載的功率(生產(chǎn)機(jī)械軸上的功率)P(KW)，可按式()計(jì)算所需電動(dòng)機(jī)的功率P1(KW)：P1=P/(η1η2) ()式中，η1為生產(chǎn)機(jī)械的效率，η2為電動(dòng)機(jī)的效率，即傳動(dòng)效率。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。廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活供水系統(tǒng)中。離心式水泵的特性如下： ()其中，P為水泵的功耗（KW）。，在水泵的工作過(guò)程中，只有在等于原設(shè)計(jì)工況（A點(diǎn)）時(shí)，效率才會(huì)偏高。根據(jù)以上的分析，按照供水系統(tǒng)的實(shí)際流量Q1和揚(yáng)程H1及與之相應(yīng)的水泵使用效率1，可以計(jì)算出水泵所需的比較經(jīng)濟(jì)合理的功耗P1，即。 離心水泵的HQ曲線 水泵的調(diào)節(jié)方式水泵的調(diào)節(jié)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)稱工作點(diǎn)）的位置，使流量、揚(yáng)程、軸功率等運(yùn)行參數(shù)適應(yīng)新的工作狀況的需求。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。水泵的調(diào)節(jié)與節(jié)能關(guān)系密切，過(guò)去普遍