【正文】 轉(zhuǎn)速來改變水泵出水口流 量，實現(xiàn)管網(wǎng)壓力的自動調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。 4 第一章 緒 論 課題設(shè)計背景 隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。而其中的老水廠自動控制系統(tǒng)配置相對落后，機組的控制主要依賴值班人員的手工操作 。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(yīng)求的現(xiàn)象。這種靠水的勢能或氣壓供水方式具有占地面積大、投資高、水泵電機啟動頻繁、耗電多、管網(wǎng)水壓不穩(wěn)、爆管現(xiàn)象頻繁、漏失嚴重等缺點 ；不僅生活用水容易受到二次污染，而且水泵電機的頻繁開啟使設(shè)備故障率高，檢修、維護也存在困難，而且像水塔這樣傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，在維護和升級系統(tǒng)方面，是非常昂貴 的。 同時 隨著 現(xiàn)代電力電子技術(shù)、交流變頻調(diào)速技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)和智能控制技術(shù)的迅速發(fā)展并日趨完善，變頻調(diào)速技術(shù)在供水領(lǐng)域得以運用，實現(xiàn)了水泵電機無級調(diào)速，能夠極大地改善給水管網(wǎng)的供水環(huán)境。利用PLC 控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)開發(fā)的全自動恒供水系統(tǒng) ,管道內(nèi)水壓恒定 ,既可以滿足供水要求 ,避免出現(xiàn)供水事故 ,還可節(jié)約電能。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。 水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經(jīng)濟合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大， 占地面積大，維護不方便，水泵電機為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。 液力渦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅(qū)動，需經(jīng)常檢修 。 單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動化程度要優(yōu)于上面 幾種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。目前的供水方式朝高效節(jié)能、自動可靠的方向發(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、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng) 工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用 6 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、停機時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機自身的機械沖擊 損耗 [1]。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(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)實意義。自此，住房小區(qū)的給水系統(tǒng)已逐步取消了高位水箱，而采用變頻調(diào)速恒壓供水代替以前的重力供水、氣壓供水，克服了傳統(tǒng)供水方法的缺點。對于多層住宅來說，是一種比較完善的供水系統(tǒng)。根據(jù)反饋原理 :要維持一個物理量的數(shù)值大小恒定或者基本不變，就應(yīng)該引 入這個物理量跟該恒定值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。 恒壓供水基本原理 恒壓供水原理 對供水系統(tǒng)進行控制，是為了滿足用戶對流量的需求。但是，流量的大小取決于揚程，揚程難以進行具體測量和控制。 可見，供水能力與用水需求之間的矛盾反映在流體壓力的變化上。即保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的 總管壓力實際值進行比較，其差值輸入 經(jīng) 運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。即將壓力控制點測的壓力信號 (4－ 20mA)直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設(shè)定的壓力值進行比較，并通過變頻器內(nèi)置 PID 運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須 足夠大，在用水量少時來開一臺大電機肯定是浪費的，電機選小了用水量大時供水量則相應(yīng)的會不足。而恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化的，那么這就是要用變頻器為水泵電機供電。另一種方案則是數(shù)臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換的，供水運行時，一臺水泵變頻運行，其余的 水泵工頻運行，以滿足不同的水量需求。圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的輸出信號一般是模擬信號， 420mA 變化的電流信號或010V 間變化的電壓信號。在變頻器恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。如規(guī)定和變頻器相連接的泵為主泵 (主泵也是輪流擔(dān)任的 )，主泵在運行時達到最高頻時，須 增加一臺工頻泵投入運行。 PLC 同時還是變頻器的驅(qū)動控制。另外，泵站的其他控制邏輯也由 PLC 承擔(dān)，如 ： 手動、自動操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站的工作異常的報警，系統(tǒng)的自檢等等。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象?？紤]到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力 (供水流量 )和用水需求 (用水流量 )之間的平衡情況關(guān)系有關(guān)，即供水能力大于用水需求時壓 10 力上升，供水能力小于用水需求時壓力下降，當(dāng)兩者相等時壓力不變。從而壓力就成為用來作為控制流量大小的參變量。 2) 占地面積小，投入少，效率高。 4) 運行合理，由于是軟起和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，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。 6) 通過通信控制，可以實現(xiàn)無人值守，節(jié)約了人力物力 。 系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用 PLC 控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸。 2) 信號檢測機 構(gòu) :在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進行 A/D轉(zhuǎn)換。液位信號反映水泵的進水水源是否充足。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器 。 3) 控制機構(gòu) :供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC 系統(tǒng) )、變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu) (即水泵 )進行控制 。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案有多種， 根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在 系統(tǒng)運行前可以選 擇 [2]。下面以單臺變頻器控制兩臺水泵的方案來說明。 13 13241 號 泵 變 頻 運 行2 號 泵 停 止1 號 泵 工 頻 運 行2 號 泵 變 頻 運 行1 號 泵 停 止2 號 泵 變 頻 運 行1 號 泵 變 頻 運 行2 號 泵 工 頻 運 行 圖 控制原理框圖 控制系統(tǒng)的工作原理如下 :根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化，控制系統(tǒng)控制兩臺水泵按 1— 2— 3— 4— 1的順序運行，以保證正常供水。當(dāng)用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則 1號泵電機的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有 一 臺水泵工作己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)， 1號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動 2號泵電機，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 2。 當(dāng)用水量再次 增加，變頻器輸出頻率增加，則 2號泵電機的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有 一 臺水泵工作已不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)的控制， 2號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動 1號泵電機，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 4。如此循環(huán)往復(fù)的工作，以滿足系統(tǒng)用水的需要 。主要設(shè)備選型如表 所示： 表 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴展模塊 Siemens EM 235 變頻器 富士公司的 P11S 系列 水泵機組 SFL 系列水泵 3 臺（上海熊貓機械有限公司） 壓力變送器及顯示儀表 HRYTZ 電阻遠傳壓力表 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26(淄博丹佛斯公司 ) PLC 及其擴展模塊的選型 PLC 是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的 15 采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此 PLC 選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點； PLC 可以上接工控計算機，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關(guān)量輸出為 16 點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 ； 開關(guān)量輸入 CPU226 為 24點，輸入形式為 +24V 直流輸入。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 A/D 的轉(zhuǎn)換， 標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長 (16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個字長 (16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。 變頻器的介紹 選擇變頻器規(guī)格 變頻器產(chǎn)品說明書都提供了標(biāo)稱功率數(shù)據(jù)，但實際上限制變頻器使用功率的是定子電流參數(shù)，因此，直接按照變頻器標(biāo)稱功率進行選擇，在實踐中可能會行不通。 一般而言，按照標(biāo)稱功率選擇只適合作為 初步投資估算依據(jù)，在不清楚電動機額定電流時使用，比如電動機型號還沒有最后確定的情況。在需要按照過載能力選擇是，可以放大一倍來估算，例如， 90KW 電動機可以選擇 185KW 變頻器。另外，啟動停止頻繁的時候也應(yīng)該考慮取大值，這是因為啟動過程以及有制動電路的停止過程電流會短時超過額定電流，頻繁啟動停止則相當(dāng)于增加了負載率。 變頻器的電流過載能力通常比電動機的轉(zhuǎn)矩過載能力低，因此，按照常規(guī)配備變頻器時電動機轉(zhuǎn)矩過載能力不能充分發(fā)揮作用。 通過上述論述和系統(tǒng)要求，決定選用富士公司的 P11S 系列變頻器。動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制是一種先進的驅(qū)動 控制技術(shù) [4]。變頻器通常利用繼電器接點或具有繼電器接點開關(guān)特性 的元器件 (如晶體管 )與 PLC 連接，獲取運行狀態(tài)指令。使用晶體管進行連接時，則需要考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素，保證系統(tǒng)的可靠性。如當(dāng)輸入信號電路采用繼電器等感性負載，繼電器開閉時產(chǎn)生的浪涌電流帶來的噪聲有可能引起變頻器的誤動作，應(yīng)該盡量避免，這時可以考慮采用阻容振蕩吸收，光電隔離的方式。 傳感器 在工程上，所謂壓力，是指一定介質(zhì)垂直作用于單位面積上的力。 在壓力測量中，常有絕對壓力、表壓力、負壓力或真空度之分。用來測量絕對壓力的儀表稱為絕對壓力表。用來測量大氣壓力的儀表叫氣壓表。即 PI=PAP0 （ 33） 由于工程上需測量的往往是物體超出大氣壓力之外所受的壓力，因而所使用的壓力儀表測量的值稱為表壓力。壓力在國際單位制中的單位是牛頓 /平方米，通常稱為帕斯卡或簡稱帕 (Pa)，工業(yè)上常 20 采用千帕 (kPa)或兆帕 (MPa)作為壓力的單位 [6]?？删偷仫@示壓力值，還可以將信號送到控制器。 HRYZ 表示壓力真空表 ； HRZ 表示真空表 ； HRY 表示一般壓力表 ； HRYB 表示精密壓力表 。因為在儀表內(nèi)部設(shè)置一滑線電阻式發(fā)送器，故可把被測值以電量值傳至遠離點的二次儀表上，以實現(xiàn)集中檢測和遠距控制。 主要技術(shù)要求： 精確度等級： 發(fā)送器起始電阻值： 3～ 20Ω 發(fā)送器滿度電阻值： 340～ 400Ω 21 第四章 恒壓供水 系統(tǒng) 電路 設(shè)計 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 所示 ：三臺電機分別為 MM M3，它們分別帶動水泵 3。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即 3臺水泵中只有 1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵 在工頻下 做恒速運行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過 3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。 NL 1L 2