變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</b></p><p>　　變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　The Design of Variable-frequency Governing System with the Constant Pressure Water Supply</p><p>　　姓 名

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　系 別： 物 電 系 </p><p>　　專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　年 級(jí)： </p><p>　　指導(dǎo)教師：

3、 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提</p><p>　　高；再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)</p><p>　　計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必

4、然趨勢。</p><p>　　本設(shè)計(jì)首先根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運(yùn)行特性曲線，闡明了供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理。接著分析了變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，提出不同的控制方案，通過研究和比較，采用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)恒壓供水和數(shù)據(jù)傳輸。然后用PID對(duì)系統(tǒng)中的恒壓控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，該變頻恒壓供水系統(tǒng)可運(yùn)用于許多實(shí)際的供水控制系統(tǒng)中，并能夠取得穩(wěn)定可靠的運(yùn)行效果和良好的節(jié)能效果。<

5、/p><p>　　關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；恒壓供水；PLC</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the rapid development of social economy, it demands the better of water supply' s quality and reliabil

6、ity of water supply system. Meanwhile energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with help of advanced technique of a

7、utomation, control and communication. At the same time this system can adapt different water supply fields.</p><p>　　This design explains water supply system's energy-saving principle of pump of speed co

8、ntrol according to characteristic curve of running pipelines and water pump, analyzes the structure of VF speed regulating constant pressure water supply and gives several control methods whose features are researched an

9、d compared in this design. On the basis of above PLC and inverter' s method fits water supply system and data transmission very well. Then constant pressure supply water controller is designed b</p><p>　

10、　Key word: Speed-frequency variable；Constant pressure water supply；PLC</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　1.緒論1</b></p>

11、<p>　　1.1變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義1</p><p>　　1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3變頻調(diào)速恒壓供水的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍3</p><p>　　1.3.1變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：3</p><p>　　1.3.2傳統(tǒng)定壓方式的弊?。?</p>&l

12、t;p>　　1.3.3變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用范圍4</p><p>　　1.4課題來源及本文的主要研究設(shè)計(jì)內(nèi)容5</p><p>　　1.4.1課題來源5</p><p>　　1.4.2研究設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容5</p><p>　　2.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)簡介6</p><p>　　2.1水泵供

13、水的主要參數(shù)6</p><p>　　2.2供水系統(tǒng)的基本特性6</p><p>　　2.3水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理7</p><p>　　2.4變頻調(diào)速原理9</p><p>　　3.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案10</p><p>　　3.1變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成10</p><

14、;p>　　3.2系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能12</p><p>　　3.3系統(tǒng)工作原理13</p><p>　　4.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.1系統(tǒng)硬件組成16</p><p>　　4.2可編程控制器(PLC)選型16</p><p>　　4.3變頻器選型17</p&g

15、t;<p>　　4.4水泵及其電動(dòng)機(jī)的選型19</p><p>　　4.5遠(yuǎn)傳壓力表選型20</p><p><b>　　4.6觸摸屏21</b></p><p>　　4.7軟啟動(dòng)器、自耦變壓器21</p><p>　　4.8 PLC用隔離變壓器、低壓電器、控制柜21</p><

16、;p>　　4.9系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.9.1系統(tǒng)主電路21</p><p>　　4.9.2系統(tǒng)控制電路22</p><p>　　4.9.3 PLC I/O分配23</p><p>　　4.9.4缺水保護(hù)電路24</p><p>　　5.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)25</p>&l

17、t;p>　　5.1 PID調(diào)節(jié)25</p><p>　　5.1.1 PID調(diào)節(jié)原理25</p><p>　　5.1.2 PID參數(shù)設(shè)置27</p><p>　　5.1.3 PID設(shè)定值的調(diào)整27</p><p>　　5.1.4 PID控制算法28</p><p>　　5.2系統(tǒng)運(yùn)行主程序29</

18、p><p>　　5.3故障檢測子程序30</p><p>　　5.4數(shù)字PID子程序30</p><p>　　5.5泵切換程序31</p><p>　　5.6對(duì)外通訊子程序33</p><p>　　6.實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場調(diào)試與小結(jié)33</p><p>　　6.1硬件功能性調(diào)試33</p&g

19、t;<p>　　6.2系統(tǒng)總體調(diào)試34</p><p><b>　　6.3小結(jié)34</b></p><p>　　7.結(jié)束語與技術(shù)展望35</p><p><b>　　7.1結(jié)束語35</b></p><p>　　7.2技術(shù)展望36</p><p>&l

20、t;b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b></p><p><b>　　附錄39</b></p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　水是生命之源，人類生存離不開水。我國是一個(gè)水資源和電能相對(duì)

21、短缺的國家，現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，城市的高層建筑越來越多，在用水量高峰期時(shí)供水量普遍不足，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動(dòng)較大。由于每天不同時(shí)段用水對(duì)供水壓力的要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)很難及時(shí)有效的達(dá)到目的。這種情況造成用水高峰期時(shí)供水壓力不足，用水低峰期時(shí)供水壓力過高，不僅十分浪費(fèi)能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故），采用各種自動(dòng)化手段來節(jié)約用水、節(jié)約用電已經(jīng)成為我們國家發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。</

22、p><p>　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。衡量供水質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一是供水壓力是否恒定，因?yàn)樗畨汉愣ㄓ谀承┕I(yè)或特殊用戶是非常重要的，如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，會(huì)造成更大的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。但是用戶用水量是經(jīng)常變動(dòng)的，因此用水和供水之間的不平衡的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并且集中反映在供水的壓力上：用水多而供水少，則供水壓力低；用水少而供水多，則供水壓力

23、大。保持管網(wǎng)的水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的產(chǎn)量和質(zhì)量，也確保了供水生產(chǎn)以及電機(jī)運(yùn)行的安全可靠性。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用簡單實(shí)用的PLC和變頻調(diào)速技術(shù)，集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體去改造傳統(tǒng)的城市高樓供水系統(tǒng)。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，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，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

24、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。</p><p>　　1.1變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義</p><p>　　我國長期以來在市政供水、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。主要表現(xiàn)生產(chǎn)生活中的用水量常隨時(shí)間而變化，季節(jié)、晝夜相差很大。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；而在用水低峰期

25、，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時(shí)會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)還有可能造成水管爆裂和用水設(shè)備的損壞。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)生大量能耗的，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。且由于是二次供水，不能保證供水質(zhì)的安全與可靠性。而變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動(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

26、了電氣、機(jī)械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險(xiǎn)。由此可見，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，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。</p><p>　　對(duì)于大多數(shù)采用供水企業(yè)來說，傳統(tǒng)供水機(jī)泵存在日常運(yùn)行費(fèi)用太高，供水成本居高不下，單位供水的能耗偏大的問題，尋求供水與能耗之間的最佳性價(jià)比，是困擾企業(yè)的一個(gè)長期問題。目前各供水廠

27、的供水機(jī)泵設(shè)計(jì)按最大揚(yáng)程與最大流量這一最不利條件設(shè)計(jì)，水泵大多數(shù)時(shí)間在設(shè)計(jì)效率以下運(yùn)行。導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)與水泵之間常常出現(xiàn)大馬拉小車問題(如圖1-1)。因此，如何解決供水與能耗之間的不平衡，尋求提高供水效率的整體解決方案，是各供水企業(yè)關(guān)心的焦點(diǎn)問題之一。所以研究設(shè)計(jì)基于PLC變頻調(diào)速的恒定水壓供水系統(tǒng)(簡稱變頻調(diào)速恒壓供水，如圖1-2)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平，同時(shí)降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[16]。</p>

28、<p>　　圖1-1 傳統(tǒng)供水機(jī)泵示意圖 圖1-2 變頻調(diào)速供水機(jī)泵示</p><p>　　Fig1-1 Diagram of traditional machine pump Fig1-2 Diagram of frequency conversion pump</p><p>　　1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p&

29、gt;　　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)展起來的[9]。在早期，由于國外生產(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、起制動(dòng)控制、起制動(dòng)控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能。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。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的

30、方式，幾乎沒有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。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，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開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，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC

31、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)。這</p><p>　　目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國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)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多

32、方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。原深圳華為(現(xiàn)已更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團(tuán)(森蘭變頻器)也推出子恒壓供水專用變頻器(5.5k w-22kw) ，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。</

33、p><p>　　可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。</p><p>　　1.3變頻調(diào)速恒壓供水的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍</p><p&g

34、t;　　1.3.1變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：</p><p>　　1、 高效節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電20%～40%，能實(shí)現(xiàn)綠色用電；</p><p>　　2、 占地面積小，投入少，效率高；</p><p>　　3、 配置靈活，自動(dòng)程度高，功能齊全，靈活可靠；</p><p>　　4、 運(yùn)行合理，由于一天內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速下降，軸上平均扭矩和磨

35、損減少，減少了維修量和維修費(fèi)用，水泵的使用壽命大大提高；</p><p>　　5、 由于能對(duì)水泵實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，并可消除水錘效應(yīng)；</p><p>　　6、 操作簡便，省時(shí)省力；</p><p>　　7、 由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。</p><p>　　1.3.2傳統(tǒng)定壓方式的弊病

36、：</p><p>　　1、管理不便、因與大氣連通易引起的管道腐蝕。</p><p>　　2、由于水箱內(nèi)微生物、藻類孳生，還可能對(duì)系統(tǒng)造成二次污染，所以每年定壓水箱都需定期維護(hù)，并由衛(wèi)生防疫部門檢驗(yàn)。</p><p>　　3、定壓水箱需占用較大空間，需要專門的地點(diǎn)來放置。</p><p>　　4、高位定壓水箱系統(tǒng)的控制靠投入泵的臺(tái)數(shù)來調(diào)節(jié)，但

37、這種調(diào)節(jié)方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵長期偏離高效區(qū)域工作，效率低下。</p><p>　　5、系統(tǒng)頻繁的起、停泵，對(duì)水泵、電機(jī)及開關(guān)器件都會(huì)縮短使用壽命。</p><p>　　6、使用高位水箱供水，在系統(tǒng)流量較大時(shí)，管網(wǎng)壓力會(huì)有較大的變化，造成部分用戶資用壓頭不夠，出現(xiàn)諸如流量不足、冷熱不均等情況。</p><p>　　7、在供水泵的選型上，設(shè)計(jì)人員為

38、了提高系統(tǒng)安全系數(shù)，電機(jī)選型都較大；在用水負(fù)荷較小或低區(qū)采用減壓閥、節(jié)流孔板等來調(diào)節(jié)剩余水頭時(shí)，大量的能量消耗在閥上，都造成電能的浪費(fèi)。</p><p>　　1.3.3變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用范圍</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類:</p><p>　　(1) 小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)</

39、p><p>　　這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在135kw以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣最多的方式.如希望集團(tuán)(森蘭變頻器)推出的恒壓供水專用變頻器(5.5kw～22kw)。</p><p>　　(2) 國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)</p><p>　

40、　這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器電機(jī)功率在135kw～320kw之間，電網(wǎng)電壓通常為200V或380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。</p><p>　　(3) 大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)</p><p>　　這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大(一般都大于320kw)、機(jī)組多、多數(shù)采用高

41、壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，研究和設(shè)計(jì)的變頻器是以第一種應(yīng)用范圍為基礎(chǔ)。</p><p>　　1.4課題來源及本文的主要研究設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p><b>　　1.4.1課題來源</b></p><p&

42、gt;　　本課題來源于城市高樓生活供水、消防用水的實(shí)際應(yīng)用。</p><p>　　1.4.2研究設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p>　　通過前面對(duì)傳統(tǒng)供水現(xiàn)狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析可知，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在我國己成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、各種傳感器等組成。本文研究的目標(biāo)是對(duì)恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更

43、加簡捷，故障報(bào)警及時(shí)迅速。</p><p>　　本文研究設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下:</p><p>　　1.對(duì)變頻恒壓供水國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，并提出采用具有眾多優(yōu)點(diǎn)的變頻調(diào)速恒壓供水方案。</p><p>　　2.從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手，討論水泵工作點(diǎn)(工況點(diǎn))的確定方法和水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線

44、得以實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　3.介紹了基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)由一臺(tái)變頻器輪流拖動(dòng)3臺(tái)水泵電機(jī)變頻運(yùn)行。遠(yuǎn)傳壓力表采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)經(jīng)PID處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力信號(hào)調(diào)整水泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵性能曲線來實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。重點(diǎn)介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.通

45、過內(nèi)置PID功能三菱FR-A540變頻器基本原理的介紹，采用PID算法控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓供水。</p><p>　　5.現(xiàn)場調(diào)試設(shè)備并進(jìn)行節(jié)能性模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　2.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)簡介</p><p>　　2.1水泵供水的主要參數(shù)</p><p><b>　　1、流量&l

46、t;/b></p><p>　　流量是單位時(shí)間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的水量，符號(hào)是Q，常用單位是m3/s、m3/min、m3/h等.供水系統(tǒng)的基本任務(wù)是滿足用戶的流量需求[5]。</p><p><b>　　2、揚(yáng)程</b></p><p>　　揚(yáng)程是單位質(zhì)量的水被上揚(yáng)時(shí)所獲得的能量，符號(hào)是H，常用單位是m。揚(yáng)程主要包括三個(gè)方面:第一是提高

47、水位所需的能量；第二是克服水在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)所需的能量；第三是使水流具有一定流速所需的能量。由于在同一管路中，上述的第二和第三是基本不變的，在數(shù)值上也相對(duì)較小。可以認(rèn)為，提高水位所需的能量是揚(yáng)程的主體部分。因此，在同一管路內(nèi)進(jìn)行分析時(shí)，常簡略地把水從一個(gè)位置“上揚(yáng)”到另一位置時(shí)，用水位的變化量(即水位差)代表揚(yáng)程。</p><p><b>　　3、全揚(yáng)程</b></p><

48、p>　　全揚(yáng)程也稱為總揚(yáng)程或水泵揚(yáng)程，全揚(yáng)程是說明水泵的泵水能力的物理量。包括把水從水池的水面上揚(yáng)到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，符號(hào)是HT。</p><p><b>　　4、實(shí)際揚(yáng)程</b></p><p>　　實(shí)際揚(yáng)程即通過水泵實(shí)際提高的水位所需的能量，符號(hào)是HA 。</p><p><b>

49、;　　5, 損失揚(yáng)程</b></p><p>　　全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差，即損失揚(yáng)程，符號(hào)是HL，HT 、HA和HL之間的關(guān)系是: HT = HA + HL （2-1）</p><p><b>　　6、管阻</b></p&g

50、t;<p>　　管阻是管道系統(tǒng)(包括水管、閥門等)對(duì)水流阻力的物理量，符號(hào)是R。通常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來描述。</p><p>　　2.2供水系統(tǒng)的基本特性</p><p>　　供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線f (Q)，如圖2-1所示。由圖2-1可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。

51、由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量Qu間的關(guān)系[7]。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H=f(Qu)。管阻特性反映了水泵的能量用來克服水泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的

52、供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量Qg之間的關(guān)系H=f(Qg)。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖2-1中A點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qg處于平衡狀態(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。</p><p>　　圖2-1 供水系統(tǒng)的基本特性曲線</p><p>　　Fig2-1 The basic cha

53、racteristics of the water supply system</p><p>　　2.3水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理</p><p>　　在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制對(duì)象，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度的大小來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變

54、。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動(dòng)能改變流量。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。</p><p>　　變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小

55、時(shí)電機(jī)減速。圖2-2為管網(wǎng)及水泵的特性曲線。</p><p>　　圖2-2水泵的H-Q特性曲線</p><p>　　Fig2-2 Characteristic curve of acenitric pump</p><p>　　當(dāng)用閥門控制時(shí)，若供水量高峰期水泵工作在E點(diǎn)，流量為Q1，揚(yáng)程為H0，當(dāng)供水量從Q1減小到Q2，時(shí)，必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻

56、力曲線從, β3移到β1，揚(yáng)程特性曲線不變。而揚(yáng)程則從H0上升到H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從E點(diǎn)移到F點(diǎn)，此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為(0, Q2，F(xiàn)，H1)圍成矩形部分，其值為：</p><p>　　PF =H1* ? *Q2/102 ? （2-2）</p><p>　　當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓(H0)、變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為β2,揚(yáng)程特性變

57、為曲線n2，工作點(diǎn)從E點(diǎn)移到D點(diǎn)。此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為(0, Q2，D，H0)圍成的矩形面積，其值為:</p><p>　　PD =H0* ? *Q2/102 ? （2-3）</p><p>　　可見改用調(diào)速控制，節(jié)能量為(H0,D，F(xiàn)，H1)圍成的矩形面積，其值為:</p><p>　　△P = PF - PD =

58、 ? (H1- H0)Q2/102 ? （2-4）</p><p>　　所以，當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有功率△P功率被浪費(fèi)掉。并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是H1增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。</p><p>　　根據(jù)水泵變速運(yùn)行的相似定律，變速前后流量Q、揚(yáng)程H，功率P與轉(zhuǎn)速N之間關(guān)系為:</p>

59、<p>　　Q2/Q1=N2/N1；H2/H1=（N2/N1）2；P2/P1=（N2/N1）2 （2-5）</p><p>　　式中，Q1、H1、P1為變速前的流量、揚(yáng)程、功率，Q2、H2、P2為變速后的流量、揚(yáng)程、功率。由公式( 2-5)可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小

60、得多，節(jié)能效果顯著。</p><p><b>　　2.4變頻調(diào)速原理</b></p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。</p><p>　　因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是

61、異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的[17]。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為:</p><p>　　S=1-(n/n1) （2-6）</p><p>　　異步電機(jī)的同步速度為:</p><p>　　n1=60f/p

62、 （2-7）</p><p><b>　　異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為:</b></p><p>　　n= 60f(1-S)/p （2-8）</p><p>　　其中:n1為異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；n為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f是異步電機(jī)的定子電源頻率；p為異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。</p><p

63、>　　從上式可知，當(dāng)電機(jī)電極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、與定子電源頻率f成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速，都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速只有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。</p><p>　　變頻調(diào)速可用普通的異步電機(jī)，異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)

64、方便、堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠，適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。特別是近年來出現(xiàn)的高性能、高精度的變頻器，變頻調(diào)速完全可以達(dá)到直流調(diào)速一樣的性能。從設(shè)備投資來看，變頻調(diào)速系統(tǒng)與同容量的直流調(diào)速系統(tǒng)可節(jié)省投入的20%左右。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用十對(duì)水泵(風(fēng)機(jī))電機(jī)的調(diào)速。</p><p>　　3.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　3.1變

65、頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)要適用生活水、工業(yè)用水以及消防等多種場合的供水，在此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，主要由PLC、變頻調(diào)速器、軟啟動(dòng)器、壓力變送器、水位傳感器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外還包括空氣開關(guān)、斷路器、接觸器和中間繼電器等系統(tǒng)保護(hù)電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器、電機(jī)和PLC的有效保護(hù)，以及對(duì)電機(jī)的切換控制。PLC和變頻器作為系統(tǒng)控制的核心，根據(jù)給水母管

66、壓力與壓力設(shè)定值的偏差變化情況，自動(dòng)控制給水泵的投人臺(tái)數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓供水。其中控制參量的PID算法可消除控制參量的靜態(tài)誤差、突變、滯后等現(xiàn)象，縮短系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間。</p><p>　　我們以三臺(tái)水泵組成的供水系統(tǒng)為例，其原理框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理圖</p><p>　　Fig3-1 Princ

67、iple chart of the constant pressure water supply system with changing frequency and speed abilities</p><p>　　從3-1系統(tǒng)原理圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、通訊接口以及報(bào)警裝置等部分組成。</p><p><b>　　1、執(zhí)

68、行機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，當(dāng)水泵采用循環(huán)的控制方式時(shí)，P1，P2，P3既可以做調(diào)速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式時(shí)，PI, P2，P3中只有一臺(tái)可以調(diào)速泵，其余兩臺(tái)為恒速泵。？</p><p><b>　　2、信號(hào)檢測</b></p><p>　　在系統(tǒng)控

69、制過程中，需要檢測的信號(hào)包括水壓信號(hào)、液位信號(hào)和報(bào)警信號(hào):</p><p>　?。?）水壓信號(hào):它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入PLC時(shí)，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入。</p><p>　?。?）液位信號(hào):它反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。

70、信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵因空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號(hào)來自在安裝于水源處的液位傳感器。</p><p>　?。?）報(bào)警信號(hào):它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)。</p><p><b>　　3、控制系統(tǒng)</b></p><p>　　供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供

71、水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。</p><p>　　（1）供水控制器:它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制。</p><p>　?。?）變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤

72、供水控制器送來的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同，變頻器有兩種工作方式:</p><p>　　a、變頻循環(huán)式 :變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)。</p><p>　　b、

73、變頻固定式 :變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇。</p><p>　?。?）電控設(shè)備：它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換及就地/集中等工作。</p><p>

74、<b>　　4、人機(jī)界面</b></p><p>　　人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場所。通過人機(jī)界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時(shí)使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運(yùn)行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機(jī)界面還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)示，對(duì)報(bào)警進(jìn)行顯示。（觸模屏）</p><p><b>　　5、通訊接口</b&g

75、t;</p><p>　　通訊接口是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;同時(shí)通過通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來，例如可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)等。</p><p><b>　　6、報(bào)警裝置</b></p><p>　　作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分

76、。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測，由PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。</p><p>　　3.2系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能</p><p>　　系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)如下功能:</p><p><b>

77、;　　1、全自動(dòng)運(yùn)行</b></p><p>　　合上自動(dòng)開關(guān)后，1#泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從OHz上升，同時(shí)PID調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮盏阶赃h(yuǎn)傳壓力表的信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升，直到50Hz, 1#水泵由變頻切換為工頻，同時(shí)對(duì)2#水泵進(jìn)行變頻啟動(dòng)，變頻器頻率逐漸上升至需要值，加泵依次類推；如用水量減小(壓力過大)，變頻器下限頻率持續(xù)出現(xiàn)，則將先啟動(dòng)

78、的水泵先切除。若有電源瞬時(shí)停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī):待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，然后按自動(dòng)運(yùn)行方式啟動(dòng)1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運(yùn)行。變頻自動(dòng)控制功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)多臺(tái)水泵軟起動(dòng)、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。</p><p><b>　　2、手動(dòng)運(yùn)行</b></p><p>　　當(dāng)遠(yuǎn)傳壓力表故障或變頻器故障時(shí)，為確保用水，三臺(tái)泵可

79、分別以手動(dòng)控制方式工頻運(yùn)行。</p><p><b>　　3、停止</b></p><p>　　轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，任何設(shè)備不能啟動(dòng)。</p><p>　　4、采用“自動(dòng)切換”和“先啟先?！痹瓌t</p><p>　　“自動(dòng)切換”是指當(dāng)一臺(tái)單獨(dú)運(yùn)行水泵或者有兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行的水泵，運(yùn)行在這種狀態(tài)下持續(xù)時(shí)間達(dá)

80、到設(shè)定時(shí)間時(shí)自動(dòng)換泵運(yùn)行?！跋葐⑾韧！笔侵改囊慌_(tái)先啟動(dòng)的水泵在壓力過大時(shí)也先被切除，這樣保證系統(tǒng)的每臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)間接近，防止有的泵運(yùn)行時(shí)間過長，而有的水泵卻長時(shí)間不用而銹死，從而延長了設(shè)備的使用壽命。</p><p>　　5、平穩(wěn)切換，恒壓控制</p><p>　　生活供水時(shí)，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行。遠(yuǎn)傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號(hào)經(jīng)PLC的擴(kuò)展模塊PID運(yùn)算送給變頻器？

81、，并給出信號(hào)直接控制水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當(dāng)在運(yùn)行的水泵全速運(yùn)行，還未達(dá)到給定壓力時(shí)，變頻運(yùn)行的水泵被切換到工頻運(yùn)行，變頻器將啟動(dòng)另一臺(tái)泵(即采用軟啟動(dòng))。</p><p>　　6、完善的各種保護(hù)、報(bào)警功能</p><p>　　（1）對(duì)工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣互鎖，防止短路產(chǎn)生。</p><p>　?。?）當(dāng)水泵的功率較大時(shí)，為

82、防止直接啟動(dòng)電流過大，需要采用軟啟動(dòng)方法，即用變頻器來啟動(dòng)水泵。</p><p>　?。?）運(yùn)行的水泵在斷開電源后，利用其運(yùn)行的慣性切換到工頻，可避免切換過程中產(chǎn)生過電流.</p><p>　?。?）電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)。雖然水泵在低速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作電流較小，但是當(dāng)用戶用水量變化頻繁時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于頻繁的升速、降速狀態(tài)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流可能超過額定電流，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱。因此電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)是

83、必須的。</p><p>　?。?）具有缺水保護(hù)功能。當(dāng)水泵工作在自動(dòng)狀態(tài)，為防止當(dāng)水池沒水時(shí)水泵空載運(yùn)行，燒壞水泵電機(jī)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)缺水保護(hù)電路。當(dāng)水池缺水時(shí)，保護(hù)電路中繼電器常開觸點(diǎn)斷開，切斷控制電路電源，從而保護(hù)系統(tǒng)。</p><p>　?。?）在用水量小的情況下，如果一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過3小時(shí)，則要切換下一臺(tái)泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長。</p&

84、gt;<p><b>　　3.3系統(tǒng)工作原理</b></p><p>　　市網(wǎng)子來水用高低水位控制器EQ來控制注水閥YV1，自動(dòng)把水注滿儲(chǔ)水水池，只要水位低于高水位，則自動(dòng)往水箱注水。水池的高/低水位信號(hào)也直接送給PLC，作為水位報(bào)警。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離較小。生活和消防用水共用三臺(tái)水泵，平時(shí)電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺(tái)水泵根據(jù)生活用水

85、的多少，按一定的控制邏輯運(yùn)行，維持水位低？恒壓值。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電磁閥YV2得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺(tái)水泵給消防用水使用，并維持消防用水的高恒壓值?；馂?zāi)結(jié)束后，三臺(tái)水泵再改為生活供水使用。</p><p>　　1、生活供水系統(tǒng)工作原理</p><p>　　安裝于生活供水管道上的壓力變送器將管網(wǎng)壓力檢測值轉(zhuǎn)換為4-20mA 的電信號(hào)送入變頻器的？，一般情況下由上位PC機(jī)給定生活管網(wǎng)壓力，

86、然后與壓力傳感器所測管網(wǎng)實(shí)際壓力進(jìn)行比較，將差值送人變頻器內(nèi)置PID進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生一個(gè)偏差信號(hào)去控制變頻器的輸出頻率，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速使管網(wǎng)壓力恒定。當(dāng)用水量不大時(shí)，一臺(tái)水泵(1#水泵)在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)用水量增大時(shí)，管網(wǎng)壓力下降，當(dāng)管網(wǎng)壓力下降到下限值時(shí)由變頻器輸出一個(gè)下限信號(hào)給PLC?，PLC自動(dòng)將第二臺(tái)水泵（2#）投入變頻運(yùn)行，將原工作在變頻狀態(tài)下的第一臺(tái)水泵（1#水泵）切換為工頻運(yùn)行，兩臺(tái)水泵運(yùn)行以加大管網(wǎng)的供水量保持

87、壓力穩(wěn)定。若兩臺(tái)水泵運(yùn)行仍不能滿足用水量的需要時(shí)，則PLC自動(dòng)將第三臺(tái)水泵（3#水泵）投入變頻運(yùn)行，將原工作在變頻狀態(tài)下的第二臺(tái)水泵（2#水泵）切換為工頻運(yùn)行，三臺(tái)水泵運(yùn)行以進(jìn)一步加大管網(wǎng)的供水量保持壓力穩(wěn)定。當(dāng)用水量減少時(shí)，管網(wǎng)壓力上升，當(dāng)管網(wǎng)壓力上升到上限值時(shí)由變頻器輸出一個(gè)上限信號(hào)給PLC，PLC自動(dòng)將第一臺(tái)水泵（1#水泵）停止運(yùn)行。當(dāng)用水量進(jìn)一步減少時(shí)，PLC自動(dòng)將第二臺(tái)水泵（2#水泵）停止運(yùn)行，此時(shí)只剩下第三臺(tái)水泵</p

88、><p>　　2、消防供水系統(tǒng)工作原理？</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)置消防水泵工頻運(yùn)行，由PLC進(jìn)行消防水泵電機(jī)組自動(dòng)控制，在備用時(shí)消防水泵自動(dòng)定期交替試運(yùn)行，每臺(tái)水泵試運(yùn)行時(shí)間和兩臺(tái)水泵之間的試運(yùn)行間隔時(shí)間可由用戶根據(jù)系統(tǒng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣可以定期進(jìn)行消防供水系統(tǒng)設(shè)備的檢查與維修，防止因消防系統(tǒng)長期不運(yùn)行而造成設(shè)備的損壞，致使消防用水時(shí)不能及時(shí)正常供水的現(xiàn)象發(fā)生。</p>&

89、lt;p>　　如遇火情，生活供水狀態(tài)立即轉(zhuǎn)人消防供水。首先由上位機(jī)給定壓力值，然后系統(tǒng)按控制過程通過變頻器和PLC的控制迅速使消防管網(wǎng)壓力到達(dá)設(shè)定值附近。當(dāng)水流檢測器出現(xiàn)故障時(shí)，還可通過按動(dòng)消防專用啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)消防水泵運(yùn)行。消防供水的恒壓控制是通過壓力檢測器的低壓觸點(diǎn)和高壓觸點(diǎn)與PLC聯(lián)合控制的，其控制過程與生活用水恒壓控制類似。當(dāng)消防用水完畢后，水流檢測器常開觸點(diǎn)斷開或者手動(dòng)按下消防水泵停止按鈕，則重新進(jìn)入試機(jī)循環(huán)。</p

90、><p>　　控制系統(tǒng)設(shè)有手/自動(dòng)切換開關(guān)。選擇手動(dòng)方式時(shí)，可分別通過現(xiàn)場控制柜的按鈕控制各臺(tái)泵的單獨(dú)運(yùn)行與停止，便于系統(tǒng)調(diào)試、定期檢修和臨時(shí)供水。選擇自動(dòng)工作方式時(shí)，PLC首先使第一臺(tái)給水泵變頻啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率的提高而上升，此時(shí)安裝在給水母管上的壓力變送器將母管壓力反饋給PLC，與預(yù)先設(shè)定的給定壓力進(jìn)行比較，通過PID運(yùn)算，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以維持水壓恒定，這種跟蹤調(diào)節(jié)是精確而平滑的，稱為細(xì)調(diào)節(jié)。如果該

91、臺(tái)調(diào)速泵調(diào)到最大供水量(即對(duì)應(yīng)于50Hz的最高頻率)仍達(dá)不到壓力給定值，則延時(shí)一段時(shí)間(避免瞬時(shí)干擾信號(hào))控制第一臺(tái)水泵進(jìn)入工頻運(yùn)行，變頻器頻率從50Hz迅速下降到OHz，同時(shí)使第二臺(tái)泵變頻啟動(dòng)，如水壓仍不能滿足要求，則重復(fù)上述過程啟動(dòng)第三臺(tái)泵。如此反復(fù)，直到壓力符合要求；反之，如果變頻水泵運(yùn)行降到0Hz時(shí)母管壓力仍大于給定壓力值，則延時(shí)一段時(shí)間后關(guān)閉一臺(tái)工頻水泵，使變頻器頻率從0Hz迅速上升到50Hz，對(duì)水壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到母管壓力達(dá)到

92、設(shè)定值，這種調(diào)節(jié)方式稱為粗調(diào)節(jié)。這樣，水泵切換過程是平穩(wěn)的，不會(huì)出現(xiàn)樓上用戶短時(shí)停水的現(xiàn)象。</p><p>　　在單泵運(yùn)行或多泵并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)下，根據(jù)先開先停的原則，只要任意一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行超過規(guī)定時(shí)間(如24小時(shí))，便可通過程序控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)停機(jī)輪休，以延長泵組的使用壽命。由PLC控制變頻調(diào)速裝置，通過測量給水母管的壓力，將其轉(zhuǎn)換成4～20mA的模擬量信號(hào)，進(jìn)而控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，使其自動(dòng)適應(yīng)水

93、量變化，穩(wěn)定供水壓力。系統(tǒng)運(yùn)行中，總有一臺(tái)水泵處于變頻調(diào)速狀態(tài)，而其它為工頻恒速或停機(jī)等待狀態(tài)，保持有一臺(tái)水泵由變頻電源驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水壓的細(xì)調(diào)節(jié)，以保證調(diào)節(jié)時(shí)間不大于l0s，水壓波動(dòng)不超過0.01MPa。當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而失靈時(shí)，可將變頻器切至手動(dòng)操作方式。</p><p>　　有些變頻恒壓供水裝置在水壓高時(shí)直接切除一臺(tái)工頻泵，再由變頻泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種切泵的方式顯然存在供水水壓的劇烈變化。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，將變頻器以

94、工頻運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換到正在以工頻運(yùn)行的工頻泵上，再逐漸降低頻率，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水的無沖擊切泵，使水壓過渡平穩(wěn)，防止出現(xiàn)水壓大幅度波動(dòng)及水壓為0的短時(shí)斷水現(xiàn)象，提高了供水質(zhì)量。在系統(tǒng)工作過程中，由于切換時(shí)接觸器吸合和釋放存在著延時(shí)，水泵電機(jī)在切換到電網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電流沖擊，設(shè)計(jì)中可適當(dāng)使切換頻率大于50Hz，就可以盡量減小沖擊電流。</p><p>　　若無人值班時(shí)突然停電，在恢復(fù)供電后水泵無法啟動(dòng)而造成斷水。設(shè)計(jì)中

95、可設(shè)置為變頻自啟動(dòng)方式，在電源恢復(fù)后，PLC控制報(bào)警器報(bào)警，然后按自動(dòng)運(yùn)行方式變頻啟動(dòng)水泵，直到穩(wěn)定地運(yùn)行在給定水壓值。為防止變頻器50Hz驅(qū)動(dòng)與市電50Hz驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)輸出功率不同而造成反復(fù)加泵/減泵現(xiàn)象，程序中加泵/減泵的切換點(diǎn)設(shè)置為不是剛好等于設(shè)定值，加泵時(shí)壓力值為“設(shè)定值-△”，減泵時(shí)判斷點(diǎn)為“設(shè)定值+△。其中△根據(jù)水壓控制的精度要求而進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。（區(qū)別）</p><p>　　4.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的

96、硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)硬件組成</b></p><p>　　根據(jù)3.1節(jié)中變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)組成原理圖，得到該系統(tǒng)的電氣控制框圖如圖4-1：</p><p>　　圖4-1 變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Fig4-1 Electricial control sy

97、stem chart of the constant pressure water supply system with changing frequency and speed abilities</p><p>　　根據(jù)該框圖，系統(tǒng)所需的硬件有:</p><p>　　① PLC及擴(kuò)展模塊</p><p><b>　?、谧冾l器、水泵機(jī)組</b>

98、;</p><p>　　③人機(jī)界面（觸摸屏）</p><p>　?、苘泦?dòng)器或自耦變壓器</p><p>　?、輭毫鞲衅?、壓力變送器、電接點(diǎn)壓力表、水位傳感器。</p><p>　?、轕LC用隔離變壓器、低壓電器以及控制柜</p><p>　　4.2 可編程控制器(PLC)選型</p><p&g

99、t;　　可編程控制器（Programmable Logic Controller）是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動(dòng)控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。PL C是該控制系統(tǒng)的核心部件，合理選擇PLC對(duì)于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)

100、量至關(guān)重要的。選擇PLC應(yīng)包括PLC機(jī)型、容量等的選擇。</p><p><b>　　1、PLC機(jī)型選擇</b></p><p>　　機(jī)型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠，維護(hù)使用方便及最佳的性能價(jià)格比。</p><p><b>　　（1）結(jié)構(gòu)合理</b></p><p>

101、;　　對(duì)于工藝比較固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的場合，選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC。</p><p><b>　　（2）功能強(qiáng)弱適當(dāng)</b></p><p>　　對(duì)于開關(guān)量控制的工程項(xiàng)目，若控制速度要求不高，一般選用低檔的PLC。 </p><p>　　2、PLC容量的選擇</p><p>　　PLC容量主要是指是PLC的I

102、/O點(diǎn)數(shù)，I/O點(diǎn)數(shù)也應(yīng)留有適當(dāng)裕量。由于目前I/O點(diǎn)數(shù)較多的PLC價(jià)格也較高，若備用的1/O點(diǎn)是數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對(duì)象的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常1/0點(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要的考慮留10%-15%點(diǎn)數(shù)備用量。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)要求和功能，PLC選用MITSUBISHI公司的FX2N系列FX2N-48MR-001， FX2N-48MR具有豐富的可靈活配置的硬件資源

103、：內(nèi)含時(shí)鐘、PID運(yùn)算、高速計(jì)數(shù)器、顯示器、AC/DC/繼電器內(nèi)置數(shù)字I/O（24路開關(guān)量輸入，24路繼電器輸出），另配置FX0N-4AD模擬量模塊，F(xiàn)X2N-485-BD通信模塊。SC-09通信編程器，采用RS485網(wǎng)絡(luò)通信。</p><p>　　4.3 變頻器選型</p><p>　　變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇、容量選擇和變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選擇三個(gè)方面。其總的原則是首先保證可靠地

104、滿足工藝要求，再盡可能節(jié)省資金。</p><p>　　1、變頻器的型式選擇</p><p>　　根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類:普通功能型U/F控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能U/F控制變頻器知矢量控制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據(jù)負(fù)載的要求進(jìn)行。對(duì)于風(fēng)機(jī)，泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器。在變頻器選型前應(yīng)掌握傳動(dòng)系統(tǒng)的以下參數(shù):</p

105、><p>　?。?）電動(dòng)機(jī)的極數(shù)。一般電動(dòng)機(jī)極數(shù)以不多于4極為宜，否則變頻器容量要適當(dāng)加大；</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)矩特性。在同等電動(dòng)機(jī)功率情況下，相對(duì)于高過載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格可以降額選??；</p><p>　　（3）電磁兼容性。為減少主電源千擾，使用時(shí)可在中間或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當(dāng)電動(dòng)機(jī)與變頻器距離超過50m時(shí)，應(yīng)在它們中

106、間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護(hù)電纜。</p><p>　　變頻器的選型應(yīng)滿足以下條件:</p><p>　　（1）電壓等級(jí)與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)相符；</p><p>　?。?）額定電流為所驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定電流的1.1～1.5倍；</p><p>　　（3）根據(jù)被驅(qū)動(dòng)設(shè)備的負(fù)載特性選擇變頻器的控制方式；</p><p><

107、;b>　　2、變頻器容量選擇</b></p><p>　　變頻器的容量可從三個(gè)角度表述:額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。其中后兩項(xiàng)變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。選擇變頻器時(shí)，只有變頻器的額定電流量是一個(gè)反映半導(dǎo)體變頻器裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。</p>

108、<p>　　變頻器的額定功率指的是它適用的4級(jí)交流異步電動(dòng)機(jī)的功率。由于同容量電動(dòng)機(jī)，其極數(shù)不同，電動(dòng)機(jī)額定電流不同。隨著電動(dòng)機(jī)極數(shù)的增多，電動(dòng)機(jī)額定電流增大。變頻器的容量選擇不能以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)。同時(shí)，對(duì)于原來采用變頻器的改造項(xiàng)目，變頻器的容量選擇也不能以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)。這是因?yàn)?，電?dòng)機(jī)的容量選擇在考慮最大負(fù)載，富裕系數(shù)，電動(dòng)機(jī)規(guī)格等因素，往往電動(dòng)機(jī)的容量富裕較大，工業(yè)用電動(dòng)機(jī)常常在50%～60%額定負(fù)荷下運(yùn)行。

109、若以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)來選擇變頻器的容量，留有富裕量太大，造成經(jīng)濟(jì)上浪費(fèi)，而可靠性并沒有因此而得到提高。變頻器與電動(dòng)機(jī)的匹配主要是電動(dòng)機(jī)的額定電壓及電流，如果電動(dòng)機(jī)額定電流小于同功率的變頻器額定電流，一般來說用同等功率的就足夠了，但如果大了，只好用大一級(jí)的變頻器。對(duì)于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，變頻器的容量選擇應(yīng)以變頻器的額定電流大于電動(dòng)機(jī)的最大正常工作電流1.1倍為原則，這樣可以最大限度地節(jié)約資金。在選用變頻器時(shí)除了考慮技術(shù)性和可靠性外還應(yīng)考