1、变频恒压供水图书馆收藏中图分类号： 密级：UDC： 编号：毕业设计设计题目名称：变频恒压供水学 生 姓 名：xx专业名称：机电一体化班 级：机电08-4学 制：3年学 号：0850243421学历层次：专 科指导教师：Xx评 阅 人：xxx论文（设计）提交日期： 2011 年 06月 日论文（设计）答辩日期： 2011 年 06 月 日徐州建筑职业技术学院2011 年 06 月 日 毕业设计成绩评定书 专业、班级 姓名 日期 1、设计题目 2、设计指导教师（签名） 3、设计评阅人（签名） 评阅日期 4、评定意见及成绩 中文摘要随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高
2、；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据高楼用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了楼层原供水系统存在成本高，可靠性低，水资源浪费，管网系统待完善的问题。提出以利用自来水水压供水与水泵提水相结合的方式，并配以变频器、PLC、压力传感器、液位传感器等不同功能等传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。变频恒压供水系统由
3、可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率。通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。关键词：变频调速，恒压供水，PLC，变频好、变频恒压供水ABSTRACTWith the rapid development of social economy, people water quality and wa
4、ter supply to demand for improved system reliability; coupled with the current energy shortage, the use of advanced automation technology, control technology and communication technology, design high-performance, high energy, able to adaptWater Supply System in different fields has become an inevita
5、ble trend.Build a conservation-oriented society, rational development, utilization and effective protection of water resources conservation is a difficult task.Under the water time to focus on high-rise buildings, large changes in the characteristics of water, the floor of the original water supply
6、system of high cost, low reliability, water waste, and with a frequency converter, PLC, pressure sensors, level sensors and other sensors with different functions, under the pressure of the pipe network, via a frequency converter pump speed,water pressure to remain in the appropriate range.Floor whi
7、ch can address the lack of high pressure and low flow caused when the energy consumption problem. In this thesis, the water supply under the requirements of Chinese urban community, designed based on PLC, frequency control water supply system.Constant pressure water supply system consists of program
8、mable logic controller, inverter, water pump, pressure sensors, industrial computer and other accessories. The system includes three pump motor, composed of frequency cycles are run.Three-phase inverter is used to achieve the soft-start pump motor and frequency control, switch to run a first start f
9、irst stop principle.thereby changing the water pump motor speed to change the water supply pipe network pressure to maintain stability in the final in the setsetting nearby.By IPC and PLC connection, using the configuration software to complete system monitoring, to achieve a dynamic display of oper
10、ating status and data, alarm information.Keywords: frequency control, constant pressure water supply, PLC, frequency conversion is good, constant pressure water supply目录中文摘要 iABSTRACT ii第一章 绪论 11.1 恒压供水问题的提出 11.2国内恒压供水系统的现状 21.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状 21.2.2国内变频恒压供水系统研究状况 31.3本课题的总体方案 51.3.2系统的总体方案 51.3.
11、3系统的总体布局图 6第二章 变频恒压供水的理论分析 72.1 水泵的工作原理 72.2 供水电机的搭配 72.3 水泵的调节方式 82.4 恒压供水系统的能耗分析 92.5 供水系统的安全性问题 102.5.1 水锤效应 102.5.2 水锤效应的产生原因 112.5.3 水锤效应的消除 112.5.4 延长水泵寿命的其他因素 12第三章 系统的硬件设计 133.1 供水设备的选择原则 133.2 参数的计算与供水设备选型 153.2.1 水泵的参数计算与型号的选择 153.2.2 变频器的选择 153.2.3 压力传感器的选择 173.2.4 水位传感器的选择 173.2.5 其他低压电器
12、的选择 183.3 PLC的选型 183.3.1 I/O点的统计 183.3.2 PLC选型的基本原则 193.3.3 I/O的分配 193.4 系统硬件线路设计 213.5 PID参数的预置 224.1 系统软件设计分析 234.2 PLC程序设计 244.2.1控制系统主程序设计 254.4 程序的仿真与调试 264.4.1 仿真软件的简介 264.4.2 恒压供水系统程序的仿真调试 27附录一：流程图 30附录二：plc程序 32参考文献 36致 谢 37第一章 绪论水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又
13、有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。水是生命之源，人类生存离不开水。我国是一个水资源和电能相对短缺的国家，现代化进程的加快，城市的高层建筑越来越多，在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故），采用各种自动化手段来节约用水、节约用电已经成为我们国家发展的当务之急。随着社会经济的迅速发展，人们对
14、供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡。但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。本设计采用简单实用的PLC和变频调速技术，集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体去改造传统的城市高
15、楼供水系统。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理，同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.1 恒压供水问题的提出变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速
16、恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。通过分析城市小区高楼中的用水的时间性强，一般在早上六点到八点，中午十一点到下午两点，下午五点到七点，晚上九点到十点四个时间段用水量最大，而其它时间则用水量一般。某高楼的某区供水方式为：把城市自来水管网的水源取到蓄水池后，用水泵抽到楼内高位水池，再由高位水池向各楼层管网供水。这种方法的缺点是随着高楼的居住人数增多，造成了经常性的供水不足，特别是居民集中居住区域最为明显，影响了居民的正常生活秩序。同时该供水方式还存在如下问题： （1）供水成本高。由于其用水全部单纯采用水泵供水，造成电能的极大浪费和机电设备的大量损耗。 （2）供水可靠性低。由于水泵
17、采用人工操作方式，高位水池的水位只能靠人为估计，而且高位水池离水泵房较远，无法做到准时开机和停机。会造成供水中断或出现高位水池水位过高而溢流，电能和水资源造成浪费。另外，如果蓄水池水位过低，还会造成水泵空转，导致电能浪费和机电设备的加速损耗。 （3）水资源浪费。除水泵不能准时停机而造成的溢流浪费外。居民因高峰期供水中断，故经常打开阀门未关，造成来水后的浪费。很多居民睡觉前打开阀门，用水桶或脸盆接水、贮水，造成来水后大量溢流，极大地浪费了水资源，增大了供水成本。 （4）高楼各楼层的管网系统设计有缺陷。对于一般建筑物，本来城市自来水的正常供水即可满足其用水量要求，但采用水泵供水后反而会出现楼房顶层
18、供水不足的现象。同时，用水量大的楼房屋顶水池设计偏小，调节能力较差。 1.2国内恒压供水系统的现状1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用到交流传动中的是德国人。20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。在我国，60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重
19、视。现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。1.2.2国内变频恒压供水系统研究状况目前国内有不少公
20、司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。就国内而言，归结起来主要采用以下三种方法:（1）水池水泵（恒压变频或气压罐）管网系统用水点 这种方式是集中供水。对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一般为一
21、小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。恒压变频供水是较为理想和先进的。首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。如图1.2.2所示。（2）水池水泵高位水箱用水点 此方式也是集中供水。单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。该方式是较成熟的水
22、泵、水箱供水方式。（3）单元水箱单元增压泵单元高位水箱各单位用水点 此方式已简化为单元总水表进水。单元水箱和单元增压泵实际上是一个整体，我们称之为单元增压器。由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。图1.2.2传统恒压供水方式变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：(1) 小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目
23、前国内研究和推广最多的方式。(2) 国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器、电机功率在135kV320kW之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。(3) 大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kW)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。目前，国内除了高压变频供水系统，多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运
24、用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。1.3本课题的总体方案1.3.1 本课题的主要研究内容本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，
25、本设计中有3个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。1.3.2系统的
26、总体方案系统采用3台水泵并联运行方式，把1泵和变频器连接，实现变频运行。为保护电机，2泵和3泵用软起动器来启动，起动参数可调，而且采用软起动具有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机冲击电流大的弊病，减轻对管道的冲击，避免高程供水系统的“水锤效应”，减少设备损坏。在工作过程中，压力传感器将主管网水压变换为电流信号，经模拟量输入模块，输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的频率。当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下恒压运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力达到设定值时，压力传感器上传的信
27、号被PLC检测到，PLC自动将变频泵的频率降至出水频率，同时将第二台泵软启动投入到工频运行，以保持压力的稳定，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现；一段时间后，若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将软启动下一台水泵。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时实际压力值大于设定压力，PLC将最后启动的工频泵停掉，以减少供水量。一段缓冲时间后，当变频器仍工作在出水频率以下时，PLC再软停车停掉第2台工频运行的电机，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现。为了防止备用泵锈死，用PLC定时，B、C泵循环备用。循环时间可默认定在每周三凌晨2点，因为这时用水量较少，备用泵循环可顺利
28、进行。主要参数的设定可用文本显示器来设定。省去了改写程序的麻烦。1.3.3系统的总体布局图图1.3.3 系统总体布局图第二章 变频恒压供水的理论分析2.1 水泵的工作原理供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2.1所示，叶轮安装在泵2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，
29、又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。图2.1 离心泵结构示意图2.2 供水电机的搭配供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点:(1) 如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧
30、毁。(2) 如果电动机功率选得过大，就会出现“小马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。因此，要正确选择电动机的功率， 对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(生产机械轴上的功率)（kW），可按式(2.1)计算所需电动机的功率(kW)： (2.1) 式中，为生产机械的效率，为电动机的效率，即传动效率。按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。2.3 水泵的调节方式水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流
31、量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下：2.4 恒压供水系统的能耗分析在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。
32、由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。(1) 阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。如图 2.3所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%(即QX=60%QN)。当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线，而扬程特性则仍为曲线，故供水系统的工作点移至E点，这时，流量减小为QE(=Qx)；扬
