变频调速恒压供水控制系统的毕业设计.docx

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变频调速恒压供水控制系统的毕业设计

毕业论文（设计）

变频调速恒压供水控制系统的设计

TheDesignofVariable-frequencyGoverningSystemwiththeConstantPressureWaterSupply

姓名

学号：

系别：

物电系

专业：

电子信息科学与技术

年级：

指导教师：

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；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。

本设计首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理。

接着分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。

然后用PID对系统中的恒压控制器进行设计，最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍，该变频恒压供水系统可运用于许多实际的供水控制系统中，并能够取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。

关键词：

变频调速；恒压供水；PLC

Abstract

Withtherapiddevelopmentofsocialeconomy,itdemandsthebetterofwatersupply'squalityandreliabilityofwatersupplysystem.Meanwhileenergyresourcesareseriouslylack.Soitisinevitabletendencytodesignwatersupplysystemwhichhashighfunctionandsavesonenergywell,withhelpofadvancedtechniqueofautomation,controlandcommunication.Atthesametimethissystemcanadaptdifferentwatersupplyfields.

Thisdesignexplainswatersupplysystem'senergy-savingprincipleofpumpofspeedcontrolaccordingtocharacteristiccurveofrunningpipelinesandwaterpump,analyzesthestructureofVFspeedregulatingconstantpressurewatersupplyandgivesseveralcontrolmethodswhosefeaturesareresearchedandcomparedinthisdesign.OnthebasisofabovePLCandinverter'smethodfitswatersupplysystemanddatatransmissionverywell.ThenconstantpressuresupplywatercontrollerisdesignedbyPID.Thedesignofthesystem'shardwareandsoftenisintroducedthoroughly,Thedesignofinverterconstantpressurewatersupplysystemcanbeappliedtomanyinternalwatersupplysystems,theeffectofwhichisstable,credibleandenergy-saving.

Keyword:

Speed-frequencyvariable；Constantpressurewatersupply；PLC

1.绪论

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变频恒压供水产生的背景和意义

我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。

主要表现生产生活中的用水量常随时间而变化，季节、昼夜相差很大。

在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。

传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。

且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。

而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。

由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。

目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。

导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题（如图1-1）。

因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水企业关心的焦点问题之一。

所以研究设计基于PLC变频调速的恒定水压供水系统（简称变频调速恒压供水，如图1-2），对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义[16]。

图1-1传统供水机泵示意图图1-2变频调速供水机泵示

Fig1-1DiagramoftraditionalmachinepumpFig1-2Diagramoffrequencyconversionpump

1.2变频恒压供水系统的国内研究现状

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的[9]。

在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。

应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。

从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。

随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。

它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机（泵）的供水系统。

这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。

目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。

但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。

原深圳华为（现已更名为艾默生）电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出子恒压供水专用变频器（5.5kw-22kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。

该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。

因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。

1.3变频调速恒压供水的特点及应用范围

1.3.1变频调速恒压供水控制系统的主要特点是：

1、高效节能，可以实现节电20%～40%，能实现绿色用电；

2、占地面积小，投入少，效率高；

3、配置灵活，自动程度高，功能齐全，灵活可靠；

4、运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上平均扭矩和磨损减少，减少了维修量和维修费用，水泵的使用寿命大大提高；

5、由于能对水泵实现软启动，并可消除水锤效应；

6、操作简便，省时省力；

7、由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。

1.3.2传统定压方式的弊病：

1、管理不便、因与大气连通易引起的管道腐蚀。

2、由于水箱内微生物、藻类孳生，还可能对系统造成二次污染，所以每年定压水箱都需定期维护，并由卫生防疫部门检验。

3、定压水箱需占用较大空间，需要专门的地点来放置。

4、高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种调节方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵长期偏离高效区域工作，效率低下。

5、系统频繁的起、停泵，对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命。

6、使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户资用压头不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。

7、在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小或低区采用减压阀、节流孔板等来调节剩余水头时，大量的能量消耗在阀上，都造成电能的浪费。

1.3.3变频调速恒压供水控制系统的主要应用范围

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，所以是目前国内研究和推广最多的方式.如希望集团（森兰变频器）推出的恒压供水专用变频器（5.5kw～22kw）。

（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135kw～320kw之间，电网电压通常为200V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。

如利德福华的一些高压供水变频器。

在本设计中，研究和设计的变频器是以第一种应用范围为基础。

1.4课题来源及本文的主要研究设计内容

1.4.1课题来源

本课题来源于城市高楼生活供水、消防用水的实际应用。

1.4.2研究设计的主要内容

通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国己成为供水行业发展的主流趋势。

变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、各种传感器等组成。

本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速。

本文研究设计的主要内容如下:

1.对变频恒压供水国内外现状进行调研，并提出采用具有众多优点的变频调速恒压供水方案。

2.从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点（工况点）的确定方法和水泵工况调节的几种常用方法。

在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。

3.介绍了基于PLC的变频调速恒压供水控制系统的设计，该系统由一台变频器轮流拖动3台水泵电机变频运行。

远传压力表采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力信号调整水泵电动机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。

重点介绍变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计。

4.通过内置PID功能三菱FR-A540变频器基本原理的介绍，采用PID算法控制水泵电机转速，实现变频调速恒压供水。

5.现场调试设备并进行节能性模拟实验，验证系统的可靠性与经济性。

2.变频调速恒压供水系统简介

2.1水泵供水的主要参数

1、流量

流量是单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号是Q，常用单位是m3/s、m3/min、m3/h等.供水系统的基本任务是满足用户的流量需求[5]。

2、扬程

扬程是单位质量的水被上扬时所获得的能量，符号是H，常用单位是m。

扬程主要包括三个方面:

第一是提高水位所需的能量；第二是克服水在管网中流动时所需的能量；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变的，在数值上也相对较小。

可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。

因此，在同一管路内进行分析时，常简略地把水从一个位置“上扬”到另一位置时，用水位的变化量（即水位差）代表扬程。

3、全扬程

全扬程也称为总扬程或水泵扬程，全扬程是说明水泵的泵水能力的物理量。

包括把水从水池的水面上扬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，符号是HT。

4、实际扬程

实际扬程即通过水泵实际提高的水位所需的能量，符号是HA。

5,损失扬程

全扬程与实际扬程之差，即损失扬程，符号是HL，HT、HA和HL之间的关系是:

HT=HA+HL（2-1）

6、管阻

管阻是管道系统（包括水管、阀门等）对水流阻力的物理量，符号是R。

通常用扬程与流量间的关系曲线来描述。

2.2供水系统的基本特性

供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f（Q），如图2-1所示。

由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。

由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系[7]。

而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系H=f（Qu）。

管阻特性反映了水泵的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。

由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。

由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。

因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qg之间的关系H=f（Qg）。

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2-1中A点。

在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qg处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。

图2-1供水系统的基本特性曲线

Fig2-1Thebasiccharacteristicsofthewatersupplysystem

2.3水泵调速运行的节能原理

在供水系统中，通常以流量为控制对象，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。

阀门控制法是通过调节阀门开度的大小来调节流量，水泵电机转速保持不变。

其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。

由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。

转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。

因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。

变频调速供水方式属于转速控制。

其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

图2-2为管网及水泵的特性曲线。

图2-2水泵的H-Q特性曲线

Fig2-2Characteristiccurveofacenitricpump

当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2，时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从,β3移到β1，扬程特性曲线不变。

而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为（0,Q2，F，H1）围成矩形部分，其值为：

PF=H1*ƴ*Q2/102ƞ（2-2）

当用调速控制时，若采用恒压（H0）、变速泵（n2）供水，管阻特性曲线为β2,扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。

此时水泵输出功率用图形表示为（0,Q2，D，H0）围成的矩形面积，其值为:

PD=H0*ƴ*Q2/102ƞ（2-3）

可见改用调速控制，节能量为（H0,D，F，H1）围成的矩形面积，其值为:

△P=PF-PD=ƴ（H1-H0）Q2/102ƞ（2-4）

所以，当用阀门控制流量时，有功率△P功率被浪费掉。

并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。

根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H，功率P与转速N之间关系为:

Q2/Q1=N2/N1；H2/H1=（N2/N1）2；P2/P1=（N2/N1）2（2-5）

式中，Q1、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。

由公式（2-5）可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。

2.4变频调速原理

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。

通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水。

因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。

异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的[17]。

异步电机的转差率定义为:

S=1-（n/n1）（2-6）

异步电机的同步速度为:

n1=60f/p（2-7）

异步电机的转速为:

n=60f（1-S）/p（2-8）

其中:

n1为异步电机的同步转速；n为异步电机转子转速；f是异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。

从上式可知，当电机电极对数p不变时，电机转子转速、与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。

变频调速时，从高速到低速，都可以保持有限的转差率，因而变频调速只有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。

变频调速可用普通的异步电机，异步电机结构简单、维护方便、坚固耐用、经济可靠，适应各种恶劣的环境。

特别是近年来出现的高性能、高精度的变频器，变频调速完全可以达到直流调速一样的性能。

从设备投资来看，变频调速系统与同容量的直流调速系统可节省投入的20%左右。

因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用十对水泵（风机）电机的调速。

3.变频调速恒压供水系统的整体设计方案

3.1变频恒压供水控制系统的构成

具体是什么信号

？

具体是什么信号，上位机的作用

由于本设计的供水系统要适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水，在此变频调速恒压供水系统中，主要由PLC、变频调速器、软启动器、压力变送器、水位传感器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环控制系统。

此外还包括空气开关、断路器、接触器和中间继电器等系统保护电器，实现对变频器、电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。

PLC和变频器作为系统控制的核心，根据给水母管压力与压力设定值的偏差变化情况，自动控制给水泵的投人台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压供水。

其中控制参量的PID算法可消除控制参量的静态误差、突变、滞后等现象，缩短系统稳定的时间。

我们以三台水泵组成的供水系统为例，其原理框图如图3-1所示。

图3-1变频调速恒压供水系统原理图

Fig3-1Principlechartoftheconstantpressurewatersupplysystemwithchangingfrequencyandspeedabilities

从3-1系统原理图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。

1、执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，当水泵采用循环的控制方式时，P1，P2，P3既可以做调速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式时，PI,P2，P3中只有一台可以调速泵，其余两台为恒速泵。

？

2、信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号:

（1