小区变频调速供水系统研究设计.docx
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小区变频调速供水系统研究设计
湖南现代物流职业技术学院
毕毕业设计
论文题目小区恒压供水系统设计
专业：
物流工程自动化
班级：
02自动化方向
学生姓名：
蒋兆异
指导老师：
钟双红
2011年11月29日
目录
引言
随着近年来我国城市建设的发展，各生活小区，高校以及企业等水用户对供水品质的要求不断提高，为满足用户的要求，就需要高效、节能的自动调节供水系统。
目前，国内大部分供水泵站采用的是传统供水工艺，利用恒速水泵，手工操作，人工监控、经验管理，管网供水量的变化靠大小水泵的搭配开停加上调节阀来满足。
这种传统的供水系统存在漏失多、耗能高，技术水平低，综合效率低的缺点。
针对上述问题，本文研制了变频调速恒压供水系统，该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值。
即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，当用水量超过一台泵的供水量时，通过控制器加泵；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量相应减小。
也就是根据用水量的大小，由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速，来实现恒压供水。
同时达到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。
采用该供水系统不需建造高位水箱、水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水方案。
此外，恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。
例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。
又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。
所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
概论
变频调速恒压供水的目的和意义
众所周知,水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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，自动化程度低。
主要表现在用水高峰期，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，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。
供水厂希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。
并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平。
由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。
在相当比较大规模的工业生产供水系统，变频调速恒压供水有它自身的特点：
1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。
2.对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。
3.一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。
；
从上即可结论：
以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。
[1]
变频调速恒压供水系统
恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时出口压力保持不变的供水方式。
传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。
随着变频调速技术的日益成熟和广泛使用，利用变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。
变频调速恒压供水系统构成及原理
一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均需“提升”水压才能满足用水要求。
以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式的增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。
用变频调速来实现恒压供水，与用其他方式实现恒压供水相比较，节能效果十分明显，具有一系列优点：
起动平稳，起动电流可以限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；可以消除启动和停机时的水锤效应；在锅炉和其他燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大减少了对环境的污染。
近年来，随着城市居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难的问题越来越突出，原有的自来水管网的压力出现了不足，用水困难给生活带来极大不便。
为解决上述问题，本文研制了交流变频恒压供水系统。
该系统控制部分是以AT89C51为核心,并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。
该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率来自动调节水泵电机的转速，并根据用水量的大小由单片机控制水泵数量及变频器对水泵的调速，实现管网水压的闭环调节，即恒压供水。
恒压供水控制系统的基本控制策略是：
采用变频器对水泵电动机进行变频调速，组成供水压力的闭环控制系统，系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU即单片机芯片进行运算处理后，发出控制指令，改变水泵电动机的转速和控制水泵电动机的投运台数，从而使给水总管压力稳定在设定的压力值。
系统由变频器、控制器、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。
系统构成框图为1-1。
由上图可以看到变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。
变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时通知CPU进行变频泵逻辑切换。
为防止水锤现象的产生，泵的起停将联动其出口阀门。
系统工作原理如下：
假设整个系统由三台水泵，一台变频器，一台控制器和一个压
图1-1变频恒压供水系统结构图
Fig.1-1frequencyconstantpressurewatersystemchart
力传感器及若干辅助部件构成。
各部分功能如下：
安装于供水管道上的压力传感器将检测的管网压力转换成1—5伏的电信号，输入至供水控制器的输入模块，信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出偏差值，再经过PID处理得出最佳的运行工况参数，并将其转换成模拟信号，由系统的输出模块输出变频器的频率设定值至变频调速器，变频器控制水泵的转速来调节管网的实际压力，使之趋向于设定值，从而实现闭环控制的恒压供水。
对于多台泵调速的方式，控制器控制泵站投运水泵的台数及变泵量的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。
系统通过计算判定目前是否已经达到设定压力，决定是否增加或减少水泵。
综上所述，交流变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向。
采用单片机控制的变频供水系统具有实现容易、价格低廉等特点，是较理想的控制器。
变频恒压供水系统的特点
本文研究的变频恒压供水系统能适用生活水等多种场合的供水，该系统具有以下特点：
1）滞后性
供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量（如：
温度、流量、浓度等）一样，对控制作用的响应具有滞后性。
同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
2）非线性
用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。
3）多变性
变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
4）时变性
在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制〔包括定量泵的停止和运行）是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。
5）容错性
当出现意外的情况（如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。
在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。
6）可扩充性
水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等。
7）节能性
系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
变频调速恒压供水系统
1）工作原理
在设备开始运行前,首先应建立相关设备在工作压力下的动作参数等。
当设备运转时,对供水管网的水压及水压率变化的信号,由压力变送器不断检测并转换成电信号传输到变频控制系统。
控制系统将电信号和设定压力值进行对比运算。
如果实际压力比设定压力低,然后将控制水泵加速运动；如果实际压力高于设定压力，则会控制水泵减速运动；当达到设定压力时，水泵将保持这一运动的频率.当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网压力仍达不到预设水压，则将次台泵切换到工频运行，变频器将自动启动下一台水泵，控制其变频运行。
此后往复工作直至满足设定压力要求为止。
反之，若管网压力大于设定水压，控制器控制变频器频率降低，当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保持恒定。
工频泵以最高频率运行,辅助泵供水也变为变频恒压供水方式,进一步提高了工作效率,达到了节能的目的。
2）系统框图
图1系统框图
Fig.1Systemconstitution
3）系统特点
高效节能.根据需要设定的供水压力来变频调节水泵转速；根据管网的供水量,使水泵运行于最高效率模式。
与普通的无塔给水设备相比,变频供水节能效果达到20%。
对电网冲击小,保护功能完善。
消除了水泵电机直接起动对电网的冲击和干扰,设备控制系统具有减少短路,大压力、超负荷运行停机,散热等的多种保护功能,大大提高了工作效率,延长水泵使用寿命。
人机连接面板操作灵活,设定参数方便。
但建立灵敏的频率下限、上升时间、减速时间、水泵行业的时间等每一种操作参数仍有困难。
可显示系统运行时间,查找每一种故障原因。
固定时间唤醒功能。
因为系统投运水泵数量是根据管网用水量多少决定的，因此,当水量相当大的时候，一些小范围内的变化可能引起一些水泵长期运动带来的严重磨损，而其他水泵很长一段时间的不使用又造成生锈。
解决了这个问题,系统便能更方便使用。
对于同一电流容量的多台水泵,由于泵的平均运行时间是相同的,必须设定与工频泵相同的时间参数。
设定后,就有固定时间进行交替运行的水泵。
变量泵连续工作时间一超过设定的时间值,就会处于"休息"的状态,则变频器自动切换启动"休息"时间最长的变量泵,并停止原变量泵,保证每个水泵运行时间相等,延长水泵使用寿命。
水泵运行的时间可以自由设定。
一旦变频器出现故障,可以手动改变频率,以保证供水不间断。
由于掉电引起的停机在来电系统也能够自动开始运行。
4）适用范围
广泛适用于居民区、宾馆和其他公共建筑的生活用水、锅炉、泵站等各类工矿企业生产用水、消防用水、,锅炉恒压供水、石油管线增压进出水系统、农田灌溉等。
新概念变频恒压供水系统
变频恒压供水系统已经应用多年.本文介绍一种新型的自动控制并且操作方便经济的恒压供水装置，这种新的装置能够利用POD方便的监测和控制水压。
关键词：
恒压供水,变频器,POD和PID控制,串行通信
1）概述
变频恒压供水装置已经发展成熟，在市场上也得到很好的反映。
系统运行稳定,从节约能源的角度得到了社会的认同。
这一系统是继控制器与变频调速技术的不断恢复和发展。
谈到控制器,从继电器逻辑电路,单片集成电路,可编程控制器,专用控制器经历了几个阶段。
速度调节由变频器说,其发展经历了多段速度控制,模拟量控制分配的专用控制器。
每一步发展都意味着用更好的组成取代传统方式。
随着富士电机新一代人机接触界面发展，变频恒压供水装置出现新的技术创新的机会，即POD，需控制器采用人机接触面,通过RS-485通信口。
完成PLC及专用控制器的功能,实现对系统更可靠,功能更先进，外围元件少,造价便宜,维护方便的优点。
2）系统功能
该供水装置可用于生活,工业及消防供水。
根据用水数量的大小,通过安装在管网中的压力传感器和变频器反馈,实现了全自动的PID控制,保持管网压力的恒定。
控制程序由POD规定，这个供水装置实现了以下几种功能：
（1）运行的软起动及固定时间的停机功能；
（2）手动/自动功能；
（3）消防功能,保持最大水压；
（4）水位联网功能,根据水位开关,决定是否开启设备；
（5）变频器电机保护功能；
（6）分时功能,夜间用水量少自动设置低压,供应高峰时设置高压状态；
（7）水需求量周期分析等功能,自动描绘管网24小时内压力变化曲线，方便调试；
（8）不需要电钮开关,计量器具,所有压力及变频器参数通过计算机监视和设定。
3）系统框图
这一设备的变频器,POD和低压电器,包括压力表,电力节点水位计等。
系统电气示意图如图2。
其构成如下：
用富士电机标准产品.
（1）变频器：
FRN15P11S-4C1（15kW风机水泵专用）
（2）低压电器：
富士专用开放K1：
SA33B/30A30A
K2：
SA63B/60A60A
富士接触器C1-C4的：
SC-E130A
（3）人机接触界面：
富士UG221H-LC45.7英寸单色蓝屏
4）系统分析
本系统充分利用人机接触界面POD和变频器通讯的特点,无须PLC及专用设备。
（1）变频器分析：
富士G11/P11系列新增许多功能,实现完美控制与匹配
（2）PID功能：
将实际管网压力回馈到变频器模拟量输入口处，实现闭环恒压控制;
（3）串行通讯功能：
图2系统示意图
Fig.2Systemconstitution
带RS-485通信功能可以和POD进行直接与上位机沟通
（4）自由设定功能：
可以由X1-X88输入端输入和将Y1-Y44输出端设定为自由定义端,解决了POD没有输出端口的问题。
（5）人机接触界面
（6）UG220H-LC4功能强大,价格便宜;有三个通讯口和一个打印机连接口.可同时连接PLC和设置一个万年历;
（7）宣传介绍可能对公司的调查,图表,标志和联络方法等进行了介绍;
（8）电流动作图：
根据图表的各种电气部分制作相应的动画图,显示变频器的起停,接触器吸合/分离和电动机起停等;
（9）监控画面：
可显示变频运行频率,电压,电流等参数，显示管网设定压力和实际压力;
（10）系统维护：
可以建立相应的使用手册,以便介绍系统各部分的注意事项及维护。
5）单片机介绍
单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。
而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。
本次设计以AT89S51芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一个简易的电子时钟，它由5V直流电源供电。
在硬件方面，除了CPU外，使用四个七段LED数码管来进行显示，LED采用的是动态扫描显示，使用74LS14芯片进行驱动。
通过LED能够比较准确显示时、分。
两个简单的按键实现对时间的调整。
软件方面采用汇编语言编程。
整个电子钟系统能完成时间的显示，调时，定时闹钟，复位等功能。
通过这次设计让我更深入了解单片机基本电路、如何控制和定时器和中断编程的基本方法，从而锻炼了我学习、设计和开发软、硬件的能力
单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。
它是一种集计数和多中接口于一体的微控制器，被广泛应用在智能产品和工业自动化上，而51单片机是个单片机中最为典型和最有代表性的一种。
本课题选择89S51为核心控制元件，设计了一个日常生活中用到的电子音乐门铃系统。
当功能按键按下，音乐响起，发光二极管随着音乐的节拍进行闪烁，LED显示相应的定时器初值。
音乐演奏过程中再次按下按键无效，只有当音乐段结束再次按下才有效。
如果是电子音乐门铃在响，按下复位按键就终止，显示初始状态。
经过实践证明，本系统运行稳定，具有一定的实用价值。
本系统设计以AT89S51芯片为核心控制元件，辅以必要的外围电路，设计了一个具备复读与重放功能的复读机，它由5V直流电源供电。
本系统在普通放音器的基础上加上一个复读键来进行控制。
控制功能包括按下复读键控制电路通过A/D转换芯片采集语音信号存入单片机中，按复读键进行复读放音，再按放音键开始正常放音。
A\D采样电路采用ADC0809来实现，D\A转换电路采用DAC0832来实现，并后置功率放大器来驱动扬声器工作。
本论文主要介绍了复读机的软、硬件部分的设计，以及在设计、调试过程中遇到的问题及解决方案。
PLC简介
可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器。
以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
可编程序控制器是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。
因其具有一系列其他工业控制系统无法比拟的优点，近年来在工业自动化、机电一体化、传统产业技术改造等方面应用越来越广泛，成为现代工业控制三大支柱之一。
可编程序的逻辑控制器（PLC），是由RichardE.Morley于1968年发明的，如今已经被广泛的应用于生产、运输、化学等工业中。
当时的PLC以软式—连线逻辑或所谓的继电器梯形逻辑（RLL）代替HARDWIRED逻辑，程序的语言看起来象HARDWIRED逻辑，因此配置时间从6个月降到了6天。
虽然现在的PC控制已经开始得到应用，但由于PLC的高性能高效率和低价位以及高可靠性，使它仍然广泛应用于大多数工业控制中。
而且，根据在PLC市场或RichardE.Morley的一项研究，一个每年1500万件PLC硬件营业额超过80亿美圆预言被证实，虽然计算机硬件的价格正稳定的下降。
PLC的发明者，RichardE.Morley，认为PLC市场是一个40亿的行业。
虽然PLC被广泛的应用于工业生产中，但是基于PLC控制系统的的程序设计仍然非常依赖反复试验。
PLC软件设计和软件工程一样面临着软件危机。
Morley较多的强调了这个反面。
“如果房子像软件项目一样建造，一只啄木鸟就能破坏整个文明”。
尤其，在PLC程序设计过程中的实际问题是消除软件错误并且降低旧的梯形逻辑程序的维修费。
虽然PLC的硬件成本正在连续下降，降低梯形逻辑的扫描时间仍然是工业应用中面临的一个问题，以便低成本的PLC能被使用。
通常，在产生PLC过程中的生产力比其他领域低，例如，VLSI设计，有高效率的计算机辅助设计工具。
现有的软件工程方法学对基于PLC的软件设计不一定适用，因为PLC语言需要同时考虑硬件和软件。
所以现在的软件工程方法学对建立PLC的软件设计不是必然可用的。
在许多工业设计应用中，超过50%的人力被预定为测试和检查PLC程序错误。
另外，当今的基于PLC的控制系统没有被正确的用于支持日益增多的对制造系统的灵活性和重新配置的需求。
另外，一个更进一步的问题：
推进系统的设计方法学的需要，是大规模的逐渐增加的软件复杂性[14]。
提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。
70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑（Logic）判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。
国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。
可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。
1）可靠性高，抗干扰能力强；
2）编程直观、简单；
3）适应性好；
4）功能完善，接口功能强。
S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格和小型PLC的一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。
特别是S7-200CPU22*系列PLC（它是CPU21*系列的替代品），由于它具有许多功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。
同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。
S7系列还有S7-300和S7-400系列，它们分别为中大型PLC，完全可以替代西门子早期的S5系列PLC，S7系列PLC的编程使用STEP7语言编程。
考虑到西门子公司的产品在中国应用非常广泛，其功能比较全面和典型，具有一定的代表性。
硬件系统基本组成
S7-200PLC硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的输入/输出点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。
一个完整的系统组成：
1）基本单元基本单元有时又称做CPU模块，也有的称之为主机或本机。
它包括CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等，它是PLC的主要部分。
实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。
2）扩展单元主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元的数量和实际能使用的I/O点数是由多种因素共同决定的。
3）特殊功能模块当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。
它们是完成某种特殊控制任务的一些装置。
4）相关设备相关设备是为充分和方便地利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。
5）工业软件工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口软件等几大类构成。
CPU的主要特点和技术规范
S7-200PLC的电源电压有（20.4-28.8）VDC和（85-264）VAC两种，主机上还集成了24V直流电源，可以直接用于连接传感器和执行机构，它的输出类型有晶体管（DC）、继电器（DC/AC）两种输出方式。
它可以用普通输入端子捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号，实现高速计数。
2路最大可达20kH
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