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资

料

周次

1—4周

5—8周

9—12周

13—16周

17—18周

应

完

成

的

指导教师：

教研室审批：

如计算机输入，表题黑体小三号字，内容五号字。

本任务书一式三份，教务科、教师、学生各执一份。

摘要

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。

根据高校用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了校园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、软启动器、PLC、微泄露补偿器、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。

从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。

另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。

结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命。

关键词　恒压变频供水，PLC，压差供水，自动控制

目录

摘要I

第一章绪论-1-

1.1恒压供水问题的提出-1-

1.2国内恒压供水系统的现状-2-

1.2.1国内恒压供水系统研究状况-2-

1.2.2各类供水系统的比较-3-

1.3本课题的总体方案-4-

1.3.1系统的总体布局图-4-

1.3.2系统的总体方案-5-

1.3.3本系统的特点-5-

1.4本课题的主要工作-7-

第二章恒压供水系统的原理-8-

2.1变频器-8-

2.1.1变频器的基本原理-8-

2.1.2变频器结构电路图-9-

2.1.3变频器的配线-10-

2.1.4故障诊断与对策-13-

2.2软起动-15-

2.2.1软起动的基本原理-15-

2.2.2常见故障的排除-15-

2.3文本显示器-16-

第三章供水系统的硬件电路设计-17-

3.1主要器件选型-17-

3.1.1供水泵的选择-17-

3.1.2变频器和软起动选型-17-

3.2供水系统的电气设计-17-

3.2.1恒压供水思路-17-

3.2.2强电驱动线路1-18-

3.2.3强电驱动线路2-20-

3.2.4电动阀控制电路-21-

3.2.5PLC接线图-21-

3.2.6控制线路-23-

第四章恒压供水系统软件设计-25-

4.1梯形图的基本绘制规则-25-

4.2恒压供水系统I/O分配表-25-

4.3程序流程图-28-

4.4程序编写-28-

4.5程序调试-28-

结论-30-

致谢-31-

参考文献-32-

附录1元器件清单-33-

附录2PLC程序流程图-34-

附录3PLC程序-38-

第一章绪论

1.1恒压供水问题的提出

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。

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恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

而高校校园的供水和一般城市供水相比较则有些特殊。

主要是由于校园内学生住宿区一般都较为集中，造成了学生宿舍、食堂的用水十分集中，且用水量较大。

而其它建筑物如教室、实验室、教师住宿区等的用水量则相对较少。

同时，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。

某高校的某区供水方式为：

把城市自来水管网的水源取到蓄水池后，用水泵抽到校园内高位水池，再由高位水池向校园管网供水。

这种方法的缺点是随着高校的扩招，学生人数显著增多，造成了经常性的供水不足，特别是学生宿舍和食堂最为明显，影响了学生和教师的正常生活秩序。

同时该供水方式还存在如下问题：

（1）供水成本高。

由于校园内的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。

学生因高峰期供水中断，故经常打开阀门未关，造成来水后的浪费。

很多学生在上课前或睡觉前打开阀门，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）校园管网系统设计有缺陷。

对于一般建筑物，如教室、实验室、教师住宿区等，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供水不足的现象。

同时，用水量大的学生宿舍屋顶水池设计偏小，调节能力较差。

1.2国内恒压供水系统的现状

1.2.1国内恒压供水系统研究状况

目前,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1-1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1-1传统恒压供水方式

1.2.2各类供水系统的比较

水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点是目前国内外普遍采用的方法。

该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死。

[1]这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。

水池－水泵－高位水箱－用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用户。

但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染，影响居民的身体健康。

所以这种方案并不可取，终将淘汰。

单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标，[2]但是它的投资较大，总费用比上两种方式增加一、二十万元。

这些费用要在用户的水电费上来扣除，这对于居民和学校来说是巨大的压力，所以也不可取。

结合校园用水的特点和经济效益的考虑,决定采用恒压变频供水系统。

但上述的恒压供水系统有一个很大的弊病，就是在一个变频泵已经工作但压力仍然达不到设定压力，需要启动另外一个泵时把主线路从变频器切换到工频线路上，从理论上讲是不错的，变频器输出电压是380V，工频线路输出的也是380V。

但是实际应用中工频线路的电压是不定的。

[3]一般在水厂的配电室里对外输出有两到三个档，一个是春秋季节时用的380V的供电电压，另一个是夏天时用的420V或420V以上（因为用空调冰箱较多），设所需水压0.2mpa，单泵只能达到0.195mpa，则需要加泵，当线路由变频切换到工频时，电压突然增大，多出来的电压会使水泵向上抽更多的水，很有可能使水压超过设定值，PLC根据压力传感器的信号令A泵退出运行，但实际水压并未达到0.2mpa稳定后仍然需要加泵，B泵频率上升至50Hz，切换线路并启动C泵，切换时又遇到刚才的状况，导致水泵频繁切换，但水压始终上不去。

1.3本课题的总体方案

1.3.1系统的总体布局图

图1-2系统总体布局图

1.3.2系统的总体方案

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。

[4]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，备用泵循环可顺利进行。

主要参数的设定可用文本显示器来设定。

[5]省去了改写程序的麻烦。

1.3.3本系统的特点

提高备用泵的利用率，是本系统的第一个目的，也是第一个特点。

节能，是设计这套系统的另一个重要目的。

第一，普通二级加压水厂只单纯手动控制电机的启动和切换，这样在电机启动时会产生很大的启动电流，长此以往对电机寿命有很大损害，而且在供水时一直按工频全速运转效率低、能耗大。

而本系统可根据实际压力变化自动调整变频器频率，从而改变电机转速，减少了能量的消耗。

第二，普通恒压供水在用水量变化较大时有高效、节能的作用，但在用水量很小的情况下，如晚上，变频器工作在出水频率附近，耗电量增大。

下面引用我的校外导师的一篇文章来说明。

在山东农村，每村平均户数在260户左右，每户每月用水量大约在3t，每月全村用水量约780t，平均每天用水约26t。

经过统计，每天早、中、晚各1h用水量之和占全天用水量的80％左右，即3h供水量为21t，平均7t/h。

而其他21h供水总量为5.4t，平均0.26t/h。

如该村选用的潜水电泵是2OOQj32—52/4，额定流量32m/h，额定功率7.5KW，则在除早、中、晚三时的时间里，其流量占额定流量的0.81％，不足1％，而在早中晚三时，流量占额定流量的21％。

根据试验，当2OOQj32—52/4潜水电泵与变频设备合理匹配的情况下，当流量达到额定流量21％，其能耗为3.1KW。

由上面的分析可知，早中晚三时供水总量为80％，而耗电量为9.3kW·

h；

而其他21个小时，供水总量为20％，而耗电量为34.65kW·

h。

[6]早、中、晚三时供水量80％，只占全天耗电的21％，而其余时间供水量20％，耗电却占全天的79％。

这显然是极不合理的现象。

因此，必须解决好微小流量时能耗大效率低的问题。

当流量较小时，恒压供水模式将转换成压差供水模式。

压差供水模式的工作过程如下，当流量条件满足压差方式时，系统自动切换。

变频泵以50Hz的频率开启，向微泄露补偿器压水，当压力达到压差上限时，水泵停止供水并停机。

这时管道的压力由微泄露补偿器来提供。

当压力传感器检测到压力低于压差下限时，变频泵再次以工频把补偿器压满。

在压力达到压差上限时，定时器同时计时，在变频器若干次的启停后（系统默认为4次），PLC自动比较压力由压差上限到压差下限的的时间是否低于系统设定的频率上升时间，若都低于说明需水量已增大，系统就自动切换到恒压供水状态。

微泄露补偿器是比传统的压力罐、气压罐更先进、更环保的恒压装置。

只使用普通气囊储气，而微泄露补偿器使用高质量橡胶囊储气，杜绝了二次污染。

本系统是由变频技术、压差—恒压自动转换技术及微泄露补偿技术组成。

采用这种技术供水时，变频设备能自动的根据供水流量转换供水方式，并利用微泄漏补偿器储能，来实现微小流量下高效率供水的目标。

1.4本课题的主要工作

本文所做的工作分为两个方面，一是电气图的设计；

二是PLC程序的编制满足工艺要求。

全文主体思路共分为5章，第一章概述恒压供水问题的提出和意义，国内恒压供水系统的现状，明确论文要解决的问题并提出总体方案；

第二章概述恒压供水方案解决的基础上，介绍恒压供水系统的主要器件的原理和使用方法。

第三章详细介绍全自动供水系统的硬件设计。

第四章详细阐述供水系统的软件设计。

第五章是结论，总结该系统的设计思路及优点。

第二章恒压供水系统的原理

2.1变频器

2.1.1变频器的基本原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们公司现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

从理论上可知电机的转速N与供电频率f有以下关系：

（q-电机极数s-转差率）（2-1）

由上式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的级数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器在工频以下和工频以上工作时的情况：

（1）变频器小于50Hz时，由于I*R很小，所以U/F=E/F不变时，磁通为常数，转矩和电流成正比，这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力，并成为恒转矩调速。

（2）变频器50Hz以上时，通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。

因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。

（T=Te,P<

=Pe）变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。

当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。

举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。

因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速。

下面用公式来定性的分析一下频率在50Hz时的情况。

众所周知，对一个特定的电机来说,其额定电压和额定电流是不变的。

如变频器和电机额定值都是:

15kW/380V/30A,电机可以工作在50Hz以上。

当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30A。

这时如果增大输出频率到60Hz，变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A。

很显然输出功率不变。

所以我们称之为恒功率调速。

这时的转矩情况怎样呢？

由于功率是角速度与转矩的乘积。

因为功率不变，角速度增加了，所以转矩会相应减小。

[7]我们还可以再换一个角度来看：

从电机的定子电压

（I-电流，R-电子电阻，E-感应电势）（2-2）

可以看出，U、I不变时，E也不变。

而

（k-常数，f-频率，X-磁通）（2-3）

所以当f由50-->

60Hz时，X会相应减小。

对于电机来说，

（K-常数，I-电流，X-磁通）（2-4）

因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。

结论：

当变频器输出频率从50Hz以上增加时，电机的输出转矩会减小。

2.1.2变频器结构电路图

主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。

变频器结构图如图2-1所示。

结论

参考文献

附录1

附录2

致谢

燕山大学毕业设计（论文）评审意见表

指导教师评语：

成绩：

指导教师签字：

年月日

评阅人评语：

评阅人签字：

燕山大学毕业设计（论文）答辩委员会评语表

答辩委员会评语：

总成绩：

答辩委员会主席签字：

个人简介

姓名：

性别：

政治面貌：

出生年月：

班级系别：

（个人简介内容300字左右………………………………）

………………

专业知识：

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计算机水平：

社会实践：

曾任职：

获奖情况：

毕业走向：