精编组态软件在恒压供水中的应用实施可行性研究报告.docx

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精编组态软件在恒压供水中的应用实施可行性研究报告

组态软件在恒压供水中的应用实施可行性研究报告

摘要

随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，我国中小城市供水的自动化配置相对落后，机组的控制主要依靠值班人员的手操作，控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。

为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行，爆损现象也挺严重。

本论文结合现状，运用MCGS与PLC设计了一套变频调速恒压供水系统。

MCGS主画面直观，可以显示变频泵与工频泵随着测得压力的变化而变化，在画面切换按钮中可以切换至压力实时曲线、压力历史曲线等画面。

本设计可广泛应用于生活供水、高楼供水、工业用水等场合,实现节能、操作维护方便、安全可靠的目的,并为类似系统的工业设计提供了一种可行的设计方法。

引言

研究背景

随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人们对供水的质量和安全可靠性的要求不断提高。

而用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。

而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。

保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。

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。

把先进的自动化技术、通讯技术、网络技术等应用到供水领域，成为对供水企业新的要求。

在大力提倡节约能源的今天，研究高性能、经济型的恒压供水监控系统。

所以，对于某些用水区提高劳动生产率、降低能耗、信息共享，采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

供水现状

我国是一个发展中国家，多年来极其重视和发展能源的建设，尤其是水能、电能的发展。

但由于国民经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，水能和电能的消耗更是与日俱增，在电能的供求方面仍存在一定的缺口。

据有关部门统计，在供水行业中泵的能源消耗约占企业能源消耗的80%-90%，因此电力工程建设广泛推行各种节能措施。

目前，大部分的水泵控制采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转。

电力拖动存在这样普遍的问题：

运行中电动机的大多数其平均负载率较低，导致电动机本身功效下降。

平均负载率较低的原因很多。

例如，选用电动机时不太了解负载情况，不注意电动机和机械的容量匹配，认为容量大总比容量小好；有的投产后长期达不到设计能力，负载太轻又总达不到预期负载等。

采用变频调速技术可改善起动性能及运行特性，提高电力系统的系统效率。

供水方式比较

1、传统供水方式上，对于流量的控制是利用调节阀门的开度来实现的，这种简单的控制方法存在许多弊端，主要表现在：

（1）能源浪费较大。

当流量减少，减小阀门开度时，电机仍然在额定转速下运行，有相当一部分能量消耗在水流与挡板的阻力之上。

（2）电机在起动时，起动时间用不了1s，在这1s的时间内，管道内的水流量从零迅速增至额定流量，流量的急剧变化在管道内产生过高或过低的压力，产生所谓的“水锤效应”水锤效应不但产生噪声，在压力高的瞬间可能会造成管子或阀门破裂，而在压力低时，又会引起管道的瘪塌。

2、恒压供水系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的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，是先进、合理的节能型供水系统。

在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。

虽然单泵系统设计简单可靠，但由于单泵深度调速方式造成水泵、电动机运行效率低，而多采用多泵控制方式。

几类常用供水控制方式

（1）逻辑电子电路控制方式

这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。

往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。

因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动有冲击、抗干扰能力较弱，但成本较低。

（2）单片微机电路控制方式

这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。

电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。

（3）带PID回路调节器或可编程序控制器（PLC）的控制方式

该方式下变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。

传感器的任务是检测管网水压。

压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。

压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。

还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。

由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。

由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。

若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口处另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制器的输入信号，这样不但成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。

如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。

所以，在变频调速恒压供水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低供水设备成本的一个关键环节。

（4）新型变频调速供水设备

针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品。

这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。

由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。

由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。

同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。

这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。

在满足工艺要求的情况下应优先采用。

变频恒压供水的模式

多泵并联变频恒压供水的模式通常是这样的：

当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由一台变频泵调速恒压供水；当用水量增大时，变频泵的转速自动上升当变频泵的转速上升到工频转速时，为使流量进一步增大，由变频供水控制器（PLC）自动起动一台工频泵投入，与变频泵并联供水。

该工频泵提供的流量是恒定的。

其余各并联工频泵按相同的原理投入。

反之，当用水流量下降时，变频调速泵的转速下降变频器供电频率下降，当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之退出并联供水。

为了减少工频泵自动投入或退出时的冲击（水力的或电流的冲击）在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。

在退出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。

上述频率自动上升、下降由变频供水控制器控制（PLC）控制。

另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状起动并先开先停的工作模式。

在这种供水模式中，当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由变频器控制该泵自动调速供水，当用水流量增大时，该泵的转速增高。

当该泵的转速升高到工频转速时，由变频供水控制器把该台水泵切换到工频供水。

变频器则另外起动一台并联泵投入工作。

随着用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软起动投入。

这就是循环软起动投入方式。

当用水流量减小时，各并联工频泵按次序关泵退出，并联泵退出的顺序按先投入先关泵的原则由变频供水控制器控制。

由上述可见，变频恒压供水通常有两种工作方式，一是变频泵固定方式，二是变频循环软起动工作方式。

在变频泵固定方式中，各并联水泵是按工频方式自动投入或退出的。

因为变频泵固定不变，当用水流量变化时，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。

具有变频泵自动轮换控制的变频恒压变量供水系统，变频泵是定时改变的，即任何一台并联泵都可成为变频泵。

变频泵自动轮换功能可以使各并联泵定时轮换到变频运行，使各并联泵的磨损均衡，具有较多的优势，为此选用这种工作方式作为本课题的研究对象。

国内变频供水调速系统发展

电气传动系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。

电气传动关系到如何合理地使用电动机，以节约电能和有效控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能到机械能的高效转换，最终达到优质、高产、低耗的目的的问题。

目前，电机调速技术己具备比较完备的技术和实践基础。

近年来，交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。

变频调速是交流调速的基础和主要内容。

上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。

但长期以来，交流电的频率却一直固定而不能受人为控制。

变频调速技术的出现使频率变成可以利用的资源。

现在，我国己有很多的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的研究开发工作。

但自行开发生产的变频调速产品和国际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，变频调速己形成了一个巨大的市场。

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）予以实现：

有的采用单片机及相应的软件予以实现。

这两种控制方案，从可靠性方面讲，PLC优于单片机，从经济性方面看，单片机优于PLC。

在变频与工频电源的切换技术上，多数采用主电路串接软起动器的方法进行降压起动，也有采用切换时封锁变频器的控制脉冲，使变频器输出为零，切换到工频电源上。

这两种方法，前者容易实现，软起动器一般为成品部件，但设备投资较大：

后者设备投资少，但频率波动大，易引起水管管网压力不稳定。

国外变频供水调速系统发展

国外生产的变频器多为通用型且单机控制（即一台变频器拖动一台电机），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、压频比控制及各种保护功能。

应用在中、大容量的变频恒压供水系统中，为了满足供水量大小需求不同时，保证水管管网压力恒定，需在变频器外部提供压力闭环调节：

多台水泵的循环控制需外部提供逻辑控制：

在变频与工频电源的切换技术上，大多采用主电路串接软启动器降压启动的方法。

八十年代中期进入中国市场的日本Samco公司，推出了独有的恒压供水基板，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，便可自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。

该设备简化了电路结构，提高了系统的可靠性，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，并且限制了带负载的容量，因此适用范围受到限制。

除此之外，针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO-I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的Gl1S/P11S系列产品等等。

本章小结

本章通过对供水方式的比较得出