基于单片机的恒压供水系统设计.docx

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基于单片机的恒压供水系统设计

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了耗能高，可靠性低，水资源浪费严重，管网系统待完善的问题。

提出利用自来水恒压供水和水泵提水相结合的方式，并配以变频器、软启动器、单片机、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使管网中的压力始终保持在合适的范围。

从而解决因楼层太高而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。

关键字：

恒压变频供水，单片机，差压供水，自动

ABSTRACT

 Buidingtheconservation-orientedsociety,thereasonabledevelopment,savesandtheeffectiveprotectingwaterresourcesisanarduoustask,accordingtotheuniversitywaterusedtime,thewaterconsumptionchangemajorcharacteristic,analyzedthecampsusoriginalwatersupplysystemexistencecosttobehigh,thereliabilitywaslow,thewaterresourceswaste,thepipenetworksystemtreatedtheconsummationthequestion.Proposedthatdrawswaterthewaywhichusingtheruningwaterhydraulicpressurewatersupplyandthewaterpumpunifies,andmatchesbytheinverter,thesoftstarter,SCM,Microrevealsthecompensator,thepressuretransmitter,thefluidpositionsensorandsoon.Accordingtothenetworkmanagementpressure,controlswaterpump’srotationalspeedthroughtheinverter,causesinwaterpipe’spressuremaintainsatthroughouttheappropriatescope,thusmaysolvetheproblemwhichthefloorhighpressureistooinsufficientwhensmallcurrentcapacitytheenergyconsumptionisbig.

 Moreoverthewaterpumpconsumestheelectricpowerandtheelectricmachineryratationalspeedisproportionalthreecubedtherelations,thereforethewaterpumpvelocitymadulationmovement’senergyconservationeffectisobvious,thesveragepowerconsumptionusualwatersupplywaysaves40%.Theunionusestheprogrammablecontroller,mayrealizethemainpumpfrequencyconversion,theauxiliarypumpsoftstart,hastheshortcircuitprotection,theoverflowprotection,functionstably,theworkreliable,lengthenedelectricalmachinerygreatly.

Keywords:

Constantpressurefrequencyconversionwatersupply,SCM,differentialpressurewatersupply,automaticcontrol

引言

 随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使供水设计得到了新的发展机遇，当前住宅建筑的规划趋向于更具有人性化的多层次住宅组合，人们不再仅仅追去立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。

于是选择一种符合各方面规范、安全又经济合理的供水方式，对我们供水系统设计带来了新的挑战。

 恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。

供水压力值是根据用户需求确定的，传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施来实现，随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机组合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。

变频恒压供水系统主要特点

 1.节能，可以实现节电20%~40%，能实现绿色省电。

 2.占地面积小，投资少，效率高。

 3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

 4.运行合理，由于是软启和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减小了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。

 5.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。

 6.通过通信控制，可以实现五人职守，节约了人力物力。

1.2传统定压方式的弊病

 1.管理不便，因与大气连通容易引起管道腐蚀。

 2.由于水箱内微生物，藻类寄生，还可能对系统造成二次污染，所以定压水箱都需要定期维护，并由卫生部门检测。

 3.定压水箱需占用较大的空间，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，但这种方式不能做到供水量和用水量的最佳配比，水泵长期在高效区工作，效率低下。

 5.系统频繁的启停泵，造成水泵、电机及开关部件寿命缩短。

 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

 部分用户压力不够，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；在用水负荷较小时要采用减压阀、节流孔板等来调节水流量，这样大量的能量消耗在阀上，造成了电能的浪费。

1.3恒压供水设备的主要应用场合

 1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。

 2.各类工业需要恒压控制的用水场合，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

 3.中央空调系统。

 4.自来水厂增压系统。

 5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。

 6.各种流体恒压控制系统。

1.4恒压供水技术实现

 通过安装在管网上的压力传感器，把水转换成4~20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。

当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动机水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。

 目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术，由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大的提高，它可以实现控制设备软启停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅缩减电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。

长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。

在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。

由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。

变频调速技术在给水泵站上的应用，成功的解决了能耗和污染两大难题。

1.5变频节能理论

1.5.1交流电机变频调速原理

 交流电机转速特性：

，其中n为电机转速，f为交流电频率，s为转差率，p为极对数，电机选定之后s、p为定值。

电机转速n和交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速，各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

流量与转速成正比：

Q∝N

转矩与转速的平方成正比：

T∝

功率与转速的三次方成正比：

T∝N

 而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系；

 P变=NP额=QP额

 其中，P为功率

         N为转速

         Q为流量

 例如设定当前流量为水泵额定流量60%，则采用变频调速时P=QP=0.216P，而采用阀门控制时P=（0.4+0.6Q）P=0.76P，节电=（P*P）/P*100=71.6%

 由此可见从理论上计算结果可以看到技能效果非常显著，而且在实际运行变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。

而且新型的变频恒压供水系统能自动控制一台或多台主泵和一台休眠泵的运行。

在管网用水量减少到单台主泵流量约1/6~1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。

1.6变频恒压供水系统及控制参数选择

1.6.1变频恒压供水系统组成

 变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵、压力传感器、PID调节器、变频器、管网组成。

工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内用水量的变化引起水压变化，即使将信号反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或加减速，使得管网的水压与控制压力一致。

1.6.2变频恒压供水系统的参数选取

（1）合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水，这个目的的实现关键就在于恒压控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：

一个就是管网最不利点压力恒压控制。

另一个就是泵出口压力恒压控制。

（2）变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行转台的必要手段。

变频器根据负载的转动惯性的大小，在启动和停止电机时所需的时间就不同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流，在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变应变能力差，系统易处于短期不稳定状态中。

为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常覆盖，但是变频器达不到最佳运行状态，所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。

对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2~20秒之间。

1.7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、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:

（1）供水系统的控制对象是用户管网