新编确认稿变频调速恒压供水控制装置系统设计及实现项目可行性研究报告.docx

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新编确认稿变频调速恒压供水控制装置系统设计及实现项目可行性研究报告

变频调速恒压供水控制装置系统设计及实现可行性研究报告

目录

一、引言3

二、恒压供水控制系统的.基本控制策略4

三、恒压供水系统的.基本构成4

四、PLC的.模拟量扩展单元的.配置和选型5

六、系统的.程序设计8

七、小结13

八、致谢词14

九、参考文献15

恒压供水系统设计

摘要：

变频调速恒压供水控制装置能够极大地改善给水管网的.供水环境，该系统可根据管网压力变化，自动调节水泵电机的.转速和多台水泵电机的.投入及退出，使管网主干出口端保持在恒定的.设定压力值，整个供水系统始终保持高效节能和运行在最佳状态’.

    变频恒压供水控制系统主要采用变频器，PID调节部分、压力传感器及低压电气等，对水泵进行恒压调速统’.它通过压力传感器感知管网压力变化，并将电信号传输给PID调节部分，经分析运算后，单片机输出信号给变频器，由变频器控制水泵转速’.在供水过程中水泵用水量大时增加水泵，用水量少时件泵，用水量极少及无人用水时进入小泵补压或进入休眠状态，这些都由单片机控制进行控制’.

    本文提出了一种变频调速系统方案’.该系统无需水塔或压力罐，提出了变频调速在一定条件下具有节能、调节性好、控制灵活及运行可靠等特点；根据供水管网用水量的.变化，自动调节供水泵的.转数和台数，使供水管网始终保持恒定的.设定压力和所需流量，高效节能；并且具有相当高的.性能价格比’.

关键词：

恒压给水，单片机，变频器，PID调节

一、引言

随着社会经济的.迅速发展，人们对供水的.质量和安全可靠性的.要求不断提高’.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’.

变频调速恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，得到了广泛应用，恒压供水调速系统可依据用水量的.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，保持水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，投资更为节省，运行效率提高，成为主导产品’.自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的.应用’.变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的.供水质量等优点，使我国供水行业的.技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃’.

恒压供水调速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，是当今最先进、合理的.节能型供水系统’.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’.在实际应用中得到了很大的.发展’.随着电力电子技术的.飞速发展，变频器的.功能也越来越强’.充分利用变频器内置的.各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面很有潜力，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缺水时，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏’.又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，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’.

据统计资料报道，我国现有约5000万台水泵和风机在运行，总计年用化量可达约1000亿度’.泵和风机均属于叶片式流体机械；由流体机械理论，在相似工况下，泵、风机的.流量，扬程和功率分别与其转速的.一次方、二次方和三次方成正比’.如转速下降一半，其功率可下降到原来的.‘.流量是给水系统在使用过程中需要调节的.主要参数’.由水泵通过管路供水的.理论可知，调节流量原则上有两大方法；一是节流调节，泵的.转速不变，改变供水管路上阀门的.开度以调节流量；开大阀门，流量增加；关小阀门，流量减少’.采用流调节，有大量能量消耗在节流损耗上’.调节流量的.第二种方法是变速调节，即供水管路的.状态不变（供水阀门度不变），改变泵的.转速以进行流量调节；转速升高，流量增加，转速降低，流量减少’.用调速调节流量可以大幅度降低节流能量损耗，具有显著的.节能效果’.我国政府机关（国家科委、国家经贸委）在颁发的.《中国节能技术政策大纲》中把泵和风机的.变频调速技术列为国家九五计划重点推广的.节能技术项目’.

二、恒压供水控制系统的.基本控制策略

采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制泵组的.调速运行，并自动调整泵组的.运行台数，完成供水压力的.闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的.目的.’.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运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的.投运台数和运行变量泵电动机的.转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的.压力值上’.恒压供水就是利用变频器的.PID或PI功能实现的.工业过程的.闭环控制’.即将压力控制点测的.压力信号（4~20ｍＡ）直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的.压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的.电源频率，从而实现控制水泵转速’.

供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度’.水泵流量总和应大于实际最大供水量’.

三、恒压供水系统的.基本构成

恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠’.配单台电机及水泵时，它们的.功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的.，电机选小了用水量大时供水量则相应的.会不足’.而且水泵与电机维修的.时候，备用泵是必要的.’.而恒压供水的.主要目标是保持管网水压的.恒定，水泵电机的.转速要跟随用水量的.变化而变化的.，那么这就是要用变频器为水泵电机供电’.在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的.变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的.角度来看的.话这样比较昂贵’.另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的.，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的.水泵工频运行，以满足不同的.水量需求’.

如图为恒压供水泵的.水的.构成示意图2’.图中压力传感器用于检测管网中的.水压，常装设在泵站的.出水口’.当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高’.水压传感器将水压的.变化转变为电流或电压的.变化送给调节器’.

 调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的.给定值、接受传感器送来得管网水压的.实测值、根据给定值与实测值的.综合依一定的.调接规律发出的.系统调接信号等功能’.调节器的.输出信号一般是模拟信号，4~20MA变化的.电流信号或0~10V间变化的.电压信号’.信号的.量值与前边的.提到的.差值成正比例，用于驱动执行器设备工作’.在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器’.

  用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作为恒压供水系统的.主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值的.综合与调节工作，实现数字PID调节；它还控制水泵的.运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的.磨损，水泵及电机是轮换的.工作’.如规定和变频器相连接的.泵为主泵（主泵也是轮流担任的.），主泵在运行时达到最高频时，须增加一台工频泵投入运行’.PLC则是泵组管理的.执行设备’.PLC同时还是变频器的.驱动控制’.恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的.模拟量控制模块，该模块的.模拟量输入端子接受到传感器送来的.模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的.模拟量信号，并依此信号的.变化改变变频器的.输出频率’.另外，泵站的.其他控制逻辑也由PLC承担，如：

手动、自动操作转换，泵站的.工作状态指示，泵站的.工作异常的.报警，系统的.自检等等’.

四、PLC的.模拟量扩展单元的.配置和选型

1．PLC模拟量扩展单元的.配置及应用

PLC的.普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的.处理，常见的.方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元’.模拟量扩展单元可以将外部模拟量转换为PLC可处理的.数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外所需的.模拟量’.模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的.，单独用于数/模转换的.，也有兼具模/数及数/模两种功能的.’.如用S7-200系列PLC的.模拟量扩展模块EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以用于恒压供水控制中’.

2．PLC系统的.选型

系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个，模拟量输出点1个’.如果选用CPU224的.PLC，也需要扩展单元；如果选用CPU226的.PLC，价格比较高，这样形成的.浪费较大’.因此参照西门子S7-200产品目录及市场价格可知选用的.主机为CPU222一台，加上一台数字量扩展模块EM222，再扩展一个模拟量模块EM235’.这样配置是最为经济的.’.整个PLC系统的.配置如图3所示：

图3PLC系统的.配置

五、电控系统的.原理图

电控系统的.原理图包括主电路图、控制电路图及PLC的.外围接线图’.

1．主电路图

如图4为电控系统的.主电路图’.三台电机分别为M1，M2，M3’.接触器KM1，KM3，KM5分别控制电机M1，M2，M3的.供频运行；接触器KM2，KM4，KM6分别控制电机M1，M2，M3的.变频运行；FR1，FR2，FR3分别为三台水泵电机的.过载保护的.热继电器；QS1，QS2，QS3，QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的.隔离开关；FU1为主电路的.熔断器；VVVF为通用变频器’.

2、控制电路图

图5为电控系统控制的.电路图’.SA为手动/自动转换开关，SA打在1的.位置时候为手动控制状态；SA打在2的.位置时候为自动控制状态；在手动运行时，可用按钮SB1~SB8控制三台电机的.起/停和电磁阀YV2的.通/断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行’.

图中的.HL10为自动运行状态时的.电源指示灯’.对变频器的.频率进行复位控制时只提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用的.一个COM端，而系统本身又没有剩下单独的.COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的.触点对变频器进行复位控制’.

图5控制电路图

图中的.Q0.0~Q0.5及.Q1.0~Q1.5为PLC的.输出继电器触点’.在此可以看到在检修是的.控制原理和水泵在正常运行是的.控制原理一样的.，最终是通过控制接触器的.通与断来控制水泵的.启动与停泵’.

在PLC控制时候与检修时的.控制最大的.区别是，PLC可以通过变频器来控制水泵的.转速从而达到对水压的.压力控制，而检修的.目的.是对机器的.维护而不是控制水压，因此不必通过对其转速控制’.

3、PLC的.外围接线图（略）

六、系统的.程序设计

对泵站软件的.设计分析如下：

1、由“恒压”要求出发的.工作组数量的.管理

为了恒定水压，那么在水压降低时，需要升高变频