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湖南省高级技师综合评审论文

湖南省高级技师综合评审

技师专业论文

（国家职业资格二级）

文章类型：

设计论文

文章题目：

多泵循环控制恒压变频供水

姓名：

王孟奇

准考证号：

所在省市：

湖南省长沙市

工作单位：

湖南月儿太阳能科技有限公司

一、引言2

二、恒压供水控制系统的基本控制策略3

三、元器件选型5

四、参数设置10

五、系统总体调试11

六、小结11

七、致谢12

参考文献12

多泵循环控制恒压供水系统设计

湖南月儿太阳能科技有限公司王孟奇

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（多泵控制器）、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。

在供水过程中管网用水量大时增加水泵，用水量少时水泵，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，能源日益紧张的今天，人们研究高能、经济安全型的恒压供水系统的要求不断提高。

因此变频调速技术、先进的PID技术、微机通讯技术等应用到供水领域。

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。

泵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1/8。

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。

采用节流调节，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

采用电动机变频调速装置与多泵控制器构成控制系统，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。

恒压供水就是多泵控制器的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）直接输入到多泵控制中，由多泵控制器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过多泵控制器内置PID运算将结果转换为频率调节信号驱动变频器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1.3倍，水泵流量总和应是实际最大供水量1.3倍。

该系统实质是通过改变三相异步电动机定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。

异步电机的转速为：

其中：

n0为异步电机同步转速；

n为异步电机转子转速；

f为异步电机的定子输入交流电的频率；

s为异步电机的转差率；

p为异步电机的极对数。

由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。

多泵恒压供水系统的构成

如图为恒压供水系统的构成示意图1。

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多泵控制器。

 从图可以看出：

当系统启动，系统按照给定的水压进行，当用水量大时，压力传感器用于检测管网中的水压降低，将水压的变化转变为电流或电压的变化送给多泵控制器，多泵控制器通过PID运算，运算后的结果反馈到变频器控制电机M1运转，当M1的频率达到50HZ后，延时5秒，管网中的水压还是达不到系统设定值，多泵控制器将M1从变频断开接通工频，泵1从变频运行状态转换为工频工作状态运，延时3秒,接通M2,启动泵2进行变频工作。

当泵2变频工作在50HZ时，延时5秒，如果检测到压力仍然达不到系统设定值，M2变频断开，接通工频，泵2由变频工作状态转为工频工作状态，延时3秒，接通M3，泵3启动变频工作。

当泵3变频工作在50HZ时，延时5秒，如果检测到压力仍然达不到系统设定值，M3变频断开，接通工频，泵3由变频工作状态转为工频工作状态，延时3秒，接通M4，泵4启动变频工作进行补压。

当系统超压时，按先起先停的原则，逐个停掉工频泵，最后保留一台泵变频工作。

当系统欠压时，再按顺序逐个启动没投入工作的泵。

该系统最大亮点是：

多泵控制器根据给定的水压自动调节交流电的频率，，能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内），且经济节能，操作方便快捷（随时可以通过多泵控制器调整管网压力，且无需专业人士）

多泵控制器是一种单片机控制的电子装置，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节信号等功能。

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。

其主要特点是：

1．节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行安全稳定可靠，效率高、自动化程度高。

2．变频调速能对水泵实现软起动和软停车，由此可消除水锤效应，避免了电气、机械冲击，提高水泵的寿命。

3、避免水塔供水所带来的二次污染的危险。

三、元器件选型

1、变频器选型

本供水系统变频器选用易驱ED3100-4T0110MB通用重载型变频器,该变频器质优价廉，性价比高，在变频器选型上，我个人认为，供水方面（化工领域除外），对其技术参数要求都不是很苛刻，国产变频器完全可以胜任，我们又何必去采购高性能的天价进口变频器呢。

ED3100性能技术参数表

2、多泵控制器

多泵控制器品质的优劣，在本系统中直接影响系统的控制精度，因此我们选择在国内知名度比较高的欧瑞品牌的FPC60多泵控制器，该控制器专门为变频恒压供水系统、空压机变频、锅炉及换热系统补水而设计的微电脑控制器。

具有压力控制精度高、压力稳定、抗干扰强、第二消防压力设定、系统超压泄水自动控制、设定参数密码锁等多项功能。

主要性能指标：

A、可编程设定多种泵工作方式，最多可拖四台泵启动。

B、具有压力测量值防抖动补偿功能。

C、参数调整和设定具有密码锁定及保护功能。

D、采用先进的PID控制算法，设定参数少，控制精度高，内带看门狗功能，采用数字滤波及多项抗干扰措施，防止软件跑飞

E、可接无源压力表，有源电压及电流型压力变送器。

F、D/A输出控制频率电压DC0-10V，也可设定为DC0-5V。

G、具有压力传感器零点和满度补偿功能；支持消防远程联动。

H、具有定时自动倒泵功能；自动消防巡检供水。

I、具有第二压力（消防压力）设定和控制功能；

J、具有消防压力自动巡检测保护功能和外部输入停机保护功能；

K、系统补水控制时，具有超压自动泄水控制功能；

L、具有供水附属小泵控制功能，可设定小泵变频或工频模式；

M、具有可选的定时自动开、关机控制功能；

N、具有小流量水泵睡眠控制功能；

O、具有手操器功能，可手动调节输出电压来控制变频器的频率；

P、可代替电接点压力表进行上、下限压力控制；

Q、具有分时分压供水控制功能，最多有六段时间控制；

安装尺寸和接线端子说明

1.控制器外形尺寸:

160mm×80mm×90mm

2.控制柜面板开口尺寸151mm×75mm，面板卡入式安装。

3.使用环境为:

无水滴、蒸汽、腐蚀、易燃、灰尘及金属微粒的场所；

4.使用环境温度:

-20℃～50℃

5.相对湿度:

<95%;

6.额定工作电压:

AC220V±10%;

7.控制器额定功耗:

<=AC5W;

8.控制器接线端子输出容量：

3A/AC220V

9.面板及接线端子说明：

接线图

3、接触器选型：

日常生活用水关系到千家万户，因此要确保安全可靠，在这里我们选择一线品牌正泰电气公司的CJ20系列交流接触器，45KW以上系统在多泵控制器与接触器之间加装中间继电器，防止接触器线包电磁干扰过大而造成多泵控制器输出成系统故障。

4、中间继电器选：

施耐德RXM2LB1P7中间继电器，其性能参数是触点两路，额定电流3A，线圈电压230V

5、电机保护器选型

在这里为了安全起见，我们还是以37KW为界，37KW以下的系统使用热继电器保护电机，37KW以上的系统我们使用电机综合保护器保护电机。

热继电器采用正泰电气公司所生产JR36热过载继电器，电机综合保护器采用正泰电气公司所生产正泰JD-8电动机综合保护器

6、断路器选型

这里我们选用正泰电气公司所生产NM1-100S型塑胶外壳式断路器.

7、走线

二次线为了简洁美观，采用线槽走线

四、参数设置

在本系统中，PID调节和过程控制全在控制器内完成，变频器只做电机调速控制用，所以变频器设置简单，只需设定两个参数，多泵控制器参数设置较为复杂。

变频器参数设定：

1、率给定通道选择设定为AI1模拟给定（0～10V

2、把运行命令通道设定为外部端子启动。

3、把变频器停车方式设定为自由停车即可。

多泵控制器参数设定:

1、P01--压力设定。

2、P03—泵工作方式选择。

3、P03—泵工作方式

4、P04—变频切换工频时的间隙时间，为防止切换太快，引起电弧短路。

5、P09—传感器量程选择。

6、P10—传感器零点校正。

7、P21—上限压力设定。

8、P23—附属小泵控制

调试：

仔细对照图纸检查，查看接线有无遗漏，用万用表检查ABC三相有无相间、对地短路。

检查完毕，无异常，即可上电调试。

调试步骤如下：

1、变频器调试：

1）、状态监控模式按PRG键两下，进入参数查看模式，显示窗口显示P0.00，按‘△▽’选择P0.01，按SET键进入功能参数待修改模式,通过‘△▽’将其修改4（AI1模拟给定（0～10V）），按SET确认。

2）、按‘△▽’选择P0.04，按SET键进入功能参数待修改模式,通过‘△▽’将其修改1（端子启动）按SET确认。

3）按‘△▽’选择P2.11，按SET键进入功能参数待修改模式,通过‘△▽’将其修改1（自由停机）按SET确认。

2、多泵控制器调试：

1）、长按set键，PV窗口出现‘———’松开set键桧进入参数设定模式

2）、按mod键进行参数翻页到P01，按‘△▽’修改参数值为当前所需压力

3）、按mod键进行参数翻页到P03，按‘△▽’修改参数值为8，即泵工作方式为一变二工

4）、按mod键进行参数翻页到P04，按‘△▽’修改参数值为3秒，即变频转换工频的间隙时间为3秒，时间太短，转换太快会引起电弧短路

5）、按mod键进行参数翻页到P09，按‘△▽’修改参数值为为当前压力表量程（如压力表是1.0MPA,该参数即修改为1.0MPA）

6）、当管网没压力时，多泵控制器PV窗口显示不为0时，可按mod键进行参数翻页到P10，按‘△▽’修改参数值

7）、按mod键进行参数翻页到P09，按‘△▽’修改参数值为压力上限值，一般为系统压力的1.1倍

8）、按mod键进行参数翻页到P09，按‘△▽’修改参数值为1.即附属小泵变频运行

8）、参数设定完毕，按set键保存退出，通电运行。

注意：

如果接触器的触点电流超过50A时，控制器和接触器之间需加中间继电器进行驱动，以防止大功率接触器工作时，对控制器产生电磁干扰而误动作

五、系统总体调试

功能测试完成后并检查完线路后就可以开始系统总体调试了，内容包括：

1、自动方式下，给变频器持续欠压信号，系统能否实现泵1、2、3的变频和工频投入，最后全部工作在工频方式；给变频器持续超压信号，能否实现泵的工频、变频顺序切除；

2、系统自动运行时，是否满足先投先停，先停先投的既定原则；

3、给外部故障信号时，系统能否停止运行；

4、自动方式下，模拟压力输入信号发生微调，系统能否工作在一台变频、一台工频的基本稳定状态；

以上各项调试通过

六、小结

恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。

由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。

实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。

 水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。

由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。

正因为此，系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。

在实际应用中，采用多泵控制器控制恒压供水，还能容易地随时修改控制程序，以改变各元件的工作时间和工作状况，满足不同情况要求。

。

七、致谢

在本文完成之际，无论我的设计是否能够真的投入使用，这里面每一个控件的绘制，每一行语句的调试，每一段文本的输入之中都有我辛勤的汗水。

几个月里的设计时间虽然短暂，我却从中学到了很多的东西。

我由衷地感谢关怀、教诲、帮助、支持和鼓励我完成学业的老师、朋友和亲人。

参考文献

1、李良仁.变频调速技术与应用.北京：

电子工业出版社，2004.12：

85-92

2、易驱电气ED3100系列变频器中文说明书。

3、欧瑞FPC60多泵控制器说明书.