某企业恒压供水系统的设计.docx
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某企业恒压供水系统的设计
科类：
工科学号：
20091447
本科生毕业设计
某企业恒压供水系统的设计
Aestablishmentdesignofconstantpressurewatersupplysystem
付忠林
指导教师：
黄兆波职称副教授
云南农业大学昆明黑龙潭650201
学院：
工程技术学院
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2009
设计提交日期：
2013.4.26
答辩日期：
2013.5.11
答辩委员会主任：
张汝坤
云南农业大学
2013年5月25日
某企业恒压供水系统的设计
付忠林
（云南农业大学工程技术学院，昆明黑龙潭650201）
摘要
随着社会主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，因此设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统对社会的发展有较强的促进作用。
本论文首先分析目前的各种供水方式的特点，综合考虑最终选择了变频恒压供水，然后再分析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，采用变频器和PLC实现恒压供水，用变频器的内置PID对系统中的恒压控制进行设计。
其次对系统的主要设备做相应的选型和介绍，最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。
本论文的变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。
从理论的角度来看，该系统能够实现恒压供水，具有一定的经济效益和社会效益。
关键字：
恒压供水；变频调速器；PLC；PID。
Abstract
Withtherapiddevelopmentofsocialisticmarketingeconomy,thereisagrowingdemandforbetterqualityofwatersupplyandhigherreliabilityofsupplysystem.Coupledwiththecurrentenergyshortage,sothedesignhigh-performance,highenergy,abletoadapttothedifferentareasofconstantpressurewatersupplysystemhasastrongroleinpromotingthedevelopmentofsociety.
Thispaperfirstanalyzesthecharacteristicsofeachwatersupplymode,nowconsideringeventuallyoptedforfrequencyconversionconstantpressurewatersupply,andthenanalysistheprincipleoffrequencyconversionconstantpressurewatersupplysystemofinstitutions.andproposesseveralcontrolmethods.Bycarefulstudyandcomparison,PLCandinverter'smethodfitswatersupplysystemanddatatransmissionverywell.Finallythepapershowsthedesignofconstantpressuresupplywatercontrolleraccordingtobuilt-inPIDfretrollerconwerterintroductionofitssoftware.secondlyandselectionofmianequipmentofthesystermandintroduces，finallythesysterm’shardsoftwaredesignisintroduced.
Thesystem,whichhasinitiallybeencompletedwithreliableperformanceandexcellentenergy-savingeffect.Fromatheoreticalpointofview,thesystemisabletoachieveconstantpressurewatersupply,withacertaindegreeofeconomicandsocialbenefits.
KeyWords:
constantpressurewatersupply;frequencycontrolofmotors;PLC;PID.
图目录
表目录
符号及其计量单位说明
P30：
有功计算负荷，单位kW。
Kd：
需要系数。
Pe：
额定有功功率，单位kW。
Q30：
无功计算负荷，单位kVar。
S30：
视在计算负荷，单位kVA。
I30：
计算电流，单位A。
Un：
额定电压，单位kV。
cosφ：
功率因数。
Igmax：
导体所在电路的最大持续工作电流，单位A。
Ial：
相应于导体额定环境温度条件下导体的长期允许电流，单位A。
A0：
三相四线制线路的中性线截面积，单位mm。
Aφ：
相线截面积，单位mm。
IRTR：
熔断器的额定电流，单位A。
第1章前言
1.1该企业的供水背景介绍
该企业地处山坡，企业面积较大，人口较多，日用水量较大，而自来水公司所提供的水管不管是压力还是在流量，都不能满足企业员工生活的需要，因此该企业决定在山脚下建造了一个蓄水池，其供水方式是先对自来水进行存储，再利用两台水泵进行供水。
经计算在一般情况下，用一台30kW水泵以基频恒速就可以保持水管恒压供给员的工生活用水，在特殊情况下，再加一台30kW水泵以变频调速运行来保持水管恒压供水。
要求能实现手动和自动供水，以减少人的劳动强度、水资源和电能的浪费。
1.2供水系统选择分析
众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代要求的条件下，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。
主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。
在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。
（1）一台恒速泵直接供水系统
这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。
这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。
这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。
（2）恒速泵+水塔的供水方式
这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。
水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。
水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。
水泵处于断续工作状态中。
这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效能区。
这种方式显然比前种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。
供水压力比较稳定。
但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大；水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。
而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。
（3）射流泵+水箱的供水方式
这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用压差和来水管粗，出水管细的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量（流量）的现象，无法满足高层供水的需要。
（4）恒速泵+高位水箱的供水方式
这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。
高层建筑还可分层设立水箱。
占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。
水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操作，使系统的供水质量下降能耗增加。
（5）恒速泵+气压罐供水方式
这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。
罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。
而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。
气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。
（6）变频调速恒压供水方式
这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。
使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。
综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源、效率较低、可靠性差，自动化程度不高等缺点，严重影响了居民用水和工业用水。
目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：
一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击。
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，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。
把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。
1.3变频恒压供水产生的背景和意义
泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率，降低能耗，对国民经济有重大意义。
我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。
目前，大量的电能浪费在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。
这一方面是由于我国居民多，用水量大，造成用电量大；另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理，造成不必要的能量浪费。
因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。
采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
第2章变频恒压供水系统
2.1变频恒压供水系统理论分析
本节主要分析变频恒压供水系统节能原理和变频恒压控制理论模型两方面的内容。
2.1.1变频恒压供水系统的节能原理
供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f（Q），如图1所示。
图1供水系统的基本特征
由图可以看出，流量Q越大，扬程H越小。
由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q（u）间的关系。
而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系HJ（Qu）。
管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。
由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。
由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。
因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系Hf（Qc）。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图中A点。
在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
2.1.2变频恒压供水系统的控制理论模型
变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。
设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。
所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力的设定值。
从图2中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。
该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。
如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。
同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
图2变频恒压控制原理
2.2变频恒压供水系统的特点
随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。
变频恒压供水的调速系统可以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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。
目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。
追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
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的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量（如：
温度、流量、浓度等）一样，对控制作用的响应具有滞后性。
（2）用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化近似成正比，因此变频调速恒压供水系统可以等效为一个线性系统。
（3）变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
（4）当出现意外的情况（如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。
在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。
（5）用变频器进行调速，用调速泵（变频泵）和恒速泵（工频泵）的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
2.3变频恒压供水系统控制方式的选择
目前国内变频恒压供水设备的控制方式主要有：
（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、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。
（2）单片微机电路控制方式
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比。
但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。
该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
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。
（3）可编程序控制器（PLC）+PID调节扩展模块（带PID回路调节器）的控制方式
该方式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端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。
这样，可编程控制器的成本没有降低，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，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。
（4）可编程序控制器（PLC）+带PID调节的变频器的控制方式
由于这类变频器将PID调节器集成在变频器内部，因此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。
考虑以上四种方案后，本企业的供水系统的设计采用可编程序控制器（PLC）+带PID调节的变频器的控制方式。
如图3所示。
图3供水系统方案图
2.4变频恒压供水系统的构成及工作原理
2.4.1变频恒压供水系统构成
由图3可知，该变频恒压供水系统的主要由PLC、带内置PID的变频器、软启动器、压力传感器和供水部分组成，供水部分主要有水泵组、电动机、管道和阀门等。
水泵组包括一台恒速泵和一台调速泵。
恒速泵：
水泵运行只在工频状态，转速恒定；用在一般情况下，供员工生活用水。
调速泵：
是由变频器控制，变频器根据实际水压的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；用在特殊情况下，来保持水管恒压供水。
PLC主要用于控制水泵组的启停、系统能实现手动和自动运行以及系统运行情况的监视和报警。
带内置PID的变频器用于对水泵进行转速控制，变频器跟踪压力传感器送来的实际压力信号实施PID调节后，改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。
软启动器用于恒速泵的启动，降低电动机起动的起动电流，减少配电容量，避免增容投资；减少起动应力，延长电动机及相关设备的使用寿命。
压力传感器用于对出水管压力的实时监测并把实际水压传送给变频器。
2.4.2变频恒压供水系统的工作原理
本系统的控制方式：
控制面板控制PLC的输入，PLC的输出控制恒速泵和调速泵的启停，用变频器的内置PID进行PID调节实现恒压供水。
合上空气开关，供水系统投入运行。
将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序接通KM2（变频器接触器），并起动变频器。
根据压力给定值（根据管网压力要求设定）与实际值压力值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。
变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。
PID调节的具体过程见下图4，给定值用
表示，反馈值用
表示，频率用f表示，转速用n表示，压力偏差用ε表示。
图4系统PID的调节原理
（1）
，即
，ε经PID调节器进行比例、积分和微分计算后输出一个增大的频率f给变频器，调速泵的转速n增加，出水管压力增大。
（2）
，即
，ε经PID调节器进行比例、积分和微分计算后输出一个减小的频率f给变频器，调速泵的转速n降低，出水管压力减小。
第3章系统设备的选择及介绍
设备的选择在系统中是非常重要，合理的选择设备，能使系统的性能更好。
本控制系统主要围绕PLC、带内置PID的变频器来设计的，因此PLC、带内置PID的变频器的讲述较多，其他设备讲述较少。
注：
各设备的详细介绍请参考相应的使用说明书。
3.1PLC的选择
本设计中PLC主要用于控制恒速泵和调速泵的启停、系统能实现手动和自动运行以及系统运行情况的监视和报警，因此PLC的选择非常重要。
3.1.1PLC的简介
可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。
随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。
现在的PLC已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。
美国电气制造商协会（NEMA）将其正式命名为可编程控制器（ProgrammableController），简称PC，但是为了和个人计算机（Persona1Computer）的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC。
可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系，继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。
由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应各种工业环境，其简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自
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