變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、TOC o 1-5 h z緒論2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.1引言5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義7 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1.3變頻恒壓供水的現(xiàn)況8 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.3.1國(guó)內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀.8 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.3.2變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍10

2、 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1.3.3變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)10 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 變頻恒壓供水的理論分析10 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.1水泵的工作原理11 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 供水壓力和變頻器輸出頻率的關(guān)系11 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及控制原理11 HYPERL

3、INK l bookmark30 o Current Document 3.1通用變頻器+PLC12 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)13執(zhí)行機(jī)構(gòu)14信號(hào)檢測(cè)14 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 控制系統(tǒng)15 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3.2.4人機(jī)界面16 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3.2.5通訊接口163.2.6報(bào)警裝置17 HYPERLINK

4、l bookmark42 o Current Document 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案176 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3.4變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓恒定控制17 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.5變頻供水水泵加減的控制18 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 4變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)19 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 4.1理論可行性20 HYPERLINK l bookmar

5、k58 o Current Document 4.2技術(shù)可行性21硬件設(shè)計(jì)21 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 變頻供水主電路設(shè)計(jì)22 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)234.4軟件設(shè)計(jì)244.4.1系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)25 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 電機(jī)增減控制程序設(shè)計(jì)264.5本章小節(jié)27 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 參考文獻(xiàn)29摘要隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，住房

6、制度改革的不斷深入，人們生活水平的不斷提高，城市建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。城市供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個(gè)重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到用戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了供水管理水平的高低。傳統(tǒng)供水廠，特別是中小供水廠所普遍采用的恒速泵加壓供水方式存在效率較低、可靠性不高、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，難以滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的需要。隨著人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，需要利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，要求設(shè)計(jì)出高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)供水廠復(fù)雜環(huán)境的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。本文首先闡明了供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理。從具體分析了變頻恒

7、水壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，提出不同的控制方案，通過研究得出結(jié)論:變頻調(diào)速方式，是當(dāng)今國(guó)際上一項(xiàng)效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù).它集微機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)交流電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)的結(jié)論。因此本文以采用變頻器和PLC組合構(gòu)成系統(tǒng)的方式，逐步實(shí)現(xiàn)水壓恒定供水和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?最后，從分析該恒壓變頻供水的可行性，改造的理論、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性等方面進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析:其次，分別從確定變頻器的參數(shù)，設(shè)計(jì)變頻主電路、變頻電機(jī)的運(yùn)行模式、控制模式及流程。在此基礎(chǔ)上，對(duì)中小供水廠變頻電機(jī)的選型、安裝、調(diào)試和運(yùn)行各步驟加以

8、詳細(xì)地闡述。然后歸納和分析了安裝運(yùn)行中的問題和注意事項(xiàng)。通過變頻恒壓供水系統(tǒng)的試運(yùn)行，對(duì)該系統(tǒng)在實(shí)際供水中所取得的節(jié)約電耗、恒定壓力、保護(hù)管網(wǎng)等實(shí)際效果進(jìn)行了總結(jié)，指出變頻技術(shù)在中小供水廠供水領(lǐng)域所取得的成果及應(yīng)用中的局限性。1緒論1.1引言水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開水。在通常的城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水中，基本上都是靠供水站的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離心水泵，產(chǎn)生壓力使管網(wǎng)中的自來水流動(dòng)，把供水管網(wǎng)中的自來水送給用戶。但供水機(jī)泵供水的同時(shí)，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機(jī)泵的效率、確保供水機(jī)泵的可靠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，降低能耗，將具有重要經(jīng)濟(jì)意義。我國(guó)供水機(jī)泵的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類型多，在工程規(guī)模上也有

9、一定水平，但在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。衡量供水質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一是供水壓力是否恒定，因?yàn)樗畨汉愣ㄓ谀承┕I(yè)或特殊用戶是非常重要的，如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，會(huì)造成更大的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡.但是用戶用水量是經(jīng)常變動(dòng)的，因此用水和供水之間的不平衡的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并且集中反映在供水的壓力上:用水多而供水少，則供水壓力低。用水少而供水多，則供水壓力大。保持管網(wǎng)的水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的產(chǎn)量和質(zhì)量，也確保了供水生產(chǎn)以及電

10、機(jī)運(yùn)行的安全可靠性。對(duì)于大多數(shù)采用供水企業(yè)來說，傳統(tǒng)供水機(jī)泵存在日常運(yùn)行費(fèi)用太高，供水成本居高不下，單位供水的能耗偏大的問題，尋求供水與能耗之間的最佳性價(jià)比，是困擾企業(yè)的一個(gè)長(zhǎng)期問題。目前各供水廠的供水機(jī)泵設(shè)計(jì)按最大揚(yáng)程與最大流量這一最不利條件設(shè)計(jì)，水泵大多數(shù)時(shí)間在設(shè)計(jì)效率以下運(yùn)行。導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)與水泵之間常常出現(xiàn)大馬拉小車問題（如圖1.1）。因此,如何解決供水與能耗之間的不平衡，尋求提高供水效率的整體解決方案，是各供水解水企業(yè)關(guān)心的焦點(diǎn)問題之一。變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用。利用變頻技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，在中小

11、型供水企業(yè)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，不僅能達(dá)到比較明顯的節(jié)能效果，提高供水企業(yè)的效率，更能有效保證從水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行.變頻恒水壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣傳動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控。同時(shí)可達(dá)到良好的節(jié)能性，提高供水效率。所以研究設(shè)計(jì)基于變頻調(diào)速的恒定水壓供水系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱變頻恒壓供水，如圖1.2），對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平，同時(shí)降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。L1傳統(tǒng)供水機(jī)泵示囂圖Figi.1DiagramoftrajlitkHia1TnachhspumpK1.2變閒快衣機(jī)泵示意圖FjgL2Iiagramo

12、ffrequencycanversionpump1.2變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義我國(guó)長(zhǎng)期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，工業(yè)自動(dòng)化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象。而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時(shí)會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)還有可能造成水管爆裂和用水設(shè)備的損壞。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟/停電機(jī)控制和水塔二次供水調(diào)節(jié)的方式，前者產(chǎn)生大量能耗的，而且對(duì)電網(wǎng)中其他負(fù)荷造成影響，設(shè)備不斷啟停會(huì)影響設(shè)備壽命。后者則需要大量的占地與投資。且由于是二次供水，不能保證供水質(zhì)

13、的安全與可靠性。而變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險(xiǎn)。由此可見，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有供水安全、節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。1.3變頻恒壓供水的現(xiàn)況1.3.1國(guó)內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。目前國(guó)外的恒壓供水系統(tǒng)變頻器成熟可靠，恒壓控制技術(shù)先進(jìn)。國(guó)外變頻供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式。這種方式運(yùn)行安全可靠，變壓方式更靈活。此方

14、式的缺點(diǎn)必是電機(jī)數(shù)量和變頻的數(shù)量一樣多，因而投資成本高。國(guó)外生產(chǎn)的變頻器，特別是供水廠用變頻器，相對(duì)于國(guó)產(chǎn)變頻器而言，價(jià)格明顯偏高，維護(hù)成本也高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)有不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國(guó)產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國(guó)外變頻器，結(jié)合PLC或PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求的變頻供水領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了相當(dāng)部分小容量變頻恒壓供水市場(chǎng)。但在大功率大容量變頻器上，國(guó)產(chǎn)變頻器有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。1.3.2變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類:（1）小區(qū)供水（加壓泵站）變頻恒壓供

15、水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在135kw以下，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國(guó)內(nèi)研究和推廣最多的方式.如希望集團(tuán)（森蘭變頻器）推出的恒壓供水專用變頻器。國(guó)內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器電機(jī)功率在135kV沐320kw之間，電網(wǎng)電壓通常為ZooV或380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前主要采用國(guó)產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大、機(jī)組多、多數(shù)采用

16、高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國(guó)外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器在本文中，研究和設(shè)計(jì)的變頻器是以第二種應(yīng)用范圍為基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)，除了高壓變頻供水系統(tǒng)，多數(shù)恒壓供水變頻系統(tǒng)均聲稱只要改變?nèi)萘烤涂梢酝ㄓ糜诟鞣N供水范圍，但在實(shí)際運(yùn)用中，不同供水環(huán)境對(duì)變頻器的要求和控制方式是不一致的，大多數(shù)變頻器并不能真正實(shí)現(xiàn)通用。以中小水廠供水環(huán)境來說，由于其包括了自來水生產(chǎn)系統(tǒng)，其溫濕度及腐蝕程度都大于常見小區(qū)和加壓泵站，在水泵組搭配上、需要處理的信號(hào)(如水質(zhì)信號(hào)停機(jī)管理)也多于小區(qū)供水系統(tǒng)，所以在部分條件復(fù)雜的中小水廠，采用通用的恒壓供水變頻系統(tǒng)并不能完全滿足

17、實(shí)踐要求，現(xiàn)部分中小水廠已認(rèn)識(shí)到這一情況，并針對(duì)實(shí)際情況對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)加以改進(jìn)和完善.1.3.3變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護(hù)操作簡(jiǎn)單化方向發(fā)展在國(guó)內(nèi)外，專門針對(duì)供水的變頻器集成化越來越高，很多專用供水變頻器集成了PLC或PID,甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時(shí)維護(hù)操作也越來越簡(jiǎn)明顯偏高，維護(hù)成本也高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)有不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國(guó)產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國(guó)外變頻器，結(jié)合PLC或PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求的變頻供水領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了相當(dāng)部分小容量變頻恒壓供水市場(chǎng)

18、。但在大功率大容量變頻器上，國(guó)產(chǎn)變頻器有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。2變頻恒壓供水的理論分析2.1水泵的工作原理供水所用水泵主要是離心泵，普通離心泵如圖2.1所示:葉輪安裝在泵殼2內(nèi)，并緊固在泵軸3上，泵軸由電機(jī)直接帶動(dòng)，泵殼中央有一液體吸入口4與吸入管5連接，液體經(jīng)底閥6和吸入管進(jìn)入泵內(nèi)，泵殼上的液體排出口8與排出管9連接。在泵啟動(dòng)前，泵殼內(nèi)灌滿被輸送的液體:啟動(dòng)后，葉輪由軸帶動(dòng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片間的液體也必須隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開葉輪外緣進(jìn)入蝸形泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，最后以較高的壓力流入排出管道，送

19、至需要場(chǎng)所。液體由葉輪中心流向外緣時(shí)，在葉輪中心形成了一定的真空，由于貯槽液面上方的壓力大于泵入口處的壓力，液體便被連續(xù)壓入葉輪中?？梢?，只要葉輪不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，液體便會(huì)不斷地被吸入和排出。2.2供水壓力和變頻器輸出頻率的關(guān)系在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，供水壓力是通過對(duì)變頻器輸出頻率的控制來實(shí)現(xiàn)的。確定供水壓力和輸出頻率的關(guān)系是設(shè)計(jì)控制環(huán)節(jié)控制策略的基礎(chǔ)，是確定控制算法的依據(jù)。送水泵站所采用的水泵是離心泵，它是通過裝有葉片的葉輪高速旋轉(zhuǎn)來完成對(duì)水流的輸送，也就是通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)水流高速旋轉(zhuǎn)，靠水流產(chǎn)生的離心力將水流甩出去。離心泵也因此而得名。在給水排水工程中，從使用水泵的角度來看，水泵的工作必然要和

20、管路系統(tǒng)以及許多外界條件聯(lián)系在一起.在給水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系統(tǒng)稱為“裝置”，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，真正對(duì)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)有價(jià)值的也是這種成為系統(tǒng)的裝置，而不是單單的孤立水泵。3變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及控制原理3通用變頻器+PLC這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通用性強(qiáng)，.1由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定P比的硬件配置和拍的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。同時(shí)由于P比的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系

21、統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。32變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通過變頻恒壓供水系統(tǒng)我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、通訊接口以及報(bào)警裝置等部分組成。如圖3.1所不祐堂I【童蚱S3.1變頻恒壓供水構(gòu)曲圖321執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng).通常這些水泵包括：調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。(2)恒速泵:水泵運(yùn)行只在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時(shí)，對(duì)供水量進(jìn)

22、行定量的補(bǔ)充.此外，通常一些變頻系統(tǒng)還會(huì)增設(shè)附屬小泵，它只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如:夜間)對(duì)管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充.322信號(hào)檢測(cè)在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括水壓信號(hào)、液位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)(I)水壓信號(hào):它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入PLC時(shí)，需進(jìn)行冉刃轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入。(2)液位信號(hào):它反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號(hào)有效時(shí)?？刂葡到y(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號(hào)來自

23、在安裝于水源處(在樂山第一水廠設(shè)計(jì)中，為清水池水位)的液位傳感器。(3)報(bào)警信號(hào):它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)。3.2.3控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(P比系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分:供水控制器:它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵成行控制.變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元.變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，

24、完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同，變頻器有如下兩種工作方式:變頻循環(huán)式:變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)。變頻固定式:變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇。變頻器的電控設(shè)備它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成.用于在供水控制器的控制下完成

25、對(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換及就地/集中等工作。3.2.4人機(jī)界面人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所。通過人機(jī)界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時(shí)使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運(yùn)行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機(jī)界面還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)報(bào)警進(jìn)行顯示。3.2.5通訊接口通訊接口是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)通過通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來，例如可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)等。3.2.6報(bào)警裝置作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能

26、適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由P比判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。33變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案有多種，有1臺(tái)變頻器控制1臺(tái)水泵的簡(jiǎn)單控制方案，也有1臺(tái)變頻器控制幾臺(tái)水泵的方案，本文簡(jiǎn)單介紹單臺(tái)變頻器控制單臺(tái)水泵：?jiǎn)闻_(tái)變頻器控制單臺(tái)水泵的控制方案在國(guó)內(nèi)通常是指是一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)水泵。由于全部變頻系統(tǒng)中，變頻器、控制器、電機(jī)均無備份設(shè)備，出現(xiàn)問題無法切換，故目前多適用于用水量不大，對(duì)供水的可靠性要求不高的場(chǎng)合

27、。該控制方案的控制原理框圖見圖3.2，電路見F祗3.2Controlbbckdiagramconwscheme圖?？刂品桨傅闹麟娐分档靡惶岬氖?，在國(guó)外或國(guó)內(nèi)少數(shù)大企業(yè)，也有一種每臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵的運(yùn)行方式，但它的控制方式與上面是不同的，這些泵站往往是同時(shí)配備了多臺(tái)變頻器配多臺(tái)水泵，采用集中控制的辦法，這種變頻系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)水泵站常用的一臺(tái)變頻器控制單臺(tái)水泵的工作方式是完全不一樣的。在這種系統(tǒng)中，由于有多臺(tái)變頻器，各水泵既可以同時(shí)變頻運(yùn)行，也可以分別工頻運(yùn)行，使其可靠性、安全性、可調(diào)節(jié)性大大優(yōu)于國(guó)內(nèi)常見的各種控制方式，不過在成本上，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前國(guó)內(nèi)的常用的變頻恒壓供水系統(tǒng)。3.4變頻恒壓供水系

28、統(tǒng)的水壓恒定控制在變頻恒壓供水中，整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據(jù)檢測(cè)到的輸入信號(hào)的狀態(tài)，按照系統(tǒng)的控制流程，通過變頻調(diào)速器和執(zhí)行元件對(duì)水泵組進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目的。這個(gè)控制過程是一個(gè)閉環(huán)過程，它的反饋信號(hào)是由壓力傳感器產(chǎn)生的供水壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是變頻器，通過控制系統(tǒng)將控制結(jié)果傳輸?shù)阶冾l器中，改造變頻器的輸出頻率，從而使供水壓力發(fā)生改變，完成整個(gè)控制過程。其中需要完成的控制流程如圖3.5所示。圖3.S變頻恒壓供術(shù)系統(tǒng)控制流程圖對(duì)于一臺(tái)變頻器帶兩臺(tái)或兩臺(tái)以上電機(jī)的系統(tǒng)，電機(jī)的控制通常按上節(jié)方案2所述流程進(jìn)行.在實(shí)際運(yùn)用中，通常對(duì)水壓的閉環(huán)控制都采用PID控制，電機(jī)增減的控制根據(jù)不同的情況有所不同

29、，但多數(shù)采用頻率、頻率結(jié)合壓力的方法來實(shí)現(xiàn)。PD的算法和實(shí)現(xiàn)將在3一4.2節(jié)進(jìn)行詳細(xì)闡述，電機(jī)的增減控制算法在將在3.5節(jié)加以分析。3.5變頻供水水泵加減的控制在上面的工作流程中，我們提到當(dāng)一臺(tái)調(diào)速水泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。當(dāng)調(diào)速水泵和恒速水泵都在運(yùn)行且調(diào)速水泵已運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少恒速水泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時(shí)進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過于頻繁的切換？盡管通用變頻器的頻率都可以在60Hz甚于上百Hz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用

30、在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，只能在50F吃時(shí)運(yùn)行，由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)50比時(shí)，即使實(shí)際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是OHz。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降傳到OHz，因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給

31、帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降.這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于OHz，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在20Hz左右由于在變頻狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。4變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論可行性在第二章已對(duì)變頻電機(jī)的理論和在恒壓供水中所產(chǎn)生的效果進(jìn)行了理論分析，在第一水廠中，供水壓力長(zhǎng)期恒定在0.35一0.4MPa之間，在實(shí)際操作

32、中，也經(jīng)常采用機(jī)組切換及閥門掩閥操作在理論上，如在第一水廠采用變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，對(duì)恒定供水壓力確保管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定、減少啟動(dòng)電流、節(jié)約電耗都可以產(chǎn)生積極和效果。技術(shù)可行性供水行業(yè)作為特殊行業(yè)，在采用新技術(shù)的同時(shí)，對(duì)技術(shù)穩(wěn)定性、可靠性也有較高要求，變頻恒壓供水技術(shù)雖然出現(xiàn)時(shí)間不長(zhǎng)，但20世紀(jì)90年代，變頻器大規(guī)模進(jìn)人中國(guó)后，發(fā)展迅速，技術(shù)上己逐步成熟.目前國(guó)內(nèi)有90多個(gè)品牌的變頻器，產(chǎn)品主要為:來自日本的廠家如三菱、富士、東芝、安川、日立和松下等，歐洲的西門子、ABB、施耐德等。同時(shí)也有大量的國(guó)產(chǎn)品牌或合資品牌，如深圳的華為、四川的森蘭、成都的佳靈、南京的耐特和煙臺(tái)的惠豐等。在低壓（4。ov）

33、小容量（315kw以內(nèi)）變頻器范圍上，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在性價(jià)比和可維護(hù)性上己表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景.在國(guó)內(nèi)的上海、廣東等大量中小型供水廠中，都己采用了低壓變頻供水設(shè)施。4.3硬件設(shè)計(jì)4.3.1變頻供水主電路設(shè)計(jì)供水主電電路設(shè)計(jì)如圖41,采用了以一臺(tái)變頻器連接同時(shí)連接Y3巧電機(jī)和Y28OS電機(jī)。由于變頻恒壓供水改造不需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，故電路設(shè)計(jì)中盡可能保持現(xiàn)有的電氣設(shè)備，以確保系統(tǒng)的可靠性。要注意的是，因?yàn)槭且煌隙绞?，所以必須確保開關(guān)IKM與IK入住電氣聯(lián)鎖，ZKMI與ZKN12電氣聯(lián)鎖。連鎖功能由開關(guān)柜自身實(shí)現(xiàn)，在變頻器出現(xiàn)問題時(shí)，要求可以手工實(shí)現(xiàn)工頻凌頻轉(zhuǎn)換。開關(guān)柜KM上設(shè)過流保護(hù)，開關(guān)柜盤面上設(shè)

34、電流表、有功電能表、開、停指按鈕等，還應(yīng)設(shè)一個(gè)多段LED顯示器，以顯示從變頻器PLC控制器內(nèi)取得變頻器運(yùn)行參數(shù)，并能方便操作人員進(jìn)行常用變頻器參數(shù)設(shè)定。NLIL2L3II咄閥I門捋L-理i酬牌!；門控制器*-廠勺FRI、-卞T卞一&十-汽亠1KM1|lKM2廠耐g（邑丿1林象電機(jī)2KM2圖4主供水電路原理圖4.3.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)變器控制電路設(shè)計(jì)如圖4.2,其中最主要的利用P比采集壓力信號(hào)進(jìn)行反饋控制。在硬件設(shè)計(jì)中，考慮了各種報(bào)警信號(hào)的處理，液位傳感器用于處于清水池（電機(jī)水源）液位信號(hào)，當(dāng)清水池水位過低，就必須報(bào)警，必要時(shí)PLC應(yīng)輸出停機(jī)信號(hào)關(guān)閉運(yùn)行電機(jī)。同樣，考慮到變頻器在送水泵房中長(zhǎng)期運(yùn)

35、行可能造成的溫度過高，可以利用PLC來判斷溫度報(bào)警信號(hào)并啟動(dòng)強(qiáng)制制冷風(fēng)車，以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。此外，在中小供水廠中，普遍缺少大型水廠那種齊全的生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備及遠(yuǎn)程停機(jī)控制設(shè)備，應(yīng)將流量和水質(zhì)等信號(hào)接入PLC中，以便生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)事故時(shí)能自動(dòng)緊急停機(jī)，這是不同于小區(qū)和加壓泵站供水的一個(gè)重要方面。幵親Jt幵知t壓力牌離熾f*聲舉阿門押制aw津網(wǎng)開伺荷號(hào)E門捏制就沖X晦機(jī)抵!赫至電務(wù)朋開謝信號(hào)陳護(hù)報(bào)佑號(hào)甜沖鳳*1JC它俺盤，水用AS4A區(qū)扭童黑期童幵柯7TH評(píng)差量幵先建圖42控制系統(tǒng)原理圖4.4軟件設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中，變頻器通過PLC通過對(duì)電機(jī)出廠壓力點(diǎn)處設(shè)置的壓力變送器反饋信號(hào)，進(jìn)行單閉環(huán)控制。此外，

36、為了適應(yīng)供水情況的突發(fā)變化等，在必要時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)頻率控制功能。P比程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(hào)的輸入以及管網(wǎng)的壓力信號(hào)和水池水位信號(hào)，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)是否正常，然后執(zhí)行程序，由輸出信號(hào)去控制接觸器、繼電器和變頻器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)，除了PID運(yùn)算，PLC主要控制任務(wù)就是輸出頻率的計(jì)算和工頻、變頻的切換。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意的是由于供水系統(tǒng)是一個(gè)慣性較大無法突變的系統(tǒng)，不需要過高的響應(yīng)速度，因而在設(shè)計(jì)思想上應(yīng)以查詢方式為主，中斷方式為輔441系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)在系統(tǒng)開始工作的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始啟動(dòng)的時(shí)候，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如出錯(cuò)

37、則報(bào)警，接著對(duì)模擬量（管網(wǎng)壓力、液位等）數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值。442壓力恒定控制程序設(shè)計(jì)在變頻恒壓供水系統(tǒng)壓力控制程序的設(shè)計(jì)流程如圖43,檢測(cè)壓力的大小，信號(hào)傳送到PLC，系統(tǒng)首選對(duì)數(shù)值進(jìn)行分析，確認(rèn)數(shù)據(jù)正常后，與壓力設(shè)定值進(jìn)行判斷，如果與設(shè)定值相同，則直接進(jìn)入下一采樣周期，如果不同，則進(jìn)行PID控制，通過PLC控制變頻器改變頻率參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。在恒壓供水程序設(shè)計(jì)中，還應(yīng)考慮到報(bào)警問題，通常要設(shè)計(jì)中斷程序處理信號(hào)報(bào)警。特別要注意的是，在中小供水廠有條件的情況下，除了通常的液位報(bào)警和過載報(bào)警等外，還應(yīng)將流量?jī)x、濁度儀、余氯儀等報(bào)警信號(hào)接入PLC，從而實(shí)現(xiàn)在供水廠出現(xiàn)流量嚴(yán)重異?；蛩|(zhì)事故事可以實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。圖壓力控制程序潦程圖4.4.3電機(jī)增減控制程序設(shè)計(jì)該系統(tǒng)具有手動(dòng)和自