【精選】變頻調(diào)速恒壓供水控制裝置系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)項目可行性研究報告

1、 變頻調(diào)速恒壓供水控制裝置系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)可行性研究報告 TOC o 1-5 h z 一、 引言4二、恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略 6三、 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 7四、PLC的模擬量擴展單元的配置和選型 9六、系統(tǒng)的程序設(shè)計 1.2.七、小結(jié)17.八、致謝詞 錯誤！未定義書簽。九、 參考文獻 錯誤！ 未定義書簽。恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計摘 要：變頻調(diào)速恒壓供水控制裝置能夠極大地改善給水管網(wǎng)的供水環(huán)境，該系 統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)壓力變化，自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速和多臺水泵電機的投入及退 出，使管網(wǎng)主干出口端保持在恒定的設(shè)定壓力值，整個供水系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能和運行在最佳狀態(tài)。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)主要采用變頻器，

2、PID調(diào)節(jié)部分、壓力傳感器及低壓電 氣等，對水泵進行恒壓調(diào)速統(tǒng)。它通過壓力傳感器感知管網(wǎng)壓力變化， 并將電信 號傳輸給PID調(diào)節(jié)部分，經(jīng)分析運算后，單片機輸出信號給變頻器，由變頻器 控制水泵轉(zhuǎn)速。在供水過程中水泵用水量大時增加水泵， 用水量少時件泵，用水 量極少及無人用水時進入小泵補壓或進入休眠狀態(tài)，這些都由單片機控制進行控制。本文提出了一種變頻調(diào)速系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)無需水塔或壓力罐，提出了變頻 調(diào)速在一定條件下具有節(jié)能、調(diào)節(jié)性好、控制靈活及運行可靠等特點；根據(jù)供水 管網(wǎng)用水量的變化，自動調(diào)節(jié)供水泵的轉(zhuǎn)數(shù)和臺數(shù)，使供水管網(wǎng)始終保持恒定的 設(shè)定壓力和所需流量，高效節(jié)能；并且具有相當(dāng)高的性能價格比。

3、關(guān)鍵詞：恒壓給水，單片機，變頻器，PID調(diào)節(jié)一、引言隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供水的質(zhì)量和安全可靠性的要求不斷提高。 把先進的自動化技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水企業(yè) 新的要求。在大力提倡節(jié)約能源的今天，研究高性能、經(jīng)濟型的恒壓供水監(jiān)控系 統(tǒng)。所以，對于某些用水區(qū)提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗、信息共享，采用恒壓供 水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)以其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng) 用，恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)可依據(jù)用水量的變化（實際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，保持水恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今先進、合理的節(jié)能型 供水系統(tǒng)，在短

4、短的幾年內(nèi)、調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個逐步完善的發(fā)展過程， 早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替， 投資更為節(jié)省，運行效率提高， 成為主導(dǎo)產(chǎn)品。自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛 的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使 我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從 90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng) 的運行參數(shù)，在用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)， 在用水量發(fā)生變化時保 持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。恒壓供水 系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。 例如

5、在某些生產(chǎn)過程中，若自來水 供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時使產(chǎn)品報廢和設(shè)備損 壞。又如發(fā)生火災(zāi)時，若供水壓力不足或或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起 重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。在實際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù) 的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能， 對合理設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面很有潛力， 恒壓 供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時缺水時， 可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時使產(chǎn)品報廢和 設(shè)備損壞。又如當(dāng)發(fā)生火警時，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火

6、，可 能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大 的經(jīng)濟和社會意義。據(jù)統(tǒng)計資料報道，我國現(xiàn)有約 5000萬臺水泵和風(fēng)機在運行，總計年用化量 可達約1000億度。泵和風(fēng)機均屬于葉片式流體機械；由流體機械理論，在相似 工況下，泵、風(fēng)機的流量，揚程和功率分別與其轉(zhuǎn)速的一次方、二次方和三次方 成正比。如轉(zhuǎn)速下降一半，其功率可下降到原來的。流量是給水系統(tǒng)在使用過程中需要調(diào)節(jié)的主要參數(shù)。由水泵通過管路供水的理論可知，調(diào)節(jié)流量原則上有 兩大方法；一是節(jié)流調(diào)節(jié)，泵的轉(zhuǎn)速不變，改變供水管路上閥門的開度以調(diào)節(jié)流 量；開大閥門，流量增加；關(guān)小閥門，流量減少。采用流調(diào)節(jié)，有大量能量消耗 在

7、節(jié)流損耗上。調(diào)節(jié)流量的第二種方法是變速調(diào)節(jié)，即供水管路的狀態(tài)不變（供水閥門度不變），改變泵的轉(zhuǎn)速以進行流量調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)速升高，流量增加，轉(zhuǎn)速降 低，流量減少。用調(diào)速調(diào)節(jié)流量可以大幅度降低節(jié)流能量損耗，具有顯著的節(jié)能效果。我國政府機關(guān)（國家科委、國家經(jīng)貿(mào)委）在頒發(fā)的中國節(jié)能技術(shù)政策大綱 中把泵和風(fēng)機的變頻調(diào)速技術(shù)列為國家九五計劃重點推廣的節(jié)能技術(shù)項目。、恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器 （PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制 泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管 網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。 系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管 的

8、出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵 電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水就是利 用變頻器的PID或PI功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓 力信號（420 mA）直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設(shè)定的壓力值 進行比較，并通過變頻器內(nèi)置 PID運算 將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵 電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。供水系統(tǒng)選用原則水泵揚程應(yīng)大于實際供水高度。水泵流量總和應(yīng)大于實 際最大供水量。三、恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成恒壓供水泵站一般需要設(shè)

9、多臺水泵及電機，這比設(shè)單臺水泵電機節(jié)能而可 靠。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠大，在用水量少時來開一臺大電 機肯定是浪費的，電機選小了用水量大時供水量則相應(yīng)的會不足。而且水泵與電 機維修的時候，備用泵是必要的。而恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定， 水泵電機的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化的， 那么這就是要用變頻器為水泵電 機供電。在此這里有兩種配置方案，一種是為每一臺水泵電機配一臺相應(yīng)的變頻 器，從解決問題方案這個比較簡單和方便， 電機與變頻器間不須切換，但是從經(jīng) 費的角度來看的話這樣比較昂貴。另一種方案則是數(shù)臺電機配一臺變頻器， 變頻 器與電機間可以切換的，供水運行時，一臺水泵變

10、頻運行，其余的水泵工頻運行， 以滿足不同的水量需求。如圖為恒壓供水泵的水的構(gòu)成示意圖 2。圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的 水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時，水壓降低；用水量小時，水壓升 高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，它具有設(shè)定水管水壓的給定值、接受傳感器送來得 管網(wǎng)水壓的實測值、根據(jù)給定值與實測值的綜合依一定的調(diào)接規(guī)律發(fā)出的系統(tǒng)調(diào) 接信號等功能。調(diào)節(jié)器的輸出信號一般是模擬信號，420MA變化的電流信號或010V間變化的電壓信號。信號的量值與前邊的提到的差值成正比例，用于 驅(qū)動執(zhí)行器設(shè)備工作。在變頻器恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。

11、用PLC代替調(diào)節(jié)器，其控制性能和精度大大提高了，因此， PLC作為恒壓供 水系統(tǒng)的主要控制器，其主要任務(wù)就是代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給定值與反饋值的綜 合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)；它還控制水泵的運行與切換，在多泵組恒 壓供水泵站中，為了使設(shè)備均勻的磨損，水泵及電機是輪換的工作。如規(guī)定和變 頻器相連接的泵為主泵（主泵也是輪流擔(dān)任的），主泵在運行時達到最高頻時， 須增加一臺工頻泵投入運行。PLC則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備。PLC同時還是變頻 器的驅(qū)動控制。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采用PLC 的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端子接受到傳感器送來的模擬信號，輸出端送出經(jīng)給定值與

12、反饋值比較并經(jīng) PID處理后得出的模擬量信號，并依此信 號的變化改變變頻器的輸出頻率。另外，泵站的其他控制邏輯也由PLC承擔(dān)，如：手動、自動操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站的工作異常的報警，系統(tǒng) 的自檢等等。四、PLC的模擬量擴展單元的配置和選型. PLC模擬量擴展單元的配置及應(yīng)用PLC的普通輸入輸出端口均為開關(guān)量處理端口，為了使PLC能完成模擬量的處理，常見的方法是為整體式 PLC加配模擬量擴展單元。模擬量擴展單元可以將 外部模擬量轉(zhuǎn)換為PLC可處理的數(shù)字量及將PLC內(nèi)部運算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機 外所需的模擬量。模擬量擴展單元有單獨用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨用于數(shù)/模轉(zhuǎn)換 的，也有兼具模/數(shù)及數(shù)

13、/模兩種功能的。如用S7-200系列PLC的模擬量擴展模 塊EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量輸出，可以用于恒壓供水控制 中。. PLC系統(tǒng)的選型系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點6個、開關(guān)量輸出點12個；模擬量輸入點1個，模擬量 輸出點1個。如果選用CPU224的PLC，也需要擴展單元；如果選用 CPU226 的PLC，價格比較高，這樣形成的浪費較大。因此參照西門子 S7-200產(chǎn)品目錄 及市場價格可知選用的主機為CPU222 一臺，加上一臺數(shù)字量擴展模塊EM222， 再擴展一個模擬量模塊EM235。這樣配置是最為經(jīng)濟的。整個 PLC系統(tǒng)的配置 如圖3所示：圖3 PLC系統(tǒng)的配置五、電控系統(tǒng)的原

14、理圖電控系統(tǒng)的原理圖包括主電路圖、控制電路圖及PLC的外圍接線圖。1 .主電路圖HUVVV V V FMlM2圈+恒圧傑慮系飯的主控電路國M3如圖4為電控系統(tǒng)的主電路圖。三臺電機分別為 M1 , M2，M3。接觸器KM1 , KM3 , KM5分別控制電機M1 , M2 , M3的供頻運行；接觸器 KM2 ,KM4，KM6分別控制電機 M1，M2，M3的變頻運行；FR1, FR2, FR3分別為三臺水泵電機的過載保護的熱繼電器；QS1 , QS2 , QS3 , QS4分別為變頻 器和三臺水泵電機主電路的隔離開關(guān)；FU1為主電路的熔斷器；VVVF為通用變 頻器。2、控制電路圖圖5為電控系統(tǒng)控制

15、的電路圖。SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位 置時候為手動控制狀態(tài)；SA打在2的位置時候為自動控制狀態(tài)；在手動運行時， 可用按鈕SB1SB8控制三臺電機的起/停和電磁閥YV2的通/斷；自動運行時， 系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。圖中的HL10為自動運行狀態(tài)時的電源指示燈。對變頻器的頻率進行復(fù)位 控制時只提供一個干觸點信號，由于PLC為4個輸出點為一組共用的一個 COM 端，而系統(tǒng)本身又沒有剩下單獨的 COM端輸出組，所以通過一個中間繼電器 KA的觸點對變頻器進行復(fù)位控制。圖5控制電路圖圖中的Q0.0Q0.5及.Q1.0Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點。在此可以看 到在檢修是的控制原理和水泵

16、在正常運行是的控制原理一樣的， 最終是通過控制 接觸器的通與斷來控制水泵的啟動與停泵。在PLC控制時候與檢修時的控制最大的區(qū)別是， PLC可以通過變頻器來控 制水泵的轉(zhuǎn)速從而達到對水壓的壓力控制， 而檢修的目的是對機器的維護而不是 控制水壓，因此不必通過對其轉(zhuǎn)速控制。3、PLC的外圍接線圖（略）六、系統(tǒng)的程序設(shè)計對泵站軟件的設(shè)計分析如下:1、由“恒壓”要求出發(fā)的工作組數(shù)量的管理為了恒定水壓，那么在水壓降低時，需要升高變頻器的輸出頻率，并且在 一臺水泵工作是不能滿足恒壓要求時，這時需要啟動第二臺或第三臺水泵。這樣 有一個判斷標(biāo)準(zhǔn)來決定是否需要啟動新泵即為變頻器的輸出頻率是否達到所設(shè) 定的頻率上限

17、值。這一功能可以通過比較指令來實現(xiàn)。 為了判斷變頻器的工作頻 率達到上限的確定性，應(yīng)濾去偶然因素所引起的頻率波動所達到的頻率上限值的 情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波情況。2、臺組泵站泵組的管理規(guī)范存入生活/消防頻率下限由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機均為軟啟動，有規(guī)定各臺水泵必須交替使用，那么多臺組泵站泵組的投入運行需要有一個管理規(guī)范。在本次設(shè)計中 控制要求中規(guī)定任意的一臺水泵連續(xù)運行不得超過 3h，因此每次需要啟動新泵 或切換變頻泵的時候，以新運行泵為變頻是合理的。具體的操作時，將現(xiàn)運行的 變頻器從變頻器上切除，并且接上工頻電源加以運行，同時將變頻器復(fù)位并且用 于新運行泵的啟動。除此之外

18、，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制， 在本設(shè)計中所使用的是用泵號加1的方法來實現(xiàn)變頻器的循環(huán)控制即 3加上1 等于0的邏輯，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號來實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。3、程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn)根據(jù)前面可知，PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的功能比較多，由于模擬量單元及 PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可以分為三個部分：主程序、子 程序和中斷程序。 系統(tǒng)的初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能來實現(xiàn) PID控制的定時采樣及輸出控制。初始化子 程序流程框圖如圖4。在初始化的子程序中僅僅在上電和故障結(jié)束時用，其主要 的用途為節(jié)省大量的掃描時間加快整個程序的運行效率，提高了PID中斷的精確度。上電處理的作用是CPU進行清除內(nèi)部繼電器，復(fù)位所有的定時器，檢查 I/O單元的連接。存入PID調(diào)節(jié)的相關(guān)參數(shù)圖4初始化程序 主程序流程圖如圖5。其功能最多，如泵的切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等等都在主程序中。生活及消防雙恒壓的兩個恒壓 值是采用數(shù)字式方式直接在程序中設(shè)定的。生活供水時系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的 70%，消防供水時系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的90%。本系統(tǒng)中的增益和時間常數(shù)為：增益Kc=0.25，采樣時間Ts=0.2s