大連理工大學 碩士學位論文 變頻恒壓供水系統的研究與應用 姓名 初乃茂 申請學位級別 碩士 專業 控制工程 指導教師 張守國 20070616 叁壟堡J 塵堂皇塑蘭堡堡蘭 堡堡皇 一一一一 摘要 隨著社會主義f 丁場經濟的發展 人們對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提 高 再加上目前能源緊缺 實現大連市自來水公司二次供水的自動化 依據其自身特點 對其進行改造 利用先進的自動化技術 控制技術以及通訊技術 設汁高性能 高節能 能適應不 司領域的恒壓供水系統成為必然發展的趨勢 本文酋先根據管網和水泵的運行特性曲線 闡明了供水系統的變頻調速節能原理 接著分 i 了變頻恒壓供水的原理及系統的組成結構 提出不同的控制方案 通過研究和 比較 本文采用變頻器和P I C 實現恒壓供水和鷲據傳輸 然后用數字P I D 對系統中的 恒壓控制器進行設計 最后對系統的軟硬件毆計進行了詳細的介紹 本文設計與實現j 通過G P R S 和M O D E M 與電話刪進行數據傳輸的遠程網絡巡回監 控系統 具體講述了系統的總體設計與軟件的實現 并對系統采取的可靠性措施進行了 浼I j j 本文的變頻恒壓供水系統已在圍內許多實際的供水控制系統中得到應用 并取得 穩定剮靠的運行效果和良好的節能效果 經實踐證明該系統具有高度可靠陛和實時性 極大地提高了供水的質量 并且節省了人力 具有明顯的經濟效益和社會效益 關鍵詞 變頻誦速 恒壓供術 P I D P L C G P R s 監控系統 人連理j 火學專業學靜碩士學位論文 R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fF r e q u e n c yC o n s t a n tP r e s s u r e W a t e r s u p p l yS y s t e m A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a l i s t i cm a r k e t i n g e c o n o m y t h e r ei sag r o w i n gd e m a n d f b rb e t t e rq u a l i t yo fw a t e rs u p p l ya n dh i g h e rr e l i a b i l i t yo fs u p p l ys y s t e m I na d d i t i o n c o n s i d e r i n gr i t e c u r r e n tc o m m o ne n e r g yc r i s i s D a l i a nW a t e rS u p p l y i n gC o m p a n y a i m st o r e b u i l df i l es y s t e mb a s e do ni t sp r e s e n tc h a r a c t e r i s t i c s a c h i e v i n gt h es c h e m eo fa u t o m a t i n g t h ew a t e rs u p p l ys y s t e m S oi ti sa ni n e v j t a b l et e n d e n c yt od e s i g na n dc r e a t ea ne n e r g y s a v i n g c o n s t a n t p r e s s u r e w a t e rs u p p l y s v s e mo fe x c e l l e n t p e r f o r m a n c ew i t ht h eh e l po fa d v a n c e d t e c h n i q u e s o t a u t o m a t i o n m o n i t o l 一c o n t r o ls y s t e m a n dc o m m u n i c a t i o n M e a n w h i l e t h e 8 y E t e mc a l la l s oa d a p t t ov a r i o 5 sx w a t e rs u p p l yr e g i o n s T h i sp a p e re x p l a i n st i l ee n e r g y s a v i n gp r i n c i p l eo f p u m pV Fs p e e dc o n t r o lo nt h eb a s i so f c h a r a c t e r i s t i cC H I V eo fr u n n i n gp i p e l i n e sa n dw a t e rp u m p a n a l y z e st h es t r u c t u r eo fV Fs p e e d r e g u l a t i n gc o n s t a n t p r e s s u r ew a t e rs u p p l y a n dp r o p o s e ss e v e r a lc o n t r o lm e t h o d sB yc a r e f u l s t u d ya n dc o m p a r i s o n P L Ca n di n v e r t e r sm e t h o df i t sw a t e rs u p p l ys y s t e ma n dd a t a t r a n s m i s s i o nv e r yw e l l F i n a l l yt h ep a p e rs h o w st h ed e s i g no fc o n s t a n tp r e s s u r es u p p l yw a t e r c o n t r o l l e ra c c o r d i n gt oP I D d a t aa n dd e t a i l e di n t r o d u c t i o no fi t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e I nt h i sp a p e r t h ea u t h o rd e s i g n s a n dr e a l i z e st h er e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m t h r o u g hG P R S M O D E Ma n dt e l e p h o n en e t w o r k a n dt h e ni l l u s t r a t e s i t s g e n e r a ld e s i g n s o f t w a r ei m p l e m e m a n dt h em e a s u r e so fp r e v e n t a b l ed i s t u r b a n c ei nd e t a i l s T h es y s t e m w h i c hh a si n i t i a l l yb e e nc o m p l e t e dw i t h r e l i a b l ep e r f o r r r l a n c ea n de x c e l l e n te n e r g y s a v i n g e f f e c t p r o v e st op o s s e s sh i g hr e l i a b i l i t y a n dr e a l t i m eq u a l i t yT h es y s t e mc a l ln o t o n l y r e m a r k a b l yi m p r o v et h eq u a l i t yo fw a t e rs u p p l y b u ta l s oe c o n o m i z eo nl a b o r w h i c hw i l l s u r e l yb r i n gu sb o t he c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s K e yW m d s V Fs p e e d c o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l y P I D P L C G P R S m o n i t o r a n dc o n t r 0 1 s y s t e m 獨創性說明 作者鄭重聲明 本碩士學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工 怍及取得研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝韻地方外 論文中不包含其他人已經發表或撰寫的研究成果 也不包含為獲得大連理 工大學或者其他單位的學位或證書所使用過的材料 與我二同工作的同志 對本研究所做的貢獻均甘在論文中做了明確的說明并表示了謝意 大連理工大學碩士研究生學位論文 大連理工大學學位論文版權使用授權書 本學位論文作者及指導教師完全了解 大連理工大學碩士 博士學位論文版權使用 規定 同意大連理工大學保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和電子 版 允許論文被查閱和借閱 本人授權大連理工大學可以將本學位論文的全部或部分內 容編入有關數據庫進行檢索 也可采用影印 縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論 文 作者簽名 塹壘 益 導師簽名 塑緞 矽7 年彩月 2 自 人連理I 人學專業學伊碩十學伊論文 1 緒論 1 1 城市供水系統的要求 眾所周知 水是生產生活中不可缺少的重要組成部分 在節水節能己成為時代特征 的現實條件下 我們這個水資源和電能短缺的國家 長期以來在市政供水 高層建筑供 水 工業生產循環供水等方面技術一直比較落后 自動化程度低 主要表現在用水高峰 期 水的供給量常常低于需求量 出現水壓降低供不應求的現象 而在用水低峰期 水 的供給量常常高于需求量 出現水壓升高供過于求的情況 此時將會造成能量的浪費 同時有可能導致水管爆破和用水設備的損壞 在恒壓供水技術出現以前 出現過許多供 水方式 以下就逐 分析 1 一一臺恒速雜直接供水系統 這種供水方式 水泵從蓄水池中抽水加J 上直接送往用戶 有的甚至連蓄水池也沒有 直接從城市公用水網中抽水 產F 重影響城市公用管網壓力的穩定 這種供水方式 水泵 整H 小停運轉 有的町能住夜間崩水低谷削段停止運行 這種系統形式簡單 造價最低 但耗電 耗水嚴重 水址不穩 供東質量檄差 2 恒速泵 水塔的供水方式 這種方式是水象先向水塔供水 再幽水塔向用戶供水 水塔的合理高度是要求水塔 最低水位略商于供水系統所需要壓力 水塔泣滿后水泵停止 水塔水位低于某一位置時 再啟動水泉 水泵處于斷續工作狀態中 這種供水方式 水泵工作在額定流量額定揚程 的條件下 水泵處于高效能區 這種方式顯然比前 種節電 其節電率與求塔容量 水 泵額定流量 用水不均勻系數 水泵的開 停時J 日J 比 開 停頻率等有關 供水壓力比 較穩定 但這種供水方式基建設備投資最大 占地面積也最大 水壓不可調 不能兼顧 近期與遠期的需要 而且系統水壓不能隨系統所需流量和系統所需要壓力下降而下降 故還存在 些能量損失和二次污染問題 而且在使用過程中 如采該系統水塔的水位監 控裝置損壞的話 水泵不能進行自動的開 停 這樣水泵的開 停 將完全由人操作 這時將會出現能量的嚴重浪費和供水質量的嚴重下降 大連市馬欄子部分地區現在仍采 用浚供水方式 3 射流泵 水箱的供水方式 這種方式是利用射流泵本身的獨特結構進行工作 利用壓差和來水管粗 出水管細 的變徑工藝來實現供水 但是由于其技術和工藝的不完善 加之該方式會出現有壓無量 流量 的現象 無法滿足高層供水的需要 變頻恒壓供水系統的研究與f 節州 4 恒速泵t 高位水箱的供水方式 這種方式原理與水塔是相同的 只是水箱設在建筑物的項層 高層建筑還可分層設 立水箱 占地面積與設備投資都有所減少 但這對建筑物的造價與設計都有影響 同時 水箱受建筑物的限制 容積不能過大 所以供水范圍較小 一些動物甚至人都可能進入 水箱污染水質 水箱的水位監控裝置也容易損壞 這樣系統的開 停 將完全由人工操 作 使系統的供水質量下降能耗增加 j 恒速泵 氣壓罐供水方式 這種方式是利用封閉的氣壓罐代替尚位水箱蓄水 通過監測罐內壓力來控制泵的 開 停 罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小 而且可以放在地上 設備的成本 比水塔要低得多 而且氣壓罐是密封的 所以大大減少了水質因異物進入而被污染的可 能性 但氣壓罐供水的方式也存在著許多缺點 在介紹完變頻調速供水方式后 再將二 者作一比較 6 叟頻調速供水力式 這種系統的原理是通過安裝在系統中的j 矗力傳感器將系統壓力信號與設定壓力值 作比較 再通過控制器調節變頻器的輸出 無級調節水泵轉速 使系統水壓無論流量如 何變化始終穩定在一定的范圍內 變頻調速水泵調速控制方式有三種 水泵出口恒壓控 制 水泵出口變壓控制 給水系統最不利點恒壓控制 出u 恒雎控制 水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處 使系統在運行過程中水泵出 口水壓恒定 這種方式適用寸 管路的阻力損失在水泵揚程中所占比例較小 整個給水系 統的壓力可以看作是恒定的 但這種控制方式若在供水面積較大的居住區中應用時 出 于管路能耗較大 在低峰用水時 最不利點的流出水頭高于設計值 故水泵出口恒壓控 制方式不能得到最佳的節能效果 出口變壓控制 水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處 但其壓力設定值不只是一 個 是將每日2 4 小時按用水曲線分成若干時段 計算出各個時段所需的水泵出口壓力 進行全同變壓 各時段恒壓控制 這種控制方式其實是水泵出口恒壓控制的特殊形式 他比水泵出口恒壓控制方式能更節能 但這取決于將全天2 4 小時分成的時段數及所需 水泵出口壓力計算的精確程度 所需水泵出口壓力計算得越符合實際情況越節能 將全 天分得越細越節能 當然控制的實現也越復雜 最不利點恒壓控制 人近理I 人學專業學伊碩十學伊論文 最不利點恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統最不利點處g 使系統在運行過程中保 持最不利點的壓力恒定 這種方式的節能效果是最佳的 但由于最不利點一般距離水泵 較遠 壓力信號的傳輸在實際應用中受到諸多限制 因此工程中很少采用 變頻調速的方式在節能效果上明顯優于氣壓罐方式 氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓 縮空氣送水 氣壓罐配套水泵運行時 水泵在額定轉速 額定流量的條件下工作 當系 統所需水量下降時 供水壓力將超出系統所需要的壓力從而造成能量的浪費 同時水泵 是工頻率啟動 且啟動頻繁 又會造成一定的能耗 而變頻恒壓供水在系統用水量下降 時可無級調節水泵轉速 使供水壓力與系統所需水壓大致相等 這樣就節省了許多電能 同時變頻器對水泵采用軟啟動 啟動時沖擊電流很小 啟動能耗比較小 另外氣壓罐要 消耗一蕙的鋼量 這也是它的 個較大的缺點 而變頻調速飯水系統的變頻器是一臺由 微機控制的電氣設備 不存在消耗多少鋼材的問題 同時由于氣壓罐體積大 占地面積 一般為幾十平米 而變頻調速式中的調速裝罾占地面積僅為幾平米 由此可見變頻調速 供水方式比氣出罐供水方式將節省丈奄占地曲狀 在運行效果上 氣挑罐力式與調避式 相比也存在著一定籌距 氣壓罐方式的運行補穩定 突出表現在它的頻繁啟動 由于氣 J 玉罐的調節容量僅占其總容積的1 3 一l 6 因而每個縫的調節能力很小 只礙依靠頻繁的 啟動來保證供水 這樣將產生較大的噪聲 同時由于啟動過于頻繁 壓力不穩 加之硬 啟動 電氣和機械沖擊較大 設備損壞很快 變頻調速式的運行十分穩定可靠 沒有頻 繁的啟動班象 加之啟動方式為軟啟動 設備運行十分平穩 避免了電氣 機械沖擊 在小區供水中 而且由于調速式是經水泵加壓后直接送往用戶的 防止了的水質 次污 染 保證了飲用水水質町靠 由此可見 變頻調遮式供水系統具有節約能源 節省鋼材 節省占地 節省投資 調節能力大 運行穩定可靠的優勢 具有廣 闊的應用 i 景和明顯的經濟效益與社會效益 隨著社會經濟的迅速發展 水對人民生活與工業生產的影響日益加強 人民對供水 的質量和供水系統可靠性的要求不斷提商 把先進的自動化技術 控制技術 通訊及網 絡技術等應用到供水領域 成為對供水系統的新要求 由于城市供水量不斷加大 對城市管網的實時監測提出了更高的要求 大連市城市 供水系統始建于1 8 9 7 年 是我國最早的供水系統 音眵分管網設備老化嚴重 為使城市 供水系統曼穩定 可靠的運行 避免管線壓力過離或過低對瞀網及供水造成不良影響 決定對城市供水管網供水設備和調度系統進行升級改造 大連市區地形復雜 多為丘陵 高坡 不同于平原地區 水壓水流波動頻繁 變化 大 根據環境 地形 控制對象 控制要求的不同 設計一套具有可靠安全的 運行穩 變頻恒樂供水系統的研究與f 蕾片j 定的 經濟適用的 高效節能的 有連鎖保護容錯功能又能對其做到時時監控測量的自 動化供水系統勢在必行 大連節自來水二次加壓泵站的新建與改造工程是大連市人民政府牽頭并投資的為 民辦的盡大實事之一 為保證大連市市民能夠吃上安全衛生的放心水 確保大連市自來 水二次加壓泵站的安全 可靠 平穩 高效 經濟地運行 根據對現場環境 控制要求 和系統要簡單 經濟 以及維護方便等諸多方面的綜合考慮 最終我們設計和使用了變 頻恒壓供水控制系統 使其達到相應的技術和工藝的標準要求 使之達到國內甚至是國 際上的領先水平 1 2 變頻調速系統的發展趨勢 電機調速經J 力r 從靜止的晶 甲j 管整流器直流調選到交流感應電機變頻調速的發展 過程 變頻調速義由V V V F 的變釕三變頻控制的P W M 變頻調速發展到矢量控制變頻調速 提高了變頻器的恒定轉矩輸出范隧和動靜態特性 使得交流電機變頻調運性能超過了直 流電動機調壓 調速性能 在矢量控制變頻凋速的基礎上又發展了無速度傳感器的矢量 控制變頻詞速 現代電力電子技術的進步和高壓大功率丌關器件的成功開發和應用 交 流變頻調速在技術與性價比上已優十直流調速系統 在中 島堆 3 k v 6 k v 1 0 k v 等 調速范圍的應用也越水越多 隨著電力電子器件的發展 特別是具備有將單極型和雙極 型大功率管兩種器件組成的混合氣傳動裝置的控制由模擬控制轉向數字控制 使信息處 理能力入幅度地增強 出現了許多高 中壓的變頻設備 像西門子 A B B 羅克韋爾 本文介紹的變頻調速電壓等級是3 8 0 V 的低壓變頻器 1 3 變頻恒壓供水產生的背景和意義 西 泵站擔負著工農業和生活用水的重要任務 運行中需大量消耗能量 提高泉站效率 降低能耗 對國民經濟有重大意義 我國泵站的特點是數量大 范圍廣 類型多 發展 速度快 在工程規模上也有一定水平 但由卡設計中忽視動能經濟觀點以及機電產品類 型和質量上存在的一些問題等等原因 致使在技術水平 工程標準以及經濟效益指標等 方面與國外先進水平相比 還有一定的差距 目前 大量的電能消耗在水泵 風機負載上 城鄉居民用水設備所消耗的電量在這 類負載中占了相當的比例 這一方面是出于我國居民多 用水量大 造成用電量大 另 一方面是因為我國供水設備工作效率低 控制方式不夠科學合理 造成不必要的能量浪 費 因此 研究提水系統的能量模型 找出能夠節能的控制策略方法 這罩大有潛力可 挖 是減少能耗 保障供水的一個很有意義的工作 人近理 人學專業學何頑十學位論文 掘統計 全國3 8 1 個城市中的3 4 4 個城市自來水廠 1 9 8 7 年的用電量合計為4 7 億 千瓦時 計入其它城市和鄉鎮自來水以及工業給水設施用電 總計耗電約6 5 億千瓦時 左右 若按9 0 為水泵機組用屯 則水泵的總用電量約計6 0 億千瓦時 如果一半機組 采用調速裝置 則每年可節電4 5 億千瓦時 可見水泵調速的節電潛力很大 經濟效益 很高 目前全國絕大多數水泵機組都沒有采用調速裝置 在進行供水水量 供水壓力控 制調節時 多采用閥門控制 壓水門 與開機臺數控制 能源資源浪費嚴重 對于大多 數電力供水泵站來說 只常運行費用太高 抽水成本居高不下 提抽的單位水量的能耗 太大 是一個長期凼擾供水泵站的問題 從泵站經濟運行理論入手是解決這一難題的辦 法之一 也是一個比較有效的辦法 目前給水泵站的設計按最大揚程與最大流量這一最 不捌條件設計 水泵火多數時問在設計效率以下運行 另外 電動機與水泵之 t 8 j 的大馬 拉小車問題也很嚴重 水泵機組的調速運行是象站經濟運行的重要手段 傳統的定 恒 速水泵供水系統是指水泵在額定轉速F 為系統提供一定水量的供水系統這種傳統而簡 單的給水方式 無反饋信號和J 上力控制 片j 水量小時 系統出力增同 泉效率降低 管 路內漏增加 閥門損壞加劇 j 水量增大時 系統壓力則降低 易造成系統高位供水點 斷流 實際上 定 恒 速水泵給水系統不但存在供水質量差 壓力波動大的缺陷 兩 且不易實現有效的經濟運行 對于用水量變化大的給水系統 特別是用水量小于二分之 額定流量時 水象j 二況點偏離高效能區之外運行 能量損失嚴重 水雜機組變頻調速運行的研究和運用 目前已經成為城鎮供水行業的重要課題 各 地區根掘本地不同情況 也逐步丌始運用 特別是在二十世紀9 0 年代開始 己逐漸在 各地 城鑲供水廠的二次加壓泵站中 即二級送水象站 使用 變頻調速技術以其顯著的節能效果和穩定可靠的控制方式 在風機 水泵 空氣壓 縮機 制冷壓縮機等離能耗設備上廣泛應用 特別是在城鄉工業用水的各級加壓系統 居民生活用水的恒壓供水系統中 變頻調速水泵節能效果尤為突出 變頻調速給水系統 是由作為核心部件的變頻調速器以及壓力傳感器 控制器 泵和管路組成的給水系統 它根據用戶用水量的實際需求 設定壓力控制值 控制器按傳感器送來的用戶用水量信 息 控制變頻器的頻率 自動改變水泵電機的轉速 最終達到調速及調節水量的目的 這種調速供水系統既能保持管網壓力恒定 又能隨時調整供水量 盡管水泵時常偏離額 定流量工況點工作 但水泵的效率仍然維持在高效能區p J 水泵電機的變頻調速技術應用具有其多個方面優越性能 一是節電顯著 二是在開 停機時能夠減小電流對電網及供水水壓對管網系統的沖擊 三是能減小水泵 電機自身 的機械沖擊損耗 在眾多供水行業中的許多實例表明 對水泵電機采用調速技術對企業 變頻恒樂供水系統的 f 究與商H j 降低能耗 提高管網和設備的使用壽命有著重大的經濟意義 也是保障管網系統供水安 全運行的方法之一 P L C 是一種專為工業環境應用而設計的數字運算電子系統 它是以微處理機為基 礎 綜合了計算機技術 自動控制技術和通信技術等現代科技而發展起來的一種新型工 業自動控制裝置 是當今工業發達國家自動控制的標準設各之一 P L C 在小型化 大型 化 大容量 強功能等方而有了質的飛躍 以變頻器為核心結合P L C 組成的控制系統具有高可靠性 強抗干擾能力 組合靈 活 編程簡單 維修方便和低成本等諸多特點 受頻恒壓供水系統集變頻技術 電氣技 術 防雷避雷技術 現代控制 遠程監控技術于一體 采用該系統進行供水可以提高供 水系統的穩定性和叮靠性 方便地實現供水系統的集中管理與監控 同時系統具有良好的 節能性 這在能量H 益緊缺的今天尤為重要 所以研究設計該系統 對于提高企業效率 以及人民的生活水平 降低能耗等方面具有重要的現實意義 1 4 國內外研究概況 變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起束的 在早期 由于國外生 產的變頻器的功能主要限定在頻率控制 升降速控制 正反轉控制 起制動控制 變如 變頻比控制及各種保護功能 應用在變頻恒壓供水系統中 變頻器僅作為執行機構 為 了滿足供水量大小需求不同時 保證管網壓力恒定 需在變頻器外部提供壓力控制器和 壓力傳感器 對壓力進行閉環控制 從魚閱的資料的情況柬看 國外的恒壓供水工程在 設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水象機組的方式 幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水 泵桃組運行的情況 因向投資成本商 即1 9 6 8 年 j j 麥的丹佛斯公司發明并酋家生產 變頻器 丹佛斯是傳動產品全球血大核心供應商之一 后 隨著變頻技術的發展和變頻 恒壓供水系統的穩定性 可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被 大家發現和認可后 尉外許多生產 史頻器的廠家丌始重視并推出具有恒壓供水功能的變 頻器 像瑞典 瑞士的A B B 集團推出了H V A C 變頻技術 法國的施時德公司就推出了 恒壓供水基板 備有 變頻象尉定方式 變頻泵循環方式 兩種模式 它將P I D 調 節器和P L C 可編程擰制器等硬件集成在變頻器控制基板上 通過設詈指令代碼實現P L C 和P I D 等電控系統的功能 只要搭載配套的恒壓供水單元 便可直接控制多個內胃的電 磁接觸器工作 可構成最多七臺電機 泵 的供水系統 4 i 這類設備雖然說是微化了電路 結構 降低了設備成本 但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性 系統的動態性能和穩定 性不高 與別的監控系統 如B A 系統1 和組念軟件難以實現數據通信 并且限制了帶負 載的容量 因此在實際使用時其范圍將會受到限制 人迕理J 人學專業學伊碩士學伊論文 目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程 大多采用國外品牌的變頻器控制水 泵的轉速 水管的管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制 有的采用可編程控制器 P L C g t 相應的軟件予以實現 有的采用單片機及相應的軟件予以實現 但在系統的動態 性能 穩定性能 抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說 還遠遠沒能達 到所有用戶的要求 原深圳華為 現己更名為艾默生 電氣公司和成都希望集團 森蘭牌變 頻器 也推出了恒壓供水專用變頻器 2 2 k w 3 0 k w 無需外接P L C 和P I D 調節器 可完成 最多四臺水泉的循環切換 定時起動 停止和定時循環 月麥丹佛斯公司的V L l 系列 變頻器可實現七臺水泵機組的切換 陔變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集 成在變頻器內部實現 但其輸出接口限制了帶負載容量 同時操作不方便且不具有數據 通信功能 因此只適用于小容量 控制要求不高的供水場所 可以看出 目前在幽內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中 對于能適應不 同的用水場合 結合現代控制技術 網絡和通訊技術同時兼顧系統的電磁兼容性 E M C 的變頻但嫗供水系統的水握閉蝦控制的研究處是個夠的 達 此 自待千迸一步醐究改善 變頻恒壓供水系統的性能 使其能被更好的應用于生活 生產實踐中 目醐 在給水泵站中水泵機組變頻調速系統的主要擰制方式是采集管網壓力信號 采用閉環控制的方法 通過變頻調速系統米控制水泵機組轉速以改變水泵的出水揚程和 電機的輸出功率 采用變頻調速控制改善了工藝 水泵閥門可在全開位置 其出口壓力 等于管嘲供水壓力 閥 J 節流損失減小到零 由于變頻器町以非常平滑穩定的調整 運 行人員可以自如的調控 改善了供水質量 提高了效率 可以避免因通過閥門控制導致 泵過多偏離額定工作區而引起的振動 通常情況下 變頻調速系統的應用主要是為了調 節泵的轉速永改變水泉的出水揚程 以滿足不同條件時對水泵的性能要求 由于起動緩 慢 相應地延長了許多零部件 特別是密封件 軸承的壽命 有效地延長檢修維護周期 減少了檢修維護丌支 節約大量維護費用 采用變頻調節以后 系統實現了軟起動 電機起動電流從零逐漸增至額定電流 起 動時 日j 相應延長 對電網沒有較大的沖擊 減輕了起動機械轉矩對于電機的機械損傷 有效的延長了電機的使用壽命 這種調控方式以穩定水壓為目的 各種優化方案都是以 母管 市政束水管 進口壓力保持恒定為條件 實際上 給水泵站的出口壓力允許在一 定范圍內變化 因此這種調控方式縮小了優化范圍 所得到的解為局部最優解 不能完 全保證泵站始終工作在最優狀態1 5 l 變頻調速是優于以往任何一種調速方式 如調壓調速 變極調速 串級調速等 是 當今國際上一項效益最高 性能最好 應用最廣 最有發展前途的電機調速技術 它采 用微機控制技術 電力電子技術和電機傳動技術實現了工業交流電動機的無級調速 具 變頻恒壓供水系統的研究與應川 有高效率 寬范圍和尚精度等特點 以變頻器為核心結合P L C 組成的控制系統具有高 可靠性 強抗干擾能力 組合靈活 編程簡單 維修方便和低成本低能耗等諸多特點 1 5 課題來源及本文的主要研究內容 本課題的目標是通過變頻恒壓供水控制系統 達到相關工藝的標準要求 保證大連 市市民吃上安全衛生的放心水 確保大連市自來水二次加壓泵站系統安全 可靠 平穩 商效 經濟地運行 使之達到國內甚至國際的領先水平 本文研究的主要內容如卜 1 通過揚程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統的工作點 根據管網和水泵 的運行曲線 說明供水系統的節能原理 2 變頻恒壓供水系統的構成及j 作原理 3 分析變頻恒J 玉供水系統的組成及特點 探討變頻恒如供水系統的控制策略 并歸納實用性的控制方案 4 研究P I D 控制器的設計原理及方法 5 在實際供水系統中運行該系統 分析系統性能 6 恒眶供水遠程監控系統 8 人迕理j 人學專業學位碩十學伊論文 2 變頻恒壓供水系統簡介 2 1 供水系統的基本特性 供水系統的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統管路中的閥門開啟度不變為 前提 表明水泵在某一轉速下揚程 與流量口之間的關系曲線 彩 如圖2 1 所示 由 圖2 1 可以看出 流量p 越大 揚程 越小 出于在閥門丌啟度和水泵轉速都不變的倩 況下 流量的火小主要取決于用戶的用水情況 因此 揚程特性所反映的是揚程 與用 水流量口之蚓的關系 麗管阻特性是以水泵的轉速個變為靜提 表明閥門在某一開度下 揚程 與流量驢之間的關系月可彤 管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統的水 位及J 玉力差 液體在管道q J 流動阻力的變化規律 出圖可知 在同 閥門開啟度下 揚 程 越大 流量口也越大 由于閥門刀 啟度的改變 實際上是改變了在某一揚程一F 供 水系統向用戶的供水能力 幽此 管阻特住所反映的是揚程與供水流量Q 方 日J 的關系 抒可 他 揚程特強曲線和管阻特性曲線的交點 稱為供水系統的工作點 如圖2 1 中 A 點 在這1 點 用戶的用水流量Q 和供水系統的供水流量Q 處于平衡狀念 供水系 統既滿足了揚程特性 也符合了管阻特性 系統穩定運行1 6 1 鯔2 j 供水系統的墓本特性 F i g 2 1T h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h e w a t e rs u p p l ys y s t e m 2 2 變頻調速原理 變頻恒壓供水系統的供水部分主要由水泵 電動機 管道和閥門等構成 通常由鼠 籠式異步電動機驅動水泵旋轉來供水 并且把電機和水泵做成一體 通過變頻器調節異 步電機的轉速 從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水的 具體原理將在下一章闡 變頻恒壓供水系統的研究與麻 述 因此 供水系統變頻的實質是異步電動機的變頻調速 異步電動機的變頻調速是 通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的 l 異步電機的轉差率定義為 S I 一 n n 2 1 異步電機的同步速度為 n t 6 0 t i p 2 2 異步電機的轉速為 薩6 0 f u s 仞 2 3 其中 7 為異步電機的同步轉速 刀為異步電機轉子轉速 z 是異步電機的定子電源頻率 P 為異步電機的極對數 從j i 式 j 知 當電機電極劉數P 不變時 電機轉子轉速口與定子電源頻率廠成 F 比 凼此連續調書異步電機供電電源的頻率 就可以連續平滑地調節電機的同步轉速 從而 調節其轉子的轉速 變頻調速時 從高速到低速都可以保持有限的轉差率 因而變麴調 速具有高效率 高精度 調速范圍廣 平滑性較高 機械恃性較硬的優點 調速性能可 與直流電動機調速系統楣媲美 因此 變頻調速是交流異步電機一種比較合理和理想的 調速方法 它被J 泛地應用于對水泉 肛l 機 電機的調速 2 3 水泵調速運行的節能原理 在供水系統中 通常以流量為控制目的 常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制 法 閥門控制泣是通過調節閥f j 丌啟度來調節流量 水泵電機轉速保持不變 其實質是 通過改變水路中的阻力大小來改變流量 凼此 管阻的特性將隨著閥門丌啟度的改變而 改變 但其揚程特性小變 由于實際用水中 需水量是變化的 若閥門的丌啟度存一段 時蚓內保持4 i 變 必然要造成超如或欠壓現象的出現 轉速控制法是通過改變水泵電機 的轉速柬調節流量 而閥門廳啟度保持不變 是通過改變水的動能改變流量 因此 揚 程特性將隨水泵轉速的改變麗改變 但管阻的特性不變 變頻調速供水方式屬于轉速控 制 8 1 其丁作原理是根掘用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速 使管網壓力始 終保持恒定 當用水量增大時電機加速 用水量減小時電機減速 用閥門控制時 若供水量高峰期水泵工作在E 點 流量為Q 揚程為H 當供水 量從Q 減小到9 時 必須關小閥門 這時閥門的摩擦阻力變人 阻力曲線從 移到 蘆 揚程特性曲線 l i 變 而揚程則從H 上升到H 運行的工況點從點點移到F 點 此時水泵輸出功率用圖形表示為 O Q 只 圍成矩形部分 其值為 P r H I Q 2 2 4 1 0 2 r 一l O 人j i 理j 人學專業學伊頂十學伊論文 筐2 2 管嘲及水雜韻遠行特祉船線 F i g 2 2N e t w o r ka n dp u m p so p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v e n 3 s 當崩調遮控制時 若采用恒叢 日 變速泉 療 供水 管阻特僻蛸線為 8 揚翟 特性變為曲線 2 j 作點從E 點移到D 點 此時水泉輸出功率用圖彤表示為 0 Q D J V 幽成的矩形面積 其值為 P r H o Q 2 2 5 1 0 2 1 可見 改崩調速挎制 節能量為 D E H 崮成的矩形豳積 其值為 么尸 只 r H Q 2 r H o Q 型 r H H o Q 2 2 6 一 1 0 2 7 1 0 2 玎 1 0 2 q 所以 當用閥門控制流量時 有功率被浪費掉 并且隨著閥門不斷的關小 閥門的 摩擦阻力不斷變大 管阻的特性曲線上移 運行工況點也隨之上移 于是日 增大 而 被浪費的功率要照之增加 根據水泵變速運行的相似定律 變速酊后流量g 揚程 功率J P 與轉速 之間的 關系為 魯 巹j 魯2 c 魯2c 億 式中 g P 為變速靜的流量 揚程 功率 c 2 H P 為變速后的流量 揚 程 功率 由公式 2 7 可以看出 功率與轉速的立方成J EL L 流量與轉速成艱比 損耗功率 與流量成正比 所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多 節能效果顯著 人連理l 人學專業學巾碩十學位論文 3 恒壓供水的理論分析及方案設計 3 1 供水壓力和變頻器輸出頻率的關系 j 在變頻恒履供水系統中 供水壓力是通過對變頻器輸出頻率的控制來實現的 確定 供水壓力和輸出頻率的關系是設計控制環節控制策略的基礎 是確定控制算法的依據 自來水二次加壓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來 完成對水流的輸送 也就是通過葉輪高速旋轉帶動水流高速旋轉 靠水流產生的離心力 將水流甩出去 離心泵也因此得名 在給水排水工程中 從使用水泵的角度來看 水泵 的 作必然要和管路系統以及許多外界條件聯系在一起 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稱為 堤置 在控制系統的設計中 真正財系統的分析 和設計有價值的也是這種成為系統的裝置 而不是單單的孤立水泵 水泵裝置如圍3 1 所示 齠3 1 離心泵裴管 F i g 3 1C e n t r i f u g a lP u m p 在水泵機構和理論中 有 些評價水泵性能的性能參數 這罩把與本文研究有關的 幾個參數列舉白I 此 揚程 腳 單位重量液體通過水泵后的能量的增量 流量 水泵在單位時問內所輸送的水體體積 軸切率 m 原動機輸給水泵的功率成為水泵的軸功率 效率 口 水泵的有效功率和軸功率之比 其中有效功率是指單位時問內通過水泵 的液體從水泵那里得到的能量 轉速 n 水泵葉輪的轉動速度 根扼水條理論 在圈3 I 中 變頻恒序供水系統的研究與府爿j 黔厶Z 十型 生 墮遁 3 1 r 2 9 其中 尸 真空表讀數 公斤 厘米 尸 壓力表讀數 公斤 厘米 r 水的單位容積重量 4z 水泵出水口測量點與進水口測量點位置差造成的附加揚程 墮二墮 水泉出水口與迸水口的動能增量轉化的揚程 2 9 由于水泉在送水的過程中 清水池水位一般高于水泵的測量點 所以不存在進水 U 抽真字 所以在進水L j 的真空值為0 水泵進水U 與出水V I 都沿水平方向放置 位置 差為0 水泵在J 下常工作時 動能的變化相對比較小 考慮到這些具體情況 上式可以 改寫為 H 鯉魚 3 2 水象的軸功率為 N r Q H 3 3 n 把揚程的表達式代入上式 得 脞壘壘 3 4 r l 水象是與 臺交流感應電機相連 由電機帶動其運行的 電機的轉速與水泵的轉速 相同 電機的輸出有效功率與水泵的軸功率相等 在電機理論中 感應電機的機械功率 P m 為 u 蘆 P m L 一 3 5 R 生 x 鼻 2 在變頻調速時 由于磁通 脅不變 從電機公式 肇 毒 4 4 4 N K 礦聊 3 6 可以看出 要使主磁通毋m 保持不變 則U f 必須保持不變 因此在變頻調 速過程中 電壓應該與頻率成i F 比例變化 設 人迮理l 人學專業學伊碩 學伊論文 帶入式 3 5 得 U f m 壘斤 Pm 一 十墮 墨 X 2 6 S 根據能量守恒定律 有 N n P m 其中 口為電機的效率 Q P a n n 所以 水泵裝置在變頻調速的工作狀態下運行時 礙墨斤 S 置 冬 x z j 3 7 3 8 3 9 有 3 1 0 從 武n j 以萑出 當變頻器的輸出頻率一定的話況F 當剛戶用水量增人 從而Q 增入時 壓力表的讀數將會變小 即管嘲的供水壓力將會降低 為了保持供水壓力 就 必須增大變頻器的輸出頻率以提高水泵機組的轉速 當用戶的用水量減小時 Q 減小 在變頻器輸出頻率不變的情況下 管網的供水壓力將會增大 為了減小供水的壓力 就 必須降低變頻器的輸出頻率 由于用戶的用水量是始終在變化的 雖然在時段上具有一 定的統司規律 但對精度要求很高的恒壓控制束將 在每一個時刻它都是一個隨機變化 的值 這就要求變頻器的輸出頻率也要在一個動念的變化之中 依靠對頻率的調節來動 念地控制管網的供水壓力 從而使管網中的壓力恒定 3 2 恒壓控制的理論分析 3 2 1 恒壓控制的理論模型 對本文提到的變頻恒壓供水的主要特點進行分析 我們可以得出如下結論 變頻調 速恒壓供水系統控制對象是一個變化的 線性的 滯后的 模型穩定的對象 對它的控 制仍屬于工業過程控制的范疇 它以供水出口管網水壓為控制目標 在控制上實現出口 總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力 設定的供水壓力可以是一個常數 也可以 是一個時 日J 分段函數 在每一個時段內是 個常數 所以 在某個特定時段內 恒壓控 制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上 從恒壓供水控制的原理圖3 2 中可以看出 在系統運行過程中 如果實際供水壓力 低于設定壓力 控制系統將得到正的壓力差 這個差值經過計算和轉換 計算出變頻器 輸出頻率的增加值 該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值 將這個增量和 變頦瞳J 再供水系統的研究與慮片J 變頻器當前的輸出值相加 得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率 該頻率使水泵機 組轉速增大 從而使實際供水壓力提高 在運行過程中玖過程將被重復 直到實際供水 壓力和設定壓力相等為止 如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力 情況剛好相反 變頻器的輸出頻率將會降低 水泵機組的轉速減小 實際供水壓力因此而減小 同樣 最后調節的結果是實際供水壓力和設定壓力相等 1 1 1 國3 2 變額恒厙控制原理陶 F i g 3 2F r e q u e n c yc o n s t a J l tp r e s s u r ec o n t r o ld i a g r a mm a p 32 2 變頻恒壓供水的近似數學模型 由于變頻調速恒壓供水系統的控制對象是一 個變化的 線性的 滯后的 模型穩定 的對象 我們雉以得出它的精確數學模型 只能進行近似等效 水泵出初始狀態丌始向管網進行恒髓i 供水 供水管網從初始壓力開始啟動水泵運 行 直到管網壓力達到穩定要求時經歷隨拿過程 1 水泵將水送到管嘲中 這個階段管網壓力基本保持仞始壓力 這是一個純滯后 的過程 2 水泵將水充滿整個管網 壓力隨之逐漸增加直到穩定 這是一個大時間常數的 慣性過程 系統中其他控制和檢測環節 例如變頻環節 繼電控制的轉換 壓力檢測等的時J B J 常數和滯后時闖與供水系統的時聞常數和滯后時f j 相比 可忽略不計 均可等效為比例 環節 因此 恒壓供水系統的數學模型可以近似成一個帶有純滯后的一階慣性環節 即 可以寫成 G 固 絲二 3 11 辦 l 式中 K 為系統的總增益 r 為系統的慣性時 日J 常數 r 為系統的滯后時間 人近理1 人學專業學忙碩十學伊論文 3 3 變頻恒壓供水系統的構成及工作原理 3 3 1 變頻恒壓供水控制系統控制方案的設計與選擇 從上一節變頻恒壓供水的原理分析可知 該系統主要有壓力傳感器 壓力變送器 變頻器 恒壓控制單元 水泵機組以及低壓電器組成的閉環控制系統 系統主要的設計 任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環控制多臺水泵 實現管網水壓的 恒定和水泵電機的軟起動水泵以及變頻水泵與工頻水泵的切換 l 同時還要能夠對于運 行數據進行傳輸 根掘系統的設計任務要求 結合系統不同的使用場所 有以下幾種方 案可供選擇 1 通片j 變頻器t 水泵機維 這種控制系統結構簡單 用于變化不大且束水I F 常的小流量小容量的系統 靜期投 入成本低 比較經濟實用 2 伺供水基板的 芟頻器1 水泉桃組 垃力傳感器 這種控制系統結構簡單 它將P I D 調節器和P I C J 編程控制器等硬件集成在變頻 器供水基板上 通過設置指令代碼實現P L C 和P I D 等電控系統的功能 它雖然澆微化 了電路結構 降低了設備成本 但在壓力設定和壓力反饋值的顯示比較麻煩 無法自動 實現不同時段的不同的恒壓要求 在調試時 P I D 調節參數尋優困難 調節范圍小 系 統的穩念 動憊性能小易保證 其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性 數據通信困難 并 且限制了帶負載的容量 因此僅適用予要求不高的小容量場合 3 通用 變頻器 單片機 包括變頻控制 調節器控制 十人機界面十壓力傳感器 這種方式控制精度高 控制算法靈活 參數調整方便 具有較高的性能價格比 但 開發周期長