1、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高。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。變頻恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，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，這在能量日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。1.1 變 頻 恒 壓供水 產 生 的背 景 和 意 義眾所周知，水是生產生活中不可缺少的重要組成部分，在節水

2、節能已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、工業生產循環水高峰期，水的供給量常常低于需供給量常常高于需求量，出現水壓供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低。主要表現在用求量，出現水壓降低供不應求的現象，而在用水低峰期，水的升高供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能使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，以下就逐一分析。1 一臺恒速泵直接供水系統這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網中抽水，嚴重影響城市公用管網壓力的穩定。這種供水方式，水泵整日

3、不停運轉，有的可能在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩，供水質量極差。2 恒速泵加水塔的供水方式這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時再啟動水泵。水泵處于斷續工作狀態中O這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚程的條件下，水泵處于高效區。這種方式顯然比前一種節電，其節電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數、水泵的開停時間比、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

4、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，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果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。3 恒速泵加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頂層。高層建筑還可分層設立水箱。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，將完全由人操作，使系統的供水質量下降能

5、耗增加。4 恒速泵加氣壓罐供水方式這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，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，再將二者做一比較。5 變頻調速供水方式這種系統的原理是通過安裝在系統中的壓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

6、控制、給水系統最不利點恒壓控制。(1) 出口恒壓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。這種方式適用于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，由于管路能耗較大，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。(2) 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 24 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，進行全日變壓，各時段恒壓控制。這種控制方式其

7、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24 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。(3) 最不利點恒壓控制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，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

8、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O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定的鋼量，這也是它的一個較大的缺點。而變頻調速供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置占地面積僅為幾平米。由此可見變頻調速供水方式比氣壓罐供水方式將節省大量占地面積O在運行效

9、果上，氣壓罐方式與調速式相比也存在著一定差距。氣壓罐方式的運行不穩定，突出表現在它的頻繁啟動。由于氣壓罐的調節容量僅占其總容積的 1/3-1/6， 因 而每個罐的調節能力很小，只得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O變頻調速式的運行十分穩定可靠，沒有頻繁的啟動現象，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，防止了的水質二次污染，保證了飲用水水質可靠。效益與社會效益。省占地、節省投資、調節能力式供水系統具有節約能源、節省鋼材、節大

10、、運行穩定可靠的優勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經濟1.2 變 頻 恒 壓供水 系 統 的國 內 研 究現狀變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。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、起制動控制、壓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。從查閱的資料的情況來看，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泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高

11、。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，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻泵固定方式”， “變 頻泵循環方式變頻器，像日本 Samco公司，就推出了恒壓供水基板，備有兩種模式。它將PID 調節器和PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現PLC 和 PID 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置的電磁接觸器工作，可構成最多7 臺電機（泵 ）的供水系統。這類設備雖微化了電路結構，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

12、態性能和穩定性不高，與別的監控系統（如 BA 系統）和 組態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。目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速，水管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（PLC）及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。原深圳華為電氣公司和成都希望集團（森蘭變頻器 ）也推出子恒壓供水專用變頻器（5.5kw-22kw） ，無需外接PLC 和 PID 調節器，可

13、完成最多4 臺 水泵的循環切換、定時起、停和定時循環。該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，目前在國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（EMC）的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制研究得不夠。因此，有待于進一步研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。1.3 課 題 來 源及本 文 的 主要 研 究 內容1 課題來源本課題來源于生產、生活供水

14、的實際應用。2 研究的主要內容通過前面對傳統供水現狀和變頻恒壓供水系統的應用前景分析可知，變頻調速恒壓供水系統在我國己成為供水行業發展的主流趨勢。變頻恒壓供水系統主要由變頻器、可編程控制器、各種傳感器等組成。本文研究的目標是對恒壓控制技術給予提升，使系統的穩定性和節能效果進一步提高，操作更加簡捷,故障報警及時迅速，同時具有開放的數據傳輸。該系統可以用于深井泵恒壓供水系統、各類型的自來水廠、供熱和空調循環用水系統、消防用水系統、工業鍋爐補水系統，還可以廣泛應用于化工、制冷空調和其他工業及民用領域。本文研究的主要內容如下：(a)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

15、運行曲線 ，說明供水系統的節能原理。(b)分析變頻恒壓供水系 統的組成及特點，探討變頻恒壓供水系統的控制策略，并歸納實用性的控制方案。(c)研究PID控制器的設計原理及方法。(d)設計變頻恒壓供水系 統的硬件和軟件。2調速恒壓供水系統能耗與安全性分析在供水系統中，用水 量處于動態變化過程之中，采取恒速泵供水方式，無法維持管壓恒定,同時也影響設備壽命;若采取閥門控制調節流量來維持管壓,必然造成大量的電能浪費；而且水泵電機直接工頻起動與制動帶來的水錘效應，對管網、閥門等也具有破壞性的影響。基于恒壓、節能及安全性考慮,采取變頻調速恒壓供水方式是一種不錯的選擇。據統計采用變頻調速技術調節流量實現恒壓供

16、水,可節20-50%,節能效果相當顯著。在討論變頻調速恒壓供水系統節能機理與安全性之前，有必要討論分析供水系統的一些基本概念和特性。2.1 供水系統的基本模型和主要參數供水系統的基本模型如圖2-1所示。吸入口圖 2-1 供水系統的基本模型b）基本模型a）全揚程的概念圖中：L0水泵中心位置；h0吸水口水位；h1 水平面水位；h2管道最高處水位；h3在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真 實的管道系統中，這個位置并不存在。只 有在h3大于管道的實際最高位置的 情況下，才能正常水。主要參數有：31 流量Q 單位時間內流過管道內某一截面的水流量，常用單位

17、是m /min ；2揚程H 也稱水頭，是供水系統把水從一個位置上揚到另一位置時水位的變化量，數值上等于對應的水位差，常用單位是m；3.實際揚程Hb供水系統中，實際 的最高水位h2與最低水位hi之間的水位差，即供水系統 實際提高的水位。即： HB = h2 - h1 ；4全揚程H T 水泵能夠泵水上揚的最高水位h3 與吸入口的水位h0 之間的水位差。全揚程的大小說明了水泵的泵水能力。即：H T = h3 - h0 ；5損失揚程H L 全揚程與實際揚程之差，即為損失揚程。H B , H T , H L 之間的關系是：HT = HB + HL 。供水系統為了保證供水，其全揚程必須大于實際揚程，這多余

18、的揚程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵償各部分管道內的摩擦損失；6管阻R 閥門和管道系統對水流的阻力和閥門開度、流量大小、管道系統等多種因素有關，難以定量計算，常用揚程與流量間的關系曲線來描述；7壓力P 表明供水系統中某個位置水壓大小的物理量。其大小在靜態時主要取決于管路的結構和所處的位置，而在動態情況下，則還與流量與揚程之間的平衡情況有關。2.2 供 水 系 統的特 性 曲 線和 工 作 點供水系統的參數表明了供水的性能。但各參數之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內在聯系和變化規律。這種聯系和變化規律可用供水系統的特性曲線直觀地反映，主要有揚程特性曲線和管組特性曲線，如圖2-2

19、。通過特性曲線圖可以掌握供水系統的性能，確定其工作點。圖 2-2 中：曲線額定轉速nN時的揚 程特性曲線；曲線轉速ni時的揚程特性 曲線；曲線閥門開度100%時的 管阻特性曲線；HtQeQn圖2-2供水系統特性曲線曲線閥門開度不足100% 時的管阻特性曲線。1 .揚程特性一轉速下，全揚程與流量間以管路中的閥門開度 不改變為前提，即截面積不變，水泵在某 的關系曲線Ht f(Q),稱為揚程特性曲線。不同轉速下，揚程特性 曲線不同，圖2-2中的曲線 、分別對應于轉速nN、ni,且nN > n1。曲線表明轉速一定時，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻損耗也就越大，供水系統的全揚程就越小，反映

20、用戶的用水需求狀況對全揚程的影響的。在這里，流量的大小取決于用戶，是用水流量，用 Qu表示。用水量一定時，即 Qu不變，轉速越低，水 泵的供水能力越低，供水系統的全揚程就越小。2 .管阻特性以水泵的轉速不改變 為前提，閥門在某一開度下，全揚程與流量間的關系曲線 Ht f(Q),稱為管阻特性曲線。 不同閥門開度，管阻特性曲線不同，圖 2-2中的曲線對應閥門開度大于曲 線對應的閥門開度。管阻特性表明由閥門 開度來控制供水能力的特性曲線。此時轉 速一定，表明水泵供水能力不變，流量的大小取決 于閥門的開度，即管阻的大小，是由供水側來決定的，故管阻特性的流量可以認為是供水流量，用Qg表示。在實際的供水管

21、道中，流量具有連續性，并不存在供水流量與用水流量的差別。這里的Qg和Qu是為了便于說 明供水能力和用水需求之間的平衡關系而假設的量。當供水流量Qg接近于。時，所需的揚程等于實際揚程（Ht Hb）。表明了如果全揚程小 于實際揚程的話，將 不能供水。因此，實際揚程也就是能夠供水的基本揚程。3 .供水系統的工作點揚程特性曲線和管阻 特性曲線的交點，稱為供水系統的工作點。在這一點，供水系統既滿足了揚程特性，也符合 了管阻特性。供水系統處于平衡狀態，系統穩定運行。圖2-2中的N點表示水泵工作于額定 轉速，閥門開度為100%時的供水狀態，為系統的額 定 工作點。4 .供水功率供水系統向用戶供水 時所消耗的

22、功率PG （kW）稱為供水功率，供水功率與流量和 揚程的乘積 成正比PG CPHrQ（2-1）式中CP 一比例常數。2.3 供水系統中恒壓實現方式對供水系統進行的控 制，歸根結底是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是供水系統的基本控制對象。而流 量的大小又取決于揚程，而揚程難以進行具體測量和控制。考慮到動態情況下，管道中水壓的大 小是揚程大小的反映，而揚程與供水能力（由流量Qg表示）和用水需求（由用水流量Qu表示）之間的平衡情況 有關。若供水能力Qg 用水需求Qu ,則壓力P上升；若供水能力Qgv用水需求Qu ,則壓力P下降；若供水能力Qg =用水需求Qu ,則壓力P不變。 可見，流體壓力P

23、的變化反映了供水能力與用水需 求Qu之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來調節管道流量大小。這說明，通過恒壓供水就能保證供水能力和用水流量處于平衡狀態，恰到好處地滿足了用戶所 需的用水流量。將來用戶需求發生變 化時，需要對供水系統做出調節，以適應流量的變化。這種調節就是以壓力恒定為前提來實 現的。常用的調節方式有閥門控制法和轉速控制法兩種。(1)閥門控制法轉速保持不變，通過 調節閥門的開度大小來調節流量。實質是水泵本身的供 水能力不變，而通過改變水路中的阻力大 小來強行改變流量大小，以適 應用戶對流量的需求。這時的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。(2)轉速控制法閥門開度保持不變，

24、通過改變水泵的轉速來調節流量。實質是通過改變水泵 的供水能力來適應用戶對流量的需求。當水泵的轉速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。2.4 異步電動機調速方法通過轉速控制法實現 恒壓供水，需要調節水泵的轉速。水泵通 過聯軸器由三相異步電動機來 拖動，因此水泵轉速 的調節，實質就是需要調節異步電動機的 轉速。由三相異步電動機的轉速公 式nni (1S)60f” A一(1 9P(2-2)式中 ni一一異步電動機的同步轉速，r/min；n異步電動機轉子轉速 ，r/min；P 異步電動機磁極對數；f 一一 異步電動機定子電壓頻率，即電源頻 率;S轉差率，S n1 nxi00%。由式(2-2)

25、可知調速方法有變極調速、變轉差調 速和變頻調速。1 .變極調速在電源頻率一定的情 況下，改變電動機的磁極對數，實現電機轉速的改變。磁極對數的改變通過改變電機定子繞 組的接線方式來實現。這種調速方式只適用于專門的變極電機，而且是有極調速，級差大，不適 用于供水系統中轉速的連續調節。2 .變轉差調速通過改變電動機的轉 差率實現電機轉速的改變。三相異步電動機的轉子銅損耗為'2 'PCu2 3 2 r2 sPm(2-3)該損耗和電機的轉差 率成正比，又稱為轉差功率，以電阻發熱方式消耗。電動機工作在額定狀態時，轉差率s很小，相應的轉子銅損 耗小，電機效率高。但在供水系統中由轉速控制法實現

26、恒壓供水時，為適應 流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態，其轉速值往往遠低于額定轉速，此時的轉差率s增大，轉差功率增大，電機運行效率降低。雖然變轉差調速中的串級調速法能將 增加部份的轉差功率 通過整流、逆變裝置回饋給電網，但其功率因數較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機相 匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環節的電能損耗。因此變轉差調速方法不適用于恒壓供水系統中的轉速控制法。3.變頻調速通過調節電動機的電源頻率來實現電機轉速的調節方式。這種調速方式需要用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的,簡稱為 VVVF (VariableVoltage Variable Fre

27、quency) o在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通基本不 變，其關系為比=常數f1式中ui 變頻器輸出電壓，f1 變頻器輸出頻率。變頻調速方式時，電動機的機械特性表達式2 'T m pU1 r2 /s2 % 員)僅1*')2s(2-4)式中 m 一一電機相數；門一一定子電阻； xi一一定子漏電抗； x2 一一轉子漏電抗折算 值。頻率f1從額定值fN往下調時,電機機械特性變化情況如圖2-3所示。圖中 fN > f1 > f2 > f3> f4。(2-7)變頻調速過程的特點：靜差率小，調速范圍 大，調速平滑性好，而且，很關鍵的 其轉差率不變

28、。電機 于恒壓供水方式中的 壓供水系統中采取變 優良的運行特性和明一點是調速過程中， 的運行效率高，適合 轉速控制法。因此恒 頻調速方式可以獲得 顯的節能效果。圖2-3變頻調速機械特性2.5變頻調速恒壓供水系統能耗分析2.5.1 轉速控制調節流量實現節能(1)轉速控制法與閥門控制法供水能耗分析在圖2-2中，將閥門控制法和轉速控制法的特性曲線畫在了同一坐標系中 。假設系統原工作于額定狀態 N點，當所需流量減少，從額定流量Qn變為Qe時，在恒壓前提下，采 用閥門控制法時供水系統工作點 將移到A點，對應的供水功率 PG與面積AHeOQe成正比；采用轉速控 制法 時供水系統工作點將 移到B點，對應的供

29、水功率 PG與面積BHcOQe成正比。兩種控制方式下的面 積之差 "=AHeHcB表明了采取轉速控制方式相 對于閥門控制方式 可以實現節能。(2)轉速調節與恒速運行供水能耗分析根據水泵比例定理， 改變轉速n,水泵流量Q、揚程H和軸功率P都隨之相應變化，其關 系式為(2-5)(2-6)Q .niQn2-Hi(ni)2Hn(n1)3n式中 ni, Qi , Hi , R分別為調速后的水泵轉速、流量、揚程和軸功率。從以上關系可 知,大的。當轉速n下降時，軸功率按轉速變化的 3次方關系下降，可見轉速對功率的影響是最般在設計中，水泵 均考慮在最不利工況下供水，水泵在選型上也是按水泵額定工作點選

30、型和安裝使用，即按額 定工作點設計。但在實際運行中，管網用 水量常常低于最不利工況，這時, 如降低轉速相對于恒速泵供水運行，能使水泵的軸功率大大減 少。可見 ，在供水系統 中根據用水量的大小，通 過變頻方式調節水泵轉速的方式來實現供水有很好的節能效果。 而且這種方式在用水量較少時節能效果更為明顯。2.5.2轉速控制供水系統的工作效率高(1)工作效率的定義供水系統的工作效率為水泵的供水功率 p與軸功率p之比，即G' p_PG(2-8)該效率是包含了水泵本身效率在內的整個供水系統的總效率。式(2-8)中，pp是指水泵是在定流量、揚程下運行時所需的外來功率，即電動機的輸出功率；PG是供水系統

31、的輸出功率也就是水獲得的實際功率，由實際供水的揚程和流量計算。供水過程中的損耗主要來自于水泵本身的機械損耗、水力損失、容積損失，以及管路中的管阻損耗。PP(2)供水系統工作效率的近似計算公式水泵工作效率相對值的近似計算公式如下*Q、Ci(r)n一* nQ"Q"、n Ci、C2為常數，遵循如下規律 Ci-C2=i。(2-9)C (2)2n*式(2-9) 中 pQ n 效率、流量和轉速的 相對值均小于1。有以下關系，p N(3)不同控制方式時的工作效率*O _* 一= Q ,隨著流重的 減小，Q減小，水泵工 閥門控制法方式，因 轉速不變，n=l,比值n * . .作的效率 p降

32、低十分明顯。* *c 一、-、一 _ _一，j Q 不轉速控制方式時，因 閥門開度不變，由式(2-4),流量Q和轉速n是成正比的，比值 了 1 變。即水泵的工作效 率是不變的，總是處于最佳狀態。所以，轉速控制方式 與閥門控制方式相比，供水系統的工作效 率要大得多。這是變頻調速供 水系統具有節能效果的第二個方面。2.5.3變頻調速電機運行效率高在設計供水系統時， 額定揚程和額定流量通常留有裕量，而且 ，實際用水流量也往往達不到 額定值，電動機也常 常處于輕載狀態，電機恒速運行時效率和 功率因數很低。采用變頻調速方式 變頻器能夠根據負載 輕重調整輸入電壓，從而提高了電動機的 工作效率。這是變頻調速

33、供水系統 具有節能效果的第三個方面。2.6供水系統安全性討論2.6.1 水錘效應在極短時間內，因水 流量的急巨變化，引起在管道的壓強過高 或過低的沖擊，并產生空化現 象，使管道受壓產生 噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘 效應。水錘效應具有極大的破壞性。 壓強過高，將引起管 子的破裂；壓強過低，又會導致管子的癟 塌。此外，水錘效應還可能損壞閥 門和固定件。2.6.2 產生水錘效應的原因及消除辦法產生水錘效應的根本 原因，是水泵在起動和制動過程中的動態轉矩太大，短時間內流量的巨大變化而引起的。采 用變頻調速，通過減少動態轉矩，可以實現徹底消除水錘效應。水泵的動態轉矩大小 決定了水泵加速過程的快

34、慢，決定了加速過程流量變化的快慢，也就決定了水錘效應的強弱。拖動系統中，動態轉 矩Tj Tm TL; Tm：是電動機的拖動轉矩； Tl ：是供水系統的制動轉矩。圖2-4反映了全壓起動和變頻起動過程中動態轉矩情況。圖中曲線是異步電動機的機械特 性，曲線是水泵的機械特性，圖2-4b)中的鋸齒狀線是變頻起 動過程中的動態轉矩。由圖2-4可知，水泵在直接起動過程時，因頻起動，可有效地降 低動態轉矩消除水錘效應。停機過程效果類似。動態轉矩很大，造成了強烈的 水錘效應，通過變圖2-4水泵的直接起動和變頻起動a)全壓起動b)變頻起動2.6.3 變頻調速對供水系統安全性的作用采用變頻調速，對系統的安全性有一系

35、列的好處：(1)消除了水錘效應，減少了對 水泵及管道系統的沖擊，可大大延長水泵及管道系統的壽命;(2) 降低水泵平均轉速，減小工作過程中的平均轉矩，從而減小葉片承受的應力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長；(3)避免了電機和水泵的硬起動，可大大延長聯軸器壽命；(4)減少了起動電流，也 就減少了系統對電網的沖擊，提高了自身 系統的可靠性。3 變 頻 調 速 恒 壓供 水 控 制 系 統設 計3.1 供 水 系 統總體 方 案 的確 定1 用戶需求供水系統總體要求：(1)由多臺水泵機組實現供水，流量范圍120m3/h,揚程80米左右;助泵，用于小流量時的供水；尤其在換泵時波動要小；(2)

36、 設置一臺小泵作為輔(3) 供水壓力要求恒定，(4) 系統能自動可靠運行，為方便檢修和應急，應具備手動功能；(5) 各主泵均能可靠地實現軟啟動；(6) 具有完善的保護和報警功能；(7) 系統要求較高的經濟運行性能。2方案確定確定供水系統總體設計方案的基本依據是設計供水能力能滿足系統最不利點用水需求，同時還需要結合用戶用水量變化類型，考慮方案適用性、節能性及其它技術要求。根據用戶的用水時段特點可將用戶用水量變化類型分為連續型、間歇型兩大類，根據流量的變化特點，還可進一步細分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。不同季節、不同月份，流量變化類型也會改變。連續型是指一天內很少有流量為零的時候

37、，或本身管網的正常泄漏就保持有一定的流量。間歇型指一天內有多段用水低谷時間，流量很小或為零。采用變頻調速方式來實現低流量時的恒壓供水節能效果比較明顯，與通常的工頻氣壓給水設備相比平均節能可達30%。 水 泵變頻軟起動沖擊電流小，也有利于電機泵的壽命，此外水泵在低速運行時，噪聲小。采用多臺水泵并聯供水，根據用水量大小調節投入水泵臺數的方案。在全流量范圍內靠變頻泵的連續調節和工頻泵的分級調節相結合，使供水壓力始終保持為設定值。多泵并聯代替一、二臺大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。首先是節能，每臺泵都可以較高效率運行，長期運行費用少；其二，供水可靠性好，一臺泵故障時，一般并不影響系統供水

38、，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺泵來配置變頻器容量，減少投資。處于供水低谷小流量或夜間小流量時，為進一步減少功耗，采用一臺小流量泵來維持正常的泄漏和水壓。多泵變頻循環工作方式的可靠切換，是實現多泵分級調節的關鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強、調試方便、維護工作量小的PLC 通過編程來實現。供水系統的恒壓通過壓力變送器、PID 調節器和變頻器組成的閉環調節系統控制。根據水壓的變化，由變頻器調節電機轉速來實現恒壓。綜合以上分析，確定以可靠性高、使用簡單、維護方便的變頻器和 PLC 作為主要控制設備來設計變頻調速恒壓供水系統，其總體結構如圖

39、3-1。變頻器PIDSLh用戶壓力上下限信號廣電網電流予水位下 限信號M2M3圖3-1系統構成方案圖PLC FX2N32MRYV1SLl儲水池3.2控制系統的硬件設計3.2.1 系統主要配置的選型1 .水泵機組的選型根據系統要求的總流 量范圍、揚程大小，確定供水系統設計流量和設計供水壓力（水泵揚程）,考慮到用水量類型為 連續型低流量變化型，確定采用3臺主水泵機組和1臺輔助泵機組，型號及參數見表3-1。表3-1水泵型號及參數用水量/ ( m3 / h)揚程/ m水泵型號電動機功率/kw配用變頻器/kw36310065LG50-205222224110050LG24-20511112.變頻器的選型

40、根據控制功能不同， 通用變頻器分為三種類型。普通功能型 u/f控制變頻器，具有轉矩控制 功的高功能型u/f控制變頻器，矢量控制高 功能型變頻器。供水系 統屬泵類負載，低速運行時的 轉矩小，可選用價格相對便宜的u/f控制變頻器。綜合以上因素，系統 選用專為風機、泵用負載設計的普通功能型u/f控制方式的森蘭變頻器，型號BT12S22KWI,變頻器內置PID控制模塊，可用于閉環控制系統 ，實現恒壓供水。其主要參數及性能介紹如下：額定容量：30KVA ;額定電壓：380V;額定電流：45A;額定過載電流：額定電流的120%1分鐘。配用制動電阻：30。3 . PLC的選型依據控制任務，從 PLC的輸入1

41、輸出點數、存儲器容量、輸入 l輸出接口模塊類型等方面等 來選擇PLC型號。在供水系統的設計中，我們選 擇三菱FX2N-32MR ,其I/O端子分配在3.2.4節 給出。FX2N-32MR 主要參數及特點：I/O點數：16/16;用戶程序步數：4K;基本指令：27條；功能指令：298條；基本指令執行 時間：0.08微秒；通 信功能：強；輸出形式：繼電型；輸出能 力：2A/點。4 .壓力變送器及數顯儀的選型選用普通壓力表 Y-100和XMT-1270數顯儀實現壓 力的檢測、顯示和變送。 壓力表測量范圍 0-1MPa,精度1.5;數顯儀輸出一路4-20mA電流信號，送給變頻器 作為PID調節的反饋電

42、信號， 可設定壓力上下、限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號 。5 .其余器件型號表3-2器件型號表元件ii#>>備注自動開關DW10-200/3脫扣器150ADZ4-50/320脫扣器50A1個DZ4-25/320脫扣器25A1個接觸器CJ10-607個熔斷器RM10-100/801個RM10-200/1254個RM10-600/5001個按鈕開關LA19-11規格：5 0 0 V14個指示燈XD624V,1.2W4紅，8綠中間繼電器DZ-53/22024V,2.5-5W14個高低水位控制器EQ1個主令控制器SA1個熱繼電器JR16-60/3D熱元件32A, 45A1個32A,

43、 3個45A3.2.2 主電路方案設計三臺大容量的主水泵(1#,2 #,3 #)根據供水狀態的不同，具有變頻、工頻兩種運行方式，因此每臺主水泵均要求通 過兩個接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯；輔助泵只運行在工頻狀態，通過一個接觸器 接入工頻。連線時一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據電動機制容量來確定。QF1,QF2,QF3,QF4,QF5,QF6分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運行空氣開關，FR1, FR2, FR3, FR4為工頻運行時的電機過載保護用熱繼電器，變頻運行時由變頻器來實現電機過載保護。QF4KM6圖3-2主電路圖QF5KM7變頻器的主電路輸出 端子（U, V

44、, W）經接觸器 接至三相電動機上，當旋轉方向與工頻時電機 轉向不一致時，需要 調換輸出端子（U,V,W）的相序，否則無法工作。變頻器和電動機之間的配線長度應控制在100m以內。在變頻器起動、運行 和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子 FWD（REV）來操作，不得以主電路空氣開關 QF2的通斷來 進行。為了改善變頻器的功率因素，還應在變頻器的（Pl, P+）端子之間需接入相應的 DC電抗器。變頻器接地端子必須可靠接地，以保 證安全，減少噪聲。圖 3-2給出了供水系統電氣控制主回路的主要聯線關系。3.2.3 控制電路設計在控制電路的設計中，必須要考慮弱電和強電之間的隔離的問

45、題。為了保護PLC設備，PLC輸 出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在 PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器 ，通 過中間繼電器控制 接觸器線圈的得電/失電，進而控制電機或者閥門的動作。通 過隔離，可延長 系統 的使用壽命，增 強系統工作的可靠性。控制電路之中還要考 慮電路之間互鎖的關系，這對于變頻器安全運行十分重要。變頻器的輸出端嚴禁和工頻電源因此，在控制電路中相連，也就是說不允許一臺電機同時接到 工頻電源和變頻電源的情況出現。多處對各主泵電機的工頻/變頻運行接觸器作了互鎖設計；另外，變頻器是按單臺電機容量配置,不允許同時帶多臺電機運行，為此對各電 機的變頻運行也作了互鎖設計。為

46、提高互鎖的可靠性,在PLC控制程序設計時，進一步通過 PLC內部的軟繼電器來做互鎖。控制電路中還考慮了 電機和閥門的當前工作狀態指示的設計,為了節省PLC的輸出端口，在電路中可以采用 PLC輸出端子的中間繼電器的 相應常開觸點的斷開和 閉合來控制相應電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統電機和閥門的工作狀態。出于可靠性及檢修方 面的考慮，設計了手動/自動轉換控制電路。通過轉換關及相應的電路來實現。圖3-3給出了供水系統的部份電氣控制線路圖。NSAkA， kA kA kA kA kA kASB11SB1n sb34 J t kA1SB5SB8中SB9- kA4 SB1時kA5SB1SB2kA

47、5kA3kA1kA2kA 二HL0kA1kA2FR1kA2 5SB6>=rkA5kA4kA3kA1kA3kA5kA1kA3 口kA4 mFR2kA6JISB13A kA6 j7 SB1<FkA7kA5Z3 kA6O kA7 口FR3FR4圖3-3手動控制線路圖圖3-3中，SA為手動/自動轉換開關，KA為手動/自動轉換用中間繼電器，打在位置為手 動狀態，打在 位置KA吸合，為自動狀態。在 手動狀態，通過按鈕 SB1-SB14控制各臺泵的起停。在自動狀態時， 系統執行PLC的控制程序，自動控制泵的起停。中間繼電器KA的7個常閉觸點串接在四臺泵的手動控制 電路上，控制四臺泵的手動運行。中

48、間繼電器KA的常開觸點接PLC的XO ,控制自動變頻運行程序的執行。在自動狀態時，四臺泵在PLC的控制下能夠有序而平穩地切換、運行電動機電源的通斷，由中間繼電器KA1-KA7控制接觸器KM1-KM7的線圈來實現。HLO為 自動運行指示燈。FR1, FR2, FR3, FR4為四臺泵的熱繼電器的常閉觸點，對電機進行過載保護。3.2.4 PLC的I/O端子分配及接線圖PLC的I/O分配如表3-3。表3-3 PLC的I/O端子分配現場器件與接線段子I/O地址功能注釋輸入中間繼電器KA常開觸點X0自動/手動轉換開關變頻器Y2端子X1變頻器輸出頻率極限信號遠傳壓力表壓力上限電接點X2壓力下限到達信號遠傳

49、壓力表壓力下限電接點X3壓力上限到達信號水池水位下限信號X4水池缺水接觸器KM8常開X5變頻器故障報警信號接觸器KM9常開X15壓力上下限報警信號變頻器Y1X16變頻器過載信號輸出KA8線圈Y0實現運行/停止控制KA1線圈Y11#變頻運行控制及指示KA2線圈Y21#工頻運行控制及指示KA3線圈Y32#變頻運行控制及指示KA4線圈Y42#工頻運行控制及指示KA5線圈Y53#變頻運行控制及指示KA6線圈Y63#工頻運行控制及指示KA7線圈Y7輔助泵工頻運行控制及指示KA10線圈Y10水池水位下限報警指示KA11線圈Y11變頻器故障報警指示KA12線圈Y12水壓上下報警KA13線圈Y13自動變頻運行

50、指示KA14線圈Y14自動工頻運行指示KA15線圈Y15變頻器過載運行指示依據表3-3得FX2N-32MR的I/O 口的輸入輸出電路圖，如圖3-4。圖3-4 PLC的接線圖3.2.5 變頻器功能設定及接線圖表3-4變頻器接線 及參數設置變頻器端子現場器件與接線端子功能代碼參數設定解釋FWDKA8線圈Y1PLC 的 X16F334輸出過載預報信號Y2PLC 的 X1F332輸出頻率到達信號CMPLC 的 COMPE接地端子IRF接壓力傳感器輸入信號30A, 30BKM8線圈變頻器故障總報警信號30PA, 30PBKM9線圈壓力上下限報警信號F012頻率由外控端子 IRF420mAF021外控FW

51、D,REV控制，STOP有效F031電動機停車方式自由制動F0450.00 Hz最大頻率F06380V最高輸出電壓F102電子熱保護，過載預報動作F1249.5Hz上限頻率F1320.00 Hz下限頻率F2110.00 Hz啟動頻率F271轉向鎖定，正向有效F503反饋方式模擬電流 420mAF444控制對象是壓力表3-4中頻率參數設置說明:(1)最大頻率：水泵屬于平方律負載，轉矩T 8n2 ,當轉速超過其額定 轉速時，轉矩將按平方規律增加，導致電 動機嚴重過載。因此，變頻器的最高頻率只能與水泵額定頻率相等。(2)上限頻率：由于變頻器內部具有轉 差補償功能，在50Hz的情況下，水泵在變頻運行時

52、 的 實際轉速要高于工頻運行時的轉速，從而增大了電動機的負載，因此實際預置得略低于額定頻率。(3)下限頻率：在供水系統中，轉速過低，會出現水泵的全揚程小于基本揚程(實際揚程)，形成水泵 空轉”的現象。所以，在多 數情況下，下限頻率不能 太低，可根據實際情況適當調整。(4) 啟動頻率：水泵在啟動前，其葉輪全部在水中，啟動時，存在著一定的阻力，在從0Hz開始啟動的一段頻率內，實際上轉不起來。因此，應適當預置啟動頻率值，使其在啟動瞬間有一點沖擊力。4 系 統 軟 件 開 發4.1 PLC 控制程序的 設 計4.1.1 全 自 動 變頻 恒 壓 運行 方 式 水 泵運 行 狀 態 及轉換 過 程分 析1 轉換過程分析啟動自動變頻運行方式時，首先起動輔助穩壓泵工頻運行供水，當用水量大，超過輔助泵最大供水能力而無法維持管道內水壓時，PLC 通 過變頻器啟動1 號主水泵供水，同時關閉輔助泵的運行。在1 號主水泵供