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1、I 摘摘 要要 随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，人民的生 活水平不断提高；同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供 水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区 居民的正常工作和生活。本文根据城区供水管网改造工程设计了一套由 PLC、变频器、 远传压力表、多台水泵机组、计算机等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监 控系统，具有自动工频/变频恒压运行、可实现远程自动控制和现场手动控制等功能。论 文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机 理。通过对变频器内置 PID 模块参
2、数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环 系统，根据用水量的变化，采取 PID 调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节 和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。 论文论述了采用多泵并联供水 方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转 工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计 方案和 PLC 控制程序设计方案。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，增强了 系统的可靠性。并与计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。 关键词关键词：PLC；变频调速；恒压供水；变频工频切换 Abstract With
3、 the continuous deepening of reforming and opening up, the construction and economy of small and medium-sized cities in China have developed rapidly. Peoples living standards have improved constantly. The water supply system is demanded more as city water consum ption increasing. The urban construct
4、ion and economic development and also peoples daily work and life are impacted directly by the reliability, stability and the economical of energy conservation of the water supply system.An autom atic conversion and voltage constant Water Supply and remote monitoring system, which consist of the PLC
5、, the converter, the remote transition pressure gauges, the multi-pumps unit, the computer and so on. It is of automatic line- frequency /conversion function, remote and local automatic control. In this paper, the mechanism of energy saving, which uses speed governing with invertor to design voltage
6、 constant water supply system, competing with traditional valve controlled pressure constant system. Closed loop system is built by presetting the parameter of the PID inside of convertor, and feedback of remote transiton hydraulic meter. Using the step regulation of convertor pump and frequency pum
7、p in full rang of flow to apply PID control on the change of water achieves energy saving of voltage constant water supply. This paper discusses the reasonability of water supply scheme with much pump parallel connection, and analyses the conversion condition and the various states of water supply o
8、f the much pump way of water supply as well as the switch process and the problem of a generator from variable frequency operation mode to work frequency operation mode. In addition，the combination of the system and the computer is achieved，which improved the overall function of the system Key words
9、：PLC; Variable Velocity Variab le frequency; Constantp ressure water-supply; variable frequency to working frequency 目录 摘 要I ABSTRACT .II 1 绪 论.1 1.1 课题背景及意义 1 1.2 变频恒压供水的现况 1 1.3 变频恒压供水系统的特点 3 2 变频恒压供水系统理论分析.4 2.1 供水系统的基本特性 4 2.2 不同控制方式下的能耗分析与比较 5 2.3 变频恒压控制的理论模型 6 2.4 供水系统中的水锤效应及消除方法 7 3 供水系统恒压控制与
10、硬件设计.8 3.1 异步电动机调速方法及选型 8 3.1.1 变极调速.8 3.1.2 变频调速.9 3.2 供水系统的方案确定10 3.2.1 供水系统的流量类型.10 3.2.2 总体设计方案确定10 3.2.3 恒压供水电控系统组成12 3.3 控制系统的硬件设计与选型.13 3.3.1 主电路设计13 3.3.2 电气控制电路设计14 3.3.3 系统主要配置的选型16 3.4 PLC 的选型.19 3.5 系统可靠性措施 20 4 PLC 控制系统的设计.22 4.1 水泵工频/变频运行状态及转换过程分析 .22 4.1.1 供水状态及其转换22 4.1.2 状态转换关系.22 4
11、.1.3 状态转换条件.24 4.2 PLC 程序设计.25 4.2.1 PLC 编程语言.25 4.2.2 梯形图语言编程的一般规则.25 4.3 供水系统控制模块的设计 26 4.3.1 系统初始化模块26 4.3.2 水泵运行与状态转换模块26 5 恒压供水系统的 PID 调节.28 5.1 PID 控制及其控制算法28 5.2 恒压供水 PID 调节过程分析29 结 论.31 附 录.32 致谢.34 参考文献.35 1 1 绪绪 论论 1.1 课题背景及意义 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
12、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。 变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。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 时系统具有良好的节能效果，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 在变频恒压供水系统中利用变频器改变电动机的电源频率，从而达到调节水泵转速， 改变水泵的出口的压力的目的，这种方法比靠调节阀门控制水泵出口压力的方法，具有 更高的效率和优越性。由于水泵工作在变频工况下，在其出口流量小于额定流
13、量时，泵 的转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电动机的机械使用寿命。实现恒压 供水的自动控制，不需要操作人员频繁的操作，大大降低了人员的劳动强度，节省了人 力和能源的消耗。 1.2 变频恒压供水的现况 国内外变频供水系统现状 从 20 世纪 70 年代起，国内外的很多专家，学者就开始尝试将计算机技术应用于供 水系统的模拟，优化设计及供水系统控制等方面。目前，国内外供水系统采用的自动控 制技术不少，其特点是变频技术与其他自动化技术相结合。如最初的恒压供水系统采用 继电接触器控制电路，是与开关量逻辑控制技术结合，通过人工启动或停止水泵和调节 泵出口阀来实现恒压供水。该系统线路复杂，操作麻
14、烦，劳动强度大，维护困难，自动 化程度低，应用前景不好。后来增加了微机和 PLC 监控系统，提高了自动化程度。但由 于驱动电机是恒速运转，水流量靠调节泵出口阀开度来控制，浪费大量的能源，也没有 很好的发展前景。转速控制法是通过改变水泵的转速来调节流量，通过变频技术调速。 变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，得到了广 2 泛的应用。 变频供水系统应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类： (1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特 点是变频控制的电机功率小，一
15、般在 135kW 以下，控制系统简单。由于这一范围的用户 群十分庞大，所以是且前国内研究和推广最多的方式。如希望集团推出的恒压供水专用 变频器。 (2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂这类变频器电机 功率在 135kW-320kW 之间，电网电压通常为 200V 或 380V。受中小水厂规模和经济条件限 制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 (3)大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于 320kW)、 机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多
16、数采用了 国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器。 变频供水系统的发展趋势 (1)变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展 在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高。很多专用供水变频器集成了 PLC 或 PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简单，部分新品的变 频供水只需简单设定压力值就可以正常运行，控制软件和其它参数在出厂时就已设定或 利用传感器自动获取完毕。 (2)高压变频系统在供水行业中的应用 在过去变频供水涉及较少的商压变频系统，也是发展的重要方向，高一低高型的 高压变频系统、串联多电平高压变频供水系统目前己在实际应用中不断完善高压高频中 的谐波等问题也逐步得到解决。 (3)变频送水系统正在融入更全面的供水管理系统 3 面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系 统的效益，是所有供水部门共同面临的重要课题。目前，在美国、日本、法国等地的有 些城市已基本上实现了供水系统的计算机优化，把变频供水与计算机直接调度管理结合 起来，我国也正在进行着这方面的研究与小范围应用。 1.3 变频恒
