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1、电气工程自动化论文题 目 恒压变频供水系统的研究学 院 物理与电子工程学院专 业 电气工程及其自动化台州学院毕业设计（论文）摘要随着电子技术、交流调速技术的不断完善和计算机技术的迅速发展，变频调速方法在恒压供水控制系统得以应用，这不仅大大提高了系统的自动化程度，而且也有效地减少了能源浪费。本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理。接着分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构。本文采用变频器和PLC实现恒压供水，采用AT89C51单片机系统模拟供水网络。采用PID控制算法对系统中的恒压控制器进行设计。最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。关键词变频调速；恒压供水；
2、PLC；PID控制AbstractWith the development of electrical and AC motor control technology as well as computer technology，the frequency control technology has been applied in water supply system of constant pressure，which can not only boost the degree of automation but also reduce energy wasteThis paper ex
3、plains water supply systems energy-saving principle of pump variable frequency speed regulating according to characterisitic curve of running pipelines and water pump，analyzes the structure of variable frequency regulating constant pressure water supplyIn this paper，the executing agency is the progr
4、ammable logic controller（PLC） and the frequency converter AT89C51 has been applied in order to simulate the water supply networkProportion integration derivative （PID） has been applied in order to design the controller for constant pressureBy the end of this paper introduces the hardware and softwar
5、e of the system Key wordsVariable frequency speed control；Constant pressure water supply；Programmable logic controller（PLC）；Proportion integration derivative（PID）目 录1引言12恒压变频供水系统简介12.1供水系统的基本特性12.2变频调速原理22.3水泵调速运行的节能原理33恒压供水系统的理论分析及方案设计53.1供水压力和变频器输出频率的关系53.2恒压控制的理论分析73.3恒压变频供水系统的方案设计93.3.1恒压变频供水控制系
6、统控制方案的设计93.3.2恒压变频供水系统的构成93.3.3恒压变频供水系统中加减泵的条件分析104恒压变频供水的PID控制124.1PID控制算法的一般形式124.2离散PID控制算法144.3OMROM PLC的PID控制指令155变频恒压供水系统的软硬件设计175.1系统的硬件组成175.1.1PLC的输入输出175.1.2变频器参数设置175.2被控对象的硬件设计185.2.1主控芯片185.2.2A/D转换电路195.2.3D/A转换电路205.2.4数码管显示电路205.3系统的软件设计215.3.1被控对象的软件设计215.3.2恒压变频供水系统的控制流程226系统仿真研究及调
7、试236.1系统的仿真研究236.2系统调试247总结与展望26参考文献27致谢28附录一：被控对象原理图29附录二：系统接线图30附录三：被控对象程序31附录四：PLC程序36IV台州学院毕业设计（论文）1引言变频调速节能技术是一项集现代电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术。随着电力电子技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备。该控制系统起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单
8、方便的操作方式、以及齐全周到的功能，可使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的1。本课题研究将变频调速技术、PID控制应用于恒压供水系统，从而提高变频调速恒压供水系统的稳定性、可靠性，以及多台水泵循环变频控制时变频电源向工频电源的切换。在大力提倡节约能源的今天，研究这种高性能、经济型的恒压供水控制系统，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重要的现实意义2。2恒压变频供水系统简介2.1供水系统的基本特性供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f(Q)，如图2-1所示。由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程
9、H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水量之间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系。管阻特性反应了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中的流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性过反映的是扬程H与供水流量之间的关系。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2-1中A点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平
10、衡状态，供水系统既满足了来扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行3。图2-1供水系统的基本特性2.2变频调速原理恒压变频供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的（具体原理将在下一章阐述）。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为： （2-1）异步电机的同步转速为： （2-2）异步电机的转速为： （2-3）其中：为异步电机的理想空载转速； 为异步
11、电机转子的转速； 是异步电机的定子电源频率； 为异步电机的极对数。从上式可知，当极对数不变时，电机转子的转速与定子电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速4。2.3水泵调速运行的节能原理在供水系统中，通常以流量为控制目的的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过
12、调节阀门开度来调节流量，水泵电机的转速保持不变。其实质是通过改变谁路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要照成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调节水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速5。图2-2管网及水泵的运行特性曲线当用阀门控制时，若
13、供水量高峰期水泵工作在E点，流量为，扬程为，当供水量从减小到时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从移到，扬程特性曲线不变。而扬程则从上升到，运行工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为（O，F，）围成矩形部分，其值为： （2-4）当用调速控制时，若采用恒压（）、变频泵（）供水，管阻特性曲线为，扬程特性变为曲线，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率用图形表示为（O，D，）围成的矩形面积，其值为： （2-5） 可见，改变调速控制，节能量为（，D，F，）围成的矩形面积，其值为： （2-6）所以，当用阀门控制流量时，有功率被浪费掉。并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变
14、大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是增大，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间关系为：； （2-7）式中，、为变速前的流量、扬程、功率 ，、为变速后的流量、扬程、功率。从公式（2-7）可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著6-8。3恒压供水系统的理论分析及方案设计3.1供水压力和变频器输出频率的关系在恒压变频供水系统中，供水压力是通过对变频器输出频率的控制来实现的。确定供水压力和输出频率的关系是设计控制环节控制策略的基础，是确定控制算法的依据。送水泵站所采用的水泵是离心泵，它是通过装有叶片的叶轮高速旋转来完成对水流的输送，也就是通过叶轮高速旋转带动水流高速旋转，靠水流产生的离心力将水流甩出去。离心泵也因此得名。在给水排水工程中，从使用水泵的角度来看
