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1、. . . . 1引言1.1 本课题的意义随着现代智能楼宇建筑的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，加之目前能技术，设计节能的、适应不同领域的高性能恒压供水系统成为必然趋势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，能够提高供水系统的稳定性和可靠性，并易于实现供水系统的集中管理与监控此外，它还具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要因此，研究变频恒压供水系统对提高工业生产效率、改善居民生活水平、降低能耗等方面具有重要意义。随着社会经济的快速发展, 人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高, 再加上国的电力短缺现状, 利用先进的电气技术、自动控制技术来设
2、计高性能、低能耗、能适应不同领域的恒压供水系统已经迫在眉睫. 目前城市恒压变频供水系统普遍采用的是传统的PID 控制, 但是对于高楼层用户与对供水质量要求较高的工厂来说,PID控制常常在稳定运行期存在供水压力偏差、抗干扰能力差、调节时间长等不足, 造成供水等待时间过长, 增加供水管道的损耗从而加大爆管的几率, 并且不利于节能减耗 . 因此有必要研究新型的恒压变频供水系统的智能控制策略, 用于改善恒压变频供水系统的供水质量.1.2 国外发展状况一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，但它们
3、都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。自从变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供
4、水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以与气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐
5、为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。 国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国产品。所以恒压供水系统的成本也就相对国提高了。2设计方案2.1 系统性能工作要求1、采集水管网上压力传
6、感器的压力；2、对变频器选型并根据检测的水压由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使管网中压力保持为给定的压力；3、PLC控制3个工作泵工作数量的增减与变频器对水泵的调速，使电机的电压和频率随负载的变化而变化，构成已设定压力为基准的闭环控制系统；4、水压低于下限值30s则1号水泵工频运行，低于下限60s则2号水泵变频运行，低于下限90s则2号水泵工频运行，低于下限120s则3号水泵变频运行，低于下限150s则3号水泵工频运行；5、具有手动和自动2种模式，手动模式用于检测变频器故障时使用，自动模式用于长时间自动化操作；2.2控制方案通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成420mA的模拟信号
7、，通过变频器置的PID控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调，这需要一个完整的闭环系统。典型的自动恒压供水系统的结构框图如下图所示；系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量、恒水位供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器、流量传感器、水位传感器，实时将压力、流量、水位非电量信号转换
8、为电信号，输入至可编程控制器(PLC)的输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数与变量泵的运行工况，并实现对每台水泵的调节控制。管道变频器流量传感器压力传感器PLC交流接触器组电压泵组水位传感器自动恒压供水系统的结构框图2.3解决途径1.水压力传感器选型：本设计选用：霍尼韦尔Honeywell水压力传感器，型号为：P7620A。此型号传感器专为工业控制应用所研发，专业可靠，同时具备简洁，人性化的外观，输出信号可通过传感器转换为标准化的信号，电路板安装在坚固的不锈钢外壳上，不但可
9、抵御和极端环境条件，更大大降低噪音。2.流量传感器选型：本设计选用：SD-6161（市华特电力设备厂）技术性能参数：型号： SD-6161，适用介质：水介质，温度：0100，阀体材质：进口食品级POM增强化纤，额定电压：DC 5V ，启动流量最大水压：1.75MPaf，流量通径：8.1，安装尺寸：出入水端均为G3/4外牙，信号型式：脉冲式，综合概述：“鑫智源”脉冲信号式水流传感器是：输出的脉冲信号与传感器流出的水流量成一定的线型比列关系，从而可实现水控管理和计量。3.水位传感器选型：本设计选用：TRE1-PT500-601（中西远大科技）液位变送器采用进口扩散硅或瓷感压芯片，316不锈钢结构结
10、构，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成420mA、05VDC、010VDC、0.54.5VDC等标准电信号。产品结构采用全封焊结构，电气连接采用特殊灌封工艺，配套3芯导气屏蔽电缆，防护等级达国家IP68标准。主要技术参数：被测介质：弱腐蚀性液体量 程: 100mmH2O100mH2O、500mmH2O500mH2O （水位高/深度）输 出：420mA（二线制）、05VDC、010VDC、0.54.5VDC（三线制）综合精度：0.25%FS、0.5%FS供 电：24V Dc（1236VDC）绝缘电阻：1000 M/100VDC负载电阻: 电
11、流输出型：最大800；电压输出型：大于50K介质温度：-2085环境温度：-2085储存温度：-4090密封等级：IP68过载能力：150%FS响应时间：5mS稳 定 性：0.15%FS/年电气连接：3芯导气屏蔽电缆安装方式：投入式4.变频器选型：ACS400变频器在2.2-37KW的功率围，节约能源，控制准确,安全可靠,铸铝件和塑料件的使用,保证了足够的加工精度,ACS400预置了九种应用宏.主电源：230500V50/60HZ控制电源：115230V.在励磁部分中采用了最新的IGBT控制技术，不再需要磁场电压匹配变压器，磁场进线熔断器和电抗器也已集成在DCS400模块中。由于磁场部分采用了
12、三相进线供电方式，且直接取自为电枢供电的三相电源，因而DCS400不再需要单独的磁场电源进线。DCS400拥有多种调试工具。在调试向导的引导下进行参数设定，加上全部的自优化调试过程，DCS400的典型调试时间为15分钟。故选用：ACS400变频器。5.PLC选型:本设计的主要控制过程是利用可编程控制器的A/D,D/A模块和可编程控制器置的PID模块来控制水泵电机的切换从而调节供水管中水的压力。整个控制系统除了用到PLC逻辑控制、定时控制和计数控制等基本控制功能外，关键是要用到PLC的高级控制单元，主要包括A/D、D/A单元和PID模块等。现代大中型的PLC一般都配备了专门的A/D和D/A转换模
13、块，可以将现场需要控制的模拟量通过A/D模块转换为数字量，经微处理器运算处理后，再通过D/A模块转换，变成模拟量去控制被控对象。但现在考虑到系统的安装以与成本问题，故本系统供水泵的自动控制采用的是日本欧姆龙公司的PLC，机器型号为CPM2A-30CDR-A和模拟量控制模块CPM1A-MAD01。2.CPM2A为系统提供了众多的功能高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。同步脉冲控制可方便地调整时间。带高速扫描和高速中断的高速处理。可方便地与OMRON的PT相连接，为机器操作提供一个可视化界面。小机壳汇集了先进的功能和优异的表现。为食品包装行业，传送设备和紧凑型设备的制造商提供更优越的性能和更高
14、的附加值。通过脉冲输出可实现许多基本的位置控制。可进行分散控制和模拟量控制。3.价格低廉CPM2A的价值在于它具有非常卓越的性能价格比。4.紧凑型设计能安装在任何地方机器设备的小型化对安装在控制板或机器的PLC也提出了节省空间的要求。PLC规格介绍项目40点CPU单元电源电压交流电源AC100240V，50/60Hz直流电源DC24V允许电源电压交流电源AC85264V直流电源DC20.4V26.4V消耗电力交流电源60VA以下直流电源20W以下浪涌电流交流电源60A以下直流电源20A以下外部供给电源（仅交流型号）供电电压24VDC供输出容量300mA绝缘阻抗20M以上（DC500V）外部电源
15、AC端子与所有端子之间耐压AC2300V，50/60Hz，1分钟,外部电源AC端子和所有端子之间，漏电六：10mA以下抗干扰性抗干扰性：1500Vp-p:脉冲宽度：0.11s;上升延1ns(通过模拟干扰）抗振抗振：1057Hz;振幅0.075mm;57150Hz,加速度9.8m/s2,在X,Y,Z方向各80分钟（每次振动8分钟实验次数10次=合计80分钟）耐冲击147m/s2,在X,Y,Z方向各3次环境温度使用：055保存：-2075环境湿度10%90%（不结露）气体环境无腐蚀性气体端子螺丝尺寸M3电源保持交流电源：最小10ma直流电源：最小2msCPU单元重量交流形式800g以下直流形式700g以下扩展I/O单元重量20点单元：300g以下8点输
