恒压变频供水系统毕业论文.doc

武汉理工大学毕业设计（论文）目录绪论11.恒压变频供简介21.1恒压变频供水产生背景及国内现状21.2传统供水系统及特点21.3恒压变频供水系统的优点32.恒压变频供水系统的相关原理52.1恒压变频供水系统的理论框图52.2供水系统的基本特性52.3变频调速原理72.4 pid控制原理73.元件选择及功能单元设计103.1变频器选择及系统总体介绍103.2系统主体电路113.3系统控制电路143.4系统反馈电路183.5 系统总体电路图和使用说明184.系统软件设计21结束语28致谢29参考文献30附录31 绪论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性，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。自从通用变频器问世以来。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。在实际应用中发挥了很大的作用。以往的变频调速恒压供水设备。大都采用带有模拟量输入/模拟量输出的可编程控制器或pid调节器，pid算法编程难度大，设备成本高，调试困难。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能越来越强。可以充分利用变频器内置的各种功能，合理地设计变频调速恒压供水设备。变频调速恒压供水设备一般具有设备投资少，系统运行稳定可靠，占地面积小，节电节水，自动化程度高，操作控制方便等特点。因此，变频调速恒压供水设备在住宅小区及高层建筑生活消防供水系统中起着非常重要的作用。1. 恒压变频供简介1.1恒压变频供水产生背景及国内现状众所周知，虽然我国拥有的总淡水量不少，但是人均拥有的淡水量却非常少。因此，长期以来，水的利用问题就一直困扰着我们。水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。在恒压变频供水系统出现以前，我们曾经也使用过很多的供水系统，其中包括一台水泵恒速供水系统、恒速水泵加水塔的供水系统、恒速水泵加气压罐供水系统、恒速水泵加高位水箱的供水系统、变频调速供水系统。但是，我们可以看出这些系统无一例外自动化水平都非常低，不能根据用户用水量的变化而自动变化，从而导致水资源的严重浪费。而恒压变频供水系统就是在这种情况下产生的。恒压变频供水系统通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。这样供水系统所供应的水量就和用户的实际需求不断接近，最大程度上节约了水资源。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.2传统供水系统及特点在恒压变频供水系统这种能自动控制的只能公示系统出现以前，我们曾经也采用过其他的供水系统，而这些供水系统无一例外都是在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术比较落后，自动化程度低。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低，供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高，供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。这其中包括：一台水泵恒速供水系统、恒速水泵加水塔的供水系统、恒速水泵加气压罐供水系统、恒速水泵加高位水箱的供水系统、变频调速供水系统等，我们下面简要介绍一下l、一台水泵恒速供水系统顾名思义，这种供水方式就是采用一台水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。2、恒速水泵加水塔的供水系统这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大：水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。3、恒速水泵加气压罐供水系统这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能耗增加。4、恒速水泵加高位水箱的供水系统这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将两者作比较。5、变频调速供水系统这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速水泵调速控制方式有三种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。1.3恒压变频供水系统的优点与传统的供水系统相比，恒压变频供水系统有以下几方面的优点：（1）高效节能 因为变频恒压供水系统能够自动控制运行，水泵不必总是工作在最大功率的状态，所以恒压变频供水系统能够节约电能和水资源，节能量通常在10%-40%。而且单台水泵流量越小，节约能量越多。（2）供水压力恒定 恒压变频供水系统使系统供水压力相对稳定，压力变化范围较小，流量可在大范围内连续变化。可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期出现用水量短缺而不能正常使用的情况。（3）安全行较好 供水系统实行闭环供水，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，使用户用水更清洁，同时也节省了开支。（4）自动运行方便管理 小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行。（5）延长设备寿命 在使用恒压变频供水系统之前，为了满足用户用水的需求，电机在不能自动控制运行的情况下，机泵的转速往往是长期维持额定转速运行状态，不但是水资源产生大量的浪费，而且机械磨损也非常高，经常出现机泵故障，在使用了恒压变频供水系统之后，机泵能够自动运行，减少了磨损率和故障。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击。2.恒压变频供水系统的相关原理2.1恒压变频供水系统的理论框图恒压变频供水系统的控制对象是供水系统出口的水流量，它是一个在时刻变化着的非线性量。要使水流量时刻满足用户的要求，就必须得有检测装置来检测管网的压力，然后反馈给系统，再通过系统调节来使其不断向目标靠近。我们从上面的描述中可以看到，恒压变频供水系统是一个闭环系统。 图1恒压变频供水系统的原理框图从上图中我们可以看到，压力检测装置一直在检测供水系统的水压。当管网压力低于设定压力值时，通过压力传感器返回值和设定压力值的比较，我们就可以得到正的压力差，然后系统将差值转换，计算出变频器输出所需增加的频率，将增量和变频器当前的输出值相加，得到新的输出频率。这样输出频率变大使水泵机组转速增大，从而使管网供水压力提高，若还没达到要求，系统将再次重复刚才的过程，直到实际供水压力和设定压力相等为止。当运行过程中管网供水压力高于设定压力时，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，管网的供水压力因此会随之减小，直到调节的结果是供水要求压力相等为止。从图我们也可以看出整个供水系统的设计要包括水泵，变频器， 压力传感器等。2.2供水系统的基本特性恒压变频供水技术能够实现水泵的软起动，使水泵的使用寿命延长，在调节水泵流量时可以节约可观的能量。它非常适用于现代楼宇高层的加压供水。其中水泵的特性在整个供水系统中的作用很重要。水泵的输出特性既决定于水泵的种类，也随供水管网系统的阻力特性曲线不同而不同。离心式水泵的特性公式如下 (2-1)在上述公式中是水泵的功率，是介质常数，和分别代表水泵的扬程和流量，而则代表水泵的效率。当水泵的转速发生变化时，它的扬程、流量以及功率也随之变化即 (2-2) (2-3)从上式中我们不难看出流量和水泵的转速一次方成正比，而功率和水泵转速的三次方成正比，管网装置特性可根据闸阀全开时测得的各种数据由式 (2-4) 求得。其中为水泵的进出口水位高度差(m)， 其大小与流量无关。为供水管路阻力系数。管网特性曲线与泵特性曲线之交点即为泵的正常使用工况点。如下图所示： 图2 扬程、流量关系图由图1及公式（3-1）我们可以得到，水泵流量q越大，扬程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与用户用水流量之间的关系。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，扬程与流量之间的关系。管阻特性反映了水泵的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中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，管阻特性所反映的是扬程与供水流量之间的关系h=f()。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1中d点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。2.3变频调速原理恒压变频供水系统的主要由水泵、电动机、管道等构成。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。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： (2-5)异步电机的同步速度为: (2-6)异步电机的转速为： (2-7)其中： 为异步电机的理想空载转速；为异步电机转子转速；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动机调速系统相媲美。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。2.4 pid控制原理pid控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。其主要的原理就是通过闭环系统的反馈量与设定值之间的比较寻找偏差，然后在通过比例积分微分的方式使偏差逐渐减小，使系统运行优化。pid控制器根据目标值与反馈值的偏差： =- (2-8)将偏差的比例(p)、积分(i)和微分(d)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。 (2-9)或 (2-10)式中：调节器的比例系数：调节器的积分时间：调节器的微分时间：调节器的偏差信号：比例带，它是惯用增益的倒数：输出pid控制器各校正环节中，在比例环节时成比例的反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。微分主要作用是能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在信号偏差变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。pid调节器的传递函数是： (2-11)当上述控制算法公式只包含第一项时，称为比例(p)作用，只包含第二项时，称为积分(i)作用；但只包含第三项的单纯微分(d)作用是不采用的，因为它能起到使被控变量接近设定值的效果，只包含第一、二项的是pi作用；只包含第、三项的是pd作用；同时包含这三项的是pd作用。仅用p动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加i动作的p+i控制。用pi控制时，能消除由改变目标傻和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，i动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用p动作控制。对于pd控制，发生偏差时，很快产生比单独d动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，p动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅p动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使p动作的振荡衰减和系统稳定，可用pd控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载利用i动作消除偏差作用和用d动作抑制振荡作用，在结合p动作就构成了pid控制，采用pid控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生差到出现响应需要一定时间的负载系统(即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合pid调节)效果比较好。在用计算机、单片机、plc等作为控制装置进行控制时，被控制量都是离散的，因此我们就需要进行采样控制。一般我们可以采用增量算法进行计算。我们对式（2-9）进行差分之后有 (2-12) = (2-13)上式中 ：第k次采样时的误差值：第k-1次采样时的误差值：比例系数：积分系数：微分系数针对一个具体的系统，设置和调整pid参数，使调节过程达到满意的品质，称为参数整定，不管是用常规调节器还是数字pid调节器，统称为调节器参数整定。下面简单列举一些的准则：1、如果广义对象的传递函数是，调节器的比例增益是，整个系统总的开环增益是。在其他因素相同的情况下，当大的时候，应该小一些，小的时候,应该大一些。例如,变更了变送器量程以后，调节器的kc应该成比例调整。若控制系统压力变送器的测量范围原为o1.6mpa，如改为0-1.0mpa，应降为原来的3/5。2、在动态参数方面，可取作为特征值,当越大，系统越不易稳定，因此应该小一些。同时，和也应取适当的数值。经验上常取为左右，为左右。因此，如有t的估计值，和值就不难定出了。3、在p、i、d三个作用中，p作用往往是最基本的控制作用。由这一点出发，可从两条途径之一进行现场凑试：(1)先用单纯的p作用，选出合适的值，作为基础，然后适当引入和，和值进行挑选。(2)依据知识(如对的了解)，把和置于合适的数值，然后主要对ke值进行凑试，得出最合适的数值。以上两条途径表面上看来截然相反，但它们都是以承认p作用为主体作为前提的。4、积分(i)作用的引入，既有利又有弊。必须尽量发挥它能消除余差的优点，尽量缩小它不利于稳定的缺点。一般取或 (是振荡周期)。在以上情况下，由i作用引起的相位滞后不超过40。，幅值比增加不超过20。即使如此，在引入i作用后应比单纯p作用时减小10左右。5、对于含有噪音的过程，不宜引入微分作用，否则高频分量放大得很厉害。6、在控制品质方面，稳定性的要求是前提。如果只有一个调节器参数可以调整，则只能满足一个品质指示，通常就取衰减比作为指标。如果有两个参数可以调整，在可在衰减比之外，再添加一个指标。3.元件选择及功能单元设计3.1变频器选择及系统总体介绍从前面我们的介绍可以看到，要设计一个完整的高度自动化的恒压变频供水系统，我们需要设计供水系统的控制部分，主电路部分和信号采集及反馈部分。控制部分需要完成整个恒压变频供水系统的自动运行功能，所以这也是整个系统的主要部分，一般的供水体统是采用plc。主电路包括变频器和水泵及其接线，此部分主要的任务就是使水泵能够在工频变频情况下正常运行，满足用户用水需求。信号采集及反馈部分主要的作用是通过压力传感器采集管网的压力信号转化为相应的电压或电流，反馈到系统中与系统设定的电压或电流进行比较，产生差值信号，然后通过pid调节使系统的水压不断向目标靠近。根据以上恒压变频供水系统的设计需求，我选择了艾默生公司的td2100供水系统专用变频器。td2100供水系统专用变频器与通用变频器的不同之处在于，它除了通用变频的功能之外还拥有plc的功能，以及pid转换的功能，方便了用户的使用，简化了恒压变频供水系统设计难度。采用td2100变频器设计的恒压变频供水系统，流程和前面讲到的基本是一致的。如果我们采用四个供水泵和一个消防泵的供水系统，则其流程图如下所示：图3 恒压变频供水系统流程图3.2系统主体电路恒压变频供水系统的主体电路部分所包含的元件及要完成的功能最多，其中包括水泵及变频器的型号的选择，以便使其功率满足用户的要求。同时还要使水泵能够在工频和变频状态下运作，从而使供水系统有自动运行的前提。完成供水系统pid的转换，使供水系统处于一个闭环状态，减小误差图4 主体电路从上图中我们可以看到，水泵通过两条线路分别和工频电源以及变频器相连，为了防止两条线路可能出现同时接通电路的情况，我们通过互锁这种机械连锁的方式，使两条线路的开关连接起来。这样当km0闭合时，km1就会强制的断开，当km1闭合时km0就会断开，所以线路中每个水泵只能在工频状态或变频状态，永远不会出现同时闭合的情况，从而避免了这些故障状况。主体电路这部分系统的设计，首先需要考虑到水泵的选择和变频器的对应。在设计供水系统时，我们首先要考虑的是满足用户用水量的需求。比如说我们要设计一个小区的供水系统，这个小区共有5栋楼，每栋5层，每层有6户，楼高18米。按照每户月均用水量为20，每天用水高峰为12个小时来计算，那么我们计算一下可以得到，月总用水量为55620=3000，那么流量=8.3，然后我们可以根据扬程和流量来确定我们所需要的水泵。在前面介绍的过程中，我们已经了解到在实现相同的功能的前体现下，水泵功率越小越能够节省能量避免浪费。因此，我们在选择水泵的时候应尽量选择刚好满足要求的水泵。 本系统采用的是4个供水泵的供水系统，在系统通电开关闭合之后，为了使供水系统既能满足用户需求，又不能因水量过大而造成浪费，我们采用闭环系统进行调节。4个水泵在开关刚开始闭合的时候处于低峰期，只有1台水泵运行。当压力变送器输出的压力值与压力设定值相等时，水泵l保持稳定的转速。当供水压力低于设定值时，水泵l转速上升，供水量增加，供水压力上升，直到供水压力与设定值相等时，水泵1在新的转速下运行，当供水压力上升时，水泵1的转速随之下降，直至达到新的平衡。当水泵l运行到变频器设定频率上限供水压力仍低于设定值时，水泵1切换到工频运行，水泵2变频运行，使供水压力与设定值相等；同理当水泵1、水泵2工频运行时供水压力仍低于设定值时，水泵1、水泵2水工频运行。泵3变频运行，使供水压力与设定值相等。当三个水泵工频运行都不满足要求时，水泵4再变频运行。当然在水泵选好之后，我们还要找到与选择的水泵功率大小相匹配的变频器。变频器和电机的对应表格如下所示：变频器型号额定容量 （kva）额定输入电流(a)额定输出电流 (a)适配电机(kw)td2100-4t0055s 8.5 12 13 5.5td2100-4t0075s 11 16 17 7.5td2100-4t0110s 17 24 25 11td2100-4t0150s 21 30 32 15td2100-4t0185s 24 35 37 18.5td2100-4t0220s 30 42 45 22td2100-4t0300s 40 58 60 30td2100-4t0370s 50 74 75 37td2100-4t0450s 60 89 90 45td2100-4t0550s 72 110 110 55td2100-4t0750s 100 155 152 75表1 变频器型号表由于td2100变频器内部自带了pid的转换功能，因此我们不需要在专门设计pid的转换系统。变频器内部pid的原理图如下图所示：图5 td2100变频器内置pid原理从上图中我们可以看到，td2100变频器中pid转换的原理，他涉及到了比例环节和积分环节，系统所提供的给定量和反馈量的差值，经过比例积分环节能够产生较好的输出信号。输出信号在进入供水系统之后，功过改变电机的转速来调节水泵的供水量，从而使管网的水压产生改变，压力传感器将信号再次传回，通过pid调节再次形成新的输出信号，管网的水压不断接近设定水压，优化了供水系统。3.3系统控制电路整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的控制流程、通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水目的。下图即为本系统的控制流程图：开始n启动变频器控制？yn手动控制y报警信号设置有效？ny管网压力=设定？y压力设定n管网压力设定？y执行降压程序n执行升压程序图6 控制系统流程图本供水系统包括四个供水泵，一个消防泵。由于平时，消防泵都处于闲置状态，所以我们可以将消防泵单独出来处理。当需要用到消防泵的时候，我们就需要消防泵处于额定工作状态，所以消防泵可以直接接在工频电源之上。但是供水泵为了节省能量，我们就需要将其与工频电源以及变频器两部分都连接起来。4个水泵在开关刚开始闭合的时候，如果用户用水处于低峰期，只许1台水泵变频运行。当压力变送器输出的压力值与压力设定值相等时，水泵l保持稳定的转速。当供水压力低于设定值时，水泵l转速上升，供水量增加，供水压力上升，直到供水压力与设定值相等时，水泵1在新的转速下运行；当供水压力上升时，水泵1的转速随之下降，直至达到新的平衡。当水泵l运行到变频器设定频率上限供水压力仍低于设定值时，水泵1切换到工频运行，水泵2变频运行，使供水压力与设定值相等；同理当水泵1、水泵2工频运行时供水压力仍低于设定值时，水泵1、水泵2水工频运行。泵3变频运行，使供水压力与设定值相等。当三个水泵工频运行都不满足要求时，水泵4再变频运行。下图即为本系统的控制电路： 图7 供水系统控制电路根据图中控制部分电路部分的接线图，我们可以得到。当接通电源，开关ka打到变频控制这边后，我们使接触器y1闭合，则我们可以看到线圈km0接通，这样km0的所有常开触点闭合，常闭触点断开。从主电路图中我们可以看到，km0常开触点闭合时，电机m1变频运行，此时由于主电路中工频和变频线路之间有机械连锁，常开触点km0闭合时，km1断开，供水系统处于变频状态。当y2闭合时，线圈km1通电，常开触点km1闭合，常闭触点断开。所以，当常开触点km1闭合的时候，km0就因为机械连锁而处于断开的状态，水泵m1就处于工频工作状态。当m1工频工作状态仍不满足需求的时候，我们就可以将接触器y3接通，则电机m2变频运行，同理如果还不满足用户用水需求，接触器y4接通，使m2工频运行。依此类推知道系统满足用户的用水需求为止。开关ka除了可以接到变频器控制外，还可以接通到手动控制。当开关接通到手动控制之后，变频器中接触器不在起作用。我们可以通过手动控制使继电器的线圈通电与断电，从而实现供水系统的正常运行。3.4系统反馈电路在恒压变频供水系统这个闭环系统中，压力传感器起着重要作用。它将管网内测得的压力转换成电压或电流的形式传送给变频器，通过和变频器中设定的压力值进行比较。然后才能通过pid转换产生新的输出信号。本供水系统的反馈装置的示意图如下所示图8 系统pi反馈控制系统示意图3.5 系统总体电路图和使用说明 通过前面我们对供水系统各个部分的设计，系统各部分都已经完成。我们将各部分按照系统流程图连接起来就可以的到如下的整体电路图。图9 系统总体电路图在使用供水系统的过程中，我们需要注意在电源接通以后，设定好压力值，如果我们采用变频器控制，那么我们在接通ka之后，首先我们要看图中三个报警灯是否是暗的，如果是亮的我们需要关闭系统重新调节。如果没有报警信号，我们只需要控制接触器y1到y8即可控制系统的供水。如果要采用手动控制，我们在将开关打到手动之后，系统中与y1到y8这些接触器相连的控制电路都不在起作用4系统软件设计程序控制的目的是实现整个供水系统的恒压运行，为此必须控制变频器的频率以及四台水泵的顺序投入与切除，使得供水量的变化与用户用水量的变化基本保持同步，以此保证水网水压的恒定，同时还要保证系统的安全性与可靠性，本系统采用的是td2100系列供水专用变频器，该变频器拥有自己特定的软件体系。所以本系统的软件设计就是根据系统的功能，对td2100的编码进行设置，完成设计的软件功能。本系统的软件大概可以分为系统总体参数设置、供水系统基本参数设置、通用变频器参数设置、故障自动拨号参数设置、pi闭环系统参数设置、通讯功能参数设置以及消防泵参数设置等。我们通过下面的流程图来了解本系统的软件运行图10 系统总体参数设置系统总体设置是整个软件系统中最重要的部分，它包含了下面要设计的供水系统基本参数设置、通用变频器参数设置、故障自动拨号参数设置、pi闭环系统参数设置、通讯功能参数设置以及消防泵参数设置等，系统软件的运行都是从总体参数运行开始的。只有在总体参数设置程序开始之后，供水系统基本参数设置、通用变频器参数设置、故障自动拨号参数设置、pi闭环系统参数设置、通讯功能参数设置以及消防泵参数设置等这些程序才有可能进行。图11 供水系统基本参数设置供水系统基本参数设置程序决定了恒压变频供水系统运行的基本参数。恒压变频供水系统的正常工作需要的压力电流等参数，都是由供水系统基本参数设置程序来完成的。所以说供水系统基本参数设置程序，在本供水系统的正常运行中也起着非常重要的作用。图12 通用变频器功能参数设置在图10中我们可以看到其中有一个通用变频器功能参数设置。td2100供水专用变频器功能非常强大，除了拥有许多通用变频器的一般功能外，还拥有内置的plc，pid转换等功能。当然通过参数的设置可以用作通用变频器。图13 pi闭环参数设置本供水系统中因为采用的td2100供水专用变频器中拥有内置pi转换功能，所以我们在设计的过程中只是介绍了pid转换，而没有再设计相应额硬件。不过虽然我们已经有了pid转换的装置，我们还要根据实际情况，进行相应的参数设置，才能完善整个闭环系统的反馈调节功能。同时本供水系统还拥有通讯功能和故障拨号功能，其流程图分别如图14和图15所示图14 通讯功能设置图15 故障自动拨号参数设置以上系统总体参数设置、供水系统基本参数设置、通用变频器参数设置、故障自动拨号参数设置、pi闭环系统参数设置、通讯功能参数设置等参数设置基本上包括了本供水系统的所有软件部分。通过参数的设定来控制我们供水系统的硬件部分，实现了供水系统的自动控制和运行，使供水系统拥有了高度的自动化，节约了水能电能。（参数设置详见附录）结束语经过一段时间的选型、设计、改进之后，目前本文设计的恒压变频供水系统己经具有了较为完善的功能，可以运用于居民小区等场所，由于它具有操作方便、较好的人机界面、方便可靠的数据通讯接口、良好的恒压控制以及节能效果，相信可以取得较好的经济效益和社会效益。本文在设计过程中，着重研究了供水系统稳定性、可靠性，同时采用了pid控制等自动控制技术，提高了系统的控制性能和性价比，也提高了系统的可操作性。在系统设计过程中，本系统还采用了了数据通讯功能，使系统能方便的与一些组态软件或工业控制软件进行通讯，也可以和一些工控网络系统相连，使系统成为该网络的一个站点。尽管如此，本系统还具有以下的很多之处，有待于继续研究和改进。比如说本系统采用的是td2100供水系统专用变频器，虽然功能很多，但是在其中只有内置的pi调节，输出信号仍然不是太好。另外系统中下限频率是通过调试来设置的，不具有通用性。事实上机组运行数量不同，相应的下限频率也是不同的，这使得系统使用起来也非常麻烦。随着社会的不断发展，科学技术的不断进步以及网络技术广泛的应用，供水系统也会越来越完善，恒压变频供水系统的使用肯定会越来越普遍，当然对恒压供水控制技术也会提出更高的要求，还需要我们不断地深入研究，以满足现代社会越来越多的用水需求。致谢经历了许多困难的磨练，我终于完成了本篇论文。在此过程中，老师和同学们给了我很多的帮助和鼓励。在此论文完成之际，我向曾经为我提供了许多帮助的各位老师、同学表示深深的敬意和谢意。我的指导老师刘芙蓉老师，在我完成论文的过程中给予了我很多的指导和大力的支持，我在此表示深深地感谢。在论文的完成期间，还得到了王嘉，汪露等同学的指导和帮助，在此致以衷心的感谢。最后，感谢自动化学院的所有老师，在我完成学业的过程中提供的指导和帮助参考文献1漆汉宏 电气控制技术 北京 机械工业出版社 20062胡寿松 自动控制原理 北京 科学出版社 20013陈伯时 电力拖动自动控制系统 北京 机械工业出版社19924王兆安 电力电子技术 北京 机械工业出版社20005李发海 电机与拖动基础 北京 清华大学出版社 20036朱玉堂 变频恒压供水系统的研究开发及应用 硕士论文 浙江大学 20057周保挺 td2100变频器使用手册 深圳 8leonhard,w control of electrical drives 3rd ed spring-verlag 20019atnerton,d.p nonlinear control engineering.van nostrand:rein-hold company limited10王兆安 电力电子变流技术 北京 机械工业出版社 199411周德泽 电气传动控制系统的设计 北京机械工业出版社 198512彭鸿才 电机原理及拖动 北京 机械工业出版社 199613吴麒 自动控制原理 北京 清华大学出版社 199214马志溪 电气工程设计 北京 机械工业出版社 200215气站请 电气控制技术 北京 机械工业出版社 200216张凤珊 电气控制及可编程控制器 北京 中国轻工业出版社 200317史国生 电气控制与可编程控制器技术 北京 化学工业出版社200318刘豹 自动调节理论基础 上海 上海科学技术出版社 199319邵丙衡 电力电子技术 北京 中国铁道出版社 199720赵良炳 现代电力电子技术基础 北京 清华大学出版社 1995附录控制端子控制设置: f03=1f107=0基本参数设置：f05=50f06=50，f07=380f08=1f09=1%，f10=20f11=20f12=50.0f13=30.0f14=0f15=0.1故障自动恢复功能设置：f19=2f20=5.0变频故障及停机方式处理设置：f22=0f23=0供水模式选择设置：f24=1f25=0各电机电流设置：f26=110f27=110f28=110f29=0f30=0f31=0f32=0多泵切换参数设置：f33=0.2f34=30.0f35=10.0f36=10.0压力限定与保护设置：f37=0.6f38=0.001f39=0.6f40=0.001f41=20泵定时轮换时间设定：f45=168常规日多段压力设定：f53=1f54=6.00f55=0.35f56=9.00f57=0.35f58=11.00f59=0.35f60=14.00f61=0.35f62=16.30f63=0.35f64=23.59f65=0.0指定日多段压力设定f66=1f67=1f68=1f69=0f70=1f71=0f72=0f73=0f74=0f75=7.00f76=0.0f77=9.00f78=0.0f79=11.00f80=0.0f81=14.00f82=0.0f83=16.30f84=0.0f85=23.00f86=0.0压力设定：f88=1f97=0.5（mpa）偏差容限设定：f102=10%压力检测反馈设定：f90=1（j4跳线在420ma位）f91=0f92=20%f93=0f94=100%f95=100%f96=0.8f104=0.5闭环调节功能设定：f98300%f99=0.8f101=3缺水检测功能设定：f108=1排污控制选择设定：f109=1继电器y3y8设定：f110=0f111=0f112=0f113=0f114=0f115=0基本运行功能参数表功能码f名称lcd画面显示设定范围最小单位出厂设定更改00基本参数功能块选择基本运行参数0：不显示功能码f01f23 1：显示功能码f01f231001运行频率设定方式频率设定方式0：操作面板设定 1：上位机串行通讯设定1002运行频率数字设定频率数字设定下限频率上限频率0.01hz50.00hz03控制方式选择运行命令选择0：操作面板控制 1：控制端子控制 2：上位机串口控制1004运转方向设定运转方向0：正转 1：反转（对于f03三种情况都有效）1005最大输出频率最大输出频率max50.00hz，上限频率400.0hz0.01hz60.00hz06基本运行频率基本运行频率20.00hz400.0hz0.01hz50.00hz07最大输出电压最大输出电压0变频器额定电压1v380v08v/f曲线控制模式v/f曲线模式0：线性电压/频率 1：平方电压/频率1009手动转矩提升转矩提升0.030.0%0.1%3.0%10加速时间加速时间0.1s3600s0.1s20.0s11减速时间减速时间0.1s3600s0.1s20.0s12上限频率上限频率下限频率最大频率0.01hz50.00hz13下限频率下限频率0.00上限频率0.01hz25.00hz14启动方式启动方式0：从启动频率启动 1：转速跟踪再启动1015启动频率启动频率0.1hz60.00hz0.01hz1.00hz16点动运行频率点动频率0.1hz60.00hz0.01hz5.00hz17载波频率调节载波频率调节1khz10khz1khz根据机型设定18故障启动锁定功能选择故障启动锁定0： 故障启动锁定功能禁止 1： 故障启动锁定功能开放1019故障自动复位次数自动复位次数03 （0 表示无自动复位功能）1020故障自动复位时间间隔复位间隔时间2s / 次20s/ 次1s5s21失速过流点失速过流点20.0 %150.0%0.1%130.0%22变频器故障处理方式变频故障处理0：维持现状 1：全部泵停机1123停机方式停机方式0：软停 1：急停10基本运行功能参数表功能码f名称lcd画面显示设定范围最小单位出厂设定更改24运行方式选择控制方