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毕业设计（论文） I 摘 要 传统的供水系统存在着占地面积大、建设费用高、管理维护复杂困难、供水质量低下等缺点和不足。为了解决这些问题， 本文采用 制技术和 变频调速技术相结合的方法来研究恒压供水系统，该系统与现场液位传感器、压力传感器一起组成了 两个独立的 闭环控制 子 系统。 设计好的系统 每天 24小时不间断按预先设定的水压恒定地向城市供水，保证了水厂的不间断生产。 通过该项目的研制和应用，不仅能够节约宝贵的水、电资源，降低了生产成本，减少设备维护，降低维修成本；而且提高了整个水厂的生产调度管 理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率。 关键字 ：恒压供水， 制，变频器 ， 毕业设计（论文） so In to to to to to of we of of s 毕业设计（论文） 录 第 1 章 绪论 . 1 采用恒压 供水系统的目的和意义 1、 2、 7、 9. 1 恒压供水的特点 . 1 恒压供水方式讨论 . 1 恒压 供水的实现 . 2 现行高楼供水的模式 19 . 2 恒速泵供水 . 2 高位水箱供水 . 2 气压罐供水 . 3 毕业设计的主要任务 . 3 第 2 章 变频调速恒压供水分析 . 4 变频恒压供水的工艺调节过程介绍 6. 4 速系统的构建 25. 4 调速原理 . 4 恒压供水系统的组成 . 5 调节系统的计算方法 12、 13. 5 频恒压供水频率变化分析 . 7 节能分析 3 . 8 水泵的基本参数和特性 1436， 37. 8 水泵调速运行的节能原理 . 11 第 3 章 恒压供水系统 . 13 系统概述 31 . 13 控制系统的组成 . 13 供水系统的组成 . 13 系统功能说明 . 13 恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理 . 14 恒压供水系统的工作原理 . 14 调速泵系统构成 . 14 变频器 6 . 14 变频器输入输出接口 . 14 变频器外围设备的选择及保养 . 15 频调速恒压供水系统的特点 . 16 第 4 章 可编程控制器 . 17 定义 20. 17 发展阶段及发 展方向 . 17 特点与应用领域 . 18 可编程序控制器的特点 . 18 可编程序控制器与继电器控制系统的比较 . 19 可编程序控制器的应用领域 . 19 现代自动控制系统应用中所面临的问题 . 20 我国常用 性能比较研究 . 20 一般结构 . 20 毕业设计（论文） 本工作原理 . 22 我国常用 性能特点 . 23 7 系列 24 . 23 列可编程序控制器 . 23 制系统设计内容 . 24 制系统设计步骤 . 24 制系统的硬件设计 . 25 制系统的软件设计 . 26 件设计概述 . 26 软件设计 . 27 序设计的常用方法 . 28 序设计步骤 . 29 第 5 章 制系统的设计 . 31 述 . 31 入输出 /. 31 输入口 . 31 输出口 . 31 助触点 . 31 制系统功能介绍 . 32 恒压供水系统 流程图 . 33 制系统的可靠性及应用程序设计 . 34 序的优化设计 . 34 应用程序的设计 . 35 故障检测程序的设计 . 37 第 6 章 系统调试 . 38 变频器关键参数的设定 . 38 调试 . 38 致 谢 . 43 附录 序 . 44 毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 采用 恒压供水系统的目的和意义 1、 2、 7、 9 随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。我国中小城市水厂尤其是老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时 做出 恰当的反应。为了保证供水，机组通常处于超压状态运行，不但效率低、耗电量大，而且城市管网长期处于超压运行状态，曝损也十分严重 7。 本文从我国中小城市供水厂的现状出发， 设计了一套基于 变频调速恒压供水系统。 恒压供水的特点 恒压供水是指用户段不管用水量大小，总保持管网水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。 恒压供水方式讨论 水泵多配用交流异步电机拖动，当电机转速降低时，既可节约能量，经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式： 0 6011fn n S （ 1 式中： 0n ：异步电动机的同步转速 n ：异步电动机转子的转速 p ：电动机的磁极对数 f ：电源频率，电动机定子电压频率 s ：转速差： %1000 n （ 1 因此改变，电动机极对数 p 、改变转速差 s 及改变电源频率 f 都可以改变转速。 变级对数调速 在电源频率 定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数以电动机一相绕组为例，电流方向都是一致的，只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数 p 。如果使 3,2,1p 等，就可以得到 m 0 0 0,1 5 0 0,3 0 0 00 等不同的同步转速，从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有极调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器。 变频调速 变频凋速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电毕业设计（论文） 2 动机，使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率 f 可以平滑地调节同步转速0n，相应地也就改变转子转速 n ，而转差率 s 可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩 下降，严重时会使电机堵转：频率增减少，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。因此，在实用上，要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。实现调频调压的电路有两种：交 交 它是由三个环节组成：可控硅整流电路，其作用是将电压，定频率的交 流电路变为电压可调的直流电：可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电：滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。 在交 据滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变频器。 近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型 (简称变频器技术获得了飞速的发展。 前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。他 不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。 交 它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过交频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。 交 少换流电路，减少损耗，效率高，波型好。但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。 变频技术对水泵电动机进行调速，以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。 恒压供水的实现 恒压供水是指用户段不管用水量大小，总保持管网水压基本恒定，这样，既 可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。 而变频调速是指靠改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速0以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。 现行高楼供水的模式 19 恒速泵供水 恒速运行时，一般采用节流调节，这种方式的缺点是效率低、能耗大。也就是依靠阀门来控制供水量。 高位水箱供水 采用电流及电压的相位大小等变化特性对高位水箱泵组进行控制。供水系统利毕业设计（论文） 3 用高位水箱及地下水池的水位变化来自动启闭水泵，以向各水箱供水 。改供水方式可控性差。 气压罐供水 气压供水设备是利用压缩空气的涨力将水送往用水点的通用供水设备。气压供水整套设备高压密封，没有外部污染，内部不长青苔。并且供水压力可以根据需要很方便地在控制器上进行调整，不象高位水箱当放置的高度确定后，水压就已确定，无法调整。 但是气压供水能耗大，且控制水压能力有限，不如水泵供水的压力控制。 毕业设计的主要 任务 随着变频调速技术的发展，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，变频恒压供水已广泛应用于厂矿企业及生活、消防等供水系统。 制的变频调速恒压供水系统采用变频调速方式自动完成泵组软启动及无冲击切换，自动调节水泵电机转速，改变以往“先启后停”方式，使水压平稳过渡。采用硬件 /软件备用及时钟控制功能，使各泵进行轮休，延长设备的机械使用寿命。变频器故障时系统仍可运行，保证不间断供水。 毕业设计（论文） 4 第 2 章 变频调速恒压供水分析 变频恒压供水 的工艺调节过程介绍 6 泵组的切换开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先）， 1 泵变频启动，转速从 0 开始随频率上升，如变频器频率到达 而此时水压还在下限值，延时一段时间（由 部时间继电器控制，目的是避免由于干扰而引起误动作）后， 1 泵切换至工频运行，同时变频器频率由 停至 2 泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动 3 、 4 泵；若开始时 1 泵备用，则直接启 2 变频，转速从开始随频率上升，如变频器频率到达 而此时水压还在下限值，延时一段时间后， 2 泵切换至工频运行，同时变频器频率由 停至 3泵变频启动，如水压仍不满足，则启动 4 泵；若 1 、 2 泵都备用，则直接启 3 变频，具体泵的切换过程与上述类同。 同样，如水压在上限值，若台泵（ 假设为 1 、 2 和 3 ）运行时， 3 泵变频运行降到 此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使 1 泵停止， 3 泵变频器频率从 迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使 2 泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡。以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种 切换的方式，理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而我们这次的设计的系统中，要求直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高供水品质。 速系统的构建 25调速原理 异步电动机定子三相对称绕组空间相隔 120 ，当通以三相对称电流时，产生旋转磁场，旋转磁场的转速，即同步转速为： 11 60fn p （ 2 异步电动机的转差率为： 11()n （ 2 11 6 0 ( 1 )( 1 ) n s p （ 2 式中： 毕业设计（论文） 5 1f ：定子绕组电源频率 p ：磁场极对数 s ：转差率 1n ：同步转速 ( r ) n ：异步电动机转速 ( r ) 恒压供水系统的组成 变频恒压供水系统原理如图 2示，它主要是由 007 （包括一块模拟量扩展模块 235、变频器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及若干台水泵等组成。通过控制柜面板上的按钮、转换开关和指示灯来控制系统 的运行。 图 2供水系统组成 调节系统的计算方法 12、 13 法： 设定了一个 法，所有泵的自动切换，变频器的工作全部依赖这个 原理 法控制原则基于以下公式： in 0)(（ 2 输出 = 比例项 + 积分项 + 微分项 式中： ()为时间函数的回路输出 ： 回路增益 E ： 回路错误（设定值和进程变量之间的差别） 回路输出的初始值 为了在数字计算机中运行该控制函数，必须将连续函数量化为错误值的定期样毕业设计（论文） 6 本，并随后计算输出。数字 计算机运算以下列相应的公式为基础： 11()nn i n i t i a l n nM n K C e K I M K D e e （ 2 输出 = 比例项 + 积分项 + 微分项 式中： ：采样时间 n 的回路输出计算值 ：回路增益 ： 采样时间 n 的 回路错误值 1： 回路错误的前一个数值（在采样时间 1n ） 积分项的比例常数 微分项的比例常数 微分项的比例常数 在该公式中，积分项被显示为全部错误项的函数，从第一个样本至当前样本。微分项是当前样本和前一个样本的函数，而比例项仅是当前样本的函数。 在数字计算机中，既不可能也没有必要存储所有的错误项样本。 因为从第一个样本开始，每次对错误采样时数字计算机都必须计算输出值，因此仅需存储前一个错误值和前一个积分项数值。由于数字计算机计算结果的重复性，可在任何采样时间对公式进行简化。简化后的公式为： 1()n n nM n K C e K I M X K D e e （ 2 输出 =比例项 + 积分项 + 微分项 式中： ： 采样时间 n 的回路输出 计算值 ： 回路增益 ： 采样时间 n 的回路错误值 1 ： 回路错误的前一个数值（采样时间 1n ） ： 积分项的比例常数 ： 积分项的前一个数值（采样时间 1n ） ： 微分项的比例常数 计算回路输出值时， 用对上述简化公式的修改格式。修改后的公式为： n n nM n M P M I M D （ 2 输出 =比例项 +积分项 +微分项 式中： ： 采样时 间 n 的回路输出计算值 ： 采样时间 n 的回路输出比例项数值 ： 采样时间 n 的回路输出积分项数值 ： 采样时间 n 的回路输出微分项数值 比例项 比例项 增益 错误（ e ）的乘积，其中增益控制输出计算的敏感度，错误是在某一特定采样时间设定值（ 和进程变量（ 之间的差。 用的计算比例项的公式为： ()M P K c S P n P V n （ 2 式中： ： 采样时间 n 的回路输出比例项数值 ： 回路增益 毕业设计（论文） 7 ： 采样时间 n 的设定值数值 ： 采样时间 n 的进程变量数值 积分项 积分项 e ）和成比例。 用的积分项公式为： () K c S P n P V n M （ 2 式中： ： 采样时间 n 的回路输出积分项数值 ： 回路增益 ： 回路采样时间 ： 积分时间（亦称为积分时间或复原） ： 采样时间 n 的设定值数值 ： 采样时间 n 的进程变量数值 ： 采样时间 1n 的积分项数 值（亦称为积分和或偏差） 积分和或偏差（ 是积分项所有先前数值的运行和。每次 算后，根据 数值更新偏差，该数值可能被调节或截取（详情请参阅 变量和范围 一节）。偏差的初始值通常被设为第一次回路输出计算之前的输出值。其他几个常数也是积分项的一部分，例如增益 采样时间 即 路重新计算输出值的循环时间）以及积分时间或复原 即用于控制积分项对输出计算影响的时间）。 微分项 微分项 错误变化成比例。计算微分项的公式为： ( ( ) ( ) ) K c S P n P V n S P n P V （ 2 为了避免步骤改变或由于对设定值变化求导带来的输出变化，对该公式进行修改，假定设定值为常数 1P 。如下所示，会导致计算进程变量的变化，而不计算错误的变化： 1() K c S P n P V n S P n P （ 2 或者 1() K c P V P V （ 2 ： 采样时间 n 的回路输出微分项数值 ： 回路增益 ： 回路采样时间 ： 回路微分阶段（亦称为微分时间或速率） ： 采样时间 n 的设定值数值 1 ： 采样时间 1n 的设定值数值 ： 采样时间 1n 的进程变量数值 1 ： 采样时间 1n 的进程变量数值 必须保存进程变量，而不必保存错误，用于下一次微分项计算。第一次采样时，数值 1被初始化，等于 变频恒压供水频率变化分析 毕业设计（论文） 8 交流电机的转速 n 与电源频率 f 的关系如下： 60 (1 ) （ 2 式中： p 是级对数， s 是转差率 因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速 n 。改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节 水泵工况目的。 图 2变频调速的水泵特性曲线 节能分析 3 水泵的基本参数和特性 1436， 37 水泵工作参数共有六个，即 :流量、扬程、功率、效率、转速及允许吸上真空高度或气穴余量。在六个参数中，流量、扬程和转速是基本参数，只要其中一个发生变化，其余参数都会按照一定的规律发生相应的变化。 水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量，可分为体积流量和质量流量两种。 相似工况抛物线管路性能曲线水泵性能曲线 文） 9 水泵扬程也称水头，是水泵由叶轮传给单位质量液体的总能量，可以由水泵进水口、出水口断面上的单位总能量 1E ， 2E 的差值表示，其单位以 m 计。水泵扬程可用下式表示为 22212 1 2 1 2 1 2 E Z Z H H g （ 2 式中： 分别为真空表测压点、压力表零位点至基准面的垂直 距离，低于基准面时取负值 (m )。 式中： 12, 分别为真空表、压力表读数 (m )。 22212为水泵进，出水口断面的流速水头 (m )。 水泵功率有以下两种，有效功率 轴功率 有效功率 泵内液体实际所获得的净功率 (，可以根据流量和扬程来计算。 1000M （ 2 式中： 为液体的比重（ 3/ Q 为液体的流量（ ） H 为水泵的扬程（ m ）。 轴功率程下运行时所需的外来功率，即由动力机传给水泵轴上的功率 (。轴功率不可能全部传给液体，而要消耗一部分功率后，才成为有效功功率。 1 0 0 % 1 0 01000 Q （ 2 式中： ： 水泵效率（ %） 有效功率与轴功率的比值为效率 。 100% （ 2 水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度，亦即反映了泵内功率损失的大小，是一项重要的技术经济指标。它由泵内水力效率、机械效率及容积效率等三个局部效率组成。 (1)机械损失与机械效率 机械损失包括轴与轴承的磨擦损失、轴与填料函的磨擦损失以 及叶轮在水中旋转时引起的损失即轮盘损失。水泵克服了机械损失之后，把剩下的功率传给所抽的水，这部分功率叫做水功率 （ 2 式中： ： 流过叶轮的全部流量 毕业设计（论文） 10 q ： 漏损量 水泵理论扬程 机械损失的大小用机械效率表示 100% （ 2 (2)容积损失与容积效率 在流过叶轮的全部流量中，除了出水量 Q 外，另有一部分流量，经过减漏环的间隙或轴流泵叶轮外缘与泵壳的间隙流回进水侧，以及经过填料函渗出泵外，流量带走的功率为 L （ 2 剩余的功率为： S W P （ 2 容积损失 用容积效率 j ，表示 100%r （ 2 各式带入上式后的： 100%()r QQ q H Q q （ 2 (2)水力损失与水力效率 水泵吸入室、叶槽、压出室中的磨擦阻力、旋涡及撞击等引起的水力损失，可用水力效率表示 100% t h t H H H （ 2 用 以上式右端可的： W S M j r P P （ 2 由上式可见水泵效率，是三个局部效率的乘积。要提高水泵效率，必须尽量减少机械磨擦和漏水量，并力求改善过流部分的设计和提高制造、装配质量。 n 转速 n 是指叶轮每分钟的转数。水泵铭牌上所标明的额定转速是设计工况时的转速，当转速改变后，水泵工作性能也随着改变。 二者是表征水泵吸水性能曲线或气穴性能的参数，它们是确定水泵安装高度和评述水泵发生气穴与气蚀问题的主要参数。 工况点调节方法： 在选择和使用水泵的实践中，常常会出现确定的工作点偏离水泵设计工作点较远，以至引起水泵装置效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象， 这就必须采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。这种方法叫做水泵工况的调节。现将常用的几种调节方法分述如下。 沿外径车小离心泵的叶轮，可以改变水泵的性能曲线，从而扩大水泵的使用范毕业设计（论文） 11 围，这种方法称为车削调节。离心泵叶轮车削不能超出某一范围，否则原来的构造被破坏，使叶片末端变粗，使叶轮和泵壳之间间隙过大，增加回流损失，以致水利效率降低。因而使用单位一般不采用这种调节方法来改变水泵工作点。 通过改变叶片安装角，使水泵性能曲线改变的方法成为水 泵工况的变角调节，它适用于叶片安放角可以改变的轴流泵及混流泵，并不适合离心泵，因此这里不作详述。 对于出水管路中装有闸阀的水泵装置来说，当把闸阀关小时，由于在管路中增加了一个局部阻力，则管路性能曲线变陡，于是，其工作点就沿着水泵的 H 阀关得越小，附加阻力越大，流量就变得越小。这种通过关小闸阀来改变水泵工作点位置的方法，称为节流调节。 变速调节是通过改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况以扩大水泵使用范围的目的。变速调节就是对水泵相 似理论的应用。 水泵调速运行的节能原理 水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量：而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点，使其流量与杨程适应管用水量的变化，维持压力恒定，从而达到节能效果。 图 2变频调速节能原理 由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率 及出水流量 Q 的乘积成正比；水泵的转速 n 与出水流量 Q 成正比：管网的水压 H 与出水流量 Q 的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率 P 与转速 n 的三次方成正比，即： 1P k 2 毕业设计（论文） 12 2n k Q（ 2 23H k Q （ 2 3P （ 2 上面各 式中1 2 3, , ,k k k 当系统出水流量减小时，通过变频调速装置将供水水泵转速调小，则水泵的输出功率将随转速的变化而减小。变频调速节能原理田如图 2示。图中曲线 1、 2、 3为管网阻力特性曲线，曲线 4 为水泵转速为1线 5 为水泵转速为2泵原来的工作点为