【毕业设计论文】变频恒压供水控制系统原型设计与开发-3本科毕业设计说明书（论文）（含目录）【有对应的CAD图】

订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕业设计说明书( 论 文) 题 目: 变频恒压供水控制系统原型 设计与开发 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提 高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设 计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。 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，并确定了系统的控制 方案。供水系统由 P L C 、变频器、水泵机组、压力变送器、工控机等组成。系统 包含四台水泵电机，其中三台主泵电机组成变频循环运行方式，采用通用变频器 实现对三相水泵电机的变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则；另一台小 泵电机采用工频恒速运行方式，使系统在用水量很低时，可以停止所有的主泵， 用小泵进行补水，减小系统功耗及噪音。压力变送器检测当前水压信号，经由 P L C 与设定值经 P I D比较运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电 机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。论文对系统的软 硬件进行了详细的设计。最后通过研究 P L C 与计算机之间的通信协议，完成了上、 下位机的通信设置， 并且采用 M C G S 组态软件平台， 实现了对供水系统的远程监控。 关键词 变频调速 恒压供水 P L C 本科毕业设计说明书（论文） 第 IV 页 共 IV 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要 本科毕业设计说明书（论文） 第 V 页 共 V 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 T i t l e T h e W a t e r S u p p l y S y s t e m o f F r e q u e n c y C o n t r o l o f C o n s t a n t P r e s s u r e A b s t r a c t W i t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f s o c i a l e c o n o m y , i t d e m a n d s t h e b e t t e r o f w a t e r s u p p l y s q u a l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f w a t e r s u p p l y s y s t e m . M e a n w h i l e e n e r g y r e s o u r c e s a r e s e r i o u s l y l a c k . S o i t i s i n e v i t a b l e t e n d e n c y t o d e s i g n w a t e r s u p p l y s y s t e m w h i c h h a s h i g h f u n c t i o n a n d s a v e s o n e n e r g y w e l l , w i t h h e l p o f a d v a n c e d t e c h n i q u e o f a u t o m a t i o n , c o n t r o l a n d c o m m u n i c a t i o n . A t t h e s a m e t i m e t h i s s y s t e m c a n a d a p t d i f f e r e n t w a t e r s u p p l y f i e l d s . T h i s p a p e r e x p l a i n s w a t e r s u p p l y s y s t e m s e n e r g y - s a v i n g p r i n c i p l e o f f r e q u e n c y c o n t r o l a c c o r d i n g t o c h a r a c t e r i s t i c c u r v e o f r u n n i n g p i p e l i n e s a n d w a t e r p u m p , a n a l y s e s t h e s t r u c t u r e o f t h e w a t e r s u p p l y s y s t e m o f f r e q u e n c y c o n t r o l o f c o n s t a n t p r e s s u r e a n d g i v e s a c o n t r o l m e t h o d . T h e w a t e r s u p p l y s y s t e m c o n s i s t s o f P L C , f r e q u e n c y c o n v e r t e r , p u m p u n i t , p r e s s u r e t o s e n d w a r e a n d w o r k , c o n t r o l m a c h i n e e t c . T h i s s y s t e m i s f o r m e d b y 4 p u m p g e n e r a t o r s , 3 m a i n p u m p g e n e r a t o r s f o r m t h e c i r c u l a t i n g r u n m o d e o f f r e q u e n c y c o n v e r s i o n . W i t h g e n e r a l f r e q u e n c y c o n v e r t e r r e a l i z e f o r t h r e e - p h a s e p u m p g e n e r a t o r s t a r t w i t h f r e q u e n c y c o n t r o l , o p e r a t i o n s w i t c h a d o p t s t h e p r i n c i p l e o f “s t a r t f i r s t s t o p f i r s t ”. A n o t h e r l i t t l e p u m p g e n e r a t o r a d o p t s t h e r u n m o d e o f c o n s t a n t s p e e d , m a k e s y s t e m i n w a t e r c o n s u m p t i o n l o w v e r y m u c h ，c a n s t o p a l l m a i n p u m p s ，m e n d w a t e r w i t h l i t t l e p u m p ，r e d u c e l i t t l e s y s t e m a t i c p o w e r c o n s u m p t i o n a n d n o i s e . T h e d e t e c t i o n s i g n a l o f p r e s s u r e s e n s o r o f r e a l i s t i c p r e s s u r e , v i a P L C w i t h s e t v a l u e b y c a r r y o u t P I D c o m p a r i s o n o p e r a t i o n , s o , c o n t r o l f r e q u e n c y a n d t h e e x p o r t v o l t a g e o f f r e q u e n c y c o n v e r t e r , a n d t h e n t h e r o t a t i o n a l s p e e d t h a t c h a n g e s 本科毕业设计说明书（论文） 第 VI 页 共 VI 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 p u m p g e n e r a t o r c o m e t o c h a n g e w a t e r s u p p l y q u a n t i t y , e v e n t u a l l y , i t i s n e a r b y t o m a i n t a i n p i p e n e t p r e s s u r e t o s t a b i l i z e w h e n s e t v a l u e . T h e d e s i g n o f t h e s y s t e m s h a r d w a r e a n d s o f t w a r e i s i n t r o d u c e d t h o r o u g h l y i n t h e p a p e r . B y r e s e a r c h i n g t h e c o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n t b e t w e e n t h e c o m p u t e r a n d P L C , t h i s p a p e r h a s f i n i s h e d s e t t i n g u p t h e c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n u p p e r a n d l o w e r c o m p u t e r . A n d a l s o r e a l i z e t h e l o n g - r a n g e m o n i t o r i n g f o r w a t e r s u p p l y s y s t e m w i t h M C G S g r o u p s o f t w a r e . K e y w o r d s V a r i a b l e v e l o c i t y v a r i a b l e f r e q u e n c y C o n s t a n t p r e s s u r e w a t e r - s u p p l y P L C 本科毕业设计说明书 （论文） 第 VII 页 共 VII 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 目 录 1 绪论 1 1.1 变频恒压供水系统产生的背景及研究意义 1 1.2 变频恒压供水系统国内外的研究现状 1 1.3 本文主要的研究内容 3 2 供水系统的基本原理 5 2.1 供水系统的基本特征 5 2.2 变频调速供水的原理 6 2.3 水泵调速运行的节能原理 7 2.4 变频恒压供水系统的特点 9 2.5 本章小结 10 3 变频恒压供水系统的理论分析及方案的确定 11 3.1 变频恒压供水系统理论分析 11 3.2 变频恒压供水控制系统方案的确定 15 3.3 本章小结 22 4 变频恒压供水系统的软硬件设计 23 4.1 系统主要硬件构成 23 4.2 系统电路设计 28 4.3 PLC 程序设计 31 4.4 本章小结 37 5 变频恒压供水监控系统设计 38 5.1 PLC 与上位机的通信 38 5.2 上位机监控界面设计 41 5.3 本章小结 46 结束语 47 致谢 48 参考文献 49 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 绪论 1 . 1变频恒压供水系统产生的背景及研究意义 众所周知，水是人类生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成 为时代特征的今天， 我国由于水资源和电能短缺比较严重， 长期以来在市政供水、 高层建筑供水、 工业生产循环用水等方面技术一直比较落后， 而且自动化程度低。 这主要是由于受陈旧的供水设备和输送管路的限制，例如在用水高峰期，水的供 给量常常低于需求量，出现水压降低，水供不应求的现象；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，水供过于求的现象，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 1 。 因此如何保证在供水量波动的时候水压恒定， 采取变频调速恒压控制是现代 供水控制系统的主要方式。它利用 P L C 、传感器、变频器及水泵机组组成闭环控 制系统，使管网压力保持恒定，代替了传统供水控制方案，具有自动化程度高， 高效节能的优点，在小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用，并取得了明显的 经济效益。 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 理和监控；同时系统具有良好的节能性，这在能源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。 1 . 2 变频恒压供水系统国内外的研究现状 传统的供水方式主要有: 恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水。 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应， 水泵的增减都依赖 人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行， 不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆 损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。水塔高位 水箱供水具有控制方式简单、 运行经济合理、 短时间维修或停电可不停水等优点， 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，起动电流大 等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。气压罐供水具有体 积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬启动 且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大、而且为减少水泵起动次 数，停泵压力往往比较高，致使水泵工作在低效段，同时出水压力无谓的增高， 也使浪费加大，从而限制了其发展。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的 存在效率低、 可靠性差、 自动化程度不高等缺点， 难以适应当前经济生活的需要。 随着交流电机变频调速技术的日臻完善， 变频调速恒压供水方式可以很好地克服 传统供水方法的缺点成为一种很有发展前途的供水方式 2 。 变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于 国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制 动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作 为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器 外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。随着变频技术的发展 和变频恒压供水系统的稳定性、 可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著 的节能效果被大家发现和认可后， 国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具 有恒压功能的变频器，像日本 S a m c o 公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频 泵固定方式” ， “变频泵循环方式”两种模式。它将 P I D 调节器和 P L C 可编程控制 器等硬件集成在变频器控制基板上， 通过设置指令代码实现 P L C 和 P I D 等电控系 统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器 工作，可构成最多 7 台电机（泵）的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降 低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性 不高，与别的监控系统（如 B A系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制 了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程， 大多采用国外的变频器控制 水泵的转速。对于水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可 编程控制器 P L C及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实 现。这两种控制方案，从可靠性方面讲，P L C 优于单片机，从经济性方面看，单 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 片机优于 P L C 。在变频与工频电源的切换技术上，多数采用主电路串接软启动器 的方法进行降压启动，也有采用切换时封锁变频器的控制脉冲，使变频器输出为 零，再切换到工频电源上。这两种方法，前者容易实现，软起动器一般为成品部 件，但设备投资较大；后者设备投资少，但频率波动大，易引起水管管网压力不 稳定。系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指 标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为（现已更名为艾默生）电 气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出了恒压供水专用变频器（5 . 5 k w 2 2 k w ） ，无需外接 P L C 和 P I D 调节器，可完成最多 4 台水泵的循环切换、定时起、 停和定时循环。 该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部 实现， 但其输出接口限制了带负载容量， 同时操作不方便且不具有数据通信功能， 因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，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 E M C 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 3 。 1 . 3 本文主要的研究内容 本文主要通过对现有供水系统的调研和分析，依据用户对供水系统的要求， 确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和 P L C 作为 主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统， 并引入上位机计算机对供水系统进 行远程监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。 具体而言，论文包括以下内容: ( 1 ) 分析了供水系统的基本特性以及变频恒压供水系统节能的原理， 列举了 变频调速恒压供水系统的主要特点。 ( 2 ) 通过对变频恒压供水系统的理论分析， 给出了恒压供水系统的近似数学 模型，并且分析了变频恒压控制的原理及 P I D 的调节原理。确定了变频恒压供水 系统的控制方案，给出了具体的变频恒压供水的控制流程和工作原理，以及变频 恒压供水中水泵切换的条件。 ( 3 ) 说明了基于 P L C 的变频恒压供水系统的软硬件设计。 包括了对硬件选型, 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 其中具体有水泵机组选型、变频器选型、P L C 及其扩展模块选型、触摸屏选型、 压力变送器及数显仪的选型；软件方面是设计了系统主电路、控制电路及 P L C 的 I / O 端子分配和 P L C 程序分析。 ( 4 ) 变频恒压供水系统的远程监控系统采取上、下位机的组成方式，通过上 位机计算机和下位机 P L C 的通信，在计算机上监控供水现场的运行情况，实现变 频恒压供水系统的自动运行。论文分析了计算机和 P L C 通信系统的组成和协议， 并选用 M C G S 组态软件作为上位机软件开发监控平台， 实现供水状况的远程监控。 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 2 供水系统的基本原理 2 . 1 供水系统的基本特征 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)(Qf，如图 2 . 1 所示。由图 2 . 1 可以看出，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H与用水流量 u Q 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)( u QfH =。管 阻特性反映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，管阻特性所反映的是扬程H与供水流量 c Q 之间的关系)( c QfH =。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。 在这一点，用户的用水流量 u Q 和供水系统的供水流量 c Q 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。如图 2 . 1 所示： 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 A Q A H )/( 3 sm 图 2 . 1 供水系统的基本特征 2 . 2 变频调速供水的原理 变频恒压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。 交流电动机分为同步机和异步机两大类型。 其中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 异步电机的同步转速为： p f n 1 1 60 = （r / m i n ） （2 1 ） 异步电机的转差率为: 1 1 n nn s = （2 2 ） 异步电机的转速为: )1 ( 60 )1 ( 1 1 s p f snn= （2 3 ） 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 式中： 1f异步电机的定子绕组电源频率 p异步电机的磁场极对数 s异步电机的转差率 1n异步电机的同步转速( r / m i n ) n异步电机转速（r / m i n ） 由上面式子可以看出，要改变电机的转速，可以通过改变电源频率 1 f、极对 数p以及转差率s三个方面来实现，各种交流电机的调速都是围绕着这三个方面 来考虑的，其调速方法有：变频调速、变极调速和变转差率调速。 在众多调速方式中，变频调速优于其它交流调速方式。在上面式子中，当极 对数p不变时，电机转子转速 n 与定子电源频率 1 f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 . 3 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。 在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门 控制法和转速控制法。 阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实 质是通过改变水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 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 时间内保持不变，必然要造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 地调整水泵电机的转速，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。 用阀门控制和调速控制的管网及水泵的运行特性曲线对比情况如图 2 . 2所 示。 0 H 2 Q 1 Q 1 H 1 3 2 2 n 1 n 2 H )/( 3 sm 图 2 . 2 管网及水泵的运行特性曲线 当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在 E 点，流量为 1 Q，扬程为 0 H ， 当供水量从 1 Q减小到 2 Q时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲 线从 3 移到 1 ，扬程特性曲线不变。而扬程则从 0 H 上升到 1 H，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), 0( 1, 2 HFQ围成矩形部分，其值 为: 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 102 21Q H PF= （2 4 ） 当用调速控制时，若采用恒压( 0 H ) ，变速泵(2n) 供水，管阻特性曲线为 2 ， 扬程特性变为曲线 2 n， 工作点从 E 点移到 D 点。 此时水泵输出功率用图形表示为 ), , 0 ( 02 HDQ围成的矩形面积，其值为: 102 20Q H PD= （2 5 ） 可见，改用调速控制, 节能量为),( 10 HFDH围成的矩形面积，其值为： 102 )( 102102 2012021 QHHQHQH PPP DF = （2 6 ） 所以，当用阀门控制流量时，有 102 )( 201 QHH 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大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之 上移，于是 1 H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： 1 2 1 2 N N Q Q =； 2 1 2 1 2 )( N N H H =； 3 1 2 1 2 )( N N P P = （2 7 ） 式中 1 Q 、 1 H 、 1 P为变速前的流量、扬程、功率， 2 Q 、 2 H 、 2P为变 速后的流量、扬程、功率。 由公示（2 7 ）可以看出，流量与转速成正比，扬程与转速成正比，功率与 转速的立方成正比，则损耗功率与转速成正比，控制了转速就相当于控制了损耗 功率，所以调速控制方式要比阀门控制方式节能效果显著 4 。 2 . 4 变频恒压供水系统的特点 变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合， 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点 5 ： ( 1 ) 滞后性： 供水系统的控制对象是用户管网的水压， 它是一个过程控制量， 同其他一些过程控制量（如：温度、流量、浓度等）一样，对控制作用的响应具 有滞后性，同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。 ( 2 ) 非线性：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵 的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速 恒压供水系统是一个非线性系统。 ( 3 ) 多变性：变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的 供水系统， 而不同的供水系统管网结构、 用水量和扬程等方面存在着较大的差异， 因此其控制对象的模型具有很强的多变性。 ( 4 ) 时变性：在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定 量泵的控制（包括定量泵的停止和运行）是时时发生的，同时定量泵的运行状态 直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为：变频 调速恒压供水系统的控制对象是时变的。 ( 5 ) 容错性：当出现意外的情况（如突然断电、泵、变频器或软启动器故障 等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网 压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故 障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。 ( 6 ) 可扩充性：水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯 接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便 显示和监控以及报表打印等。 ( 7 ) 节能性：系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供 水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从 0 到电机额定电流， 减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲 击，延长了设备的适用寿命。 2 . 5 本章小结 本章分析了供水系统的基本特性。 根据扬程特性曲线和管阻特性曲线可以看 出用水流量和供水流流量处于平衡状态时系统稳定运行。 在供水系统中采用变频 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 调速是由于水泵的功率与转速的立方成正比， 所以调速控制方式要比阀门控制方 式节能效果显著。最后列举变频调速恒压供水系统的主要特点。 3 变频恒压供水系统的理论分析及方案的确定 3 . 1 变频恒压供水系统理论分析 3 . 1 . 1 变频恒压供水系统的近似数学模型 由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、 模型不稳定的对象，我们难以得出它的精确数学模型，只能进行近似等效。水泵 由初始状态向管网进行变频恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行， 至管网压力达到稳定要求时一般要经历两个过程: 零压过程和压力上升过程。首 先零压过程是指：水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力， 可以认为保持为零，这是一个纯滞后的过程。其次压力上升过程是指：水泵将水 充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，可以认为是一阶惯性环节，这是一 个大时间常数的惯性过程。因此，恒压供水系统的数学模型可以近似等效为一个 带纯滞后的一阶惯性环节。而系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电 控制转换、 压力检测等的时间常数和滞后时间与原供水系统的时间常数和滞后时 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 47 页 订做机械设计 (有图纸 C