毕业设计（论文）-高楼恒压供水系统硬件的分析与设计.doc

中北大学分校毕业设计 I 摘 要 近年来，随着城市建设的迅速发展，土地资源越来越少，现代建筑越来越高， 高层居民楼恒压供水难的问题越来越突出，单靠自来水管网的压力已远远不能满 足恒压供水的要求，而传统的恒压供水方式不同程度的存在效率低、可靠性差、 自动化程度低等缺点。为了解决上述问题，本文提出了变频调速恒压供水方案， 该方案具有高效节能、安全可靠、自动化程度高、操作简单的优点。研究此方案 对降低成本、节约能源、提高供水质量有着非常重要的现实意义。 该论文针对高层居民楼恒压供水进行硬件设计，采用竖向分区分别实现恒压 供水，低区直接由市政水管网供水，中高区由变频调速恒压供水的设计思路。其 中中高区恒压供水系统分别由压力传感器、变频器、离心泵机组等组成，以水泵 出口水压为参数，通过控制变频器的输出频率来自动换泵和自动调节水泵电机的 转速来达到各区恒压用水的目的。论文通过计算用水量来选择各区的水泵机组、 驱动电机、和变频器，并对系统的工程问题进行了讨论。 变频恒压供水系统能够通过配置合理型号的水泵、电机、变频器以及恒压供 水控制方式为供水行业在保证供水服务，赢得良好社会效益的同时，也降低了自 身的生产成本，提高劳动生产率，从而获得更好的经济效益。 关键词：恒压供水，变频调速，分区，离心泵 中北大学分校毕业设计 II AbstractAbstract In recent years, with the rapid development of urban construction, land resources becoming less and less, modern buildings becoming higher and higher, high- rise residential buildings are increasingly difficult in constant pressure of water supply. The pressure of water pipe network alone hasnt been far from meet the demand of constant pressure water supply, however, the traditional way of constant water supply generally has the disadvantage of low efficiency, poor reliability and automation. To solve the above problems, we propose a program which is the variable frequency control speed to maintain constant pressure water supply. The program is energy efficient 、safe、reliable、high degree of automation and simple. Operation Researching this program has a very important significance in cost reduction, energy conservation, water quality improvement. This paper is aim to do hardware design for high-rise residential buildings constant pressure water supply, apply vertical partitions in order to realize constant water supply. Low-area network gets water directly from municipal water supply network. Middle and high network gets water by variable frequency control of motor speed to maintain constant pressure water supply. Middle and high network constant pressure of water supply system is composed of pressure sensor、transducer、pump unit etc. The system with water pressure parameters which is from export pumps, realize constant pressure water supply for each area by controlling the output frequency of inverter which can switch pump and adjust the pump speed automatically. This thesis also select the districts water pump、driving motors and inverters by calculation of water consumption. In this paper, system engineering problems are discussed, too. variable frequency constant pressure water supply system makes water supply industries to reduce their production costs、improve labor productivity and acquire better economic benefits at the same time ensure water services and win good social benefits, through configuring reasonable model of pumps、motors and inverters. Keywords: constant pressure water supply, variable frequency control speed, sub region, pump 中北大学分校毕业设计 III 目 录 第 1 章 绪论.3 1.1 课题研究的背景和意义 .3 1.2 变频调速恒压供水现状和发展 .3 1.3 本课题研究的主要内容 .3 第 2 章 变频恒压供水系统的理论分析.3 2.1 变频调速恒压供水系统的简介 .3 2.1.1 变频调速恒压供水系统设计思路分析.3 2.1.2 变频恒压供水系统的特点 .3 2.1.3 变频调速恒压供水系统的原理图 .3 2.1.4 变频调速恒压供水系统的硬件组成 .3 2.2 变频调速恒压供水系统的总体方案 .3 2.2.1 变频调速恒压供水系统的设计要求 .3 2.2.2 水压控制点的选择 .3 2.2.3 恒压供水中变频泵工频泵的设计 .3 2.2.4 系统的总体方案 .3 2.3 本章小结 .3 第 3 章 变频恒压供水系统的硬件设计与实现.3 3.1 给水系统计算 .3 3.1.1 竖向分区 .3 3.1.2 用水量确定 .3 3.2 主要器件的选型 .3 3.2.1 贮水池的选择 .3 3.2.2 水泵机组的简介与选型 .3 3.2.3 变频器的选型.3 3.3 设备的电气连接 .3 3.4 本章小结 .3 第 4 章 工程问题讨论与研究.3 4.1 离心泵的主要故障 .3 中北大学分校毕业设计 IV 4.2 变频器的主要故障.3 4.3 变频恒压供水自动控制系统的抗干扰对策 .3 4.4 本章小结 .3 第 5 章 总结和展望.3 参考文献.3 致 谢.3 中北大学分校毕业设计 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义 (1) 课题研究的背景 众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，长期以来在市政供水、 高层建筑供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水高峰期， 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，此时水压不恒定并 且造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。 总的说，恒压供水大致经历了以下几个发展阶段。下面就逐一分析： 一台恒速泵直接供水系统 这种供水方式，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。 恒速泵加水塔的供水方式 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，只有水泵 工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵才处于高效区。 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。 恒速泵加高位水箱的供水方式 这种供水方式原理与恒速泵加水塔的供水方式是相同的，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 中北大学分校毕业设计 2 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。 射流泵加水箱供水方式 这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作的，利用压差和入水管粗， 出水管细的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方案 会出现有压无量（流量）的现象，无法满足高层供水的需要。 恒速泵加气压罐供水方式 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，下面一一讲述: 该方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定 转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所 需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造 成一定的能耗。另外气压罐要消耗一定的钢量并且气压罐体积大占用一定的地面 面积。在运行方式上，气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由 于气压罐的调节容量仅占其总容积的 1/31/6，因而每个罐的调节能力很小，只 得依靠频繁的启动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁， 压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备容易损坏。 变频调速恒压供水方式 这种方式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。 相比于气压罐供水方式，变频调速的方式有明显的优势。变频恒压供水在系 统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这 样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，启 动能耗比较小。另外变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备， 不存在消耗多少钢材的问题并且变频调速式中的调速装置占地面积小。在运行效 中北大学分校毕业设计 3 果上，变频调速式的运行十分稳定，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启 动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由于调速 式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了饮用水水质 可靠。 变频恒压供水系统有单片机变频恒压供水系统和 PLC 变频恒压供水系统。 单片机恒压供水系统的自动化程度明显优于前四种供水方式，但其需要的开 发周期长，对操作员的素质要求高，可靠性较低，维护不方便，并且不适合于恶 劣的环境。鉴于单片机恒压供水系统有许多缺点本设计采用 PLC 变频调速恒压供 水系统。 PLC 变频调速恒压供水系统可靠性高、抗干扰能力强，设计、安装容易，维 护工作量少，功能强通用性好，开发周期短、成功率高，体积小、重量轻等优点1。 (2) 课题研究的意义 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。目前的供水方式正在朝高效节能、自动可 靠的方向发展。因此开发全自动的变频调速恒压供水系统，越来越受到人们的重 视和青睐。 随着人们生活质量的提高，同时为了满足节约能源、提高设备寿命的需要， 采用变频方式维持管网压力恒定的成套供水控制装置已逐步取代传统的供水方式， 在生产、生活、消防等各个领域得到了广泛应用2。 变频调速恒压供水系统以其节能、安全、高品质的供水质量优点，使我国供 水行业的技术装备水平从 20 世纪 90 年代经历了一次质的飞跃，变频恒压供水系 统实现水泵电机无级变速，根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，达到维 持恒定供水压力的目的，使其成为先进合理的节能型供水装置，并在实际应用中 得到了很大的发展和推广。它具有投资少，自动化程度高，保护功能齐全，运行 可靠，操作简便，节水节电效果显著，尤其对水质不构成二次污染，其优异的性 能价格比，是其它任何供水设备无法比拟的。 随着自动控制和电力电子技术的飞速发展，智能型控制器件和变频装置的功 能也越来越强，充分利用各种先进技术，合理设计变频恒压供水设备，对降低成 本、节约能源、提高供用水质量有着非常重要的意义。 中北大学分校毕业设计 4 1.21.2 变频调速恒压供水现状和发展变频调速恒压供水现状和发展 (1) 变频调速恒压供水的研究现状 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、变压变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。从查阅的资料的 情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的 方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。 在 1968 年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全球五 大核心供应商之一）后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定、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供水功能的变频器，像瑞典、 瑞士的 ABB 集团推出了 HVAC 变频技术，法国的施耐德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 PID 调节器和 PLC 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 PLC 和 PID 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。可构成最多七台电机（泵）的供水系统。这类设备虽然说是 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 BA 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受到了限制。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多数采用国外品牌的变频 器控制水泵的转速、水管的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（PLC）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。但从系统的动态性能、稳定性能、抗干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（森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器 （2.2KW-30KW）,无需外接 PLC 和 PID 调节器，可完成最多四台水泵的循环切换， 定时启动、停止和定时循环（丹麦丹佛斯公司的 VLT 系列变频器可实现七台水泵 机组的切换） 。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 中北大学分校毕业设计 5 现，但其输出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（EMC）的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。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 产实践中。 采用变频器调节以后，系统实现了软启动，电机启动电流从零逐渐增至额定 电流，启动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电 机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的， 各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件。实际上，给 水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。这种调控方式缩小了优化范围，所得 到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。 变频调速是优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速 等） ，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调 速技术，它采用的微机控制技术；电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流 电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合 PLC 组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修 方便和低成本低能耗等诸多特点。 (2) 变频调速恒压供水系统的发展趋势 变频调速恒压供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展。在国 内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了 PLC 或 PID，甚至将压力传感器也融入变频组件，同时维护操作也越来越简明。 目前国内不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采 用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合 PLC 或 PID 调节器实现恒压供水， 在小容量、控制要求的变频供水领域，发展较快，并以其成本低廉的优势占领了 相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有 待于进一步改进和完善3。 1.31.3 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 中北大学分校毕业设计 6 本课题的任务是在广泛调研的基础上，针对一栋 32 层的居民住宅楼，地下 2 层，地上 32 层，负 2 层放置泵房机组，负 1 层为在和平时期为车库，战争时期为 天然防空洞，1 层到 32 层为居民住宅楼（2 个单元每层 4 户） ，进行综合规划，设 计一套恒压无塔供水系统，并做到安全可靠、投资合理、运行经济。 本文以高层居民楼恒压供水系统为背景，引出变频调速恒压供水，介绍了供 水系统的硬件设计和实现，并针对实际供水情况，进行硬件的选择和连接，具体 安排如下： 第 1 章 介绍了课题研究的背景，首先指出几种传统供水方式引出变频恒压供 水。然后介绍了恒压供水的意义和研究现状，说明恒压供水在降低成本、节约能 源、提高供水质量方面有重要的现实研究意义，指出变频调速已经成为高楼恒压 供水的主要方式。最后介绍了课题研究的主要内容，阐述了本设计的研究任务； 第 2 章 对变频恒压供水系统进行理论分析，首先对变频调速恒压供水系统进 行简单介绍，说明变频调速恒压供水的设计思路，根据系统的特点设计了恒压供 水的原理框图和硬件组成，通过总体分析设计出分区恒压供水的总体方案。 第 3 章 根据实际中对系统的要求，对变频调速恒压供水系统的硬件进行具体 的选择，为更好的实现各层恒压供水，采用分区设计，根据最大日用水量选择离 心泵组、驱动电机和变频器，同时对硬件的电气连接进行叙述。 第 4 章 对系统在运行过程中的故障进行介绍，并讲述了故障可能的原因，同 时对系统的抗干扰设计做简单叙述。 第 5 章 对本设计进行总结，展望。 中北大学分校毕业设计 7 第第 2 2 章章 变频恒压供水系统的理论分析变频恒压供水系统的理论分析 2.12.1 变频调速恒压供水系统的简介变频调速恒压供水系统的简介 2.1.12.1.1 变频调速恒压供水系统设计思路分析变频调速恒压供水系统设计思路分析 供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保持管网中水压的基 本恒定。在恒压供水系统中，为保持管网水压的基本恒定，需要根据给定的管网 压力与管网水压的反馈信号进行比较以调节水泵的转速，达到调节管网中水压的 目的。 根据公式:，在极对数 p 不变的情况下，同步转速 n 和电源频率 f 成 正比。连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电机的转速，被称之为变频 调速。 在分析水泵的负载特性时，常采用下列的一组公式: (2.1) (2.2) 式中: n 为电机转速,r/min； M 为输出转矩,N m； P 为输出功率,kW。 水泵为平方转矩负载，即水泵的负载转矩与转速的平方成正比，而水泵的轴 功率与转速的立方成正比。由此可知，当要求出水量减少时，可使电机转速降低， 而电机转速的微量减小，将使输出功率大幅下将4。 变频变压供水在闭式系统中的应用性能曲线如图 2.1 所示。当系统流量从 QA 降为 QB时，水泵转数从 NA变为 NB，工况点为 B 点，节约了 BB这段扬程所耗功率。 并且水泵的运行工况点落在 AB 抛物线上，抛物线的顶点为原点，其运行工况为相 似工况5。 在现代工业和经济生活中，随着电力电子、微电子以及现代控制理论的发展， 交流变频调速技术作为高新技术、节能技术已经应用于各个领域，具有高效、节 中北大学分校毕业设计 8 能和智能化的特点。把交流变频应用于鼠笼式电机的调速，易于构成功率因数高、 输出谐波小、启动平稳、调速范围宽等一系列优点的智能化调速系统。而对风机 和水泵类负载而言，采用变频技术，无论在电能消耗还是在设备使用寿命方面都 有其它调速方法无可比拟的优越 。 图 2.1 变频恒压供水系统流量和扬程关系曲线 变频调速稳定供水压力的基本思路如下: 假定水泵出水口的压力要求为 H0，即为变频供水工作的目标值，实际压力用 H1表示。在正常用水范围内，变频供水系统始终维持水泵出水口的实际压力。若 用户的用水量不变，则变频泵恒速运行，系统便处于稳定的运行状态，若用水量 发生变化: (1) 当用水量加大时，实际压力值下降，H1 H0，此时应控制变频器带动水泵 加速运转，H1值上升达到新的平衡状态。 (2) 当用水量减小时，H1有大于 H0趋势，应控制变频器带动水泵减速运行直 到 H1H0。 如图 2.2 所示，当用户将系统压力恒定为 HA时，水泵对应的运行工况点为 A，流量为 QA，压力为 HA，当系统流量由 QA降为 QB时，水泵扬程升为 HB时，这 时变频控制器收到信号，将水泵转速由 NA降为 NB，使水泵扬程控制在 HA，B 点为 变转速后的运行工况点。同理，如流量从 QB降为 QC时，转速变为 NC，C 点为变转 速后的运行工况点，且 C 点处水泵扬程维持为 HA。这样水泵在运行过程中。节省 了 BB、CC这段不必要的扬程， 这就是恒压供水的节能原理。从上述的节能原理分析可以看出，水泵的运行 工况点始终维持在扬程为 HA的水平线上。这样使整个系统在运行过程中。始终维 A B Q() H(m) 中北大学分校毕业设计 9 持了最不利点所需压力，保证了系统的安全运行，节约了部分能耗，但根据水泵 相似定律的特例比例律的相似条件，变频恒压供水系统中，水泵的运行工况点 不是相似点，因为所有工况点为一条水平直线，而非一条以原点的相似工况抛物 线6。 H（kpa） 图 2.2 变频恒压供水系统流量和转速关系曲线 2.1.22.1.2 变频恒压供水系统的特点变频恒压供水系统的特点 (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 Q() 中北大学分校毕业设计 10 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 一电机额定电流，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 的使用寿命7。 2.1.32.1.3 变频调速恒压供水系统的原理图变频调速恒压供水系统的原理图 变频调速恒压供水系统，主要由变频器 水泵机组、压力传感器组成， 如 图 2.3 所示：在供水过程中，水泵转速的变化能调节水量，但是转速降低 流量减 小 压力也相应降低 为了保证流量并维持一定的供水压力，最大限度地节约电能， 就必须建立闭环自动调节系统 设在供水主管网中的测量元件压力传感器将检测供 水主管网侧压力变化，PS为恒定供水压力设定值，供水压力 Pf作为输出量，构成 闭环控制系统 PLC 采集供水压力值 Pf与压力设定值 PS进行比较和运算，将结果 中北大学分校毕业设计 11 转换为频率调节信号送至变频器进行调速调节流量，直至达到供水压力的给定值 Ps不管系统供水流量如何变化，供水压力值 P 始终维持在设定压力值 Ps附近。 另外，变频调速恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实 现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力 是一个时间 分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的 目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。 图 2.3 变频调速恒压控制原理图 从恒压控制的原理图中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低 于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变 频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将 这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。 该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将 被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力 高于设定压力，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，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压 力相等8。 2.1.42.1.4 变频调速恒压供水系统的硬件组成变频调速恒压供水系统的硬件组成 变频调速恒压供水系统主要硬件由执行机构、信号检测、控制系统、人机界 面、通讯接口以及报警装置等部分组成。 (1) 执行机构 执行机构是由中、高区的两组水泵构成，它们用于将水供入用户管网。每区 的水泵机组由三个水泵构成，一个主泵，一个备用泵，主泵和备用泵的型号完全 相同，每隔半月自动切换运行，外加一个小功率的休眠泵，用于小流量时的供水。 压力比较 较 控制算法 变频器水泵机组 压力传感器 f 中北大学分校毕业设计 12 (2) 信号检测 在系统运行的过程中，需要检测的信号包括用户水压信号、报警信号和贮水 池的水位信号： 水压信号：它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈 信号。 报警信号：它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有 异常、贮水池的水位是否过低。该信号为开关量信号。 水位信号：它反映的是贮水池水位值，贮水池内有三个水位控制值，分别 是消防水位、生活用水最低水位和生活用水最高水位。当水位到达消防水位时停 止向用户供水，启动供水控制系统开始向贮水池内注水；当水位到达生活用水最 低水位，不停止向用户供水，启动供水控制系统开始向贮水池注水；当贮水池的 水位到达生活用水最高水位时，通过溢流管将水流到另外的容器。 (3) 控制系统 供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC 系统） 、变频 器和电控设备三个部分。 供水控制器：它是整个变频调速恒压供水控制系统的核心。供水控制器直 接对系统中的工况、压力、报警信号、贮水池水位进行采集，对来自人机接口和 通讯接口的数据信息进行分析、实时控制算法，得出对执行机构的控制方案，通 过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。 变频器：它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的 控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。 电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电器元件组成。 用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手动/自动切换等。 (4) 人机界面 人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改 设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机 界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运 行进程进行监视，对报警进行显示。 (5) 通讯接口 通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件 中北大学分校毕业设计 13 以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进 的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。 (6) 报警装置 作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于 不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、 变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的 故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，有 PLC 判断报警类别，进行显示 和保护动作控制，以免造成不必要的损失8。 图 2.4 变频调速恒压供水原理框图 2.22.2 变频调速恒压供水系统的总体方案变频调速恒压供水系统的总体方案 2.2.12.2.1 变频调速恒压供水系统的设计要求变频调速恒压供水系统的设计要求 对变频恒压供水自动控制系统的基本技术要求，项目建设部门和供用水管理 机构都有严格的标准和考核指标，可以归纳为: (l) 保证供水压力恒定、并达到规定的稳压精度; (2) 具有工作泵和备用泵定时切换功能，防止水泵长期闲置造成的锈蚀; (3) 基本操作模式应包括: “手动变频”以及“全自动工作”方式; 报 警 装 置 置 人 机 界 面 通 讯 接 口 供水控制器 （PLC 系统） 压力传感器 供水管网 接 触 器 组 变频器 工频电网 中北大学分校毕业设计 14 (4) 在线修改工作参数，包括:压力和保护阀值设定、变频器工作频率限制、 水泵投入运行的次序、定时切换的时间以及 PID 参数等; (5) 完善的保护措施，包括:超水压、电机过载、水箱缺水、欠电压、变频器 故障等常见系统故障; (6) 故障自诊断及处理; (7) 良好的元器件品质，采用国际知名品牌的变频器、PLC 人机界面(HMI)、 低压电器等关键部件; (8) 在硬件的设计上保证系统的可移植性和扩展，以降低产品二次开发和改 进的成本。 同时扩展其在下列几个方面的功能: (1) 通过控制中心，实时掌握泵房的运行状态; (2) 在线干预系统的运行，包括设置参数，改变水泵的工作次序等; (3) 便于对用水状况进行分析，为进一步节约能源或提高设备运行寿命提供科 学依据; (4) 便于设备的故障检修和日常维护; (5) 实现真正意义的无人值守9。 2.2.22.2.2 水压控制点的选择水压控制点的选择 变频调速给水恒压系统在应用时能否达到理想的工况, 压力控制点设置的形 式是关键因素之一。压力控制点的设置有两种形式:一是将控制点设于泵站出口, 按该点的压力进行工况调节, 间接保证最不利点的水压稳定, 称之为泵出口恒压 控制,二是将控制点设于最不利点处, 直接按最不利点水压进行工况调节, 称之为 用户最不利点恒压控制, 下面就管网压力、能耗、水泵工况等对这两种形式进行 比较分析和讨论。 (1) 不同压力控制点的管网压力 泵出口恒压控制 泵出口恒压控制的管网压力分析压力控制点设在泵站出口, 以该点水压标高 为定值作为目标。管网压力分析系统工作特性曲线如图 2.5 所, 为与最大供水量 Qmax相对应的管道特性曲线,B0为水泵在 Qmax 时特性曲线,H为压力控制线, 即泵 出口处压力, 是一恒定值,其大小由与 Qmax相对应的管道特性曲线及在 Qmax时最不 利点水压要求所确定。 中北大学分校毕业设计 15 H ba 图 2.5 泵出口恒压控制的工作特性 在供水量 Qmax时,A0、B0与 H 交与 a 点, 即为此时工况点。设 S 为泵出口 至最不利点间的管道阻力系数 ( 下同) ,H0为最不利点水压标高, 那么在工况点 ( a 点) 满足 H=H0 +SQmax此时 H0为最不利点要求的最低水压, 同时管网水压也 最低。 供水量减小 (QH0, 即最不利点 水压标高增大, 同时整个管网水压均升高。最不利点水压标高最大值为(H-SQmin2). 若采用手动调节阀门, S 增大, 管道特性曲线为 , 如图 2.5 所示。在满 足 H 恒定的条件下,流量减小, 由于 S 增大, 可满足 =, 即最不利点水 压和整个管网水压都不变。但在完全自动调节的系统中采用手动调节, 其实际应 用意义不大。 由以上分析可知, 系统完全自动调节, 压力控制点设在泵出口处的情况下, 当供水量最大时, 最不利点水压为其要求的最小服务水压, 管网水压也最低; 随 着供水量降低, 最不利点水压逐渐增大,管网水压也增大。供水过程中, 随着流量 的变化,最不利点水压发生波动, 其范围由最小值 (H-SQmax2) 到最大值(H- SQmin2)。 用户最不利点恒压控制 用户最不利点恒压控制的管网压力分析压力控制点设在最不利点, 以该点水 Q 中北大学分校毕业设计 16 压标高为定值作为目标。系统工作特性曲线如图 2.6 所示,A0为管道特性曲线,H0 为最不利点水压标高,H0为水泵在 Qmax时特性曲线。 当供水量为最大时, 即管网压力分析供水量为 Qmax时, 工况点为 a 点(图 2. 5) , 最不利点水压为 H0, 泵出口处压力标高为:H=H0+SQmax2 ， 此时泵出口处水压最高。 Q 图 2.6 用户最不利点恒压控制的工作特性 当供水量减小 (Qn2*, 这也从另一方面证明, 在供水量相等时, 最 不利点恒压控制的水泵以更低的转速工作, 消除了能量浪费, 更节能。 总之，对于泵出口恒压控制, 当流量变化时,最不利点水压发生波动, 整个管 网的水压变化也较大, 随着供水量降低, 最不利点水压比实际要求的高, 影响使 用效果。对于最不利点恒压控制, 当流量变化时, 最不利点水压为恒压, 整个管 网的水压也较