（水利水电工程专业论文）阳谷县城乡供水自动化控制工程的研究.pdf

阳谷县城乡供水自动化控制工程的研究 摘要 随着社会进步和经济的迅速发展，人们对供水质量和可靠 性的要求不断提高。计算机和自动控制技术不断进步使得高性 能的供水系统的开发成为可能。 阳谷县城乡供水工程设计曰供水能力2 万m 。，水源地选在景 阳岗村附近，建设深井5 眼，浅井1 0 眼；输水管道总长度2 3 5 9 k m ； 水厂建在阳谷县城东郊，设清水池2 座，每座容积2 0 0 0 m 。，建设 二级泵房一座，配置6 台离心泵。 本文设计的阳谷县城乡恒压供水自动化控制系统是一套由 工业控制计算机( i p c ) + 可编程控制器( p l c ) + 变频器+ 传感器； 组态技术的控制系统，控制系统分为机井层、水源地层和水厂 层。本文分析了变频恒压供水的原理，针对阳谷县供水工程的 实际情况，结合传感器技术和无线通信技术，利用组态软件设 计了基于s 1 m a t i cs 7 2 0 0p l c 的阳谷县城乡恒压供水自动化工 程控制系统。系统完成信号监测、数据传送、变频调速、实时 监控的功能，达到实际工程需要。 关键字：变频调速，恒压供水，组态，p l c 华北水利水电学院砸一 ：学位论文 t h es t u d yo fy a n g g ut o w n s hlp w a t e rs u p p l ya u t o c o n 丁r o lp r o je c t a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i a lp r o g r e s s ，p e o p l ed e m a n dh i g h q u a l i t ya n dc r e d i b i l i t yo fw a t e rs u p p l y lt h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra n da u t o c o n t r o l m a k ei tp o s s i b l et od e v e l o pa d v a n c e dw a t e rs u p p l ys y s t e m y a n g g ut o w n s h i pw a t e rs u p p l yp r o j e c ti sd e s i g n e dt os u p p l yw a t e r2 0 ，0 0 0m 。 p e rd a y t h es o u r c el o c a t e di l e a l b yj i n g y a n g g a n gv i l l a g e f i v ed e e pw e l l sa n dt e n s h a l l o ww e l l sa r eb u i l tt h e r e t h et o t a ll e n g t ho fw a t e rp i p ei s2 35 9 k i n w a t e r w o r k s w i t ht w o2 0 0 0m 3t a n k si sb u i l ta ty a n g g ut o w na n das e c o n d a r yp u m ps t a t i o n e q u i p p e ds i xc e n t r i f u g a lp u m p s i nt h i sp a p e r , y a n g g ut o w n s h i pc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ya u t o c o n t r o l p r o j e c t i sas y s t e mc o n s i s to fas e r i e st e c h n o l o g yi n c l u d i n gi n d u s t r i a lp r o c e s s c o n t r o l ( i p c ) ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l ( p l c ) ，i n v e r t e r - s e n s o ra n d i n s t r u m e n t c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y t h ec o n t r o ls y s t e mi s d i v i d e db yw e l ll a y e r ，s o u r c e l a y e ra n dw a t e r w o r k sl a y e r t h i sp a p e ra n a l y s e st h et h e o r yo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o n c o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ya c c o r d i n gt ot h er e a l i t yo fy a n g g ut o w n ，y a n g g u t o w n s h i pc o n s t a n tp m s s u r ew a t e rs u p p l ya u t o c o n t r o lp r o j e c tt h a tb a s e do ns 1 m a t i c s 7 - 2 0 0p l ci sd e s i g n e db yi n s t r u m e n tc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i t ht h eh e l po fs e n s o r t e c h n o l o g i e sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s t h es y s t e mc a nc o m p l e t e s i g n a lm o n i t o r i n g ，d a t at r a n s f e r ，v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n ，r e a l 。l i m e m o n i t o r i n g t h e s ef u n c t i o n sm e e t t h er e q u i r e m e n to f p r a c t i c a lp r o j e c t k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，c o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l y c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y ，p l c i i 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规 范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构 的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名刊 签字闩期： 矿7 雪 觚人( 锄) 躲似钏签字隰少吵多一 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北 水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公丌和编入有关数据库提供检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密 后应遵守此规定) 学位论文作者名刮 签字同期：纠f 2 导师签名： 佃料铆 签字同期：沙。7 一，多，牙 华北水利水电学院硕士学位论文 i 1 国内外研究现状 第一章绪论 人类对水进行处理的历史十分悠久，超过了两千年。但这是小规模、家庭 型的处理，范围仅针对个人或某个家庭。面向社会兴建水厂，工业化的集中处 理水的历史还不至u 2 0 0 年，特别是以快滤池为标志的现代水厂更只有l l o 多年历 史。在我国，水厂的大规模建设是从解放后开始的，时间较短，但取得了卓越 的成就。目前各个城市都己兴建了自己的净化厂，基本普及了自来水。 国外自6 0 年代起，在一些发达国家就开始了以计算机作为供水系统控制管 理的探索，比如象美国的费城，丹佛以及加拿大的多伦多等城市，就是采用遥 测设备将管网中控制点的压力，水厂出厂压力、出厂流量、水位、功率及温度 等实际运行参数自动适时地传送到中心控制室，并对超常现象做出自动报警， 依此作为控制人员实际操作的依据。另外，国外学者如：美国的k e l a n s e y ， r o b e r t d e m o y e rj r ，l e o r m s b e e ，；国的r s 。p o w e l l ， b c o u l b e c k ， p j o w i t t ，日本的k a z u m a s am u g u r u m a ，m t u s k i y a m a 及以色列的u s h a m i r ， c d d h o w a r d 等人也在供水系统建模理论上进行了许多有益的探讨。目前在 美国、英国、日本、法国等地的一些城市小区己基本上实现了供水系统的计算 机优化管理，并取得了显著的社会效益“叫 1 1 1 水厂自动控制系统 国内的许多专家，学者从7 0 年代起，开始尝试将计算机技术应用于供水系 统的模拟，优化设计及水厂控制等方面跏目前国内水厂采用的自动控制系统数 量不少，就其形式可划分为s c a d a 系统、d c s 系统、i p c + p l c 系统、总线式工业 控制机构成的系统“1 。 ( 1 ) s c a d a 系统 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统。，即数据采集 与监视控制系统。s c a d a 技术建立在3 c + s ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o l ， s e n s o r ) 基础之上。s c a d a 系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水 华北水利水电学院硕士学位论文 系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域，尤 其适宜地理环境恶劣无人值守的环境下进行远程控制。系统是由一个主控站 ( m t u ) 和若干个远程终端站( r t u ) 组成。该系统联网通讯功能很强。通讯方式可 以采用无线、微波、同轴电缆，光缆、双绞线等，监测的点数多，控制功能强。 该系统侧重于监测和少量的控制，一般适用于被测点的地域分布较广的场合， 如无线管网调度系统等。 ( 2 ) d c s 系统 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) “1 称为集散型控制系统。是由多台计算 机和现场终端机联接组成。通过网络将现场控制站、监测站和操作管理站、控 制管理站及工程师站联接起来，共同完成分散控制和集中操作、管理的综合控 制系统。d c s 侧重于连续性生产过程控制。 该系统的基本特点是： 采用分级分布式控制。系统按不同功能组成分级分布子系统，各予系统 执行自己的控制程序，处理现场输入输出信息，减少了对系统的信息传输量， 使系统应用程序较为简单。 在物理上实现了真正的分散控制，使整个系统的危险性分散，系统的可 靠性较高。 有较好的扩展能力。借助网络技术，可以完成纵向和横向通讯及向高层 的管理机通讯，系统的扩展方便。 系统的软、硬件资源丰富，可以适应各种特殊的要求。 响应时问短，实时性较好。 应用软件的编程工作量较大，对开发和维护人员要求较高，开发周期较 长 d c s 系统具有较高的可靠性及良好的扩展能力，注重功能分散以求危险分 散，可根据用户管理体系的需要和用户功能要求，组成层次化( 纵向分散) 和功 能化( 横向分散) 的各类系统，借助于网络技术，完成纵向和横向的通信，或向 最上层的管理机构通信。在软件方面，有面向过程控制的支持软件和功能软件 包，以便于过程控制工程师摆脱软件人员而独立编程( 生成应用程序) 。 ( 3 ) i p c + p l c 系统 华北水利水电学院硕 学位论文 该系统是由工业控制计算机和可编程控制器组成的分布控制系统，可实现 d c s 系统的功能，其性能己经达到d c s 要求，而价格比d c s 低的多。开发方便，在 国内水厂自动控制中得到最广泛的应用 该系统的基本特点是： 可实现分级分布控制 可实现集中管理分散控制的功能，将危险分散，大大提高了系统的可靠 性。 p l c 本身可靠性高，组网方便。p l c 往往工作在环境非常恶劣的工业现场， 这就要求p l c 具有很长的平均无故障间隔时间因此，在p l c 设计中，在硬件上 对元器件进行严格的筛选和老化，采用电源多级滤波和稳压措施、电磁屏蔽， 输入输出滤波、光电隔离及通道间绝缘，输入电源与输出电源均可相互独立， 还设置了连锁、检测与诊断电路；在结构上采用密封防尘抗震的内部结构、外 部封装；在软件上采用循环扫描工作方式、程序语法检查、故障检测与诊断及 出错后报警、保护数据、封锁输出及自动恢复等措施。所有的特殊设计使p l c 的 平均无故障间隔时间达5 - 1 0 万小时。p l c 的组网通讯能力也很强，一般都至少支 持2 到3 种现场通讯协议，高端产品直接支持t c p i p 以太网连接。 编程方便，开发周期短，维护方便。虽然p l c 利用了微处理器，但p l c 没 采用微机控制中常用的汇编语言或其他的专用控制高级语言，而提出了梯形图 语言。它与大多数工程师所熟悉的电气控制线路图相类似，面向控制对象、面 向控制过程，易于编写、易于调试，它可进行在线编辑、修改。这也是p l c 受到 广大电气技术人员欢迎，得到迅速普及，广泛应用的原因之一。 系统内的配置和调整非常灵活。由于p l c 产品己系列化、模块化，不仅具 有逻辑运算、定时计数、顺序控制等功能，还具有a d 与d a 转换、数学运算和 数据处理等功能。它能根据对象需要，方便灵活地组装成大小相异、功能不一 的控制系统。它既可控制一台单机、一条生产线，又可利用通讯功能组成一复 杂系统来实现群控；既可现场控制，又可实行远程控制。此外，p l c 的核心是微 处理器，所有控制是通过软件来实现的，因此，当控制要求发生改变时，只要 修改软件即可。 与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化。由于i p c + p l c 系统运行 华北水利水电学院硕士学位论文 可靠性高，能实现中心控制室、现场监控子站和就地控制的分级控制，结构模 块化，扩展灵活，结构开放，组网能力强等优越性，而被众多水厂采用。 ( 4 ) 总线式工业控制计算机构成的系统( f c s ) 该系统是由总线结构的工业控制计算机及系列产品组成的系统。其具有以 下特点： 数字化 从传感器、变送器到调节器，一直是数字信号，使得更复杂、更精确的信 号处理得以实现。普通的噪音很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号。数字 通信的查错功能可检出传输中的误码。 可互操作性 现场总线自动化设备的可互操作性主要是通过对功能模块及其参数的标准 化而实现，具有极好的可互操作性。 分散性 采用的是完全分散式体系，它的控制全部分散到现场，控制回路由现场设 备实现。 可靠性、可维护性和经济性 现场总线控制系统采用数字总线式通信线路代替传统d c s 中一对一的i o 连 线，对于大规模i o 系统来说，减少了由连线带来的不可靠，同时降低了布线成 本，与传统d c s 技术相比，可节省电缆、调试和维护成本。 1 1 1 变频恒压供水系统 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。我国是水资源和电能短缺 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。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。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及 华北水利水电学院硕士学位论文 网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求“1 。 当前的供水方式主要有水塔供水、水箱供水、压力供水，其中压力供水又 包括气压供水和变频调速恒压供水。 、 水塔供水和水箱供水的技术基本上发展成熟，它们也是当前供水的主要方 式。水塔、水箱供水的缺点是投资规模大，周期长，建筑施工困难，而且无法 对某些地方供水，其优点是压力比较稳定且有储水。气压供水系统是用气压罐 取代原来的水塔或水箱的作用，利用密闭压力水罐中的空气的压力作用把压力 水罐中的储水压到管网中去。气压供水系统的优点是灵活性大，建设快，无污 染；其缺点是需用金属制造，投资大，压力变化大等。近年来随着交流电机变 频调速技术的成熟、普及和应用，其产品己用来更新改造传统供水系统，使我 国的供水行业技术的装备水平经历了一次飞跃。变频调速系统实现了水泵电机 无级调速，根据水泵出口的压力情况自动调节水泵电机的转速，从而保持水压 恒定以满足人们对供水系统的高要求0 1 。 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 要嘲。 1 2 课题研究的意义及来源 阳谷县位于山东省西部，属聊城市管辖。现辖1 l 镇5 乡，8 6 1 个行政 村。总面积1 0 6 4 平方公里，总人口7 4 万。 阳谷县城乡供水工程设计日供水能力2 0 万m 3 ，水源地选在水质较好的张秋 镇景阳岗村附近，建设深井5 眼，浅井l o 眼；输水管道总长度2 3 5 9 t m ，其中主 管道1 6 3 4 k m ，支管道7 2 5 1 m ；水厂建在阳谷县城东郊，设清水池2 座，每座容 积2 0 0 0m 3 ，建设二级泵房一座，配置6 台单级双吸离心泵。 本文设计的阳谷县城乡恒压供水工程控制系统是一套由工业控制计算机 ( i p c ) + 可编程控制器( p l c ) + 变频器+ 传感器+ 组态技术的控制系统，实现多个 水泵的集中管理功能，对降低能耗、节约成本、减少维修维护工作强度、提高 管理水平、确保供水质量，提高企业效率以及人民的生活水平等方面具有重要 华北水利水电学院硕士学位论文 的现实意义。与传统的水塔、高位水箱或气压供水系统相比，无论是投资的规 模，运行的经济性，可靠性，稳定性和自动化程度等方面都优于水塔供水系统 和水箱供水系统，而且还有显著的节能效果。 1 3 论文主要内容 根据阳谷县城乡恒压供水工程的需要，本文的主要内容如下： ( 1 ) 系统整体设计，整个自动控制系统可以分为三层体系结构：机井自动 控制系统( 机井层) ；水源地供水自动控制系统( 水源地层) ；水厂供水自动控 制系统( 水厂层) ( 2 ) 信号检测系统。 ( 3 ) p l j c 设备选择和程序设计。 ( 4 ) 组态软件设计。 ( 5 ) 通信程序设计 华北水利水电学院硕士学位论文 第二章系统整体设计 根据阳谷县城乡恒压供水工程的需要，在保证安全、可靠、及时和准确以 及对未来发展需要的前提下，对阳谷县城乡恒压供水工程系统进行总体设计。 系统采用i p c + p l c 系统。 2 1 系统设计原则 ( 1 ) 实用性原则 本系统完成水厂供水自动控制系统，要求实现远程监测及管理，用户需要 的是管理方便，操作简单，维护及维修容易，因此本系统设计使用对象是基层 管理人员，具有管理方便，操作简单，维护及维修容易的特点，硬件系统采用 模块化集成，软件设计具备简洁明了的人机交互界面。 ( 2 ) 经济性原则 本系统的资金投入是直接关系到水厂经济效益的问题，本系统设计在保证 系统功能的基础上，尽可能地降低成本，系统硬件设备采用技术成熟、性能价 格比高的产品，既考虑到今后发展需要，又要使系统在发展中能不断升级。 ( 3 ) 科学性原则 本系统引进科技含量高的技术和管理模式，解决原有运行模式中存在的 问题，减少操作人员，降低劳动强度，提高工作效率，减少资源浪费等问题， 因此本系统在设计过程中，在保证经济性的前提下，将采用较先进科技水平， 优良的设备，先进的管理模式，使系统既具有较高的科学性、可靠性、开放性 和可扩充性，又具有操作简便、易于管理的特点，确保系统的完整性和先进性。 2 2 系统结构 2 2 1 系统结构 根据阳谷县城乡供水工程的功能要求，整个自动控制系统可以分为三层体 系结构，系统结构如图2 - 1 所示。 华北水利水电学院硕士学位论文 l # ： - 6 # ji 图2 - 1 阳谷县城乡供水工程系统结构图 下面分别对这三层体系作详细阐述 ( 1 ) 机井自动控制系统( 机井层) 本层系统为最底层，其作用是直接控制井泵的开启和关闭，可以分为自动 和手动两种模式，正常状态工作在自动方式。异常情况下切换为手动方式，由 上一层控制系统( 水源地层) 提供启闭信号来控制井泵的开停，同时依据设备 的配置本层系统还提供以下信息给上一层。 机井的工作状态( 启闭状态，低电压保护，缺相保护等) 机井的水位( 需液位计提供信号) 机井工作流量( 需电磁流量计提供信号) 管道压力( 需压力计提供信号) ( 2 ) 水源地供水自动控制系统( 水源地层) 本层为中间层，其作用是接收由水厂自动控制系统发送的控制命令和发送 水源地各井泵的信息给水厂自控系统，以便水厂了解水源地的工作状况，同时 本系统还根据水厂指令，依据各机井的水位，设备状况通过无线方式控制1 并 华北水利水电学院硕士学位论文 1 5 # 井泵的启闭，以满足水厂供水需要，当与水厂通信发生故障时，本层也能 完成对井泵的控制。 除上述任务外，本层系统还具备以下功能： 优化调度各井泵的运行： ( 萤各机井的信息汇总和保存； 提供各机井的信息诸如运行时间，累计流量，水位历史曲线等报表打 印。 ( 3 ) 水厂供水自动控制系统( 水厂层) 本层系统作为最高决策层，在整个系统的运行中起领导、决策作用，可以 根据供水情况，控制和改变水厂6 台离心泵的运行状态，同时根据水池容量， 水位等信息，自动控制和监测水源地供水系统的运行。 本层系统还提供： 水厂6 台离心泵的运行状况； 水池当前容量及水位； 当前供水流量； 累计供水量； 水源地1 5 眼机井当前运行状况等信息。 2 2 2 系统主要设备配置及功能 ( 1 ) 机井自动控制系统( 最底层) 机井层设备配置有： 机井控制柜，其功能是提供电压、电流、手动自动切换，手动( 开启 关闭) 开关，三相电机保护指示，三相可控硅软启动装置、保险等。 自控装置( 可安装于控制柜内) 数传电台，可编程控制器p l c ( 含开关量 i o 板，数据采集板、通信接口板) 功能是：接收水源地层发送的指令，发送本 机井采集的水位，水压等信号到水源地层，提供开关量给软启动装置等。 ( 2 ) 水源地层设备配置有： 2 部数传电台，分别与水厂层和机井层联系。 工业控制计算机1 台，存储机井层发送的数据，控制机井的开启。 华北水利水电学院硕士学位论文 其它辅助设备，u p s 、空调、天线架、机房装修等。 ( 3 ) 水厂层 6 台离心泵控制屏柜( 与机井控制柜类似) ，由于水厂层系统与6 台离心 泵距离较近，可以采用有线连接控制。 中央控制屏：系统模拟控制屏及操作台，用于显示、控制整个系统的运 行状况。 计算机系统，数台计算机组成局域网，提供数据显示，查询，指令发送， 报表打印等功能。 数据电台，用于传送到水源层的数据通信。 一台可编程控制器p l c ，用于控制6 台离心泵开启，采集水池水位、供水 管道流量等。 其他辅助设备包括：u p s 、空调、控制室装修、天线架、避雷针等。 整个系统充分考虑了先进性、可扩展性、安全性与可靠性，系统总体模式 采用技术成熟的i p c + p l c 系统模式，其先进性、可扩展性不言而谕，同时为了 提高系统的容错能力，在每层同时提供独立操作和控制能力如最底层采用自动 与手动切换，中间层与最高层采用并行运行方式，可以同时控制井泵的运行， 当通信中断时各层仍能独立监控本层系统运行，极大地提高系统的可靠性。 本系统软件开发采用通用的w i n d o , s 模式和工业组态软件，操作人员易于 管理和操作。 华北水利水电学院硕士学位论文 第三章变频恒压供水系统 3 1 三相异步电动机的调速 三相异步电动机转速“”的表达式为 稽：( 1 一咖口：( 1 一j ) 盟 ( 3 1 ) p 上式表明，电机转速与三个参数有关，要调节异步电动机的转速，可从 改变这三个参数入手，即： 改变定子绕组极对数p ； 改变电动机的转差率s ； 改变供电电源的频率； ( 1 ) 变极调速 改变定子极对数，可使异步电动机的同步转速：6 0 f , 改变，从而得到 p 转速的调节。 改变定子极对数，通常用改变定子绕组接法的方法。这种电机一般采用 鼠笼型转子，其转子的极对数能自动地与定子极对数相对应。 ( 2 ) 改变转差率调速 改变转差率的调速方法，即转子电路串接电阻调速、改变定子电压调速、 滑差电机等。这些方法的共同特点是：在调速过程中均产生大量的转差功率， 消耗在转子电路，使转予发热，调速的经济性较差。 ( 3 ) 变频调速 采用改变供电电源频率z 的调速方法，可以得到很大的调速范围，很好 的调速平滑性并有足够硬度的机械特性。异步电动机的转速盯：( 1 一，) 盟， p 当转差率变化不大时，1 1 基本上正比于z 。实现这种调速的设备称作变频器， 变频器的硬件组成框图1 见图3 一l 所 华北水利水电学院硕士学位论文 雯 奠 一 j i - 图3 1 交流变频调速器的基本原理图 变频器由整流器、中间电路、逆变器、控制板及操作面板等组成。交流电 源首先经过整流器，将工频交流电源整流成直流，通过中间电路中的电感或者 电容滤波作用，使整流后的直流纹波降低，同时中间电路可以降低逆变器反馈 到工频电源的谐波电流。 逆变器是变频器的功率输出部分，一般由i g b t 等大功率开关器件及其驱 动、保护电路构成。逆变器接受来自控制板的控制信号，将直流电进行逆变成 交流电，而逆变得到的交流电的频率、电压是可变的“”。 控制板是变频器的控制中心，它可以根据外部控制端子、操作面板或者由 上位机来的通讯指令控制变频器中的逆变器输出一个频率和电压可变的交流电 压。一般在控制板中还集成了其它功能，如p i d 调节器等。 操作面板是变频器人机对话的界面，通过操作面板可以观察变频器的运行 状态，或者修改变频器的运行参数。 3 2 变频调速供水方式 3 2 1 变频调速水泵调速控制方式 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 ) 出口恒压控制 华北水利水电学院硕士学位论文 水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程 中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例 较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积 较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出 水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。 ( 2 ) 出口变压控制 水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值 不只是一个。是将每日2 4 小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需 的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵 出口恒压控制的特殊形式。比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将 全天2 4 小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口 压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现 也越复杂。 ( 3 ) 最不利点恒压控制 最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处，使系统在运行 过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不 利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工 程中很少采用。 3 2 2 变频恒压供水系统的特点 变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水， 该系统具有以下特点： ( 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，同其它一 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 华北水利水电学院硕士学位论文 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 在交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 擎 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、交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，能对供水韵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 至电机额定电流，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“”。 供水领域中变频调速技术的运用，极大改善了给水管网的供水环境。变频 调速技术的出现是现代电力电子技术、交流变频调速技术、计算机技术的迅速 发展的结果“”变频供水系统，实现了水泵电机的无级调速，可根据用水情况， 按照管网瞬问压力变化，实时自动调节水泵电机的转速和多台水泵电机的工频 交频切换、参与和退出。根据压力设定值使供水压力保持恒定，有效地防止水 华北水利水电学院硕士学位论文 路管网湍振而出现管路爆裂现象。与传统的恒速泵供水系统、水塔高位水箱供 水系统和气压罐供水系统相比，变频恒压供水系统不仅具有供水质量高，灵活 性强，占地面积小，设备投资少，噪声低等优点，而且提高了供水系统的稳定 性和可靠性，节水节能效果显著，具有很好的社会效益和经济效益“”。 3 3 变频恒压供水系统控制流程 系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控 制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水 泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。 工毫一 图3 2 变频恒压供水系统组成原理框图 从上面的原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、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。 3 3 ，1 执行枧构 执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图中的水泵分 为三种类型： ( 1 ) 调速泵：是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用 水量的变化改交电机的转速，以维持管网的水压恒定。图中m 5 一m 6 为调速泵。 ( 2 ) 恒速泵：水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而 调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。水泵采用固定的控 华北水利水电学院硕士学位论文 制方式时，图中m 卜m 4 为恒速泵。 ( 3 ) 附属小泵：它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况 下( 例如：夜间) 对管网用水量进行少量的补充。本系统未使用附属小泵。 在变频调速恒压供水系统中，这样构成水泵组有下几个原因： ( 1 ) 用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵，使水泵选型容易，同时这 种结构更适合于大功率的供水系统。 ( 2 ) 供水系统的增容和减容容易，无需更换水泵，只要再增加恒速泵即可。 ( 3 ) 以小功率的变频器代替大功率的变频调速器，以降低系统成本，增加系 统运行可靠性 ( 4 ) 在用水量不太大时，系统中不是所有的水泵在运行，这样可以提高水泵 的运行寿命，同时降低系统的功耗，达到节能的目的o ”。 3 3 2 需测信号 在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号： ( 1 ) 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。此信号是模拟信号，读入p l c 时，需进行a d 转换。另外为加强系统 的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用压力表进行检测。检测结果可 以送给p l c ，作为数字量输入。 ( 2 ) 液位信号：它反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要 对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装 于水源处的液位传感器。 ( 3 ) 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，该信号为开关量信号。 3 3 3 控制系统 供水控制系统安装在供水控制柜中，包括供水控制器( p l c 系统) 、变频器和 电控设备三个部分。 ( 1 ) 供水控制器：它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接 对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数 华北水利水电学院硕士学位论文 据信息进行分析、实施控制算法，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。 ( 2 ) 变频器：它是对水泵进行转速控制的单元交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。根据水泵机组 中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式： a 、变频循环式：变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在5 0 h z 时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从 该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。 b 、变频固定式：变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在5 0 h z 时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一 台恒速水泵，变频器不做切换。本系统采用交频固定式。 ( 3 ) 电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组 成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手自动切换及就地集中 等工作。 3 34 变频恒压供水系统的控制流程 尽管通用变频器的频率都可以在o - 4 0 0 h z 范围内进行调节，但当它用在供 水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。当正在变 频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在5 0 h z 时进行。由 于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，5 0 h z 成为频率调节的上限频 率。当变频器的输出频率已经到达5 0 h z 时，即使实际供水压力仍然低于设定压 力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，只能够通过 水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。另外，变频器的输出频率不能够为 负值，最低只能是o h z 。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降到 o h z 。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会 反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程 度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水 泵就已经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降“。 这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于o h z ，具体数 华北水利水电学院硕士学位论文 值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在2 0 h z 左右。由于在变频运行状 态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也 就成为变频器频率调节的下限频率。 从上面的分析可以看出，当变频器的输出频率已经到达上限频率，而实际 的供水压力仍然低于设定压力时，存在的实际供水压力差己经不能够使输出频 率增大，实际供水压力也不会提高。当变频器的输出频率己经下降到下限频率， 实际的供水压力却仍高于设定的供水压力时，存在的压力差不会使输出频率继 续降低，实际的供水压力也不会降低。所以，选择这两个时刻作为水泵机组切 换的时机 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。 ( 1 ) 系统上电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖 动调速泵，通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变 频器的输出频率，控制调速泵的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用 水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间调速泵工作在调速运行状态。 ( 2 ) 当用水量增加水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，增加水泵的 转速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环和 恒压控制器，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。 ( 3 ) 当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率5 0 h z 时，若此 时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件，系统将 变频器的输出的频率降为下限频率的同时开启一台恒速水泵。系统恢复对水压 的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵 的条件，将继续发生如上转换，并有新的水泵投入并联运行。 当最后一台水泵投入运行，变频器输出频率达到上限频率5 0 h z 时，压力仍 未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。 ( 4 ) 当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网 的实际压力水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将先运 行的那台恒速水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当 用水量继续下降，将继续发生如上转换，直到剩下一台变频泵运行为止。 华北水利水电学院硕士学位论文 3 4 变频器选择 丹佛斯( d a n f o s s ) 公司是精密机械、电子元器件和智能型机电设备的制造 商，早在1 9 6 8 年开始生产交频器，成为全球首家工业化批量生产变频器的厂家 【i 町 丹佛斯v l t 6 0 0 0 变频器专门针对风机水泵类负载设计，按照变转矩特性运 行。不但提高系统的运行效率，减少启动电流的冲击，提高系统的功率因数， 而且优化系统的结构和运行，对系统的可靠运行和灵活控制提供保证。 ( 1 ) w c ”矢量控制： 丹佛斯v l t 6 0 0 0 变频器采用v v c “矢量控制。w c ”是用于感应电机转矩和 转速的新型无传感器矢量驱动系统，变频器在额定频率运行时可保证输出额定 电压和额定功率。例如额定电压为3 8 0 v 系统，当主电源电压降至3 4 2 v 时，变 频器在电机的额频率可对电机提供3 8 0 v 的额定电压。同时变频器的温升不大。 ( 2 ) 丹佛斯v l t 6 0 0 0 h v a c 变频器对电机加减速控制： 丹佛斯v l t 6 0 0 0 h v a c 变频器采用模糊线性加减速形式，电机的加减速时间 通过变频器的显示控制盘的编程键任意给定，加减速时间最长为3 6 0 0 秒。而且 丹佛斯v l t 6 0 0 0 h v a c 变频器具有自动升降功能。即为了避免由于不适当的加减 速时间造成变频器加速时过流保护动作或减速时过压保护动作而跳闸，丹佛斯 v l t 6 0 0 0 h v a c 变频器会自动调整的不适当加减速时间，使变频器顺利完成启动或 停止过程，保证系统的正常启动和停机。 ( 3 ) 自动能量优化功能( a e o ) ： 丹佛斯v l t 6 0 0 0 h v a c 变频器自动调整v f 值，提高电机的运行效率。即维 持负载所需的最小转矩前提下，适当降低电机的磁场强度最大可能地减少电机 的损耗。当电机在轻载运行时a e o 可平均节能3 一5 。作为能量优化的一个附加 好处，即使采用较低的开关频率，电机也可几乎没有噪音地运转。 华北水利水电学院硕士学位论文 第四章供水系统的信号检测处理 为了实现恒压供水并保证该系统正常工作，必须对水泵出口压力和流量进 行检测，以实现恒压供水的闭环控制；为了防止水泵无水工作，需检测液位情 况。恒压供水子系统需要检测的参数有：压力、流量、液位等。”懈1 。 本系统的检测电路所需的传感器采用现有的传感器，不对传感器本身作专 门的研究和设计。 4 1 液面检测 ( a ) 静压法测量原理图( b ) 液位变送器工作示意图 图4 - 1 液位变送器 在供水系统中，液位的检测非常重要，常用液位变送