毕业设计（论文）-高楼恒压供水系统硬件的分析与设计

中北大学分校毕业设计摘 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 AbstractIn 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目 录第1章 绪论31.1 课题研究的背景和意义31.2 变频调速恒压供水现状和发展31.3 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32.1 变频调速恒压供水系统的简介32.1.1变频调速恒压供水系统设计思路分析32.1.2 变频恒压供水系统的特点32.1.3 变频调速恒压供水系统的原理图32.1.4 变频调速恒压供水系统的硬件组成32.2 变频调速恒压供水系统的总体方案32.2.1 变频调速恒压供水系统的设计要求32.2.2 水压控制点的选择32.2.3 恒压供水中变频泵工频泵的设计32.2.4 系统的总体方案32.3 本章小结3第3章 变频恒压供水系统的硬件设计与实现33.1 给水系统计算33.1.1 竖向分区33.1.2 用水量确定33.2 主要器件的选型33.2.1 贮水池的选择33.2.2 水泵机组的简介与选型33.2.3变频器的选型33.3 设备的电气连接33.4 本章小结3第4章 工程问题讨论与研究34.1 离心泵的主要故障34.2变频器的主要故障34.3 变频恒压供水自动控制系统的抗干扰对策34.4 本章小结3第5章 总结和展望3参考文献3致 谢351第1章 绪论1.1 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。1.2 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。1.3 本课题研究的主要内容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。第2章 变频恒压供水系统的理论分析2.1 变频调速恒压供水系统的简介2.1.1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,Nm；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。 H(m) AB Q() 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） Q() 图2.2 变频恒压供水系统流量和转速关系曲线2.1.2 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。2.1.3 变频调速恒压供水系统的原理图 变频调速恒压供水系统，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。f 控制算法压力比较较水泵机组变频器 压力传感器图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。2.1.4 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。(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。工频电网通讯接口人机界面报警装置置 变频器 接 触 器 组供水控制器（PLC系统）压力传感器供水管网 图2.4 变频调速恒压供水原理框图2.2 变频调速恒压供水系统的总体方案2.2.1 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;(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。2.2.2 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。 H baQ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 (QQmax) 时, 管网压力分析由于最不利点水压H0作为定值, 故随着供水量减小, 调节水泵转速, 使水泵特性曲线变化, 而管道特性曲线A0为恒定, 工况点始终在A0上移动。如图 2.6所示,b点为相应于Q1的新工况点,b点始终在A0上移动,B2为相应的水泵特性曲线。此时,泵出口处压力标高为:H=H+SQ12。泵出口处压力随着流量减小而降低, 同时整个管网水压也降低。由以上分析可知, 压力控制点设在最不利点,最不利点为恒定, 随着供水量的变化, 泵出口处压力和整个管网水压也变化, 其相应关系是: 泵出口处压力和整个管网水压随着供水量的增大而增大,减小而减小。泵出口处压力变化范围由最小值H0+SQmin2到最大值H0+SQmax2。(2) 不同压力控制点的能耗分析 泵出口恒压控制的能耗分析供水量为Qmax时, 工况点为a点 (图 2.5) , 最不利点水压为其要求的最小服务水压, 无水压浪费。供水量减小 (QH0, 二者之差为浪费的水压。如图 2.7 阴影部分。 H Q图2.7 水压浪费图示 用户最不利点恒压控制的能耗分析这种压力控制形式中最不利点水压为恒定, 当供水流量发生变化时, 工况点始终在管道特性曲线A0上移动, 如图 2.6, 故在任何工况, 供水水压等于服务水压, 没有能量浪费。由以上分析可知, 与泵出口恒压控制相比, 在供水量相等时, 最不利点恒压控制没有能量浪费,消除了图中阴影部分的能量浪费。(3) 不同压力控制点的水泵效率及水泵转速分析 不同压力控制点的水泵效率分析控制点设在泵出口处, 供水量减小时, 要保持泵出口压力不变, 此时, 水泵难以保持在高效段运行; 控制点设于最不利点时, 当供水量减小, 泵出口压力也减小, 容易实现水泵在高效段运行。可见, 最不利点恒压控制更易实现水泵在高效段运行, 水泵效率更高些。 不同压力控制点的水泵转速分析设调速水泵在额定转速为n, Q- H 曲线方程为:H=Hx-SxQ2, 当供水量为Q1时, 利用数解法,计算水泵转速。泵出口恒压控制的水泵转速: 其中 (2.3)最不利点恒压控制的水泵转速: 其中 (2.4)可见, 在供水量为Q1时,n1*n2*, 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稳定, 使用效果好。对于泵出口恒压控制, 当供水量小于最大流量时, 最不利点水压高于其所要求的服务水压, 造成水压浪费。对于最不利点恒压控制, 当流量变化时, 最不利点水压不变, 没有能量浪费。与泵出口恒压控制相比, 供水量相同时,最不利点恒压控制的水泵以更低的转速运行, 更节能。同时, 最不利点恒压控制更易于实现水泵在高效段运行, 水泵工作效率更高些。现今的变频调速给水系统多采用泵出口恒压控制, 这种设置方式管理方便, 设置点易确定, 但技术经济性能不十分理想,建议改为最不利点恒压控制。现在新型的传感器以电流信号输出, 适宜与较长距离的信号传送, 对于建筑给水系统, 最不利点易确定, 压力传感器应设于最不利点; 对于城镇供水系统, 最不利点不易确定或不宜将压力控制点设于最不利点时, 应在条件允许的情况下, 尽可能将压力控制点设于最不利供水区域。泵出口恒压控制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。用户最不利点恒压供水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10。对于本设计，由于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，并且最不利点的设置比较困难，所以选用泵出口恒压控制。 2.2.3 恒压供水中变频泵工频泵的设计(1) 一用一备定时换泵加附属小泵恒压供水系统设计 一用一备定时换泵加附属小泵恒压控制中，一用一备泵互为备用泵 ,定时相互轮流接通工作。在系统运行中,当变频器的工作频率低于所设定的频率下限5 min后,认为系统不缺水或用水量很小,关闭变频主泵,接通小泵变频接触器,启动小泵变频工作。当小泵工作频率达到 50 Hz后经过一定的延时(可任意设定) ,压力还达不到设定值,则关闭小泵,重新启动主泵。这里需要特别注意的是 ,对附属小泵电机的过载保护。变频器中的电机过载电子保护 ,是按照主泵电机的额定电流设定的 ,而附属小泵电机额定电流远远小于主泵电机的额定电流。因此 ,变频器只能对主泵电机的过载进行保护 ,不能对附属小泵电机的过载进行保护。对附属小泵电机的过载进行保护 ,需要另外设置热继电器进行过载保护。(2) 多泵恒压供水固定泵变频控制系统设计该系统由 2 台以上泵组成 ,其中 1 台变频运行 ,其余工频运行。当变频泵工作频率达到 5