恒压供水控制系统.docx

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1、第一章绪论1.1 课题的的产生及其研究意义水是万物之源，在现实生产生活中不可或缺。在我国水资源和电能短缺的客观现状下，节水节能就成为了当前迫切需要进行推广的。但是，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环用水等几个方面和供水技术一直比较落后且自动化程度低。主要表现在用水高峰期水的供给量常常低于需求量，水压降低无法正常供水，但在用水低谷期水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供水供过于求的现象。这样不仅造成水资源及电能的浪费，同时水压过高有可能导致输水管爆裂和用水设备的损坏。在这样的历史背景下，恒压供水控制系统应运而生。1.2 恒压供水控制系统的国内外研究概况恒压供水控制系统是在变频调速技

2、术的发展之后逐渐发展起来的。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控制系统中，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。即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性、可靠性以及自动化

3、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控制功能的变频器，像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。目前国内有不少在做变频恒压供水工程的公司，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速。对于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(P1C)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。在系统的动态性能、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。深圳华为电气公司和成

4、都希望集团也推出了恒压供水专用变频器2k3OkW),无需外接P1C和P1D调节器，可完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循环(丹麦丹佛斯公司的V1T系列变频器可实现七台水泵机组的切换)o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

5、的应用于居民生活、工业生产中。采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，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。因此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。变频调速优于以往的调压调速、变极调速、串级调速等调速方法，其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.它采用微机控制技术；电力电子技术和电机传动技术

6、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P1C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。通常变频恒业供水存在以下6个特点特点：1、节能，可以实现节点20%-40%,能实现绿色用电；1.1 地面积小，投入少，效率高；1.2 置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠；1.3 行合理，系统的软起和软停，不但消除水锤效应，而且缩短电机轴上的平均扭矩和减少磨损，减少了维修量和维修费用，并且延长水泵的寿命；1.4 于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头；1.5

7、 过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。第二章恒压供水控制系统总体设计方案2.1 变频恒压供水系统的特点传统的供水方式普遍存在不同程度水力、电力资源的浪费；供水系统效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减少电流对电网的冲击以及供水对管网系统的冲击；三

8、是能减少水泵、电机自身的机械冲击损耗。变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:(1)变频恒压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)变频调速恒压供水系统是一个线性系统。由于用户管网中有管阻、水锤等因素的存在，同时又水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成线性变化。(3)变频调速恒压供水系统面向各种各样的供水系统具有广泛的通用性，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在

9、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)变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。由于系统中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。(5)当出现意外的情况(如突然停水、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，管网压力等工况点自动进行切换，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。2.2 系统原理及电气控制要求图2.1系统原理结构框图如图2.1,整个系统由电机泵组（3台）、

10、一台变频调速器、一台P1C300和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台水泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器（反馈05V电压信号）或压力变送器（反馈42OmA）；变频器是恒压供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、波动稳压的效果和各项功能。IXI图2.2变频恒压供水构成图从原理框图2.2,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、以及报警装置等部分组成。（1）执行机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.通常这些水泵包括:

11、变量泵: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变电机的转速，以维持管网的水压恒定。定量泵: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.（2）信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:水压信号：它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制系统的主要反馈信号。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，该信号为开关量信号。（3）控制系统供水控制系统一般安装在供水系统柜中，包括供水控制器（P1C系统）、变频器和电控设备三个部分。供水控制器：它是整个变频恒

12、压控制系统的核心。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。变频器：它是对水泵进行转速控制单元。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。（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

13、，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。（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隙，因此系统必须要对各种报警量实时反馈，由P1C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。2.3 系统设计系统主电路图如下：图2.3主电路图由图2.3可以看出，合上空气开关，供水系统投入运行。P1C中程序首先接通KM6,并起动变频器。根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器

14、）的偏差进行P1D调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率器的运行频率是否到达信号，由程序判断是否要起动第2台泵（或第3台泵）。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则P1C会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下一台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压设定值的上、下限偏差范围之内。增泵工作过程：假定增泵顺序为1、2、3泵。开始时，1泵电机在P1C控制下线投入调速运行，其

15、运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力设定时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到设定值，则需进入增泵过程。在P1C的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。如果还没有达到设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。减泵工作过程：假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于设定值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于设定值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。2.4 控制思想本设计的程序流程图如下，启动系统后首先判断报警信号是否有效，有效则停泵和报警输出，无效则设定水压设定，如果设定水压等于实际水压则无其他操作，如果实际水压大于设定水压执行降压控制，反之，执行升压控制。