高层建筑变频恒压供水系统设计毕业设计(论文).doc

摘要
附件一：

毕业设计（论文）

设计（论文）题目： 高层建筑变频恒压供水系统设计

陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书
一、设计要求：
1、通过分析各类供水控制方案，确定采用以 PLC 为控制中心的变频恒压供水技术；
2、根据恒压供水系统组成进行硬件设计，包括主控电路、变频控制电路、PLC 接口电路等，并对其他元器件进行选型。
3、变频器选用西门子MM440；
4、PLC的型号根据系统需求选择；
5、最大用水量需要三台泵实现；
6、完成系统设计硬件部分设计；
二、系统总体框图：
图1 供水控制系统原理图
三、完成的技术资料：
1．绘制电气原理图一张；
2．电气说明书；
3．系统流程图；
4．元件明细表；
5．设计感想。
四、主要参考资料：
1．王廷才 主编《变频器原理及应用》 机械工业出版社
2．《西门子MM440变频器使用手册》
3．《全自动恒压供水控制系统》 葛宝琴 华北电力技术
4．《高层建筑变频恒压供水控制系统设计》 陈景文 陕西科技大学 硕士论文
5．《居民小区变频恒压供水控制系统设计与实现》王岚 南京理工大学

陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书
进程计划表
序号
起止日期
计划完成内容
实际完成情况
检查签名
1

2

3

4

5
7月7至
7月12日

9月1至
9月10日

9月11至
9月15日
9月16至
9月22日
9月23至
9月30日
确定系统总体设计方案，熟悉各部分的作用
系统各部分器件的功能、作用、
参数计算及系统特性分析
系统硬件设计、
绘制电气原理图
系统流程图
编写说明书
整理资料

陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书
摘 要
随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。
本文进行了控制系统的主电路设计，控制电路设计。对输入输出点进行了统计，共有13个输入输出点，根据PLC的选型原则，设备选用了在生产中应用最为广泛的西门子公司生产的S7-200系列(CPU222)的PLC和MM440泵类专用的变频器，利用变频器的本身自有的软启动功能实现水泵电机的启动。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器的内置PID控制方式完成，根据控制系统软硬件设计和控制要求，结合变频器的功能参数表预置了相关的参数。在介绍了PLC的编程方法的基础上，选用了适合初学者的逻辑代数编程，写出了恒压变频供水的逻辑代数，并设计了梯形图，利用PLCSIM仿真软件进行了仿真，仿真的结果表明了设计程序的正确性。利用了WinCC组态软件设计了高楼变频恒压供水控制系统的界面，界面可动态反映水泵变频供水的工作状态。最后对恒压供水进行了经济效益分析，分析的结果表明具有明显的节能效益。
关键词：恒压供水，变频调速，PLC

ABSTRACT
As China's social and economic development, urban construction and development very quickly, but also the construction of infrastructure facilities has put forward higher requirements. City water supply system construction is one of the important aspects of the water supply reliability and stability, the economy of a direct impact on the user's normal work and life. As people on the water quality and water supply systems in the continuous improvement of reliability requirements, the use of advanced automation technology, control technology and communication technology, design a high-performance, high-energy, water supply plants to adapt to the complex environment of constant pressure water supply Systems become an inevitable trend
A control system for the main circuit design, control circuit design. The input and output points to the statistics, a total of 13 input and output, the PLC in accordance with the principle of selection, equipment selection in the production of the most widely produced by Siemens S7-200 series (CPU222) of the PLC and pumps for MM440 The converter, using its own frequency converter itself to achieve the soft-start the pump motor launch. In the control process, the electronic control system completed by the S7-200, PID control by the converter built-in PID control manner, in accordance with control system software and hardware design and control requirements, combining the functions of converter table preset parameters of the relevant parameters . After the introduction of the PLC programming methods, based on the choice of the logic of algebra for beginners programming, the constant pressure to write the logic of algebra frequency of water supply and design of the ladder, use of simulation software PLCSIM the simulation, simulation The results show that the correctness of the design process. WinCC use of the configuration software designed high frequency constant pressure water supply control system interface, dynamic interface may reflect the work of pumping frequency of water supply status. Finally, the constant pressure of water supply for the economic benefit analysis, analysis of the results showed that a significant energy efficiency.

Keywords：Constant pressure Water Supply ，Variable velocity Variable frequency，PLC

VI

目录
目 录
摘 要 V
ABSTRACT VI
目 录 VII
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 本课题产生的背景和意义 1
1.3 国内外变频供水系统现状 2
1.4 变频供水系统应用范围 3
1.5 设计内容 3
第二章 变频恒压供水的理论分析 5
2.1 水泵的工作原理 5
2.2 水泵的调节方式 5
2.3 异步电动机的调速原理 6
2.4 供水电机的搭配 7
2.5 恒压供水系统的能耗分析 7
2.6 供水系统的安全性问题 10
2.6.1 水锤效应 10
2.6.2 产生水锤效应的原因及消除方法 10
2.6.3 延长水泵寿命的其他因素 11
第三章 变频恒压供水控制系统设计 12
3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案 12
3.2 原理框图设计 13
3.3 供水系统方案的确定 14
3.4控制方案 16
第四章 系统硬件的设计 17
4.1 系统主要配置的选型 17
4.1.1 水泵机组的选型 17
4.1.2 压力变送器的选型 17
4.1.3 液位变送器的选型 18
4.1.4 其他低压电器的选型 18
4.2 PLC的选型 20
4.2.1 I/O点的分配 20
4.2.2 PLC选型的基本原则 20
4.3 变频器的选型 22
4.4 主电路方案设计 24
4.5 控制电路设计 25
4.6 PID参数的设置 27
4.7 恒压变频供水的工艺流程 28
第五章 总结与期望 30
5.1 总结 30
5.2 期望 30
参考文献 31
致谢 32

第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 引言
水是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现实条件下，我们这个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。
水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。
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，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 本课题产生的背景和意义
我国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，工业自动化程度低。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，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，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。存在着以下忧缺点：
(1) 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
I

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。
(2) 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、水泵电机为硬起动且起动频繁，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，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。
(3) 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，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，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。
(4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。
(5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。
综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；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的用水。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着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，特别是在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、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。
基于PLC和变频技术的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，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。
1.3 国内外变频供水系统现状
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。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。
目前国内有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、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，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。
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。
1.4 变频供水系统应用范围
变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:
(1) 小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。
(2) 国内中小型供水厂变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器、电机功率在135kV～320kW之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。
(3) 大型供水厂的变频恒压供水系统

这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kW)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。
目前，国内除了高压变频供水系统，多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。

1.5 设计内容
本文主要完成PLC、变频器实现的生活用水供水过程的恒压。由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID调节器进行控制，而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。本系统采用通用变频器实现三相水泵电机的软启动和变频调速，压力传感器检测当前水压信号，水压信号经变送器输出标准电信号(4-20mA)通过A／D转换模送入PLC，经PLC进行压力反馈值与设定值的PID运算，运算结果送入变频器频率控制端控制变频器的输出频率，从而改变电机转速。由PLC接受控制信号，并实现对电机的起停及切换控制。变频器的故障输出及报警信号以及系统显示信号全部送入PLC，以方便利用PLC与上位机进行通讯并实现监控。系统的操作与管理采用微机实现，运行参数有记录，使系统节能达到最佳效果。具体内容如下：
(1)对水泵电机的调速原理进行分析。根据供水特点，分析水泵电机的运行特点、运行参数及工作点，分析供水系统对电气调速的要求，阐述了变频器拖动电动机的恒压供水模式的工作原理。设计一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统。
(2)从水泵运行曲线及管网特性曲线入手，分析水泵工况调节的几种方法，详细阐述变频调速恒压供水系统耗能原理及节能原理。
(3)重点阐述变频调速恒压供水系统的构成及其工作原理，进行系统硬件的选择及PLC程序的设计、变频器功能预置等。系统由一台变频器拖动三台水泵变频启动运行，由PLC控制切换，由压力传感器检测管网压力，根据压力大小进行PID控制，调整变频器的输出频率，从而改变水泵电机转速，改变流量的大小，适应用户用水量改变的需求，保持管网压力恒定。
本课题主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水，通过设计解并熟悉了PLC的工作原理，编程原理以及编程方法。进行了控制系统的主电路设计、控制电路设计，系统的控制设备选用S7-200系列的PLC（CPU222），变频器选用西门子泵类专用的变频器MM440。进行了控制程序（梯形图）的设计。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器完成。最后，对变频恒压供水系统进行调试，对该系统在供水中所取得的节约电耗、恒定压力、保护管网等进行了总结，指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性。

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第二章 变频恒压供水的理论分析
第二章 变频恒压供水的理论分析

2.1 水泵的工作原理
供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2-1所示，叶轮安装在泵2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出[5]。

图2-1 离心泵结构示意图

2.2 水泵的调节方式
水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。
水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下[6]：

2.3 异步电动机的调速原理
水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：
(2.1)
式中：f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。
从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：
(l) 改变电源频率
(2) 改变电机极对数
(3) 改变转差率
改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗[7]，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。
根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。
2.4 供水电机的搭配
供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点:
(1) 如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。
(2) 如果电动机功率选得过大，就会出现“小马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。
因此，要正确选择电动机的功率， 对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(生产机械轴上的功率)（kW），可按式(2.1)计算所需电动机的功率[6](kW)：
(2.1)
式中，为生产机械的效率，为电动机的效率，即传动效率。
按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。
2.5 恒压供水系统的能耗分析
在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。
(1) 阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。
阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。
如图 2-2所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%(即QX=60%QN)。当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至E点，这时，流量减小为QE(=Qx)；扬程增加为HE；供水功率PC与面积ODEJ成正比。

图2-2 调节流量的方法与比较
(2) 恒压控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，也称为转速控制法。
转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的饿转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。
以用户所需流量等于60%Qn为例，当通过降低转速使得Qx=60%Qn时，扬程特性仍为曲线②，故工作点移向C点。这时流量减小为QE（=Qx），扬程减小为Hc，供水功率PC与面积0DCK成正比。
比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量(Qx<100%QN)的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制方式小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差△P便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果最基本的方面。
对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但是扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量QG表示）和用水要求（由流水量QU表示）之间的平衡情况有关。
如：供水能力QG>用水需求QU，则压力上升（P↑）；
如：供水能力QG<用水需求QU，则压力上升（P↓）；
如：供水能力QG=用水需求QU，则压力上升（P不变）。
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处的压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。

2.6 供水系统的安全性问题
2.6.1 水锤效应
异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有在0.25S。这意味着在0.25S的时间里，水的流量从零增到额定流量。由于水具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。
水锤效应具有极大的破坏性，压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。
2.6.2 产生水锤效应的原因及消除方法
产生水锤效应的根本原因，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现彻底消除水锤效应。
水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢，决定了加速过程流量变化的快慢，也就决定了水锤效应的强弱。
拖动系统中，动态转矩；：是电动机的拖动转矩；：是供水系统的制动转矩。
图2-3反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。图中曲线①是异步电动机的机械特性，曲线②是水泵的机械特性，图2-4b)中的锯齿状线是变频起动过程中的动态转矩。
由图2-3可知，水泵在直接起动过程时，因动态转矩很大，造成了强烈的水锤效应，通过变频起动，可有效地降低动态转矩消除水锤效应。
停机过程效果类似。

O
O
①
②

a)全压启动 b）变频起动
图2-3 水泵的直接起动和变频起动
在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩

由图2.3a可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影部分所示，是很大的。所以，加速过程很快。
2.6.3 延长水泵寿命的其他因素
水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。此外，由于水泵平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使:
(1) 叶片承受的应力大为减小。
(2) 轴承的磨损也大为减小。
所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。
第三章 变频恒压供水控制系统设计
第三章 变频恒压供水控制系统设计
3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案
恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的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和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：
(1) 有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。
(2) 通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。

从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、液位变送器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。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
的软启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。
(3) 通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器
这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。

图3-1变频恒压供水系统控制图
3.2 原理框图设计
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、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由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。
变频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。设定的供水压力可以是一个常数，也可以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。变频恒压供水系统的结构框图如图3-2所示：

图3-2变频恒压供水系统框
恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。
3.3 供水系统方案的确定
1．用户需求
供水系统总体要求：
(1) 由多台水泵机组实现供水，流量范围120m3/h，扬程80米左右；
(2) 设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水；
(3) 供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小；
(4) 系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能；
(5) 各主泵均能可靠地实现软启动；
(6) 具有完善的保护和报警功能；
(7) 系统要求较高的经济运行性能。
2．方案确定
确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性及其它技术要求。
根据用户的用水时段特点可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。
连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量。
间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。
采用变频调速方式来实现低流量时的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达30%。水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，噪声小。
采用多台水泵并联供水，根据用水量大小调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。
处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。

3.4控制方案
变频恒