变频恒压供水控制系统毕业设计
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1.2 变频调速恒压供水的基本原理[2]
变频恒压供水, 一般由压力变送器采样水压信号与系统设定压力值比较后产生输出信号, 再经变频器控制水泵电机转速, 实现恒压供水。水泵转动的越快，产生的水压越高, 才能将水输送到远处或较高的楼层。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式, 这需采用PLC 的模拟量控制模块, 该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号, 输出端送出经给定值
与反馈值比较并经PID 处理后得出的模拟量控制信号, 并依此信号的变化改变变频器的输出
频率。采用PLC 控制, 不仅可减少系统控制接线, 提高可靠性, 用软件实现上述硬件, 维修简易，充分发挥了可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点, 使整个系统的稳定性有了可靠的保障。
1.3 变频调速使水泵电机节能的原理[3]
水泵额定运行状态下的输出功率：
m/s； p 为泵的水压, 单位为MPa ； H 为泵的扬程, 单式中： Q 为输出流量，单位为3
N/m。
位为m ；r 为重要系数, 单位为3
根据泵的相似律，当驱动转速改变时，输出流量Q 、泵的水压p 、扬程H 分别与驱动转速的
一次方、二次方和三次方成正比例。
图1示出水泵Q - p 运行特性，其中曲线①、②分别是转速为n1 、n2 时的特性曲线，曲线
③、④是转速为n2 时的等效管阻特性, 曲线⑤是转速为n1 时的等效管阻特性。设水泵电机由
电网直接供电驱动，水泵运行于A 点，此时泵功率为： N1 =Q1 p1 ，对应于图中的矩型面积A p1
OQ1 , 若将水量减为Q2 , 工作点将由A 滑向B ，水压增为p2 ，功率N2 则由面积B p2 OQ2 描述。
若水泵改为变频调速驱动，在小水量时降为低速n2 , 水泵可运行于C 点稳定，功率N3 由面积
Cp1 OQ2 描述，而水压则维持为p1 ，节约的能耗对应阴影面积B p2 p1 C。
图1 Q - p运行特性及管阻特性
以下以数值定性说明节能效果。
因流量与转速成正比，功率与转速立方成正比，总需求为Q , 在某一工作点时, Q 是一定值。
当变频器运行在45 Hz 时, Q ∝f = 45 Hz ，节
电率
3
E=1-(0.9)=27.1%；
当变频器运行在40 Hz 时, f = 40 Hz ，节电率
3
E=1-(0.8)=48.8%；
当变频器运行在35 Hz 时, f = 35 Hz ，节电率
3
E=1-(0.7)=65.7%；
以75 kW为例，平均运行在45 Hz ,1 年可节约
电能75 ×24 ×365 ×27. 1 % = 178 047 kWh。
若电价为0 . 8 5 元/ kWh , 则1 年可节约电
费0. 85 ×178 047 = 151 339. 95 元。
1.4 国外的研究现状及分析
针对目前国民用建筑行业的发展，特别是卫星城和小区建设的发展，给各个技术行业带来的许许多多的研究课题。小区供水系统的设计与研究，从工程而言是成熟的，己有规的设计和施工标准，但从多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到用户的要求。从目前的供水行业调查结果表明，变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电率很高，几年能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省
下来，又由于其具有调速精度高，功率因数高等特点，使用它可以提高出水质量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。因此利用微电脑与交流电机变频调速技术对管网供水进行自动控制，近几年在国得到了极大发展，从目前情况看，微机控制变频调速自动供水技术可分为恒水压控制与恒水
流控制两种主流。前者强调对水泵出口压力进行给定跟踪控制，使出口水压基本保持恒定，而出口流量则依用户需求随时可变。这种控制方法的优点是供水品质优良，可在任何情况下同时满足全网各用户对供水流量与扬程的不同要求。不足之处是过于强调恒压指标，对低区用户扬程指标订得太高，水压过高，用户不得不用阀门限流，造成能源浪费，且由于水压过高，管网耐压水平必须提高，造成材料浪费。恒水流控制则强调对出口流量进行宏观总量控制，对水压与扬程指标则放松，其优点是在满足用户对用水量的基本要求前提下，可最大限度节能。但缺点也是显然的，其一是仅控制用水总量，而无法分配水流去向，势必造成分配不均，特别在低层用水量大时，造成高层断流。而在高层用水量大时又造成低层水压过高。其二是水的流量检测难度较大，闭环控制困难。国的许多专家，学者从 70 年代起，开始尝试将计算机技术应用于供水系统的模拟，优化设计及供水系统控制等方面[4]。目前国供水系统采用的自动控制技术不少，其特点是变频技术与其它其术的结合。如最初的恒压供水系统采用继电接触器控制电路，是与开关技术结合，通过人工起动或停止水泵和调节泵出口阀开度来实现恒压供水。该系统线路复杂，操作麻烦，劳动强度大，维护困难，自动化程度低，应用前景不大。后来
增加了微机加 PLC 监控系统, 提高了自动化程度。但由于驱动电机是恒速运转，水流量靠调节泵出口阀开度来实现，浪费大量能源，也没有很好的发展。
2  系统总体设计方案
系统总体方案原理如图2所示
图2控制系统原理示意图
本系统是一个以变频调速为主要控制目的的控制系统。工作时可以通过触摸屏设定PID调节参数，由系统根据部时钟的判断自动调整目标值，然后通过A/D转换模块从外部压力变送器输入外部压力信号，与目标值比较后进行PID调节并输出控制量，通过D/A转换模块输出模拟量控制变频器的输出频率以达到调节水泵电机速度的最终目的。
系统拟采用两台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能又可靠。配单台电机及水泵时, 其功率必须足够大, 在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的, 电机选小了用水量大时供水
会不足。而且水泵与电机都有维修的时候, 备用泵是必要的。该系统在单台水泵电机长时间运行时能定时自动切换水泵电机的运行，达到系统设备的平均利用，防止系统设备因长时间无运
作而生锈损坏等。
3  系统硬件设计
3.1系统总电路
系统原理图见附图，说明如下：
电源进线控制：此部分主要是为方便对系统电源的操作而设计的，使得不必打开控制柜就可以对系统的总电源进行控制，既安全又方便。此部分中的交流接触器要求有常开和常闭的辅助触点，而且考虑到两个水泵电机同时工作时功率很大，故选此交流接触器型号为正泰CJX1F系列〔具体选择视水泵电机现场实际所需功率而定，下同。按钮SB1和SB2选用带灯显示类型，且SB1选择为绿〔作为电源启动按钮,SB2选择为红〔作为电源停止按钮。急停开关作为紧急情况时的电源切断开关，此为设计时的常规考虑。
水泵电机切换：此部分为整个控制系统的主要控制对象部分〔两个水泵电机，包括有4个同型号的交流接触器、一个变频器〔FVR-E11S和一个热继电器，其中的两个小型断路器的设置主要是作为下面元器件更换时的电路可靠切断用的〔下同。4个同型号的交流接触器用来实现两个水泵电机的定时切换和水压压力在单个电机运行而不足时投入工频电机运行设置的，对此4个交流接触器的控制由PLC控制实现。热继电器的设置则是对水泵电机在工频运行状态下起过载保护的作用。
强弱电隔离：此部分是为保护PLC输出点而设置的。由中间继电器的触点实现对4个交流接触器线圈的控制，而中间继电器的触点的控制则由PLC控制继电器的线圈实现，这样就在实际上实现了PLC对4个交流接触器的控制，也实现了对PLC输出点的保护。热继电器的常闭辅助触点串联在中间继电器中，使得在出现电机过载情况下热继电器主触点动作断开时能同时使交流接触器线圈断电而动作切断电路连接，起到双重保护作用。
控制系统供电：此部分的作用是为PLC、模拟量输入/输出模块和人机界面等提供正常工作电源。
在器件的选型中，由于交流接触器使用类别为AC－3〔即频繁控制异步电动机的启动和分断，故接触器分断电流为电动机额定电流Ie。选用的方法有查表法和查选用曲线法，在产品样本中直接列出在不同额定工作电压下的额定工作电流和可控制电动机的功率，按电动机功率或额定工作电流，用查表法选用接触器，也要通过计算来得到电动机额定电流Ie，再选取相应的交流接触器，计算公式如下所示：
电动机的额定输出功率=3UeIeCOSΦη
其中：Ue－电动机的额定电压；
Ie－电动机的额定电流；
COSΦ－电动机的功率因数；
η-电动机的效率。
热继电器的额定电流应略大于水泵电机额定电流，本系统中其整定电流选为水泵电机额定电流的1.1～1.15倍。
3.2系统硬件构成
3.2.1 PLC控制器[5][6][7][8][9]
PLC即可编程控制器,〔Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会〔International Electrical Committee颁布的PLC 标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
变频器恒压供水以后国际电工委员会<IEC>又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一
类可编程的存储器，用于其部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编