毕业设计（论文）-基于PLC的恒压供水控制系统设计.doc

摘 要随着我国社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本设计是针对居民生活用水而设计的。由变频器、PLC、PID调节器组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组的速度和切换，使系统运行在最合理状态，保证按需供水。关键词：变频调速 ；恒压供水；PLCAbstractWith the rapid development of social economy； it demands the better of water supply s quality and reliability of water supply system. Meanwhile energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well， with help of advanced technique of automation， control and communication. At the same time this system can adapt different water supply fields.It is very important of the Water Supply System in Constant Pressure for the water supply in industrial and citizen existence. It is consist of the variable frequency and speed regulation， PLC， PID control system for the control system. It controls the outcome of the pumps. The generator pumps are consist of parallel three pumps， and the power come from variable frequency and speed regulation or power grid. According to the water supply of constant pressures outcome water press and flux， the control system control the variable frequency and speed regulation， parallel pumps speed and cut over， cause the system move in the best rational situation， assure according to wants supply water. This design has many merits such as save energy.Keywords：variable frequency and speed regulation；water supply of constant pressure;PLC目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 恒压供水的目的和意义11.2 变频调速及PLC在供水行业中的应用11.2.1变频恒压供水产生的背景和意义21.2.2 变频调速技术的特点及应用21.2.3 可编程控制器的特点及应用4第2 章 恒压供水系统的基本构成52.1 恒压供水系统的基本构成52.1.1 系统的构成62.1.2 工作原理72.2 PLC在恒压供水中的主要任务82.3 变频供水系统应用范围及发展趋势9第3章 变频调速的节能、调速原理93.1 供水系统概述93.2 变频调速恒压供水系统分析113.3 变频调速的节能、调速原理113.4 变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析133.4.1 管路水力损失及性能曲线133.4.2 水泵工作点的确定和调节143.4.3 水泵变频调速节能分析173.5 调速范围的确定18第4章 器件的选择194.1 水泵的选择194.1.1 用户供水量的确定194.1.2 供水的扬程计算204.1.3 泵的选择214.2 电动机的选择214.3 变频器的选择214.3.1 变频器的选择214.3.2 变频器的接线224.3.3 PID调节器224.4 压力变送器234.5 可编程控制器PLC的选择254.5.1 PLC的概况和发展254.5.2 PLC的基本结构274.5.3 PLC的选型304.6 PLC模拟量控制单元的配置及应用314.6.1 EM235模拟量工作单元性能指标314.6.2 校准及配置334.6.3 EM235的安装使用334.6.4 EM235工作程序编制33第5章 变频调速恒压供水系统的硬件设计355.1 恒压供水系统355.2 系统的方案设计365.3 电气控制系统原理图365.4 控制过程42第6章 变频调速恒压供水系统的软件设计436.1 由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理436.2 多泵组泵站泵组管理规范446.3 程序的结果及程序功能的实现446.4 程序流程图456.5 程序编写516.6 梯形图57结论66参考文献67外文资料68中文译文71致谢73IV第1章 绪论1.1 恒压供水的目的和意义近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。供水厂希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平。由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。在相当比较大规模的工业生产供水系统，变频调速恒压供水有它自身的特点：1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2.对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3.一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。从上即可结论：以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。1.2 变频调速及PLC在供水行业中的应用1.2.1变频恒压供水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。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，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。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。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。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。由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点倍受人们的青睐。因此自从变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速也使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。1.2.2 变频调速技术的特点及应用作为高性能的调速传动，直流发电机电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电4060，节水1530。由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。1.2.3 可编程控制器的特点及应用早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。在发达工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：1可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。3采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以监测等。第2 章 恒压供水系统的基本构成2.1 恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机和水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费，电机选小了用水量大时供水不足。而且水泵和电机都有维修的时候，备用泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵供电。这也有两种配置方式，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不需要切换，但是购买变频器的费用较高。另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。2.1.1 系统的构成图2-1系统原理图如图2-1所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一个PLC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420mA电流)；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。从原理框图，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、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，图2-1中的3个水泵分为二种类型: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变电机的转速，以维持管网的水压恒定。恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于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过程进行监示，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，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。2.1.2 工作原理合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通SB2，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)的偏差进行PID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到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵，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PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下台泵变频运行。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，使管压保持在压力设定值的上、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PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值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预置值，则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，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。如果还没到达设定值，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。当供水压力大于预置值时，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预置值，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。如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。2.2 PLC在恒压供水中的主要任务（1） PLC代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合和调节工作，实现了数字PID调节。一只传统调节器往往只能实现一路PID设置，用PLC作调节器可同时实现多路PID设置。在多功能供水泵站的各类工况中PID参数可能不一样，使用PLC作数字式调节器就十分方便。（2） 控制水泵的运行与切换。在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀地磨损，水泵和电机也是轮换工作的。在设单一变频器的多泵组泵站中，如规定和变频器相连接的泵为主泵，主泵也是轮流担任的。主泵在运行时达到最高频率时，增加一台工频泵投入运行。这是泵组管理的执行设备。变频器的驱动控制。（3） 恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需要采用PLC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至比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并依据此信号的变化改变变频器的输出频率。（4） 泵站的其它逻辑控制。除了泵组的运行管理工作外，泵站还有很多逻辑控制，如手动，自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站工作异常报警，系统的自检等，这些都可以在PLC的控制程序中安排。2.3 变频供水系统应用范围及发展趋势目前国内，除了高压变频供水系统，多数恒压供水变频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。以中小水厂供水环境来说，由于其包括了自来水生产系统，其温湿度及腐蚀程度都大于常见小区和加压泵站，在水泵组搭配上、需要处理的信号(如水质信号停机管理)也多于小区供水系统，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。变频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显偏高，维护成本也高于国内产品。第3章 变频调速的节能、调速原理3.1 供水系统概述传统的供水方式（包括水箱/水塔供水和气压供水）水箱/水塔供水：供水系统采用水箱/水塔，称为重力供水。供水压力比例恒定，且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶上。即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求，难以满足不断增加的用水需求。同时由于在屋顶上形成很大的负重，增加了结构面积，也妨碍了美观。此外，屋顶水箱必须高出水面几米，建筑方面较难处理，而且投资周期长。气压供水：气压给水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在地下室或某些空旷之处加压送到管网中去。其优点是灵活性大，建设快，少受污染，不妨碍美观，有利于扩展与消除管道中的水锤与噪声，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。缺点是需要压力罐，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需要使用张力膜或设置空气压缩机冲气。因此，电能消耗大，运行费用高。给水方式的选择应以经济合理，技术先进，供水安全可靠为原则。随着交流电机变频调速技术的日益成熟，为实现恒压供水提供了可靠的技术条件。利用变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统调节水泵的输出流量，取代了水塔、水箱、气压罐等实现了恒压供水。其配置日趋合理，成为供水网系的替代产品。变频调速恒压供水：变频调速恒压供水器由电动机、泵组和变频调速系统、压力仪表、管路系统等组成。电动机泵组多由同型号的水泵24台并联而成（以三台为例）。由变频器和工频电网供电，根据供水系统的运行状况自动调节和切换。主要优点：对电网冲击小，保护功能完善。消除了水泵电机直接启动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。突然停电后再来电，设备能够自动启动运行。因为实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中，其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快、长期受益的特点，其产生的社会效益也是非常巨大的。水泵电动机采用软启动方式，避免了电动机启动时的电流冲击，也避免了电动机突然加速造成泵组系统的喘振。无塔供水系统不需要水塔、高位水箱和气罐，设备简单，控制实时性好，且能满足不断增加的供水需求。建筑高度增加时，无塔供水器只需要改变水压设定值和修正流量参数就能满足要求，而无需改变供水需求。3.2 变频调速恒压供水系统分析在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关。3.3 变频调速的节能、调速原理水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，可以相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。如图3-1所示，n为水泵特性曲线,A为管路特性曲线,H0为管网末端的服务压力, 为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时,水泵全速运转,出口阀门全开,达到了满负荷运行,水泵的特性曲线n0和用水管路特性曲线A0汇交于b点,此时,水泵报出口压力为，末端服务压力刚好为H0。当用水量从Qmax减少到Q1的过程中,采用不同的控制方案,其水泵的能耗也不同。图3-1 节能分析曲线图（1）水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制：此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样，c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。（2）水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制：此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点始终在上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性曲线为nx，面管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点。这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H1H0，则h1即为水泵的能量浪费。（3）水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制：此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线变为n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点始终沿A0滑动。管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1。根据水泵的相似原理：Q1/Q2=n1/n2 （31） H1/H2=(n1/n2)*2 （32） P1/P2 =(n1/n2)*3 （33）式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴的功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。 根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术落后相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的。保证了居民用水压力的可靠。采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵机组启动，降低了启动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性，另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为: n =60 f(1-s)/p （34）式34中s为电机的转差率(s=0.02)，p为电机极对数，f为定子供电频率。当水泵电机选定后，p和s为定值，也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低。变频调速是根据这一公式来实现无级调速的。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为： N = PQ （35）又功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比基于流量控制可以大幅度降低轴功率。3.4 变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析3.4.1 管路水力损失及性能曲线管路水力损失分为沿程损失和局部损失两种，即 (36)沿程损失： (37)局部损失： (38)式中管路沿程摩擦损失系数；局部损失系数；L管路长度(m)；各局部损失的计算流速(m/s)；过水截面的面积()。将式(37)和(38)代人(36)可得 (39)图3-2 水泵工作点的确定式中S被称为管路阻力系数。当水泵管路系统确定后，相应的、L、A等参数都能确定，S也就确定了。由式(39)可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水头损失就等于上下水位差（即实际扬程）加上管路损失。 (310)由式(310)可以得到如图3-2所示的管路。3.4.2 水泵工作点的确定和调节1水泵工作点的确定如果把某一水泵的性能曲线（即HQ曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中，图3-2所示，则这两条曲线的交点A就是水泵的工作点。若把水泵的效率曲线-Q也画在同一坐标系中，可以找出A点的扬程、流量以及效率。从图中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头损失相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。2水泵工作点的调节交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系： (311) 式中：p极对数；s转差率因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。变频器调速的工作原理就是通过选择电压频率比（V/F）曲线，设定加减速时间以及转矩补偿曲线，使电动机启动时转速从零开始逐渐升高，实现软启动，减少了启动电流。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n从而改变水泵的转速。由于水泵的流量、扬程和消耗的功率都可以随其转速的变化而变化，变频调速技术可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况，大大扩展了水泵的高效运行范围。当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从n1降低到n2。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速n，可使供水泵流量Q、扬程H和轴功率N以相应规律改变。 (312) (313) (314)将式(313)和(314)代入(318)可得： (315)图3-3 变频调速恒压供水单台水泵工况调节图式(312)中：g水的比重；k功率常数。从上述比例律公式中消去n1/n2就得到下式 (316) 即 或 (317) 式(317)是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过改变电源的频率来改变电机转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。由图3-3可见，设定管网压力值（扬程）为H0，管网初始用水量为QA，初始工况点为A，水泵电机的转速为n1。当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成420mA电流信号送往PID调节器，经比较处理后，输出一个信号令变频器频率降低，从而降低电机转速至n2。水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点A移至B点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小。恒压供水系统中压力值恒定在H0,因此水泵工作点又沿着转速n2所对应的水泵性能曲线从点B移至C点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点C点，在图3-3中可以找出C点的扬程HC、流量QC以及水泵运行效率。考察水泵的效率曲线h-Q，当变频调速使水泵偏离甚至位于高效区之外时，水泵的运行效率会大大下降。因此，水泵转速调节要尽量使水泵在高效区之内运行，避免使变频器频率下降得过低，而造成水泵在低效率段运行。3.4.3 水泵变频调速节能分析水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管路性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量。需要减少流量时关小阀门，使管路性能曲线由R1变为R2。运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速。如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H2，流量从Q0减少到Q1。在图3-4中，水泵运行在B点时消耗的轴功率与H1BQ1O的面积成正比，运行在C点时消耗的轴功率与H2CQ1O的面积成正比。从图上可以看出，在流量相同的情下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果十分明显。由(312)求出运行在B点的泵的轴功率，运行在C点时泵的轴功率，两者之差： (318)图3-4 水泵节能分析图也就是说，采用阀门控制流量时有的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，由式(315)可知，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果十分显著。3.5 调速范围的确定考察水泵的效率曲线h-Q, 水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。启动频率一般来说，水泵在低速运行的意义并不大，有的水泵并不能从0Hz开始启动，所以，应该预置运转开始频率一下，变频器处于待机状态，一利于更好的节能。所以，在变频启动无过流的前提下，运转开始频率可预置的高一些，一般设定范围为020Hz（也可以通过预置下限频率来达到目的）。最高频率：水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加。例如，当转速超过额定转速10（nx1.1nN）时，转矩将比额定转矩超过21（Tx1.21TN），导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定转矩的，其最高频率只能与额定频率相等，fmaxfN50Hz。一般来说，上限频率也以等于额定频率为宜，但有时也可以预置的略低一些，原因有二：1. 变频器由于内部往往具有转差补偿功能，所以，在同是50Hz额情况下，水泵在变频运行时，实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电机的负载；2. 变频调速系统在50Hz下运行时，不如直接在工频下运行为好，可以减少变频器本身的损失。因此，将上限频率预置为49Hz或49.5Hz最合适。下限频率：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。所以，在多数情况下，下限频率应定为30Hz35Hz。第4章 器件的选择4.1 水泵的选择4.1.1 用户供水量的确定设计流量应按生活用水的设计秒流量计算。新建筑或生活小区已经由专业设计人员算出，不用单独计算，对于改造类型需重新计算。本设计小区人数：m63000/125250人 小区户数：f5250/3.51500户 （每户平均3.5人）最高日生活用水量QDmqd/1000=rfqd/1000 其中：qd用水定额（类住宅，qd190L/人） m设计小区内的人数 r平均居住人数（通常r=3.5人/户） f居民区的户数 Qd3.51500190/1000=997.5m3/d则最大小时流量QHKHQD/T =2.3*997.5/24 =89.28m3/h =24.8L/S其中：T24h为每日用水时间 KH时间常数（类住宅，KH2.3）秒流量计算公式：类：Qq1.020.20.0045Nq其中Nq为用水当量 Nqnf415006000 （n类4，每户平均用水量） Qq1.020.20.0045Nq 1.020.20.0045600015.827 42.8L/S由于f3571户1500户，所以取QH与Qq中较大者作为供水标准，流量取Qq。考虑选泵时留有裕度1015，所以Qq按Qq（110）Qq11047L/S选泵。消防用水量根据规范，人类小于2.5万人时，一次灭火用水量为15L/S，本小区人数为12500人，消防用水量选为15L/S,选泵时留有裕度10，所以Qq消防Qq1101511016.5L/S。4.1.2 供水的扬程计算在供水系统中，一般把最远最高层作为计算依据。如果小区最远点的建筑不是最高的建筑，则必须选择两个最不利点分别计算供水扬程，