城市供水系统毕业设计

1、 毕 业 设 计 论文题目 城市恒压供水系统设计城市恒压供水系统设计 学 院 物理科学与工程技术学院 专 业 自 动 化 年 级 06 级 姓 名 刘 小 强 指导教师 唐 勇 波 职 称 讲 师 （2010 年 6 月） 宜春学院教务处制 城市恒压供水系统设计城市恒压供水系统设计 宜春学院 物理科学与工程技术学院 自动化专业 刘小强 指导老师： 唐勇波 摘要：摘要：如今城市的发展对其基础设施的要求变高，传统的供水方式已不能满足人民的需求。 节能的理念也日益体现在这些设施上，处于这些方面的考虑，设计出一个节能恒压的供水 系统成为城市供水设施的需要。本文主要介绍变频调速在恒压供水中的应用，描述恒

2、压供 水技术的原理，以及它的系统构成基础。介绍了变频器的一些基本原理和软硬件的组成， 在恒压供水系统中变频器种类的选择和使用，全面介绍恒压供水系统的结构基础。提出不 同的控制方案，通过研究和比较来说明采用变频器和 plc 组合构成控制系统是最优化的控 制方案。 关键字：关键字：plc；恒压供水；水泵；变频器 abstract: today, the development of the urban infrastructure requirements, the traditional water already cannot satisfy the needs of the people.

3、energy-saving concepts are also increasingly reflected in these facilities, in these aspects into consideration, the reference to design a constant pressure water supply system of energy as urban water supply facilities.this paper mainly introduces the plc programmable control technology and frequen

4、cy conversion in the constant pressure water supply, the principle of constant pressure water supply system, and its foundation. this paper introduces the basic principles of plc is with software and hardware, the constant pressure water supply system in the type selection and use of plc, after a co

5、mprehensive introduction of constant pressure water supply system, and the structure of software program and plc i/o point settings. put a different control scheme, through research and comparison to illustrate using plc and inverter constitute the system is optimized control scheme. keykey words:wo

6、rds: plc, constant pressure water supply, water pump, inverter 目录目录 1 前言 .4 1.1 选题的背景及意义.4 1.2 变频器的发展趋势.4 1.3 所作的主要工作.5 2 恒压供水系统的构成及控制原理 .5 2.1 任务.5 2.2 工艺要求.5 2.3 系统的组成和基本工作原理.5 3 硬件设计系统选型介绍 .8 3.1 供水电机.8 3.2 变频器.9 3.3 恒速调节.10 3.4 调节方式选取.10 3.5 控制方案.12 4 电气控制系统原理图 .13 4.1 主电路图.13 4.2 控制电路图.14 5 系统程

7、序设计 .14 5.1 压力恒定控制程序设计.14 5.2 电机增减控制程序设计.15 5.3 部分程序梯形图.16 6 结论 .19 7 参考文献 .20 8 感谢语 .21 1 前言前言 1.1 选题的背景及意义选题的背景及意义 随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，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， 也直接体现了供水管理水平的高低。 水是生命之源，人类生存和发展都离不开水，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求 不断提高。衡量供

8、水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业 或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火， 会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的 不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上:用水多而供水少，则供水压力低， 用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平 衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。 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

9、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

10、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。 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。利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供 水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效 保证从水系统的安全可靠运行。 变频恒水压供水系统集变频技术、电气传动技术、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 可达到良好的节能性，提高供水效率。所以

11、研究设计基于变频调速的恒定水压供水系统， 对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。 1.2 变频器的发展趋势变频器的发展趋势 变频器是一种高技术含量、高附加值、高效益回报的高科技产品。与 it 产业一样，该 产业包括所有与变频器技术相关的产业，即电力电子器件的生产、驱动保护集成电路的生 产、电气传动与系统控制技术、工业应用等。电力电子技术、电机控制方式以及自动化控 制水平决定着变频器的发展水平。 技术的发展也带动了变频技术的发展，dsp 运算技术引入变频器中，使复杂的实时运 算，有了实现的手段，组成成套系统，变得轻松自如。变频调速因具有调速精度高、启动 能耗低

12、，占地小、工艺先进、功能丰富、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等特点， 被认为是最理想的调速方案，代表电气传动的发展方向。 调速的飞速发展与成功应用，打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位，交流调速 拖动已进入了交流变频时代。而直接速度控制理论(dsc)的诞生，则标志着中国在电机控 制技术方面不仅超越了自我，也超越了国外同行。 大功率变频器因其在电磁兼容、电磁辐射、串联技术等方面问题有很大的技术难度，成 为世界各大电气公司竞争的热点。目前国内诸多变频器生产厂家都在高压变频器领域投入 大量的人力与物力，力求在目前变频器技术方面占领制高点。尽管如此，但变频器的核心 igbt 器件始终依赖进口，

13、成为制约国产变频器发展的瓶颈。 对来自不同应用领域的挑战，变频器也不断在更新换代，功能得到提升、产品越来越多 样化。总的来说，新时期的变频器具有以下特点：一是全数字化、功能齐全，能够补偿负 载变化，特别是分布式的具有通信、联网功能和集成 plc 的高端变频器。二是简单或行业 专用的变频器以及机电一体化、小型化的。三是网络化和系统化，通过网络连接减少生产 成本，通过现场总线模块，将不同型号的变频器以同一种编程语言和通讯协议进行组态。 此外，伴随新型高压电力电子器件的问世，高压和中压变频器也有长足的发展。在未来， 矩阵式变频器、绿色变频器等新型变频器将面世。 1.3 所作的主要工作所作的主要工作

14、查阅 plc 及变频器的相关资料，把握恒压供水系统研究和发展趋势。分析变频供水系统 的控制方式和组成，并对每一个组成部分进行了系统的分析和说明。对变频恒压供水的控 制流程进行了说明，阐述了变频供水系统的恒压原理和控制方法通过详细的分析，说明在 一拖多的恒压供水系统中加减水泵的条件。 2 2 恒压供水系统的构成及控制原理恒压供水系统的构成及控制原理 2.12.1 任务任务 随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。以方面要求提高供水质量， 不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，在发生 火灾时能可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而

15、生，这就是 plc 控制的恒压无塔供水系统。恒压无塔供水系统包括生活用水的恒压控制和消防用水的 恒压控制即双恒压系统。恒压供水保证了供水的质量，以 plc 为主机的控制系统丰富 了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。 2.22.2 工艺要求工艺要求 对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是： （1）生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行； （2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出； （3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过 3h，则要切换到下一台泵， 即系统具有“倒泵功能” ，避免某一台泵工作时间过长； （4）三台泵在启动时要又软启动功

16、能； 2.32.3 系统的组成和基本工作原理系统的组成和基本工作原理 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，在用水量少十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压网水呀的恒定，水泵电机的转速套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 电机陪一台变频器，变频器与电机见可以切换，供水运行时，

17、一台水泵变频运行，其余水 泵共频运行，以满足不同用水两的需求。 下图为恒压供水泵站的示意图。如图所示，图中压力传感器用于检测管网中的水压， 常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。水压传感器 将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。 水箱 调节器变频器 电动机 水泵 压力传感器 用户 图 2.1 变频恒压供水站的基本组成 调节器是一种电子装备,在系统中完成以下几种功能: (1)设定水管压力的给定值，恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远，用水地 点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值，另外有些供水系 统可能有多种供水目的，如将生活用

18、水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不只 一个，一般消防用水的水压要高一些，调节器具有给定值设定功能，可以以数字量进行设 定，也有的调节器以模拟量方式设定。 （2）接受传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置称为反 馈，调节器实反馈的接受点。 （3）根据给定值和实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接受 了实测水压的反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。如果给定值大 于实测值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速，如果水压高于理想水压， 要降低水泵电机的转速。这些都是由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系 统的稳定性

19、，调节工作中还有个调节规律的问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分- 微分调节，俗称 pid 调节。调节器的调节参数，如 p、i、d 参数均是可以由使用者设定的， pid 调节过程视调节器的的内部构成由数字式调节及模拟量调节两类，以微型计算机调节 器多为数字调节器。 调节器的输出信号一般式模拟信号，420ma 变化的电流信号或 010v 间变化的电 压信号。信号的量值与前面提到的差值成正比，用于驱动执行设备工作。 以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，市网来水用高低水 位控制器 eq 来控制注水阀 tv1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自 动往水箱中注水

20、。水池的高/低水位信号也直接送给 plc，作为底水位报警用。为了保障供 水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。生活用水和消防用水共用三台泵， 平时电磁阀 yv2 处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控 制逻辑运行，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电 磁阀 yv2 得电，关闭生活用水管网，三台泵共消防用水使用，并根据用水量的大小，使消 防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后三台泵再改为生活供水使 用。 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、恒 压控制单元、水泵机组以及低压电

21、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。 本文使用通用变频器+plc +压力传感器这种控制方式为基础的恒压供水系统设计，该 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 的硬件配置和它的外部接线，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

22、 的抗 干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此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。 传感器 plc 变频器 水泵 控制接口 人机界面 报警系统 图 2.2 恒压供水系统原理 2.3.1信号检测 在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号: (l)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。此信 号是模拟信号，读入 plc 时，需进行 a/d 转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水 的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测结果可以送给 plc，作为数字量输 入。 (2)液位信号:它反映水

23、泵的进水水源是否充足。信号有效时。控制系统要对系统实施保 护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处的液位传感器。 (3)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。 2.3.2控制系统 供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括 plc、变频器和电控设备三个部分: (1)plc：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压力、液 位、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(即水泵成行控制. (2)变频器：它是对

24、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。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情 况不同，变频器有如下两种工作方式: 1)变频循环式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在 50hz 时，其供水 量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将 该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。 2)变频固定式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在 50hz 时，其供水 量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不 做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运

25、行前可以选择。 变频器的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/自动切换及就地/集中等工作。 2.3.3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视，对报警进行 显示。2.3.4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

26、到本系 统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。 2.3.5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。 3 硬件设计系统选型介绍硬件设计系统选型介绍 3.1 供水电机供水电机 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

27、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，就会出现大马拉小车”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。 要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较:对于恒定负载连续工作方式，如 果知道负载的功率(即生产机械轴上的功率)p，可按下式计算所需电动机的功率 p(kw) p=p1/(12) 式中，p 为生产机械的效率;p1 为电动机的效率，即传动效率.按上式求出的功率，不一定

28、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。 3.2 变频器变频器 变频器主要由整流（交流变直流） 、滤波、再次整流（直流变交流） 、制动单元、驱动单 元、检测单元微处理单元等组成的。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（vvvf 变频或矢量控制变频） ，先把工频 交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交 流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部分组 成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 igbt 三

29、相桥式逆变器，且输出为 pwm 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 变频器容量是变频器的最重要的参数，如何选择变频器容量是变频器选型的关键。 变频器的容量有三种表示方法:额定电流;适配电动机的额定功率;额定视在功率。 不管是哪一种表示方法，归根到底还是对变频器额定电流的选择，应结合实际情况根据电 动机有可能向变频器吸收的电流来决定。通常变频器的过载能力有两种:不管是哪一种表示 方法，归根到底还是对变频器额定电流的选择，应结合实际情况根据电动机有可能向变频 器吸收的电流来决定.通常变频器的过载能力有两种:12 倍的额定电流，可持续 1 分钟: 1.5 倍的额定电流，可持续 1 分

30、钟:而且变频器的允许电流与过程时间呈反时限的关系。 如 12(1.5)倍的额定电流可持续 lmin;而 ls(2.0)倍的额定电流，可持续 0.5min。这就意味着: 不论任何时候向电动机提供在 lmin 以上的电流都必须在某些范围内。 过载能力这个指标，对电动机来说，只有在启动 (加速)过程中才有意义，在运行过 程中，实际上等同于不允许过载。 下面讨论如何根据电动机负载电流的情况来选择变频器带一台电机时的容量选择。 首先计算出负载电流，然后应考虑三个方面的因素:用变频器供电时，电动机电流的 脉动相对工频供电时要大些;电动机的启动要求。即是由低频低压启动，还是额定电压、 额定频率直接启动.变频

31、器使用说明书中的相关数据是用该公司的标准电机测试出来的。 要注意按常规设计生产的电机在性能上可能有一定差异.故计算变频器的容量时要留适当余 量。 3.2.1.恒定负载连续运行时变频器容量的计算 由低频低压启动或由软启动器启动，而变频器只用来完成变频调速时，要求变频器的额 定电流稍大于电动机的额定电流即可，即要求 ifn1.1imn 其中，ifn 变频器额定电流，imn一 电动机额定电流. 额定电压、额定频率直接启动时，对三相电动机而言，由电动机的额定数据可知，启动 电流是额定电流的 see7 倍。因而得用下式来计算变频器的频定电流。 ifnimstkfg 式中 imst 一电动机在额定电压，额

32、定频率时的启动电流kfg一变频器的过载倍数 3.2.2 周期性变化负载连续运行时变频器容量的计算 很多情况下电动机的负载具有周期性变化的特点。显然，在此情况下，按最小负载选择 变频器的容量，将出现过载，而按最大负载选择，将是不经济的。由此推知，变频器的容 量可在最大负载与最小负载之间适当选择，以便变频器得到充分利用而又不到过载。 周期性负载首先作出电动机负载电流图 n=中(0 及 1=f(t)然后求出平均负载电流 lav 再预 选变频器的容量，关于 iav 的计算采用如下公式: iav=(i1t1+i2t2+.+ijtj.)/(t1+t2+tj+.) 考虑到过渡过程中，电动机从变频器吸收的电流

33、要比稳定运行时大，而上述 lav 没有反 映过渡过程中的情况。因此，变频器的容量按 1 刚之(1.1 一 1.z)lav 修正后预选(式中，lj 为 第 j 段运行状态下的平均电流内为第 j 段运行状态下对应的时间)，若过渡过程在整个工作 过程中占较大比重，则系数(1.1 一 1.2 雌偏大的值。 3.2.3 非周期性变化负载连续运行时变频器容量的计算。 这种情形一般难以作出负载电流图，可按电动机在输出最大转矩时的电流计算变频器的 额定电流，可用该式 ifnim(max) kfg 式中im(max)为电动机在输出最大转矩时的电流。 3.3 恒速调节恒速调节 水泵的恒速调节主要有节流调节、动叶调

34、节、改变泵的运行台数调节三种. (1)节流调节 节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板，通过改变阀门或挡 板的开度，使装置需要扬程曲线发生变化，从而导致水泵工作点位置的变化。 节流调节优点是调节简单、可靠、方便，且调节装置的初投资很少，故以前各种离心 泵多采用这种调节方式。缺点是能量损失很大，目前正逐渐被其它调节方式所取代。 (2)动叶调节 采用动叶调节的水泵，在泵的轮毅内部安装动叶调节机构，从而使动叶调节得以实 现。对于大型的泵，可以采用液压传动调节. 动叶调节的优点是:在调节过程中其效率变化很小，能在较大范围保持高效率。缺点是:动 叶调节机构复杂，控制自动化程度低;成本高，通常适

35、用大容量水泵，对中小供水厂的水泵 通常不适用。 (3)改变机泵运行台数调节 改变机泵运行台数调节是根据不同的流量要求，采用不同数量和型号的机泵进行并 联运行，来满足供水量要求.优点是:它不改变电机和水泵的电气及机械结构，在水泵台数众 多、搭配合理的情况下，可以达到较好的调节效果。缺点是:不能实现连续调节、需要大量 的机泵进行合理搭配、随着供水量的变化要不断启停电机;电能损失较大。因此，目前此种 方法虽大量使用，但正逐步被新的流量 3.4 调节方式选取调节方式选取 从恒速调节的分析可以看出，由于恒速调节要不结构复杂，要不能量损失很大，因此， 正逐步被变速调节所取代. 这里所指的速度是水泵的转速.

36、水泵的变速调节可分为变速传动装置调节和变电动机转 速调节。 3.4.1 变速传动装置 定速电动机驱动的水泵可以通过传动装置来实现变速调节。变速传动装置按其工作特 性可分为两类。一类是有级变速装置，如齿轮变速等;另一类是无级变速装置，主要有液力 祸合器、油膜转差离合器、电磁转差离合器等。液力祸合器、油膜转差离合器及电磁转差 离合器在传动变速时具有一个共同的特点:传动装置产生的传动损失在其所传递功率中所占 的比例与水泵的转速变化的大小成正比，转速变化越大，传动损失所占的比例也越大，因 此，这类变速调节方式也被称为低效变速调节方式。 1)液力祸合器 水泵通过液力祸合器实现变速调节，从液力藕合器的特性

37、来看，其调节效率等于转速 比，故当调节量越大，其转速比越低，传动效率也越低。调速型液力祸合器用于叶片式水 泵的变速调节时，主要具有以下优点:可以输出连续的、无级的、变化的转速;可以平稳的 启动、加速;电动机能空载或轻载启动，降低启动电流，节约电能;液力祸合器是无级调速， 故便于实现自动控制，适用于各伺服系统控制:与阀门节流调节相比较，节能效果显著。 液力祸合器的缺点:在电动机额定转速较低的场合，要求同样的转矩而采用较小的转速 时，液力祸合器的工作腔直径将加大，这不但增加了造价，而且还会使祸合器调速的延迟 时间增加;大功率的液力祸合器设备复杂;在运转中随着负载的变化，转速比也相应变化， 因此不可

38、能有精确的转速比:液力祸合器一旦产生故障，水泵也不能继续工作。 2)电磁转差离合器 电磁转差离合器又称电磁离合器、涡流联轴器等。电磁调速电动机的主要优点是:可靠 性高，只要把绝缘处理好，就能长期无检修运行;控制装置的容量小;结构简单、加工容易， 价格便宜。 电磁调速电动机的缺点是:存在转差损失，尤其是对凡较低的电磁调速电动机，运行经 济性较低;调速时响应时间较长:噪声较大。 3.4.2 变电动机转速 由电机学得知，交流电动机的同步转速 n，与电源频率 fl、极对数 p 之间的关系式为: n1=60f1/p s=(n1-n)/nt=1-n/n1 n=n1(1-s)= 60f1/p(1-s) 由式

39、可以看出，要实现交流电动机的调速，可以通过改变磁极对数 p 和改变电源频率 fl 实现，下面就两种变速调节方式进行比较 1)异步电动机的变极调速 变极调速原理:异步电动机在正常运行时，通常其转差率 5 很小，则由式 2.4 知，在电 源频率 fl 不变的情况下，改变电动机绕组的极对数，就可改变同步转速 n:从而改变异步电 动机的转速 no 变极调速的主要优点是:调速效率高，仅是因在设计变极电动机时要兼顾不同转速时的 性能指标，与普通的全速电动机相比较，其效率和功率因数要稍低一些:调速控制设备简单， 仅用转换开关或接触器;初投资低，特别是中小型变极电动机价钱和定速电动机相差不是很 大:维护方便，

40、除轴承外，不需要特别的维修，可靠性较高，在相当恶劣的环境下可使用。 变极调速的主要缺点是:有级调速，不能进行连续调速。此外，变极电动机在变速时电 力必须瞬间中断，不能进行热态变换，因此在变速时电动机有电流冲击现象发生.高压电动 机若需进行频繁地切换变速时，则其切换装置的安全可靠性尚需进一步完善提高。因此， 变极调速目前应用较少。 2)异步电动机的变频调速 由公式可知，极对数 p 一定的异步电动机，在转差率变化不大时，转速基本上与电源 频率成正比。因此，只要能设法改变 fl.即可改变 n。基于这个原理，变频调速就是用晶闸 管等变流元件组成的变频器作为变频电源，通过改变电源频率的办法，实现转速调节

41、。下 图为变频调速系统的示意图。 变频 电源 d 3 水泵 控制电路 图 3.1 变频调速系统示意图 在对变速传动装置和变电动机调节方式进行比较时，我们以两者的代表，也是目前运 用最广的两种变速方式:液力祸合器调速和变频器调速进行对比，如表下表，从中可以看出， 采用变频器进行转速调节，具有较大的优势。 3.53.5 控制方案控制方案 利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比较 先进的一种方案。下面以单台变频器控制 2 台水泵的方案来说明。该控制方案的控制原理 见图。 1 号水泵变频运行 2 号水泵工频运行 1 号水泵工频运行 2 号水泵变频运行 1 号水泵停止

42、2 号水泵变频运 行 1 号水泵变频运 行 2 号水泵停止 图 3.2 控制原理框图 控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制 2 台水泵按 1 一 2 一 3 一 4 一 1 的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有 1 号泵 在变频器控制下运行，2 号泵处于停止状态，控制系统处于状态 1。当用水量增加，变频 器输出频率增加，则 1 号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只 有 1 台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1 号泵从变频器电源 转换到普通的交流电源，而变频器电源启动 2 号泵电机，控制系统处于状态 2.

43、当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表 示只有 1 台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将 1 号泵电机停 运，2 号泵电机仍由变频器电源供电，这时，控制系统处于状态 3。 当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则 2 号泵电机的转速也增加，当变频器增 加到最高输出频率时，表示只有 1 台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控 制系统的控制，2 号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动 1 号泵电 机，控制系统处于状态 4. 当控制系统处于状态 4 时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时， 表示只有

44、1 台水泵工作已能满足系统供水的要求，此时，通过控制系统的控制，2 号泵从 变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动 1 号泵电机，控制系统处于状态 4。 当控制系统处于状态 4 时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时， 表示只有 1 台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，可将 2 号 泵电机停运，1 号泵电机仍由变频器供电，这时，控制系统又回到了状态 1。如此循环往复 的工作，以满足系统用水的需要。 4 4 电气控制系统原理图电气控制系统原理图 电气系统控制原理图包括主电路图、控制电路图。 4.14.1 主电路图主电路图 如下图所示为电控系统主电

45、路图。三台电机分别为 m1、m2、m3。接触 km1、km3、km5 分别控制 m1、m2、m3 的工频运行；接触器 km2、km4、km6 分别 控制 m1、m2、m3 的变频运行，fr1、fr2、fr3 分别为三台水泵电机过载保护用的热继 电器；qs1、qs2、qs3、qs4 分别为变频器喝三台水泵电机主电路的隔离开关；fu1 为主 电路的熔断器，vvvf 为简单的一般变频器。 图 4.1 电控系统主电路 4.24.2 控制电路图控制电路图 下图所示电控系统控制电路图。图中 sa 为手动/自动转换开关，sa 打在 1 的位置为手 动控制状态；打在 2 的状态为自动控制状态。手动运行时，可用

46、按钮 sb1sb2 控制三台泵 的启/停和电磁阀 yv2 的通/断；自动运行时，系统在 plc 程序控制下运行。 图中的 hl10 为自动运行状态的电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提供一个干触 点信号，由于 plc 为 4 个输出点为一组共用一个 com 端，而本系统又没有剩下单独的 com 端输出组，所以通过一个中间继电器 ka 的触点对变频器进行复位控制。图中的 q0.0q0.5 及 q1.0q1.5 为 plc 输出继电器触点，它们旁边的 4、6、8 等数字为接线编号。 1 20 sb1 km1 sb2 q0.0 q0.1 km2 km2 km1 hl1 km2 hl2 fr1 4

47、6 plc sb4 q0.2 q0.3 km4 km2 km3 8 10 sb6 q0.4 q0.5 km6 km2 km5 12 14 sb3 km3 fr2 hl3 km4 hl4 fr3 hl5 km6 hl6 km5 sb5 sb7 yv2 sb8 yv2 hl7 hl8 hl9 ha ka hl10 q1.0 q1.1 q1.2 q1.3 q1.4 q1.5 n1 n l1 fu2 图 4.2 电控系统控制电路 5 5 系统程序设计系统程序设计 5.15.1 压力恒定控制程序设计压力恒定控制程序设计 在变频恒压供水系统压力控制程序的设计流程如图 43，检测压力的大小，信号传送到 pl

48、c，系统首选对数值进行分析，确认数据正常后，与压力设定值进行判断，如果与设定 值相同，则直接进入下一采样周期，如果不同，则进行 pid 控制，通过 plc 控制变频器改 变频率参数，从而实现恒压供水。 在恒压供水程序设计中，还应考虑到报警问题，通常要设计中断程序处理信号报警。特 别要注意的是，在中小供水厂有条件的情况下，除了通常的液位报警和过载报警等外，还 应将流量仪、浊度仪、余氯仪等报警信号接入 plc，从而实现在供水厂出现流量严重异常 或水质事故事可以实现紧急停机。 开始 初始化程序 水管压力信号采集 开启自动变频 压力是否达到设定值 结果输入变频器进行变频控制 手动操作 数据分析计算 否

49、 是 是 否 图 5.1 压力恒定控制程序流程图 5.25.2 电机增减控制程序设计电机增减控制程序设计 该系统具有手动和自动两种运行方式，手动方式只在系统出现故障和调试时使用。选择 自动运行时，p 优对外接信号进行检测，如果满足要求，则 75kw (1#电机)电机和变频器连 通，作变频运行，并根据压力反馈调整详电机频率，当频率调整到 50hz，供水仍不足，则 该台变频泵切换为工频，如果压力继续不够，则将 1#泵切换到工频，经延时 305，再启动 160kw (2#电机)，2#电机在变频方式下运行，使出水压力达到要求。如果两台电机都在工 频下运行，还不能满足压力要求，则报警.如果实际压力过大，

50、逐渐降低本台水泵电机频率， 如果频率降低到 shz 仍不足以使压力满足要求，则关闭 1#泵电机，使 2#机泵切在变频下 运行。这样每台水泵都在工频和变频之间切换，做到先开先停，后开后停。在判断电机增 减条件时，按式(310 卿(311)进行程序设计。通常这一程序设计包括了主程序、变频切换开 机子程序和关机子程序等，其主程序流程图如下图： 停机程序停 止工频水泵 开始 初始化程序 频率到达上限，压力小于设定值 应算结果输出到 plc 继电器控制水泵和阀门控制器 开机程序软启动水泵变频水泵切换到工频 否 图 5.2 电机增减控制程序设计 5.35.3 部分程序梯形图部分程序梯形图 变频器上限时增泵

51、滤波 i0.0 vd250 .m0.1 t37 =d vd212 +50 vd250 i0.0 =d vd208 符合泵条件时，工频泵运行数加 1 t37 vb301 b p （ ） 0 vb301 vb301 变频泵增泵或倒泵时，置位 m2.0 m0.1 m2.0 （ ） m0.3 工频泵数加 . （） t34 m2.1 +2 产生当前泵工频启动脉冲信号 t34 m0.5 p （ ） m2.1 （r ） 1 m0.5 m2.2 （ s ） dec-b en eno in out nc-b en eno in out in ton pt m2.2 t39 +30 产生下一台泵变频运行启动信号

52、t39 m0.6 p （ ） m2.2 （ r ） m2 1 号泵变频运行控制逻辑 sm0.1 vb300 m3.0 m0.4 q0.0 q0.1 =b （ ） m0.0 1 m0.6 q0.1 2 号泵变频运行逻辑 m0.6 vb300 m3.0 m0.4 q0.2 q0.3 =b （ ） 3 号泵变频运行控制逻辑 m0.6 vb300 m3.0 m0.4 q0.4 q0.5 =b （ ） 2 q0.5 1 号泵工频运行控制逻辑 .m0.5 vb300 vb301 q0.1 q0.0 =b b ( ） 2 0 q0.0 vb300 vb301 =b b 3 1 2 号泵工频运行控制逻辑 .m

53、0.5 vb300 vb301 q0.3 q0.2 =b b ( ） in ton pt 3 0 q0.2 vb300 vb301 =b b 1 1 3 号泵工频运行控制逻辑 .m0.5 vb300 vb301 q0.5 q0.4 =b b ( ） 1 0 q0.4 vb300 vb301 =b b 2 1 电机增减控制程序设计流程图 6 6 结论结论 恒压供水系统是以变频器为执行调控单元，plc 调控系统作为控制系统而设计的恒压 调控系统。在供水系统中采用变频调速是由于水泵的功率与转速的立方成正比，所以调速 控制方式要比阀门控制方式节能效果显著.最后从理论上分析了采取变频恒压供水方式对供 水安全起的积极作用:可以消除水锤