双恒压无塔供水系统设计.doc

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1、电气系高级工毕业课题设 计 说 明 书课题名称 双恒压无塔供水系统设计 专业班级 学生姓名 学 号 指导教师 宁波技师学院电气技术系 二 零 一 四 年 二 月目 录1前言41.1双恒压供水的目的和意义41.2消防、生活供水的特点41.3消防、生活供水的实现51.4论文的主要工作71.5本章小结72变频调速恒压供水系统理论分析82.1序言82.2工艺调节过程简介82.3变频调速调节系统82.4节能分析132.5小结153总体方案设计173.1系统总述173.2压供水控制系统的基本控制策略173.3压供水系统的基本构成183.4总体设计框架193.5本章小结214硬件系统设计224.1设备选择2

2、24.2外部电路设计294.3控制电路设计304.4 变频器参数设定324.5本章小结345软件系统设计355.1 泵站软件的设计分析445.2程序结构355.3程序功能实现355.4 控制程序设计385.5 本章小结396系统调试406.1变频器调试406.2 PLC的调试426.3本章小结43结论471前言传统的生活及生产供水的方法是通过建造水塔维持水压。但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题，通常的办法是:用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时

3、又需做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路。交流变频器的诞生和PLC的运用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。1. 1双恒压供水系统的目的和意义 变频调速双恒压系统，是现今社会供水的一个新兴的课题。首先，它把传统的消防、生活两套供水系统综合在一个系统中，通过特殊的方法，兼顾生活、消防各自供水的特点和差异性，既能保证正常情况下高质量生活供水，又能保证消防状态下可靠的消防水源。其次，双恒压供水系统，能根据不同的季节，不同的供水时段，以及各种意外的情况作出反应，保证系统管网的恒压，减少供水欠压和过压两种不合理现象。改变了传统的恒速泵，或水塔、水箱供水方式的缺点;也避免了像水塔或水箱二次污染的可能

4、，使设备和系统平稳和可靠，同时节能显著。此外，构造这样一个控制系统可减小占地面积，降低一次性投资，系统安全可靠，维修管理方便。 本论文就如何构筑这样一个系统提出了一套较完备的方案，对此方案的实际运用，做了较深入的理论探讨，并结合工作实际，做了一套切实可行的系统。1. 2消防、生活供水的特点 传统的消防、生活供水方式是分别独立的两套系统，这样既不经济又不合理，而且在真正发生火灾时，系统的可靠性使人置疑，并且人为地增加投资成本和运行费用。 合理选择给水系统对住宅给排水的设计尤为重要。中国工程建设标准化协会标准居住小区给排水设计规范(CECS57:94)中明确规定:多层建筑居住小区，应采用生活消防共

5、用的给水系统。同样，对于多层住宅建筑内的生活给水与室内消火栓给水系统的共用，则有利于给水系统的技术和经济优化多层住宅建筑的生活、消防给水系统的设置目的和运行方式不同。消防用水必备但不常用，是应急使用系统，力求简单，应尽可能减少设备:生产(生活)用水是常用系统，但所需水量时大时小。如合理地采用加压供水系统，并使消防、生活供水系统有机结合，则不仅可以大大减少不必要的投资，而且能省去日常的维护费用1.3生活、消防供水的实现 给水系统由三台工频水泵和一套变频控制系统组成，工频泵组各根据负荷情况选定不同台数的水泵及电机。三台泵轮流备用。这样就避免了长期不使用水泵，发生水泵锈死的现象。 平时生活用水由一台

6、泵组供给，工作在低压状态下，保证给水管网末端用户所需要的水压和水量，同时保持消防管网的一定水压和水量。保证了水质的卫生标准和水量的稳定性。火灾时，根据消火栓的紧急按钮指令或消防指令信号启动(手动或自动)消防供水系统，三台泵启动加频工作保证消防管网消防所需要的水压和水量。但为使此供水系统安全可靠，此供水系统要求有独立的供电电源或独立的供电回路，保证泵房给水的安全可靠，以保证火灾区断电不断水，同时该系统应该用双路自动切换电源，以确保消防水泵的用电可靠安全。 变频调速恒压供水用于高层建筑群和住宅小区，可节约设备投资，而且集中管理维护较为方便，既可靠又经济。此外，此供水方式和每幢楼有屋顶水箱或用气压罐

7、给水方法比较，有许多优点。用此方式供水，随时都能保证消防管网所需要的水压和水量，根据用水量大小自动调节给水量、自动增加或减少运行工作泵，节省电力，压力稳定，不会有超压或欠压运行的现象。备用泵参与运行，可避免长期不运行而锈死。在变频器发生故障时，能自动切换到工频供电继续维持供水。水泵发生故障时，故障泵退出，备用泵自动投入。不仅可以全自动运行，而且可以无人值守，方便维修管理。它还避免了原屋顶水箱里水质的二次污染，减轻了建筑负荷，节省建筑造价，保持建筑结构完美，节省使用空间等等。有利于开发建设行业统一规划，综合管理，提高经济效益。1. 3.1目前供水系统的模式 对于居住住宅楼的给水系统设计，传统的供

8、水方式一般采用恒速泵直接供水;采用高位水箱供水;气压罐供水。1.3.1恒速泵供水 此方式是一种传统的水系统供给方式，对于离心式机泵，过去常采用手动或自动调节控制阀、调节阀的开度来改变和调节流量，即用人为增减阻力的办法来实现调节。当工艺需要小流量时，调小调节阀开度机泵的能量大量损失在阀门和调节阀上，浪费了许多能量。而往复式机泵常通过备用机组、直流电机调速、旁路调节来适应工况的波动。但若备用机组频繁启停，可能会导致工况的振荡，同时也会影响设备寿命和电网电压。改变机泵的转速来调节流量是最经济的调节手段，因为转速降低后，流量成比例下降，而功耗的下降是大于该比例的。但是转速调节受驱动机的限制，采用直流电

9、动机调速较为方便，但增加了整流装置，而且直流电动机价格昂贵。且两者都有运转经济性较差、维修工作量大的缺点。恒速泵由于耗能不合理，控制方法的不足，适应性差将逐渐被淘汰。1 .3. 2高位水箱供水 采用楼顶设高位水箱供生活用水的方式，虽较为安全可靠，设备、技术等方面也较成熟。然而，在后期给水系统的运行、维护和管理过程中，此供水方式存在一些问题。例如，由于屋顶水箱的材质及表面防腐物质的有机成分不同，造成水质严重的二次污染;目前对水箱内存水的消毒问题并未得到较好的解决，水箱内经常还发现有死老鼠的情况;加之屋顶高位水箱的有效容积受建筑负荷限制，一般考虑只贮存10分钟的消防用水量，高层建筑一旦发生为灾，靠

10、水箱供应扑灭火灾的消防水量，是远不够的。如对于消防水泵长期不使用，经常发生锈死现象，消防管网中长期存水而形成死水，对发生火灾时不利。故高层建筑的二次加压供水设施高位水箱，给人们的生活和物业管理者带来的问题急需解决。 高位水箱的供水系统，虽实际是一个压力大致恒定的系统，这个压力就是水位的高度。而管道的阻力特性却是变化的，当水的用户多时(也即打开阀门，放水的支路多时)，管道的阻力就相应减少，反之则阻力增大，大大降低了生活供水质量。 虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理、适应性强而被广泛采用，目前国内大部分高层建筑均采用此方式供水，但此方式存在着投资大、占用面积大二次污染等豁占。1.3.3气压罐供水

11、 气压罐给水设备用于消防供水系统，在工程实践中已屡见不鲜。气压罐在消防工程中的用途不外乎:一、其调节水量可满足十分钟消防初期用水量，从而替代屋顶水箱;二、作为增压设施，以弥补高位水箱设置高度之不足即满足大楼顶层消火栓处7m静水压要求;三、作为消防系统稳压用，启停稳压泵及启动消防泵并发出火警讯号用。上述三种用途有一共同点，即均需贮存满足规范要求的消防用水量。气压供水由于体积小、技术简单、不受高度限制等特点，近几年来己在高层建筑中采用，但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等缺点，因而使这种供水系统的发展受到限制。事实上要制造满足贮存调节水量为18, 12. 6m的气压水罐，

12、在技术上是可以做得到的。但在实际工程中，由于受到建筑物内场地限制而很难实现。为此广大设计人员对气压水罐只用作增压及稳压设施1. 4论文的主要工作 本论文的主要工作是城镇小区供水系统(包括生活和消防)的实施和控制，采用无塔和无箱供水方式进行设计和实施，其实施结果证明是可行的，具体而言，本论文的主要工作如下: 构筑城镇小区的双恒压供水系统(设计、论证)。 系统详细构件组成(变频器、PLC、水泵、电机及电器辅助驱动器件等)，及这些构件选用的理论依据。 整个系统调速过程和节能的理论分析。 系统通讯实现(包括变频器、PLC通讯的硬件实现和软件实现)。 PLC、变频器、外围接口的连接及PLC的编程。 系统

13、的总体调试(关键设备参数的设定，调试遇到问题及解决办法和措施)。 本论文是用理论去分析，解决实际工程问题来实施设计的一个完整控制系统，证明是可行的，它为以后的城镇供水系统的设计和实施提供了一个范例。1. 5本章小结 综上所述，城镇社区生活、消防给水人用系统，在解决了常规性技术问题后优点凸现。 生活消防共用给水系统是一种经济可行的给水方式，减少了投资的成本。对于集中水泵层，在室外总体上仅设一路生活给水管，节省了建设费用，且便于管理维护。设置屋顶水箱能满足消防初期给水的要求，符合现行的防火计规范;通过紧急关闭阀的采用，保证了消防给水系统的可靠，适合于住宅物业的维护管理。但是，消防水箱的设置并不一定

14、能满足最不利消火栓水压和水量的需求，而且水箱设置高度还需满足住宅设计规范对室内分户水表前的给水静水压力要求。同时，屋顶水箱的设置也增加了给水二次污染的机会。不设屋顶水箱的给水方式有利于生活给水，既能保证生活给水的水量、水压，又能保证水质的卫生。 2变频调速恒压供水理论分析2. 1序言 变频调速恒压供水是90年代发展的新技术，由于采用了微机控制和大功率晶体管(GTR)技术，生产出了交流电机无级调速的先进产品交流电机变频调速器。这些技术和装备在给水系统中的应用，使得变频调速恒压供水系统成为当前高层建筑供水方式中一种新型的供水方案。利用变频调速装置和压力传感器组成闭环控制系统来控制水泵的转速，保持水

15、压恒定。下面就详细介绍双恒压供水系统的理论构置情况。2. 2工艺调节过程简介 系统由三台变速泵及可编程控制器、远程压力表、控制柜等单元设备和器件组成。其中变速变量泵是利用变频器改变电机工作频率来改变水泵的输出流量，利用速度变化来恒定系统压力的。 当系统投入运行时，远程压力表检测管网压力并将信号传送到变频器和PLC在变频控制软件和PLC的作用下，系统根据不断收取到的管网压力信号，发出变频调速泵运转速度和各泵投运和轮休的指令，从而实现无论用水量怎样变化，管网压力始终保持在设定压力范围，变化误差符合国家标准的要求，即0.02Mpa 系统内有常规供水压力和消防用水压力两种压力预置。正常状态下，系统按生

16、活(生产)预定压力供水。当有火灾信号输入，或手动强制开启消防供水开关，装置都会自动报警并自动转入消防用水压力供水，同时切断生活、消防管网保证生活(生产)供水。当运行中的水泵不足以提供预定消防用水压力时，自动逐一开启各个水泵直至达到设定消防用水压力。2. 3变频调速调节系统2. 3. 1调速原理 基本原理 在三、四十年代，电机调速理论和技术已在一些工业发达国家开始研究和应用，如通过改变电机的极对数，利用变频，改变交流电源的频率值，在转子电路中加入调速变阻器或磁性放大器等方法对交流电机进行调速。但都由于技术及设备复杂而不能在工业生产实际中广泛应用，随着微机应用技术的发展特别是到了80年代采用大功率

17、晶体管后，使得工业交流电机调速技术有了广泛应用的可能。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 （2.1）式中-电机转速. -电源频率-转差率 -.电机的级对数 当水泵电机选定后，P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。变频调速就是根据这一原理，通过改变电源的频率值来实现水泵电机的无级调速。变频调速恒压供水系统的控制特性分析电动机稳定运行时实际输出转矩由负载的需要来决定，在不同的转速下，不同的负载需要的转矩也是不同的，调速方法和控制特性应适应负载的要求。1)水泵负载转矩特性水泵负载转矩TL基本上与转速

18、n的平方成正比，即 （2.2）式中，k为比例常数，两者的关系曲线如图2.1点划线所示。2)变频调速时电动机的机械特性变频调速时，为了使电动机的运行性能好，励磁电流和功率因数应基本保持不变，即希望气隙磁通也保持不变，若（为额定运行时的磁通)，将引起电机磁路过分饱和而使励磁电流增加，功率因数降低:若，将使电机的容许输出转矩下降，电机的功率得不到充分利用，因此变频调速一般应使气隙磁通保持不变。根据电动机的等效电路，如图2.2所示，在忽略定子漏阻抗压降 的条件下，定子的相电压U1与气隙磁通中和频率f1之间的关系为 （2.3） 式中，为定子绕组每相的有效匝数，当电机确定后，为一常数。由式(2.3)可知，

19、在f变化时，电机的端电压U，必须与频率f成正比变化，才能保持。不变，即电动机的电磁转矩T为： （2.4）式中，P为电动机的磁极对数，R1 , 为定子每相绕组的电阻和额定频率fN下的漏抗； 为转子每相绕组折算到定子侧的电阻和额定频率fN的漏抗;s为转差率，即 式中，n。为某一频率下的同步转速 在额定电压和额定频率时，T= f(n)曲线如图2.1中实线时所示。令，求得电动机的最大电磁转矩Tm为 (2.5)在变频调速过程中，保持U1/f1=C(常数)，也就是保持气隙磁通近似为常数，若令,则，此时的电磁转矩 (2.6)相应的最大转矩为 (2.7）正常运行时，S很小，约在5%之内，式(2.6)中sR1，

20、忽略不计。在一定的负载转矩下，变频调速运行时，转速之差(n。-n将不变，转矩特性(稳定运行段)在U1/f1=常数。运行方式下，当a不同时，它为一组平行的曲线，如图2.1实线所示。 从式(2.7)可看出，由于定子电阻R1的存在，随着运行频率的降低，R1与电抗相比，R1的作用愈来愈大，使最大转矩Tm将明显减小。3)恒压变频供水系统中负载转矩TL与电机实际输出转矩T2的配合根据电力拖动系统的动方程式，在忽略空载转矩条件下，电磁转矩T=T2，这样，运动方程式为: (2.8)式中，为系统的飞轮矩。从图2.1可看出，负载转矩特性和电机机械特性的交点，就是转矩的平衡点，从图中曲线的变化可知，这些点也是稳定运

21、行点。可见，在基频以下实现调速，调速范围比较大，即使考虑低频下R1的影响，仍可使系统稳定可靠运行，非常适宜供水系统昼夜用水量变化较大的场合。由于采用恒压频比的控制特性，使整个调速运行中保持额定磁通N保持不变，从功率因数看，是最好的控制特性。2.3.2变频恒压供水频率变化分析 如图2.3为变频调速恒压给水的水泵曲线图，当流量由变化至时，恒速泵扬程必定会升至处，由于恒压线定在Ha，压力传感器检测出压力上升趋势后，反馈增加输出信号，使变频器降低频率控制水泵，减速至n2，使之保持恒压Ha,节省扬程BB。随着水泵转速的降低，工况点将从A沿恒压线逐渐变化至B, C流量随之减少，当n下降至n4, Q-H曲线

22、的最大扬程为，在n4以下时，因为Q-H曲线最大扬程小于Ha，水泵扬程将不满足要求。 按这一原理水泵的转速只要从额定转速变化至n4时，可供小于的任一流量，水泵的工况点沿恒压线从A-D变化。实际上以上的原理是在水泵曲线为:，的情况下，即中，k=0水泵的最大扬程为零流量时扬程的情况下成立。 当k/=0时，实际水泵曲线分如下两类: (1)曲线的峰点在Q=0时的右侧(见图2.4)，此时水泵变频将到n时出水量为Q，水泵转速继续下降将不出水，Q为水泵变频后的最小出水量，此时的转速所对应的频率为最低调节频率。(2)水泵曲线(见图2.4)，当流量逐渐减少到某一流量Q时，水泵扬程不再上升或上升幅度极小，曲线几乎平

23、行于恒压线，此类水泵变频后，当水泵的转速下降至时，流量Q转速继续下降时水泵将不出水，转速所对应的频率为变频调速给水设备水泵的最低调节频率。 由此可知，以上两种情况，水泵变频后的最小出水量有一临界值Q,此值随水泵的不同其值也不同，设有n台水泵组成的变频供水设备，当用户的用水量为: (X= 1, 2,，n-1其中Q为水泵的工频流量)时，设备将出现x台水泵因无法供出小于Q的水量，而出现反复的启、停现象，此区为设备的“流量失调区”。 水泵调速具有一定范围的，不同的水泵有不同的调速范围，不是任意可调的，其它范围由水泵本身的特性和用户所需的扬程决定。当选定某型号的水泵时可确定此水泵的最大调速范围，再根据用

24、户的扬程确定具体最低调频范围。2. 4节能分析 采用变频调速恒，改变了传统采用改变出水阀的开口度来调节流量和压力的方法，避免了能量的大量浪费，下面就从水泵和管网的特性及节能的具体运行原理加以说明。2.4.1水泵的基本参数和特性 离心式水泵广泛应用于工业和生活供水系统中。其输出特性取决于水泵的种类和供水管网系统的阻力特性。离心泵的H-Q曲线如图2.12所示。 水泵轴功率按下式计算: (2.9)式中 P一一轴功率(KW) Q-一一工况点的流量(); H一一一工况点的扬程(m);一一介质的单位体积重量(kg/m);工况点的效率。 每台水泵只有在原设计工况点(A点)时，泵的使用效率才为最高点，偏离这个

25、工况点(在B. C两点)效率就会降低。根据以上分析，按照供水系统的实际流量和扬程H。以及与之相对应的水泵使用效率。可以算出水泵经济的轴功率。即: (2.10)这样整个供水系统的节能潜力为:W=(P-P)t， (2.11)式中 P-水泵消耗的总轴功率: t-水泵运行时间。水泵在管道输送时，受到管网阻力的作用，图2.13绘出了供水管网的H-Q阻力曲线。管网装置特性可以从阀门全开时测得的各种数据由下式求得: 由图2.5可知泵的特性曲线(1)与管网阻力曲线(2)的交点即为泵的正常使用工况点。从管网特性上求得管网实际所需的性能以及泵与管网性能的匹配情况以此作为水泵节能依据。2.4.2水泵调速运行的节能原

26、理 图2.6为水泵调速时的H-Q曲线。水泵运行在泵特性曲线N与管网阻力曲线R的交点D。 传统的流量控制用阀门控制时，由于必须关上阀门才能减小流量，使阀门对供水的摩擦阻力变大，阻力曲线从R移到R，扬程则从H0升到H1，流量从Q减小到Q。运行工况点从D点移到A点。 用变频调速控制时，阻力曲线R不动，泵的特性曲线取决于电机的转速，如果把速度从n降到n1，工况点将从D点移到C点，Q减小到Q与阀门控制时输出的流量相同。根据公式(2.13)求出运行时在A点的泵轴功率为:轴功率为: ，C点泵的轴功率为：，两者之差： （2.12）也就是说，用阀门控制流量时有P的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小增加;用

27、转速控制时，由水泵叶轮相似定律，流量Q、扬程H、轴功率P和转速n之间的关系为:由这些关系可知:流量、扬程、轴功率分别与转速的1, 2. 3次方而变化。采用变频器改变电动机的转速从而达到调节流量的方法，其扬程特性曲线(H-Q)及功率特性曲线（P-Q)对于转速的变化如图2.7所示。对于特定的管路，当流量为Q，需要扬程为H时，可在泵特性曲线上求得工作点A，假定此时泵的转速为额定转速n以满足要求，相应的功率是P;当流量从Q:降低到Q时，由管路要求此时扬程为HB所以出现了Q时的工作点B，其相的功率是;此时若有变频器实现转速控制，由图2.15看出可获得AB大小的节电效果。2. 5本章小结 本章从系统的构置

28、框图传递函数，电机转矩及等效电路和水泵调速高效区分析，等进行了理论分析，使恒压系统的构筑有了坚实持理论支撑，并为下步的设计选型提供了依据。 变频调速给水设备恒压供水存在要当范围的“流量失调区”和低效运行区域。在“流量失调区”内水泵将反复启停，耗能严重，而且在较大的流量范围内低效运行，在不带气压罐的情况下水泵将在夜间不停运行。 变频调速给水设备的频率变化大部分在40-50Hz之间。就是说转速的下降在20%以内，40Hz往下时因扬程下降较大，同时效率下降也较大，不能按相似工况抛物线变化，比例律误差增大，因此变频调速给水设备的调速是有范围的。 变频调速给水设备在配置水泵的时候应尽量选用Q-H曲线较陡

29、型的水泵，且选取中应尽量使用户要求的压力靠近水泵高效区的下区，即扬程较小处。 该装置具有占地小、设备简单、便于集中管理、节能等优点，适用于建筑用水不均匀的现象，使之运行经济合理，更适用于高层建筑。 应用在高层建筑消防给水系统中可消除初期火灾时管网压力过高而损坏消防管网现象，同时应采用稳压泵配合使用。由此可以看出，由变速恒压的供水系统，特别是生活供水大小差异很大的供水系统，节能是相当明显的。泵的轴功率与电机转速的3次方成比例，并通过此变速恒压供水，节约了大量以前消耗在阀门上的能量，对设备的保养也是有益处的。3总体方案设计3.1系统总述此系统是针对某生活小区的实际情况，结合用户生活/消防双恒压供水

30、的控制要求，设计的一个三泵、恒压无塔供水系统。众所周知，恒压供水系统对于生活小区是非常重要的，例如在生活小区供水过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响居民生活。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大损失和人员伤亡。所以，生活小区采用生活 / 消防双恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。3.1.1用户的现场情况如图1所示，市网自来水用高低水位控制器 EQ 来控制注水阀 YV1 ，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动向水箱注水。水池的高低水位信号也直接送给 PLC ，作为水位报警。为了保持供水的连续性，水位上、下限传感器高低距离较少。生活

31、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，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀 YV2 得电，打开消防用水管网，三台泵供生活/消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，三台泵改为生活供水使用。 图3.1 供水现场图3.2恒压供水控制系统的基本控制策略采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压

32、力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用PLC的PID计算功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(420A)输入到PLC中，由PLC将其与用户设定的压力值进行比较，并通过PLC内置PID运算将结果转换为频率调节信号输出到变频器调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大于实际最大供水量。3.3恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。配单台电机

33、及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。如图3.2为恒压供水泵的水的构

34、成示意图。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。图3.2恒压供系统的构成 调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。调节器的输出信号一般是模拟信号，4-20mA变化的电流信号或0-10V间变化的电压信号。信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。在PLC恒压供水系统中，执行设备就是PLC。用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC

35、作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字PID调节;它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。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时，须增加一台工频泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。PLC同时还是变频器的驱动控制。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子接受到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信号，并依此信号的变化改变变频器的输出

36、频率。另外，泵站的其他控制逻辑也由PLC承担，如:手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。3.4系统总体框架整体双恒压供水系统由电机、水泵、变频器、可编程控制器PLC、压力传送器组成。由管压传送压力信号给PLC的PID单元，处理运算控制变频器，实现电机的变频工作拖动水泵供水，由PIC运算控制电机间的切换，实现水泵供水的切换，达到多台水泵供水。整体设计框架如下图所示CPU222EM222EM235变频器工频/变频切换电路水压信号水位信号其它开关信号3号泵1号泵2号泵图3.3变频调速恒压供水控制系统图PID控制环节 西门子公司从S7-200系列PLC中的CPU

37、215, CPU216开始增加了用于闭环控制的PID模块。它是通过PID调节器来调节输出，保证偏差值e为零，使系统达到稳定状态。在PID控制环节中，外部压力传送装置采集实际压力反馈给PID运算，传送控制变频器工作频率的变化，实现水泵的变速供水，以达到输出水压的恒定。-PID调节器变频器水泵压力变送器设定压力值ue压力 图3.4 PID变频器调节水泵切换流程 在整体控制系统中，水泵由变频工作转为工频工作由PLC采集变频器的工作频率实现，当水泵工作在上限频率一定时间后，使该泵切换到工频工作，同时复位变频器，切换下一台泵加入变频工作。反之，当变频器工作在下限频率一定时间后，PLC控制停止一个工频泵，

38、调节变频器工作达到水压恒定。下图为水泵切换图：1#变频工作2#变频工作3#变频工作1#工频2#变频工作2#工频3#变频工作3#工频1#变频工作1#2#工频3#变频工作2#3#工频1#变频工作1#3#工频2#变频工作图3.5 三泵状态转换 PLC实现泵切换流程，在系统初始化过程中，给变频器设定下限频率和上限频率。在PID运算过程中将变频器的运行频率反馈给PLC，比较所给定的上、下限值处理运算，实现加、减泵的目的。当频率达到上限一定时间后，发泵切换信号，变频器复位信号，将当前泵切换到工频工作，下一台泵接变频器，开始PID运算直到压力达到所需值。反之当压力过高时，PID单元运算时间变频器的减频工作，

39、当当前泵达到所设下限频率一定时间后，PLC控制单元发停止当前工频泵工作信号，当前工作最久的工频泵停止运行，当前变频泵由PID单元控制变频实现压力达到所需要的值。3.5本章小结 本论文设计变频器调速恒压供水系统具有以下几方面特点: 具有自动/手动双运行功能。自动状态下可实现无人值守自动恒压、自动转入消防供水状态;手动状态下可作不定期的检查和紧急状态下的紧急操作。 具有双电源供电，自动/手动供电电源切换功能。 具有自动定期巡检功能，系统可靠性高。 由于采用变频调速恒压，恒压精度高，压力变化0.02Mpa节能效果显著，节电率在14%-40%左右。 消防供水或生活(生产)供水中，任何一台水泵出现故障，

40、系统会自动启动其他泵满足供水。 采用变频调速技术实现交流电机平滑调速，使交流调速系统的性能指标能与直流调速系统媲美。 多台电机均能可靠地实现软启动，避免了启动电流过大对电网的影响，且大大延长了设备的使用寿命。 常压运行时，三泵交替工作，可在不停水情况下对系统进行维护、检修，提高系统的可靠性。同时，与其它供水系统相比，具有以下几方面的优点: 不设高位水箱、减轻建筑物负荷、节省基建投资、缩小施工工期。 消除了水源再次污染的可能性。 以变频调速控制水压、实现全天恒压供水。 消防供水响应速度快、供水压力均衡适量。 自动化程度高，可实现无人值守智能化运行。 设备使用寿命长，维护工作量小。4硬件系统设计4

41、.1设备的选择4.1.1水泵的选择水泵的型号参数如下表泵型号意义： 如40LG1215 40进出口直径（mm） LG高层建筑给水泵（高速） 12流量（m3/h） 15-单级扬程（M） 200QJ20-108/8 200-表示机座号200 QJ-潜水电泵 20流量20m3/h 108-扬程108M 8-级数8级 水泵的基本构成：电机、联轴器、泵头（体）及机座（卧式）。 水泵的主要参数有：流量， 用Q表示，单位是M3/H ，L/S。扬程，用H表示，单位是M。 对清水泵，必需汽蚀余量（M）参数非常重要，特别是用于吸上式供水设备时。 对潜水泵，额定电流参数（A）非常重要，特别是用于变频供水设备时。 电

42、机 的主要参数：电机功率（KW），转速（r/min），额定电压（V），额定电流（A）。 联轴器 泵头（体_) 卧式机座小区用水量估算在此系统中，小区为普通居住小区，住户大约为500户，人口约为2000人，人均每天用水量约327升/日。但是日用水量是个随机性很大的数据，所以在计算时采用分时计算。小区公共设施用水约占人均用水的1/3，用水平均在白天工作的8小时。2000人中约1000人为正常工作人员，用水集中在晚上810点，其他人员用水集中在每天休息时段的6个小时。夜间6个小时的用水量几乎为0。经折算后可知，每日小区的最高用水时段为晚上8-10小时，约需水量为108m3/h，设计总系统供水的70%提供生活用水，可知该系统的最大供水量约为155 m3/h。系统由三台水泵供水，需要单台水泵的供水量