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1、变频恒压供水系统完结毕业设计 变频恒压供水系统完结毕业设计 目录 摘要 . I Abstract . II 1 绪论 . (1) 1.1变频恒压供水产生的背景和意义 (1) 1.2几种供水系统的比较 (1) 1.3 变频恒压供水系统的国外研究现状 (3) 1.3.1 变频调速技术的国外发展与现状 (3) 1.3.2 变频恒压供水系统的国外研究与现状 (3) 1.4 变频恒压供水的模式 (4) 1.5 本人主要工作 (5) 2 变频恒压供水系统的分析 (6) 2.1 供水系统基本特性 (6) 2.2 水泵的工作原理 (6) 2.3 供水电机的搭配 (7) 2.4 水泵的基本参数和特性 (8) 2
2、.5 水泵的调节方式 (9) 2.5.1 恒速调节 (10) 2.5.2 变速调节 (11) 2.6 供水压力和变频器输出频率的关系 (15) 2.7 恒压供水系统的能耗分析 (18) 2.7.1 调节流量的方法和比较 (18) 2.8 供水系统的安全性问题 (20) 2.8.1 水锤效应 (20) 2.8.2 水锤效应的产生原因 (20) 2.8.3 水锤效应的消除 (21) 2.8.4 延长水泵寿的其他因素 (21) 2.8.5 对供水电机和供水电网的保护 (21) 3 PID控制 (22) 3.1 PID控制基本结构 (22) 3.2 数字PID控制的算法 (24) 3.2.1 位置式P
3、ID控制算法 (24) 3.2.2 增量式PID控制算法 (28) 3.3 PID参数理论计算整定法 (31) 4 系统主要器件介绍 (33) 4.1 可编程控制器(PLC)简介 (33) 4.1.1 可编程控制器的特点 (33) 4.1.2 可编程控制器的工作原理 (34) 4.2 变频器的原理与分类 (37) 4.2.1 变频器的分类 (38) 4.2.3 变频器的控制方式 (38) 4.2.4 变频与变压(VVVF)原理 (39) 4.2.5 变频调速的基本原理 (41) 5 变频恒压供水系统硬件设计 (42) 5.1 变频恒压供水系统的构成 (42) 5.2 变频恒压供水系统控制方案
4、(43) 5.2.1 供水基本环境的确定 (43) 5.2.2 控制方案确定 (44) 5.3 系统各元件的选则 (45) 5.3.1 水泵机组的选择 (45) 5.3.2 变频器的选择 (46) 5.3.3 MM430变频器端子介绍 (47) 5.3.4 压力变送器的选择 (49) 5.3.5 液位变器的选择 (50) 5.3.6 其他低压电器的选择 (50) 5.4 PLC选型 (51) 5.4.1 I/O点的统计 (51) 5.4.2 PLC选型的基本原则 (52) 5.4.3 I/O端口的分配 (52) 5.5 变频恒压供水系统主电路设计 (53) 5.6 系统的控制电路设计 (54)
5、 5.7 变频器参数的预置 (56) 6 变频恒压供水控制系统软件的设计 (58) 6.1 程序介绍 (58) 6.2 应用STEP7-Micro/WIN32编程软件编程 (60) 6.3 程序的仿真与调试 (66) 结论 (70) 致谢 (71) 参考文献 (72) 附录 (74) 外文原文 (74) 中文翻译 (81) 1 绪论 1.1变频恒压供水产生的背景和意义 随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。 我国长期以来在市政供水、高层建
6、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，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。 变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控
7、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效果，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在变频恒压供水系统中利用变频器改变电动机的电源频率，从而达到调节水泵转速，改变水泵的出口的压力的目的，这种方法比靠调节阀门控制水泵出口压力的方法，具有更高的效率和优越性。由于水泵工作在变频工况下，在其出口流量小于额定流量时，泵的转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电动机的机械使用寿命。实现恒压供水的自动控制，不需要操作人员频繁的操作，大大降
8、低了人员的劳动强度，节省了人力和能源的消耗。 1.2几种供水系统的比较 1恒速泵加压供水：这种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重力供水：重力供水通常需要设置水箱或者水塔，系统用水是由水箱或者水塔直接供应，所以供水压力比较稳定。但它需要由位置高度所形成的压力进行供水，为此需要建造水塔或者将水箱置于建筑物顶层的最高处。在大型建筑物中，即使如此，还常常不能满足最不利供水点
9、的供水要求。同时由于其存水比较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积，也妨碍美观，此外，屋顶水箱还必须高出屋面几米，建筑立面较难处理，存在投资大、周期长、能源浪费大的缺点。 3气压供水：气压供水是采用气压罐代替水塔或高位水箱利用密闭压力罐的空气将罐储水压到管网中去。它的优点是灵活性大、建设快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水锤与噪声，缺点是体积和投资大、压力变化大、运行效率低、需要使用力膜、维护费用高、耗费动力大。 4变频恒压供水：变频恒压供水系统即实现水泵电机的无级调速，根据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。将变频调
10、速技术用于更新改造传统供水设备之后，大大地推动了恒压供水技术装备的发展。这种恒压供水方式与传统的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，在设备的投资、运行的经济性、系统的稳定性、可靠性和自动化程度等方面具有无法比拟的优势。供水系统采用变频控制，既能大量节约能源，又能稳定供水系统的压力，保障管网系统的安全运行，是非常有实际意义的，并且供水系统的电动机相对鼓、引风机而言容量较小，投资不大，还可以在恒压供水的过程中，实现水泵电机的软启动、水泵及管路保护，并且可以节约能源、提高劳动生产率，所以非常值得推广和应用。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在着浪费水电力资源、效率低、可靠性差、自动化程度不高
11、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，特别是在城乡工业用水的各级加压系统和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。27 1.3 变频恒压供水系统的国外研究现状 1.3.1 变频调速技术的国外发展与现状 变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制
12、理论的发展。1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用到交流传动中的是德国人。20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。在我国，60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进
13、口现成的变频调速设备，要么外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。 1.3.2 变频恒压供水系统的国外研究与现状 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。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行
14、机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的
15、供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能 和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其围将会受到限制3。目前国有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。28 1.4 变频恒压供水的模式 一种变频恒压供水是这
16、样的：当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由一台变频泵调速恒压供水，当用水量增大时，变频泵的转速自动上升；当变频泵的转速上升到工频转速时，为使流量进一步增大，由PLC自动启动一台工频泵投入，与变频泵并联供水。该工频泵提供的流量是恒定的。其余各并联工频泵按相同的原理投入。反之，当用水量下降时，变频调速泵的转速下降（变频器供电频率下降），当频率下降到一定下限时，PLC发出一个指令，自动关闭一台工频泵，使之退出并联供水。为了减少工频泵自动投入或退出时的冲击（水力或电流的冲击），在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。在退出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满
17、足恒压供水的要求。 另一种变频供水模式是当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由变频器控制该泵自动调速供水，当用水量增大时，该泵的转速增高。当该泵的转速升高到工频转速时，由PLC把该水泵切换到工频供电。变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随着用水量增大，采用先起先停的工作模式，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入；当用水量减小时，各并联工频泵有PLC控制并按按先投入先关泵的顺序退出。 由上述可见，变频恒压供水通常有两种工作方式，一是变频固定方式，二是变频循环软启动工作方式。 在变频泵固定方式中，各并联水泵是按工频方式自动投入或退出的，因为变频泵固定不变，当用水量变化时，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。而变频循环软启动方式变频泵可以自动轮换，使各并联泵磨损均衡，具有较多优势，随意选择变频循环软启动方式作为本设计的变频恒压供水模式。29