江苏城市职业学院五年制（高职）

毕业设计（论 文）

题 目：变频恒压供水控制系统

学 校：江苏城市职业学院

专业班级：07机电高职（2）班

学生姓名：尤宜凯

学 号：0741010224

指导教师姓名：朱宜乐

指导教师职称：高级

二○一二 年 三 月 十 日

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变频恒压供水控制系统

摘 要

变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置，其内部结构含有微处理器芯片，可以进行算术逻辑运算和信号处理，具有多种自动控制功能。变频器的问世，使电气传动领域发生了一场技术革命，即交流调速取代直流调速。交流电动机变频调速技术具有节能、改善工艺流程、提高产品工艺质量和便于自动化控制等诸多优势，被国内外公认为最有发展性的调试方式。

变频器技术随着微电子学、电力电子学、计算机技术和自动理论等的不断发展而发展，其作用越来越普及。

供水工程往往成为高层建筑或工矿企业和小型企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管供给。因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的供水系统是值得我们研究的课题。本文将研究和介绍利用PLC/PID/单片机等来检测它的水位状况，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置,通过PLC/PID解决控制系统的稳定性和准确性。从而取得较好的控制效果。

关键词：PLC 变频控制 恒压供水 恒压测试

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目 录

摘 要 ............................................................................................................... I 目 录 ............................................................................................................... II

第1章 前言 .................................................................................................. 1

第2章 变频恒压供水工作原理 .................................................................. 2

第3章 变频恒压供水系统技术方案 ........................................................ 4

3.1 系统介绍 ................................................................................................ 4

第4章 建筑给水系统超压出流的实测分析 .............................................. 6

4.1 测试对象 ................................................................................................ 6

4.2 测试装置 .............................................................................................. 7

4.3测试内容和方法 .................................................................................... 7

4.4流量测试结果 ........................................................................................ 9

第5章 变频恒压供水系统的设计 ............................................................ 10

5.1 变频恒压供水技术概述 .................................................................... 10

5.2 实际系统的设计 ................................................................................ 12

第6章 专用变频器在恒压供水装置中的应用 ........................................ 15

6.1 回顾 .................................................................................................... 15

6.2 变频控制恒压供水控制方式 ............................................................ 16

第7章 PLC控制变频器恒压供水系统 .................................................... 21

7.1 概述 .................................................................................................... 21

7.2 控制系统构成 .................................................................................... 21

7.3 PLC控制系统简介 ............................................................................ 22

7.4 恒压供水的控制原理 ........................................................................ 23

7.5 相关控制功能实现 ............................................................................ 25

第8章 小区变频恒压供水系统 ................................................................ 27

8.1 概述 .................................................................................................... 27

8.2 变频节能理论 .................................................................................... 27

8.3 变频恒压供水系统及控制参数选择 ................................................ 28

8.4 变频恒压供水系统的优点 ................................................................ 29 ii

第9章 结论 ................................................................................................ 32

致 谢 ............................................................................................................ 33 参考文献 .......................................................................................................... I

第1章 前言

为了使用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水的平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时用水也多，用水少时用水也少，从而提高了供水的质量。

恒压供水是指在供水网中用水量发生变化的时候，出口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压管等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用内部包含有PID调节器、单片机、PLC等器件有机结合的供水专用变频器，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。

此外,这次课程设计对我还有以下意义:

(1) 通过这次课程设计，加深对PLC及变频方面的理解。

(2) 了解和掌握PLC应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现PLC应用系统打下良好基础。

(3) 通过简单的课题设计练习，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。

第2章 变频恒压供水工作原理

全自动变频调速供水设备是应用先进的现代控制理论，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置。该设备通过安装在水泵出水总管上的远传压力表（内为一滑动电阻），将出口压力转换成0-5V电压信号，经A/D转换模块将模拟电压信号转换成数字量并送入可编程序控制器，经可编程内部PID运算，得出一调节参量并将该参量送入D/A转换模块，经数摸转换后将得出模拟量传送变频器，进而控制其输出频率的变化。设备采用多泵并联的供水方式，用户用水量的大小决定了投入运行的水泵的数量，当用水量较小时，单台泵变频工作，当用水量增加，水泵运行频率随之增加，如达到水泵额定输出功率仍无法满足用户供水要求时，该泵自动转换成工频运行状态，并变频启动下一台水泵。反之，当用水量减少，则降低水泵运行频率直至设定下限运行频率，如供水量仍大于用水量，则自动停止工频运行泵同时变频泵转速增加。当用水量降至某一程度时（如夜间用水很少时），变频主泵停止工作，改由辅泵及小型气压罐供水。节能运行：变频恒压供水控制器采用最新微电脑设计处理器设计制造配备液晶中文显示,参数显示、设定就一目了然了。产品特点：

(1)外部接线简单:用户只需通过菜单设置，即可使控制器适用于不同的供水控制系统；无需改变复杂的外部接线。

(2)可靠性:由于控制器已将各种功能模块集成于内部，外部配件少，、进一步降低了整个系统出现故障的机会。

(3)调试简单方便:丰富而完美的汉字提示。使一般的操作人员无需经过复杂的培训，也能对各种操作应用自如。

(4)系统功能完善:与目前国内同类设备比较，本设备更显示出其独特的优点。在设备工作现场，工程人员可根据泵组的实际情况在显示下，随

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时改变各种控制参数，由于保证泵组处于最优化的运行状态。

(5)控制精度高本控制程序中所有的模拟量均为数码处理。改良的PID数字控制系统能够避免一般PID死区（对水泵控制而言）所带来的控制误差,使系统的供水压力更加稳定。

(6)睡眠功能的最新应用可使机组在每天的零流量的区域中自动启、停，间歇型的供水方式,使节电效果更佳。

(7)控制功能先进控制系统可在汉字显示屏上明确显示其工频、变频、转换的运行工况。

(8)维修简单方便独有的系统故障检测、明确的故障部位（中文）提示,使工程人员能够清楚地了解故障所在,帮助维修人员检查故障发生的部位的部位和原因。

第3章 变频恒压供水系统技术方案

3.1 系统介绍

本系统变频恒压供水系统技术方案。此系统由单台变频控制2台3KW水泵，全自动无人值守工作，实现对整个供水设备的自动控制，应用变频器实现恒压供水；同时保留手动控制的功能。本系统正常时为两泵轮作，每隔12小时轮流切换主泵一次。变频器的功能变频器接收PID信号，控制水泵，通过改变输出频率调节水泵的转速，从而达到恒压供水的目的。同时达到节能的目的。根据出水口压力及设定压力的偏差，输出模拟量控制变频器输出频率， 使其出水口压力保持恒定。

3.3 控制功能（自动与手动）

自动控制的技术依据： a)水泵机组的开和停根据系统设定的管网压力和时间；b)变频器的输出频率根据输出压力；c)控制方法：PLC设定为自动控制时的控制方式。设有自动运行时的总启动停止按钮，还能设定如下参数：

1）时间设定为每12小时轮流切换泵一次，保证每台水泵运行时间相同；

2）出水压力设定；自动控制是根据总出水压力来控制变频器的输出频率，当变频器输出频率达到最大值（50HZ）时，1号泵自动跳开变频切入工频，同时变频切入启动2号台泵并维持在恒定压力的转速。同理当2号泵的变频器输出频率达到最小值(20HZ)时，变频自动切断第2号泵使其停止运行并切换回对1号泵的控制。当12小时后系统会使1号自由滑停同时由变频控制的2号泵频率上升，达到50HZ时再将2号泵跳开切入工频，变频器切入控制并启动1号泵并完成轮作切换过程。以此类推来保证每台相同的运行时间。当系统工作在运行最低峰时（即管网水流

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量为0时）变频器将输出频率最小值(20HZ)来维持管网恒定压力，此时整个系统几乎不消耗能源，所以本系统又具有十分优良的节能效果。 手动控制：当变频器或PLC发生故障时，可切换到手动控制方式分别启动/停止每台泵。（备注：每次切换时间为一分钟左右，此时管压会出现微幅波动。建议切换时间为工作低峰时段或每24小时切换一次）

第4章 建筑给水系统超压出流的实测分析

对控水系统的控制，归根究底是为了满足用户对流量的需求。所以流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小取决于扬程。但是扬程难易进行具体的测量和控制。考虑到动态情况下，管道水压的大小（用压力p表示）和供水能力（用流量Qg表示）和供水需求（用水量Qu表示）之间的平衡有关。

当供水能力Qg大于用水需求Qu，则压力上升p；

当供水能力Qg小于用水需求Qu，则压力下降p；

当供水能力Qg等于用水需求Qu，则压力不变p；

可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反应在流体压力的变化上。因此，压力就成为控制流量大小的参变量。下面就是对一些建筑给水系统超压出流进行的实测分析。

超压出流是指给水配件前的静水压大于流出水头，其流量大于额定流量的现象，两流量的差值为超压出流量，这部分流量未产生正常的使用效益，且其流失又不易被人们察觉和认识，属“隐形”水量浪费。此外，超压出流会带来如下危害：①由于水压过大，龙头开启时水成射流喷溅，影响人们使用；②超压出流破坏了给水流量的正常分配。③易产生噪音、水击及管道振动，使阀门和给水龙头等使用寿命缩短，并可能引起管道连接处松动、漏水甚至损坏，加剧了水的浪费。为了解建筑给水系统超压出流现状，笔者对此进行了实测分析。

4.1 测试对象

选择11栋不同高度和不同供水类型的建筑作为测试对象，其中多层建筑3栋，均为外网直接供水；高层建筑8栋，一般均分为2个区，低区由外网供水，高区由水泵、高位水箱联合供水或由变频调速泵供水，

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有的楼层住户支管上设有减压阀。通过对目前建筑中普遍配置的螺旋升降式铸铁水龙头(以下简称“普通水龙头”)和陶瓷片密封水嘴(以下简称“节水龙头”)使用时的压力和流量进行测试，了解建筑给水系统超压出流现状。

4.2 测试装置

由于测试是在已投入使用的建筑中进行，为不妨碍用户的正常用水，采用了图1所示的试验装置，即用塑料软管与一新安装的试验用水龙头相连，试验用水龙头前安装压力表，测试时只需将软管的另一端与原水龙头紧密相连即可。测试采用φ15普通水龙头和节水龙头各1个；天津市星光仪表厂Y—100型压力表(测量范围为0～0.6MPa，最小刻度为0.01 MPa)及附件两套；φ15塑料软管、1000mL量筒、 秒表、三通、管箍等管件若干个。

4.3测试内容和方法

对每个楼体中测试点的选择一般为：从第一层开始隔层入户测试(但实测中因有的住户家中无人，测点有所变化)，测试点水源为室内已有污水盆水龙头或洗涤盆水龙头出水。测试时间为上午9：00～10：30。 测试建筑内普通水龙头和节水龙头在半开、全开状态下的出流量及相应的动压和静压值。

a)测试方法

(1)流量测定

采用体积法测定流量，测试时水源水龙头全开，测试用水龙头分为半开

和全开两种状态。记录普通水龙头和节水龙头在两种开启状态下水的出流时间t及相应的出流量V。每个测点在同一开启状态下测三次，取三次的平均值作为此状态下的最终测定值。

(2) 压力测定

在每次测试用水龙头开启前读压力表值，此值为该测点静压值；测试用水龙头开启后，在记录流量的同时记录压力表读数，此值为该状态下的动压值(工作压力)。

1)普通水龙头半开状态

《建筑给水排水设计规范》(GBJ15—88)中规定：污水盆水龙头当配水支管管径为15mm、开启度为1/2(半开状态)时，额定流量为0.2L/s。根据上述规定，对67个用水点的测试结果进行了统计，有37个测试点的流量超过此标准(超标率达55%)。

2) 节水龙头半开状态

节水龙头与普通水龙头相比，在管径、水压相同时的全开、半开流量均小于后者。节水龙头虽然出流量小但水流急，在较小流量下就可满足人们的用水需求，因而节水龙头的额定流量应小于普通水龙头的额定流量。结合现行的和送审的《建筑给水排水设计规范》中的充气水龙头和单阀龙头的额定流量范围，笔者认为应将0.15L/s作为节水龙头额定流量的参考值，以此作为判别现有建筑水龙头是否超压出流以及新建建筑采取控制超压出流措施的依据。

由图3可见，节水龙头出流量为0.15L/s时对应的工作压力为0.08MPa，其与普通水龙头出流量为0.2L/s时对应的工作压力(0.06～0.07MPa)非常相近，这进一步说明将0.15L/s作为节水龙头额定流量的参考值是比较合理的。

节水龙头以半开状态并以流量为0.15L/s作为其额定流量时，实测中有41个测试点的流量超标(超标率达61%)。

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4.4流量测试结果

从测试结果可以看出，普通水龙头和节水龙头的超压出流率分别为55%和61%，实际上水龙头出流量的超标率要大于以上数值。以普通水龙头为例，有的水龙头(如洗手盆)的额定流量不是0.2L/s而是0.15L/s；有的水龙头额定流量虽是0.2L/s，但要求的开启度 不是1/2而是3/4或全开(全开状态下有60个测试点的出流量超过0.2L/s)，这样就使得水龙头出流量的实际超标率远大于55%。

测试中普通水龙头半开时的最大流量为0.42L/s，全开时最大流量为0.72L/s；节水龙头半开和全开时最大流量分别为0.29L/s和0.46L/s。不论是普通水龙头还是节水龙头，在半开状态时最大出流量约为额定流量的2倍；在全开状态时最大出流量约为额定流量的3倍以上。综上所述，在现有建筑中水龙头的超压出流现象是普遍存在而且是比较严重的，由此造成的“隐形”水量浪费是不容忽视的，必须采取措施加以解决。

第5章 变频恒压供水系统的设计

5.1 变频恒压供水技术概述

变频恒压供水技术是80年代后期发展起来的，主要用于楼宇高层的加压供水，具有水压恒定、水质好、占地小、无高位水箱、噪音小、节能等一系列优点。该技术能实现水泵的软起动，减小水泵起动时的冲击电流，使水泵的使用寿命延长，在调节水泵流量时，可以节约可观的能量。

恒压供水系统控制的基本控制策略是：采用变频器对水泵电动机进行变频调速，组成供水压力的闭环控制系统，系统的控制目标是泵站总管的出水能力，系统设定的给水压力值与反馈的纵观压力实际值节能型比较，其差值输入CPU进行运算处理后，发出控制指令，改变水泵电动机的转速和控制水泵电动机的投运台数，从而使给水总管压力稳定在设定的压力值。

5.1.1 系统构成与控制方式选择

针对给定的条件进行系统设计，由于各泵容量相等，可只用一个变频器，额定功率稍大于或等于泵的额定功率。由于变频器的价格较高，因此不建议使用变频器的双余度备份，但可在保护和故障容错中做一定投资，以更好地保证系统安全稳定运行。控制器件与控制方案选择如下： 现阶段使用较多的控制器件为：微处理器（单片机或DSP）、PLC或专用变频器。专用变频器的主要生产厂商有三菱、ABB等公司。不同的控制装置在控制的原理上基本是一样的，主要有PID调节器、变频/工频自动切换、水网压力检测环节等，通过图5所示连接而组成供水系统。为了保持供水管道的压力恒定，就必须实时检测管道压力并回馈给供水控制

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