毕业设计（论文）：恒压变频供水系统.doc

1、武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 目 录 绪论 . 1 1.恒压变频供简介 . 2 1.1 恒压变频供水产生背景及国内现状 . 2 1.2 传统供水系统及特点 . 2 1.3 恒压变频供水系统的优点 . 3 2.恒压变频供水系统的相关原理 . 5 2.1 恒压变频供水系统的理论框图 . 5 2.2 供水系统的基本特性 . 5 2.3 变频调速原理 . 6 2.4 PID 控制原理 . 7 3.元件选择及功能单元设计 . 10 3.1 变频器选择及系统总体介绍 . 10 3.2 系统主体电路 . 10 3.3 系统控制电路 . 13 3.4 系统反馈电路 . 17 3.5

2、系统总体电路图和使用说明 . 17 4.系统软件设计 . 20 结束语 . 27 致谢 . 28 参考文献 . 29 附录 . 30 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 1 绪论 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。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、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 时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重

3、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。 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。在实际应用中发挥了很大的作用。以往的变频调速恒压供水设备。大都采用带有模拟量输入 /模拟量输出的可编程控制器或 PID调节器， PID算法编程难度大，设备成本高，调试困难。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能越来越强。可以充分利用变频器内置的各 种功能，合理地设计变频调速恒压供水设备。变频调速恒压供水设备一般具有设备投资少，系统运行稳定可靠，占地面积小，节电节水，自动化程度

4、高，操作控制方便等特点。因此，变频调速恒压供水设备在住宅小区及高层建筑生活消防供水系统中起着非常重要的作用。 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 2 1. 恒压变频供简介 1.1 恒压变频供水产生背景及国内现状 众所周知，虽然我国拥有的总淡水量不少，但是人均拥有的淡水量却非常少。因此，长期以来，水的利用问题就一直困扰着我们。水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件 下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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，自动化程度低。在恒压变频供水系统出现以前，我们曾经也使用过很多的供水系

5、统，其中包括 一台水泵恒速供水系统 、 恒速水泵加水塔的供水系统 、 恒速水泵加气压罐供水系统 、 恒速水泵加高位水箱的供水系统、变频调速供水系统 。但是，我们可以看出这些系统无一例外自动化水平都非常低，不能根据用户用水量的变化而自动变化，从而导致水资源的严重浪费。而恒压变频供水系统就是在这种情况下产生的。恒压变频供水系统通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。这样供水系统所供应的水量就和用户的实际需求不断接近，最大程度上节约了水资源。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研

6、究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。 1.2 传统供水系统及特点 在恒压变频 供水系统这种能自动控制的只能公示系统出现以前，我们曾经也采用过其他的供水系统，而这些供水系统无一例外都是在 市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术比较落后，自动化程度低。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，此时将会造成

7、能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。这其中包括：一台水泵恒速供水系统、恒速水泵加水塔的供水系统、恒速水泵加气压罐供水系统、恒速水泵加高位水箱的供水系统、变频调速供水 系统等，我们下面简要介绍一下 l、一台水泵恒速供水系统 顾名思义，这种供水方式就是采用一台水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 3 质量极差。 2、恒速水泵

8、加水塔的供水系统 这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要 求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水 位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大：水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中

9、，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停， 这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。 3、恒速水泵加气压罐供水系统 这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能耗增加。 4、恒速水泵加高位水箱的供水系统 这种方式是利用封闭的气压罐代替高 位水箱蓄水，通过监

10、测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将两者作比较。 5、变频调速供水系统 这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速水泵调速控制方式有三种：水泵出 口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。 1.3 恒压变频供水系统的优点 与传统的供水系

11、统相比，恒压变频供水系统有以下几方面的优点： （ 1） 高效节能 因为 变频恒压供水系统能够自动控制运行，水泵不必总是工作在最大功率的武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 4 状态，所以恒压变频供水系统能够节约电能和水资源，节能量通常在 10%-40%。而且单台水泵流量越小，节约能量越多。 （ 2）供水压力恒定 恒压变频供水系统使系统供水压力相对稳定，压力变化范围较小，流量可在大范围内连续变化。可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高 峰期出现用水量短缺而不能正常使用的情况。 （ 3）安全行较好 供水系统实行闭环供水，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、

12、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，使用户用水更清洁，同时也节省了开支。 （ 4）自动运行方便管理 小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、 过载、失速保护、液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动 控制，自动运行。 （ 5）延长设备寿命 在使用恒压变频供水系统之前，为了满足用户用水的需求，电机在不能 自动控制运行的情况下，机泵的转速往往是长期维持额定转速运行状态，不但是水资源产生大量的浪费，而且机械磨损也非常高，经常出现机泵故障，在使用了恒压变频供水系统之后，机泵能够自动运行，减少了磨损率和故障。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动

13、，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击。 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 5 2.恒压变频供水系统的相关原理 2.1 恒压变频供水系统的理论框图 恒压变频供水系统的控制对象是供水系统出口的水流量，它是一个在时刻变化着的非线性量。要使水流量时刻满足用户的要求，就必须得有检测装置来检测管网的压力 ，然后反馈给系统，再通过系统调节来使其不断向目标靠近。我们从上面的描述中可以看到，恒压变频供水系统是一个闭环系统。 压 力 给 定 压 力 比 较 控 制 算 法 变 频 器 水 泵 机 组压 力 传 感 器图 1 恒压变频供水系统的原理框图 从上图中我们可以看到，压力检

14、测装置一直在检测供水系统的水压。当 管网压力低于设定压力值时，通过压力传感器返回值和设定压力值的比较，我们就可以得到正的压力差，然后系统将差值转换，计算出变频器输出所需增加的频率，将增量和变频器当前的输出值相加，得到新的输出频率。这样输 出频率变大使水泵机组转速增大，从而使管网供水压力提高，若还没达到要求，系统将再次重复刚才的过程，直到实际供水压力和设定压力相等为止。当运行过程中管网供水压力高于设定压力时，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，管网的供水压力因此会随之减小，直到调节的结果是供水要求压力相等为止。从图我们也可以看出整个供水系统的设计要包括水泵，变频器， 压力

15、传感器等。 2.2 供水系统的基本特性 恒压变频供水技术能够实现水泵的软起动，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。它非常适用于现代 楼宇高层的加压供水。其中水泵的特性在整个供水系统中的作用很重要。水泵的输出特性既决定于水泵的种类，也随供水管网系统的阻力特性曲线不同而不同。离心式水泵的特性公式如下 /kHQP (2-1) 在上述公式中 P 是水泵的功率， k 是介质常数， H 和 Q 分别代表水泵的扬程和流量，而 则代表水泵的效率。当水泵的转速发生变化时，它的扬程 H 、流量 Q 以及功率P 也随之变化即 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 6 1212

16、 nnQQ (2-2) 31212 nnPP (2-3) 从上式中我们不难看出流量和水泵的转速一次方成正比，而功率和水泵转速的三次方成正比， 管 网 装置特 性可根据 闸阀 全 开 时测得的 各种 数据由式 jHQH 2 (2-4) 求得。其中 jH 为水泵的进 出口 水 位 高 度 差 (m)， 其大小与流量 Q 无 关。 为供水管路 阻 力系数。管网 特 性 曲线 与泵 特 性 曲线之交 点 即 为泵的正常使用工况 点。如下图所示： 图 2 扬程、流量关系图 由图 1及公式 （ 3-1） 我们可以得到，水泵流量 Q越大，扬程 H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取

17、决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程 H 与用户用水流量 0Q 之间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程 H 与流量 0Q 之间的关系)( 0QfH 。管阻特性反映了水泵的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程 H越大，流量Q 也越大。由于阀门开度的改变 ，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量 0Q 之间的关系 H=f( 0Q )。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图 1中 D点。在这一点，用户的用水流量 0

18、Q 和供水系统的供水流量 0Q 处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。 2.3变频调速原理 恒压 变频供水系统的主要由水泵、电动机、管道等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 7 的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为： 11 nnS (2-5) 异步电机 的同步速度为 : pfn 601 (2-6)

19、 异步电机的转速为： p sfn 160(2-7) 其中： 1n 为异步电机的理想空载转速； n 为异步电机转子转速； f 是异步电机的定子电源频率； p 为异步电机的极对数。 从上式可知，当极对数 p 不变时，电机转子转速 n 与定子电源频率 f 成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。 变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高 效率、高精度、调速范围广、平滑性 较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵

20、电机的调速。 2.4 PID控制原理 PID 控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。其主要的原理就是通过闭环系统的反馈量与设定值之间的比较寻找偏差，然后在通过比例积分微分的方式使偏差逐渐减小，使系统运行优化。 PID 控制器根据目标值 )(tr 与反馈值 )(tc 的偏差： )(te = )(tr - )(tc (2-8) 将偏差的比例 (P)、积分 (I)和微分 (D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。 t dip td tdeTteTteKtu 0 )( )()(1)()( (2-9) 或 tdi td tdeTteTtetu 0 )( )()(1)(1)( (

21、2-10) 式中 pK ：调节器的比例系数 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 8 iT ：调节器的积分时间 dT ：调节器的微分时间 e ：调节器的偏差信号 ：比例带，它是惯用增益的倒数 u ：输出 PID控制器各校正环节中，在 比例环节时成比例的反应控制系统的偏差信号 )(te ，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取 决于积分时间常数 iT ， iT 越大，积分作用越弱，反之则越强。微分主要作用是 能反应偏差信号的变化趋势 (变化速率 )，并能在信号偏差变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正

22、信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 PID调节器的传递函数是： )(11(1 sTTSG di (2-11) 当上述控制算法公式只包含第一项时，称为比例 (P)作用，只包含第二项时，称为积分 (I)作用；但只包含第三项的单纯微分 (D)作用是不采用的，因为它能起到使被控变量接近设定值的效果，只包含第一、二项的是 PI作用；只包含第、三项的是 PD作用；同时包含这三项的是 PD作用。仅用 P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加 I动作的 P+I控制。用 PI控制时，能消除由改变目标傻和经常的外来扰动等引 起的偏差。但是， I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有

23、积分元件的负载系统可以单独使用 P动作控制。对于 PD控制，发生偏差时，很快产生比单独 D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅 P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使 P动作的振荡衰减和系统稳定，可用 PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载利用 I动作消除偏差作用和用 D动作抑制振荡作用，在结合 P动作就构成了 PID控制，采用 PID控制较其它组合控制 效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生差到出现响应需要一定时间的负载系统 (即实

24、时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合 PID调节 )效果比较好。 在用计算机、单片机、 PLC等作为控制装置进行控制时，被控制量都是离散的，因此我们就需要进行采样控制。一般我们可以采用增量算法进行计算。我们对式 （ 2-9） 进行差分之后有 )1()()( kukuku (2-12) = )2()1()()()1()( kekekeKkeKkekeK dip (2-13) 上式中 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 9 )(ke ：第 k次采样时的误差值 )1( ke ：第 k-1次采样时的误差值 pk ：比例系数 ipi TTKK / ：积

25、分系数 TTKK dpd / ：微分系数 针对一个具体的系统，设置和调整 PID参数，使调节过 程达到满意的品质，称为参数整定，不管是用常规调节器还是数字 PID调节器，统称为调节器参数整 定。下面简单列举一些的准则： 1、如果广义对象的传递函数是 )1/( 00 0 STeK s ，调节器的比例增益是 CK ，整个系统总的开环增益是 0KKC 。在其他因素相同的情况下，当 0K 大的时候， CK 应该小一些， 0K 小的时候 , CK 应该大一些。例如 ,变更了变送器量程以后，调节器的 Kc应该成比例调整。若控制系统压力变送器的测量范围原为 O 1.6MPa，如改为0-1.0MPa， CK

26、应降为原来的 3/5。 2、在动态参数方面，可取00T 作为特征值 ,当00T 越大，系统越不易稳定，因此 CK应该小一些。同时， iT 和 dT 也应取适当的数值。经验上常取 iT 为 2 左右， dT 为 5.0左右。因此，如有 t的估计值， iT 和 dT 值就不难定出了。 3、在 P、 I、 D三个作用中， P作用往往是最基本的控制作用。由这一点出发， 可从两条途径之一进行现场凑试： (1)先用单纯的 P作用，选出合适的 CK 值，作为基础，然后适当引入 iT 和 dT ， iT 和 dT值进行挑选。 (2)依据知识 (如对 的了解 )，把 iT 和 dT 置于合适的数值，然后主要对

27、Ke值进行凑试，得出最合适的数值。 以上两条途径表面上看来截然相反，但它们都是以承认 P作用为主体作为前提的。 4、积分 (I)作用的引入，既有利又有弊。必须尽量发挥它能消除余差的优点，尽量缩小它不利于稳定的缺点。一般取 2iT 或 pi TT )1 5.0( ( pT 是振荡周期 )。在以上情况下，由 I作用引起的相位滞后不超过 40。，幅值比增加不超过 20。即使如此，在引入 I作用后 CK 应比单纯 P作用时减小 10左右。 5、对于含有噪音的过程，不宜引入微分作用，否则高频分量放大得很厉害。 6、在控制品质方面，稳定性的要求是前提。如果只有一个调节器参数可以调整，则只能满足一个品质指示，通常就取衰减比作为指标。如果有两个参数可以调整，在可在衰减比之外，再添加一个指标。