1、第一章 绪 论 1.1 变频调速恒水位供水的目的和究意义 近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从 1990 年到1998 年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有 175.7升增加到 241.1 升，增长了 37.2%1，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。钦州市是 广西壮族自治区的港口城市，随着城区的扩大和工农业的发展，钦州市城区用水量急剧上升，城区居民生活用 水和工业用水总量从 1994年的 1700 多万吨激增到 2000 年的 7500 多万吨。 在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水
2、的水位要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时水位达不到要求 ,供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标 ,压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。 广西壮族自治区 钦州市自来水公司第一供水厂是该市城区内的唯一的供水厂，是在解放前的老水厂基础上改造扩建 而成的。供水厂以前虽然也进行过一些技术改造，但是生产系统大部分仍然采用人工手动控制，生产过程中的重要参数仍然依靠人工定时记录，例如清水池水位、电机运行时间、耗电量等都是由值班人员定时记录。随着地区经济的发展，城区居民生活用水和工业用水量大幅度上升
3、。经过改造和扩建，供水厂 目前的日供水能力在 7.5 万立方米左右，仍然不能完全满足用水需求。由于城区用水量中居民生活用水所占的比例比较大，用水量的需求具有时变性。在用水高峰期时，清水池的水位达不到要求高度 ,管网压力达不到规定的标准压力，造成高层建筑断水。用水低峰期时，管 网压力经常超过规定的压力上限，极易造成爆管事故并且能源损耗严重。供水厂原有的生产设备的控制方式比较落后，控制过程烦琐，大部分需要人工进行手动操作，能耗高，而且不能保证供水压力达到压力标准。此外，水厂作为城市供水系统的重要组成部分，其日常的生产、计划、运行和管理都直接影响到城市的安全供水。长期以来水厂各部门的管理人员采用传统
4、的人工管理模式，通过手工从事繁重的业务管理、各种日报表、月报表、年报表的统计汇总等工作。由于对大量的统计报表的基础数据缺乏科学的分析手段，因此很难为运行管理以及调度提供强有力的决策支持。 供水厂希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平。由于 水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝
5、的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产 管理水平的目的。 依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。系统对控制水位 的模糊 控制进行研究。 本控制 系统将模糊控制、 PLC、变频器、相应 的 传感器和执行机构有机地结合起来，发挥各自优势， 并设计了配套的界面美观、操作方便的自动控制系统 ，使得 系统调试 和使用都十分 方便 ，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。 实践证明，本系统不仅满足了生产的需要，提高了整个水厂的整体管理水平，而且仅 节
6、约用 电一项就为水厂创造了巨大的经济效益。 由于 中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的前景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。 1.2 变频调速技术的特点及应用 作为高性能的调速传动，直流发电机电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多，例如无极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。 70 年代以后，由于微 电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以
7、往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到 80 年代末， 交流电机的变频调速技术 迅 速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由 IGBT 或 GTR 模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条 件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电 4
8、060，节水 15 30 1。 由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分 成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器 4。 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。变频调速恒水位供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水 平从 90 年代初
9、开始经历了一次飞跃。恒压 、恒水位 供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水 位 的变化自动 调节系统的运行参数，在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 和水位恒定 以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了 很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。 新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而
10、且具有显著的节能效果。恒压、供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种 系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、 智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。
11、1.3 可编程序控制器的特点及应用 早期的可编 程序控制器 (Programmable Logic Controller， PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着 计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展 ，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中 得到了广泛的应用。 1969 年， 美国数字设备公司 (DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成， 主要功 能是执行原先由继电器
12、完成的顺序控制、定时等。 70 年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于 PLC，使得 PLC 的功能 大大增强 。 在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程 I/O 模块 和 各种特殊功能模块。在软件方面， PLC 采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言， 除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。 进入 80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得 PLC 所采用的微处理器的 档次 普遍提高。而且，为 了进一步提高 PLC 的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻
13、辑处理芯片 ，大大提高了 PLC 软、硬件功能。 在发达工业国家， PLC 已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界 PLC 以及软件市场报告称， 1995 年全球 PLC 及其软件的市场经济规模约 50 亿美元 4。 随着电子技术和计算机技术的发展， PLC 的功能得到大大的增强，具有以下特点 4,5,6： 1可靠性高。 PLC 的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的 周期循环扫描 工作方式。 2具有丰富的 I/O 接口模块 。 PLC 针对不同的工业现场信 号， 有相应的 I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的
14、接口模块 ； 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。 3采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构。 PLC 的各个部件，包括 CPU、 电源 、I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4 编程简单易学 。 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知 识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 5 安装简单，维修方便 。 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障
15、指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 由于 PLC 强大功能和优点，使得 PLC 在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。 PLC 在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、 SCADA 系统和供水管网信息管理系统等 7,8,9,10。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等。 1.4 毕业设计任务 本次毕业设计课题是变频调速恒水位供水系统，我的主要任务是应用软件设计和模糊控制器的设计，大体为以下五项内容
16、： 1 变频调速恒水位供水系统现状和发展 主要介绍其系统的目的和意义，变频器的发展史一直到广泛应用，随着技术的发展，其优越性越来越多，主要是节能、恒压、综合技术的集成等，以后将朝大容量、小体积、高性能、易操作、寿命高、可靠性强、无公害化发展；介绍了 SIEMENS 公司的产品系列史， PLC与其它工 业装置的比较： PLC 与继电器控制系统，与集散控制系统，与工业控制计算机。以及其特点。 2 变频调速恒水位供水系统的理论原理以及总体方按的设计 主要是变频器的构成、控制方式和形式，控制方式有三种形式： V/F 控制、转差频率控制、矢量控制；变频器的节能、调速原理；变频器的工况点的确定和能耗机理分
17、析，以及系统调速范围的确定。变频调速恒供水系统方案；控制系统的工作过程 系统的工作过程分为以下三个工作状态： 1#电机变频启动； 1#电机工频运行， 2#电机变频运行； 2#电机单独变频运行；变频工频切换技术解决方案。 3系统硬 件设计（主电路、控制电路）； P LC 接线图设计，包括输出输入上元件的分配及编号， PLC 模块由 CPU226，两块数字扩展模块，一块扩展模块所构成。 4应用软件设计（ PLC 程序设计） 主要介绍了编程软件的特点、语言和梯形图其本绘制规则；控制系统程序设计主要包括七大程序，分别是初始化程序、停机程序、阀门开关程序、水泵电机启动程序、小功率电机变频 /工频切换程序
18、、报警程序；整个系统程序的工作过程以及编程中应注意的细节。 5 恒水位供水系统的 Fuzzy 控制器设计及 Simulink 仿真研究 主要介绍模糊控制的概念和特点以及模糊控制器的设计，并且运用 MATLAB 进行 Simulink仿真研究 总之，在本次设计中，必须完成图表：论文说明书、主电路图、控制电路图、PLC 接线图、 PLC 程序结构框图、 PLC 程序设计梯形图。 第二章 变频调速恒水位控制系统的方案设计 2.1 变频器的控制方式 变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾经出现过多种类型的变频器，但目前成为市场主流的变频器基本上有着图 2 1 所示的基本结构。 控制电路
19、整流电路 逆变电路直流中间电路交流电商用电源交流电频率和电压可调的交流电图 2 1 变频器的基本结构 变频调速的控制方式经历了 V/F 控制、转差频率控制、矢量控制的发展，前者属于开环控制，后两者属于闭环控制，正在发展的是直接转矩控制。 1、 V/F 控制 异步电动机的转速与定子电源频率 f和极对数有关，改变 f 就可以平滑的调节同步转速，但是频率 f的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象，所以在改变 f的同时，还需要调节定子的电压，使气隙磁通保持不变，电动机的效率不下降，这就是 V/F 控制。 V/F 控制简单，通用性优良。 2、转差频率控制 由电机学的基础知识可知， 异步电动机转矩
20、 M与气隙磁通 、转差频率 f2的关系为： 22 fM (2-1) 只要保持气隙中磁通 一定，控制转差频率 f2就可以控制电动机的转矩，这就是转差频率控制。 3、矢量控制 矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电动机一样的优良的调速性能。 2.2 变频调速的节能、调速原理 一、水泵工况点的确定以及变化 11,36 水泵工作 点（工况点）是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。 如果把某一水泵的性能曲线（即 H-Q 曲
21、线）和管路性能曲线画在同一坐标系中（图 2-2），则这两条曲线的交点 A,就是水泵的工作点。 工作点 A 是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在 A 点。若把水泵的效率曲线 -Q 也画在同一坐标系中，在图 2-2 中可以找出 A 点的扬程 HA、流量QA 以及效率 A。 从图 2-2 中可以看出，水泵在工作点 A 点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达 到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证水 水泵性能曲
22、线管路性能曲线图 2-2 水泵工作点的确定 工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。 在变频调速恒水位供水过程中，水泵工况点的变化如图 2 3 所 曲线图 2 3 水泵工况点的变化 当 P1、 P2 高于 P0 时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线 A1、 A2 向A0 方向变化，此时水泵转速逐渐降低，管网口压力也由 P2、 P1 逐渐下降，当 P低于 P0 时，其工况点变化与上述相反即由 A1逐渐向 A0 移动，使管网系统供水始终保持恒定。 图2- 4 水泵变速恒压工况根据 2-4 图水泵变速恒压工况分析：当管网用水由 Q2、 Q1 .向 Q0 移动
23、时，通过改变水泵转速使 P0 保持恒定。 二、变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程 交流电动机的转速 n 与电源频 率 f 具有如下关系： n =60 f(1-s)/p （ 2 2） 式 2 2 中： p 极对数 ,s 转差率 因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速 n。改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。 当管网负载减小时，通过 VVVF 降低交流电的频率，电动机的转速从 n1降低到 n2。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速 n,可使供水泵流量 Q、扬程 H 和轴功率 N 以相应规律改变 37。 Q1/Q2=n1/n2 （ 2 3） H1/H2=(n1/n2)2 （ 2 4） P1/P2 =(n1/n2)3 （ 2 5） 或 H =KQ2 （ 2 6） 式 2 6 是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。
