恒压供水论文S7-200
山东淄博职业学院毕业设计论文纸摘要随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施 建设提出了更高的要求。城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。随着人们对 供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压 供水系统成为必然趋势。本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理；具体分析了变频包水压供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，得出结论：变频调速是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用 最广、最有发展前途的电机调速技术。因此本文以采用变频器和PLC组合构成系统的方式，以某居民小区水泵电动机控制系统为对象，逐步说明如何 实现水压恒定供水。进行了控制系统的主电路设计，控制电路设计。对输入输出点进行了统 计，共有13个输入输出点，根据PLC的选型原则，设备选用了在生产中应 用最为广泛的西门子公司生产的 S7-200系歹1(CPU226)白PLC?口 CHF10映类 专用的变频器，利用变频器的本身自有的软启动功能实现水泵电机的启动。在控制过程中，电控系统由 S7-200完成，PID控制由PLC的内置PID控制 方式完成，根据控制系统软硬件设计和控制要求， 结合变频器的功能参数表 预置了相关的参数。介绍了 PLC的编程方法，选用了适合初学者的梯形图编 程，并设计了梯形图，利用S7-200PLC仿真软件进行了仿真，仿真的结果表 明了设计程序的正确性。最后对恒压供水进行了经济效益分析， 分析的结果 表明具有明显的节能效益。关键词：恒压供水，变频调速，PLG PID,仿真第1页共1页山东淄博职业学院毕业设计论文纸第一章绪论1.1引言水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水 中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵， 产生压力使管网中的自来 水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗 大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、 确保供水机泵的可靠稳定运行 的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。我国供水机泵的特点是数量大、 范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、工程标准以 及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不 断提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的， 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，会造成更大的经济损失或人员伤亡 .但是用户用 水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多， 则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡， 不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠 性。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。利用变频技术与自 动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水， 不仅能达到比较明显 的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行。 变频 包 水 压供水系统集变频技术、电气传动技术、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；同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以设 计基于变频调速的恒定水压供水系统（简称变频恒压供水，如图1.2）,对于 提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意 义。图1.1传统供水机示意图图1.2变频供水机示意图1.2 本课题产生的背景和意义我国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，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，前者产生大量能耗的，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。1.3 变频恒压供水的现况1.3.1 国内外变频供水系统现状变频包压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，包压控制技术先进。国外变频供水系统在 设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投 资成本高。目前国内有不少公司在从事进行变频包压供水的研制推广， 国产变频器 主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合 PLC或PID调节器实 现包压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快， 并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。 但在大功 率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。1.3.2 变频供水系统应用范围变频包压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：(1)小区供水(加压泵站)变频包压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村 加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。 由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。(2)国内中小型供水厂变频包压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器、电机功率在135kV320kW之间，电网电压通常为 220V或380V。 受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频包压供水变 频器。(3)大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kW机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控 制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。目前，国内除了高压变频供水系统，多数变频供水系统均声称只要改变 容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器 的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。 所以在 部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实 践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供 水系统加以改进和完善。第二章变频恒压供水的理论分析2.1 水泵的工作原理供水所用水泵主要是离心泵，在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体 启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力 的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为 静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心 流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于 泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动， 液体便会不断地被吸入和排出。1-叶轮 2-泵壳3-泵轴4-吸入口5-吸入管6-单顶底阀7-滤网8-排出口9-输出管10-调节阀第 # 页共 22 页图2.1离心泵结构示意图2.2 供水电机的搭配供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。电动机的功率应根据生产机械所需要的 功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点：(1)如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。(2)如果电动机功率选得过大，就会出现“小马拉小车”现象，具输出 机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不 利，而且还会造成电能浪费。因此，要正确选择电动机的功率，对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(生产机械轴上的功率)p1 (kW ,可按式计算所需电动机的功率P (kW):p = P1 /12式中，)为生产机械的效率，州2为电动机的效率，即传动效率。按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定 功率应等于或稍大于计算所得的功率。2.3 PID调节方法PID调节仪表也是工业PID是工业生产中最常用的一种控制方式，控制中最常用的仪表之一， PID适用于需要进行高精度测量控制的系 统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。PID参数自整定控制仪可选择外给定（或阀位）控制功能。可 取 代伺服放大器直接驱动执行机构（如阀门等）。 PID外给定（或阀位） 控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值）进行控制输出（模拟量 控制输出或继电器正转、反转控制输出）。可实现自动/手动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法计算，以实现手动/自动的平稳切换。PID外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈信号。2.4 水泵的调节方式水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变 运行工作状况点（简称工况点）的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适 应新的工作状况的需要。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍 采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式， 即改变装置管网的特性曲线进行 调节。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，具能量浪 费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并设计它们 的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下：r节流调节（恒速调节 混流式，轴流式泵的动叶调节I改变泵的运行台数调节水泵的调节方式液力耦合器的变速调节厂改变传动装置油膜转差离合器的变速调节电磁转差离合器的变速调节、变速调节r调压调速异步电机转子用电阻调速改变原动机的转速 （ 异步电机的变极调速异步电机的用极调速1变频调速2.5 恒压供水系统的能耗分析在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题， 必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法 两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水 泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压 力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环包压供水系统正越来越 多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。（1）阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不 变。阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中 的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性 将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。（2）恒压控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保 持不变，也称为转速控制法。转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要 求。当水泵的饿转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。所 以，流量是供水系统的基本
