住宅小区恒压供水控制系统设计毕业设计论文(3)

XXX：住宅小区恒压供水控制系统设计

第1章 绪 论

1.1 小区恒压供水控制系统产生的背景及意义

对小区高层的住户来说，在白天或者用水高峰时，供水系统的电动机负荷很大，常常需要满负荷甚至超负荷运行；而在晚上或者用水低峰时，所需用水量就会减少很多，但是电动机会依然处于满负荷运行状态，这样既会造成能量的浪费，又对电动机的损耗很大，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。所以根据不同的需求条件调节电动机的转速以实现恒压供水是非常有必要的。

传统的小区供水方式有恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等方式。其优、缺点如下[1]：

（1）恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力作出及时的反应，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，不但效率低下、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）水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大、占地面积大、维护不方便、水泵电机为硬起动、起动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要用于高层建筑。

（3）气压罐供水具有体积小、技术简单、不受限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵工作在低效段同时出现水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了发展。

综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源，效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以适应当前经济生活的需要。

采用基于PLC和变频技术的恒压供水系统，可以有效解决以上问题。变频调速式供水系统具有节约能源、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，利用变频技术与自动控制技术相结合，不仅能达到比较明显的节能效果，提高恒压供水的效率，更能有效地保证供水控制系统的安全可靠运

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行。利用变频恒压供水控制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控制系统，对于提高供水效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

1.2 变频恒压供水控制系统的国内外研究现状

变频恒压供水控制系统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控制系统中，变频器仅作为执行机构，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控制系统的稳定性、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，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机（泵）的供水系统。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范围将会受到限制[1]。

目前，国内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。原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器（5.5kw～22kw），无需外接PLC和PID调节器，

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可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，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（EMC）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。

1.3 本课题的主要研究内容

本设计是以小区楼房供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合的技术，设计一套住宅小区恒压供水控制系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。

变频恒压供水控制系统主要由变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组等一起组成的一个完整闭环调节系统。本设计中有1个贮水池，3台水泵，PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。

根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图，包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。

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第2章 变频恒压供水控制系统的理论分析

2.1恒压供水控制系统研究对象及特点

2.1.1 研究对象

开关 开关 M 进水 水泵组 水池 用户用水 开关

图2-1 小区供水简单流程图 此设计研究的对象是小区楼房的供水系统。由于较高楼层对供水水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况；水压高时，将造成能源的浪费。如图2-1所示，是小区高楼供水系统的简单流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。

2.1.2 恒压供水控制系统的特点

基于PLC和变频技术的恒压供水系统与过去的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水方式相比，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，而且具有显著的节能效果。

变频恒压供水控制系统能适用于小区生活用水、工业用水以及消防用水等众多场合的供水要求，该系统具有以下特点[2]:

(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，与其他一些过程控制量(如温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性，同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。

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(2)用户管网中因为受管阻、水锤效应等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水控制系统是一个线性系统。

(3)供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

(4)在变频调速恒压供水控制系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水控制系统的控制对象是时时变化的。

(5)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

(6)水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。

(7)通过改变变频器的频率控制水泵的转速，进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

2.2 变频恒压供水系统控制方案的比较和确定

恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择[3]：

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