变频调速控制系统设计

大学

毕业设计（论文）课题任务书

（20 —20 学年）

毕业设计论文原创性声明

本人郑重声明：本人呈交的毕业设计论文，是在指导老师指导下独立完成的研究成果。内容都是本人自己搜集和设计的，文中引用了他人的成果，但均做出了明确的标注或得到许可。

本人如违反了上述声明，愿按照学校规定的方式，担任一切后果。

论文作者签名

日期

大学

毕业设计（论文）开题报告题目恒压供水变频调速系统设计

学生姓名学号

专业电气自动化班级

指导教师王

完成日期201 年1月1日

一、课题名称、来源、目的和意义

1、论文名称

肇庆小区供水系统设计研究

2、论文来源

小区变频供水系统设计实践

3、目的和意义

近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。在用水量高峰期时供水量普遍不足，在用水量低峰期造成水管压力过大存在事故隐患和能源浪费。设计一套供水自动控制系统，便可以自动控制水量，恒压供水，已达到自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。恒压供水系统不仅可以最大程度满足需要，也提高整个系统的效率、节约能源。

二、国内外现状和发展趋势

自从变频器问世以来，变频器技术在各个领域都得到了广泛的应用，近十年来，销售额逐年增加，于今全年有超过数十亿元（RMB）的市场。这十年中经历了多次更新，现所使用的变频器大都属于目前最为先进的国内制造机,通过这十年来对国外的先进技术进行销化，也正在积极地进行国产变频器的自主开发．努力追赶世界发达国家的水平。近十年来国外通用变频器技术的发展对于深入了解交流传动与控制技术的走向，以及如何站在高起点上结合我国国情开发我国自己的

产品应该说具有十分积极的意义.

三、研究内容及方法

1、研究内容

研究课题来源于日常生活中的用水情况，也结合了广大居民的反映情况。全面介绍了变频调速领域研究的热点问题，分析了最新技术发展对变频调速系统产业化所带来的影响，并对变频调速系统的发展前景进行了预测。

2、研究方法

恒压供水变频调速设计系统工程，必须遵循系统工程的原理与方法。首先分析系统中的危险性，为调整设备、操作、管理和费用等因素提供依据，以使系统所存在的问题得到解决。

四、课题研究计划

大学

--电力工程学院毕业设计（论文）

题目恒压供水变频调速系统设计

学生姓名

学号

专业电气自动化

班级

指导教师

评阅教师

目录

目录 (9)

摘要 (11)

前言 (12)

第一章绪论 (13)

1.1 引言 (13)

1.2 本课题产生的背景和意义 (14)

1.3 变频恒压供水的现况 (14)

1.3.1 国内外变频供水系统现状 (14)

1.3.2 变频供水系统应用范围 (14)

1.3.3变频控制原理 (15)

1.3.4恒压供水系统特点 (16)

1.4 本人的主要工作 (16)

第二章变频恒压供水的理论分析 (16)

2.1 水泵的工作原理 (17)

2.2 供水电机的搭配 (17)

2.3 水泵的调节方式 (18)

2.4 恒压供水系统的能耗分析 (18)

2.5 供水系统的安全性问题 (20)

2.5.1 水锤效应 (20)

2.5.2 水锤效应的产生原因 (20)

2.5.3 水锤效应的消除 (21)

2.5.4 延长水泵寿命的其他因素 (21)

第三章变频恒压供水控制系统硬件的设计 (22)

3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案 (22)

3.2 变频恒压供水系统的控制方案 (23)

3.3 供水设备的选择原则 (24)

3.4 参数的计算与供水设备选型 (25)

3.4.1 水泵的参数计算与型号的选择 (25)

3.4.2 变频器的选择 (25)

3.4.3 压力传感器的选择 (26)

3.4.4 水位传感器的选择 (27)

3.4.5 其他低压电器的选择 (27)

3.5 PLC的选型 (28)

3.5.1 I/O点的统计 (28)

3.5.2 PLC选型的基本原则 (28)

3.5.3 I/O的分配 (28)

3.6 系统硬件线路设计 (29)

3.7 PID参数的预置 (30)

第四章变频恒压供水控制系统软件的设计 (31)

4.1 常用编程方法 (31)

4.1.1 经验设计法 (31)

4.1.2 翻译设计法 (31)

4.1.3 逻辑代数设计法 (32)

4.2 编程软件的简单介绍 (34)

4.3 恒压供水系统梯形图的设计 (35)

4.4 程序的仿真与调试 (39)

4.4.1 仿真软件的简介 (39)

4.4.2 恒压供水系统程序的仿真调试 (40)

4.5 恒压变频供水系统的WinCC界面设计 (42)

4.5.1 WinCC软件简介 (42)

4.5.2 恒压供水系统的WinCC界面设计 (42)

4.6 经济效益分析 (46)

第五章总结与期望 (47)

5.1 总结 (47)

5.2 展望 (47)

第六章工程设计概算（见表） (48)

6、1生活变频供水系统 (48)

参考文献 (49)

致谢 (50)

附录语句表 (51)

恒压供水变频调速系统设计

—肇庆小区供水系统设计

学生：

指导教师：

（XX大学）

摘要

随着社会经济的飞速发展，城市的建设规模的不断扩大，人口的增多，和人们对生活水平的要求不断提高，人们对城市供水的水量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。传统的生活中供水的方法是通过建造水塔来维持水压和水量。但是，现在的建筑物越累越高，水塔就难以满足人们的需求了。再者，建造水塔还会花费很多的财力，水塔对水还会造成第二次污染。本文结合城市小区现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。

关键词：变频调速、变频供水、恒压供水、PLC、传感器

前言

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义．随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长的时期内，直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V／F控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。V／F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。变频器技术的另外一个层面是应用技术。在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平。

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.变频恒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

变频恒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，恒压控制技术先进。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恒压供水的研制推广，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调节器实现恒压供水，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

变频恒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)变频恒压供水系统

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恒压供水系统

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135kV～320kW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恒压供水变频器。

(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。

1.3.3变频控制原理

用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著（可根据具体情况计算出来）。其优点是：

1、起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；

2、由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；

3、可以消除起动和停机时的水锤效应；

一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时。

可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。

虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。