小区变频调速供水系统研究设计

湖南现代物流职业技术学院毕业设计

论文题目小区恒压供水系统设计

专业：物流工程自动化

班级： 02自动化方向

学生姓名：蒋兆异

指导老师：钟双红

2011年11月29日

随着近年来我国城市建设的发展，各生活小区，高校以及企业等水用户对供水品质的要求不断提高，为满足用户的要求，就需要高效、节能的自动调节供水系统。目前，国内大部分供水泵站采用的是传统供水工艺，利用恒速水泵，手工操作，人工监控、经验管理，管网供水量的变化靠大小水泵的搭配开停加上调节阀来满足。这种传统的供水系统存在漏失多、耗能高，技术水平低，综合效率低的缺点。

针对上述问题，本文研制了变频调速恒压供水系统，该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值。即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，当用水量超过一台泵的供水量时，通过控制器加泵；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量相应减小。也就是根据用水量的大小，由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速，来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。采用该供水系统不需建造高位水箱、水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水方案。

此外，恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

概论

众所周知,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。主要表现在用水高峰期，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，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。

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。

在相当比较大规模的工业生产供水系统，变频调速恒压供水有它自身的特点：1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2.对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3.一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。；

从上即可结论：以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。[1]

变频调速恒压供水系统

恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时出口压力保持不变的供水方式。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛使用，利用变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。

一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均需“提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式的增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。

用变频调速来实现恒压供水，与用其他方式实现恒压供水相比较，节能效果十分明显，具有一系列优点：起动平稳，起动电流可以限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；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；可以消除启动和停机时的水锤效应；在锅炉和其他燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大减少了对环境的污染。

近年来，随着城市居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难的问题越来越突出，原有的自来水管网的压力出现了不足，用水困难给生活带来极大不便。为解决上述问题，本文研制了交流变频恒压供水系统。该系统控制部分是以AT89C51为核心,并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率来自动调节水泵电机的转速，并根据用水量的大小由单片机控制水泵数量及变频器对水泵的调速，实现管网水压的闭环调节，即恒压供水。

恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用变频器对水泵电动机进行变频调速，组成供水压力的闭环控制系统，系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU即单片机芯片进行运算处理后，发出控制指令，改变水泵电动机的转速和控制水泵电动机的投运台数，从而使给水总管压力稳定在设定的压力值。

系统由变频器、控制器、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。系统构成框图为1-1。

由上图可以看到变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时通知CPU进行变频泵逻辑切换。为防止水锤现象的产生，泵的起停将联动其出口阀门。

系统工作原理如下：假设整个系统由三台水泵，一台变频器，一台控制器和一个压

图1-1变频恒压供水系统结构图

Fig.1-1 frequency constant pressure water system chart

力传感器及若干辅助部件构成。各部分功能如下：安装于供水管道上的压力传感器将检测的管网压力转换成1—5伏的电信号，输入至供水控制器的输入模块，信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出偏差值，再经过PID处理得出最佳的运行工况参数，并将其转换成模拟信号，由系统的输出模块输出变频器的频率设定值至变频调速器，变频器控制水泵的转速来调节管网的实际压力，使之趋向于设定值，从而实现闭环控制的恒压供水。对于多台泵调速的方式，控制器控制泵站投运水泵的台数及变泵量的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。系统通过计算判定目前是否已经达到设定压力，决定是否增加或减少水泵。

综上所述，交流变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向。采用单片机控制的变频供水系统具有实现容易、价格低廉等特点，是较理想的控制器。

变频恒压供水系统的特点

本文研究的变频恒压供水系统能适用生活水等多种场合的供水，该系统具有以下特点：

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，同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。

2) 非线性

用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。

3) 多变性

变频调速恒压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) 时变性

在变频调速恒压供水系统中，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，变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。

5) 容错性

当出现意外的情况(如突然断电、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，管网压力等工况自动进行投切，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) 可扩充性

水泵的电气控制柜，具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。

系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，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的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。

变频调速恒压供水系统

1) 工作原理

在设备开始运行前, 首先应建立相关设备在工作压力下的动作参数等。当设备运转时, 对供水管网的水压及水压率变化的信号,由压力变送器不断检测并转换成电信号传输到变频控制系统。控制系统将电信号和设定压力值进行对比运算。如果实际压力比设定压力低,然后将控制水泵加速运动；如果实际压力高于设定压力，则会控制水泵减速运动；当达到设定压力时，水泵将保持这一运动的频率. 当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网压力仍达不到预设水压，则将次台泵切换到工频运行，变频器将自动启动下一台水泵，控制其变频运行。此后往复工作直至满足设定压力要求为止。反之，若管网压力大于设定水压，控制器控制变频器频率降低，当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保持恒定。工频泵以最高频率运行, 辅助泵供水也变为变频恒压供水方式, 进一步提高了工作效率,达到了节能的目的。