变频恒压供水系统设计

内容摘要

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；具体分析了变频恒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，逐步阐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系列(CPU222)的PLC和MM430泵类专用的变频器，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控制由变频器的内置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，设计了梯形图，实现了高楼供水的恒压变频控制。关键词：

恒压供水变频调速 PLC设计

目录

内容摘要和关键词 (1)

一绪论 (1)

（一）引言 (1)

(二)供水系统的现况及本人的主要工作 (1)

1、国内外变频恒压供水系统的现况 (1)

2、本人的主要工作 (1)

二变频恒压供水的理论分析 (1)

(一)水泵的工作原理 (2)

(二)供水电机的搭配 (2)

(三)水泵的调节方式 (3)

（四）恒压供水系统的能耗分析 (3)

（五）水锤效应的产生与消除 (4)

1、水锤现象的产生 (4)

2、水锤现象的消除 (5)

(六) 延长水泵寿命的其他因素 (5)

三、变频恒压供水控制系统硬件的设计 (5)

（一）变频恒压供水控制系统的构成方案 (6)

（二）变频恒压供水系统的控制方案 (6)

（三）供水设备选择原则 (7)

1、设定供水压力经验数据 (7)

（四）变频器的选择 (7)

（五）压力传感器的选择 (8)

（六）水位传感器的选择 (8)

（七）其他低压电器的选择 (8)

1、断路器的选择 (8)

2、接触器的选择 (9)

3、PLC选型的基本原则 (9)

(八)I／O的分配 (10)

（九）系统硬件线路设计 (10)

四、变频恒压供水控制系统软件的设计 (11)

（一）恒压供水系统梯形图的设计 (11)

五、总结与展望 (15)

参考文献 (15)

致谢 (16)

变频恒压供水系统设计

一、绪论

(一)引言

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，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.

（二）供水系统现况及本人的主要工作

1、国内外变频恒压供水系统现况

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。

2、本人的主要工作

本课题主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水，进行了控制系统的主电路设计、控制电路设计，系统的控制设备选用S7-200系列的PLC（CPU222），变频器选用西门子泵类专用的变频器MM430。进行了控制程序（梯形图）的设计。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器完成。最后，对变频恒压供水系统进行调试，对该系统在供水中所取得的节约电耗、恒定压力、保护管网等进行了总结，指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性。

二、变频恒压供水的理论分析

（一）水泵的工作原理

供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图1所示，叶轮安装在泵2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。

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。

图1 离心泵结构示意图

（二）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“大马拉小车”现象，其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)

1

p （kW ），可按式(2.1)计算所需电动机的功率P (kW)：

()

112/p p ηη= (2.1)

式中，

1η为生产机械的效率，2η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。 (三)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