学士学位论文供水厂电气及仪表控制系统设计说明书.docx

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学士学位论文供水厂电气及仪表控制系统设计说明书

学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题目：

村镇供水厂电气及仪表控制系统设计

学生姓名：

学号：

1

专业：

自动化

班级：

自动化2班

指导教师：

村镇供水厂电气及仪表控制系统设计

摘要

根据村镇的供水的要求，设计了一套电气及仪表控制的变频恒压供水系统。

变频恒压供水控制系统由变频器、压力传感器、水泵机组、数字显示仪表等组成。

供水厂为远在方圆15Km外的几十个村庄供水，供水厂由加压站和水源井群组成，水源井群由3眼井组成。

先把水源井中的水注入加压站的蓄水池中，然后由加压泵从蓄水池通过变频调速控制为用户供水。

蓄水池包含三台潜水泵电机控制水位，依据水位的不同，启动不同台数的潜水泵，功率大一台的应采用降压启动。

同时包含三台加压水泵电机，它们组成变频循环运行系统，控制柜应能根据用户需求的供水压力供水，采用变频器实现对加压水泵的软启动和变频调速，实现任意一台水泵的的变、工频切换及两台水泵之间的自动启动与停止，压力传感器检测当前水压信号，送入变频器与设定值比较，进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近，实现恒压供水。

关键词：

恒压供水；变频器；PID控制；变频调速；仪表

RuralWaterSupplyPlantElectricalandInstrumentationControl

SystemDesign

Abstract

Accordingtotherequirementoftheruralwatersupply,Designasetofelectricalandinstrumentcontroloffrequencyconversionconstantpressurewatersupplysystem.Frequencyconversionconstantpressurewatersupplycontrolsystembyfrequencyconverter,pressuresensor,pumpingunit,Digitaldisplayinstrument,etc.Watersupplyplantfordozensofvillagesinfangyuan15kmoutsidethewatersupply,Watersupplyplantiscomposedofpressureandwaterwellgroup,SourcewellgroupconsistsofthreeWells.PutwaterWellswaterinjectionpressureinthereservoir,Thenthepumpwaterfromthereservoirthroughthefrequencycontrolofmotorspeedcontrolforusers.

Reservoircontainsthreesubmersiblepumpmotorcontrolwaterlevel,Accordingtothewaterlevelisdifferent,Startthedifferentsetsofsubmersiblepump,Poweroffreshmanshouldadoptstep-downstartup.Atthesametimecontainsthreepressurizedwaterpumpmotor,Theyarecomposedofvariablefrequencycycleoperationsystem,controlcabinetshouldbeabletosupplypressurewatersupplyaccordingtouserrequirements,Frequencyconverter,isadoptedtorealizeofpressurizedwaterpumpsoftstartandfrequencycontrolofmotorspeed,Implementasapumpofvariable,powerfrequencyswitchingandautomaticstartandstop,betweenthetwopumps,Currenthydraulicpressuresensorsignal,IntotheinvertercomparedwiththesetvaluetoPIDarithmetic,Tocontroltheoutputvoltageandfrequencyoftheinverter,Canmakeabigdifferencetothespeedofwaterpumpmotortochangewatersupply,Eventuallymaintainstabilityofthepipenetworkpressurenearthesetpoint,Torealizeconstantpressurewatersupply.

Keywords:

constantpressurewatersupply;frequencyconverter;PIDcontrolling;variablefrequencyspeedregulation;instrument

第一章绪论

一.1变频技术研究背景及意义

一.1.1变频技术的研究背景

随着电力电子技术的快速发展，变频器的功能也越来越强大。

自从通用变频器问世以来，变频调速技术在实际应用中得到了很大的发展。

变频器是应用变频技术与微电子技术的集中技术电气，通过改变电机工作频率方式来控制交流电动机的电力控制设备，拥有强大且多种内置功能。

充分利用变频器的功能对合理设计变频调速设备，降低设备成本，保证产品质量等方面都很有益处。

变频恒压供水系统是变频调速技术一个很重要的应用领域，是依据用户用水量的变化（即为供水管网压力的变化），运用变频器内部的PID参数构成闭环调节系统来自动调节系统的运行参数，实现水泵电机的无级调速，保持水压恒定以满足用户的用水要求，是当今最先进、最合理的供水系统。

同时，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，如果因故障供水压力不足或短时间内断水，可能影响产品质量，严重时会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给，不能快速灭火，可能引起重大的经济损失和人员伤亡。

它在近几年内经历了一个逐步完善的发展过程，现在多泵逐渐代替了早期的单泵的恒压供水调速系统，节约了成本，提高了运行效率，成为主导的系统产品。

一.1.2变频恒压供水技术的重大研究意义

在今天，随着社会经济的不断发展，人们对供水的稳定性和可靠性不断提高，把工业自动化技术推向了全新的技术阶段，对村镇的用户来说，同在白天或某一用水高峰期时，供水系统的电机负荷很大，常常需要满载甚至超载运行；但在晚上或用水低峰期时，所需用水量就会很小，但电机会仍然处于满负荷运行状态，这样既造成资源的浪费，又会对电机的损耗很大，还有可能会损坏水管和设备。

利用变频恒压供水系统进行供水不仅可以提高供水系统的稳定性和可靠性，易于实现供水系统的集中管理与监控；而且有良好的节能性，同时提高供水效率。

所以，设计基于变频调速的恒压供水系统，在满足人民的生活需求的基础上，降低了耗能，具有广阔的应用前景和显著的经济效益与社会效益。

一.2变频恒压供水国内外研究现状

随着电力电子技术、自动控制技术及计算机技术的快速发展，垫定了变频器的问世的基础，在早期，国外生产变频器的功能主要限定在频率、压频比、电机正反转、升降速、起动及制动等控制领域以及各种保护功能方面。

由于对变频技术的要求及精确性不断提高，变频调速技术飞速发展，通用变频器的出现更是巩固了变频技术在工业自动化领域的强大地位。

变频调速恒压供水系统是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。

在早期的变频调速恒压供水系统中，变频器仅仅只作为执行机构，在供水需求不同时，保证管网压力的恒定，需在变频器外部另外提供压力变送器和压力传感器，对水的压力进行闭环控制。

随着变频调速技术的飞速发展，大部分厂家开始推出相应的零部件及变频器本身。

日本Samco公司，就推出了模式为“变频泵循环方式”和“变频泵固定方式”的基板来实现恒压供水，控制基板上集成有PID调节器和PLC可编程控制器等硬件设备，只要有合适的供水控制系统，便可以通过内部设置指令码来实现集成在基板上的硬件设备的控制功能，多个内置的接触器可以直接动作，可构成多泵循环控制系统。

这样的变频器虽有了重大的突破，但还有很多的缺点，它输出接口的扩展功能不灵活，系统的整体性能不好，允许带负载的容量也受到了限制，与网络、计算机、通讯设备等系统很难实现数据之间的通讯，在实际应用中，范围在很大程度上受到了限制。

系统的动态性能、稳定性及抗扰性等方面，还远远没有达到用户的要求。

目前，国内推出了小功率水泵（5.5kw～22kw）的恒压供水专用变频器，将闭环调节功能与逻辑控制功能通过调节变频器内部参数来实现，无需外接任何PID调节器和PLC控制器，可实现最多4台水泵的循环切换、定时起、停。

但该变频器其输出接口仍然限制了所带负载容量大小，操作不方便的同时不能实现与其他系统的数据通信，所以只这类变频器适用范围小，控制要求低。

因此，当前国内外的变频恒压供水有很大的缺陷与不足，还有待于进一步研究并且改善其性能，使其能更好的应用于生活及实践。

一.3仪器仪表

仪器仪表是根据现存在的各种科学原理，对被研究的系统对象进行检测、显示、观察和控制的装置的总称。

一.3.1仪表在控制系统中的作用

控制仪表是实现生产自动化的一种重要工具。

在自动控制系统中，由传感器及检测仪表装置将生产的工艺参数变为电信号或气压等数字信号后，不仅还要由数字仪表显示或者记录，让人们深入了解生产过程，同时还需要将此信号传送给控制仪表和装置，对生产过程进行自动控制，使参数更加符合工艺要求。

一.3.2给排水的常用仪表及其作用

在供水，排水等系统中，仪表是不可或缺的仪器。

它在系统中起到了举足轻重的作用，集检测、显示、观察与控制为一体的控制器。

常用的有过程参数检测仪表、调节控制的执行设备、过程控制仪表等。

最常用的就是液位传感器、压力变送器等

液位传感器是一种相当于变压、变流用的用来测量液位高度的压力传感器。

投入式液位传感器是以所测液体静压与该液体高度所成比例的原理，采用现在先进的陶瓷电容压力敏感传感器或者隔离型扩散硅敏感元件，将静压差变为电信号，再继续经过一定的线性修正和温度补偿，转化为标准的电信号（一般为1～5VDC或者4～20mA），并将液体液位的高度转化为电信号，以电信号的形式进行输出。

当然，我们还可以对电信号进行进一步的处理，让其与专业显示器直接相连，从而能直接输出当前液位的高度。

在今天，液位传感器在生产领域的发展仍然存在很大的挑战。

据了解，目前从事液位传感器的研发和生产的企业已经超过了1800多家，它的年产量突破了24个亿，产品的分类分为了10个大类、42个小类、6000多个品种，整体呈现一种很好的发展趋势。

但在这行业领域中，外企的优势更为明显，比重达到了67%。

我国国有企业和民营企业所占比重仅仅为33%。

我国生产液位变送器的规模小，专业人才短缺、研发能力弱，难与国外企业相抗衡。

压力变送器是指输出为标准信号的压力传感器。

是接受压力的一种变量，经传感器转换以后，将压力变化量转换为一定比例的标准输出信号的仪表。

压力变送器是由压力传感器、过程连接部件、测量电路三部分组合而成，将测压传感器感受到的气体或者液体等压力参数转换成标准的电信号（如4~20mADC等），以供给记录仪、指示报警仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节，是直接与被测介质互相接触的现场仪表，常常在高温、低温、腐蚀、振动、冲击等环境中工作。

在石油、化工、电力、钢铁、轻工等行业的压力测量及现场控制中应用非常广泛。

主要分为电容式压力变送器和扩散硅压力变送器，陶瓷压力变送器，应变式压力变送器等。

它的的发展大体经历了以下四个阶段：

（1）压力变送器在早期采用大位移式的工作原理，精度低、而且本身笨重。

（2）20世纪中期，随着力平衡式差压变送器的出现，他的精度有所提高，但是反馈力很小，结构、性能等均不高。

（3）70年代中期，伴随着电力电子技术的飞速发展，科研出的位移式变送器结构简单的，且小巧灵活。

（4）到今天，科学技术达到飞速发展的高潮，出现的这批变送器更加符合我们的应用实际，精度高、逐渐实现智能化，输出的数字信号更容易被采集。

20世纪90年代，伴随着现场总线技术的迅速崛起，工业过程控制系统逐渐向具有智能仪表控制和双向通信的方向发展。

由此，新一代的智能压力变送器产生了。

它们的主要特点如下。

（1）能够输出数字量。

（2）出现了自诊断功能，在接通电源时将会自动进行自检,在工作中实现了运行检查。

（3）微处理器和基本传感器之间具有双向通信的功能，构成了闭环工作系统。

（4）拥有了信息存储和记忆的功能。

（5）拥有自补偿功能，如非线性、响应时间、噪声、温度误差和交叉感应等的补偿。

基于以上的功能,智能压力变送器在精度、重复性、稳定性和可靠性等方面都得到改善与提高。

其双向通信功能更是实现了计算机软件控制及远程设定量程等状态。

一.4本设计的主要研究内容

本设计是以由加压站和水源井群组成的某供水厂为远在方圆15KM外的几十个村庄供水系统为控制对象，设计一套基于电气及仪表控制的的变频恒压供水系统，实现系统安全、经济、可靠地运行。

系统是由补水及供水两部分组成的。

补水的时候根据水池水位对3台潜水泵进行控制，在水池水位设超高、高、低、超低4个水位，潜水泵控制应能根据水池水位的高低控制所启动的潜水泵台数，从3眼井组成的水源井群中抽水注入加压站的蓄水池中。

当水位为超高水位的时候，应停止所有的潜水泵；当水位为高水位的时候，只启动一台潜水泵，当水位为低水位的时候，启动两台潜水泵，当水位为超低水位的时候，同时启动三台潜水泵。

采用水位传感器及数字显示仪表实现水位显示电路，实现四限位、三台潜水泵的起停。

供水部分是由两台加压水泵组成的，采用变频调速控制。

根据用户要求的供水压力供水，当一台水泵能满足供水要求时，只由一台水泵变频调速供水，当一台水泵难以满足供水要求时，自动启动第二台水泵，同时第一台工频运行，第二台水泵的启动应为变频软启动。

当两台水泵供水压力高于要求的供水压力时，自动停止一台供水加压泵。

两台水泵既能实现变频运行又能实现工频运行，当变频器故障时，应能工频运行供水。

变频恒压供水系统主要由变频器、加压水泵机组和压力变送器等一起组成的完整闭环调节系统。

本设计中有1个贮水池，3台潜水泵，2台加压泵，变频器根据供水管网的压力，自动控制各个水泵之间、不同水泵之间的工、变频切换，并且根据当前压力检测值和给定值之间的偏差进行PID运算，结果输出给变频器的端子，作用他的输出频率，调节供水的流量，使供水的压力恒定。

根据上述的控制要求，进行系统方案整体的设计。

选出相应的电器、控制仪表、电线、电缆等硬件设备，绘制出控制系统的电气电路及变频调速控制电路。

第二章控制方案拟定

二.1变频调速恒压供水的主要特点

变频调速恒压供水系统与过去的典型的供水方式相比在运行的经济性、设备的节约性、系统的稳定性方面都有具有典型的优势。

在过去，恒速泵加压供水始终保持一个速度、在用户用水量不同时不能很好地调节出水量的多少，可能造成资源的浪费同时损坏供水设备；水塔高位水箱供水在资源节约方面可能会比恒速泵更经济一些，但水塔的进水无疑又成为一个难题。

变频恒压供水控制系统能很好地用于农村供水厂和城市里小区的生活用水、消防用水以及工业生产用水等众多供水场合，主要具有以下特点：

（1）供水系统要具有通用性。

面向多种的供水系统，不同用水量和扬程，供水系统结构存在着很大的差异，因此模型要有很强的多变性，供水系统要有通用性。

（2）供水系统的控制对象是给用户供水的水压，它是一个过程量，与其他一些过程控制量一样，对控制作用的响应具有滞后性，同时用于对水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后性。

（3）水泵的电气控制柜，同时具有远程和就地控制的功能，数据通讯接口能与控制信号或者软件相连，对供水的实时数据进行传送，以便实现数据的显示、监控以及报表的打印等功能。

（4）由于在变频器控制的恒压供水系统中，由于始终存在泵的起、停。

这样不同水泵的运行状态直接影响供水系统的参数，使系统参数不断发生变化，由此，科学认为，变频调速恒压供水控制系统的对象是不确定、时时发生变化的。

（5）当意外情况出现的时候（如突然断电、停水等外部故障，或者水泵、变频器或软启动器等内部故障），系统能根据当前工况自动进行调节切换，保证供水压力的恒定，且能同时满足用户的用水需求。

（6）有专门的故障程序或者故障电路，在故障突发时执行，保证在突发情况下，仍能进行供水。

（7）通过反馈的参数调节变频器的频率来控制水泵的转速，实现恒压供水，节能效果显著，对每台加压水泵实行变频软启动，电流可以从零到到电机额定电流，减少了直接启动对电网的冲击，同时降低了直接启动大惯性对设备的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

二.2变频调速恒压供水的节能原理

图2.1供水系统的基本特性图

如图2.1所示，为供水系统的基本特性图，它是在供水系统中，管路的阀门开度保持不变为前提的条件下，供水系统的基本特性和扬程特性，表明加压泵在某同一转速下的流量（Q）与扬程（H）之间的关系f（Q）。

由图可知，流量与扬程大致呈反比关系，流量增大时，扬程反而会下降。

若管路中阀门开度和加压泵转速都恒定不变，此时流量的大小主要取决于实时用水用户的多少和用水的情况，因此，用水流量Q（u）和扬程H之间的关系反映的是扬程特性。

以加压泵的转速保持不变、阀门在某一特定开度下保持不变为前提反映的是管阻特性，此时扬程H与流量Q之间的关系Hf（Qc）。

管阻特性反映了在供水管道中流动的液体阻力的变化规律，以及加压泵用来克服供水系统的水位以及压力差的能量。

由图2.1可知，在某个时刻，相同阀门开度下，扬程和流量的变化基本一致，随着扬程增大，流量也增大。

阀门开度的不同，实际反应的是在此时刻的某一扬程下，供水系统向用水用户的供水能力。

如图2.1中A点为供水系统的工作点。

在A点，系统的的流量在供水和用户的用水处于平衡状态，供水系统同时满足了扬程特性和管阻特性，系统稳定运行，同时也节约了设备及能源。

二.3常见供水系统的安全性问题

二.3.1对供水的电机和电网进行的保护

由于变频恒压供水大部分都采用变频软启动，启动时候电机频率低、电流小，因此，除了对供水电机和管网有保护作用，同时对系统的电网也能起到很好的保护作用。

变频恒压供水系统中，电机直接启动与变频调速软启动的对比如表2.1所示。

表2.1电机直接启动和变频调速软启动的对比

表2.1电机直接启动和变频调速软启动的对比

对比内容

直接启动

变频调速启动

启动电流

额定电流的5～7倍

在额定电流以下

启动对电网的冲击

巨大

无

启动对变压器的冲击

巨大

无

启动对开关、接触器等电器的冲击

巨大

无

启动对电缆的冲击

巨大

无

启动对电机的冲击

巨大

无

启动对联结轴的冲击

巨大

无

启动对变速箱的冲击

巨大

无

启动和运行的可靠性

低

高

二.3.2水锤效应的产生原因及其消除方法

在进行全电压启动时，异步电动机只需要0.25S就可以从静止状态加速到额定转速状态。

这就意味着，在0.25S的时间段里，水管里水的流量从零增到额定流量。

由于水的不可压缩性，还具有动量，因此，在极短时间内，流量发生的巨大变化会直接引起对管道的过高或过低的压强冲击，并由此产生空化现象。

压力的过于冲击将导致管壁突然受力而产生噪音，就好像用锤子敲击管道壁一样，故称之为水锤效应。

水锤效应由于压强过高，具有极大的破坏性能引起管道壁的破裂，反之，压强过低时，又会导致管道的瘪塌。

此外，水锤效应也有可能导致阀门和固定件的损坏。

同时，在直接停机的时候，供水系统的水龙头部分将克服电动机的强大惯性强制使系统急剧地停止。

也会引起水锤效应和压力冲击。

所以水锤效应产生的根本原因是在启动和制动过程中动态转矩太大。

在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩

水泵在直接启动过程中，加速过程很快。

当系统采用了变频调速方式以后，可以通过预置升速时间来延长启动的过程，使动态转矩在很大程度上有所减小，在停机制动过程中，停机过程的延长同样可以通过预置降速时间来实现，使动态转矩大为减小，从而从根本上消除了水锤效应。

二.3.3延长水泵寿命的因素

消除水锤效应，可大大的延长水泵、管道、阀门等其他系统部件的使用寿命。

此外，由于在工作过程中平均转矩的减小、水泵平均转速也下降很多，使得:

（1）轴承的磨损大为减小。

（2）叶片承受的压力也大为减小。

所以，采用了变频调速来供水以后，水泵的使用寿命将大大延长。

二.4研究对象

图2.3村镇供水厂简单流程

如图2.3所示，是某村镇供水厂简单流程。

从水源井群中抽出来的水先储存在水池中再通过加压泵组恒压供给每一个用户。

此设计研究的对象是村镇供水厂的恒压供水系统。

由于对供水水压的要求很高，同在白天或某一用水高峰期时，系统供水时电机的负荷很大，常常需要满载甚至超载运行；但在深夜或用水低峰期的时候，所需用水量就会很小，但电机会仍然处于满负荷运行状态，这样既造成资源的浪费，又会对电机的损耗很大，还有可能会损坏水管和设备。

二.5供水厂供水的构成

二.5.1水源井群给水池供水部分

水源井群给水池的供水主要是由水池水位决定的，水池深为4米。

用户用水的需求间接的决定了水池的水位。

水源井是由3眼井组成的，距离水池最远为200米，放在3眼井中的电机功率依次为15KW、18.5KW和22KW。

根据水池水位的不同，根据给液位传感器的信号不同，在3.5米到4米之间的水位设定为上上限,称为高水位，此时不需要启动任何一台潜水泵，在液位传感器设定参数，使水位达到超高水位时，系统进行报警；2.5米到3.5米之间的水位设定为上限，称为高水位，根据液位传感器的开关动作，启动1#电机对水池进行补水；0.5米到1.5米之间的水位设定为下限，称为低水位，根据液位传感器的开关动作，继续启动2#电机对水池进行补水；0.5米以下的水位设定为下下限，称为超低水位，根据液位传感器的开关动作，在继续启动3#电机对水池进行补水同时发出报警。

水池变频恒压供水部分

水池变频恒压供水系统部分主要由加压水泵、变频器、管道、压力传感器和阀门等构成。

一般主要由异步电动机驱动加压水泵旋转来供水，并且把水泵和电机做成一体，通过变频器参数调节电机的转速，从而控制加压泵出水量来实现恒压供水。

因此，变频恒压供水系统的实质是变频器反馈给异步电动机的变频调速。

图2.3变频恒压供水系统方框图

水压由压力传感器的4-20mA信号送入变频器，内部PID模块与最初设定的压力值比较，算出给定值与反馈值之间的偏差，将结果转换为调节频率的信号，以调整加压水泵的频率，从而实现调节加压水泵转速，实现恒压供水。

同时，为了准确的反