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1、 编号 淮安信息职业技术学院毕业论文题 目生活消防合用恒压供水系统设计学生姓名陈霞学 号41061412系 部电气工程系专 业电气自动化技术/物流管理班 级410614指导教师【周奎】 【讲师】 顾问教师 【陈俊生】 【副教授】二九年十月摘 要变频器与PLC在各行各业中的应用已成为改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程的自动化水平、提高产品质量、改善生产环境、节约能源的主要技术手段之一。近年来，在各地已建成或正在兴建的数量、类型众多的居住小区或居住组团中，占相当大比例的是由79层以下的多层住宅组成，在设计这类多层小区的过程中采用生活消防合用恒压变频调速，主要是因为多层小区生活消防压力不大，在
2、管材选用适当或是消防管路采用防倒流措施，在采用变频设备及电源可靠条件下，采用生活消防合用供水设备是经济型的选择。本课题系统采用硬件软件相结合的控制方式，通过变频器与PLC的相结合，实现水泵的运行切换和调速，通过扬程特性曲线分析供水系统的工作原理，根据管网和水泵的运行曲线，说明采用变频供水系统的节能原理。并且分析生活消防变频恒压供水系统的组成及特点，探讨多层居民区生活消防合用变频恒压供水系统的控制策略，总结变频恒压供水系统的实际性能与使用效果。关键词：生活消防合用 恒压变频 PLC 节能目 录 目 录第一章 绪论11.1引言11.2变频恒压供水产生的背景和意义21.3变频恒压供水的现状31.3.
3、1变频恒压供水系统在国外研究现状31.3.2变频恒压供水的发展趋势31.4课题的来源和主要研究内容3第二章 变频恒压供水系统的概述52.1变频恒压供水系统的描述52.1.1变频恒压供水原理的分析62.1.2恒压供水系统的节能分析72.1.3恒压供水系统的安全性分析92.2恒压供水系统的基本组成102.2.1可编程序控制器（PLC）102.2.2变频器的基本介绍122.2.3压力传感器14第三章 系统硬件设计153.1生活消防合用恒压供水系统的介绍153.2生活消防合用恒压供水系统的控制要求153.3生活消防合用恒压供水系统的主电路设计163.4控制电路设计173.4.1控制系统的I/O点及地址
4、分配173.4.2控制电路的设计183.5设备选型193.5.1消防泵电机的确定193.5.2变频器的选型203.5.3PLC的选型21第四章 生活消防合用供水系统软件设计234.1系统流程图设计思想234.2主程序设计234.2.1主程序流程图设计234.2.2主程序梯形图244.3压力恒定控制程序设计26第五章 总结与展望285.1论文总结285.2技术展望28致 谢29参考文献3029绪论第一章 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
5、同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率和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
6、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。对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题，如图1-1所示。因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水企业关心的焦点问题之一。图
7、1-1 传统供水机泵示意图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。所以研究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
8、等方面具有重要的现实意义。图1-2 变频供水机泵示意图1.2变频恒压供水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。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。此时造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。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，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；后者需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质的
9、安全与可靠性。而变频调速式运行十分稳定可靠，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变频恒压供水的现状1.3.1变频恒压供水系统在国外研究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。
10、此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前国内有不少公司从事进行变频恒压供水的研制和推广，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调节器来实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉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变频恒压供水的发展趋势1.变频供水系统目前正向集成化、维护操作简单化方向发展在国内外，专门针对供水系统的变频器集成化越来越高
11、，很多专用供水变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入了变频组件。同时维护操作也越来越简单，部分新品的变频供水只需要简单设定压力值就可以正常运行，控制软件和其他参数在出厂时就已经设定或利用传感器自动获取完毕。2.高压变频系统在供水行业中的应用在过去变频供水涉及较少的高压变频系统，也是发展的重要方向。高-低-高型的高压变频系统、串联多电平高压系统目前已经在实际应用中不断完善，高压高频中的谐波等问题也逐步得到解决。3.变频供水系统正在融入更全面的供水管理系统面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水需求的前提下，最大限度的提高供水效益，是所有供水部门共同面临的重要课题。目前，在美国、日本、法
12、国等地的有些城市已经基本上实现了供水系统的计算机优化，把变频供水与计算机直接调度管理结合起来，我国也正在进行着这方面的研究与小范围的应用。1.4课题的来源和主要研究内容本课题来源于生活消防合用变频恒压供水的实际运用，对变频电机在供水系统中的设计运用，效能进行分析与研究。对多层建筑，建筑设计防火规范（GBJ161987）规定“消防给水宜与生产、生活给水管道合用”。但对高层建筑，高层居民建筑设计防火规范（GB500451995）第7.4.4条规定“室内消防给水系统应与生活、生产给水系统分开独立设置”。而12层以内小高层建筑，生活消防压力差别不大，若管材选用设当或消防管路采取防倒流措施，在采用变频设
13、备及电源可靠条件下，采用生活消防合用变频供水设备具有以下优点：1.生活泵组定时轮换运行，不会因备用泵长期不用或管理不善而使水泵锈死，机组时刻处在工作状态。2.生活泵组和消防泵组合用，基本节省一套消防泵组，便于设备管理和维护。3.设备自动化程度高，供水稳定可靠，且水质无二次污染。4.水泵软启动软停止，无冲击和管路超压的危害。本文主要研究生活消防合用恒压供水系统的硬件设计和软件设计。通过变频器的调速，实现电机的切换，达到节能的效果。系统按循环软启动变频设备或带小流量泵的循环软启动变频设备选型，主泵的流量按生活消防两者的最大值来选择，扬程一般按消防设计压力选择。通过变频器与PLC的相结合，分析扬程特
14、性曲线分析供水系统的工作特点，根据管网和水泵的运行曲线，说明采用变频供水系统的节能原理。并且分析生活消防变频恒压供水系统的组成及特点，探讨多层居民区生活消防合用变频恒压供水系统的控制策略。变频恒压供水系统的概述第二章 变频恒压供水系统的概述2.1变频恒压供水系统的描述变频恒压供水控制系统主要由PLC、变频器、压力传感器等部分组成。控制核心单元PLC根据手动设定压力信号与现场压力传感器的反馈信号经PLC的分析和计算，得到压力偏差和压力偏差的变化率，经过PID运算后，PLC将05V的模拟信号输出到变频器，用以调节电机的转速以及进行电机的软起动；PLC通过比较模拟量输出与压力偏差的值，通过I/O端口
15、开关量的输出驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的电机台数，并完成电机的起停、变频与工频的切换。通过调整电机组中投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使动力系统的工作压力稳定，进而达到生活消防恒压供水的目的。如图2-1恒压供水系统组成框图。图2-1恒压供水系统组成框图对供水系统的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体的测量和控制。考虑到在动态环境下，管道中水压的大小（用压力p表示）与供水能力（用流量Qg表示）和用水需求（用水量Qu表示）之间的平衡有关。当供水能力大于用水需求，则压力上升；当供水能力
16、小于用水需求，则压力下降；当供水能力等于用水需求，则压力不变。可见供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。因此，压力就成为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用户流量处于平衡，恰到好处的满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。2.1.1变频恒压供水原理的分析变频恒压供水控制系统的基本控制策略是采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统
17、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运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到压力稳定在设定的压力值上。 由水泵的工作原理可知：水泵的流量与水泵（电机）的转速成正比，水泵的扬程与水泵（电机）的转速的平方成正比，水泵的轴功率等于流量与扬程的乘积，故水泵的轴功率与水泵的转速的三次方成正比（既水泵的轴功率与供电频率的三次方成正比）。根据上述原理可知改变水泵的转速就可改变水泵的功率。一般供水系统中，流量调节方法一般为阀门控制法和转速控制法两种。1.阀门调节法阀门调节法主要通过调节出水管的开度来调节流量，实际是通过改变管道的阻力来改变水
18、的流量。阀门调节时，管阻特性随着阀门开度的变化而变化，而电机恒速运行，因此扬程特性并不改变。当流量从QA下降到QB时，稳定工作点由A点移到B点，供水功率PA与0EBF区域的面积成正比。2.转速调节法转速调节法是通过改变水泵转速来改变水的流量。管道一般处于全开状态，如果水泵转速改变，则全扬程也改变。采用转速调节法时，扬程随着转速改变而改变，但管阻特性则保持不变。如图3所示，当流量从QA下降到QB时稳定工作点由A点移到C点，供水功率PB与0ECH区域的面积成正比。采用转速调节法比采用阀门调节法节约的功率与HCBF区域的面积成正比。由水泵特性得出以下关系：流量与转速成一次方关系：Q1/Q2 = n1
19、/n2 （2-1）扬程与转速成二次方关系：H1/H2 = n1/n2 （2-2）电机轴功率与转速成三次方关系：P1/P2 = n1/n2 （2-3）由上述推导可以知道，采用转速调节法的节能效果很明显。随着变频调速技术不断成熟，恒压供水采用变频器来控制水泵转速。由电机转速公式：n=60f/p，其中，n为电机同步转速，f为供电频率，p为电机极对数，可知电机供电频率f与转速成正比。这样，采用变频器调速时，变频器的输出频率与流量、扬程及电机轴功率也有上述的n次方（n=1,2,3）比例关系。例如：将供电频率由50HZ降为45HZ，则P45/P50=（45/50）3= 0.729，即P45=0.729 P
20、50；将供电频率由50HZ降为40HZ，则P40/P50=（40/50）3= 0.512，即P40=0.512 P50。 水泵一般是按供水系统在设计时的最大工况需求来考虑的，而用水系统在实际使用中有很多时间不一定能达到用水的最大量，一般用阀门调节增大系统的阻力来节流，造成电机用电损失，而采用变频器可使系统工作状态平缓稳定，通过改变转速来调节用水供应，并可通过降低转速节能收回投资。很多电机拖动设备都存在裕量较大、工作效率低、电能耗量大、启动电流大、工作噪声大等难题。且不断的影响企业的经济效益，而投资变频器可以从根本上解决这些问题，一般情况下，完全可以改善工艺条件,并且投资回收期不超过10个月。2
21、.1.2恒压供水系统的节能分析变频恒压供水系统采用电位器设定压力，采用一个压力传感器检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制马达转速。如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过变频器作工频、变频切换起动另一台水泵，使实际管网压力与设定压力相一致。随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率或切除水泵，达到了节能的目的。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。水泵的工况点是由水泵的性能曲线和管网的特性曲线的交点确定的。因
22、此，只要这两条曲线之一的形状或位置有了改变，工况点的位置也就随之改变。所以，水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能曲线或管网特性曲线或二者同时改变来实现的。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。这种调节方式虽然简便易行，但往往造成很大的能量损失。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并改进它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。2.1.2.1水泵调速节能原理1.水泵扬程特性在水泵的轴功率一定的前提下，扬程H与流量Q之间的关系H=f(
23、Q)，称为扬程特性。其曲线如图2-2中的曲线2和曲线4所示。曲线2为水泵转速较高的情况，而曲线4为水泵转速较低的情况。2.管路的压力特性装置的扬程Hc与管路的流量Q之间的关系Hc=f(Q，)称为管路的阻力特性。其曲线如图中的曲线1和曲线3所示。曲线1为开大管路阀门（管阻较小）的情况，而曲线3为关小管路阀门（管阻较大）的情况。3.调节流量的方法如图2-2中的曲线1表示阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线2表示水泵额定转速时的扬程特性，则这时供水系统工作在A点；流量为Qa，扬程为Ha。电动机的轴功率与面积OQaAHa成正比。要将流量调整为Qb，有两种方法：1）转速不变，将阀门关小：工作点移至B
24、点，流量为Qb，扬程为Hb。电机的轴功率与面积OQbBHb成正比。2）阀门的开度不变，降低转速：阀门的开度不变，降低转速后扬程特性曲线如图2-2中的曲线4所示，工作点移至B点，流量仍Qb为，扬程Hc为，电动机的轴功率与面积OQbCHc成正比。将上述两种方法加以对比，可明显地看出，采用调节转速的方法来调节流量，电动机所用的功率将大大减少。图2-2水泵的流量调节2.1.2.2变频恒压供水系统优点相对于传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出地体现在以下几个方面：1.高效节能变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在1%40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。2.恒压供
25、水变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期用户的热水器不能正常使用的情况。3.安全卫生系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。4.自动运行、管理简便新型的变频恒压供水系统具各了过电流、过电压、欠电压、断相、短路保护，瞬时停电保护，过载、失速保护，低液位保护，主泵定时轮换控制和密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。5.延长设备寿命、保护电网稳定使用变频器后，机泵的转速不再是
26、长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软起动，避免了电动机开停时的大电流对电动机绕组和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。6.占地少、投资回收期短新型的变频恒压供水系统在水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地非常小，可以节省投资，降低运行管理费，再加上变频供水的节能优点，都决定了变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。2.1.3恒压供水系统的安全性分析异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有
27、在25s。这意味着在0.25s的时间里，水的流量从零猛增到额定流量。由于水具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性:压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。产生水锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大.在启动中，异步电动机和水泵的机械特性如图2-3所示。图中，曲线1
28、是异步电动机械特性，曲线2是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩Tj(即两者之差)。图2-3水泵的全压启动和变频启动在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩Tj Tj=Tm-Tl （2-4）由图2-3可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩Tj的大小如阴影分所示，是很大的。所以，加速过程很快。采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动大为减小。图中，曲线簇1是异步电动机在不同频率下的性，曲线2是水泵的机械特性，中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩同频率时电动机机械特性与水泵机械特性之差)。在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动大为减小，从而彻底消除了
29、水锤效应。水锤效应的消除无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。此外，由于均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因使:叶片承受的应力大为减小、轴承的磨损也大为减小。所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。2.2恒压供水系统的基本组成2.2.1可编程序控制器（PLC）可编程序控制器（PLC）自20世纪70年代发明以来，经过飞速的发展，从产品的结构种类，尤其在功能上更加完美和强大特别是20世纪末期可编程序控制器发展更适合现代化工业控制的要求，从控制规模来说，由小型机到超大型机品种齐全；从控制能力来说，有各种各样的特殊功能模块单元，用于压力、温度、转速、位移、数模、模数等各式各样的控制场合；
30、从产品配套能力来说，各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程序控制器的工业配套更加容易。伴随着工业以太网、现代总线的发展，可编程序控制器在工业控制网络的各个层面上发挥重要的作用。所以可编程序控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域中得到广泛的应用。国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义如下：PLC是专门为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可编程序的控制器。它能够存入和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系
31、统形成一体，易于扩展其功能的原则设计。2.2.1.1PLC硬件组成PLC的种类虽多、性能各异，但是在硬件组成原理上，几乎所有的PLC都具有相同或相似的结构。PLC的硬件部分由中央处理单元（CPU模块）、存储器、输入/输出（I/O）模块、电源模块、通信模块等部分组成,如图2-4所示。图2-4 PLC的硬件组成框图2.2.1.2PLC硬件组成PLC的软件由系统监控程序和用户程序组成。1.系统监控程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。2.PLC的用户程序是用户利用PLC的编程
32、语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳两种类型：一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式编程语言，如梯形图等。2.2.2变频器的基本介绍变频器属于电气设备的一种，主要用途是通过电力半导体器件的通断作用来改变交流电电
33、源频率，在实际使用中变频器还具备改变交流电电压的功能。变频器所处理的电源功率根据其制造特性而有所不同，涵盖范围可达几兆瓦。变频器的组成主要包括主电路和控制电路两个部分，其中主电路是由整流器、逆变器和直流部分构成，其中整流器的作用是将交流电转换为直流电，逆变器则是将直流电转换为所需频率的交流电。变频器中还可能被置入变压器和电池。目前市场上的变频器基本有着图2-5所示的基本构成。图2-5变频器的基本构成变频器的优点包括在调速方面的优势，包括调速性能较好、调速范围较宽等，变频器的应用为电机等设备的使用提供了更好的方案，在节能问题上提供了极大的帮助。变频器易于操作，并设有各种设备接口，这也让变频器的使
34、用越加广阔。2.2.2.1变频器的分类变频器按其供电电压分为：低压变频器 ( 110V 220V 380V ) 、中压变频器 ( 500V660V 1140V ) 和高压变频器 ( 3KV 3.3KV 6KV 6.6KV 10KV )。 按供电电源的相数分为：单相输入变频器和三相输入变频器。 变频器按其功能分为：恒转矩通用型变频器、简易型变频器、迷你型变频调速器、通用型变频器、高频电主轴变频器、电梯专用变频器、防爆变频器等。 变频器按直流电源的性质分为：电流型变频器和电压型变频器。 变频器按输出电压调节方式分为： PAM 输出电压调节方式变频器和 PWM 输出电压调节方式变频器。 变频器按控制
35、方式分为 ：U/f 控制方式和转差频率控制方式两种。 变频器按机壳外型分为：塑壳变频器、 铁壳变频器和柜式变频器。 变频器按其输出功率大小分为：小功率变频器、中功率变频器和大功率变频器。变频器通常利用变频器本身的多段速度设定法和压力传感器给出信号经PID调节器进行频率设定的方法。2.2.2.2变频器的工作原理我们知道交流电动机的同步转速表达式位： n60 f(1s)/p (2-5) n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。 转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过
36、改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。2.2.2.3变频器调速的方法目前应用较广泛的是通过传感器将压力信号转换成标准的DC420mA的模拟量信号后，将该信号送入PID调节器，经过PID仪表将压力设定值与传感器的反馈值进行比较计算后，给出一个变频器的频率给定值。其原理图如图2-6所示。压力设定变频控制器M供水管网压力变送器图2-6 PID调节器控制原理图2.2.3压力传感器压力传感器是工业实践中常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一
37、些常用传感器。1.变片压力传感器 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。2.陶瓷压力传感器抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 /
38、 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。3.蓝宝石压力传感器利用应变电阻式工作原理，采用硅蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外硅蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。 4.压电压力传感器压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和
39、磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。系统硬件设计第三章 系统硬件设计3.1生活消防合用恒压供水系统的介绍在多层居民小区中，生活消防压力差别不大，若管材选用设当或消防管路采取防倒流措
40、施，在采用变频设备及电源可靠条件下，采用生活消防合用变频供水设备使得生活泵组和消防泵组合用，基本节省一套消防泵组，便于设备管理和维护。同时设备自动化程度高，供水稳定可靠，且水质无二次污染。另外水泵软启动软停止，无冲击和管路超压的危害。所以在多层居民小区中选用生活消防合用恒压供水方式是经济型的选择。生活消防合用恒压供水系统主要由3台水泵构成，平时无消防信号时，由压力大小决定水泵的运行。用水低峰期可以运行一台电机，若用水量增加，则使得电机由变频状态转为工频状态，若用水量依旧增加，压力不足，则开始运行第二台电机，以此类推。当三台电机都为生活供水运行时，压力达到最大值，供水量也到达最大值，则为用水高峰
41、期。当用水量减少后，即压力足的情况下，遵循哪台电机先运行就先停止哪台电机。当接到消防信号时，切断生活供水，三台电机转为工频状态，以最大的出水量满足消防的供水需求。消防信号消除后，则继续转为生活供水。3.2生活消防合用恒压供水系统的控制要求该系统是由三台水泵进行供水,分别由电动机M1、M2、M3进行拖动。接触器KM1、KM3、KM5，分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6，分别控制M1、M2、M3的变频运行。生活水泵满足多层小区的用水需求，在接到消防信号后，切断生活水泵，转入消防水泵，开始进行消防供水。水池的高低水位信号也直接送给PLC，作为水位报警。为了保持供水的连续
42、性，水位上、下限传感器高低距离较少。平时关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，三台泵改为生活供水使用。在系统处于稳压状态下，变频器控制水泵组向生活管网供水的同时向消防管网供水，保持消防管网恒定在常高压供水状态,，水泵同时担当了生活水泵和消防稳压泵的作用。当发生火灾时,消防控制中心发出信号至PLC，PLC自动控制系统切换，由生活供水系统切换为消防供水系统。消防报警灯亮起，消防压力自动起动消防水泵,向消防管网供水。如图3-1所示为生活消防合用供水系统组成框图。图
43、3-1生活消防合用恒压供水系统组成框图3.3生活消防合用恒压供水系统的主电路设计三台电机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3三台电机的变频运行；接触器KM2、KM4、KM6，分别控制M1、M2、M3三台电机的工频运行；FR为三台水泵电机过载保护用的热继电器。当合上KM7，闭合KM1，电机M1变频启动，当压力1不足的时候，KM1断开KM2闭合，电机M1处于工频状态。以此类推。加上起动信号后，此信号被保持，开始起动程序，此时由PLC控制M1变频运行，当接到信号压力1不足时，M1投入工频运行，接到信号压力2不足时，M2投入变频运行，但是M1依旧处于工频状态；接
44、到信号压力3不足时，M2投入工频运行；接到信号压力4不足时，M2投入变频运行；当压力值逐渐减弱时，就开始退泵，退泵遵循的原则是哪台电机先启动就先停哪台电机。图3-2为电路控制系统主电路图。图3-2电路控制系统主电路图3.4控制电路设计3.4.1控制系统的I/O点及地址分配该系统根据要求设置14个输入端子和8个输出端子。输入端子为总起和总停，以及压力信号，在该系统中根据每一台电机的运行切换状态，将压力不足的信号依据各个电机变频工频的转换设定为压力1不足、压力2不足、压力3不足、压力4不足、手动巡检。当压力达到最大时，三台电机工频运行。当用水高峰期过后，压力开始减小，考虑到实际情况，压力减小时，就
45、要将电机一台一台的退泵，因此设定压力足6、压力足7、压力足8、压力足9以及巡检结束。这样就可以在用水高峰期是既能满足用户的需求，又能在用水量少时，避免了电机的运行，减少了电机的运行时间，延长了电机的使用寿命。输出端子为7个，其中6个为三台电机的变频工频启动，Q0.1为M1变频启动；Q0.2 为M1的工频启动；Q0.3为M2的变频启动；Q0.4为M2的工频启动；Q0.5为M3的变频启动；Q0.6为M3的工频启动。Q0.7为消防报警，当接到消防信号时，消防报警灯亮起。分配如表3-1所示：表3-1控制系统I/O口分配表输 入 端 子功 能I0.0总起I0.13总停I0.1压力1不足I0.2压力2不足
46、I0.3压力3不足I0.4压力4不足I0.5手动巡检I0.6压力6足I0.7压力7足I0.8压力8足I0.9压力9足I0.10巡检结束I0.11消防信号I0.12消防信号解除输 出 端 子功 能Q0.1M1变频启动Q0.2M1工频启动Q0.3M2变频启动Q0.4M2工频启动Q0.5M3变频启动Q0.6M3工频启动Q0.7变频电源启动Q0.10消防报警3.4.2控制电路的设计如图3-3所示，设置14个输入端子和8个输出端子。I0.0和I0.13分别为系统的总起和总停。设定4个压力足的信号，以及4个压力不足的信号。以此来控制三台电机的变频工频切换运行。设立的消防信号为I0.11，当接到消防信号时，
47、则全部切换成三台电机工频运行的状态，满足最大的消防需水量。输出端子分别表示三台电机的变频和工频状态，以及一个消防报警信号灯输出。同时设立手动巡检，水泵每隔24小时手动巡检一次，每24小时在主泵和备用泵之间自动切换。合上总起按钮，接触器KM7闭合，KM1同时也闭合，这时1号电机处于变频状态，当接到压力1不足的信号时，KM1断开，KM2闭合，电机处于工频运行状态。当接到压力2不足信号时，1号电机工频状态不变，闭合KM3，2号电机开始变频运行，以此类推。当接到I0.11消防信号时，立即关闭生活供水，即断开KM1、KM3、KM5，同时闭合KM2、KM4、KM6使得三台电机全部为工频状态，这样就能够最大需
