開題報(bào)告

電氣工程及自動(dòng)化

基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義

水是人類生活、生產(chǎn)中不可缺少的重要物質(zhì)，在政府及社會(huì)倡導(dǎo)節(jié)水節(jié)能現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能都及其短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水、小區(qū)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低，但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，住房制度改革的不斷深入，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多和人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、可靠性提出了越來(lái)越高的要求，也直接體現(xiàn)了城市小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。

傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有:恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水、液力藕合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式。傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源;效率低;可靠性差;自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。尋求供水與能耗之間的最佳性價(jià)比，是困擾企業(yè)的一個(gè)長(zhǎng)期問(wèn)題。目前各供水廠的供水機(jī)泵設(shè)計(jì)按最大揚(yáng)程與最大流量這一最不利條件設(shè)計(jì)，水泵大多數(shù)時(shí)間在設(shè)計(jì)效率以下運(yùn)行。導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)與水泵之間常常出現(xiàn)大馬拉小車問(wèn)題。因此，如何解決供水與能耗之間的不平衡，尋求提高供水效率的整體解決方案，是各個(gè)供水解水企業(yè)關(guān)心的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。隨著人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，需要利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，要求設(shè)計(jì)出高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)供水廠的復(fù)雜環(huán)境的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。

隨著科學(xué)的發(fā)展，變頻器的使用也越來(lái)越廣泛，不管是工業(yè)上還是家用電器上都會(huì)用到變頻器。可以說(shuō)，只要有三相異步電動(dòng)機(jī)的地方，就有變頻器的存在。也隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓的恒定來(lái)滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。

變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。在早期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能上。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為了滿足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱大量的資料的情況來(lái)看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒(méi)有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本較高。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器。

目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶的要求。

在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正朝著高可靠性、多品種系列化、全數(shù)字化微機(jī)控制的方向發(fā)展。追求高度智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化是未來(lái)供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。

變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用于生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場(chǎng)合的供水要求，該系統(tǒng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)的水壓，是過(guò)程控制量，同其他一些過(guò)程控制量(如:溫度、濃度、流量等)一樣，對(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性。

(2)用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏璧纫蛩氐挠绊懀瑫r(shí)又由于水泵自身的一些特有的特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)。

(3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異性，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性以及不確定性。

(4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入，而定量泵的控制是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化。所以認(rèn)為變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)時(shí)變化的。

(5)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果十分顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

(6)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動(dòng)器故障等)時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。

二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題：

研究的基本內(nèi)容：

1)

基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的系統(tǒng)組成以及工作原理。

2)

基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的PLC程序的設(shè)計(jì)。

3)

狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換控制的電氣設(shè)計(jì)方案。

4)

上、下位機(jī)的通信模塊。

擬解決的主要問(wèn)題：

1、掌握基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理。

2、基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。

3、PID算法在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。

4、完成上、下位機(jī)的通信設(shè)置，通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障報(bào)警。

三、研究步驟、方法及措施：

步驟及方法：

(1)了解國(guó)內(nèi)外PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

(2)掌握基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理。

(3)重點(diǎn)討論P(yáng)LC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)、PID算法在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用以及上、下位機(jī)的通信設(shè)置，通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障報(bào)警。

(4)

設(shè)計(jì)一套由PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、多臺(tái)水泵機(jī)組、計(jì)算機(jī)、通信模塊等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動(dòng)變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

(5)得出結(jié)論。

措施：

圖書館查找相關(guān)的書籍、期刊、雜志等，通過(guò)上網(wǎng)尋找相關(guān)的一些資料，查看當(dāng)代對(duì)該技術(shù)的研究成果和最新的動(dòng)態(tài)。然后通過(guò)對(duì)這些資料的學(xué)習(xí)和研究進(jìn)一步的熟悉和理解設(shè)計(jì)所需的相關(guān)知識(shí)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中及時(shí)與指導(dǎo)老師探討，對(duì)不了解的問(wèn)題及時(shí)向老師請(qǐng)教。

四、參考文獻(xiàn)

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