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| 题目 | 基于三菱PLC控制的恒压供水系统设计 | ||||||||||||||||||||||||||||
| 选题的背景、目的和意义 |
众所周知，我国是水资源相对医乏的国家，长期以来在供水技术方面也一直比较落后，自动化程度不高，而随着我国社会经济的迅速发展，城市化进程加快，对于供水系统提出了更高的要求。这种矛盾使得我们必须改变落后的供水现状，采用新技术、新方法，以满足我国在城市化进程中日益增长的供水需求。传统的供水方式主要有:恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水。恒速泵加压供水方式采用人工手动方式控制水泵的启停，无法对供水管网的压力变化做出快速响应，效率低，可靠性差，在用水量较小时，管网长期处于高压状态，爆损现象严重，目前己较少采用。水塔高位水箱供水方式控制简单，运行经济，但基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机启动电流大，频繁启动易损坏。气压罐供水方式具有体积小，技术简单等特点，但调节量小，水泵电机为硬启动、且启动频繁，对电气设备要求较高。这些方式采用人工控制方式，效率低，可靠性差，自动化程度不高，无法满足目前城市生产生活的需要。随着计算机技术、自动化技术地不断发展，随着变频技术越来越成熟地应用于各个领域，一种由计算机、PLC、变频器组成的恒压供水系统应运而生，能自动根据用水量及时做出快速响应，具有效率高、稳定性高、经济节能等优点，目前己逐渐取代传统供水方式，成为城市供水的重要组成部分。 在某些生产过程中，若自来水供水压力不足或短时间断水，可能会影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，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变频供水系统，具有较大的经济和社会意义。采用PLC控制的恒压变频系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，且对水泵、电机也起到了很好的保护作用，维护方便，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 |
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| 应用原理或项目说明 |
1.供水系统工作原理 水泵的工作原则是:控制循环工作、累计计时倒泵。当用水量增大，以致系统水压下降不能满足用水需求时，系统控制1台水泵进入变频工作，当用水需求持续增加，仅使用1台水泵不能满足用水需求时，系统将原变频泵切换为工频运行状态，同时新增加一台水泵进入变频运行模式;系统供水、用水需求逐步平衡，变频器PID控制将变频水泵停机，将工频水泵切入变频运行。同时PLC对每台水泵运行时间进行累计计时，当某台水泵累计运行时间达到系统设定限值，将控制此台水泵停机，将下一台水泵切入运行，避免部分特定水泵运行时间过长，减少水泵由于过度工作产生的磨损。 2.变频技术节能原理 恒压供水系统中使用最多的就是离心泵，该系列电机具有平方律负载特性。筛选一款水泵最主要的参考因数是流量和扬程。我们把水泵的流量又叫做供水量，它是指单位时间内经水泵传输的水的体积。一般，以符号来表示供水量，其单位可以是升秒或者是其换算结果。 水泵的扬程是指水泵正常工作时可以把水输送到多大高度，一般由符号来指代，其单位为米。水泵扬程可分为两部分构成，把水从水源中抽取到水泵中的距离，叫做吸水扬程；把水从水泵压送到用水点的距离，称作压水扬程。因此，可以写成：水泵扬程吸程扬程压程扬程。这里需要注意的是，铭牌上给出的扬程是指水泵本身在标准情况下所能产生的扬程，它不考虑水在管网中流动时受摩擦阻力而引起的扬程损失或者由于管道弯折导致的扬程损失。 扬程特性反应了用水规模对扬程的影响，即单位时间内的用水量越大，则水泵能够展现出的扬程就越小；如果水泵的转速下滑，其单位时间的能够提供供水量也会减少，扬程特性曲线将被迫下移。管阻特性是为了在管网中得到某一单位时间供水量所需要的扬程大小，管阻特性与管道尺寸及阀门闭合度有关，如图1。调节流量的方法主要有两种，第一种是阀门控制的方法，其本质是不改变水泵自身的供水能力，而是借助供水管网的管道阻力变化来调节系统供水的能力（即供水流量），以满足用水对象对流量的要求。这种控制方式下，管阻特性是阀门闭合度的因变量，随之变化。扬程特性保持不变，如图2所示。 图2中，曲线1表示水泵在额定功率状态下的扬程特性曲线，曲线3表示水泵在低功率状态下的扬程特性曲线，曲线2表示所有楼层中的阀门全打开时管阻特性，曲线4表示管道中的阀门关小时的管阻特性。 设目标流量从Q2缩减为Q1，当借助加大阀门闭合度来完成时，管阻特性将下移到曲线4位置，而扬程特性则将仍处在曲线1位置，故供水系统的稳定点从a点转移到b点。这时，流量减少了但扬程却从e增大为d。水泵供水功率与流量和扬程的乘积成正比，由公式P=CQH(C是功率计算比例系数)，可知供水功率P随着面积Sogbd、正比例变化。第二种调节流量的方式就是转速控制法，利用水泵的转速变化来调节流量，同时不改变阀门闭合度，保持在最大开度。 阀门闭合度不变的情形下，扬程特性是水泵转速的因变量，随之变化，而管阻特性保持不变。仍以上面所假设的条件为例，当转速下滑时，扬程特性下移到曲线3位置，管阻特性却仍在曲线2位置，于是稳定点转移到点c。在流量减小为Q1的同时，扬程减小为f;供水功率P与面积Sogcf成正比。对比以上两种流量调节方式，能够得出:调节阀门闭合度控制流量的方法，只改变供水管网管阻特性，水泵的扬程特性不变。采用变频调节水泵速度的流量控制方法，管阻和水泵的扬程都会发生变化，而且明显比较出面积Sogcf小于面积Sogbd。因此可以得出变频调节水泵流量的方法比调节阀门的方法节省能量。  图1 管阻、扬程特性曲线  图2 管阻、扬程移动曲线 水泵运行过程中流量Q、扬程H、功率P与转速n之间的关系为下式  ； ；由于 ,所以 由此可以看到，通过转速调节控制水泵运行在节能方面有很大的优势。 |
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| 项目论证与实施方案 |
在进行正式写作之前的半年前开始，一方面查阅文献，一方面对恒压供水系统的相关部件进行学习和了解。目前已初步获得了较系统的部件参数，工作原理和使用方法，并系统熟悉了相关基础理论、系统收集了相关重要文献。 在对本课题进行实施过程中，大致分为三个步骤，首先确定恒压供水系统的控制方案，接下来对恒压供水系统的硬件进行选择和设计，最后对恒压供水系统的软件进行设计，完成整个系统。 |
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| 选题特色和预期成果 |
人类的生活和生产处处离不开水，所以一个好的供水系统可以给人们的生成生化带来极大的便利，本课题的特色在于可以提供一个稳定的变速恒压供水系统，供水使的水压可以十分稳定，而且没有储水池等，避免了二次污染，而且因为采用了变频调速的方法，所以还可以达到节能的功效。并且系统的自动化程度很高，运行维护的费用很低。 本课题预期完成设计一个带有变频功能的恒压供水系统，包括硬件设计和软件设计，并且撰写相对应的设计论文。 |
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| 工作进度计划 |
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| 主要参考文献 |
[1]冯薇。电气控制与可编程控制器，化学工业出版社。 [2] 戴一平。可编程序控制器技术及应用，机械工业出版社。 [3]三菱公司。三菱微型可编程控制器使用手册，FX系列。 [4] 吴启红。变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用，机械工业出版社。 [5]赵逸平。建筑给排水设计中水泵选用实例，建筑工业出版社。 |
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| 指导教师意见 |
指导教师签名: 年月日 |
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| 二级学院审核意见 |
签章: 年月日 |
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