变频恒压供水控制系统原型设计与开发..doc

变频恒压供水控制系统原型设计与开发 目 录 1 绪论 1 1.1变频恒压供水系统产生的背景及研究意义 1 1.2 变频恒压供水系统国内外的研究现状 1 1.3 本文主要的研究内容 3 2 供水系统的基本原理 5 2.1 供水系统的基本特征 5 2.2 变频调速供水的原理 6 2.3 水泵调速运行的节能原理 7 2.4 变频恒压供水系统的特点 9 2.5 本章小结 10 3 变频恒压供水系统的理论分析及方案的确定 11 3.1 变频恒压供水系统理论分析 11 3.2 变频恒压供水控制系统方案的确定 14 3.3 本章小结 21 4 变频恒压供水系统的软硬件设计 22 4.1 系统主要硬件构成 22 4.2 系统电路设计 26 4.3 PLC程序设计 30 4.4 本章小结 35 5 变频恒压供水监控系统设计 36 5.1 PLC与上位机的通信 36 5.2 上位机监控界面设计 39 5.3 本章小结 44 结束语 45 致谢 46 参考文献 47 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程与流量之间的关系曲线，如图2.1所示。由图2.1可以看出，流量越大，扬程越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程与用水流量之间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程与流量之间的关系。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程越大，流量也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量之间的关系。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1中A点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。如图2.1所示： 图2.1 供水系统的基本特征 2.2 变频调速供水的原理 变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。 交流电动机分为同步机和异步机两大类型。其中异步电动机定子三相对称绕组空间相隔,当通以三相对称电流时，产生旋转磁场，旋转磁场的转速，即 异步电机的同步转速为： （r/min） （2－1） 异步电机的转差率为: （2－2） 异步电机的转速为: （2－3） 式中： ——异步电机的定子绕组电源频率 ——异步电机的磁场极对数 ——异步电机的转差率 ——异步电机的同步转速(r/min) ——异步电机转速（r/min） 由上面式子可以看出，要改变电机的转速，可以通过改变电源频率、极对数以及转差率三个方面来实现，各种交流电机的调速都是围绕着这三个方面来考虑的，其调速方法有：变频调速、变极调速和变转差率调速。 在众多调速方式中，变频调速优于其它交流调速方式。在上面式子中，当极对数不变时，电机转子转速n与定子电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。 变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。 2.3 水泵调速运行的节能原理 水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。 在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。 阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过