供水厂电气及仪表控制系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

供水厂电气及仪表控制系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

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（ ～ 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。 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、显内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 示、观察和控制的装置的总称。 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。 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 、 冲击等环境内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 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。 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 台潜水泵内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 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。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 第二章 控制方案拟定 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，内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 延长了设备的使用寿命。 变频调速恒压供水的节能原理 图 供水系统的基本特性 图 如图 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 H f (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 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 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。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 常见供水系统的安全性问题 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 所示。 表 电机直接启动和变频调速软启动的对比 表 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 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 9 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 就可以从静止状态加速到额定转速状态。 这 就 意味着 ， 在 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 JT J M LT T T 水泵在直接启动过程中， 加速过程很快。 当系统。