变频调速自动控制高楼供水系统的研究

河南科技学院2009届本科毕业论文（设计）变频调速自动控制高楼供水系统的研究学生姓名：_赵宁_所在院（系）：_机电学院_所学专业：_机电技术教育_导师姓名：_洪源_完成时间： 2009年5月18日_摘要 本论文的主要内容是变频调速恒压供水系统。该系统改变了以前生活和消防两套独立供水的模式，同时克服了传统有塔有箱供水方式的缺点，是一种节能、占地少、投资小、系统安全可靠、维护和管理方便的供水控制系统。本论文基于变频器内置PID调节系统，以管网的压力变送器压力信号作为反馈信号。同时，系统设计考虑了夜间低流量状态下，水泵机组停止运行，由气压罐进行低流量供水，避免了系统频繁启停。关键词: 恒压供水系统，变频器，单片机， The Research of Frequency Automatic Control in High-rise Water Supply Systems Abstract The main content of this thesis is a fixed pressure water supply system of VVVF. The system is integrated with the living water supply and fire fighting water supply. The system is with the virtue of energy saving,smaller volume,lower investment,higher reliability and easier for maintenance and manage compared with the traditional water supply method with tower and bank. The system is based on the inner PID regulate function of frequency converter to regulate the living water stress with low constant stress,and the stress signal is sensed by the stress translator as feedback signal. The system is also designed to supply the water by air pot with low flux at night when the demand of water decreases and pump is stopped.The design avoids the systems pausing frequently.Key words:system of fixed pressure water supply, frequency converter,single-chip microcomputer目录1绪论11.1双恒压供水系统的目的和意义11.2消防、生活供水的特点11.2.1生活、消防供水方式11.2.2消防管道中，水的二次污染问题21.3论文的主要工作22恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理22.1双恒压供水系统工作原理32.2.1双恒压工作原理32.2.2系统工作原理32.3循环变频供水控制43 系统构成与设计44变频调速恒压供水理论分析54.1工艺调节过程简介64.2变频调速调节系统64.2.1调速原理64.2.2恒压供水系统的组成94.2.3调节系统的传递函数104.2.4变频恒压供水频率变化分析115节能分析125.1水泵的基本参数和特性125.2水泵调速运行的节能原理146变频器166.1变频器输入输出接口166.2变频器的外围设备选择167 软件流程188结论20参考文献22附件23致谢271绪论随着社会的高速发展，城市的高层建筑越来越多，高层建筑的供水愈加显得重要。供水系统一旦失控，必将给人们的工作和生活带来麻烦，甚至造成巨大损失，并且，随着城市建设的发展，由市政给管网所提供的水压一般满足不了高层建筑给水及消防系统的要求。为此，设计一套安全、可靠、高质量的生活、消防供水系统给高层建筑供水，己显得迫在眉睫。1.1双恒压供水系统的目的和意义变频调速双恒压系统(以下简称双恒压系统)，是现今高楼供水的一个新兴的课题。首先，它把传统的消防、生活两套供水系统综合在一个系统中，通过特殊的方法，兼顾生活、消防各自供水的特点和差异性，既能保证正常情况下高质量生活供水，又能保证消防状态下可靠的消防水源。其次，双恒压供水系统，能根据不同的季节，不同的供水时段，以及各种意外的情况作出反映，保证系统管网的恒压，减少供水欠压和过压两种不合理现象。改变了传统的恒速泵，或水塔、水箱供水方式的缺点;也避免了像水塔或水箱二次污染的可能，使设备和系统平稳和可靠，同时节能显著。此外，构造这样一个控制系统可减小占地面积，降低一次性投资，系统安全可靠，维修管理方便。本论文就如何构筑这样一个系统提出了一套较完备的方案，对此方案的实际运用，做了较深入的理论探讨，并结合工作实际，做了一套切实可行的系统。1.2消防、生活供水的特点传统的消防、生活供水方式是分别独立的两套系统，这样既不经济又不合理，而且在真正发生火灾时，系统的可靠性使人置疑，并且人为地增加投资成本和运行费用。多层住宅建筑的生活、消防给水系统的设置目的和运行方式不同。消防用水必备但不常用，是应急使用系统，力求简单，应尽可能减少设备;生产(生活)用水是常用系统，但所需水量时大时小。如合理地采用加压供水系统，并使消防、生活供水系统有机结合，则不仅可以大大减少不必要的投资，而且能省去日常的维护费用。1.2.1生活、消防供水方式(1) 多层住宅建筑生活、消防给水系统的设置特点多层住宅的生活给水系统常有市政直接给水、屋顶水箱给水、变频泵或气压设备给水。生活给水系统的压力不高，不必竖向分区。而7-9层的住宅建筑一般设有屋顶生活水箱，其生活、消防给水系统常采用水池-泵-箱给水方式。生活水池可以设在多层住宅的地下室内，也可以集中设置在多层居住建筑的小区内。另一种是采用水池-变频泵给水方式，屋顶可不设生活水箱。多层住宅内的室内消火栓用水是为5L/s。其生活用水量往往大于室内消火栓用水量，特别是小区内共用给水系统时，消防用水量占生活用水量很小的比例。但是，消火栓需要有一定的充实水柱，故消火栓给水的扬程要高于生活给水。(2) 不设水箱的多层住宅室内生活消防共用给水系统 根据住宅设计规范利用同一套给水管网供生活和消防给水系统使用，不设屋顶水箱，采用变频泵作为生活给水泵，以保证最不利处给水的水流、水压，满足最高层住户水表前的静水压力不小于0.05Mpa。消防时，由消火栓旁的按钮启动消防泵。这里可以不在生活给水管路上安装紧急关闭阀。不设屋顶水箱由变频泵直接供水的给水方式，若再专设一只消防专用水箱在住宅顶部也不尽合理。这主要是因为，由于消防与生活管网合在一起，消防专用水箱对生活的水质卫生不利，且不便管理维护，也给建筑的屋面处理带来一定的困难。根据79层住宅防火设计的特点，结合所在地区的消防特点及灭火装备，合理使用这种给水方式具有一定的意义。1.2.2消防管道中，水的二次污染问题既然是共用系统，生活与消防的配水管网在正常情况下是一体的，消防管在任何时候都处于有压满水状态，消防水在消防管道中长时间的不被使用，极易产生二次污染，当系统水泵停止工作期间，消防水管中的水有可能回流到共用管网中，造成对生活给水的不良影响。解决上述问题，物业管理部门定期对消防部分进行开泵运行，并适当打开若干个消火栓，使消防管道中的水保持定期流动，可以大大降低水的二次污染的机率和由此带来的影响。1.3论文的主要工作本论文的主要工作是变频调速自动控制恒压高楼供水成套装置(包括生活和消防) 的研究与开发，采用无塔和无箱供水方式进行设计和实施，其实施结果证明是可行的，具体而言，本论文的主要工作如下:构筑双恒压供水系统(设计、论证)。系统详细构件组成(变频器、单片机及电器辅助驱动器件等)，及这些构件选用的理论依据。整个系统调速过程和节能的理论分析。系统通讯实现(包括变频器、单片机通讯的硬件实现和软件实现)。单片机、变频器、外围接口的连接及单片机的编程。2恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理2.1双恒压供水系统工作原理2.2.1双恒压工作原理为满足生活用水按低恒压值H供水，而消防时按高恒压值H供水，可按生活和消防要求的流量和压力分别设定H和H。在泵组投入运行之前，生活气压罐进行补气;补气压力比系统压力低0.02Mpa，气压罐主要用于维持系统的必要压力(H)。系统得到指令给生活管网供水，生活调速泵启动，压力变送器将管网压力转变成420mA的电信号，送入变频器的AI、AI口，通过A/D转换成数字信号和给定值(生活供水时为H)进行比较，差值送入内置PID进行PID运算，结果控制变频器的频率输出，当管网压力H低于给定值(生活状态下为H)时，差值为正，PID正向积分控制变频器输出，频率增加，水泵加速，管网恒压趋于H。反之，管网压力高于给定值(H)时，差值为负，PID反向积分，变频器输了频率降低，水泵减速，管网压力H趋于H，以达到管网的压力稳定。当用水量不是很大时，一台调速泵就能满足供水，当用水量大时，调速泵全速运行也不能满足管网压力恒定，压力的下限信号和变频器的工频信号同时被系统检测到时，单片机将自动将该泵由变频运行转为工频运行，同时再投入一台变速泵，增加供水一固定值，仍由调速泵调速恒压。当用水量减少时，首先表现为变频器己工作在最低转速下，这时压力上限信号仍然存在。这时单片机自动控制恒速泵切除，由一台变速泵给系统供水，以维持正常供水量。设备在运行中，遇火情，发出高恒压H的指示，系统即可转入H高恒压值给定来运行，满足消防用水的需要。从而实现了一套设备满足两种供水要求的双恒压供水设备。2.2.2系统工作原理 变频供水设备采用单片机控制变频调速装置, 具有控制水泵恒压和变压的功能。该自动控制系统通过安装在水泵出水管上的远传压力表, 把出口压力变成(05 )V的模拟信号,经前置放大、多路切换、A/D变换成数字信号, 送入单片机, 经单片机运算并与给定参量进行比较, 得出一调节参量, 经由D/A变换把这一调节参量送给变频器, 控制其输出频率变化。用户需水量与频率的变化有关: 用水多时, 频率提高, 水泵电机转速加快; 反之, 频率降低, 水泵处于低速状态, 达到节能、恒压的目的。当系统所需流量降至所配小型气压罐及小水泵最大供水能力时, 主泵暂停, 系统由气压设备供水。这样既可确保管网压力恒定, 又可大大节省电能, 供水系统的结构如附表2所示。2.3循环变频供水控制系统控制三台性能相同的大水泵和一台小水泵，其中大水泵中总有一台(任意一台)处于变频调速状态,其它为恒速或停机等待状态,小水泵与气罐是为小流量和夜间供水所需,当然,气罐在大水泵自动切换时也起到缓冲水压波动的作用,表1是三台大泵和一台小泵的切换程序表：（其中大泵贡品流量为Qk，调频流量Qf，最低调频流量Qt，则QkQfQt，小泵流量为Qg）。被控量为消防和生活水管网的压力信号。表2.1 水泵切换程序表用水流量Qu变频电机工频电机状态QtQuQg小泵起泵QkQuQt大泵12QkQuQk大泵2大泵13QkQu2Qk大泵3大泵2, 大泵1QkQu2Qk大泵3大泵2QtQuQk大泵3QgQuQt小泵QuQg关泵水泵切换程序是根据设定的基准压力与远传压力表测定的现场压力信号之差来控制的。当时, 通过计算我们增加输出电流的大小, 提高变频器的输出频率, 从而使变频泵转速加快, 实际水压得以提高, 减小; 如果, 则降低转速, 使实际压力减小,|减小。这种调整要经历多次, 直到。这样, 实际压力围绕设定压力附近波动, 保证了压力恒定。如果实际压力太小, 本台调频泵调整到最大供水量仍不足以使, 则使本台变频泵切换至工频, 而增加下一台为变频泵工作; 反之, 如果实际压力过大, 本台变频泵调到最小流量也不足以使, 则关闭上次转换成工频的水泵, 再进行调整。这样, 使每台大泵在工频和变频之间切换, 大泵之间做到先开先停, 后开后停, 即所谓循环调频, 合理利用资源。 3 系统构成与设计变频恒压供水系统由控制柜，压力传感器，异步电动机及水泵组成，由此构成一个压力负反馈闭环控制系统。压力传感器将管道中的水压值变换成电信号(420mA)，送入变频器内置PID比较，其偏差值经控制运算后，去控制变频器的输出频率，通过上位机对当前压力信号的反应，再由单片机控制四台水泵电机在工频电网与变频器输出之间切换，改变四台水泵的运转状态和转速，实现压力调节。整个系统电控部分以 ATMEL公司的 AT89C51单片机为核心芯片, 由两线制 1151远传压力变送器、A/D转换器 MC14433、LE4520三相 PWM集成电路等主要部件, 控制信号采集、处理、输出三个过程。由于系统要求控制线较多, 如果采用 8031外置 EPROM程序控制结构, 则造成控制线不够; 而 AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有 4KB快闪可编程 /擦除只读存储器的 8位 CMOS微控制器, 使用高密度、非易失存储技术制造, 并且与 8031引脚和指令系统完全兼容。可以利用 P0、P2口作控制总线, 大大简化了硬件结构, 并可以直接控制键盘参数输入、LCD数据显示, 方便现场调试和维护, 使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。用 8155芯片扩展键盘、显示电路, 可显示采集到的电压信号值和设定电压值, 其硬件结构框图如图 3.1所示。 图3.1 电控硬件结构框图保护电路通常有变频器保护或异步电动机保护两种, 该系统采用变频器保护电路, 从而保护电机和变频器。变频器保护主要是过压保护和过流保护, 变频器过压、过流保护电路多种多样, 此系统采用一种电阻取样的过压、过流保护电路。其原理如图 4所示。传动装置用了芬兰ABB公司生产的ACS601变频器，适用于异步电机无级调速控制。该变频器的输出控制方式为恒V/f,以及IGBT大功率晶体管模块。其优点之一是具有高的切换频率，可输出低谐波分量的正弦波，在低速时电机有更大的输出转柜，降低电机的损耗和噪音，减少了电机运行时的温升。变频器可将输出频率在控制范围内连续可调，控制精度为0.1Hz，从而达到电机依据负载的变化连续平滑调速，减轻了电机的运转抖动。由于变频调速实现异步电机软起动，降低电网的损耗提高了电机运行时的中，以致于可以省去为改善功率因数的电容补偿柜及相应控制设备。ACS601有内置的RS485口可以实现同上位机的通讯。现场压力选择用2块DBY-121压力变送器，量程分别为:00.75MPa和01.0MPa，及2块电接点压力表量程为0.10MPa和0.6MPa。4变频调速恒压供水理论分析4.1工艺调节过程简介系统由泵组及单片机，压力传感器、控制柜等单元设备和器件组成。其中变速变量泵是利用变频器改变电机工作频率来改变水泵的输出流量，利用速度变化来恒定系统压力的。当系统投入运行时，压力传感器检测管网压力并将信号传送到变频器和单片机，在变频控制软件和单片机的作用下，系统根据不断收取到的管网压力信号，发出变频调速泵运转速度的指令，从而实现无论用水量怎样变化，管网压力始终保持在设定压力范围，变化误差符合国家标准的要求，即（为额定运行时的磁通），将引起电机磁路过分饱和而使励磁电流增加，功率因数降低；若，将使电机的容许输出转矩下降，电机的功率得不到从分利用，因此变频调速一般应使气隙磁通保持不变。根据电动机的等效电路，如图4.2所示，图4.2 感应电机T型等效电路图在忽略定子漏阻抗压降 （4.3）的条件下，定子的相电压U与气息磁通和频率f之间的关系为 （4.4）式中, Nk为定子绕组每相的有效匝数，当电机确定后，为一常数。由式（4.4）可知，在f变化时，电机的端电压U必须与频率f成正比变化，才能保持不变，即 （4.5）电动机的电磁转矩T为 （4.6）式中,p为电动机的磁极对数,R、x为定子每相绕组的电阻和额定频率f下的漏抗；R、x为转子每相绕组折算到定子侧的电阻和额定频率f下的漏抗；s为转差率，即 （4.7）式中，n为一频率下的同步转速 （4.8）在额定电压U和额定频率f时,T=f(n)曲线如图4.1中实现时所示。令，求得电动机的最大电磁转矩T为 （4.9）在变频调速过程中，保持U/f=C（常数），也就是保持气隙磁通近似为常数，若令f=f，则U=U，此时的电磁转矩 （4.10）相应的最大转矩为 （4.11）式中 n额定频率f下的同步转速正常运行时，s很小，约在5%之内，式(4.10)中sR忽略不计。在一定的负载转矩下，变频调速运行时，转速之差(n-n)将不变，转矩特性(稳定运行段)在常数运行方式下，当不同时，它为一族平行的曲线，如图4.1实线所示。从式(4.11)可看出，由于定子电阻R的存在，随着运行频率的降低，R与电抗相比，R的作用愈来愈大，使最大转矩将明显减小。 恒压变频供水系统中负载转矩与电机实际输出转矩的配合根据电力拖动系统的动方程式，在忽略空载转矩条件下，电磁转矩，这样，运动方程式为: （4.12）式中，为系统的飞轮矩。从图4.1可看出，负载转矩特性和电机机械特性的交点，就是转矩的平衡点，从图中曲线的变化可知，这些点也是稳定运行点。可见，在基频f以下实现调速，调速范围比较大，即使考虑低频下的影响，仍可使系统稳定可靠运行，非常适宜供水系统昼夜用水量变化较大的场合。由于采用恒压频比的控制特性，使整个调速运行中，保持额定磁通保持不变，从功率因数看，是最好的控制特性。4.2.2恒压供水系统的组成由图4.3知，水泵在运行中压力传感器将压力检测点(管网的中部)的管网压力H信号传输给变频器内置PID，当管网压力H低于设定压力H时，变频器内置PID向变频调速器发出提高电源频率的信号，变频调速器将电机转速提高后，水泵的转速也相应提高，出水量增大，管道压力H也随之升高，当H高于H时，变频器内置PID发出降低电源频率的信号，水泵的转速相应下降，水泵转速的提高与降低完全根据压力检测点的压力高于或低于设定压力H来调节。因此，系统供水压力其本上维持在设定压力即最不利工况范围内供水，也就是基本保持恒压供水。在变频调速恒压供水过程中，水泵工况点的变化见图4.4所示。当H、H高于H时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线A、A，向A方向变化，此时水泵转速逐渐降低，水泵杨程也由H，H逐渐下降，当H低于H时，其工况点变化与上述相反即由A逐渐向A移动，使管网系统供水始终保持恒压。当管网用水由Q，Q向Q移动时，通过改变水泵转速使H保持恒定，见图4.5。图4.3 恒压供水装置框图图4.5 水泵变速恒压工况图4.4 水泵工况点的变化4.2.3调节系统的传递函数取流量为调节对象，其传递函数框图如图4.6。其中:H总管压力给定值;H被调总管压力，kpa;偏差，;v(t)变频器转速指令函数;W (s)PID调节器传递函数;W(s)调节对象传递函数(包括变频器转速特性，压力变送器特性等)。 (4.13) (4.14) 图4.6 控制框图其调节过程及曲线如下：时，为正，直至；时，f恒定，电机恒转速转动；时，为负，直至。4.2.4变频恒压供水频率变化分析如图4.7为变频调速恒压给水的水泵曲线图，当流量由Q变化至Q时，恒速泵扬程必定会升至B处，由于恒压线定在H，压力传感器检测出压力上升趋势后，反馈增加输出信号，使变频器降低频率控制水泵，减速至n，使之保持恒压H，节省扬程BB。随着水泵转速的降低，工况点将从A沿恒压线逐渐变化至B，C流量随之减少，当n下降至n，Q-H曲线的最大扬程为H，在n以下时，因为Q-H曲线最大扬程小于H，水泵扬程将不满足要求。按这一原理水泵的转速只要从额定转速变化至n时，可供小于Q的任一流量，水泵的工况点沿恒压线从AD变化。实际上以上的原理是在水泵曲线为:的情况下，即中，k=0水泵的最大扬程为零流量时扬程的情况下成立。 当k0时，实际水泵曲线分如下两类:(l)曲线的峰点在Q=0时的右侧(见图4.8)，此时水泵变频将到n时出水量为Q，水泵转速继续下降将不出水，Q为水泵变频后的最小出水量，此时的转速所对应的频率为最低调节频率。(2)水泵曲线(见图4.8)，当流量逐渐减少到某一流量Q时，水泵扬程不再上升或上升幅度极小，曲线几乎平行于恒压线，此类水泵变频后，当水泵的转速下降至n时，流量Q转速继续下降时水泵将不出水，转速n所对应的频率为变频调速给水设备水泵的最低调节频率。 由此可知，以上两种情况，水泵变频后的最小出水量有一临界值Q，此值图4.7 水泵变速恒压供水工况 图4.8 水泵工况随水泵的不同其值也不同，设有n台水泵组成的变频供水设备，当用户的用水量为: XQ+Q(X=0,1,2,n-1其中Q为水泵的工频流量)时，设备将出现x台水泵因无法供出小于Q的水量，而出现反复的启、停现象，此区为设备的“流量失调区”。水泵调速具有一定范围的，不同的水泵有不同的调速范围，不是任意可调的，其它范围由水泵本身的特性和用户所需的扬程决定。当选定某型号的水泵时可确定此水泵的最大调速范围，再根据用户的扬程确定具体最低调频范围。在实际工程设计及选择水泵时，应尽量选用Q-H特性曲线较陡型水泵，并在设备调试时，恒压线(即设定扬程)尽量靠近水泵Q-H特性曲线高效区的下半区，即扬程较小处。5节能分析采用变频调速恒压供水，改变了传统采用改变出水阀的开口度来调节流量和压力的方法，避免了能量的大量浪费，下面就从水泵和管网的特性及节能的具体运行原理加以说明。5.1水泵的基本参数和特性离心式水泵广泛应用于工业和生活供水系统中。其输出特性取决于水泵的种类和供水管网系统的阻力特性。离心泵的H-Q曲线如图5.1所示。水泵轴功率按下式计算: (5.1)式中P轴功率（kW）;Q工况点的流量(m/s); 图5.1 离心泵的特性曲线H工况点的扬程（m）;介质的单位体积重量（kg/m）;N工况点的效率。每台水泵只有在原设计工况点(A点)时，泵的使用效率才为最高点，偏离这个工况点(在B、C两点)效率就会降低。根据以上分析，按照供水系统的实际流量Q和扬程H以及与之相对应的水泵使用效率。可以算出水泵经济的轴功率P。即: (5.2)这样整个供水系统的节能潜力为: (5.3)式中 P水泵消耗的总轴功率;T水泵运行时间。水泵在管道输送时，受到管网阻力的作用，图2.13绘出了供水管网的H-Q阻力曲线。管网装置特性可以从阀门全开时测得的各种数据由下式求得: （5.4）K阻力系数;H泵进出口水位差。由图5.2可知泵的特性曲线(l)与管网阻力曲线（2）的交点即为泵的正常使用工况点。从管网特性上求得管网实际所需的性能以及泵与管网性能的匹配情况，以此作为水泵节能依据。 图5.2 供水管网的阻力曲线5.2水泵调速运行的节能原理图5.3为水泵调速时的H-Q曲线。水泵运行在泵特性曲线N与管网阻力曲线R的交点D。传统的流量控制用阀门控制时，由于必须关上阀门才能减小流量，使阀门对供水的摩擦阻力变大，阻力曲线从R移到R，扬程则从H升到H，流量从Q减小到Q。运行工况点从D点移到A点。用变频调速控制时，阻力曲线R不动，泵的特性曲线取决于电机的转速，如果把速度从n降到n，工况点将从D点移到C点，扬程将从H降到H，流量从Q减小到Q与阀门控制时输出的流量相同。 图5.3 水泵调速运行时的H-Q曲线根据公式(2.13)求出运行时在A点的泵轴功率为:，C点泵的轴功率为:，两者之差: （5.5）也就是说，用阀门控制流量时有的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小增加;用转速控制时，由水泵叶轮相似定律，流量Q、扬程H、轴功率P和转速n之间的关系为: ; ; ;由这些关系可知:流量、扬程、轴功率分别与转速的1、2、3次方而变化。采用变频器改变电动机的转速从而达到调节流量的方法，其扬程特性曲线(H-Q)及功率特性曲线(P-Q)对于转速的变化如图5.4所示。对于特定的管路，当流量为Q,需要扬程为H时，可在泵特性曲线上求得工作点A, 假定此时泵的转速为额定转速n以满足要求，相应的功率是P;当流量Q从降低到Q时，由管路要求此时扬程为H，所以出现了Q时的工作点B，其相应的功率是P;此时若有变频器实现转速控制，由图5.4看出可获得AB大小的节电效果。 图5.4 变频调速特性6变频器近20年来，以功率晶体管GTR为逆变功率器件、8位微处理器为控制核心的、按压频比U/f控制原理实现异步电动机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。6.1变频器输入输出接口本系统选用的变频器为ABB公司的ACS60l系统，针对本系统的应用情况，可将变频器端子上的信号分为(如图6.1所示):输入信号:变频器的压力反馈信号AI口接远传压力表的反馈信号。R.S.T为电源输入。输出信号:RO:为数字量输出口，变频器内部出现故障时，进行指示。RO:为数字量输出口，变频器运行指示。RO:为数字量输出口，变频器停止运行指示。U、V、W为接三相异步电动机。通讯:本变频器完成与上位机的频率、电流、电压、管网压力、故障状况，给定等参数进行通讯，通过NDCO的CH、CH口实现。整个变频器端子示意图如附录中变频器接线图6.1。 图6.1 变频器接线图6.2变频器的外围设备选择通常变频器的外围设备如图6.2。图6.2 变频器的外围设备变频器容量的选择a、 应满足变频器的额定输出容量S. （6.1）式中U最高频率时电动机端电压; I最高频率时电动机的额定电流;N电动机台数;K 波形修正系数(取1.051.1)。上式表明，变频器额定容量大于电动机组额定容量（）。由于高次谐波的影响，将使电机的损耗增加，故加入波形修正系数K，再乘以安全系数1.1。b、 应满足变频器的60s过载容量S （6.2）式中N同时起动的电动机台数;I最高频率时电动机的起动电流。上式表明，变频器60s过载容量大于电动机组起动容量，两者相差波形系数K及安全系数1.1的数量关系。c、 应满足变频器额定输出电流I （6.3）式中I单台电机最高频率时的额定电流。上式表明，变频器额定电流大于电动机组的额定电流，两者相差一个安全系数1.1和波形系数K。d、 应满足变频器允许的60s过载电流I （6.4）式中，I最高频率时电动机的起动电流。即变频器60s过载电流大于电动机组的起动电流，两者相差一个安全系数1.1和波形系数K。但在实际变频器容量选择中采取大于电机一个等级的办法。对于轻载起动和风机泵类负载，变频器额定电流一般按电动机的1.1倍选，对于恒转矩负载或需要频繁起动和制动运行的负载，变频器的容量应适当增大，一般应1.2倍的电动机的额定电流。本系统根据选用的电机功率为37kw，则选用的变频器型号为ACS601-0045 45kw两台。l)电源变压器电源变压器(T)的作用是将高压电源变换为变频器所需要的电压等级。考虑到变频器输入电流中所含高次谐波对电源侧功率因数的影响，再考虑变频器的运行效率，一般其中，变频器输入功率因数在无输入交流电抗器1ACL时取0.80.85，有IACL时取0.60.8;变频器效率取0.95;变频器输出功率应为所接电动机的总功率。2)电源侧断路器QFQF一是用于电流回路的正常通断，二是当出现过流或短路故障时能自动切断电源，防止事故扩大。其选择原则同一般断路器。3)电磁式接触器1KM用于变频器的投入与切除，在变频器发生故障或失压时，切断电源，防止电网失压后复电而变频器不经正常程序自动起动对设备及人身造成危害。2KM和3KM用于变频器与工频电网间的切换运行;2KM和3KM间的联锁可防止变频器输出端接到工频电网上。不过，有些变频器要求2KM只能在电动机和变频器停机状态下开闭，1KM3KM的选择同一般接触器。7 软件流程根据以上硬件系统要求, 该系统应用程序由主程序、子程序和中断服务程序等组成, 为了便于程序分析和调试, 应用程序采用了结构化模块程序设计。其主程序如图7.1所示: 其中控制参量的PID算法是工程控制中常用的比例、积分、微分算法, 以消除环境控制参量的静差、突变、滞后等现象, 减小控制误差和缩短系统稳定时间。因此, 工程控制中, 人们把这种算法写入芯片, 制成硬件模块, 控制不同的系统参量。这里, 我们在实际中发现因为水压系统稳定性较好, 而其精度控制相对显得重要些, 所以我们采取PID增量算法, 提高控制精度,减少响应时间, 并大大降低了成本。PID增量算子程序流程图如图7.2所示。 图7.1 主程序流程图图7.2 PD增量子程序256次读数取平均值框图8结论给水系统由三台大水泵和一台小水泵组成，其中大水泵中总有一台处于变频调速状态，其它为恒速或停机状态，小水泵是为小流量和夜间供水所需。当控制系统检测到系统压力低于设定值时，自动启动1泵投入变频运行。随着用水量的增多，当1泵在设定的变频范围内仍不能维持系统压力时， 1泵自动转入工频运行，同时，自动启动2台泵投入变频运行。依次类推。当检测到的压力大于设定值时，首先降低变频运行泵的转速，仍不能满足要求时，1泵退出运行。若系统压力仍高于设定值，则按照先投入先退出的原则，依次退出2泵、3泵、，以实现泵组轮换作业。在夜间用水量非常少的情况下，机组进入暂停工作的休眠状态。休眠状态下，系统压力设定值可适当降低。也可采用小水泵维持系统休眠状态下的小流量工况。当管网压力小于设定值下限时，唤醒变频器使之重新开始工作。工作在低压状态下，保证给水管网末端用户所需要的水压和水量，同时保持消防管网的一定水压和水量。保证了水质的卫生标准和水量的稳定性。火灾时，根据消火栓的紧急按钮指令或消防指令信号启动(手动或自动)消防水泵在启动消防泵的同时，消防泵的工作状态也由低压状态转入常高压状态下工作，保证消防管网消防所需要的水压和水量。但为使此供水系统安全可靠，此供水系统要求有独立的供电电源或独立的供电回路，保证泵房给水的安全可靠，以保证火灾区断电不断水，同时该系统应该用双路自动切换电源，以确保消防水泵的用电可靠安全。变频调速恒压供水用于高层建筑群和住宅小区，可节约设备投资，而且集中管理维护较为方便，既可靠又经济。此外，此供水方式和每幢楼有屋顶水箱或用气压罐给水方法比较，有许多优点。用此方式供水，随时都能保证消防管网所需要的水压和水量，根据用水量大小自动调节给水量、自动增加或减少运行工作泵，节省电力，压力稳定，不会有超压或欠压运行的现象。在变频器发生故障时，能自动切换到工频供电继续维持供水。水泵发生故障时，故障泵退出，备用泵自动投入。不仅可以全自动运行，而且可以无人值守，方便维修管理。本论文设计变频器调速恒压供水系统具有以下几方面特点:具有自动/手动双运行功能。自动状态下可实现无人值守自动恒压、自动转入消防供水状态;手动状态下可作不定期的检查和紧急状态下的紧急操作。具有双电源供电，自动/手动供电电源切换功能。具有自动定期巡检功能，系统可靠性高。由于采用变频调速恒压，恒压精度高，压力变化0.02Mpa;节能效果显著，节电率在15%40%左右。消防供水或生活(生产)供水中，任何一台水泵出现故障，系统会自动启动备用泵满足供水。采用变频调速技术实现交流电机平滑调速，使交流调速系统的性能指标能与直流调速系统媲美。多台电机均能可靠地实现软启动，避免了启动电流过大对电网的影响，且大大延长了设备的使用寿命。常压单泵运行，欠压两泵运行，满足节能需要。同时，与其它供水系统相比，具有以下几方面的优点:不设高位水箱、减轻建筑物负荷、节省基建投资、缩小施工工期。消除了水源再次污染的可能性。以变频调速控制水压、实现全天恒压供水。消防供水响应速度快、供水压力均衡适量。自动化程度高，可实现无人值守智能化运行。设备使用寿命长，维护工作量小。参考文献1陈国呈.变频调速技术.北京：机械工业出版社，1999.2朱宇光.单片机应用新技术教程.北京：电子工业出版社，1999.3何立民.单片机应用技术选编.北京：北京航空航天大学出版社，1997.4房小翠，王金风.单片机实用系统设计技术.北京：国防工业出版社，1999.5黄立培，张学.变频器应用技术及电动机调速.北京：人民邮电出版社，1997.6李朝青.单片机原理及接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，2005.7杨琦.朱研.多层住宅建筑的生活、消防共用给水系统.给水排水.2000.第8期8陈时菊.多层住宅生活、消防共用给水系统的几点思考.长春工程学院学报.2002.第2期9陈耀宗.建筑给水排水设计手册.北京建筑出版社.199410厉无咎.变频调速恒压供水系统.上海电器.1995.第38期11姜乃昌.水泵及水泵站.北京.建筑出版社.199412王丽敏.高频调速恒压供水系统压频控制特性的研究.排灌机械.1999.第4期附件附表3 程序主程序 ORG 0000H LJMP MAIN ；上电转向主程序 ORG 2000H ；主程序 MAIN:MOV SCON,#00H ；串口初始化 CLR C ；位清零 LOOP1:MOV R0,#F3H ；赋初值 DATA:MOV A,20H ； MOV R1,A ；可变参数初值 MOV A,80H ；串口数据采集 MOV DPTR,#JMPTAB ； JMP A+DPTR ；JMPTAB:AJMP ROUT00 ；显示 ACALL PID ；PID计算 AJMP ROUT01 ；电流量 AJMP ROUT02 ；继电器信号 AJMP ROUT03 ；报警中断 AJMP ROUT04 ；输出控制信号 MOV TMOD,#02H ； MOV TH0,#06H ；延时 JC LOOP1 ； SJMP DATA ；有无修改要求PID子程序 PID:CLR P1 ;入口 AVR:MOV R2,#00H ；16位中间寄存器 MOV R3,#00H ； MOV R4,#00H ；设累加次数为256D AVR1:MOV A,P1 ；输入读数 AID A,R3 ；加入中间寄存器低8位 JNC AVR2 ；无进位则暂存结果 INC R2 ；有进位则中间高8位增1 AVR2:MOV R3,A ；暂存低8位中间结果 DJNE R4,AVR1 ；未完循环 CLR C ； SUBB A,R1 ；求压差 JNC NEXT ；无借位A大 MOV A,R1 ；否则大者送A MOV 62H,R0 ；i的结果存入62H MOV 63H,R1 ；p的结果存入63H RET ；返回256次读数取平均程序:AVR: MOV R2,#00H ;16位中间寄存器 MOV R3,#00H MOV R4,#256H ;设累加次数为256DAVR1: MOV A,P1 ;输入读数 ADD A,R3 ;加入中间寄存器低8位 JNC AVR2 ;无进位则暂存结果 INC R2 ;有进位则中间寄存器高8位增1AVR2: MOV R3,A ;暂存低8位中间结果 DJNZ R4,AVR1 ;未完循环 RET致谢本论文的完成，自始至终渗透着洪源老师的悉心指导，从论文选题、理论研究、系统开发的整个过程，处处渗透着导师的心血和辛劳，在几年的学习中，我不仅学到了丰富、系统的专业知识和独立进行科研工作的方法，而且导师渊博的知识、严谨的治学态度、求真务实的工作作风、勇于探索的精神以及对科学孜孜不倦的追求也深深教育和鞭策着我。这将使我在今后的生活、工作和学习中受益非浅，特向导师表示衷心感谢，并致以崇高的敬意，感谢导师对我的培养、帮助和关怀。本论文的完成还得到了同学们的大力支持和帮助，在此一并感谢最后感谢评审本论文的各位专家和老师，感谢他们对作者论文工作的大力支持。 赵宁2009年5月18日31