基本信息
- 项目名称：
- 城市恒压供水系统的优化改进与节能
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本供水系统当今流行的模糊PID控制器理论进行设计，采用独立的变频器控制独立的水泵电机，节能效果将更加明显，当用户需要一个比较大的水压值时，可以同时启动多台水泵，使水压值很快达到设定的压力值，控制精度及可靠性、安全性方面得到很大地提高。从长期的角度来看，多台变频器所节省下来的能量远远超过了所增加的变频器的成本，此系统设计成功，将可广泛应用在社会中的各个方面，如高楼大厦等场所，具有很大的市场推广价值。
- 详细介绍：
- 本文是针对传统恒压供水系统的不足，提出了一种更为先进可靠的系统。传统的恒压供水系统采用一台变频器拖动多台水泵来进行控制的，刚开始只能拖动一台水泵，当这台达到工频后，则依次拖动其他水泵，这个过程当中，由于变频切换到工频工作，除变频节能效果不明显外，会给管网压值带来冲击，时间久了，存在一定的安全隐患，容易损坏器件，可调恒压值的范围很小，当所要设置的压力值不在可调范围内，需要重新改造系统，极为不方便。如今，随着科学技术的发展，工控产品的成本越来越低，以及“绿色环保，节能增效”的思想越来越深入人心，设计出一个先进而更加节能的系统显得尤为重要。本文就是在这样的基础上，采用多台变频器拖动多台水泵电机变频运行，用模糊PID控制器作为系统的理论基础，对用户管网电压进行精确的控制。 我们对系统的原理结构及控制流程进行的研究，并给出了相关的上位机模拟。总体思路是：通过压力传感器采集过来的管网压力信号经模糊PID控制器处理后传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分由PLC、变频器、PC监控机、传感器、压力变送器等构成，软件部分包括上位机的监控软件或者触摸屏监控、PLC控制程序等。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 随着社会经济的迅速发展，城市对供水质量和供水可靠性的要求不断提高，利用先进的智能技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的供水系统成必然趋势。传统供水的控制方法存在许多弊端，主要表现在: 1、能源浪费较大。当流量减少，减小阀门开度时，电机仍然在额定转速下运行，有相当一部分能量消耗在水流与挡板的阻力之上。 2、电机在起动时，起动时间用不了1秒，在这1秒的时间内，管道内的水流量从零迅速增至额定流量，流量的急剧变化在管道内产生过高或过低的压力，产生所谓的“水锤效应”。 采用变频调速技术可改善起动性能及运行特性，提高电力系统的系统效率。我们设计的方案是:多台电机均带变频控制，即水泵独立变频控制系统，反馈控制信号串接在多台变频器上，进行恒压供水。每台智能变频控制器独立控制一台水泵，水泵的工作方式更加的灵活，能在流量极度变化下保持恒压，使水泵工作状态切换时用户管网水压波动更小，供水质量更高。系统的可靠性和安全性大大的增强。每个水泵都是软启动，对电网和用水管网的冲击小，节能效果将会更加的明显。 主要技术指标：水泵独立变频控制，采用模糊PID控制器，使恒压供水系统中的水压始终维持在一定的误差范围之内，具有很好的鲁棒性。
科学性、先进性
- 本作品采用独立的变频器控制独立的水泵电机，水泵的工作方式更加的灵活，能在流量极度变化下保持恒压，使系统的可靠性和安全性大大的增强。每个水泵都是软启动，对电网和用水泵工作状态切换时用户管网水压波动更小，供水质量更高，水管网的冲击小。 在多个水泵并联独立变频恒压的供水情况下，当用水流量下降，变频调速泵的转速下降(变频器供电频率下降)；当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台变频泵使之超出并联供水。为了减少变频泵自动投入或超出时的冲击(水力的或电流的冲击)。上述频率自动上升，下降由供水变频控制器控制。 此外，本作品还分析了目前普遍采用的PID算法的不足，针对供水系统的时滞非线性，新的系统采用模糊PID控制策略，控制速度提高5-10s，而且能够消除控制过程中的静差，提高了控制精度。新设计的城市恒压独立变频控制系统的采用，将会大大减少供水工程中能源耗损，提高供水系统的安全性可靠性。
获奖情况及鉴定结果
- 由于此课题是新的课题，暂时没有获得奖项
作品所处阶段
- 实验室研究阶段
技术转让方式
- 暂时无
作品可展示的形式
- 模型、图纸、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品恒压独立变频供水系统的核心是变频调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低。对于用水流量经常变化的场合(例如生活用水)，采用调速调节流量，具有优良的节能效果。变频恒压供水节能的效果主要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。 本作品设计了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由多台变频器拖动多台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经模糊PID控制器处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。文中重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。根据现场需要，对上位机上的监控软件进行总体方案设计。
同类课题研究水平概述
- 恒压供水在我国发展于上世纪80年代后期，变频恒压供水装置根据设定水压来自动调节电机泵的转速和泵组的台数，从而满足用户对水量水压的需要。对于循环冷却水压力的闭环控制，经历了一个逐步完善的发展过程。目前，变频调速在生活给水、建筑给水和工业给水中应用越来越广泛，其主要原因是: l、变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。但在选泵时应注意，泵的扬程宜大一些，因为变频调速其最大压力受水泵限制。最低使用压力也不应太小，因为水泵不允许在低扬程大流量下长期超负载工作，否则应加大变频器和电动机的容量，以防发生过载。 2、目前，变频技术已很成熟，任何品牌的变频器与变频供水控制器配合，即可实现多泵并联恒压供水。有些变频器设计生产厂家还把变频器供水控制器直接做在供水专用变频器中，使其可靠性更好，使用更方便。 3、变频调速恒压供水具有优良的节能效果。由水泵一管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有两种方法，一是节流调节，开大供水阀，流量上升，关小供水阀，流量下降;二是调速调节，水泵转速增高，供水流量增加，转速下降，流量降低。对于用水流量经常变化的场合(例如生活用水)，采用调速调节流量，具有优良的节能效果。 随着智能控制技术的迅速发展，变频调速技术在供水系统领域得以运用，实现了水泵电机的无级调速，能够极大地改善管网的供水环境。供水系统可根据供水管网的用水情况，根据管网瞬间压力变化，通过智能控制器，实时自动调节水泵电机的转速和多台水泵电机的投入及退出，使管网主干出口端压力保持在恒定的压力设定值，有效地防止水路管网湍振而出现管路爆裂现象。 国外生产的变频器多为通用型且单机控制（即一台变频器拖动一台单机），功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、压频比控制以及各种保护功能。在中、大容量的变频恒压供水系统的应用中，为了满足供水量大小不同时能够保证水管管网压力恒定，需在变频器外部提供压力闭环调节。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速。对于水管管网压力的闭环调节和多台水泵的循环控制方案，采用PLC，单片机和工控机予以实现。 这些技术上的快速发展都为设计一个先进性的恒压供水系统奠定了坚实的基础。
