畢業(yè)設計(論文)開題報告學 生 姓 名：學 號：專 業(yè) ： 機械工程及自動化設計 (論文 )題目 ： 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)原型設計與開發(fā)指 導 教 師 :開題報告填寫要求1．開題報告（含“文獻綜述” ）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；2．開題報告內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；3． “文獻綜述”應按論文的格式成文，并直接書寫（或打印）在本開題報告第一欄目內，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15 篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊） ；4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標 GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2009 年 3 月 15 日”或“2009-03-15”。畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告1．結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000 字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述摘要 隨著社會經濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產的影響日益加強，人們對供水的質量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、現(xiàn)代控制技術于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。文獻綜述介紹了變頻恒壓供水系統(tǒng)的相關應用技術和資料。關鍵詞 變頻調速 恒壓供水 PLC1 變頻恒壓供水控制技術發(fā)展背景眾所周知，水是人類生產生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的今天，我國由于水資源和電能短缺比較嚴重，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產循環(huán)用水等方面技術一直比較落后，而且自動化程度低。這主要是由于受陳舊的供水設備和輸送管路的限制，例如在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低，水供不應求的現(xiàn)象；而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高，水供過于求的現(xiàn)象，此時將會造成能量的浪費，同時有可能使水管爆破和用水設備的損壞。因此如何保證在供水量波動的時候水壓恒定，采取變頻調速恒壓控制是現(xiàn)代供水控制系統(tǒng)的主要方式。它利用 PLC、傳感器、變頻器及水泵機組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使管網壓力保持恒定，代替了傳統(tǒng)供水控制方案，具有自動化程度高，高效節(jié)能的優(yōu)點，在小區(qū)供水和工廠供水控制中得到廣泛應用，并取得了明顯的經濟效益。2 變頻恒壓供水控制技術特點變頻調速技術，簡單講就是通過改變定子供電頻率來達到電機調速的目的。由于異步電機的同步轉速與輸入電源頻率成正比關系，所以改變輸入電源的頻率就改變了電機的同步轉速，這也就達到了交流電機的調速要求。變頻器就是利用變頻調速技術開發(fā)的典型產品，兼有調頻調壓兩種功能。現(xiàn)在，變頻調速技術已被國內外公認為交流調速領域里最理想調速方式。變頻調速的優(yōu)點是可以做到無極并精確調速，調速范圍大，變頻調速系統(tǒng)可同時滿足調速精度和節(jié)能兩個要求，達到高性能、高動態(tài)、高品質的行業(yè)標準。并且正日益向著智能化、自適應、自診斷的方向發(fā)展，給各種實際應用帶來很大的方便和經濟效益。當今微電子技術迅速發(fā)展，器件質量好，也為能供應高性能，高可靠性，高控制精度的變頻器創(chuàng)造了條件。恒壓供水技術是指無論用戶端用水量大小，總保持管網中水壓基本穩(wěn)定，這樣既可滿足各部位的用戶對水的要求，又不使電動機空轉，造成電能的浪費。恒壓供水系統(tǒng)的特點：高效節(jié)能，按需要設定供水壓力，根據(jù)管網用水量來變頻調節(jié)水泵轉速，使水泵始終在高效率工況下運行，同普通的無塔供水設備相比，節(jié)能效果達 20％。起動平衡，保護功能完善，起動電流可限制在額定電流以內，消除了水泵電機直接起動時對電網的沖擊和干擾，并且設備控制系統(tǒng)具有短路、過流、過壓、過載、欠壓、過熱等多種保護功能，大大提高了工作效率，延長了水泵的使用壽命。當變頻器發(fā)生故障時，能夠自動轉換至工頻運行，確保供水不間斷。突然停電后再來電，設備能夠自動啟動運行。變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的主要特點是:高效節(jié)能，運行合理；投入小，效率高；配置靈活，自動化程度高，功能齊全，安全可靠；由于能對水泵實現(xiàn)軟停和軟啟，可消除水錘效應；操作簡單，省時省力。因此，變頻器恒壓供水系統(tǒng)必定將成為供水系統(tǒng)的主流。3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的關鍵技術3.1 PID 控制技術在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 Proportional ( 比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱之為 PID 控制。PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點:理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。在供水系統(tǒng)的設計中，選用了具有 PID 調節(jié)模塊的變頻器來實現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。3.2 PLC 與上位機通信技術由于本系統(tǒng)采用計算機作為上位機實現(xiàn)監(jiān)控，故必須實現(xiàn) PLC 與計算機之間的通訊。三菱 FX2N 系列 PLC 的通訊接口為 RS－422，而計算機采用 RS－232 串行通訊接口，要實現(xiàn)通訊，必須進行接口類型的轉換。與計算機鏈接，是用專用協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，考慮到距離原因，選用 RS-485 通信方式。為此在 PLC 和計算機之間增加擴展的通訊模塊 RS232C/RS485 信號轉換器 FX-485PC-IF、RS485 通信適配器 FX0N-485ADP 和 RS-485通信用功能擴展板 FX2N-CNV-BD。其中擴展板 FX2N-CNV-BD 安裝在 PLC 內部，只起接口變換的作用。通過正確連接，可完成 RS-232 與 RS485 之間的信號轉換，其傳輸距離最大達 500 米。3.3 MCGS 組態(tài)軟件技術 MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于 Windows 平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。MCGS 為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網絡等功能。使用此組態(tài)軟件進行變頻恒壓供水系統(tǒng)的動畫運行和調試。 4 變頻恒壓供水控制技術國內外發(fā)展的態(tài)勢傳統(tǒng)的供水方式主要有:恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水。恒速泵加壓供水方式無法對供水管網的壓力做出及時的反應，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負荷運行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網長期處于超壓運行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴重，電機硬起動易產生水錘效應，破壞性大，目前較少采用。水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經濟合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大，占地面積大，維護不方便，水泵電機為硬起動，起動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要應用于高層建筑。氣壓罐供水具有體積小、技術簡單、不受高度限制等特點，但此方式調節(jié)量小、水泵電機為硬啟動且起動頻繁，對電器設備要求較高、系統(tǒng)維護工作量大、而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵工作在低效段，同時出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了其發(fā)展。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，難以適應當前經濟生活的需要。隨著交流電機變頻調速技術的日臻完善，變頻調速恒壓供水方式可以很好地克服傳統(tǒng)供水方法的缺點成為一種很有發(fā)展前途的供水方式。變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。隨著變頻技術的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓功能的變頻器，像日本Samco 公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式” ， “變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。它將 PID 調節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多 7 臺電機（泵）的供水系統(tǒng)。這類設備雖微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)（如 BA 系統(tǒng)）和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速。對于水管管網壓力的閉環(huán)調節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 PLC 及相應的軟件予以實現(xiàn)；有的采用單片機及相應的軟件予以實現(xiàn)。這兩種控制方案，從可靠性方面講，PLC 優(yōu)于單片機，從經濟性方面看，單片機優(yōu)于 PLC。在變頻與工頻電源的切換技術上，多數(shù)采用主電路串接軟啟動器的方法進行降壓啟動，也有采用切換時封鎖變頻器的控制脈沖，使變頻器輸出為零，再切換到工頻電源上。這兩種方法，前者容易實現(xiàn)，軟起動器一般為成品部件，但設備投資較大；后者設備投資少，但頻率波動大，易引起水管管網壓力不穩(wěn)定。系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為（現(xiàn)已更名為艾默生）電氣公司和成都希望集團（森蘭變頻器）也推出了恒壓供水專用變頻器（5.5kw－22kw） ，無需外接 PLC 和 PID 調節(jié)器，可完成最多 4 臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現(xiàn)代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 EMC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應用于生活、生產實踐。5 結論變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、現(xiàn)代控制技術于一體，采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性。研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。所以我將運用所學知識，綜合各種軟硬件資源，完成變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計與開發(fā)。參 考 文 獻[1] 宋序彤. 我國城市供水發(fā)展有關問題分析[J]. 北京：城鎮(zhèn)供水，2001(2).[2] 魏景田. 基于變頻調速的恒壓供水系統(tǒng)[J]. 北京：科技資訊，2008(2). 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