基于远程无线技术的水泵变频调速供水系统设计的研究报告
2013/5/29 19:45:33 点击：
基于远程无线技术的水泵变频调速供水系统设计的研究报告
一、 水泵变频调速供水系统技术背景
目前，我国经济发展迅速，人民的生活水准不断提高，居住环境更是日新月异。其中人们对生活用水的质和量的要求也越来越高，而中国是一个水资源相对匮乏的国家，尤其在西北和东北地区，现有水资源与日常生产、生活用水的矛盾更加突出。
在这一背景下，水资源——尤其是自来水的合理开发和有效使用就成为一个非常重要的课题。在这一课题中，应首先掌握自来水的生产、使用各环节的原始数据。但是由于现在所采用的供水方式和现有管理方法的约束，无法准确获取供水设备的实际运行情况，给自来水公司进一步加强的对外服务质量和现代化管理水平带来了困难。另外，随着工业自动化、计算机网络技术的发展，变频器作为交流调速的重要手段在工业生产中获得越来越广泛的应用。当今世界能源紧张成为全球性问题，节能更显重要，而变频器的应用对电力、石油、化工、冶金、水资源等工业中的风机、水泵、压缩机等，取代传统挡风板、节流阀，可根据负荷大小适时控制风量和流量，显著提高节能效果。
另外，还可以改善和适应运行环境，平滑加减速、提高加工工艺等功能。 本系统将最先进的GPRS无线网络技术,应用到水泵变频调速供水系统中，使远程监控对象参数(如电流、电压、频率等数据及报警信号）通过GPRS无线方式实时传输给控制中心，实现在控制中心的计算机上同时对许多不同地点的水泵进行远程监控，能够及时掌握水泵的运行状况 ，为自来水公司供水决策提供可靠的依据。控制中心的上位机通过无线通讯与GPRS调制解调器进行信息传输，GPRS调制解调器再通过串口与变频器相连，从而达到异地远程无线控制变频器的功能，上位机通过监控组态软件实时对变频器操作、监控、及故障报警，提高了控制的灵活性。
此项设计的创新点是利用GPRS无线网络技术对变频调速系统进行远程控制，它可应用于城市供热、水文监测等方面，尤其在城市供水和农田灌溉方面具有广阔的应用前景。针对目前城市供水的现状，泵站的分散，水厂中心不能及时了解每个泵站的具体供水情况，应用此项设计，可以直接了解每个泵站的供水情况，进行远程的监测和控制，并依据科学的供水决策控制工程网版权所有，进行供水设置，达到水资源的合理利用，既节约用水，又可做到节约能源，同时还节约了人力。目前我国水资源严重短缺，如果将此项技术应用于农田灌溉，可以大大提高水资源利用率。
二、水泵变频调速供水系统设计
2.1 系统组成
水泵变频调速供水系统是由水泵、变频器、GPRS无线调制解调器、安装监控组态软件的PC机组成，如图
2.2 监控组态软件
水泵变频调速供水系统软件采用力控PCAuto3.6监控组态软件。该软件提供通过internet/intranet浏览器直接监控工业现场的解决方案，数据传输采用事件驱动方式，因此当在internet上远程访问监控画面时，具有更好的实时性；支持以GPRS、CDMA等移动方式与控制设备和力控网络节点通讯，GSM手机短信报警管理系统方便管理报警信息。这些特点可以很好的和WM-100DTU进行无限通讯，完成控制任务。操作步骤如下：
2.3 GPRS无线调制解调器
GPRS（Genera packet radio Service）是通用分组无线业务的简称。GPRS是采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，理论最高速率可达171.2kbit/s，实际速率依赖于GPRS网络。GPRS具有永远在线、按流量计费、通信速率高、组网方便、覆盖范围广等特点。
本设计采用实达WM-100 DTU系列工业级GPRS无线调制解调器行业版产品，其内部集成了高速嵌入式处理系统，提供TCP/IP协议栈。利用其串行通讯口和变频器连接控制工程网版权所有，向变频器输入参数，同时从变频器提取参数，掌握系统运行状况。
水泵变频调速供水系统概述：
水泵变频调速供水系统是中赢供水公司专业技术人员在传统供水设备的基础上开发的一种能直接与自来水管网连接、且对自来水管网不产生任何负作用的成套给水设备;突破了传统的供水方式离不开蓄水池，蓄水池中的水一般由自来水管网供给，这样有压力的水进入水池后变成了零，造成大量的能源白白浪费。它可以完全取代蓄水池，能充分利用自来水管网的压力直接供水或间接供水，避免了能源的二次浪费和二次污染，大幅度节省了基建投资并缩短了施工工期
水泵变频调速供水系统由智慧型变频控制柜、稳流罐、水泵机组、仪表、阀门及管路、基座等组成，适用于一切需要增高水压、恒定流量的给水系统。
水泵变频调速供水系统节能
设水泵变频调速供水系统吸水口的自来水管网压力为P自，水泵的出口设计压力为P设，则水泵的出口实际压力将降低至P实=P设-P自(不计因水泵阻力等造成的压头损失)，但自来水管网压力在一日之内变幅较大，当用户为24h用水时，通常按最小自来水管网压力P自min考虑，故一般水泵额定压力按Pe=P设-P自min选用。此时，水泵额定压力与实际压力之差为Pe-P实=P自-P自min≥0，因此当水泵按工频(50Hz)运行时，将造成能量的浪费。
若采用变频器带动水泵，水泵的实际工作转速是以水泵出口的压力值为主参数，即实际出口的压力值始终恒定在P设上而不会造成压力水头的损失。其工作过程是：
首先微机检测压力传感器的实际压力值，若P实< p>
水泵变频调速供水系统产品特点：
2、安装简便、节省占地面积：水泵变频调速供水系统既可配置卧式稳流罐，亦可配置立式稳流罐。两种稳流罐具有不同的特点：卧式稳流罐占据空间小：立式稳流罐占据面积小。
3、用途广泛、适应性强：水泵变频调速供水系统可作生活给水，消防给水、可配置任意型号的水泵，当设备用于消防时，宜配备消防专用水泵。
4、功能全、智能化程度高：采用了先进的人机变频控制技术，具有软启动，有过载、短路、过压、欠压、缺相、过热和失速保护等功能。在异常情况下进行信号报警，自检、故障判断等、还根据用水量的高低自动调节给水流量。
5、产品先进、质量可靠：使用的配件，经过了诸多生产厂家的筛选，具有可靠的质量保证，产品中的关键零部件，如：电机、水泵轴承、变频器、短路器、接触器、继电器等采用了国际、国内优质名牌产品。
全自动变频调速供水设备设计思路:
1)设计了全密闭的、兼有缓冲用途和动态补偿用途的水源箱罐，与目前市场所谓无负压罐相比，更具有实际意义，并使控制系统得以简化。
2)该系列产品控制系统充分总结了本生产企业及国内外变频的设计制造经验，采用规范通用的控制系统技术方案，可换用任意厂商的变频器、调节器、PLC和其他元器件，调试维修特别方便，为产品的终身服务奠定了良好基础，不会因技术进步而导致服务问题。
3)该系列产品控制系统具有较高智能性，设计中充分考虑了机、电、仪协调配合，具有欲速则不达的检测监视和简单方便的人机交互主要功能。具有全面的故障保护主要功能和对策，变频器故障保护时，自动降级运行(成为工频自动水泵变频调速供水系统)，自动系统故障时，还可手动操作应急备用，赢得维修时间。
4)可按要求选配各种通讯接口、协议，从而可连接各种人机界面、监控计算机，可与各种控制网络，通信网络相接，适用于特殊、复杂的运行控制和联网监控要求。可为用户开发配套监控软件。
全自动变频调速供水设备配件:
隔膜式气压水罐按国标91SS852标准图集制造。
配管采用无缝钢管、热浸镀锌钢管、热浸镀锌无缝钢管。
采用一体化组合系列整体钢支座支承。本图集隔膜式气压水罐支座形式是按裙座绘制的，也可以采用支承式支座。
本设备为上置式时应设隔振措施。水泵机组在设备安装橡胶隔振垫过程中必须采取防止水泵机组倾倒的措施录水泵机组隔振垫设备安装后，在设备安装水泵机组进出水管道、配件及附件时，变必须采取防止水泵机组倾斜的措施，以确保安全施工。
气压罐设有泄水装置，在管路系统上设安全阀，远传压力表等附件。
设备的外围应有排水设施，便于维修时泄水或排除事帮漏水。
设备与墙面或其它供水设备之间应留有足够距离，一般不小于700mm。
设备应进行整体水压试验，水压强度试验及严密性试验，要求按现行有关规定执行。
水泵变频调速供水系统的连接管道、配件、气压水罐等外表面应刷防锈漆两道，气压水罐内表面应刷无毒防腐涂料。水泵、电机、管道设备安装技术要求均按有关技术规定执行。
全自动变频调速供水设备产品特点：
1、节省赞助：节省赞助50%左右，无需修建蓄水池或屋顶水箱，采用叠压供水，减小设备初期投入。
2、高效节能，运行成本低： 可充分利用市政管网供水压力，差多少、补多少、不产生负压、与传统供水设备相比可节能30%—90%。停电也可维持市政管网水压供水。
3、智能化程度高，操作简单，节省人力：由全自动智能化控制器控制，自行根据用户的用水量和管网的自来水压力进行调节，实行无人值守。并且采用人机界面(文本、数字)显示，使客户更加直观的看到设备的运行状况。
4、环保卫生:全封闭运行，彻底消除水源二次污染。
5、保护主要功能齐全：具有完美的过载、短路、过压、欠压、缺相、过流、短路、水源缺水等自动保护主要功能。在异常情况下能进行信号报警、自检、故障判断等。
6、占地少设备安装方便：只有一组供水控制柜、无负压稳流罐和水泵机组三部分，设备安装非常简单方便。
7、延长设备的使用寿命：水泵变频调速供水系统对多台泵组均能可靠的实现软启动，使电网和管网免冲击，并且轮流运转，大大延长了水泵及电机的使用寿命。设备寿命可延长3倍以上。
全自动变频调速供水设备选型说明：
主要由变频控制柜、压力传感器、水泵等组成。变频控制柜由断路器、变频器、接触器、中间继电器、PLC等组成。
1.系统选用原则
(1)蓄水池容量应大于每小时最大供水量。
(2）水泵扬程应大于实际供水高度。
(3）水泵流量总和应大于实际最大供水量。
(4)变频控制柜选型：
用户可根据供水量和供水高度确定水泵型号及台数，然后对控制柜进行选型。
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