恒压供水调速系统

2024-10-08

恒压供水调速系统（精选11篇）

恒压供水调速系统篇1

随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质的不断提高, 变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统, 广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。然而, 由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备, 所以, 此技术用在对原有系统的改造过程中, 既可以体现变频控制恒压供水的优势, 又可以尽量保留原有的设备, 有效的节省了大量的资金, 并且可以保证系统的可靠的运行。

恒压供水的基本思路

采用电机调速装置控制水泵组调速运行, 并自动调整水泵组的运行台数, 完成供水压力的闭环控制, 在管网流量变化时达到稳定供水压力和节能的目的。系统任意设定供水压力值, 其与反馈总管的实际压力值通过PID调节后控制调速装置, 以调节水泵机组的运行速度, 从而调节系统的供水压力。

恒压供水技术采用的调速装置基本上都是变频调速器。而系统控制器的选用经过了单板机, 单片机、温控器、可编程序控制器 (PLC) 的发展过程。PLC控制的变频恒压供水系统目前是恒压供水控制的主流, 它以可靠性高、编程简便、灵活性强、系统自动化程度高等诸多优点而受到普遍欢迎。PLC不仅可以实现数字PID调节功能, 并可完成水泵组的监控、自动抽真空、自动抽剩余水等一系列控制功能, 并可实现系统的优化控制, 以达到最佳的节电效果。

在中小型水厂的管网系统中, 由于管网是封闭的, 泵站供水的流量由用户的用水量决定。泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的用户的用水要求为前提。而管网从泵站到压力最不利点的压力损失 (△H) 和流量 (Q) 之间存在着如下关系:

设HST为压力最不利点所需要的最低压力, 则泵站出口总管压力H按下式的关系供水, 则可满足用户的要求, 又有最佳的节电效果:

因此, 供水系统的设定压力应该根据流量的变化而改变较为合理。这种恒压供水技术称为变量恒压供水。采用这种方式供水时系统必须检测泵站的出水流量, 在我国目前的情况下, 流量计的稳定性、可靠性和准确性都不高, 用流量作为控制量会对系统的控制性能和可靠性产生较大的影响。因此这种调节方法在实际工程中应用较少。但流量变化的规律基本上可以掌握, 因此在大多数场合, 都采用时钟控制器定时自动改变设定压力的方法来近似流量的变化规律。实践证明这种分时可变恒压供水的方法可以达到比较理想的控制效果。

在有些场合, 考虑到停电时的供水问题, 采用恒压供水系统后还需要保留高位水池。这种情况下由于管网不是全封闭的, 不能根据管网流量的变化来确定供水压力。一般根据经验确定一个比较合适的供水或根据高位水池的水位高低来调节供水压力。

由于变频器价格比较昂贵, 在恒压供水技术改造时, 一般采用一台调速泵和多台恒速泵并联运行。当管网流量变化时, 采用开停恒速泵进行大调, 利用调速泵进行细调。调速泵选择泵站中的大泵, 使调节范围较大。恒速泵的功率以小于调速泵额定功率的三分之二大于调速泵额定功率的二分之一为好, 这样既可以保证调速泵运行于高效区, 以提高调速泵的运行效率, 又可以保证调速泵有较宽的调节区域, 以减少恒速泵的开停。

应用实例

下面以某水厂的PLC控制全自动变频恒压供水系统为例, 来介绍系统的组成、功能和控制效果。

水厂二级泵站中有三台阶25KW大泵和两台132KW小泵。每台泵的出口配有电动阀。原系统机组由自耦变压器降压启动装置启动运行。管网中有一个两千立方米的高位水池。

1. 系统组成及功能

系统原理如图1所示, 主要由变频器、PLC和低压电气元件组成。系统与原系统的自耦变压器降压启动装置及阀门控制器组成一个整体对五台机组进行自动控制。功能如下:

A.五台泵可在任何时候选择进入或退出本控制系统。变频器可对三台大泵软启动调速运行, 由PLC控制变频/工频切换。两台小泵可自动通过启动柜投入系统运行。变频运行机组和对应的启动柜实现可靠的电气和软件互锁以保证系统的安全运行。

B.系统根据总管道的实际压力变化, 自动调节变频器运行频率, 自动改变投入系统运行的机组, 以跟踪设定压力。设定压力可根据时钟控制器或高位水池水位的变化来调节。

C.系统有自动/手动切换功能, 和原系统互为备用。

D.系统根据“先开泵后开阀, 先关阀后停泵”的原则对泵出口电动阀门的开关实现自动控制。

E.系统设有超水压、欠水压、变频故障、阀门故障、清水池溢出等故障的声光报警指示和电压、电流、水位、设定压力、反馈压力、阀门开关状态的指示。

2. 基本控制原理

图2为系统控制原理框图。

PLC作为整个系统的核心控制部件, 完成模拟量的采样、运算和输出, 并完成控制系统的开停、大泵的变频/工频切换、小泵的自动投切、各种工况的监控以及各种故障的检测、判断、处理和报警等任务。

系统根据设定压力与反馈压力的偏差, 通过PI调节器输出的模拟信号来控制作变频运行的机组的运行转速, 从而改变泵的出水流量来达到调节供水压力的目的。当设定压力大于总管道的出水压力时, 变频泵的运行频率会不断提高。当变频器的运行频率达到点50HZ, 系统便开始计时。如果200秒内变频泵的运行频率一直维持在50HZ运行, 系统便会自动加泵。加泵时先加小泵, 若系统中无小泵可加或已有一台小泵运行时, 便会加大泵。加泵时, 对于同容量的机组, 以先切除先投入为原则。加大泵时, 原来作变频运行的机组切换到工频运行, 后加入的机组由变频器软起动并作变频运行。

当设定压力小于总管出水压力时, 变频器运行频率会不断下降。当变频器的运行频率小于设定的减泵下限频率时, 系统开始计时。如果15.0秒内变频器的运行频率一直维持在系统设定的减泵下限频率以下, 系统便自动减一台泵。减泵时以先投入先切除为原则, 先减小泵再减大泵。系统中没有作工频运行的泵时。系统不作减泵操作。

系统处于运行状态时, 保证任何时候有一台大泵作变频运行。如果系统刚运行或原变频机组由自动转手动而使系统中没有机组作变频运行, 系统将先寻找处于自动状态下且没有运行的大机组作变频运行。如果没有这样的机组, 系统便会去寻找一台处于自动状态下作工频运行的机组, 将其停机后再变频起动运行。这两种状态的机组都没找到, 说明所有大泵均处于手动状态, 系统会一直等待, 直到有大泵由手动投入自动系统。

3. 控制方式

系统根据压力设定方法的不同, 有两种工作方式, 可供用户选择:

1) 分时控制方式。系统根据日供水量的变化规律, 分时段由三档压力供水。时段的划分由用户完成, 并存入PLC中。PLC中设有时钟控制器, 可根据时间自动切换不同设定压力档。根据冬天和夏天供水量变化规律的不同, 时段的划分也已作了适当的调整。三档压力的设定值可由操作人员通过电位器方便地调整。时段划分如下:

夏季——七、八、九月 (夏季用水高峰)

Ⅰ档压力:05:00—09:00、11:00—15:00、17:00—24:00 (夏季用水量较多时)

Ⅱ档压力:09:00—11:00、15:00—17:00

Ⅲ档压力:00:00—05:00 (夏季用水量较少时)

冬季——除七、八、九月以外的时间 (冬季用水量偏少)

Ⅰ档压力:06:00—09:00、11:00—14:00、17:00—22:00 (冬季用水量较多时)

Ⅱ档压力:09:00—11:00、14:00—17:00、22:00—24:00

Ⅲ档压力:23:00—06:00 (冬季用水量较多时)

2) 水位调节方式。系统的压力设定值由Ⅰ档压力设定电位器来调节, 并根据清水池的水位按以下规律作修正:

式中:P——实际设定压力值

Po——I档压力设定电位器的设定值 (供水压力上限设定值)

H——水池实际水位高度

Ho——水池水位上限设定值

PMIN——供水压力下限设定值

当水池水位增高时, 实际供水压力会随之下降, 水池水位达到上限时, 供水压力达到压力下限 (此时管网的水应该扬不到水池中) 。反之, 当水池水位降低时, 实际供水压力会随之升高, 水池水位高度为零时, 供水压力达到压力上限。对水池水位实现自动监控, 省去了原来的值班人员。

本系统使生产自动化程度大大提高, 操作方便, 工人劳动强度大大降低。由于系统智能程度高, 功能齐全。给系统的维护和检修也带来了极大的方便。运行稳定可靠, 供水质量明显提高, 可使用户投诉减少。由于供水压力稳定, 调整方便, 有效地控制了由供水压力过高引起的管漏和爆管现象。据运行数据测算, 节电效果非常显著, 吨水单耗省电达20%, 有很好的经济效益。

目前中小型泵站的控制设备普遍比较落后, 自动化程度低下, 工人的素质相对较低。根据现状和我国对这类水厂的技改要求, 在中小型水厂应用PLC控制的变频恒压供水系统, 由于其技术先进、自动化程度高、可靠性高、操作简便、投资回报快、节能效果好等优点而成为大势所趋。

摘要：自从变频器问世以来, 变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点实现水泵电机无级调速, 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数, 在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求, 是当今最先进、合理的节能型供水系统。本文主要阐述了变频恒压调速供水系统的基本原理及其应用。

参考文献

[1]刘洪涛.PLC应用开发从基础到实践[M]电子工业出版社2007

[2]王耀德.变频器及相关电机的技术发展[J]电工技术1999

[3]张春霞.变频调速及PLC技术在恒压供水系统中的应用[J]矿业快报, 2004, (10)

恒压供水调速系统篇2

摘要

第1章变频恒压供水的现况

1.1国内外变频供水系统现状 1.2变频供水系统的发展趋势

第2章变频调速恒压供水分析

2.1变频恒压供水的工艺调节过程介绍 2.2调速系统的构建

2.2.1 调速原理

2.2.2 变频恒压供水频率变化分析

2.3节能分析

2.3.1 水泵的基本参数和特性 2.3.2 水泵调速运行的节能原理

第3章恒压供水系统

3.1系统概述

3.2控制系统的组成

3.3恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理

3.3.1单台变频器控制单台水泵 3.3.2恒压供水系统的工作原理 3.3.3恒压供水系统

3.4 变频调速恒压供水系统的特点 3.5变频器

第4章可编程控制器PLC 4.1可编程控制器PLC的定义

4.2可编程控制器PLC的发展阶段及发展方向 4.3控制系统的硬件设计 4.4控制系统的软件设计

4.4.1软件设计

第5章 PLC控制系统的设计

5.1概述

5.2输入输出分配

5.2.1输入口 5.2.2输出口 5.2.3辅助触点

5.3控制系统功能介绍

5.4恒压供水系统的流程图

5.5控制系统的可靠性及应用程序设计

5.5.1程序的优化设计 5.5.2应用程序的设计 5.5.3故障检测程序的设计

第6章触摸屏同步监控 6.1概述

6.2触摸屏工作的特点与应用领域 6.3触摸屏指示灯同步监控程序设计

6.3.1控制系统设计步骤 6.3.2应用程序设计 6.3.3同步监控设计

第7章系统调试

7.1变频器关键参数的设定

7.2 PLC的变频调速恒压供水系统调试 7.3触摸屏同步监控测试

参考文献

摘要

水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。

近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。钦州市是广西壮族自治区的港口城市，随着城区的扩大和工农业的发展，钦州市城区用水量急剧上升，城区居民生活用水和工业用水总量从1994年的1700多万吨激增到2000年的7500多万吨。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水的水位要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时水位达不到要求,供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标,压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多时间在设计效率以下运行。导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题(如图 1.1)。因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水解水企业关心的焦点问题之一。变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行.变频恒水压供水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以研究设计基于PLC变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水，如图1.2)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.1PLC的变频调速恒压供水系统的目的和意义

恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能:(1)维持水压恒定；(2)控制系统可手动/自动运行；(3)多台泵自动切换运行；(4)系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；(5)在线调整 PID参数；(6)泵组及线路保护检测报警、信号显示等。

关键词：变频调速；恒压供水； PLC

第一章

1.变频恒压供水的现况

1.1国内外变频供水系统现状

恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本SAMC公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。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，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-22kW)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展,在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)，的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.2变频供水系统的发展趋势

变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。

第二章

2.变频调速恒压供水分析

2.1变频恒压供水的工艺调节过程介绍

变频恒压供水所用水泵主要是离心泵，而普通离心泵如图2.1所示:叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8排出管9连接。在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

2.2调速系统的构建

水泵的调速运行构建，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的工况点是由水泵的性能曲线和管网的特性曲线的交点确定的。因此，只要这两条曲线之一的形状或位置有了改变，工况点的位置也就随之改变。所以，水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能曲线或管网特性曲线或二者同时改变来实现的。

水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。这种调节方式虽然简便易行，但往往造成很大的能量损失。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并改进它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。气水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节系统。详细划分如下:

目前常见的调节方法有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节、液力祸合器调节、绕线式异步电动机的串极调速、变极调速、变频调速等

2.2.1 调速原理

水泵的恒速调节主要有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节三种.(1)节流调节

节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板，通过改变阀门或挡板的开度，使装置需要扬程曲线发生变化，从而导致水泵工作点位置的变化。

节流调节优点是调节简单、可靠、方便，且调节装置的初投资很少，故以前各种离心泵多采用这种调节方式。缺点是能量损失很大，目前正逐渐被其它调节方式所取代。

(2)动叶调节

采用动叶调节的水泵，在泵的轮毅内部安装动叶调节机构，从而使动叶调节得以实现。对于大型的泵，可以采用液压传动调节。动叶调节的优点是:在调节过程中其效率变化很小，能在较大范围保持高效率。缺点是:动叶调节机构复杂，控制自动化程度低;成本高，通常适用大容量水泵，对中小供水厂的水泵通常不适用。

(3)改变机泵运行台数调节

改变机泵运行台数调节是根据不同的流量要求，采用不同数量和型号的机泵进行并联运行，来满足供水量要求.优点是:它不改变电机和水泵的电气及机械结构，在水泵台数众多、搭配合理的情况下，可以达到较好的调节效果。缺点是:不能实现连续调节、需要大量的机泵进行合理搭配、随着供水量的变化要不断启停电机;电能损失较大。因此，目前此种方法虽大量使用，但正逐步被新的流量调节方式取代。2.2.2变频恒压供水频率变化分析

由于变频恒压供水基本上都采用了变频启动，启动频率低，启动电流小，因

此，除了对供水机泵和供水管网有保护作用，对供水电机和电网也有良好的保护作用。供水系统电机直接启动与变频启动的对比表如表2.2所示。

2.3节能分析

恒压供水系统的基本特性。根据扬程特性曲线和管阻特性曲线可以看出用水流量和供水流量处于平衡状态时系统稳定运行。在供水系统中采用变频调速是由于水泵的功率与转速的立方成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式节能效果显著.最后从理论上分析了采取变频恒压供水方式对供水安全积极作用:可以消除水锤效应，减少电机电网冲击，延长系统的运行寿命。

2.3.1水泵的基本参数和特性

在变频恒压供水系统中，供水压力是通过对变频器输出频率的控制来实现的。确定供水压力和输出频率的关系是设计控制环节控制策略的基础，是确定控制算法的依据。送水泵站所采用的水泵是离心泵，它是通过装有叶片的叶轮高速旋转来完成对水流的输送，也就是通过叶轮高速旋转带动水流高速旋转，靠水流产生的离心力将水流甩出去。离心泵也因此而得名。在给水排水工程中，从使用水泵的角度来看，水泵的工作必然要和管路系统以及许多外界条件联系在一起.在给水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系统称为 “装置”，在控制系统的设计中，真正对系统的分析和设计有价值的也是这种成为系统的装置，而不是单单的孤立水泵。在水泵结构和理论中，有一些评价水泵性能的参数，供水系统的主要参数如下:流量(Q):单位时间内流过管道内某一截面的水流量，在管道截面不变的情况下，其大小决定于水流的速度。常用单位是时/m访。供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差。其常用单位是m。轴功率(几):水泵轴上的输入功率(电动机的输出功率)，或者说是水泵取用的功率。

供水功率(几):供水系统向用户供水时所消耗的功率几你叨，供水功率与流量和扬程的乘积成正比:

式中Cp一比例常数。

工作效率为，):水泵的供水功率Pc和轴功率界之比，如式2.6所示。这里所说的水泵工作效率，实际上包含了水泵本身的效率和供水系统的效率。其根据实际供水的扬程和流量算得的功率，是供水系统的输出功率。

其中有效功率是指单位时间内通过水泵的液体从水泵那里得到的能量叫做有效功率。转速(n卜水泵叶轮的转动速度。

根据水泵理论，如图2.3所示.2.3.2 水泵调速运行的节能原理

由于水泵在送水过程中，清水池水位一般高于水泵的测量点，所以不存在进水口抽真空，所以在进水口的真空值为0.水泵进水口与出水口都沿水平方向放置，位置差为0。水泵在正常工作时，动能的变化相对较小。考虑这些具体情况，上式可以改写为:

由于水泵是由一台交流感应电动机带动运行的，电机的转速与水泵的转速相同。电机的输出有效功率与水泵的轴功率相等。在电机理论中，感应电机的机械

功率为:

在变频调速时，由于磁通中m不变，从电机公式(212)可以看出，要使主磁通中m保持不变，则UI/fl必须保持不变。

因此在变频调速过程中.电压应该与频率成正比例变化，设

代入式(2.n)得

根据能量守恒定律，有

水泵装置在变频调速的工作状态下运行时，有: 其中杯为电机的效率。所以，从上式可以看出，当变频器的输出频率一定的情况下，当用户用水量增大，从而Q增大时，压力表的读数将会变小，即管网供水压力将会降低。为了保持供水压力，就必须增大变频器的输出频率以提高水泵机组的转速;当用户的用水量减小时，Q减小，在变频器输出频率不变的情况下，管网的供水压力将会增大，为了减小供水的压力，就必须降低变频器的输出频率.由于用户的用水量是始终在变化的，虽然在时段上具有一定的统计规律，但对精度要求很高的恒压控制来讲，在每个时刻它都是一个随机变化的值。这就要求变频器的输出频率也要在一个动态的变化之中，依靠对频率的调节来动态地控制管网的供水压力，从而使管网中的压力恒定。

第三章

3.恒压供水系统

3.1 系统概述

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：

（1）维持水压恒定；

（2）控制系统可手动/自动运行；

（3）多台泵自动切换运行；

（4）系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；

（5）在线调整PID参数；

（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等；

3.2 控制系统的组成

供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(P比统)、变频器和电控设备三个部分,如图3.1 a、在恒压供水节电智能控制系统中,通过三菱变频器实现调整水泵的转速来调整水泵的压力和流量，在一天当中除了供水高峰时段外，其它时间都是运行在很低的频率状态下，即使在用水高峰时段也未必是运行在50Hz，因此可以大幅度的节能。同时,实现自动增泵、停泵、轮换、自动保护等功能；

b、通过UNO2050的串口，读取变频器的PID设置参数、当前运行参数和各种报警，并通过MODEM和电话网传送到上位控制中心；

c、在收到现场报警后，控制中心可以远程的控制UNO2050，进行变频器的启停控制。

图3.1恒压供水控制系统的组成

3.3 恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理

恒压供水系统的控制方案有多种，有1台变频器控制1台水泵的简单控制方案，也有1台变频器控制几台水泵的方案，下面将分别加以叙述：.3.3.1单台变频器控制单台水泵: 单台变频器控制单台水泵的控制方案在国内通常是指是一台变频器控制一台水泵。由于全部变频系统中，变频器、控制器、电机均无备份设备，出现问题无法切换，故目前多适用于用水量不大，对供水的可靠性要求不高的场合。该控制方案的控制原理框图见图3.2，电路见图3.3。

值得一提的是，在国外或国内少数大企业，也有一种每台变频器只带一台水泵的运行方式，但它的控制方式与上面是不同的，这些泵站往往是同时配备了多台变频器配多台水泵，采用集中控制的办法，这种变频系统与国内水泵站常用的一台变频器控制单台水泵的工作方式是完全不一样的。在这种系统中，由于有多台变频器，各水泵既可以同时变频运行，也可以分别工频运行，使其可靠性、安全性、可调节性大大优于国内常见的各种控制方式，不过在成本上，也远远高于目前国内的常用的变频恒压供水系统。(2)单台变频器控制多台水泵

利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比较先进的一种方案。下面以单台变频器控制2台水泵的方案来说明。该控制方案的控制原理见图3.4。

3.3.2 系统功能说明

控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制2台水泵按1一2一3一4一1的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有 1号泵在变频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态 1。当用水量增加，变频器输出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动 3.3.2恒压供水系统的工作原理

变频恒压供水系统采用一台变频器拖动两台大功率电动机，可在变频和工频两种方式下运行；一台低功率的电机，作为辅助泵电机，启动方式：为避免启动时的冲击电流，电机采用变频启动方式，从变频器的输出端得到逐渐上升的频率和电压。启动前变频器要复位。

变频调速：根据供水管网流量、压力变化自动控制变频器输出频率，从而调节电动机和水泵的转速，实现恒压供水。如设备的输出电压和频率上升到工频仍不能满足供水要求时，PLC发出指令1号泵自动切换到工频电源运行，待1号泵完全退出变频运行，对变频器复位后，2号泵投入变频运行。

多泵切换：根据恒压的需求，采用无主次切换，即“先开先停”的原则接入和退出。在PLC的程序中，通过设置变频泵的工作号和工频泵的台数，由给定频率是否达到上限频率或下限频率来判断增泵或减泵。在用水量较小的情况下，采用辅助泵工作。为了避免一台泵长期工作，任一泵不能连续变频运行超过3小时。当工频泵台数为零，有一台运行于变频状态时，启动计时器，当达到3小时时，变频泵的泵号改变，即切换到另一台泵上。当有泵运行于工频状态，或辅助泵启动时，计时器停止计时并清零。

故障处理：能对水位下限，变频器、PLC故障等报警。PLC故障，系统从自动转入手动方式。

3.3.3恒压供水系统

系统由变频器、PLC和两台水泵构成。利用了变频器控制电路的PID等相关功能，和PLC配合实施变频一拖二自动恒压力供水。具有自动/手动切换功能。变频故障时，可切换到手动控制水泵运行。

控制过程：水路管网压力低时，变频器启动1#泵，至全速运行一段时间后，由远传压力表来的压力信号仍未到达设定值时，PLC控制1#泵由变频切换到工运行，然后变频启动2#泵运行，据管网压力情况随机调整2#泵的转速，来达到恒压供水的目的。当用水量变小，管网压力变高时，2#泵降为零速时，管网压力仍高，则PLC控制停掉1#工频泵，由2#泵实施恒压供水。至管网压力又低时，将2#泵由变频切为工频运行，变频器启动1#泵，调整1#泵的转速，维修恒压供水。如此循环不已。

图3.4为恒压供水系统结构图

3.4 变频调速恒压供水系统的特点恒压供水是指用户段不管用水量大小总保持管网水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。

变频恒压供水的工艺调节过程介绍：泵组的切换开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1＃泵变频启动，转速从开始随频率上升，如变频器频率到达，而此时水压还在下限值，延时一段时间（由内部时间继电器控制，目的是避免由于干扰而引起误动作）后，1＃泵切换至工频运行，同时变频器频率由滑停至，2＃泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3＃、4＃泵；若开始时1＃泵备用，则直接启2＃变频，转速从０开始随频率上升，如变频器频率到达，而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2＃泵切换至工频运行，同时变频器频率由滑停至，3＃泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4＃泵；若1＃、2＃泵都备用，则直接启3＃变频，具体泵的切换过程与上述类同。同样，如水压在上限值，若３台泵（假设为1＃、2＃和3＃）运行时，3＃泵变频运行降到，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1＃泵停止，3＃泵变频器频率从迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2＃泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡。以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式，理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而我们这次的设计的系统中，要求直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高供水品质。

3.5变频器

根据工艺要求，建议配用ABB ACS600系列变频器。ACS 600系列变频器是ABB公司采用直接转矩控制（DTC）技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转矩控制特性,完整的保护功能以及灵活的编程能力，较高的可靠性和较小的体积。主要技术数据：

功率范围：2.2-3000kW 电源电压：380/400/415/440/460/480/500VAC 3相±10%；电源频率：48-63Hz 控制连接：2个可编程的模拟输入（AI）；1个可编程的模拟输出（AO）；5个可编程的数字输入（DI）；2个可编程的数字输出（DO）。连续负载能力：150% In，每10分钟允许1分钟

串行通讯能力：标准的RS—485接口可使变频器方便地与计算机连接。保护、欠压缓冲、电机欠/过载保护、堵转保护、串行通讯故障保护、AI信号丢失保护等。外型结构紧凑，安装方便。产品经过多种电气安全规范认证，符合GE、UL及质量认证体系ISO9001和ISO4001等。

变频器独特的直接转矩控制（DTC）功能是目前最佳的电机控制方式，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。ACS600变频器内置PID、PFC、预磁通等八种应用宏，只需选择需要的应用宏，相应的所有参数都自动设置，输入输出端子也将自动配置，这些预设的应用宏配置大大节约了调试时间，减少出错。

第四章

4.可编程控制器PLC

4.1 可编程控制器PLC的定义

可编程控制器PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它可以采用可以编程的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术等操作的指令，并能通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于拓展其功能的原则而设计。

4.2 可编程控制器PLC的发展阶段及发展方向

全世界几乎80%以上不同品牌的PLC是不能通用的。一个品牌就要使用对应的编程器。有多少种品牌的PLC，就要有多少种编程器。（国内现在出了一些国产PLC，是仿制国外一些品牌PLC的，这些是可以使用被仿制品牌的编程器的。）

手提编程器价格昂贵，而且编程使用指令操作（不能用梯形图），可读性不高，非常不方便。

所以，做工程的人大多会使用电脑来对PLC编程。需要说明的是，使用电脑编程还需要有配套的程序下载连线。也是每个品牌都有专门线的（互不通用）。但是这种连线比起手持编程器来说，不知道便宜多少。

任何一款手提电脑都可以用来做PLC编程，前提是 1 支持串行通讯安装相应品牌PLC的编程软件。

4.3 控制系统的硬件设计

本系统的硬件结构如图2所示，它由6台水泵、17个远程I／O分站、1个控制柜(包括变频器、PLC、4个16点DI模块、2个16点DO模块、3个8点AI模块、1个8点AO模块和1个以太网模块等)、1套压力传感器、各种保护装置以及供电主回路等构成。其中，PI。C模块和变频器模块是系统的控制核心。

4.4 控制系统的软件设计

根据功能要求, PLC控制系统的软件设计方案主要采用顺序控制继电器指令,软件设计主要包括加速、恒速、减速三段梯形图。其中主程序流程图如图6所示,加速部分流程图如图7所示;恒速部分采用P ID算法,减速部分与加速部分类似。

4.4.1 软件设计

系统软件设计主要包括上位机监控软件设计和下位机PI。C控制软件设计。上位机与下位机之间通过以太网方式通信，共同完成整个控制系统的现场流程控制和远程监测管理功能。上位机控制系统主要实现远程监测和管理功能，利用组态软件进行组态，通过具体运行工况动态显示、实时数据获取及显示、历史数据存储与打印、故障报警等功能，实现整个系统的集中监测和控制。

由于供水系统是一个惯性较大的系统，不需要过高的响应速度，因而在PI。C程序的设计思想上查询方式为主，中断方式为辅。其具体程序流程如图3所示。

核心技术：该恒压系统采用PID控制，具体结构如图4所示。其流程如下所述：当系统开始工作时，首先接通变频器，然后通过接触器把水泵电机接入变频输出电路，实现电机软启动；同时，安装在供水管网出水I：1的压力传感器将水压转换为4～20 mA的电信号，PLC根据给定值与测量值的偏差大小，按照

PID控制器的控制策略选择原则，在压力允许范围内，由变频器调整电机转速达到调节压力的目的。在超出压力允许的范围内，通过结构调整，再结合变频达到调节压力的目的。

当用户用水量增加时，使得水管压力下降，此时PLC输出相应控制信号，使变频器带动水泵电机升速，直至变频器输出至工频，把更多的水送往出水管网。电机由变频到工频的转换时间应尽可能短。而电机脱离变频后，在水压的作用下，电机转速下降很快，转换时间过长，会导致电机启动电流增加。因此，应在电路设计与软件设计中，考虑变频与工频接触器的互锁。通常，PID连续控制算法表达式为

具体到本例中，K。一0．18，K．=o．08，Kd=1，压强设定值为0．32 MPa，则其控制效果曲线如图5所示。

此外，根据日用水量变化情况，用水高峰集中在早、中、晚3个时段，而在深夜用水量处于低谷。因此，如果改变不同时段的压力给定值，就能更进一步地起到节能的作用。

4.4.2 程序设计步骤

初始化程序: LD SM0.0 // 开机始终为ON MOVB

16#9,SMB30

file://自由口通信，选择9600波特，8位数据位，无校验 MOVB

16#2, VB0 file://预设PLC地址 MOVD

&VB1000, VD20

file://设置接收缓冲区，将其首地址传给指针VD20 MOVD

&VB1200, VD30

file://设置发送缓冲区，将首地址传给VD30 MOVD

VD20, VD24 file://指针值保存 MOVD

VD30, VD34 MOVB

8, SMB34

file://设置8ms的定时器0时基中断 ATCH

0,8

file://接收字符连接到中断0，连接静止线定时器和接收器 ATCH

1,10

file://定时中断0，连接到中断1 ENI

file://开中断

为了保证通讯接收的可靠性，程序采用前导符，PLC地址，静止线接收，结束字符。首字符的确认可通过设置前导符来完成，并且通过比较还可以剔除部分干扰字符。首字符确认: Network 1

file://判断前导符 LD

SM0.0 AB<>

SMB2, 16#40

file://不是前导符则跳出中断 RETI Network 2

file://终止定时中断 LD

SM0.0 DTCH

file://断开时基中断 Network 3

file://是前导符则连接中断3 LD

SM0.0 AB=

SMB2, 16#40 ATCH

3, 8 静止线是通讯过程中的一个检测用时间，即设定的数据传输过程中无任何数据的任意2点的间隔时间。静止线的设计和处理包括长度的确定及定时器和接收器的设计。INT_

// 静止线定时器 LD

SM0.0 ATCH 1, 10

file://静止线定时器采用8ms的时基中断。INT_1

// 静止线接收器 LD

SM0.0 ATCH 2, 8 file://开始接收字符尾字符的确认和校验处理: Network 1 // 接收及计算校验码 LDN M0.0 LDB<>

SMB2, 16#2A

// 判断是否为第一个结束符 MOVB

SMB2，*VD24

file://不是则保存数据并计算异或值 XORW

SMW1, AC0 INCD

VD24 INCD

VB40 Network 2

file://如果是第一个结束符，则对M0.0置位，并跳出中断，file://接收下一个字符，看是否为第二个结束符 LDN

M0.0 AB＝

SMB2,16#2A S M0.0, 1 MOVB

SMB2, AC1 RETI Network3 LD M0.0 AB<> SMB2, 16#0A

file://判断第二个结束符，如不是则继续执行 AB<> SMB2,16#2A

file://判断又是第一个结束符？不是则执行保存数据，file://异或运算，并对M0.0复位。XORW

AC1, AC0 MOVB

VB300, *VD24 INCD

VD24 MOVB

SMB2, *VD24 XORW

SMW1, AC0 INCD

VD24 INCD

VB40 INCD

VB40 R M0.0, 1 RETI Network 4

file://如果又是第一个结束符，则上一个是有用的数据，需要保存 LD M0.0 AB= SMB2, 16#2A XORW AC1, AC0 MOVB VB1300, *VD24 INCD VD24 MOVB SMB2, AC1 RETI Network 5

file://如前一个为2A，现在接收到0A，则接收完毕，启动延时中断 LD

M0.0 AB= SMB2, 16#0A DTCH

file://断开接收状态，准备组织发送 MOVB

20, SMB34 ATCH

5, 10

第五章

5.PLC控制系统的设计

5.1 概述

与传统的继电器-接触器控制系统相比，PLC控制系统具有更好的稳定性，控制柔性，维修方便性，随着PLC的普及和推广，其应用领域越来越广泛。特别是在许多新建项目和设备的技术改造中，常常采用PLC作为控制装置。PLC控制电路

系统采用S7-200PLC作下位机。S7-200PLC硬件系统包含一定数量的输入/输出(I/O)点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。输入点为6个，其中水位上、下限信号分别为I0.0、I0.1。输出点为10个，O0.0-O1.0对应PLC的输出端子。对变频器的复位是由输出点O1.0通过一个中间继电器KA的触点来实现的。根据控制系统I/O点及地址分配可知，系统共有5个开关量输入点，9个开关量输出点;1个模拟量输入点和1个模拟量输出点。可以选用CPU224PLC(14DI/10DO)，再扩展一个模拟量模块EM235(4AI/1AO)。

5.2 输入输出分配

PLC输入端子板是将机床外部开关的端子连接转换成I/O模块所需的针形插座连接，从而使外部控制信号输入至PLC中。同样，PLC输出端子板是将PLC的输出信号经针形插座转换外部执行原件的端子连接。

5.2.1 输入口

其输入口I模块组的的输入元件组成是由;控制按钮、行程开关、接近开关、压力开关、玩控开关组成。输入又分为如图；

图为输入的接线方式

a)汇点式输入b）分组式输入

5.2.2 输出口

其输入口O模块组的的输入元件组成是由；接触器、继电器、来组成的。而输出方式又分为如图；

图为输出接线方式

a）分组式输出b）分隔式输出

5.3 控制系统功能介绍最大限度的满足被控对象的控制要求。在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。

保证控制系统安全可靠。考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。

5.4 恒压供水系统的流程图

5.5 控制系统的可靠性及应用程序设计该系统逻辑控制采用PLC控制变频器实现恒压调速供水，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，具有较好的控制效果。

PLC通信程序S7-200PLC硬件功能完善，指令系统丰富。可为用户提供多种通讯方式:PPI方式，MPI方式，自由通讯口方式等。应用自由通讯口方式，使S7-200PLC可以与任何通信协议已知，具有串口通讯的智能设备和控制器(如打印机、变频器、上位PC机等)进行通信，也可以用于两个CPU之间简单的数据交换。该通信方式使可通信的范围大大增大，使控制系统配置更加灵活、方便。采用PLC自由通讯口方案，PLC工作于从站，PC处于主站模式，PLC从站只响应来自主站的申请。主站向PLC从站发送指令格式的报文，读指令00为向从站PLC申请产生于PLC的数据，读取水压，频率，变频泵号，工频台数，辅助泵状态等数据;写指令01为向PLC传送产生于主站的数据，包括压力设定值和控制器输出值。在自由口通信模式下，通信协议完全由用户程序控制。通过设定特殊存储字节SMB30(端口0)或SMB130(端口1)允许自由口模式，用户程序可以通过使用发送中断、接收中断、发送指令(XMT)和接收指令(RCV)对通信口操作。

5.5.1 程序的优化设计

增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时，PLC 给出控制信号，PLC 的Y0 失电，变频器的FWD端子对CM 短接，变频器的自由制动停车，切断变频器输出，延时500ms 后，将主水泵与变频器断开，延时300ms(防止变频器输出对工频短路)，将其转为工频恒速运行，再延时200～300ms PLC 的Y0 得电，变频器以起始频率启动一台新的主水泵。这段程序设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁保护。

5.5.2 应用程序的设计

在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时

候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对模拟量(管网压力、液位等)数据处理的数据表进行初始化处理，赋予一定的初值。

5.5.3 故障检测程序的设计

对水位过低、水压上下限报警、变频器故障等故障给出报警，并做出相应的故障处理。

(1)欠水位故障：进入P0 处理模块，停止全部的电机运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动执行以下程序。

(2)压力上下限报警：输出报警信号，报警信号30s 内未解除，则进入P0 处理模块，停止全部的电机运行。信号解除则自动运行以下程序。

(3)变频器故障：变频器出现故障时，对应PLC 输入继电器X5 动作，系统自动转入自动工频运行模块。此时变频器退出运行，三台主泵电机均工作于工频状态。该方式下的水泵的投入和切除顺序和自动变频恒压运行方式时的大致相同，只是原来运行在变频状态下的电机改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID 调节，水压无法恒定。为防止出现停开一台水泵水压不足而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，通过增加延时的方法来解决。设定延时时间为20 分钟。

第六章

6.触摸屏同步监控

6.1 概述

6.2 触摸屏工作的特点与应用领域 6.3 触摸屏指示灯同步监控程序设计 6.3.1 控制系统设计步骤 6.3.2 应用程序设计 6.3.3 同步监控设计

第七章

7.系统调试

7.1 变频器关键参数的设定

(1)变频转工频开关切换时间TMC 设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内TMC必须尽可能的小。

(2)上下限频率持续时间TH和TL 变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是TH（TL）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。

7.2 PLC的变频调速恒压供水系统调试

(1)对五台供水系统进行PLC自动控制改造，实现供水的远程控制和生产设备的集中控制。

(2)在改造原有系统的基础上，将供水系统电机的直接启动控制方式改为变频控制，减小对系统电网的冲击和节约能源。(3)制定具体实施的控制方式、设备启停步骤、软件功能、通讯方式、功能扩充、报警系统（故障诊断、显示、排除）。

(4)采用相应的控制算法，实现供气的恒定，提高供气质量和效率，保证供水系统的安全供水。

（二）系统控制功能要求如下：

(1)实现调度指挥操作生产自动化；

(2)实现设备顺序控制，减少供水起、停时间，并对各设备的运行状态进行自动检测，实现设备的故障自动诊断和保护，从而提高生产效率；

(3)实现供水组的自动控制，这主要包括：单台供水系统的自动启停，电机组的顺序启停控制，空压机组的集中控制和保护，提高生产效率；

(4)增强软、硬件功能，保证整个系统的安全性和可靠性，并具有一定的先进性和代表性。

（三）集控系统要求如下：

1、集控系统的基本功能

1)系统的控制方式

为方便灵活地对所有设备进行控制，主要工艺流程设备的运行采用五种控制方式：

远程自动控制：由集控室开启设备起、关闭命令，实现现场相关设备的按流程变频恒压供水控制；

远程单遥控：由集控室发出单台设备起、关闭命令，实现设备之间单个切换运行，用于特殊设备的单个起、关闭控制；

紧急关闭：当现场或集控室出现故障，需要立即对分系统停车关闭时，由程序或现场实现紧急停车控制，在现场操作与在集控室操作PLC的执行是等价的。需在集控室进行复位后才能重新开启。

2)集控系统的顺序启、停控制步骤

开启前的操作

a、控制方式选择：集控方式下，PLC执行用户程序的全部控制功能。单个方式下，PLC仅执行模拟显示功能。

b、流程选择：当选定自动控制流程后，PLC将检测有关输入状态，判断参与该流程控制的恒压供水系统，设备工作方式，以及保护点状态等是否满足开启条件，若条件具备，则先发出信号“系统准备开启”。否则将对所检测出的故障点，作出多方位报警。

c、远动设备：对不需参予时序起动，或难以进入顺序开启过程的设备，可以在开启前按闭锁关系远动控制起动该设备。开启过程控制

a、当前述指令操作完毕，系统准备就绪，发出开启指令，所选PLC变频恒压供水系统在指定的开启方式下进入供水控制过程。

b、在供水过程中出现故障时，供水指令自动撤除并报警，已起设备保持运行，在短时间排除故障后，可从故障设备继续起车；否则可全部停车。c、对供水过程的时间累计并显示。

系统运行的闭锁控制

a、在运行过程中出现故障时，系统闭锁保护、报警。b、对系统有效工作时间自动统计，显示。c、对各种保护、运行参数实时检测。

供水过程控制 a、当系统对任一流程供水停车指令后，PLC将按用户程序完成停车功能控制。b、对供水过程累计时间及总停车时间显示。

3)故障报警系统

a.当设备发生故障或运行条件不满足时，能根据闭琐关系控制设备供水，并在监控操作站上显示故障原因。

b.报警方式：现场使用电笛报警、集控室内使用语音报警，并能够即时显示报警清单。如图;

7.3 触摸屏同步监控测试

结束语

变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。采用PLC作为控制器，硬件结构简单，成本低，系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。

在此感谢老师对我们的指导以及对变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统的了解和认识。随着变频调速技术的发展和人们节能意识的不断增强，变频恒压供水系统的节能特性使得其越来越广泛用于工厂、住宅、高层建筑的生活及消防供水系统。恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保持网管中水压的基本恒定。变频恒压供水系统利用PLC、传感器、变频器、触摸屏及水泵机组组成闭环控制系统，使管网压力保持恒定并能明确的监控，代替了传统的水塔供水控制方案，具有自动化程度高，明确监控，高效节能的优点，在高速科技发展的今天使得小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用，并取得了明显的经济效益。此致

敬礼

参考文献

恒压供水系统的控制模式分析篇3

关键词：恒压供水；变频器；同步切换；控制模式

中图分类号：TU991 文献标识码：A 文章编号：1000-8136(2009)35-0115-02

长期以来我国在工业生产循环供水、市政供水等方面技术一直比较落后，自动化程度很低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低高层用户无水可用的现象，而在用水低峰期，如高层住宅的夜间供水，水的供给量往往远大于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时会缩短各类阀件的使用寿命，甚至有可能引起水管的爆裂。

供水系统的设计。应能满足用户对流量的基本需求。以及一定的压力和节能的需要。满足用户对流量的需求是供水系统控制的基本原则。所以，流量是系统的基本控制对象，流量的大小受到扬程、管阻等因素的影响，但这些因素又难以进行具体测量和控制。在动态情况下，由于管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间有如下的平衡关系：

供水能力Q_C>用水需求Q_U,则压力上升；

供水能力Q_C<用水需求Q_U,则压力下降；

供水能力Q_C=用水需求Q_U，则压力不变。

因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。这就是恒压供水系统的基本控制思想。要保证检测点的压力值恒定不变，就需要根据用水需求Q_U的变化，不断地去改变供水能力Q_C。且前被广泛采用的变频调速供水系统就是通过变频器来调节水泵的转速，从而实现对水泵扬程及流量的控制，可以即时地改变供水能力Q_C。

变频调速恒压供水系统主要由执行机构、信号检测、PLC控制系统(或者单片机、DDC)、变频器、人机界面、上位连接以及报警装置等部分组成，其一般的工作过程：首先检测给水池液位是否正常，若无异常则可直接由变频器启动第一台水泵，同时由压力表测出管路水压，将模拟量送到PLC控制器，与给定水压值(设定上下限)比较后。控制变频器输出频率，调节水泵转速；当变频器频率到达最大或最小时，由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统。本文将就变频器与水泵之间的控制模式问题进行重点讨论。

1常用控制模式分析

1.1模式一：一台变频器不断地在不同泵之间进行切换控制

多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器再去起動其他的电机。这种控制方式应用非常广泛，节能效果明显，由于只使用了一台变频器，故投资也相对较少。但是由于不可避免地要进行工频电网和变频器之间的相互切换操作，所以也相应地带来一系列困难：

(1)一般的切换方式出于保护的目的，在变频向工频切换时，先切断变频电源，经过足够的延时使水泵电机的反电动势降低到一定程度之后再由软启动器再次启动水泵，但是由于延时的存在会引起水压较大的波动，而且延时越久，水压波动越明显。

(2)为了避免水压波动过大，保证供水质量，可以采用同步切换的方式来实现。同步切换是指不经过任何的延时。而是直接进行变频电源向工频电网的切换。若能保证在切换前后频率和相位一致，电机即可在变频电源和工频电网之间实现平滑过渡，水压也不会产生大的起伏。但是，如果不一致则在切换时会产生瞬时大电流，有时会大大超过电动机的额定电流，导致断路器跳闸，严重时损坏电机。由于变频器电压输出起始相位具有随机性，要防止过电流的产生，就必须对切换时的相位进行控制。可以在系统中引人锁相环实现上述控制的要求。在切换时由锁相环锁定变频器输出电压的相位和频率，使变频器输出电源与工频电网电源同频同相，再切断变频电源，将水泵转至工频电网，这样就可以有效地克服切换过程中的过电流现象∞。但是系统的设计难度、设备成本也会因此增加。

(3)水泵并联运行的问题。水泵组中仅有一台水泵为变频运行，理论上这样可以有利于提高水泵组的整体效率，而实际上相当于性能曲线不同的水泵并联运行。当变速泵在较低转速工作时，定速泵与变速泵并联，相当于小泵与大泵的并联，有可能会使两台水泵都在低效区运行，出现变频泵作虚功的现象，即水泵消耗能量、有转速但无流量。这无论对于变频泵或工频泵的运行都是不利的，可能引起水泵电机的损坏。因此当系统采用“一变多定”的调节方式时，更要严格控制变速泵的调速范围。

1.2模式二：变频器只控制一台泵，其他泵只进行工频启停切换

这样控制线路更为简单，可以回避变频器切换时锁相的难题，但是依然不能避免水压大幅波动与并联运行所带来的困难。目前一些水泵专用变频器已经具备了PID控制功能，通过一个AI口直接接收压力变送器的模拟输入信号，内置PID环路即可实现对水压的控制，这样可以省去安装PLC的成本，在一些水压要求不严格的小型系统中。模式二的优势更加明显。

1.3模式三：多台水泵同时由多个变频器控制。即同步变频

以同一控制信号改变所有并联水泵的运行频率。各时刻各水泵运行频率相同，若运行台数不变，水泵组并联运行曲线可以完全并联，其变化类似于某单独水泵。这样的变频控制系统结构简单，不存在变频泵与工频泵切换的问题。可以很好地解决模式一、模式二中水压大幅波动及变频泵作虚功等问题，系统运行的可靠性得到进一步的提升，但是由于对变频器的数量要求较多，成本将会大幅提高。本模式主要适用于对系统可靠性要求较高，水压控制要求严格的场所。

2结论

新型变频调速恒压供水系统篇4

1 系统介绍

变频恒压供水系统原理，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。

通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4～20m A的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上;当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。

正常情况(无泵检修)时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#，4#

2 工作原理

2.1 运行方式

该系统有手动和自动两种运行方式：

2.1.1 手动运行

按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-4#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。

2.1.2 自动运行

合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz, 1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推;如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。

若有电源瞬时停电的情况，则系统停机;待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。

变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。

2.2 故障处理

2.2.1 故障报警

当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号;特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。

2.2.2 水泵检修

为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能(硬件备用)，可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行。

3 PLC控制系统

该系统采用的是西门子S7-300系列，PLC编程采用step7。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。

泵组的切换。开始时，若硬件、软件皆无备用(两者同时有效时硬件优先)，1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间(避免由于干扰而引起误动作)后，1#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz, 2#泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上;若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz, 3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上;若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。

同样，若3台泵(假设为1#、2#和3#)运行时，3#泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器频率从0Hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。

以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。

4 变频控制的优点

用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著(可根据具体情况计算出来)。其优点是：

1)起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;

2)由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命;

3)可以消除起动和停机时的水锤效应;

5 恒压供水系统特点

1)节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行;

2)节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象;

3)运行可靠：由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。

4)联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。

5)控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。

6)自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。

6 结语

在供水系统中采用变频调速运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态，实现恒压供水;减泵时采用“先启先停”的切换方式，相对于“先启后停”方式，更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命;压力闭环控制，系统用水量任何变化均能使供水管网的服务压力保持给定，大大提高了供水品质;变频器故障后仍能保障不间断供水，同时实现故障消除后自启动，具有一定的先进性。目前该系统已投入使用，效果明显。

参考文献

[1]满永奎, 韩安荣, 吴成东.通用变频器及应用[M].机械工业出版社, 1995.

[2]王兆义.可编程控制器教程[M].机械工业出版社, 1997.

[3]罗贵隆.变频技术在恒压供水系统中的应用[J].建材技术与应用, 2007.

基于plc的恒压供水系统篇5

主要功能

1、全自动完成多台水泵机组软启动,变频到工频运行以及停止的全部操作过程.2、根据用水量的变化,变成多台泵组的启动和停止.3、有压力设定值和实际压力值的LED显示功能.4、有LED频率指示,变频异常指示,电机故障工况显示.5、保护功能:具有欠压保护,过压保护,过载保护,短·保护,失速防止,烧损防止等功能.基于PIC的恒压供水系统运营环境

1、环境温度：5~50℃;相对湿度：≤90%，无凝露。

2、周围空气无腐蚀性气体、水蒸汽、粉尘等明显污染。

3、安装场所的最大海拔高度1000m。

基于PIC的恒压供水系统常用组合方式

立式系列二次供水设备吨位为2-20吨，系立式供水设备，具有占地面积小的优点，以水井或蓄水池做水源，适用于地面面积小，用水量少的用户。

卧式系列二次供水设备吨位为10-100吨，系卧式供水设备，以水井或蓄水池做水源，适用于企业事业单位，农村等用水量较大的用户使用。

调查：居民对二次供水概念不熟

什么是二次供水?记者在采访中得知，许多市民对这一概念还不了解，不明白二次供水的真正含义。其实，二次供水是用水单位将来自城市集中式供水系统的生活饮用水经贮存、加压或再处理(如过滤、软化、消毒等)后，经管道输送给用户的供水方式，通常是解决高楼层居民水压难题而采取的特殊供水方式。据不完全统计，现在有近七成的用水人口饮用的是城市二次供水。

改进：室外管道应有防冻措施

该规范明确规定，严禁二次供水管道与其他管道直接连通，而除了对二次供水设施安装严格要求外，还对材料的使用也作出明确规定，包括埋地给水管道应根据承受压力等级、地面荷载力的不同选用耐腐蚀、寿命长的管材、管件等。在安装时，二次供水室外管道应有防冻措施，二次供水管道应作蓝色色标，并标明二次供水。二次供水引入楼内的立管应在建筑物首层设置阀门等。

防污：储水池周围应隔离污染源

在用水管理条例中明确，二次供水设施管理主体应当加强二次供水的日常管理，建立水质管理制度和检测档案;定期进行水质常规检测，每季度不得少于一次;定期对各类储水设施清洗消毒，每半年不得少于一次。

而为了防止二次供水水质污染，《技术规范》要求，埋地式生活饮用水储水池周围10米以内不得有化粪池、污水处理建筑物、渗水井、垃圾堆放点等污染源;周围2米以内不得有污水管和污染物。生活饮用水池(箱)应与其他用水的水池(箱)分开设置等。

变频恒压供水设备的质量高低是决定二次供水品质好坏的关键，但一段时间以来，我国无负压二次供水设备行业比较混乱，因没有统一标准进行性能检测，设备中关键部件不能正确使用，极易形成安全隐患。

基于PIC的恒压供水系统的分类

1)按供水方式分：(1)恒压变量供水系统：水泵的出口压力始终保持一个恒定值，设备的供水量可随用户用水量的需求而变化。(2)变压变量供水系统：系统的控制压力检测点设在用户给水系统的末端，用此测定压力来控制水泵运行的转速，此时水泵的出口压力是变化的，用户的用水量也是变化的。

2)按控制方式分：(1)微机控制型：控制核心由单片机组成。(2)PC控制型：控制核心由可编程序控制器组成。

3)按水泵台数分：(1)单台式：控制一台水泵调速运行，另一台泵备用，两台交替使用。(2)多台并联式：控制一台水泵变频调速运行，多台工频运行。还可按结构形式和系统用途等方面分类。

基于PIC的恒压供水系统使用的领域

1、自来水供水、生活小区及消防供水系统，亦可用于热水供应、恒压喷淋等系统。

2、工业企业生活、生产供水系统及工厂其它需恒压控制领域(如空压机系统的恒压供气、恒压供风)。各种场合的恒压、变压控制，冷却水和循环供水系统。

3、污水泵站、污水处理及污水提升系统。

4、农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。

5、宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。

基于PIC的恒压供水系统的两个特点：

1.供水管网压力稳定：设备由微机构成自动闭环控制，能在0.5秒内使变化的压力恢复正常，压力调节精度为设定值的±5%。

2.供水功能全，保险系数高：设备局部出现故障时，能启用应急功能继续供水。该设备可与市政供水网自动并网运行，并具有双恒压功能，即能满足生活生产用水的正常压力和流量，有能在出现火情时自动转换为高压大流量供水，可一机多用。

无负压变频供水设备

变频恒压供水设备

基于PIC的恒压供水系统应用范围：

1、新建的住宅小区、别墅、写字楼、综合楼生活供水。

2、高层建筑、消防用水、高级宾馆饭店等的生活供水。

3、气压给水,地面水池加压等传统供水系统改造。

4、各种锅炉冷水供水系统、锅炉热水。

5、自来水厂的中间加压泵站、自来水二次增压。

6、各工矿企业的生产、生活用水、管网稳压。

7、各种类型的循环水、冷却水供应系统。

8、自来水压力不能满足要求的生活、消防加压供水等。

基于PIC的恒压供水系统使用的领域

1、自来水供水、生活小区及消防供水系统，亦可用于热水供应、恒压喷淋等系统。

3、污水泵站、污水处理及污水提升系统。

4、农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。

5、宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。

基于PIC的恒压供水系统适用范围

A、城乡居民生活供水

变频供水设备广泛用于各城乡的楼宇、生活小区供水，并有效杜绝了细菌的滋生、红虫的繁殖，为广大的住户提供更纯净、更优质的饮用水，既保证了居民用水安全，又节约了能耗，节省了费用开支。

典型的工程有：娄底新化鑫景名苑、邵阳洞口一中、株洲醴陵方正房产、长沙阳光丽景小区、衡阳鑫盛置业、江西九江德山房产(星子田园小区)等。

B、大型宾馆、酒店、医院等商业供水

变频供水设备广泛应用于各大型的宾馆、酒店，能有效杜绝细菌的滋生、红虫的繁殖，为广大的用户提供更优质、更纯净的水，令入住的客人喝得放心，住得开心，同时也提升了企业形象。

典型的工程有：长沙奥盛酒店、湘潭润玉酒店、韶关办公大楼、常德清真第一春、株洲九天国际广场、湘潭圣保力KTV、湘西民族宾馆及益阳维多利亚宾馆等。

C、工业供水

变频供水设备广泛用各类工业用水。

典型的工程有：武汉葆春蜂王浆有限公司、邵阳市科瑞化学品有限公司、株洲湘蜀自控科技公司、湖北广水防水材料厂等。

D、旧供水系统的改造

绝大多数的多层楼宇及部分高层楼宇，都是采用了上行下给的水池二次供水，住户长期受到水质的二次污染、水漏耗大及水压不足等困扰。

典型的工程有：中国水电八局，湘潭金荣广场、湖南省工商业联合会、柳城海润广场、株洲中央皇庭、湘潭新城庭院、湘潭湖湘林语等。

E、“一户一表”改造的配套使用

恒压供水调速系统篇6

关键词：PLC；变频技术；恒压供水；特征；应用；优点

中图分类号：TU991.3 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 18-0000-01

一、目前供水系统的特征

传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：

（1）恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆裂现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。

（2）气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵时压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。

（3）水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。

（4）液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。

（5）单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。

基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

二、PLC概述

（一）可编程控制器的定义

可编程控制器，简称PLC，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”

（二）PLC的发展和应用

20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加適应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

三、变频恒压供水系统的特征及优点

本文是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。

PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有3个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。

根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。

总之，变频技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，供水设备以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。

参考文献：

[1]马桂梅，谭光仪.陈次昌.泵变频调速时的节能方案讨论[J].四川工业学院学报，2003.

[2]崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨[J].兰州铁道学院学报，2000.

PLC变频调速恒压供水系统浅析篇7

随社会经济的迅速发展, 人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高, 再加上目前能源紧缺, 利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术, 设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。为保证小区的供水正常, 我们利用PLC, 配以不同功能的传感器, 根据网管的压力, 通过变频器控制水泵的转速, 使水管中的压力始终保持在合适的范围。这种变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置。另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系, 所以水泵调速运行的节能效果非常明显, 平均耗电量较通常供水方式节省40%。结合使用可编程控制器, 可实现循环变频, 电机软启动, 具有短路保护、过流保护功能, 工作稳定可靠, 大大延长了设备的使用寿命。

(二) 控制电机变频调速系统构成

PLC控制电机变频调速系统由三菱PLC、变频器、电机及电机测速系统组成, 其原理框图 (如图1) 所示。需使用的试验设备有:三菱PLC 1台, EM235模拟量扩展模块 (4输入1输出) 1块, PC/PPI编程电缆一根, 模拟输入开关一套, JD-PLC变频调速试验模块1块, 200 V·A自耦调压器1台, 可加载/可测速的三相异步电动机系统1套。

PLC控制电机变频调速试验系统总图如图2所示。图中表明了控制系统中变频器与各部分的组成和连接。

通过PLC控制变频器, 使三相异步电动机按图3所示的曲线运行, 可对电机的起动、停止, 可对电机起动时间、减速时间设定进行调整。电机运行可分为三个部分 (见图3) :第一部分要求电机起动后转速在60 s内从0线性增加到1168r/min;第二部分是进入恒转速运行阶段, 运行时间为180 s, 转速仍为1168 r/min;第三部分是当恒速到了规定时间, 进入减速阶段, 电机转速要求在40 s内降到0。

(三) PLC变频调速恒压供水系统

根据工业恒压供水的要求, 采用PLC与变频调速技术对供水泵组进行控制。恒压供水系统是变频调速系统的一个典型应用。传统恒压供水系统采用改变出口阀门的开度来调节流量, 以保证在不同使用时间水压的恒定。但是, 这样方式存在效率低、控制效果差、设备老化快、能量损失大等难以克服的缺点, 如果采用变频调速系统, 则可大大提高其性能。

1.工作原理

本系统方案由压力检测转换装置、控制系统和水泵三部分组成, 形成压力负反馈闭环控制系统。系统控制框图 (如图4) 所示。

将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较, 当管网压力不足时, 变频器增大输出频率, 水泵转速加快, 供水量增加迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢, 供水量减小, 管网压力下降, 保持恒压供水。

在系统运行过程当中, 压力检测转换装置 (压力变送器) 检测管道压力的变化, 并将检测到的管道压力信号转换成0～5V或4～20mA的电信号送至调节器与设定值比较并进行PID运算, 并以此结果控制变频器的输出频率, 进而控制水泵的转速来调节管道的水压并使其恒定。由于变频器具有软启动的功能, 因此调节器在PID计算后输出信号的阶跃变化不会引起变频器输出频率的突变, 从而避免了对变频器自身的电流的冲击并起到了对电机的保护作用, 延长了使用寿命。

通过对变频器输出频率进行检测, 可以实现平滑无扰动切换和控制。变频器通常有两个以上多功能集电极输出接口或继电器输出接口, 可直接与可编程控制器相连接。这些输出接口均由变频器内部控制, 可以很方便实现多变频器运行和参数的多功能检测, 其中包括启动频率 (零频率) 检测和工频频率的到达检测检测结果可直接送到可编程控制器的输入端口, 可编程控制器可以很方便地实现控制水泵组在变频器和工频电网之间平滑无扰动切换。

2.系统硬件构成

系统采用压力传感器、PLC和变频器作为中心控制装置, 实现所需功能。图5为3台泵恒压供水系统的结构图。

安装在管网干线上的压力传感器, 用于检测管网的水压, 将压力转化为4～20mA的电流信号, 提供给PLC与变频器。变频器是水泵电机的控制设备, 能按照水压恒定需要将0～50Hz的频率信号供给水泵电机, 调整其转速。ACS变频器功能强大, 预置了多种应用宏, 即预先编置好的参数, 应用宏将使用过程中所需设定的参数数量减小到最小, 参数的缺省值依应用宏的选择而不同。系统采用PID控制的应用宏, 进行闭环控制。该宏提供了6个输入信号:启动/停止 (DI1、DI5) 、模拟量给定 (AI1) 、实际值AI2 (控制方) 式选择 (DI2) 、恒速 (DI3) 、允许运行 (DI4) ;3个输出信号:模拟输出频率、继电器输出1 (故障) 、继电器输出2 (运行) ;DIP开关选择输入0～10V电压值或0～20mA电流值 (系统采用电流值) 。变频器根据给定值AI1和实际值AI2, 即根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号, 利用PID控制宏自动调, 改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速, 以保证管网压力恒定要求。

根据泵站供水实际情况与需求, 利用一台变频器控制3台水泵, 因此除改变水泵电机转速外, 还要通过增减运行泵的台数来维持水压恒定, 当运行泵满工频抽水仍达不到恒压要求时, 要投入下一台泵运行。反之, 当变频器输出频率降至最小, 压力仍过高时, 要切除一台运行泵。所以不仅需要开关量控制, 还需数据处理能力, 采用FX-4AD获得模拟量信号。它在应用上的一个重要特征就是由PLC自动采样, 随时将模拟量转换为数字量, 放在数据寄存器中, 由数据处理指令调用, 并将计算结果随时放在指定的数据接触器中。通过其可将压力传感器电流信号和变频器输出频率信号转换为数字量, 提供给PLC, 与恒压对应电流值、频率上限、频率下限 (考虑到水泵电机在低速运行时危险, 必须保证其频率不低于20Hz, 因此频率上限设为工频50Hz, 下限设为20Hz) 进行比较, 实现泵的切换与转速的变化。

系统在设计时应使水泵在变频器和工频电网之间的切换过程尽可能快, 以保证供水的连续性, 水压波动尽可能小, 从而提高供水质量。但元件动作过程太快, 会有回流损坏变频器。为了防止故障的发生, 硬件上必须设置闭锁保护, 即1Q与4Q, 2Q与5Q, 3Q与6Q不能同时闭合。

3.系统软件设计

控制系统软件是指用梯形图语言编制的对3台泵进行控制的程序。它对3台泵的控制, 主要解决系统的手动及自动切换、各元件和参数的初始化、信号及通讯数据的预处理、3台泵的启动、切换及停止的条件、顺序、过程等问题。

当变频器输出频率达到频率上限, 供水压力未达到预设值时, 发出加泵信号, 投入下1台泵供水。当供水压力达到预设值, 变频器输出频率降到频率下限时, 发出减泵信号, 切除在工频运行方式中的1台泵。系统刚启动时, 情况简单, 首先启动一号泵即可。但考虑3台泵联合运行时情况复杂, 任1台或2台泵可能正在工频自动方式下运行, 而其他泵则可能在变频器控制下运行, 因此必须预先设定增减水泵的顺序。即获得加泵信号后, 按照1号泵、2号泵、3号泵的顺序优先考虑。获得减泵信号后, 按照3号泵、2号泵、1号泵的顺序优先考虑。为了防止故障的发生, 软件上也必须设置保护程序, 保证1Q与4Q、2Q与5Q、3Q与6Q不能同时闭合。在加减泵时必须设置元件动作顺序及延时, 防止误动作发生。系统切换泵流程见图6。

4.系统参数的确定

系统变频运行主要靠变频器来实现。变频器有一数量很大的参数群, 初始情况下, 只有所谓的基本参数可以看到。只需设定简单的几个参数, 变频器就可以工作。主要基本参数见表7。

5.变频器及PLC的选择

(1) PLC的选取

该系统为中性PLC自动控制系统, 要求PLC能提供可编程逻辑分析和PID功能, 故选用SATTCONTORL公司生产PLC5的可编程逻辑控制器。该控制器具有标准的输入、输出及通信单元, 可用于较为恶劣的环境中, 具有较强的抗干扰能力和扩展功能, 变成方便。主要配件有:中央处理单元CPU5, 电源单元PSE, I/O单元, 包括数字输入板IDPG、数字输出板ODPG、模拟输入板IBA、模拟输出板OCAH、热电阻输入专用口、附属单元等。

(2) 变频器的选取

本系统的变频器是用来控制水泵电机, 所以变频器要与水泵电机相匹配。根据基本负荷设计, 选用日本三肯公司的IPF-24变频器, 该变频器的工作电压为380V, 随机容量为24K VA。IPF-24变频器可附加供水基板, 具有控制多台泵的循环变频功能和固定方式切换功能。

(四) 结束语

变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。采用PLC作为控制器, 硬件结构简单, 成本低, 系统实现水泵电机无级调速, 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数, 在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。

摘要：介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统, 由PLC进行逻辑控制, 由变频器进行压力调节。通过PLC控制变频与工频切换, 实现闭环自动调节恒压供水。运行结果表明, 该系统具有压力稳定, 结构简单, 工作可靠等优点。

关键词：变频调速,恒压供水,PLC

参考文献

[1]孙振强.可编程控制器原理及应用教程[M].北京:清华大学出版社, 2005:45-47.

[2]江晓平.PLC可编程控制器系统开发实例导航[M].北京:人民邮电出版社, 2004:279-324.

[3]何新军.基于PLC控制的变频调速闭环系统[J].北京:机械工业出版社, 2001:43-45.

基于变频调速恒压的供水系统设计篇8

异步电动机带着水泵不断地高速旋转, 这样水就可以被供给上来。供水系统由多种元件构成, 主要包括水泵, 电动机, 管道阀门, 还可以将电机和也是这三个元件将电机和水泵连接成一体[1]。这样就可改变水流量了, 从而实现恒压供水。pid模块可以接受来自水压力传感器的信号20ma, 比较发现用户的水压力值区别, 这样就可以实现水泵专属的控制。pid的内部自带了优化的算法, 这样可以使谁呀调节程度十分平滑稳定。对反馈的信号进行换算可以使系统简洁高效。系统主要流程示意图如图1所示[2]。

下图2为系统理论模型建设[3]。系统的控制目标是出水网口官网, 实际中的压力是由实现总管网的供水压力设定的。这可以是一个常数, 既可以用分段函数代替, 并且有时候是一个常数, 因此我们实际就是想在某个规定的时间点使得出口总管网实际供水压力低于设定压力, 假如在系统运行的时候得到了正压力差, 实际系统换成低压力供水[4]。系统将这个差值进行转换得到输出系统的增加值, 实际需要计算的值就是这个差值, 将这个量和变频器结合输出就得到了应该输出的频率。水泵的转速增大时因为该频率使得实际供水压力增高。在实际运行时, 这个程序会被反复实现,

当两者相等了才会停止。如果实际供水系统中实际压力高羽设定的压力, 形式就会转变, 最后也是要两者相等。下图3为系统电路相关原理图。

2 控制要求

1) 工艺参数:水泵流量:290 m3/h;水泵出口压力:0.07Mpa。

2) 水泵参数:型号:123H-13;额定流量:733 m3/h;

扬程:32.2m;功率:80.32KW;额定转速:1452 r/min;配用电机功率:102KW。

3) 电动机参数:型号:JD-L-39-4;功率:100KW;额定频率:50Hz额定电压:380VAC;额定转速:1472r/min;额定电流:182.2 A。

4) 起动正转、调速控制;停止反转, 变频控制。

5) 控制程序长距离控制设备。

6) 4—20m A电流信号为变频器所采用的主要控制信号;

7) 如运行、停止、过流、低压等运行状态指示系统。

8) 发生故障时的预处理报警处理。

3 结束语

本文阐述了变频调速恒压的供水系统工作原理和实现控制系统变频调速的控制要求, 通过相关的理论模型建设, 使变频调速恒压的供水系统设计变得简单生动。

参考文献

[1]顾跃.基于PLC的变频调速恒压供水系统研究[D].长沙:中南大学, 2003.

[2]丁莉.变频恒压供水控制系统研究[D].天津:天津大学, 2007.

[3]黄辉.高效变频恒压供水系统研制与应用[D].杭州:浙江工业大学, 2012.

恒压供水调速系统篇9

1 系统的硬件

可编程控制器, 简称PLC (Programmable logic Controller) , 是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。利用PLC智能控制系统进行供水系统的控制。

PLC主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制, 它主要负责的任务:根据系统运行情况, 使三台水泵自动投入运行;可以让三台水泵自动实现变频泵的轮换;并且有软件启动功能;操作方式又分为手动/自动控制功能, 但需要注意的是只有应急或检修的情况下才可以选择手动方式;除此以外, 一旦系统出现异常情况便会发出警报

2 系统的软件设计

其实系统主要控制功能是通过软件进行实现, 结合实际要求, 对泵站软件设计分析如下:

(1) 由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理。通过调节工作水泵的台数以确保水压恒定。因为在水压降落时变频器的输出频率要相应升高, 所以判断是否需要启动新水泵, 它的依据是其输出频率是否达到设定值。一般情况下通过比较指令即可实现。但为了确保系统的精确性, 在判别其频率达是否达到设定值时, 应当滤除偶然波动引起的频率变化的情况, 所以在程序中应采用一定的措施制止此类情况发生。

(2) 多泵组泵站泵组管理规范。在前文中已经提到了, 让三台水泵轮流在变频情况下运行, 不得两台同时运行, 且其连续运行时间不得超过规定的12小时。这就要求进行水泵切换时要确保它是合理工作的。具体的操作是:将现行运行的变频器从变频器上切除, 并接上工频电源运行, 将变频器复位并用于新运行泵的启动。除了上述问题, 在泵组管理中还应注意泵的工作循环控制。

(3) 程序的结构及程序功能的实现。模拟量单元及PID调节均需要编制初始化及中断程序, 本程序可分为三部分:主程序、子程序和中断程序。在这三部分中, 主程序处于核心地位, 所负责的功能最多;子程序主要是用来存放系统的初始化的一些工作, 中断程序主要是完成PID控制的定时采样及输出控制。还应注意的地方是白天、夜间模式所设定的压力值不同, 而这两值可以直接在程序中进行设定。其中规定白天模式系统设定值为满量程的90%, 夜间模式系统设定值为满量程的70%。

根据控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如 (表1) 所示。

3 监控系统的设计

图1为城市小区恒压供水系统监控界面:从该界面可以观测到其显示区包括当前时间, 水压给定值和水压当前值, 其操作区包括电源的启停, 及系统的工作模式自动/手动, 其报警区包括水压, 水位及故障从该界面还可以得到有关三台水泵运行情况等。

4 结语

文中进行相关较为全面的PLC的变频调速恒压供水系统设计, 基于篇幅设计内容需要较为简洁, 但从设计过程来看这一系统对于相关系统的意应用具有一定的参考价值。

摘要：文中基于PLC的变频调速恒压供水系统设计, 较为全面进行了一下设计分析:系统主要设备的选型、系统主电路设计、系统控制电路设计、系统的软件设计和监控系统的设计。

关键词：PLC,变频调速,恒压供水系统,监控系统

参考文献

[1]王侃夫.PLC变频恒压供水系统的电气设计[J].上海电机学院学报, 2005, (03) :18-21.

恒压供水调速系统篇10

恒压供水变频调速系统的优越性能,已成为设计的主流。其主要特点是:

1.占地面积小,安全可靠,投入成本并不高,而运行效率很高。由于一天内平均转速下降,轴上的平均扭矩和磨损减小,因此水泵的寿命大大提高[1]。

2.变频调速能对水泵实现软起动和软停车,由此可消除水锤效应,减少对管网的冲击。自动化程度高。

2系统概述

(一)传统的供水方式:

1. 水箱/水塔供水-重力供水这种方式供水压力比例恒定,且有储水,但它是由位置高度形成的压力来供水的,为此需建造水塔或将水箱置于建筑物屋顶上。

2. 气压供水。这种供水方式一般是在地下室或空旷处加压将水送到管网中。优点是建设快,可通过改变压力来满足不断增长的供水需求。缺点是建压力罐其体积和投资大,还需设置空压机充气,消耗电能大,运行费用高[2]。

(二)恒压供水变频调速系统:

其控制框如图1所示。由变频器向电机供电,由电机拖动水泵,通过压力传感器把在出口水压检测点测得的压力(反映用水量大小)反馈信号与压力给定信号经比较送入调节器,再将调节器的输出信号作为变频器的频率给定信号,由此来根据用水需求量自动调节供水量的大小。

(三)系统控制要求:

本系统采用三台同容量的水泵供水,具体的控制要求是:

1. 用水量少时由变频器驱动一套电机泵组,且根据用水量自动调节泵速,另两套电机泵组停车。

2. 当此泵速达到最高仍不能满足用水需求时,则起动第二套电机泵组并由变频器供电,而第一套自动切换由工频电网直接供电。

3. 两套电机泵组供水时,若第二套泵速最低时仍大于用水需求,则自动切除第一套泵组;若第二套泵速最高时仍小于用水需求,则自动起动第三套电机泵组并由变频器供电,而第二套自动切换由工频电网直接供电,第一套仍由工频电网直接供电。

4. 三套电机泵组供水时,若第三套泵速最低时仍大于用水需求,则自动切除第一套泵组,第二套仍由工频电网直接供电。同理,以次减之。之后周而复始,实现自动循环切换,因此各台泵的平均使用寿命得到提高[3]。

3 方案选择

多泵并联变频恒压工作模式通常是:当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量,由一台变频泵调速恒压供水;当用水流量增大,变频泵的转速自动上升;当变频泵的转速上升到工频转速,为用水流量进一步增大,由变频供水控制器控制,自动启动一台工频泵投入,该工频泵提供的流量是恒定的(工频转速恒压下的流量),其余各并联工频泵按相同的原理投入。在多泵并联变频恒压变量的供水情况下,当用水流量下降,变频调速泵的转速下降;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,自动关闭一台工频泵使之退出并联供水。为了减少工频泵自动投入或退出时的冲击。在投入时,变频泵的转速自动下降,然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。在退出时,变频泵的转速应自动上升,然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。上述频率自动上升,下降由供水变频控制器控制[4]。

另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式。在这种供水模式中,当供水流量少于变频泵在恒压工频下的流量时,由变频泵自动调速供水,当用水流量增大,变频泵的转速升高.当变频泵的转速升高到工频转速,由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电(不通过变频器供电)。变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随用水流量增大,其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。这就是循环软启动投入方式。当用水流量减少,各并联工频泵按次序关泵退出,并联泵退出的顺序按先投入先关泵退出的原则由恒压控制系统实现。

4 系统工作原理

(一)系统结构

变频恒压供水系统工作原理如图2;它主要有PLC、变频器、压力传感器、动力及控制线路以及泵组组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器,把出口压力信号变成4~20m A标准信号送入变频器内置的PID调节器,经PID运算与给定压力参数进行比较,得到4~20m A参数,4~20m A信号送至变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量,根据用水量的不同,变频器调节水泵的转速不同、工作频率也就不同,在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测,当用水量大时,管路压力减小,变频器频率迅速上升到上限频率,此时,变频器输出一个上限频率到达开关信号给PLC;当用水处于低峰时,管路压力增大,变频器输出频率下降并达到下限频率,变频器也输出一个下限频率到达开关信号给PLC;两个信号不会同时产生。系统始终保持每个时刻都有变频泵在运行,自动调节管路内的压力,当产生任何中一台电机的变频转速,使系统管网的工作压力始终稳定,进而达到恒压供水的目的。变频器输出的信号即反馈给PLC,一个信号时,信号即反馈给PLC,PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组,以此协调投入工作的水泵电机台数,并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速,使系统管网的工作压力始终稳定,进而达到恒压供水的目的[5]。

(二)工作原理

图3中Q0为总电源进线断路器、Q01为变频器的电源进线断路器、Q1、Q2、Q3为1#、2#、3#泵工频电源进线断路器、FU为电压转换开关的熔断器、SV为电压转换开关、PV为电压表.KM1、KM2、KM3为泵1#、2#、3#变频接触器。

回路设计:变频器的接线见图3,变频器10,11端子是模拟量输入端口。5,9端子是起动停止信号,9号端子是变频器自带的+24V电源,当5号端子有正电源时变频器允许起动断开时停止运行,因此在5,9号端子连线之间串接了一副继电器辅助触点KA1,当辅助触点闭合时,变频器可起动,断开时变频器停止。通过控制K A 1的闭合和断开,在泵切换时进行断开变频器的控制。21端子输出下限频率信号到PLC输入端,24号端子输出上限频率信号到PLC输入端。在变频器外部接线图中可知见图4,在变频器控制的一路,因变频器自带过流和过热保护,所以没有设过热保护,在工频控制一路我们设置了热继电器,在每个泵的变频器控制和工频控制的两路我们都通过PLC输出控制每个接触器线圈来互相自锁。接触器采用DC24V线圈接触器。

开始工作时,1#泵变频启动,泵的转速上升,如变频器的频率达到50HZ而此时水压还未达到设定值,变频器检测到上限频率并输出一个开关信号给PLC,上限频率信号保持5分钟时间后,1#泵迅速切换至工频运行,同时解除变频器运行信号1秒,然后切换到2#泵由变频器驱动,若此时压力上升,变频器输出下限信号,系统自动切断1#工频泵,由2#变频泵单独运行。若此时压力下降未达到设定值,变频器输出50赫兹上限运行信号,则2#泵切换至工频,3#泵变频启动。在运行中始终保持一台泵变频运行。当在1#泵工频运行,2#泵变频运行时,管路压力未达到设定值时,变频器输出一个上限频率信号至PLC,由PLC控制切除2#泵变频运行,此时由2#泵工频运行、3#泵变频运行,同时保持1#泵工频运行。如果此时压力上升,变频器频率达到下限频率,同样输出下限信号给PLC,PLC解除1#工频泵,由2#工频泵和3#泵变频运行来维持管网压力。当压力上升,变频器频率下降,输出下限频率信号后,2#工频泵切断,此时由3#泵单独运行来维持管路压力。此时如管道压力下降,变频器达到上限频率,并输出上限压力信号,3#变频泵转换为工频运行,1#泵变频启动,若压力仍不满足则1#变切换为1#工,2#泵变频运行,并保持3#泵工频运行。三台泵同时工作以保证供水要求。见图4.5这样的切换过程有效地减少泵的频繁起停,同时在实际管网对水压波动做出反应之前,由变频器迅速调节,使水压平稳过渡,从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。

5 PLC程序设计

变频泵循环运行优点很多,但是实现起来关键问题是变频器输出切换问题。将水泵电动机从变频器供电切换到工频电网供电,将可能遇到很大的电流冲击考虑到变频器每次切换的时会产生的冲击,如表1所示,以第1台电机为例在K M1断开以后,定子绕组是开路的,不可能有励磁电流。而转子绕组是自成回路的,其电流有一个逐渐衰减的过程,它将产生一个逐渐衰减的直流磁场,而定子三相绕组将和此旋转的直流磁场相互切割,从而产生出相应的感应电动势,即电动机在切断电源以后,存在着一个处于非同步发电状态的电磁过渡过程。非同步发电状态不同于电动机的再生发电状态,电动机的再生发电状态是指定子绕组必须和电源相接,以得到励磁电流。而此这时是电机已经脱离电源。

我们在应用中是在水泵脱离变频器后,等待一段时间待电动机的反电动势降下来以后再接到工频电源。在切换的时候PLC先发出停止信号,停止变频器运行1 S使变频器降速到零,在起动前段会有下限低的信号,造成不能正常起动,在变频器切换时都有2S钟的信号下限信号隔离的设计。每次切换时都保持下限和上限信号连续保持5分钟后方可切换,以避免因变频频率波动而产生的频繁切换。

6 变频器参数设定(表2)

7 系统各部分的选型

(一)变频器选型:通过电机容量选用变频器,考虑安全和余量。采用西门子型号为:6SE6440-2AD32-2DA1。功率:22KW.MICROMAST

(二)PLC控制系统及选型:该系统采用三菱FX2N-32ET,I/O点数为32点,继电器输出,PLC编程采用三菱PLC专用编程软件SWOPC-FX/WIN-C。

(三)压力传感器选型:压力传感器采用昆山双桥传感器测量技术有限公司.型号:CYG101型(低压力传感器)。量程:0~40~100~400~1000~1600kpa

(四)断路器的选型:通过电机的功率为1 8.5 KW可知,电机额定电流为36.1A一般选取断路器额定电流为电机的额定电流的1.5~2倍为5 4.1 A,所以选取Q1~Q3具体型号:3VL2706-1AE33-0AA0.Q01

(五)接触器和继电器选型:KM1~KM6接触器采用西门子公司的3TF系列接触器,工作电流为90A,具体型号:3TF4722-0XB0.继电器具体型号:3TH4022-0XB0

8 结束语

PLC控制和变频调速恒压供水系统投入使用后,完全能够达到设计要求,高效节能,故障低,调速供水效果突出,用户反映良好。同时减少设备损耗,延长了水泵和电机的使用寿命.提高了社会效益。

参考文献

[1]变频调速给水的基本原理[EB/OL].http://www.asklight.com/article/Folder9/200746/60534.Html.

[2]基于PLC的新型变频调速恒压供水系统[EB/OL].http://ww w.au tooo.net/Htm l/IN V/Inv-C ase/20 0 7-3/18/0731819409.html

[3]PLC及变频调速技术在泵站恒压供水中的应用[EB/OL].http://www.jd37.com/tech/200810/39839.html,2008,10.

[4]张燕宾主编.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社,2000.

[5]陈勇,陈亚爱主编.电机与拖动基础[M].北京:电子工业出版社,2007,5.

恒压供水调速系统篇11

平高集团有限公司 (以下简称平高集团) 座落在河南省平顶山市, 前身是平顶山高压开关厂。经过40多年的创新发展, 现已成为中国高压、超高压及特高压开关等重大装备的研发制造基地之一。

为实现节能减排, 提高企业效益, 平高集团组织实施了大量的技术改造工程, 采用变频调控技术对供水系统的改造就是其中1项。现已取得显著效益。

1 平高集团的供水系统

1.1 水源井基本情况

由于建厂初期市政供水能力不足, 经过水行政主管部门批准并核发《取水许可证》, 平高集团实行自备井供水。自备水源井的情况见表1。

1.2 原供水系统基本构成

平高集团地下管网全长10 km, 建有1座200 m3储水塔。原供水系统采用3台水泵将地下水抽到储水塔后再向用水单位供水, 3台水泵全部采取人工管理, 并利用电接点压力表辅助控制水泵供水压力及水泵的启停。

1.3 原供水系统存在的主要问题

1.3.1 供水压力波动大无法满足生产生活需求

整个供水系统由3个水泵站组成, 由3个值班工分别根据各泵出口压力, 自行决定各井的开停, 水压直接受到值班人员的主观影响, 无法实现最佳开停匹配, 无法达到满足供水压力的需求。

1.3.2 电能浪费多管网承压大

整个供水系统需要24 h不间断供水, 用水量及对供水压力的要求随季节、生产周期、每天工作时段的变化。采用人工调节, 即使值班人员责任心很强, 也很难及时有效地调节。造成高峰时压力不足, 低谷时压力过高, 电机空转。

1.3.3 供水条件复杂管理十分困难

由于水塔容积只有200 m3, 供水量及供水压力受水塔本身限制。同时, 水塔建在生产区正中央, 影响企业整体规划。

生产区和生活区用水采取统一供水系统, 尤其是生活区平房、多层楼房、高层住宅交叉分布, 用水需求情况不同, 供水压力无法在最佳经济区间运行。

居民生活用水由企业供应, 不利于节水意识的培养。多年来居民用水回收率在50%左右, 浪费严重, 且实行低于成本收费, 增加了企业供水系统成本。

2 变频调速技术的发展及节电原理分析

2.1 变频调速供水技术的发展

变频调速恒压供水技术是20世纪80年代后期发展起来的[1]。随着电力技术的发展, 以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备, 其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式以及齐全周到的功能, 使供水系统实现节水、节电、节省人力, 最终达到高效运行的目的[2]。

变频调速恒压供水技术能实现水泵的软启动, 减小水泵启动时的冲击电流, 不仅延长了水泵的使用寿命, 且在调节水泵流量时, 节约了可观的能量。变频调速恒压供水系统实现水泵电动机无级调速, 根据用水需求, 自动调节系统的运行参数, 在用水量发生变化时, 保持水压恒定, 可满足用水要求。

变频调速恒压供水的主要特点是, a) 供水量在短时间内 (几个小时) 的变化可达几倍甚至是10倍;b) 其供水压力随供水流量的变化而变化, 甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力;c) 一般情况下, 其供水流量受消耗量的控制, 其水流量通过供水水泵的输出来提供。

变频调速恒压供水技术, 在短短几年内, 经历了逐步完善的发展过程, 早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。目前, 变频调速恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种的方向发展[4]。

2.2 变频调速节电分析

2.2.1 变频调速电机节电分析

变频调速器将电网中的三相交流先整流成直流电, 再通过逆变器将直流电逆变为电压可调、频率可调的三相交流电去驱动异步电动机, 实现了调速和节电。

三相异步电机转速计算式[4]为

其中, n2为转子转速, r/min;n1为同步转速, p为极对数, f1为电源频率, Hz, s为转差率。

由计算式可知, 调整转速可通过改变电源频率、绕组的极对数或转差率等3种方式实现, 一般p, s不变, 则n2与f1成正比例。

水泵转速是根据每分钟旋转的圈数计算的。铭牌中规定的转速是最大的转数n, 不能任意提高, 降低转速不宜低于50%, 水泵转速改变时, 它和轴功率N的变化关系是,

即变速后轴功率=原轴功率× (变后转速/原转速) , 一般原功率、原转速一定, 设f1降为a%, 则n2下降a%, 因此, 可把计算式改写为,

N2∝ (1-a%) n2∝ (1-a%) f1,

示例:若f1降30%, 则变速后轴功率变为,

即若f1降30%, 消耗功率为额定功率的34.3%, 则节电率为65.7%。

2.2.2 变频调速供水系统节电分析

变频调速供水系统的节电原理见图1[1], 其额定运行时工况点D是泵的特性曲线Nn与管路阻力曲线R1的交点。

传统供水系统利用阀门控制水泵, 如, 需减小用水, 即流量从Qn减小到Q1, 需关小阀门, 使阀门的摩擦阻力变大。即阻力曲线从R1转移到R1', 扬程则从H3升到H4, 运行工况点从D点转移到A点。

变频调速供水利用变频器控制水泵, 阀门不需要有开度变化, 因此, 阻力曲线R1不变。为使流量改变, 只需改变水泵转速。如果把速度从nn降到n1, 特性曲线也从Nn转移到N1。此时, 运行工况点从D点转移到C点, 扬程从H3下降到H2, 流量从Qn减小到Q1。则A点水泵的功耗为PA=kH4Q1/η, C点水泵的功耗为PC=kH2Q1/η, 两者的差值为,

即用阀门控制水泵流量时, 有ΔP功率被浪费, 且这个损耗随着阀门开度的关小而增加。

3 平高集团供水改造方案及可行性分析

3.1 整体供水改造方案

生产区保留自备井供水, 取消水塔, 取消人员值班, 全部采用变频调速技术对3口井进行恒压供水智能控制系统改造。生活区生活用水改造结合平顶山市实施的自来水“一户一表、水表出户”改造工程进行, 改造后居民供水管理、抄表收费及管道维修工作由平顶山市自来水公司负责, 对由于市政供水压力较低, 无法直接供水的局部高层住宅, 加装变频恒压供水设施。

3.2 可行性分析

采取自备井供水符合当地政府有关水资源管理的政策。由于当地供水能力不足, 允许企业在获得取水许可手续后, 继续采用自备水源井自行供水。自备水源井供水有利于降低企业生产成本。

3.2.1 自备水源井供水成本

自备水源井供水成本主要包括向市政府缴纳的污水处理费和水资源费, 用电成本、设备折旧、设备维修、运行管理以及漏失损耗等费用。

平顶山市规定的污水处理费收费标准是按取水量的40%计算的, 收费标准为0.8元/t;地下水资源费收费标准为0.65元/t;平均用电为0.52 kW·h/t水, 电价按0.7元/k W·h, 平均电费为0.364元/t水;运行费用包括值班人员13人, 工资支出26×104元, 平均运行费用为0.132 65元/t水;设备折旧及维修费用平均为5×104元/a, 平均费用为0.025 5元/t水;管网漏失率为10%。综合以上因素企业自备水源井供水综合成本为1.64元/t水。

3.2.2 市政供水成本

市政工业用水价格为2.6元/t, 市政居民生活用水价格为1.85元/t, 主要包括基本水价、公用事业附加费、污水处理费、水资源费等费用。

居民区采用市政直接供水, 符合国家有关居民用水社会化管理及自来水“一户一表、水表出户”改造的政策, 有利于加强管理, 减少企业负担, 支持企业发展。

平高集团自备水源井供水综合成本为1.64元/吨, 如考虑回收低 (50%左右) 以及管理、抄表、维修等费用, 企业居民自供水成本在3.5元/t。由市自来水公司直接管理, 居民生活用水价格仅为1.85元/t, 不需要企业再承担其他费用。同时, 改造后基本不增加居民的负担。

4 平高集团变频调速供水改造实施

4.1 生产区供水系统变频调速技术改造实施

平高集团恒压供水智能控制系统以std总线工控机为中心, 利用变频器对主要水泵的压头进行连续调节, 辅以对其他水泵的开关控制来实现恒压供水。同时, 具备对各种数据进行处理、报警保护、故障处理等功能。具体见图2。

该系统通过2号泵的变频连续调节及1号泵、3号泵的开关控制, 保证系统供水总管的压力稳定。该系统主要功能有, a) 实时检测、控制供水总管的压力 (压力值可以设定) ;b) 实时检测流量及累计总供水量;c) 实时检测电机工作电流及温度;d) 各种参数的瞬时值、变化曲线可由显示屏显示、打印机定时或强制打印;e) 该系统具有断电后资料保护不少于8 h的功能, 来电后能保持所有数据不丢失, 且能继续累计;f) 系统包括独立的自动控制部分和手动控制部分, 具有方便的手动/自动切换功能, 可进行远距离控制和现场控制;系统具有完善的自检和保护功能, 能对水压超限、电机故障等进行声、光报警, 并能自动进行故障处理。

4.2 生活区居民供水改造实施

平高集团有4个居民区3 000户居民, 平均用水10×104t/月, 全部改为市政直接供水。宿舍区有两处因原供水系统水压不足, 采取了无塔供水措施。改为市政供水后, 靠近市政主管道的8层住宅, 由于市政水压较高, 可实现市政直接供水, 取消原无塔供水设施。另一处, 200户的7层居民住宅4楼以下实现市政直接供水, 5层及以上供水压力不足。为不影响整体改造移交, 保证居民用水, 同时减少用电消耗, 平高集团结合供水改造工程对原无塔供水系统进行改造。

中国的变频调速恒压供水设备由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能PID调节器、压力变送器、PLC控制单元等部分组成, 控制系统原理见图3。

5 运行及效果分析

5.1 运行分析

平高集团整个供水系统2005年12月31全部改造完成。通过多年的运行统计分析, 达到了预期目的和设计要求。系统运行可靠, 供水压力稳定, 能够满足生产生活用水要求。

改造后, 正常生产条件下, 典型工作日24 h生产供水压力、取水及用电单耗检测统计结果见表2。从表2可看出, 平高集团最小用水量为18.5 t/h, 出现在3:00到5:00之间;最大用水量为326 t/h, 最高供水量是最低供水量的17.6倍。在供水量出现周期性巨大波动的情况下, 平均供水压力始终稳定在0.2713 MPa左右, 有效保证了生产生活供水。生活区供水情况正常, 没有出现供水不足或压力过大现象。

5.2 实际节电效果分析

5.2.1 生产区节电效果及成本统计分析

通过抄表统计, 生产区供水系统节电情况见表3。

5.2.2 生活区供水节电效果及成本统计分析

生活区供水系统用电节电情况见表4。

通过以上统计分析, 平高集团变频调速供水改造项目实施后, 节电69.14×104k W·h, 折人民币48.398×104元。

5.3 投资效益分析

5.3.1 改造投资分析

平高集团变频调速供水系统改造投资见表5。

5.3.2 投资效益分析

a) 改造后节约电费48.398万元;b) 减少自备水源井值班人员13名, 减少居民用水管理、抄表、收费及维修人员4名。按人均工资2×104元/a计算, 节约运行成本34×104元/a;c) 改造后减少了漏失, 节水价值为56.58×104元/a;3项合计节约138.978×104元/a。

5.3.3 投资回收期分析