新型变频恒压供水系统

新型变频恒压供水系统（精选11篇）

新型变频恒压供水系统 篇1

随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，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，起动平稳，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;由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应。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，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。唐山市海港开发区供水工程就采用了这种供水控制系统。

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.

[4]赵相宾, 刘国林.变频调速和软启动技术的现状和发展[J].自动化博览, 2000.

新型变频恒压供水系统 篇2

目前，供水行业中经常用到无负压给水设备和变频恒压给水设备，以上两种设备的基本原理都是根据供水系统的压力变化（对应流量变化）。利用变频器调节执行单元（水泵、电机）的转速，达到恒压供水目的（f1：f2＝n1: n2= Q1: Q2=H12: H22。该系统中，执行单元是系统中主要工作消耗能源的设备及主要影响系统综合性能的设备之一。泵的选择合理与否则直接影响到系统的两个重要指标：

一、运行费用——耗电量及出水量。

二、使用维护成本——设备使用寿命，日常维护费用。

所以，在变频恒压供水系统中，水泵的选择至关重要。

变频恒压供水系统中水泵的选择必须考虑以下几方面：

1.流量、扬程，满足系统设计的供水要求，泵的基本参数合理与否是系统供水功能的基本保障。

2.水泵配电机的供电要求必须满足使用地供电情况。

3.尽量选择高效率水泵，由于变频恒压供水为不间断供水，运转时间长，水泵在该系统中又是主要耗能单元，高效率的水泵选择是系统节能理念的根本保证。4.性能曲线（Q－H线）选择较陡峭的水泵。

变频恒压供水主要是通过水泵转速的变化来调节因用水量变化带来的压力变化，使压力恒定、平稳，性能曲线陡峭的泵相对于性能曲线平稳的泵在转速、流量发生变化压力恒定时频率的调节幅度大，选择性能曲线陡峭的水泵在变频恒压给水系统中满足不同用水量的变化更加节能。

5.选择使用寿命相对长的水泵。水泵作为能量转换工作单元，本身就是易损坏，高维修保养的部份。高品质的水泵关系到整个系统的使用寿命，直接影响使用成本。6.选择维修维护简单的水泵

一般设备将交到物业公司管理，物业公司的维修技术力量不强，不方便维修或维修技术要求高的水泵会增加使用成本，特别是零部份互换性差的水泵更会增加日常的维护成本。

其它如：使用环境对防护等级及噪音要求等根据实际情况加以考虑。

以下为典型不能用于变频恒压供水系统中的水泵实例：

一、填料密封水泵

该类水泵启动转矩大，变频启动的启动转矩小，使用中经常会使变频器报故障，并且使用中密封耗能量大，也不节能。

二、屏蔽泵

1.该泵效率相对于单端面机械密封离心泵低，一般不会高于60%。

2.变频恒压供水系统流量是变化的，经常会出现长时间小流量供水，如夜间及其他供水各区，屏蔽泵在长时间小流量情况下运转，由于其效率低，会导致发热，使液体蒸发，而导致干转，从而损坏滑动轴承或过热后烧毁电机。

3.屏蔽泵为单级泵，性能曲线较为平坦，压力恒定，流量发生变化要求的转速变化不大，变频调节（频率变化）幅度很少，不节能。

4.屏蔽泵相对普通离心泵寿命短，一般机修人员不能解决，需要专业维修人员，一旦发生泄漏电机就会烧毁。

新型变频恒压供水系统 篇3

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.

新型变频恒压供水系统 篇4

供水控制系统是以某一参量作为控制目标, 对水泵电机进行控制, 来改变水泵的运行工况 (如流量、扬程、功率) , 以达到用户的需求。根据控制目标对象的不同可分为压力控制、液位控制及其他特殊控制方式, 如温度、差压和温差。从电控系统类型上分有普通继电控制型和变频调速控制型, 普通继电型通过控制交流接触器控制水泵电机的起停, 水泵电机处于工频及停止状态, 起动方式有软起动、自耦变压器起动或直接起动。变频调速系统对电机的转速实现无级调速, 根据用水量大小进行变速供水, 保证出水压力不变。既节约电能, 又保证水泵软启动 (对电网电压冲击不大) , 延长了水泵寿命。高层建筑及生活小区供水系统的发展方向是采用现代检测技术、计算机控制技术、交流调速技术, 形成组合化、模块化、可编程、可通信的系统。主要组成部分是PLC系统、PID控制器、变频器、电机、水泵、压力传感器。

2 供水系统方案及比较

水池-水泵 (恒压变频或气压罐) -管网系统-用水点是目前国内外普遍采用的方法。该系统供水采用变频泵循环方式, 以“先开先关”的顺序关泵, 工作泵与备用泵不固定。这样, 既保证供水系统有备用泵, 又保证系统泵有相同的运行时间, 有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象, 提高了设备的综合利用率, 降低了维护费用。

水池-水泵-高位水箱-用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱, 再由高位水箱向下供水至各用户。但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染, 影响居民的身体健康, 所以这种方案终将淘汰。

3 变频恒压供水系统控制方案

供水系统主要应用PID恒压控制功能、多泵循环控制功能以及睡眠功能, 不同水泵厂商会采用不同方案来的实现这些功能。

方案一:

采用PLC控制系统实现PID控制和多泵循环功能, 变频器仅做基本调速。在工作过程中, 压力传感器将管网水压变换为电压或电流信号, 经模拟量输入通道输入PLC系统, PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算, 由PLC将速度命令发送至变频器, 调节水泵电机的频率, PLC与变频器间采用Modbus通信、0-10V/4-20m A控制。

方案二:

不配置PLC, 采用变频器内部的PID功能, 变频器驱动水泵台数较少, 一般为两台, 水泵的切换循环功能也由变频器控制

方案三:

采用变频器内部PID控制功能, 水泵数量较多, 一般在三台以上, 由PLC实现灵活的循环控制及故障切换保护。

4 变频器功能与设置

4.1 PID控制功能

变频器内部PID回授信号可以选择正回授及负回授两种方式.负回授应用于当输出频率增加, 电机运转速度增大时, 检测反馈信号也会增大的应用场合;当需要减小输出频率时检测反馈信号增大时, 选择正回授.

4.2 睡眠唤醒功能

可设置睡眠频率, 睡眠时间和苏醒频率, 当频率命令低于睡眠频率时, 在睡眠时间内, 变频器运转频率为睡眠频率;当给定低于睡眠频率的时间超过睡眠时间时, 变频器进入睡眠状态, 输出频率为0, 直至速度命令达到苏醒频率时, 变频器进入苏醒状态, 按频率给定命令运行。

4.3 多泵循环功能

4.3.1 定时循环

变频器让每台电机工作于变频或停止状态, 每个时刻有一台电机运行, 电机按顺序运行设定的时间后停止, 延时后, 起动下一台电机, 循环控制多台电机, 防止某些电机长期工作, 而某些电机长期不工作的情况出现。

4.3.2 定量循环

变频器让每台电机可以工作于变频和工频状态。

加泵过程, 当现有运行电机不能满足压力或流量要求时, 将变频运行的电机加速后切换至工频电源驱动, 再变频起动下一台电机, 依次增加电机数量, 最后工作于若干台电机工频运行与一台电机变频运行模式。

减泵过程, 当运行时的压力 (或) 流量大于设定值时, 需要减泵降速运行, 变频电机开始减速, 若减速到某转速时, 满足要求, 系统维持状态继续运行, 若变频电机速度停止运行后, 压力 (或流量) 仍大于设定值, 系统将停止一台工频电机, 若此时压力 (或流量) 仍大于设定值, 则系统再停止一台工频电机, 若此时压力或 (流量) 小于设定值时, 将一台电机启动工作于变频状态, 保持若干电机工频运行、一台电机变频运行的模式。

4.3.3 定量控制

加泵过程, 第一台电机变频运行到切换频率后, 如果压力 (或流量) 小于设定值, 系统增加一台工频运行的电机, 最后系统工作于一台电机变频运行、若干台电机工频运行状态。

减泵过程, 若系统的压力 (或流量) 大于设定值, 首先变频运行的电机开始减速, 根据给定与反馈值比较, 直至速度减到最小设定频率, 若压力 (或流量) 仍大于设定值, 减少工频运行电机, 直到反馈值小于给定值时, 变频电机加速到合适转速, 最后系统也工作于一台电机变频运行、若干台电机工频运行状态。

4.3.4 定时循环+定量循环

系统处于定量循环模式工作时, 压力 (或流量) 需求较少时, 只有部分电机工作, 有的电机可能处于较长时间不运行, 这时可以用定时循环的模式循环运行电机。

4.3.5 定时循环+定量控制

新型变频恒压供水系统 篇5

电气工程及自动化

基于PLC的变频恒压供水系统设计

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在政府及社会倡导节水节能现实条件下，我们这个水资源和电能都及其短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水、小区供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，但是随着社会经济的飞速发展，住房制度改革的不断深入，城市建设规模的不断扩大，人口的增多和人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、经济、稳定、可靠性提出了越来越高的要求，也直接体现了城市小区物业管理水平的高低。

传统的小区供水方式有:恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕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。传统的小区供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源;效率低;可靠性差;自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。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，水泵大多数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。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，是各个供水解水企业关心的焦点问题之一。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，需要利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，要求设计出高性能、高节能、能适应供水厂的复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。

随着科学的发展，变频器的使用也越来越广泛，不管是工业上还是家用电器上都会用到变频器。可以说，只要有三相异步电动机的地方，就有变频器的存在。也随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以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的恒定来满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。

变频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上。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。从查阅大量的资料的情况来看，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，因而投资成本较高。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。

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、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，远远没能达到所有用户的要求。

在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正朝着高可靠性、多品种系列化、全数字化微机控制的方向发展。追求高度智能化、标准化、系统化是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

变频恒压供水系统能适用于生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有如下几个特点：

(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，是过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、浓度、流量等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。

(2)用户管网中因为有管阻等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些特有的特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。

(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异性，因此其控制对象的模型具有很强的多变性以及不确定性。

(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入，而定量泵的控制是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化。所以认为变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。

(5)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果十分显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

(6)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

研究的基本内容：

1)

基于PLC的变频恒压供水系统的系统组成以及工作原理。

2)

基于PLC的变频恒压供水系统的PLC程序的设计。

3)

状态循环转换控制的电气设计方案。

4)

上、下位机的通信模块。

拟解决的主要问题：

1、掌握基于PLC的变频恒压供水系统的工作原理。

2、基于PLC的变频恒压供水系统的硬件和软件设计。

3、PID算法在变频调速恒压供水系统中的应用。

4、完成上、下位机的通信设置，通过通信模块实现对供水系统的远程监控和故障报警。

三、研究步骤、方法及措施：

步骤及方法：

(1)了解国内外PLC的变频恒压供水系统的发展动态。

(2)掌握基于PLC的变频恒压供水系统的工作原理。

(3)重点讨论PLC的变频恒压供水系统的硬件和软件设计、PID算法在变频调速恒压供水系统中的应用以及上、下位机的通信设置，通过通信模块实现对供水系统的远程监控和故障报警。

(4)

设计一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统。

(5)得出结论。

措施：

图书馆查找相关的书籍、期刊、杂志等，通过上网寻找相关的一些资料，查看当代对该技术的研究成果和最新的动态。然后通过对这些资料的学习和研究进一步的熟悉和理解设计所需的相关知识。在设计过程中及时与指导老师探讨，对不了解的问题及时向老师请教。

四、参考文献

[1]蔡美琴,张为民.MCS-51系列单片机系统及其应用（第二版）[M].高等教育出版社.2009.1.[2]顾绳谷,姚守秋.电机及拖动基础[M].机械工业出版社.2008.8.[3]徐科军,马修水，李晓林.传感器与检测技术（第二版）[M].电子工业出版社.2009.2.[4]夏德钤,翁贻方.自动控制理论（第三版）[M].机械工业出版社.2009.1.[5]邵玉森,戴先中.过程控制工程（第二版）[M].机械工业出版社.2010.1.[6]吴志敏,杨胜峰.西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程[M].中国电力出版社.2009.7.[7]孙凯.基于PLC的变频恒压供水系统的设计[J].中国制造业信息化.2010.[8]熊幸明.变频调速技术的应用与发展[J].长沙大学学报(自然科学版).2005.[9]任琪.基于PLC变频调速恒压供水控制系统设计[J].信息系统工程.2009.[10]崔玉川,傅涛.我国城市给水发展现状与特点[J].中国给水排水.1999.[11]杨凌云.PID调节器在恒压供水系统中的应用[J].微机算计信息，2001.[12]蒋艺,杨俊生.变频调速器在供水系统中的应用[J].山东冶金.1999.[13]姜学军,刘新国，李晓静等.计算机控制技术（第二版）[M].2009.7.[14]黄金波,郭丽春.可编程控制器在自动给水系统中的应用[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2002.[15]云飞.变频调速水泵的能耗分析[J].流体机械,2001.12.[16]Raymond

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新型变频恒压供水系统 篇6

摘要：文章针对除灰系统中空气压缩机能耗大、自动化程度低等问题，利用集散控制系统和变频器对空压机进行了变频改造，实现了空压机供气PID自动恒压调节，节能效果显著。

关键词：空压机；集散控制系统；恒压供气；PID变频；改造节能

中图分类号：TH457 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）11-0038-02

司家营铁矿热电车间共有两台螺杆式空压机，为除灰系统提供吹扫气源，是锅炉运行的重要设备，其运行状况的好坏直接影响车间的正常生产。针对上述问题，司家营铁矿热电车间对空压机控制系统进行改造以达到节能增效的效果。

1 螺杆式空压机工作过程及存在问题

1.1 螺杆式空压机工作过程

螺杆式空压机工作过程如图1所示：

如图1所示，空气经过空气过滤器过滤掉杂货和尘土等，经吸气调节阀进入到压缩腔，与此时被喷入的冷却润滑油混合，由电动机加压压缩成高压混合气体，经过储油罐进入油/气分离器，经过一系列的碰撞、重力离心等作用，空气与油分离，空气经过空气冷却器进入储气罐为系统供气，而油经过油过滤器和冷却器进入压缩器进行新一轮的油气混合。

1.2 空压机存在的问题

（1）空压机加载、卸载过程中，耗能较高，造成极大的浪费。（2）空压机房工作环境恶劣，噪音大。（3）自动化程度低，输出压力依靠调节阀人工调节，速度慢，精度低，供气压力不稳定。

2 空压机变频改造方案

2.1 空压机经济运行分析

根据空气压缩理论和异步电动机原理，空压机的轴功率、排气量和轴转速符合下列公式：

PL——空气压缩机功率

TL——空气压缩机转矩

nL——空气压缩机转速

根据上述理论分析，在空压机的汽缸容积一定的前提下，只有调节空压机的转速才能改变排气量。由于空压机是恒转矩负载，空压机轴功率与转速呈正比变化，因此通过调节空压机的转速来调节供风压力，是空压机经济运行的有效方法。

2.2 变频器的节能原理

由电机学知识可知，异步电动机的转速n与电源频率f、转差率S、电机极对数p三个参数有如下关系：

由此可知，在电机极对数p一定且转差率S又变化很小的情况下，转速n基本上与电源频率f成正比，即改变电源频率就可以改变电动机的转速。因此，可以利用变频器的调速功能调节空压机的转速，实现空压机的经济运行，以达到节能的目的。

2.3 集散控制系统介绍

集散控制系统（Distributed Control System）是以微处理器为基础的集中分散控制系统，可对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的

分散。

2.4 空压机变频改造方案

恒压供气控制系统主要由DCS、变频器、空压机、压力变送器等组成，以管网压力为控制对象，设计的控制原理图如图2所示：

执行机构为变频器，采用V/F控制方式进行调频，根据偏差按设定的PID控制模式进行运算，从而控制变频器的频率，调节空压机电机转速，使得供气压力维持在给定压力上，实现供气的恒压控制。

为了安全运行，保留原有的工频控制模式和电气机械联锁，即工频、变频控制模式可切换运行，正常情况下，空压机以变频调速的控制方式运行，若变频器控制系统发生故障则自动切换至工频运行模式。空压机工频/变频运行模式的电气原理图如图3所示：

如图3所示，当QF1、QF2闭合时，空压机处于工频运行模式；当QF1、QF3闭合时，空压机处于变频调速模式。其中，QF2、QF3存在电气机械闭锁关系，即二者不能同时闭合。

3 空压机变频改造的实施

3.1 变频器的选型

选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。司家营铁矿热电车间共有两台复盛空压机，其型号为SA-250A，所配电机型号为Y2-355M-4，额定电压为380V，额定电流为433A，额定功率为250kW。为更好地实现恒压供气的目的，因此选用两台ABB风机泵类专用单传动变频器，其型号为ACS800-04P-320-3。

3.2 恒压控制系统的逻辑方案及PID调试

3.2.1 恒压控制系统的逻辑方案。该恒压控制系统是基于DCS控制系统完成的，其逻辑控制方案如图4。

此方案中，SELECT2为DCS组态中的模拟量二选一算法，即供气压力有两个，需选择一个压力为PID的控制对象。当无人工选择信号时，算法自动进行选择；当两个压力品质均好时，选择平均值；当其中一个压力品质坏时，则选择品质好的那一个压力；当有人工选择信号时，若条件满足（所选点品质好），则根据人工要求进行选择，选择结果的点品质也送出。

LAG为超前/滞后环节组态算法，其传递函数为：

G（s）=K（1+T1S）/（1+T2S）

式中：

K——增益系数

T1——超前时间（Sec）

T2——滞后时间（Sec）

其主要作用为通过T1、T2的设定，调节PID两个输入端信号的增益时间，排除信号传输及运算过程的延迟问题。

PIDF为组态中的PID调节器算法，为供气压力自动调节调节器，其偏差为反作用。

NORMA/M为带限值器及可调偏置的普通型软手操器，为变频器调速的界面手操作器，可实现调速的自动/手动的切换，可实现变频器的开环和闭环控制。

3.2.2 恒压控制系统的PID调试。组态完毕后，通过对PID比例系数、微分时间、积分时间的设定，方可实现供气压力的恒定调节。以即时曲线为依据，按PID调节的经验，以此设定三者的大小，根据曲线的振幅、反应时间，反复修改，最后整定出供气压力为0.7MPa时，系统正常运行的PID参数为：

PIDGAIN=0.45，即比例系数；PIDRESET=50，即微分时间；PIDDGAIN=6，即积分时间。

变频器自动投入后，供气系统运行稳定。

4 结语

随着DCS系统和变频技术的不断创新发展，无论从节能角度出发，还是自动化技术的推广应用，空压机的变频改造都将是一个必然趋势，而DCS系统则将是其首选控制系统。

参考文献

[1]周国良.压缩机维修手册[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]吴才章，党培，郑维，等.集散控制系统技术基础及应用[M].北京：中国电力出版社，2011.

作者简介：郑德金（1984—），男，河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司技术员，助理工程师；孙建华（1966—），男，河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司厂长，高级工程师；杨旭（1983—），男，河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司副厂长，助理工程师。

变频恒压供水系统设计 篇7

生产用水量 (空调冷却塔、层压洗板机、真空泵站、纯净水系统等) 是随车间订单情况、季节变化 (温度) 、时间点等因素不同而波动的。用水量的变化直接反映在供水压力上, 即是生产用水量多而供水量少, 管道供水压力就会降低, 生产用水量少而供水量多, 管道供水压力就会升高。水泵原来的控制方式最大的不足就是无法根据用水量的变化而自动调节压力, 所以导致供水的稳定性无法保障。尤其是随着去年松山湖四分厂的投产, 原有的供水方式更是不能满足生产的用水需求。以公司2015 年做出的智能制造战略为切入点, 我们对整套软水系统进行了改造, 变频恒压供水系统是我们改造的其中一个项目。

2 变频恒压供水系统

2.1 系统设计要求

(1) 软水的供给压力设置5Kgf/cm2, 当实际压力低于设定压力时, 变频器就会提高频率, 反之则降低。

(2) 两台水泵一用一备轮流工作, PLC根据切换时间控制继电器组来实现水泵主回路接触器的切换, 水泵的频率调节由变频器自身的PID运算实现。

(3) 水泵的手动与自动除了PLC程序上互锁外, 在电器件继电器方面也互锁, 两台在操作上是互锁的, 即操作上只能选择一台泵运行控制。

2.2 变频恒压供水系统组成

(1) 管路供水部分:1# 水泵与2# 水泵、楼顶储水池、分厂生产车间。

(2) 压力检测部分:压力传感器。

(3) 电气控制部分:PLC、变频器、继电器、接触器。

2.3 主要接线

(1) 水泵主回路接线图如图1 所示:

a.KM1、KM3 分别为1# 水泵及2# 水泵的手动控制接触器, KM2、KM4 分别为1# 水泵及2# 水泵的变频控制接触器, 线圈均为AC380V;

b.通过继电器 (KA3、KA4、KA5、KA6) , 两台水泵在电气控制上进行互锁;

c.通过报警蜂鸣器, 对系统异常进行报警输出监控。

(2) 变频器的接线图如图2所示:

a.变频器在PID控制模式, RT与SD端子需要短接;

b.压力变送器选择两线型, 变频器根据压力变送器检测的压力进行内部的PID调节;

c.设置PID的上限及下限输出, 便于对变频器的工作状态进行一个监控作用。

3 变频器的PID控制

所谓PID控制就是变频器经过PID运算后得到的执行量, 来控制输出频率的变化, 而PID运算又是指P (比例运算) 、I (积分运算) 、D (微分运算) 三个运算的总和。有正负两种类型之分。本例中变频器采取负运算, 由变频器参数Pr.128 设定。变频器主要参数设定如表1:

4 PLC程序设置

4.1 PLC的I/O地址分配如表2 所示

4.2 PLC的外部接线图如图3 所示

4.3 PLC程序编程

5 结束语

软水泵的变频恒压改造在2015 年改造完成。系统改造后, 节能效果明显、供水稳定、设备运行状况良好等特点。变频恒压供水改造项目获得了公司2014-2015 持续改造成果颁奖大会上的一致好评。此项目的的意义不仅是提高了软水的供水稳定性, 更是为后续的设备改造奠定了坚实的技术基础。

参考文献

[1]高安邦, 刘晓燕, 等.三菱PLC工程应用设计[M].机械工业出版社.

[2]龚仲华, 史建成, 孙毅.三菱FX/Q系列PLC应用技术[M].人民邮电出版社, 2006.

[3]王仁祥, 王小曼.通用变频器选型、应用与维护[M].人民邮电出版社.

[4]钟肇新, 范建东, 冯太合.可编程控制器原理及应用[M].华南理工大学出版社.

[5]高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例[M].人民邮电出版社, 2004.

变频恒压供水系统设计 篇8

系统起动之后, 检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作, 人们根据自己的需要操作相应的按钮, 系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式, 则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。手动模式主要是解决系统出错或器件出问题在自动运行模式中, 如果PLC接到频率上限信号, 则执行增泵程序, 增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号, 则执行减泵程序, 减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态[1]。

2系统设计

2.1系统硬件设计

PLC选型这是PLC应用设计中很重要的一步, 目前, 国内外生产的PLC种类很多, 在选用PLC时应考虑以下几个方面。

1.规模要适当;

2.功能要相当, 结构要合理;

3.输入, 输出功能及负载能力的选择要正确;

4.要考虑环境条件。

根据以上原则, 这次设计选择西门子S7-300系列的详细模块。

PS:PS 307 5A 6ES7 307-1EA00-0AA0数量1个。

功能:给整个机架供电。

电源模块为S7-300 PLC和需要DC 24V的传感器/执行器供电。有直流供电电源和交流供电电流。额定输出电流有2A、5A或10A。电源模块除了给CPU模块提供电源外, 还可以给输入/输出模块提供DC 24V电源。本系统选用的是PS 307 5A的电源。

CPU314 (1) :6ES7-1AF11-0AB0数量1个。

功能:对每条二进制指令的处理时间大约为60ns, 每个浮点预算的时间为0.59μs。

S7-300模块有不同型号的CPU, 以适应不同等级的控制系统。有的CPU上集成有I/O点, 有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通信接口, 有的CPU上集成有PTP接口等。本系统选用的是CPU314。

SM331:6ES7-1KF01-0AB0数量1个。

功能:模拟量输入模块AI 8x13位。

SM332:6ES7-5HD01-0AB0数量1个。

功能:模拟量输出模块AO8/12位。

SM321:6ES7-1FF01-0AA0数量1个。

功能:数字量输入模块DI1624 V, 分成16组。

SM322:6ES7-1FF01-0AA0数量1个。

功能:数字量输出模块DO 24V/0.5A, 分成8组。

本系统中, 采用Mcior Master430系列变频器, 型号为HVAC (风机和水泵节能型) EC01—4500/3, 额定电压为380V—500V, 额定功率35k W。Micro Master430系列变频器是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家, 功率范围7.5k W至250Kw。它按照专用要求设计, 并使用内部功能互联 (Bi Co) 技术, 具有高度可靠性和灵活性, 牢固的EMC (电磁兼容性) 设计;控制软件可以实现专用功能:多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等[2]。

2.2下位机S7-300程序设计

1.打开桌面上的SIMATIC Manager快捷图标, 按照“新建项目向导”添加一个新的项目。

2.鼠标左键单击“SIMATIC 300站点”, 双击右边的“硬件”对SIMATIC300的站点进行组态, 在SIMATIC 300站点界面中的左上部分添加“机架”, 然后在右边选择我们已经选型好的硬件, 选择“SIMATIC 300”, 在PS-300中选择电源模块, CPU-300中选择CPU模块, 在CP中找到CP341及SM-300添加模拟量输入。S7-300的硬件配置完成之后, 可以进行下一步程序的编写了, 下面介绍本系统中的主要程序的设计依据。

根据系统用水量的变化, 控制系统控制2台水泵按1-2-3-4-1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2号泵电机, 控制系统处于状态2。

当系统用水高峰过后, 用水量减少时, 变频器输出频率减少, 若减至设定频率时, 表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求, 此时, 通过控制系统, 可将1号泵电机停运, 2号泵电机仍由变频器电源供电, 这时控制系统处于状态3。

当用水量再次增加, 变频器输出频率增加, 则2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台水泵工作已不能满足系统用水的要求, 此时, 通过控制系统的控制, 2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1号泵电机, 控制系统处于状态4。

当控制系统处于状态4时, 用水量减少, 变频器输出频率减少, 若减至设定频率时, 表示只有1台水泵工作已能满足系统供水的要求, 此时, 通过控制系统的控制, 2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源, 而变频器启动1号泵电机, 控制系统处于状态4。

当控制系统处于状态4时, 用水量又减少, 变频器输出频率减少, 若减至设定频率时, 表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求, 此时, 通过控制系统的控制, 可将2号泵电机停运, 1号泵电机仍由变频器供电, 这时控制系统又回到了状态1。如此循环往复的工作, 以满足系统用水的需要[3]。

2.3 Win CC监控界面的设计

Win CC运行于个人计算机环境, 可以与多种自动化设备及控制软件集成, 具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项, 使用方式灵活, 功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理, 可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境, 不仅缩短了软件设计周期, 而且提高了工作效率。

Win CC为了与外部设备 (如PLC) 进行通讯, 必须组台用于该设备的通道。此通讯驱动程序支持多种网络协议和类型, 具有良好的开放性和灵活性。无论是单用户系统, 还是冗余多服务器/多用户系统, Win CC均是较好的选择。通过Active X、OPC、SQL等标准接口, Win CC可以方便地与其他软件进行通信。通道就是在设备和Win CC之间生成的逻辑借口的驱动器, 具有三个功能:

1.为使用人员提高组态物理和逻辑连接参数的方法;

2.通过数据管理器在外部设备和Win CC变量之间建立一个在线运行接口;

3.为用户提高一个简便接口用于外部设备或应用的存储器结构加入变量标签并设置地址。

3建立变量连接

变量系统是组态软件的重要组成部分, Win CC中的变量类型有In和Out。In和Out是相对于主站来说的, 即In表示Win CC从S7-300系列PLC入读数据, Out表示Win CC向S7-300系列PLC写出数据。按照功能又可以分为外部变量、内部变量、系统变量和脚本变量这四种。

由外部过程为其提供变量值的变量, 称为外部变量, 也称为过程变量;过程没有为其提供变量值的变量, 称为内部变量。

Win CC还提供了一些预定义的中间变量, 称为系统变量。每个系统变量均有明确的意义, 可以提供事项的功能, 一般用以表示运行系统的状态。

4结论

本次设计的控制系统充分利用了西门子PLC S7-300的特点, 对驱动电动机、行程开关、电磁阀及其他一些输入输出进行精确的控制, 实现了更高的精度和参数指标, 节省了原材料的浪费, 提高了产品的合格率, 实现了更高的经济效益。

本文介绍了变频恒压系统的发展趋势, 课题的研究目的及意义。分析了供水流量的工艺流程, 监控内容等。根据工艺要求进行设计监控系统总体方案。对系统组成实现和硬件配置进行了论述, 并详细的进行了监控系统的软件设计。最后本文述说了外输计量系统的硬件和软件的调试。本文设计系统是采用单片机数据采系统和西门子S7-300和Win CC监控软件, 实现了人机监控界面和在线数据采集、分析、参数和事件报警、趋势曲线显示等功能, 对监控参数进行了在线动态管理。

摘要：小区供水是变频恒压供水系统经常应用的例子。随着人民的生活条件越来越好, 所以供水方式要越来越高效节能。小区供水系统是用PLC和变频器制作的供水控制系统。

关键词：PLC,控制系统,变频器

参考文献

[1]殷华文, 刘黎明, 刘万里.工业控制网络设计技术[J].上海:自动化仪表, 2002, 23 (11) :24-27.

[2]杨长能.变频器基础及应用[M].重庆:重庆大学出版社, 1993:55-57.

变频恒压供水系统及其节能应用 篇9

在居民小区生活用水、各类自来水厂、大型厂矿和消防用水等供水系统中, 传统方法采用水塔、高位水箱等设备。随着城市高层楼宇建设高度越来越高, 采用传统供水方式变得难以实施, 更难以保证供水的智能化和节能。这是因为传统供水方式水泵是采用最大供水量设计的, 由于用水高峰时间短, 很容易造成能源的浪费以及由于管网压力过大而引起的管网损坏。

基于计算机和变频技术的恒压供水系统是以3C技术 (计算机、通信、控制) 和变频调速技术实现的新型供水方式, 不仅解决了传统供水中存在的诸多问题 (比如超高层供水、压力不稳、二次污染、耗能大效率低等) , 而且由于将计算机的智能化控制和变频技术的节能优势结合起来, 真正实现了供水的绿色节能和智能化。对于大型供水系统, 还可以进行计算机实时监控, 极大地节约了资源, 提高了供水的自动化水平和效率。

1 供水系统工艺

不同的应用场合, 供水工艺也略有不同。高层建筑恒压供水工艺如图1所示。

自来水经不锈钢水箱或地下的水池缓冲, 经供水水泵的轮流和组合工作, 输送至用户管网。在出水管上装有压力检测仪表, 用户用水量变化必然会引起整个供水管网的压力变化, 压力检测仪表将变化的实时压力值通过信号线传送给控制核心———PLC或变频器。由于PLC和变频器均具有闭环PID调节功能, 所以控制方式选择上既可以将压力控制信号传送给PLC, 也可以传送给变频器, 从而实现闭环控制。此处只需配备变频器一台即可, 起着执行器的作用, 即根据压力的大小或者PLC输出的控制信号自动调节输出电压和频率, 通过对水泵驱动电动机的精确调速来达到精确控制水压和节省电能的目的。储气罐的作用是稳压和保压, 尤其是当无用水需求时, 水泵可退出使用 (节约了电能) , 而靠储气罐来保压。

2 电路结构

变频恒压供水系统一般由数台水泵驱动实现供水。这些水泵并不是同时工作的, 而是根据用户用水量的多少和当前管网的水压由PLC自动地控制哪台水泵工作, 哪台水泵暂时停止的。以3台水泵为例, 控制水泵驱动电机的主电路如图2所示。

水泵1、水泵2、水泵3的工频运行分别由接触器KM1、KM3、KM5控制, 其变频运行分别由接触器KM2、KM4、KM6来控制。控制同一台水泵电机的工频接触器和变频接触器 (如控制水泵1的KM1和KM2) 如果同时接通, 将导致工频电源和变频器的输出端相连接, 使变频器的逆变桥迅速损坏。所以, 控制同一台水泵电机的工频与变频的接触器必须有可靠的互锁环节。另外, 变频器的价格比一般的电气设备高, 从节省投资的角度考虑, 一般选择只用一台变频器拖动的方式。

工频运行的水泵对水压起到“粗调”的作用, 而精确控制压力的“细调”是由变频器来实现的。工频运行的水泵电机其能量消耗是确定的。系统实现节能的主要途径:系统能够根据用水情况, 停掉一些工频运行的水泵, 既避免了压力过高, 又实现了节能;可以使某台水泵变频运行, 变频降低转速具有很大的节能效果。

3 控制原理与流程

供水压力是通过PLC控制各水泵的轮流工作实现“粗调”和变频器对单台水泵的“细调”来实现的。

3.1“粗调”的实现

(1) 加泵:当反馈的实际出水管网压力小于设定压力导致变频器的输出频率上升至上限频率时, 如果实际出水管网压力仍低于设定压力一定范围一定时间, 则当前泵切换为工频运行, 重新启动另一台水泵变频运行。

(2) 减泵:当反馈的实际出水管网压力大于设定压力导致变频器的输出频率下降至下限频率时, 如果实际压力仍高于设定压力一定范围一定时间, 则停止变频泵的运行, 并将正在工频运行的一台水泵变为变频运行。

3.2“细调”的实现

水压闭环控制原理如图3所示。

PID控制器既可以用PLC编程实现, 也可以用变频器的内置PID算法实现。

3.3 工-变频切换的控制流程

以实际压力小于给定压力为例, PLC对某两台水泵之间工频和变频进行切换的逻辑关系 (多台水泵可类推) 如图4所示。

3.4 休眠状态

当系统处于单泵变频运行时, 如果用水量急剧减小甚至为0时, 变频器频率会降至频率下限以下, 当这种情况持续一定时间时, 系统停掉所有运行的水泵, 仅由储气罐来保压。比如, 在夜晚休息基本无用水需求时, 系统进入休眠状态, 将极大地节省电能消耗。处于休眠状态的控制系统当检测到管网压力降低一定范围时, 退出休眠状态, 恢复供水。

4 不同供水方式的功耗对比

水泵的扬程特性与功率消耗关系如图5所示。

水泵供水流量的调节可以通过两种途径实现:

(1) 水泵电机转速不变, 改变出口阀门开度的阀门调节法 (不用变频器使所有水泵均工频运行, 用户阀门开度改变时流量改变即属于此法) , 如图5中的曲线 (1) 和 (2) 。关小阀门减小供水流量 (流量Q1减小为Q2, 水泵实际工作点由B点移动到E点) , 所需供水功率由矩形OABC的面积变为ODEF的面积, 面积有减小, 但减小量很小。

(2) 出口阀门开度不变或全开, 改变水泵电机转速的转速调节法, 如图5中的曲线 (3) 和 (4) 。当水泵电机的转速从额定转速下降, 同样使供水流量从Q1减小为Q2, 水泵的实际工作点由B点移动到H点, 其所需供水功率由矩形OABC的面积变为ODHG的面积, 面积减小量非常显著。

相比与高层建筑而言, 生产车间一般高度较低, 需要的空载功率较小, 可以提供较宽的电机调速范围, 所以节电效果更为显著。某轧钢车间高压除鳞水泵应用变频改造前后的电能消耗对比如表1所示, 可以看出变频改造后节省的电能和费用都相当可观。

5 结语

随着资源和环境矛盾的日益突出, 变频与计算机等高效和智能化技术在未来建设中必将获得越来越广泛的应用。

参考文献

[1]张燕宾.变频器应用图册[M].北京:机械工业出版社, 2010

[2]魏连荣.变频器应用技术及实例解析[M].北京:化学工业出版社, 2008

[3]林坤, 等.变频恒压供水系统理论分析及方案设计[J].舰船防化, 2010 (6) :13-18

[4]张亢.PLC在恒压供水自动控制系统的应用[J].煤炭技术, 2009

新型变频恒压供水系统 篇10

交流变频调速技术近些年在国内外得到了广泛的应用,它具有体积小、重量轻、安装操作简单、数据可靠、性能稳定和节电明显等特点[1,2]。近年来,国内外各行业相继引进交流变频调速的各类产品,以满足生产现场的需求。在城市高楼发展的今天,以前的给水设备已经远远不能满足现代人民生活的需要,给水厂的自动化改造迫在眉睫。为了保证在供水量波动的时候水压恒定,采取变频恒压控制是现代供水控制系统的主要方式[3]。它利用传感器,PLC,变频器及水泵机组组成闭环控制系统,使管网压力保持恒定,代替了传统的水塔供水控制方案,具有自动化程度高、高效节能的优点,在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。但是,传统的变频调速供水设备依然满足不了现代生活的需要,比如传统的变频供水设备的变频器跟PID调节器以及简易可编程控制器是分开的,现代的新一代变频供水系统设备将PID和可编程控制器内置于变频器中,形成了带有各种应用宏的新型变频器。

2 变频恒压供水系统的主要特点[4]

变频恒压供水系统主要有以下几个特点:

1)节能,可以实现节电20%~40%;

2)占地面积小,投入少,效率高;

3)配置灵活,功能齐全,自动化程度高;

4)运行合理,由于是软起和软停,不仅可以消除水锤效应,而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小,水泵的使用寿命大大提高,减少了维修量和维修费用;

5)由于变频恒压调速直接从水源供水,减少了原有供水方式的二次污染;

6)通过通信控制,可以实现无人值守,节省了人力物力。

3 工作原理

本文所采用的变频恒压供水系统采用一台变频器拖动三台大功率电动机,可在变频和工频两种方式下运行。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。

首先确定一个压力值P,这个压力值为正常情况下保证相对泵站垂直距离最大的用户能正常用水的管网压力值。正常用水时调速系统带动1#泵(主泵)变速运行,此时管网压力如果大于P,变频器将自动减小泵的输出功率即转速减小进入节能运行并最终保证管网压强为P。当用户用水量增大而导致管网中水压值减小,变频器将自动增大输出功率,即泵转速提高补充水量以提高管内压力使其稳定在P。在这个过程中,当大泵运行频率升到50Hz(工频)压力还未达压力P,系统将延时1min左右(可自由设定其他时间值),然后调速装置将主泵切换到工频运行同时开始启动另一台水泵即2#泵(辅泵)在变频器变频调速下调速运行,频率不断上升直至管网水压达到P。通常情况下不会有启动两个水泵还没满足水压要求的现象存在。当用水量减小,管网水压提高,调速装置将2#泵转速降下来以保证恒压。当频率降到下限值(可自由设定)压力还高于P时,延时1min后则自动停掉2#泵(辅泵),并恢复对1#泵(主泵)的调速控制以继续保持恒压。如此循环。

该系统采用了三个泵,目的是为了在特殊情况下1#,2#泵有一个发生故障可以用第三台(3#泵)替代。考虑到绝大多数时间里泵是不会出现故障的,为了平均合理利用每一台水泵,该系统将1#,2#和3#泵按顺序依次轮换使用。使用时间可以自己设定。比如1#和2#泵分别作为主泵和辅泵使用一周,然后是2#和3#泵分别作为主泵和辅泵使用一周,最后是3#和1#泵的组合等等,依次轮换下去。这些功能的实现是通过PLC程序来实现的,程序的多样性决定了功能的多样性。

4 电路图

三泵变频恒压供水系统电气原理图和PLC回路电气原理图分别如图1和图2所示。

4.1 主回路

一般变频供水系统包括多台变频循环的水泵,为了便于运行及维修管理,水泵的型号应该保持一致。水泵的台数的确定应根据具体情况和实际水段的用水量确定。本供水系统用水量为0%、40%、80%、100%四个时段,因而采用三台水泵,采用变频循环的形式。每台水泵的流量按最大用水量的50%选用,即使一台出现问题,另两台也可以满足最大供水需求。

图1中的控制电源可以实现供水系统的手动控制和PLC智能控制的切换。当系统处于手动运行时,PLC只接收各电路保护信号,并由此判断各工作水泵的运行状态,在出现故障的情况下,输出报警信号。水泵的起、停和切换由人工通过控制面板上的按钮和开关来实现。当自动运行模块运行时,系统处于PLC智能控制状态。自动模块包括系统的初始化、开机命令的监测、数据采集子程序、控制量运行子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。

4.2 PLC回路

由图2 PLC回路电气原理图可知该PLC系统主要由PLC、变频器、频率和压力显示器、报警器等构成。另外还有PID调节器、TC时间控制器等。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的标准信号送人PID调节器,经运算与给定压力参数进行比较,得出的调解参数送给变频器,由变频器控制水泵的转速,从而调节系统供水量。当用水量超过一台泵的供水量时,通过PLC控制器加泵。

当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时,系统能发出报警信号;特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时系统会自动停机并报警。此外,变频器故障时,系统会自动停机,此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。

5 设备选型

变频恒压供水系统主要是由变频控制柜、压力传感器、水泵等组成。变频控制柜由断电器、变频器、接触器、中间继电器、PLC等组成。以下分别对变频器和PLC的具体选择做些介绍。

5.1 变频器的选用

根据工艺要求以及方便调试等要求,选用ABB ACS800系列变频器。ACS800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,完整的保护功能、灵活的编程能力以及较高的可靠性和较小的体积等。ACS800系列传动产品最大的优点就是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术,例如启动向导、自定义编程、DTC控制、通用备件、通用的接口技术,以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。

ABB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。ACS800变频器是ACS600的升级版,内置五个标准宏程序和两个用户宏程序,只需选择需要的应用宏启动,做出修改并且将结果存储到用户宏程序中。这些预设的应用宏配置大大节约了调试时间,减少了出错的几率。

5.2 PLC的选用

根据系统设计人员的使用习惯以及工作的具体情况的不同,PLC大体上可分为两种——欧系PLC和日系PLC。本系统选择的是日系PLC——CPM1A-20CDR-A-V1。CPM1A系列PLC是经过日本工业标准JIS进行过严格考核的,能够适应较恶劣的工业生产环境。与所有小型机一样,CPM1A系列PLC采用整体式结构,内部由基本单元、电源、系统程序区、用户程序区、输入/输出接口、I/O扩展单元、编程器接口及其它外部设备组成。

6 结束语

该系统逻辑控制采用PLC控制变频器实现调速恒压供水,使用方便、工作可靠、系统压力恒定,具有较好的控制效果。该系统采用变频器调节水泵转速,使系统实现了高效节能,节能效率可达40%左右,同时由于采用变频器对电机实行软启动,减少了设备损耗,延长了水泵、电机设备的使用寿命[5,6]。系统采用闭环控制,参数超调波动范围小,偏差能及时进行控制。变频器的加速和减速可根据工艺要求自动调节,控制精度高,能保证生产工艺稳定,而且由于变频调速器具有十分灵敏的故障检测、诊断、数字显示功能,提高了水泵运行的可靠性。综上所述,采用PLC和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统,具有很强的实用性,为供水领域的技术革新,开辟了切实有效的途径。

摘要：本文探讨了PLC控制的变频调速恒压供水系统,该系统由PLC进行逻辑控制,由变频器进行压力调节。变频器、可编程控制器作为系统控制的核心部件,经变频器内置PID进行运算,通过PLC控制变频与工频切换,实现闭环自动调节恒压变量供水。运行结果表明该系统具有压力稳定,结构简单,工作可靠等特点。

关键词：变频器,供水系统,PID,PLC

参考文献

[1]莫慧芳.PLC在变频恒压供水系统的应用[J].变频器世界,2007(5):80-82.

[2]吴杰峰.变频调速技术在船舶中的应用[J].中国水运(学术版),2006,6(7):52-54.

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[4]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(2):23-24.

[5]刘良.变频供水系统的节能分析[J].矿山机械,2007,35(3):91-93.

恒压供水变频调速控制系统设计 篇11

1 方案设计

供水系统的控制方案主要有3种,即恒速泵供水、高位储水供水和气压罐供水[4,5,6],其中,恒速泵供水是利用速度不变的水泵实时提供输水动力,当达到用水需求时,需要关闭水泵,当再次用水时,需要再次开启水泵,频繁开启、关闭水泵,耗电量较大,影响局部电压稳定,故此种供水系统应用较少。高位储水则是扩大或延长水泵的工作时间,利用恒速水泵不断向储水池供水,利用储水池实现用水备存,同时,减小水泵的开启、关闭频率,然而,高位储水泵需要建设较大的高位储水装置,占用空间大,造价成本高,在实际工程中应用较少。气压罐供水与高位储水供水的控制原理相同,区别在于,水泵的动力通过气压泵储存在气罐中。

本文设计的供水系统拟采用变频控制原理,同时利用水压传感器测试供水管路的压力信号,利用PID进行水压与电动机频率之间的信号变化,利用可编程控制器实时调整电动机的作业频率。通过改变电动机作业频率,实现水泵转速随水压变化而调节,达到节约电能、电动机连续作业、动力与供水动态调整的目的。

2 恒压供水变频调速控制系统的构成

2.1 系统构成

基于变频器进行恒压供水的控制系统构成如图1所示,供水的动力元件主要包括水泵1、水泵2和水泵3,其中,水泵3起到辅助供水作用;水泵的作业调节元件为变频器,供水系统的信号采集及调控元件为PID控制器,供水系统的逻辑换算元件为可编程控制器,此外,在本系统设计中,用上位机作为监控器,用远传压力表作为供水系统末端的压力采集元件。

2.2 系统工作原理

压力传感器分布在供水系统末端的管网中,当供水系统水源不足时,管网中的压力随之减小,压力传感器检测到的电压信号减弱,并将电压信号传递到PID控制中,控制器将接收到的电信号传递到可编程控制器,经过逻辑运算后得到反馈信号,将反馈的电信号传递给水泵的变频器,通过变频器调节水泵的转速,改善供水系统的动力状态,使供水系统处于供水工况,随着供水启动,供水系统压力逐渐升高,升高的压力信号实时被压力传感器采集,整套供水系统处于动态平衡调节中。

3 恒压供水变频调速控制系统的设计

3.1 变频调速选型

变频器是一种电压频率变换器,即将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电,以供给电动机运转的电源装置。它在变频调速恒压供水系统中起着非常重要作用,是水泵电机调速的执行者。

变频调速原理如公式1所示,当电机的转差率和磁极对数固定时,通过改变电源频率,实现电机转速的调整。

其中,n表示电机转速;f表示电源频率;s表示电机转差率;p表示电机磁极对数。

变频器的选用,需要综合考虑输入侧额定值、输出侧额定值、额定输出容量等。变频器容量的选择,一般根据负载性质及大小。变频器的控制方式主要有恒转矩负载、恒功率负载、二次方律负载3种。本系统设计中,综合考虑异步电动机的额定电流及变频器容量,选择西门子Micro Master430型变频器,co-trust S7-200系列中的CPU224,其输入频率为47Hz~63Hz,输出频率未0Hz~650Hz,功率因数为0.98,变频器效率为96%~98%,防护等级为IP20。

3.2 可编程控制器选型

可编程控制器(PLC)是恒压供水变频调速控制系统的核心部件,PLC容量是指I/O点数的数量,点数太多容易提高部件成本,点数太少导致余量不足,通常综合考虑被控对象的输入信号和输出信号的总点数,余量按照10%~15%的空间预留。本系统设计中,1路压力模拟量输入,1路电压模拟量输出,故选用TD200系列西门子变频器。

3.3 压力传感器

本系统设计中,供水系统的压力信号采集需通过压力传感器,故选择了YTZ-150型电位器式远传压力表,该电阻远传压力表适用于测量对铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。电阻远传压力表,可把被测值以电量值传至远离测量点的二次仪表上,以实现集中检测和远距离控制。此外,本仪表能就地指示压力,以便于现场工艺检查。起止电阻值为3Ω~20Ω,满度电阻值为340Ω~400Ω,工作电压≤6V。

3.4 电路图设计

根据恒压供水的使用要求和变频器、可编程控制器的工作原理,设计本系统的电路图,如图2所示。图中,M1,M2,M3为3台水泵电机,KM为相应电机的接触器,FR为相应电机的热继电保护器,QF为空气开关。从图2中可以清晰看到,3台电机的控制原理相同,均由接触器和热继电保护器控制,实现小电流控制大电流,提高电机的使用安全性。变频器改变三台电机的供电频率,实现电机转速的自动调节,通过电动机转速的无极调节,实现供水系统水压的动态稳定,达到恒压供水目的。在此电路图中,当供电系统无需调速控制时,可直接对3台电机进行调节。

4 结论

本文对恒压供水系统进行了关键部件选型和控制系统电路原理图设计,恒压供水变频调速系统的核心部件是变频器和远传压力表,恒压供水系统中变频器选用西门子Micro Master430型,远传压力表为YTZ-150型,电路原理图设计实现了1个变频器控制3台水泵,通过远传压力表和变频器实现了恒压供水。该控制系统结构简单,成本较低,安全性能较好,比较适应当前供水系统的电气化改造现状。

参考文献

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