恒压变频供水系统

恒压变频供水系统（共12篇）

恒压变频供水系统 篇1

摘要：本文介绍了恒压变频系统,这个系统包含了四台水泵电机。首先,用变频器对四相水泵电机实现软启动和变频调速。然后把水压信号用压力传感器检测后,送入PLC与其设定值进行再进行PID运算,要使管网的压力稳定,应该设定电机的转速改变供水。

关键词：变频调速,恒压,PLC

1 变频供水系统节能的背景与原理

供水系统的发展主要得益于以下三个方面:1. 人们节水节能的观念逐步增强2. 人们对用水质量的要求不断地提高不3. 自动化技术(PLC和变频器)控制技术的飞速发展。

恒压供水系统的原理非常简单。系统主要有电机、水泵等组成。系统由供水和调节转速来实现。供水是驱动电机来实现的,电机和水泵的一体化也容易实现,变频器是用来调节电机的转速,根据变频器频率的改变来改变转速,最终实现了变频调速。

在传统的供水系统中,控制方法有很多,在这个系统的,我们采用的是简单方便的流量控制法,流量控制的实质是转速控制,即通过转速的控制来改变供水量。当水量增大的时候电机加速,水量减小的时候电机减速,根据用水量的变化实现自动的地调整电机的转速,从而使管网压力始终保持恒定。这种控制方法比单纯的阀门控制有较多的优越性,比如方便简单,减小了阀门的开度产生的误差等。

2 变频恒压供水系统控制方案的比较和确定

恒压变频供水系统主要有变频器、压力变送器、水泵机组、恒压控制单元、以及低压电器等组成。系统主要的任务为用恒压控制部分使得变频器控制一台水泵或着循环控制多台水泵,来实现恒定的管网水压和水泵电机的软起动以及切换变频水泵与工频水泵,同时还要能实现对数据的传输。根据系统设计的任务要求,有下面几种方案可供选择:

系统的控制方案由系统的任务决定,本系统主要实现的是用变频器控制一台水泵或者多台水泵,实现不变的管网水压,电机要实现手动和自动控制,还要能够切换工频和变频,因此,供水系统主要有变频器、压力变送器和水泵及其它电器(低压)等组成。根据任务要求,有以下几种方案可供选择:

2.1水泵机组的组合

这种组合使得系统的结构比较简单,除了水泵还有变频器和压力传感器组成。这种方案最大的优点是电路简单,所用的元器件比较小,大大的节约了设备的成本,因为它是将PLC可编程控制器和PID调节器集成,然后安装在变频器的基板上。但是这样组合也有很大的缺点,首先不能实现自动调节,在不同时间内不同压力下,调节时,PID的参数不容易实现最优,只能在很小的范围内调节,因此压力的设定和反馈就不易观察出来,一些稳态、动态性能就可能出现偏差。除此之外,扩展模块的实现也非常困难,无法进行大量的数据传输,容量的限制非常小,整个系统的话,就显得笨重不灵活。

2.2单片机的组合

这种组合是单片机、变频器和压力传感器组成的,这种组合较第一种组合有很多的有点,比如可以应用很多的控制算法,不仅仅局限在PID调节,不仅控制方便,而且精度高,参数的调整更加方便。但是由于设计的整体性,这种组合也存在一定的缺陷,因为整体的程序一旦形成,参数的改变就会变得困难,还存在调试不灵敏等问题。还有,由于变频器运行时会产生干扰,变频器功率的改变又会扩大干扰,系统还缺乏抗干扰的保护措施,因此,本系统的发展应用还不是特别成熟。

2.3 PLC的组合

这种组合是由PLC、变频器、压力传感器等组合而成。这种控制方法具有最多的有点,因此采用的就是这种控制方法。首先,由于PLC的使用,使得整个控制系统模块化,不仅便于控制管理、修改控制参数,而且容易实现大规模的恒压供水,在这个基础上,也不缺乏灵活性,因为接口之间的通信方便,容易实现数据的交换。其次,因为PLC本身的抗干扰能力强,能够大大地抵抗外界的干扰,系统的稳定性得到了增强。最后,在硬件方面,输入、输出的的接线只需和PLC连接即可,可以通过PC来修改里面的程序,控制、调试等更加方便。因此这种组合具有更为广阔的控制范围,可以控制的场合也更加的广泛。

通过分析、比较,显然第三种组合更加适用于本系统,不仅可以达到本系统地控制精度和稳定性的要求,还有调试方便灵活,数据便于传输等优点。

3 变频恒压供水系统的理论分析

水泵电机的转速公式为:

公式中:p为电动机极对数,f为电源频率,s为转差率。

由公式,电动机多采用三相异步电动机,当转差率s一定时,电动机的转速n与电源频率f基本上保持正比关系。即保持连续的电源频率,从而实现电动机的转速平滑的改变。

4 变频恒压供水系统的组成

变频恒压供水系统的控制流程图如图1所示。

从图可以看出,系统可以分为:控制部分、执行部分、信号检测三部分,具体为:

(1) 控制部分:控制部分包括变频器(PID)和具有PLC的控制器,还包括电气控制三部分。

(2) 执行部分:执行部分由一组水泵构成,还有变频泵和工频泵,这部分电机的转速是根据用户用水量的改变而改变,,来维持管网水压的恒定。

(3) 信号检测部分:系统控制的过程中,需要检测的模拟信号包括高低水位信号、管网的压力信号和报警信号。因为这些信号是模拟信号,在读入PLC时,需要进行A/D转换。

5 变频恒压供水系统的控制流程

恒压变频供水系统的控制流程分为以下几个部分:

(l) 首要的是要启动变频器,启动变频器之前先通电,通电后启动信号显示,第一台变频泵在变频器的拖动下开始工作,,第一台变频泵的转速控制靠的是变频器输出频率的改变来控制,而变频器的输入则是压力变送器的压力变化。

(2) 当水压减小用即水量增加时,由于偏差逐渐变大,水压信号的反馈就减小,,结果是导致变频器的输出频率增大,因为变频器控制水泵的转速,必然导致水泵的转速变大,又使得供水量增大,水泵重新稳定。

(3) 当用户的用水量还要继续增加时,,达到极限值,即变频器输出频率达到50赫兹(上限频率)时,第一台水泵保持工频运行,系统自动将第二台水泵开始变频运行,系统的水压就开始得到调节,直到水压保持到开始时的稳定值。但是,如果用水量再继续增加的话,还将发生类似的调节,即原来的两台水泵工频运行,如果此时达到上限频率,但是压力未达到开始时的稳定值,就会发出报警。

(4) 当用户的用水量下降时,即水压升高,就可以通过减少水泵来解决,前提是变频器的输出频率已经达到下限值,这时根据先启先停的原则,先关闭第二工频泵。

本系统采用的是三台水泵变频循环运行的方式。即几台水泵中,只有一台在变频器的控制下做的是变频运行,其它的水泵是工频运行(转速恒定),出于安全及延长水泵的寿命的考虑,每台水泵的连续运行时间都在3个小时以内,当水泵在工频运行时,可以切换到另一台水泵,必须保证在一段时间内,只有一台水泵在变频下工作。

变频和工频是不允许同时接通的。即变频器的接触触点必须先断开,电动机才能接通工频回路,同理,工频回路的触电必须先断开,电机才能接通变频器的变频回路。从工频切换到变频时,工频接触器的触点必须先断开,才能接到变频器的输出端。

图2是电气控制系统电路图。图中SA是手动 / 自动转换开关,SA打在2的为自动控制,即本系统通过PLC及变频器的控制。打在1为手动控制。在手动控制时,SB1到SB8按钮控制的是四个水泵的启 / 停。其中,HL10表示的是自动运行时的电源指示灯。

系统在手动 / 自动下的控制过程如下:

(1)自动控制:SA打在2时自动控制模式开启。Q0.0为1号水泵工频信号,即Q0.0输出为1时,使KM1得电,输出为0时,KM1不得电,得电时HL1点亮,其中HL1为指示灯。Q0.1为1号水泵变频信号。Q0.1输出1时,正好相反。Q1.1为1时,液位上下限报警灯HL9点亮,反之不亮。Q1.2为1时,表示故障报警的灯HL10点亮,Q1.3为1时,代表白天模式的指示灯灯HL11点亮,Q1.4为1时,报警电铃HA拉响,Q1.5为1时,KA会让变频器即刻复位。

(2)手动控制:SA打在1时手动控制模式开启。这时可以手动的控制水泵在工频下的开启和停止。

6 PLC的外围接线

PLC的外围接线图如图3所示。

如图,白天 / 夜间两种模式之间的切换由开关SA1用来控制,液位变送器将测得的液位信号送入窗口比较器,液位变送器能够将信号转换成标准信号。设计系统时要设定液位的上下限,超出上下限信号时,窗口比较器即I0.1输出高电平1,与I0.2相连的是变频器故障报警信号,试灯信号I0.3与S相连,可以手动检测各指示灯。

恒压变频供水系统 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。

恒压变频供水系统 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.

恒压变频供水电气控制系统 篇4

常规的供水系统采用水泵定速控制, 通过改变阀门大小的方法调节流量和压力, 以达到水压恒定。这种方式在运行中存在以下问题: (1) 整个系统稳定性差, 自动化程度低, 使得溢水管经常排水造成资源浪费。 (2) 供水设备控制有几台水泵, 由于长期高速运行, 不仅造成电能的浪费, 而且易使轴承损坏, 影响泵的使用寿命。 (3) 每年夏天用水高峰时段水压不能得到保证, 当出现了突发性电网故障时, 由于水量不足给企业生产造成不便。

为了提供恒压供水, 对供水系统进行改造就显得非常重要。本文采用三菱PLC和变频器FR-A500设计了一种恒压供水控制系统, 可有效减轻工作人员的负担, 提高供水系统的优化运行程度, 增强系统抗干扰性, 避免硬件老化损失。

供水设备控制1~3台水泵, 在这些水泵中, 只有一台变频泵。当供水设备供电开始时, 先启动变频泵, 管网水压达到设定值时, 变频器的输出频率就稳定在这一数值上。而当用水量增加, 水压降低时, 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4~20mA的标准信号送入PLC的A/D单元, 经PLC的PID调节器运算与给定的压力进行比较, 得出一比较参数从PLC的D/A单元送出, 送给变频器, 由变频器控制电机转速, 调节系统的供水量, 使供水管网的压力保持在给定的压力上, 当用水量超过一台泵的供水量时, 通过PLC控制切换电路进行加泵。当变频器运行频率到达上限, 会将频率到达信号送给PLC, PLC根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号, 由程序判断是否要启动第2台泵 (或第3台泵) 。当变频器运行频率达到频率上限值, 并保持一段时间, PLC则会将当前变频运行泵切换为工频运行, 并迅速启动下一台泵变频运行。压力设定信号和压力反馈信号输入PLC后, 经PLC内部PID控制程序的计算, 输出给变频器一个转速控制信号。此时PID会继续通过送来的检测信号进行分析、计算、判断, 进一步控制变频器的运行频率, 使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。根据用水量的大小由PLC控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速, 实现恒压供水。

下图所示即为变频恒压供水系统。

其中可编程序控制器 (简称PLC) 不但可以进行逻辑控制, 而且可以进行过程控制。具有通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性价比高等一系列优点, 而且其总线与网络能力越来越强, 可方便地与上位机组成控制系统, 实现系统的高性价比和高效能运作。变频器的作用是为电机提供可变频率的电源, 实现电机的无级调速, 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数, 从而使管网水压保持恒定。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。压力传感器的作用是检测管网水压, 触摸屏为系统提供参数设定以满足用户需求的水压期望值。由PLC控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速, 实现恒压供水。

二、系统组成

由PLC控制与变频器控制相结合的恒压控制供水系统, 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。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合, 并且与供水机组的容量大小无关。

1. PLC。

可编程序控制器 (简称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。它是以微处理器为基础, 综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术, 用面向控制过程、面向用户的简单编程语句适应工业环境, 是简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器, 是当代工业自动化的主要支柱之一。这种控制方式具有良好的通信接口, 可以方便地与其他系统进行数据交换, 其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。PLC通用性强, 由于其产品的系列化和模块化, 用户可组成各规模和要求不同的控制系统。在硬件设计上, 只需确定PLC的硬件配置和变频器的外部接线。当控制要求发生改变时, 可以通过PC机来改变存储器中的控制程序, 所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高, 因此系统的可靠性大大提高。随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展, 以及工业自动化控制越来越高的需求, PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上, 都有很大的提高。现在的PLC已不只是开关量控制, 其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围, 具备了模拟量控制、过程控制及远程通信等强大功能。

2. 变频器。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为频率可变的电能控制装置。通过PLC模拟量输出端子来控制其频率及其复位操作, 从而实现电机速度跟随压力给定, 保证管网水压的恒定。变频器主要是由主电路、控制电路组成。主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分, 控制电路是给异步电动机供电 (电压、频率可调) 的主电路提供控制信号的回路, 变频器在交流拖动系统应用中呈现优良的控制性, 可以实现软启动和无级调速, 进行加减速控制, 使电动机获得高性能, 而且具有显著的节能效果。所以应用变频调速可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量, 从而利于实现生产过程的自动化。

3. 人机界面。

人机界面 (Human Machine Interaction, 简称HMI) 是连接PLC、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备, 利用显示屏显示, 通过输入单元, 如触摸屏等写入工作参数或操作指令, 实现人与机器信息交互的数字设备。它由硬件与软件两部分组成, 用户必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”, 再通过PC机和HMI产品的串行通信口, 把文件下载到它的处理器中运行。

4. 特殊功能模块。

该系统设计有模拟量输入点2个, 模拟量输出点1个。利用转换模块FX2N-2AD可实现模拟量输入信号的采集, 利用FX2N-2DA可实现模拟量输出信号的采集。

三、任务实现

系统开始供水时, 变频运行;三台泵根据恒压的需要, 采取先开先停的原则接入和退出;在用水量小的情况下, 如果一台泵连续运行的时间超过3小时, 则要切换到下一台泵, 可避免某一台泵长时间工作。三台泵的启动要延时, 以减小电流过大时对其他用电设备的冲击。要有完整的报警功能。对电机的操作有手动和自动两种功能。

1. 系统电气原理图。

2. 系统程序设计。

在初始化程序中完成系统初始化, 这样可节省扫描时间。利用定时器的中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。通过该型处理器专用PID指令设置各参数即可由PLC完成PID运算调节。

3. 总程序的顺序功能图 (自动运行和手动运行) 。

(1) 自动运行顺序功能图。

(2) 手动运行顺序功能图。

总之, 采用该PLC控制的恒压变频供水系统能保证足量用水, 同时很大程度上降低了维修的劳动强度和延长了设备的使用寿命, 不仅解决了现供水系统存在的问题, 而且节能效果显著, 从节能和改善供水条件上有着重大的价值。

摘要：随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高, 变频恒压供水系统已经逐渐取代了原有的传统供水系统, 并广泛应用于现代生活的各类供水场合。本文介绍了三菱PLC和变频器在供水系统中的恒压控制方法, 分析了控制系统的组成结构, 设计了梯形图控制程序。该系统介绍的综合控制系统性能可靠, 操作方便, 自动化程度高, 人机界面直观, 有较高的应用价值。

关键词：恒压供水,PLC,变频调速,PID

参考文献

[1]金传伟, 毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用[J].电子技术应用, 2000.

恒压变频供水系统 篇5

摘要：阐述了恒压供水的构成框图、工作原理及软件构成，侧重于给出恒压供水的实现思路。

关键词：PLC 变频器 恒压供水

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）04-0018-01

PLC作为新一代工业自动化控制装置，具有可靠性高、编程简单、通用性好、维护简单等优点，被广泛应用于冶金、化工、机械、电子、电力等几乎所有的工业领域；触摸屏技术的发展，也为人机对话提供了良好的平台。

我公司大部分设备需用循环冷却水，但又受生产淡旺季、产品结构变化等因素的影响，经常出现冷却水供应、使用的不平衡，这主要表现在冷却水管网水压上，用水量大时，水压偏低、流量偏小；用水量小时，水压则偏高、流量偏大。将其控制系统进行改造，采用PLC、变频器、触摸屏等控制后，不但解决了上述水压不稳的问题，还有操作界面友好、节能降耗、降低维护成本等优点。构成框图

该系统由触摸屏、PLC、变频器、压力变送器等组成，其构成框图如图1所示。

PLC：采用三菱FX1N-24MR，且选用配套的FX0N-3A模块，采集冷却水供水总管上的水压信号，并将其转换为4～20mA的电信号给PLC。变频器：采用三菱FR-A540系列。触摸屏：采用三菱F930GOT，显示设定水压、实际水压、水泵的运行时间、转速、报警信号等。工作原理

公司冷却水供应由2个泵组成，安装在公司冷却水供水总管上的压力变送器，采集水压信号，并将其转变为电信号给PLC，PLC将该信号与触摸屏上的设定值进行比较并计算，并将结果输出给变频器，控制变频器的频率值，从而控制水泵电机的转速，进而控制冷却水的压力。如用水量增大，1#泵转速达到额定转速也无法满足工艺要求时，系统自动将1#泵切换到工频电网上，同时启动、调节2#泵，直到采集到的水压稳定在水压设定值。如用水量减小，2#泵运行到下限频率时，系统自动将1#泵停运，2#泵继续通过变频器调节水压。此时，如用水量又增大，2#泵转速达到额定转速也无法满足工艺要求时，系统自动将2#泵切换到工频电网上，同时启动、调节1#泵，直到采集到的水压稳定在水压设定值。如此循环，实现自动恒压供水。系统软件

系统的软件包括变频器参数设定和PLC程序设计。

3.1 变频器参数设定

变频器变频运行，当水泵电机转速过低时，容易形成“空转”现象，所以将其变频下限设为20Hz；水泵电机可高速运行至额定功率（50Hz），所以将其变频上限设定为50Hz。除此之外，变频器还自带欠压保护、过压保护、过载保护等功能，当电网电压异常或水泵出现异常时可及时发出警报。

3.2 PLC程序设计

PLC的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计，手动部分是通过按钮控制水泵电机在工频下的运行与停止，供调试、维修用；自动控制程序采用PID调节指令，在此不作详细论述。系统优点

（1）冷却水压力可根据产品工艺要求在可设范围内任意设定，并将当前实际压力与设定压力显示在触摸屏上。（2）水泵电机启动由变频器控制，避免了直接启动的大电流给供电电网的冲击，既避免了对周边设备的影响，也能延长水泵电机的有效使用寿命。（3）工作泵与备用泵轮换运行，保证各泵有基本相同的运行时间，避免了因备用泵长期不用而发生的锈蚀现象。（4）有效降低水泵电机的运行能耗，节电率至少可达30%。结语

该控制系统具有功能强大、性能稳定、运行可靠等优点，硬件品牌可根据个人实际情况合理选用，稍作改进，可广泛用于生活供水、消防供水、中央空调系统、集中供热等供水系统。

参考文献

恒压变频供水系统 篇6

【关键词】松下系列；PLC恒压；供水系统；创新设计探讨

随着变频技术的发展和居民对生活用水的质量要求提高，现在变频的恒压供水系统已经提高了原来的供水系统，在多层的小区当中广泛运用。因为在新的系统当中很多部分是使用原来的设备，所有在原来的系统改进的过程当中会出现一些问题，这些问题一般都是不可预料的。本文将介绍PLC恒压供水系统，这是对原来供水系统的改进，尽量保留了原来的设备，这个系统能够很好解决原来设备当中检修比较频繁的问题，不仅体现出了PLC恒压供水系统的优势，而且还能够很好节省资金。

一、PLC恒压供水系统介绍

PLC恒压变频供水系统是由几个部分组成的，它们分别是主要是有PLC、变频器、调节器、时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制器和四台水泵。使用的人可以通过控制器上面的指示灯、按钮盒转换开关来了解和运行系统。系统原理图如图1所示。

整个系统主要通过系统里面的压力传感器把出口的压力信号变为标准信号，送入调节器里面，然后对信号进行运算，再把它们和给定的压力参数进行对比，然后得出一个调节的参数，再把信号输送到变频器里面，然后通过变频器来调节水泵的转速来改变整个系统的供水量，还需要使得供水系统的压力保持在给定的数值上面。如果需要的水量超过了一台泵能够提供的，就需要通过控制器来加泵。根据用水的情况来决定工作泵的数量和水泵的速度，这样就可以实现供水的压力保持恒定。当供水的负载发生变化的时候，输入电机的电压和频率也发生了变化，这样就形成了一个给定压力为标准的系统。

系统当中还有一个时间和PID控制器，这就保证了整个系统能够换泵运行，也能够双工作压力设定。除此之外，整个系统还有很多保护功能，特别是对硬件和备用水泵的保护，这样就能够保证供水正常和及时得到维修。在正常运行的时候，水泵的运行顺序是1、2、3、4。

二、工作原理

2.1运行的方式

这个系统的运行方式有两种，一种是手动和自动两种。手动控制的话就是，通过按钮控制水泵的运行和停止，需要根据需要的情况来控制不同泵的运行。这种方式主要是在系统出现故障和检修的时候使用的。自动运行就是合上自动开关，首先是第一个泵通电，输出的频率逐渐上升，同时调节器接受到压力传感器的信号，然后进行对比分析，把调节参数反馈给变频器。如果压力不够的话，就把频率调节到五十赫兹，第一个泵也把变频转变为工频，然后启动二号泵进行变频，变频器的数值就会逐渐上升到给出的数值，如果还需要加泵的话就依次类推。如果用水量比较少的话，就需要从先启动的泵上面减少，通过更加调节器给出的参数进行调节，最终保证系统的平稳运行。如果有电源停电的话，整个系统就会停机。等到电力恢复之后，整个系统又会恢复工作，结下了的操作是和上面启动系统一样的。变频上面的自动功能是整个系统当中最基本的一个功能，系统能够自动完成这一系列的操作。

2.2PLC控制系统

整个系统采用的是一種可以编程的控制器，PLC编程采用的是一OMRO N CX-Programmer，这种工具是可以提供一个相当完整的编程环境的，而且还可以进行离线编程，以及在线连接和调试。这种工具还能够实现梯图和语句的转换，整个系统采用的是输入和输入来控制电机的运行和停止，还有控制系统定时切换，变频和故障报警等，这大大提高了系统的性价比。而系统当中的模拟量是通过调节器和变频器来控制的。

通过调节变频器可以改变供水的压力数值，如果用户使用的水量比较少的话，供水的压力就会变大，这个时候可以调节变频器来是水泵减速，这样就可以使得供水的压力保持恒定。供水系统当中水泵的切换是一项比较关键的技术，当水泵的转速减小到一定程度的时候，想要降低水泵的压力就需要减少水泵的数量。在进行切换的时候，需要先断开整个回路，然后把变频器加入到下一台正在运行的工频回路当中，这样就完成了水泵从工频转变为变频运行的转变。切换结束之后，运行的水泵数量变少了，变频器的位置也发生了变化，先开的先停止是切换当中的重要原则，也就是最先切换第一个工作的，这样可以保证有三台水泵在轮流使用，这也是可以延长水泵的使用寿命的。如果供水的压力低的话，就需要增加水泵的数量，这样才能给提高水压，加泵的过程就是把闲置的水泵加入到系统当中。

三、系统故障和维修

系统出现故障的时候首先要报警，这样才能够进行维修。当系统出现比如变频器故障、液位达到下限、超过压力、压力缺失等一系列情况的时候，系统都是会发出报警的。当出现上面一些情况，系统不仅会发出警报，而且还会停机。一旦出现这些情况之后就需要通知维修人员来进行维修，如果是变频器发生了故障的话，你就可以进行手动控制供水。

为了对水泵进行检修和维护，需要系统在正常运行当中。在一段时间之内使得一台水泵停止运行。系统当中是由备用水泵的，可以随意对一台水泵进行备用，这样可以保证系统的正常运行。为了是水泵能够进行轮休，系统当中还有软件备用功能，工作泵和备用泵是可以定期进行切换的，这个周期一般是由控制器控制的。

四、结论

变频恒压供水系统设计 篇7

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.

恒压变频供水系统 篇8

中短波广播发射台大都远离城市, 生活用水基本靠自台解决, 我台台区有一套供水系统, 生活区有两套供水系统, 都属于定压变频供水系统, 而供水系统的安装与调试都是由厂家承揽, 厂家没有提供电路图和有关参数设置方法, 系统一旦出现问题, 自台无法进行检修, 都需要由厂家进行有偿服务, 不仅维修不及时, 而且还增加了费用。一次, 我台生活区一套定压变频供水系统出现问题, 导致供水中断, 为降低维修成本, 台组织检修人员根据实际线路绘制出供水系统的电路图, 并找出故障原因, 快速处理了故障。事后, 通过分析控制电路, 我们发现该供水系统存在着一些问题, 经查找供水方面的资料和调研, 得知供水技术已发展到恒压变频供水水平上, 为提高供水质量, 节省资金, 我台大胆尝试, 使用微机供水控制器, 将定压变频供水系统改造为恒压变频供水系统, 并增加了手动控制功能, 确保供水的连续性, 取得了非常好的效果, 同时锻炼了维护队伍。

2 定压变频供水系统原理

定压变频供水系统由变频器、电接点压力表、中间继电器等器件组成。变频器是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压, 再由逆变桥变换为频率可调的交流, 作为交流异步电动机的驱动电源, 使电动机获得调速所需的电压、电流和频率。电接点压力表的上、下限用来设定水压范围, 当管道压力达到上限时, 控制变频器输出使水泵停转;当压力降到下限时, 控制变频器启动水泵运转, 实现一定压力范围内供水。

图1为台生活区定压变频供水系统图, 该系统由水箱、管道、水泵、变频控制柜、储水罐和28家用户组成。自来水通过浮子开关自动注入水箱, 只要水位低于浮子最高水位, 则一直向水箱注水, 水箱低水位信号由一只电缆浮球液位开关给出, 当浮球随液位下降到一定距离时, 液位开关断开, 进行缺水保护, 水泵停转。水泵为单吸多级立式离心泵, 型号32LG6.5-15×3, 流量6.5m3/h, 扬程45m, 电动机功率2.2kW, 采用单泵运行方式 (一主一备) 。两台水泵进、出水管道安装有阀门和逆止阀, 电接点压力表根据实际要求, 设定上、下限压力, 控制变频器启/停, 电动机频率逐渐升到预设频率或逐渐下降为零, 使得电动机轴平均扭矩和磨损减小, 以延长水泵与电动机的使用寿命;同样, 可使水压逐渐升高, 以避免水流冲击造成管道、仪表、阀门等损坏, 在一定程度上, 减少了维修量和维修费用, 实现泵房无人值守。

图2为定压变频控制系统原理图。在图2中, QF为变频控制柜总电源开关, HL1为电源正常指示灯, HL2为1#水泵指示, HL3为2#水泵指示, SA为1#、2#水泵选择开关。定压控制主要通过电接点压力表和两只中间继电器 (KA1、KA2) 来实现。其工作原理为:A相电源送到KA1、KA2定压控制继电器线圈上, 若供水管道压力小于压力表下限时, 压力表动触点 (公共端) 与下限静触点相接, A相电源经KA2线圈通过KA1-3、11常闭接点与零线构成回路, KA2线圈带电, KA2-6、10常开接点闭合, 短接压力表下限与公共端, 起自保作用, 同时常闭接点KA2-11、7闭合;若SA倒置1#水泵工作, A相电源通过KA2-11、7常开接点、KM1线圈、KM2常闭接点与零线构成回路, KM1线圈带电吸合, 若水箱水充足, 液位开关闭合, KA2-9、5与液位开关串联短接松下DV707变频器I1、G端子 (正转启动) , 变频器输出电压、电流、频率从零开始逐渐升到设定值上 (根据供水压力, 结合水泵扬程, 频率初始值设置为42Hz) , 1#水泵运转, 当管道水压达到压力表上限时, 公共端与上限静触点相接, KA1线圈带电, KA1-3、11常闭接点断开, KA2线圈失电, 且KA2-11、7常开接点已由闭合转为断开, KM1线圈失电, 1#水泵停转;当用户大量用水后, 管道水压下降, 降到电接点压力表下限时 (此时KA1线圈已失电, 其常闭接点KA1-3、11闭合) , KA2吸合, KM1吸合, 变频器启动, 1#水泵运转, 这样周而复始地保持定压变频供水。

为保持供水连续性, 电接点压力表上、下限调整距离要小, 上限为0.3Ma, 下限为0.2Ma。变频器要事先进行参数设置, 才能正常工作, 表1为松下DV707变频器参数设置。

这种定压变频供水系统通过先启后停方式来维持供水系统压力, 虽然简单, 但是还存在如下问题:

(1) 主用水泵长期运行磨损严重, 备用水泵长期不用生锈严重, 需要维护人员定期倒泵。

(2) 水压为一定范围内的定压, 水压不稳定, 时大时小。

(3) 当变频器或电接点压力表、继电器出现故障后, 整个供水系统瘫痪, 只能等专业维修人员来处理。

3 恒压变频供水控制系统设计与原理

基于定压变频供水存在的问题, 给用户生活带来不便, 为保证供水的连续性, 提高人们的生活质量, 通过查找有关供水资料, 决定将定压变频供水改造为恒压变频供水。恒压变频供水系统主要由微机供水控制器、电位器式远传压力表、变频器等构成。电位器式远传压力表检测管网水压, 将压力反馈信号输入微机控制器后, 反馈压力实际值与设定给水压力值进行比较, 其差值输入到PID回路处理后, 送给变频器一个转速控制信号, 变频器输出相应电压、电流和频率信号控制水泵的转速, 完成供水压力闭环控制。当水泵出口压力低于给定压力时, 变频器输出频率增加, 电机转数提高, 水泵流量增大, 压力增高;反之则减少, 保证系统压力恒定, 从而达到系统压力稳定。

参照DHC8100微机供水控制器的基本功能, 根据用户实际需求和维护上的便利, 自行设计了恒压变频供水控制系统, 并增设了自动/手动供水控制及定期倒泵功能。用微机供水控制器作为主控单元, 与电位器式远传压力表 (0-0.6MPa) 、交流接触器、转换开关、热继电器、中间继电器、DV707变频器、电接点压力表等部件组成恒压变频供水控制系统。远传压力表安装在水泵出水管上, 实时显示当前水压, 反馈输出相应电信号送至微机供水控制器, 控制变频器的输出。

图3为恒压变频控制系统原理图, QF为恒压变频控制柜总电源开关, HL1为电源正常指示灯, HL2为1#水泵指示, HL3为2#水泵指示。两台水泵电机分别为M1、M2。M1由交流接触器KM1、KM3控制, M2由交流接触器KM2、KM4控制, 其中KM1、KM2是工频运行交流接触器, KM3、KM4是变频运行交流接触器。SA1是自动/手动选择开关。若SA1置于手动位置, A相电源分为两路, 一路送1#、2#水泵选择开关SA2上, 通过控制KM1、KM2通/断, 来控制两台水泵 (工频) 起/停, FR1、FR2分别为两台水泵电动机 (工频运行) 过载保护热继电器;另一路送工频定压控制继电器KA1、KA2线圈上, 进行定压控制。若SA1置于自动位置, A相电源经SA1送到交流接触器KM0线圈与零线构成回路, KM0吸合, 供给变频器三相电源与微机供水控制器单相电源。微机供水控制器+5V、IN1、GND端子连接远传压力表, 检测供水管道水压。C相电源经熔断器FU、中间继电器KA3线圈、液位开关与零线构成回路, 水箱水位高时, 液位开关断开;水箱水位低时, 液位开关接通, 这时KA3线圈带电吸合, 常开接点KA3-8、12接通, CT2与COM短接, 水泵停止运行, 显示Er03报警。另外, 常闭接点KA3-1、9与KA3-2、11分别接1#水泵、2#水泵工频控制电路中, 当缺水时, 控制电路断开, 水泵停转。微机供水控制器模拟输出D/A、G端子接变频器频率控制FIN1、G端子, 输出变频器频率给定0-10V电压信号, 实时控制变频器的输出;开关量输出FR、CM端子为常开触点, 接变频器运行控制I1、G端子, 控制变频器正转启动;B1、D1输出端子分别接交流接触器KM3、KM4线圈控制回路, 直接驱动接触器220VAC线圈, 常闭接点KM3、KM4起互锁保护作用。微机供水控制器面板上有设定压力和实时压力显示, 根据实际要求, 压力设定为0.26Mpa。实际工作时, 变频器显示输出36.6Hz频率。

当微机供水控制器或变频器出现致命故障无法正常工作或水泵巡检时, 可采用手动方式控制水泵运行, 变为工频定压供水。其工作原理:SA1倒置手动后, A相电源送到KA1、KA2工频定压控制继电器线圈上, 若此时供水管道压力小于电接点压力表设置下限时, 压力表动触点与下限静触点相接, A相电源经KA2线圈通过KA1-3、11常闭接点与零线构成回路, KA2线圈带电, KA2-6、10常开接点闭合, 短接压力表控制, 起到自保作用, 同时, KA2-11、7常闭接点闭合, 该接点接KM1、KM2线圈公共回路。若SA2置于1#水泵位置, A相电源通过KM2常闭接点、缺水保护继电器KA3-1、9常闭接点、KM1线圈、FR1常闭接点、KA2-11、7常开接点与零线构成回路, KM1线圈带电吸合, 1#水泵工频启动运转, 当供水管道水压达到电接点压力表设置的上限时, 公共端与上限静触点相接, 继电器KA1线圈带电, KA1-3、11常闭接点断开, KA2线圈失电, KM1线圈失电, 1#水泵停转, 当用户大量用水后, 管道压力下降, 当降到电接点压力表下限时 (此时KA1线圈已失电, 其常闭接点KA1-3、11闭合) , KA2吸合, KM1吸合, 1#水泵运转, 周而复始工作保持定压供水工作 (电接点压力表上限为0.3Ma, 下限为0.2Ma) 。

恒压变频控制系统方案确定后, 按照图3对变频供水控制柜进行了改造, 改造之后, 首先对DHC-8100微机供水控制器和松下DV707变频器相关运行参数进行了设定。表2为DHC-8100微机供水控制器参数设置表, 表3为松下DV707变频器参数设置表。加电一次成功, 经过一年运行, 没有出现一次故障, 水压稳定, 操作简单实用, 受到维修人员和用户的普遍好评。

4 结束语

实践证明, 我台生活区恒压变频供水控制系统改造是非常成功的, 与原定压变频供水系统相比, 具有如下优点:

(1) 自动化程度高, 停电或停水自动停机, 来电来水自动开机。根据用水量, 自动调整水泵转速, 无需人工操作。

(2) 定时换泵, 当1#泵工作时间达到设定值后, 控制器自动停止1#泵, 启动2#泵, 保证两台水泵运行时间均等, 延长电动机和水泵使用寿命。

(3) 具有手动/自动两种工作方式, 操作简单, 实用性强, 确保供水连续性。

变频恒压供水控制系统应用分析 篇9

1 管网设定水压的计算

给水压力的计算，供水系统的用水规模即是用户的用水量，决定了用户正常用水的给定压力。

式中：Q一管网的实际流量 (m3/h) ;

上述计算方法只能是粗略计算，给水压力的设定在计算的基础上进行工程调试，根据实际调试值得到设定值。

2 水泵变频调速节能原理

在供水系统中，以转速控制法达到控制流量的目的。

异步电机的转速为：

从上式可知，当极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。

3 变频恒压供水系统的构成

由于本文的供水系统要适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水，我们用3台7.5kw水泵(三台主泵)组成供水系统，其原理框图如图1所示：

从上面的原理框图，我们可以看出变频恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。

泵的工作方式：

1)变频循环式：变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。

2)变频固定式：变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。

4 变频恒压供水系统的控制流程

整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的控制流程、通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水目的。其需要完成的控制流程如图2所示：

变频恒压供水系统的核心是恒压控制，它是根据水压给定值与供水管道中实际压力值的压差大小，控制变频器输出频率，使变频器实时调节水泵电机的转速以适应管路中压力的变化。

5 PID控制策略

通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。

5.1 位置式PID控制算法

位置式算法公式：

位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e (k)进行累加，运算量大;而且控制器的输出u (k) 对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u (k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。

5.2 增量式PID控制算法

增量式PID控制算法公式：

式中：

PID参数的整定原则一般计算机控制系统的采样周期T在选定后就不再改变，所以，一旦确定了Kp、Ti、Td，只要使用前后3次测量的偏差值即可由式(5)或(6)求出控制增量。

6 结语

本文研究设计的系统可以用于居民小区、企业、医院、机场等场所的生活用水控制，也可以用于各类型的自来水厂、增压泵站，供热和空调循环用水系统、工业锅炉补水系统，化工、制冷空调和其他工业及民用领域。由于它的功能全面、操作方便、又有形象美观的人机界面、方便可靠的数据通讯接口、高精度的恒压控制以及良好的节能效果，所以取得了良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]韩安荣.通用变频器及其应用[M].机械工业出版社, 2003.

[2]李信、李铁龙.PLC模糊控制恒压供水系统的应用.炼油与化工, 2004.

新型变频调速恒压供水系统 篇10

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.

恒压变频供水系统 篇11

关键词:无负压变频恒压供水 城市供水 应用

中图分类号:TU7文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)04(a)-0064-01

1 无负压变频恒压供水的特点

普通变频恒压供水方式存在着能源浪费、二次污染、给城市管网造成负压等等弊端。无负压变频恒压供水,既能利用自来水管道的原有压力,又能利用足够的储存水量缓解高峰用水,且不会影响城市管网的正常供水。

1.1 不会对水质造成二次污染

无负压变频恒压供水设备是直接与市政管网连接,中间没有其它环节,省去了低位水箱,系统全密封运行,异物不能进入系统内部,不与空气直接接触,不会对水质造成二次污染,同时降低了成本,节省了水泵房的占地面积,降低了建筑负荷。

1.2 充分利用管网余压,节约运行成本

无负压变频恒压供水设备在运行时借助市政自来水的压力,在原有管网压力的基础上叠加所需的压力差,差多少,补多少,充分利用管网的余压,系统自动调整水泵运行台数或调整水泵转速,实现一直在高效率点运行。大大节省了运行费用,符合国家节能的要求。

1.3 低区供水稳定,停电不停水

无负压变频供水系统直接和市政自来水管网相连,在停电时加压泵虽停止工作,但自来水管网压力依旧可维持低区用户供水,即使在停水时,用户也可以靠稳流灌存水维持短时间供水。

1.4 减少系统损失,节约能源

无负压变频供水系统全自动运行无须专人值守,也没有水质处理仪器,免去定期清洗、消毒等工作;减少了系统滴、漏、益流的损失。节能效果十分显著。

2 系统运行原理

(1)当自来水压不足致使压力下降时,防负压装置和稳流罐中的检测装置采集稳流罐中的真空度及水信号,通过控制柜控制防负压装置和稳流罐中的特殊装置动作,抑制负压产生,保证城市管网不受影响。

(2)设备正常运行时,系统叠压(无负压)直接供水,通过实际用水情况设定用水点工作压力,用负压反馈来调节变频器频率。如果实际压力高于设定压力,降低变频器频率,反之升高变频器频率。

(3)当设备进水压力不小于出水设定压力时,水泵机组进入休眠状态,系统通过旁通管直接供水。

3 节水、节能情况比较

3.1 传统的供水方式:浪费现象严重

(1)水资源浪费。

水池(水箱)经常存在跑、冒、滴、漏、蒸发等现象,且水池(水箱)的定期清冼,清洗水箱时必须将原水箱中的水全部放完再用大量自来水冲洗,造成了大量的水资源浪费。

假设北京市人口共1300万,每5000人共用1个水箱,共需水箱2600个,每只水箱按80t计算,每个水箱每年至少清洗2次,全市每年为清洗水箱白白放掉的自来水就要高达416万吨。

(2)电资源浪费。

市政管道有压水放入水池或水箱中,原有的水压力变为0。送到用户的水又要从0开始加压,造成能量的白白浪费,北京市每年的生活总用水量大约为7亿吨,利用市政水压直接供水的水量50%左右,其它50%为加压供水,所需水泵重复加压每天的耗电量为

=

=80882(kWh)

W----水泵的耗电量(kWh)

r----水的密度(kg/m3)

Q----水的流量(m3/s),取11m3/s

H----水被提升的高度,市政给水压力一般为0.2～0.3MPa,本计算中H=20米

t----水泵的运行时间(h),计算一天的耗电量取24小时

1----水泵的效率,取80%。

2----电机的效率,取80%。

该部分用水是由若干台水泵进行加压的,但计算的方法相同。每天重复加压浪费的电能就8万度电,在能源如此紧张的状态下,应该采用更好的供水方法,减少能源的浪费。

这种运行方式能耗大,设备运行费用较高。

3.2 无负压给水方式:节水、节能、运行经济

(1)节水。

全封闭结构,杜绝了跑、冒、滴、漏现象。不存在清洗、消毒用水。每年可以节约大量的自来水以及水箱清洗的费用。

(2)节能。

设备与自来水管直接串接,可以充分利用自来水管道的原有压力,在自来水管网原有压力的基础上进行加压。如果自来水管道的压力满足要求,设备就停止工作,节能效果显著。以六层楼为例,用水高峰期时,水压可以达到4层,用水低峰期时,可以供到6层。無负压供水设备只是在用水高峰期时对5～6层用水进行加压,用水低峰期时不用加压供水。能耗大大降低,可达到50％～80％以上。

(3)低区停电不停水。

突然停电的情况下,无负压供水设备利用管网的原有压力,给用户供水。做到停电不停水。

(4)运行经济。

这种运行方式能耗小,设备运行维护费用低,比较经济。

4 安装情况比较

4.1 普通变频恒压供水方式

普通变频恒压供水方式供水,必需修建水池或水箱,如果采用水池,水池内有严格的内防腐要求,施工周期长,工程量大。水池结构墙上要预留很多套管,增加了泄漏点,加大了施工难度,使管道和设备布置、安装复杂;如果结构墙上套管预留不准确,会给施工、安装带来更多的困难。如果采用水箱,水箱的基础施工,水箱的安装、灌水试验、管道的连接,安装较复杂。其次不论修建水池还是安装水箱,都占用了很大的建筑面积。

4.2 无负压变频恒压供水方式

无负压设备成套出厂,用户的自来水进水管和出水管直接与设备对接,安装简单,施工周期短,并且大大地节约了占地面积。

5 结语

无负压恒压供水具有广阔的发展空间,在节能、节水、节地、节省建设资金等方面优势显著,成为取代水池、水箱等传统二次供水设施的首选。但要实现无负压供水设备的持续发展,市场急需规范,必须设置进入门槛,制定高水平的行业标准,使无负压供水系统真正达到节水、节能、节约成本的目的。

参考文献

[1]中华人民共和国城市供水条例第二十一条.

[2]刘永刚.无负压设备的工作原理及应用.山西建筑,2006,32(19):158～159.

[3]伊君.无负压供水设备初步探讨[J]. 中国建筑信息,2006(1):6～7.

基于PLC的变频恒压供水系统 篇12

随着我国城市高层建筑群体的扩大及人们对物质生活水平要求的提高, 传统的供水设备由于存在基建投资大、占地面积广、维护不方便、能耗大和可靠性低等问题, 已经不能满足人们对家庭用水质量的要求。我国传统的住宅区供水主要采用恒速泵加压供水以及水塔高位供水等方式。恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时反应, 水泵的增减都依赖手工操作, 自动化程度低, 且供水电泵的电能消耗大;水塔高位供水方式存在基建投资大、维护不方便、水泵电机为硬起动、起动电流大等缺点, 频繁起动易损坏联轴器, 且能耗大[1,2]。因此变频恒压供水系统以其节能、安全、稳定等特点正逐步地取代传统的供水方式。

本研究所设计的系统通过PLC和变频器调控水泵电机在不同时期不同工况下的水量和水压, 既能保证供水系统在供水高峰期的稳定性和可靠性, 又能实现供水系统在夜间的低功率运行, 具有良好的节能性。

1 变频恒压供水系统的原理和结构

1.1 系统工作原理

变频恒压供水系统采用PLC与变频器控制泵组调速运行, 并自动调整泵组的运行台数, 完成供水压力的闭环控制, 在管网压力变化时保证末端用户的用水需求并达到节能的目的。变频恒压供水系统框图如图1所示。当用户用水量增大时, 导致管网的压力减小, 压力传感器将电压信号反馈给PLC。PLC内置的PID控制器计算后调节变频器的频率, 频率增大, 水泵的旋转速度加快, 从而达到一个新的平衡状态;当用户用水量减小时, 同理也可以达到平衡状态。

1.2 系统结构

该系统包含PLC主机、模拟量输入输出扩展模块、变频器、压力变送器、水泵等, 其中PLC具有功能完善、编程简单、抗干扰能力强、体积小、能耗低、性能价格比高[3]等优点。整个系统含两台主泵 (丹麦格兰富7.5 k W、型号CR20-7) 并联供水和一台辅泵 (丹麦格兰富3 k W、型号CR10-9) 辅助供水。为实现恒压供水, 供水系统在全流量范围内通过将变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合, 根据用水量大小调节投入水泵台数, 使供水压力始终保持为设定值[4,5,6]。当处于用水低谷或夜间小流量时, 为进一步减少功耗, 本研究采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。PLC通过对压力上、下限信号的检测, 实现3个水泵变频循环的可靠切换、变频泵的连续调节和工频泵的分级调节。同时蓄水池液位传感器 (防雷型, 综合精度:0.2%FS, 输出信号:0~5 V) 将检测到的液位上、下限信号输入到PLC中, PLC通过对进水管电动阀的调节来控制进水量[7]。

根据流体力学公式: (p1/p2) = (n1/n2) 3, 如果一台水泵的额定压力是已知的, 设P1是额定转速n1时的输出压力, 那么对任意转速时的压力为:p2=p1 (n1/n2) 3。即水泵的输出压力与水泵的转速的3次方成正比, 通过调节转速可以达到节省能源, 保证系统高效运行的目的[8]。本研究通过变频器改变水泵电机的输入频率从而达到维持用户管网中压力恒定的要求, 即保证最末端用户的用水需求。变频器的变频范围为20 Hz~50 Hz。针对住宅区每天用水量的特点, 一天中有3个高峰, 分别为早上7∶00~9∶00, 中午11∶00~13∶00, 晚上17∶00~20∶00, 而夜间用水量却很少。如果用水量加大, 导致用户管网的压力减小, 压力传感器的电压信号反馈给PLC, PLC输出的直流电压升高, 导致变频器输出的频率增大, 水泵的转速加快, 达到一个新的平衡状态;当用户用水量减小时, 致使管网的压力增大, 同理PLC通过调节变频器输出频率, 使水泵的转速变慢, 同样可以达到平衡状态。供水系统构成示意图如图2所示。

2 系统硬件设计

PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心, 它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。本研究选用德国西门子公司的S7-200 CPU224型PLC。为了方便地将管网压力信号传输给PLC, 本研究将比较计算后的相应控制信号传到变频器, 该系统选用了EM235模拟量扩展模块。本研究选用的变频器是西门子公司的VVVF-SIEM440型, 它采用高性能的矢量控制技术, 提供低速高转矩输出和良好的动态性能, 同时具有超强的过载能力[9,10]。

PLC控制电路如图3所示。该系统共有开关量输入点13点, 开关量输出点13点, 模拟量输入通道一个, 模拟量输出通道一个[11]。

在电气布置时, 作为主要部件的PLC与变频器安放距离需适中, 如果两者距离太远, PLC与变频器的通讯信号易受到外界电磁干扰;如果两者距离太近, 变频器会在运行过程中给PLC带来较强的电磁干扰。

3 系统软件设计

3.1 主程序的设计

主程序的流程图如图4所示。整个系统以PLC为核心, 通过运行程序完成相应设备的供水与故障报警任务, 同时泵的切换信号的生成、泵组接触器逻辑信号的综合等均包含在主程序中。该系统由热继电器实现电机过载保护, 若电机过载, PLC接收过载保护信号, 并发出报警, 同时启动“过载处理”对策:若辅泵 (泵3) 过载, 变频启动主泵2;若主泵1过载, 则工频启动辅泵 (泵3) ;若主泵2过载, 同样工频启动辅泵 (泵3) 。本研究在系统中不仅设计了软件“互锁”, 还实现了控制回路的硬件互锁, 即通过在控制回路中串联相应的常闭触点来保持接触器不会同时吸合。为了防止电机空转, 本研究在设计上使用液位信号, 当水位过低时, PLC接收数字开关信号, 采取相应的措施, 以防止电机损坏。在夜间时, 系统工频启动辅泵 (泵3) , 因为居民在夜间的用水量很低, 当水压到达压力设定值时, 系统停止使用辅泵 (泵3) , 直至管网的压力低于设定值。

故障诊断和报警输出模块的设计利用了变频器短路、过载等保护功能。当变频器所驱动的水泵电机发生短路、过载等故障时, 变频器自动切断供电电路、进入保护状态并输出报警信号。

3.2 PID设置

本研究采用积分分离PID控制算法作为控制策略。积分分离的基本思路是:当系统给定值与输出值存在很大误差时, 取消积分的作用, 以免积分作用使得系统的稳定性能降低, 超调增大, 当输出值接近给定值时, 引入积分控制, 消除静差, 提高控制精度。本研究根据实际系统运行效果进行整定后得到PID控制器的参数:KP=8.59, KI=12.5, KD=1.77。

3.3 人机界面的设计

本研究在上位机上针对人机界面的设计采用组态软件。MCGS 5.1组态软件是一个监控系统开发软件, 是以标准的工业计算机软、硬件平台构成的新型的工业自动控制系统[12]。本研究将这个供水系统划分为监控层、控制层、管理层3个层次结构。本研究通过MC-GS 5.1设计主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略, 可以通过画面对现场进行实时监控, 还可以对工作方式和相关参数进行设置。组态监控界面如图5所示。

4 结束语