变频供水系统（共12篇）
变频供水系统 篇1
1. 前言
随着国民经济的高速发展, 能源问题越来越突出。在此背景下, 如何解决生产生活过程中的能源浪费问题成为当务之急。变频调速系统由此在各行各业得到了大力的普及, 并也正在发挥着越来越重要的作用。然而, 由于部分设计人员不够了解设备的原理, 往往在选型时张冠李戴, 结果不但达不到预期的节能效果, 还大大增加了成本的投入。因笔者正从事建筑给排水设计工作, 仅以经常遇到的供水系统为例, 做一分析。
2. 供水系统以及设备选型的误区
2.1 第一个误区:变频恒压供水系统一定比普通供水系统节能。
常常见到这样的例子, 只要市政供水压力不足, 设计者就直接设计一套变频恒压供水系统, 而实际上, 变频供水系统并不比设置高位水箱的方式更节能, 甚至在设计机组的型号不够合理的情况下, 能耗比设置高位水箱的供水方式更大。
首先, 这两种方式在供水压力上是相等的, 所不同的是变频系统直接供到用户, 同时水泵调速运行, 水泵的工况点是变化的;而后者属于二次供水, 水泵的工况点是固定的。
我们知道, 一个供水系统输水的单位功耗为
式中Q——单位功耗106J
ρ——水的密度 (常温下为常数) , kg/L;
H——系统供水压力, MPa;
g——重力加速度, 取9.81N/kg;
η——水泵机组的总效率。
我们假设变频系统的水泵在工频运行时和后者的水泵运行时的机组效率是相同的 (通常都是这样) , 且都运行在高效状态;因为调速系统的水泵在减速运行后的大部分时间内效率都比工频运行时有所下降, 而后者由于水泵运行工况点不变, 始终维持原来的运行效率。由此我们不难看出, 实际上后者在同样的供水量下能耗反而比变频恒压供水系统少。当然, 我们仍旧不能否认变频系统存在软启动方式的优势以及设置高位水箱二次供水所带来的二次污染问题, 但认清问题的本质对于我们选择合理的系统是不无裨益的。
2.2 第二个误区:变频供水系统可以不设气压罐和小流量水泵。
有不少人认为变频水泵在系统流量很小的情况下水泵转速也接近于零, 因此此时水泵运行的功率也是极小的, 所以系统没必要再设置气压罐或小泵, 这种看法是相当业余和可笑的。而实际上, 在系统流量接近于零的情况下, 水泵由于要保证系统的压力, 其运行转速约为工频转速的80%左右, 运行功率约为额定功率的60%左右, 而其输出功率接近于零, 故其能量损耗是相当巨大的。尤其是在流量变化较大且经常性维持长时间小流量状态的供水系统来说, 能量的浪费情况尤甚。而设置小流量泵的目的在于, 系统流量较小时改由小泵供水, 这便可维持系统运行在比较高的效率;设计气压罐的作用则在于可避免水泵的不间断运行, 进一步节约能耗。
2.3 选择变频恒压系统水泵的误区:选择的水泵富余值越大越好。
通常选择变频水泵都需要一定的富余值, 这是为了获得更大的调速范围, 然而这个富余量并不宜过大。对于我们通常使用的离心式水泵, 其工频运行在其最佳工况点时, 有
式中P——轴功率;
Ph——流动功率;
△Pm——机械损失功率;
q——流量;
H——扬程。
水泵的效率
η约等于0.6~0.9。在水泵调速运行时, 转速降低, 轴效率P显著下降, 而△Pm基本没什么变化, 从而使△Pm/P的比值增大, 水泵效率降低。选择富余值越大的水泵, 其调速运行后的轴功率与其工频率运行时的轴功率比值也越小, 其效率也更低。通常我们选择额定扬程为设计扬程的1.2~1.5倍并使设计扬程落在该泵的高效运行区内为宜, 当然, 具体选择水泵应通过相应的计算得到。
3. 各种供水系统的水泵选择要点及相关计算。
在式 (1) 中, ρ、g为常量, 因此系统供水的单位功耗取决于供水扬程H以及供水机组的总效率η, 下面我们针对不同的供水系统予以分析:
3.1 固定流量扬程的供水场合
这类供水场合常常出现在工业用水领域;另外, 在设置高位水箱的系统中, 由低位水池向高位水箱供水的水泵也属于这一类。在这类供水系统中, 需要的设计工况点是固定的, 即H是给定的, 所以这类系统选泵的关键就是选择在设计工况点运行效率较高的水泵。
3.2 固定流量, 变化扬程的场合
这类供水系统极少, 通常只出现在一些有特殊供水需要的场合, 在此不予讨论。
3.3 变化流量, 固定扬程的场合
这类供水系统是当今使用最广泛的生活供水系统, 其代表就是变频恒压供水设备。在这套系统中, 系统压力即H是恒定的, 所以唯一决定该系统的供水单位功耗大小的因素就是该系统的运行效率η。
在现在普遍使用的变频系统当中, 多数变频水泵在运行时流量在0~Q0 (Q0为恒压值下水泵工频运行时的流量) 间变化;故其效率也是在0~η0 (η0为该泵工、变频变化运行中的最大效率) 间变化, 很显然在相当一段时间内, 尤其是在流量很小的时候, 水泵处于低效运行状态, 这也是有不少的用户反应变频供水系统不节能甚至能耗更大的主要原因。解决这一问题的办法就是在于避免大泵在小流量下运行。如何做到这一点呢, 笔者以为有如下几种方法:
第一种、采用大小流量水泵搭配的阶梯式供水流量的方案, 实现不同流量段又不同的水泵供水。
其运行方式为小流量为气压设备供水;当流量逐渐增大, 超过气压供水设备的供水范围时, 启动容量较小的一台泵, 气压供水设备延时关闭;随着流量继续增大, 超过该泵在恒压值的最大供水流量时, 启动容量更大的一台泵, 并延时关闭小泵;以此类推, 直到达到系统流量最大值为止。在流量逐渐减小的过程中, 则以此反推, 而其中的关键点是必须设置好每台泵的最低工作频率, 使在该点时的大泵流量正好等于即将投入运行的小泵做能提供的最大流量, 这个值的确认需要我们在选泵的过程中予以确认。
具体选择设备的步骤如下:首先, 选择一套小流量的气压供水设备, 该设备的最大供水流量为Q1;然后选择一台水泵, 使其在流量大于Q1运行时, 效率大于给定值ηmin, 假设该泵流量——扬程曲线方程为
则其调速运行时的曲线方程为
式中k为转速比 (调速后的转速与工频转速的比值) 。
可以求得在流量Q1时的转速比为
式中Q0为该泵在设定恒压下工频运行的流量。系统射定的恒压值为HX。
而水泵调速过程中电机的转差率变化不大, 忽略转差率的变化, 我们可以依据k值确定水泵调速运行的频率下限。
通常在水泵选型手册上, 查到该泵在工频、设定恒压下运行时的流量Q2以及水泵的轴功率N2或效率η2, 由式2.2可得
△Pm=P-Ph=N2-ρg Q2HX= (1-η2) N2式3.3设该泵在流量Q1时的轴功率为P1。则
式3.4
必须令此时的水泵效率
据此所选得的水泵其运行效率始终不小于规定值。假如选择的水泵流量值Q2小于设计流量, 则以Q2值作为下一级水泵的最小设计流量, 同以上计算原理进行计算, 选定下一级水泵, 直到选择的水泵供水能力大于设计流量为止, 我们将得到一组水泵, 其运行效率始终都能保持在ηmin以上。系统在流量减小过程中的最小频率可由式3.2计算得到, 此处不再赘述。
第二种、这种方式是对于目前市场上流行的一种水泵配置方式的改进。
目前最流行的变频恒压给水设备一般由气压供水设备以及一台或几台相同型号的水泵组成, 该方式的主要缺点, 如前所述正在于不能避免主泵在相当长时间内的小流量运行, 本方案在原来设备的基础上加入一台小泵, 使每台主泵在启动前均先启动该小泵 (小泵是否采用变频运行方式可视情况而定) , 主泵在降速运行的过程中控制的最小频率一样可通过式3.2得到。此方式可使原系统的供水效率得到较大改善, 使系统运行的平均效率维持在较高的水平。
第三种、这种方式与第一种方式类似。假设该系统设置3台主泵, 按容量大小依次为1#、2#、3#泵, 第一种方案各泵依次运行并依次退出, 这必然使3#泵的容量相当大, 在大流量的场合往往增加了系统的投资, 而本系统的在运行方式上加以改进, 使3台泵的总流量等于设计流量。开始时, 各泵与第一种方式运行方式一致, 不同的是, 到3#泵运行时, 随着流量持续增大, 无法维持系统压力时, 则再次启动1#泵, 流量继续增大, 则启动2#泵, 延时关闭1#泵;流量继续增大, 则再次启动1#泵。各泵退出顺序则按启动的反向顺序退出, 频率控制同第一种控制方案。本方案的优点在于充分利用了各泵的容量, 利用了各泵的搭配运行从而满足了不同流量段的运行需要。
以上三种方案仅是笔者为抛砖引玉所举的几个例子, 在实际的水泵选型过程中, 如何以最简便的控制方式, 最简单的机组配置实现机组在不同流量段的高效运行, 是我们在设计供水系统的时候需要充分注意的问题。
3.4 变化流量, 变化扬程的供水场合
在工程上通常称满足这种特性的供水系统为“变量变压供水系统”。由于在一个供水系统中, 系统需要的压力是随着供水流量的上升而上升的, 而普通的恒压供水系统往往按最大设计流量来设定系统的压力, 从而使系统在较小流量运行时系统压力偏大。而变量变压供水系统能在不同流量下的提供与之想匹配的供水压力, 从而杜绝了恒压系统的压力富余, 节约了能耗。
以某供水系统为例, 该供水系统的管路特性曲线通常满足下式
式中H——系统需要的最小工作压力 (扬程) ;
Z——设备至最不利供水点的高差;
K——管路综合阻力系数;
h0——用水点需要的最小服务水头。
本系统通常采用plc控制的变频水泵机组, 该机组可通过设置在机组供水出口的流量计返回的流量值计算得到系统需要的压力, 设定这个压力后, 其运行方式与变频恒压供水方式相同, 所不同的是该系统不断重复计算并调整系统压力值, 这个压力值可按式3.6计算得到。下面我们来配置系统的水泵。
同3.3所例举的方案, 先配置气压给水设备, 然后选择上一级的水泵, 由式3.1可得
可以知道, 当k=1时, 该泵达到工频运行, 据此我们可求得该泵工频运行时的流量
为了保证该泵的高效运行, 同样要求其参数满足式3.5。重复上述计算, 我们可以得到与3.3的第一种方案所对应的变压变量供水机组。为简化控制, 我们也可通过计算确定几个流量段, 当系统流量在不同的流量段时, 赋予与该流量段最大值所对应的设计压力, 从而实现梯段性的供水压力策略, 简化了系统的控制。
4. 综合上面的计算和分析, 我们不难看
出, 提高变频供水系统的供水效率是节约能耗的唯一途径, 而实现这一目标的方法有两个, 即:一、尽量选择高效率的水泵;二、控制水泵变频运行的下限, 保证水泵维持在一定效率以上运行。
结语
变频机组水泵的选型是一项需要认真对待的工作。目前市场上流行的配置也非常多, 多数都是成套的设备, 笔者就经常遇到一些对水泵的选型不甚了解的销售商或技术员。而作为设计者的我们, 经常喜欢套用他们成套的设备或干脆将设备的选型留给厂家, 这是很不负责任的。变频给水机组的选型, 需要我们通过认真的计算和比较来确定。而且, 我们不仅要了解水泵的性能, 更要全面了解供水机组各种其他设备的性能和原理, 只有这样, 才能使我们所设计的供水机组更趋合理和完善, 充分发挥其应有的节能效果。
摘要：本文通过对当今变频供水系统设计中的误区的讨论, 指明了目前设计供水系统的过程中存在的主要问题, 并通过相应的计算和对不同供水需要的场合的设计举例, 指出了变频系统设计过程中, 维持系统高效率运行是保证变频泵组节能效果的必要途径。此外, 还将大小型号的水泵搭配运行作为提高系统运行效率的途径, 并做了详细的讨论。
关键词：水泵,变频恒压供水系统,效率,功率,流量,扬程
参考文献
(1) 郭立君, 何川主编.泵与风机, —3版.—北京:中国电力出版社, 2004.8.
(2) 曾毅等编著.变频调速控制系统的设计与维护, —济南:山东科学技术出版社, 2002 (第二版) (2005.3重印) .
(3) 姜乃昌主编.水泵与水泵站.第4版, 北京:中国建筑工业出版社, 1998.
变频供水系统 篇2
[摘要]本设计研究的系统是利用变频器的PID性能设计的一种恒压供水系统。具体是以管网水压（或用户用水流量），利用压力传感器传送的信号值为设定参数，通过微机（PLC可编程控制器）控制变频器的输出频率，从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节（PID），使供水系统自动恒稳，即实现恒压供水的一套系统。采用该设备不需要建造高位水箱、水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水设备，既有广泛的研究与实用推广价值。
[关键字] 变频器
恒压供水PLC PID
前 言
在社会的快速发展下，居民人数的增多，导致很多的城市居民家庭用水困难，特别是那些老式住房的居民，紧紧依靠高位水塔和压力罐来提供水源已不能满足居民的要求。高位水塔占用空间大，距地面较高，容易氧化，最主要的是储存的水量有限对现代居民来说很不方便。压力罐供水原理是利用密封的罐体，使局部增压达到供水目的，具体工作顺序是由水泵将水通过逆变止阀压入罐体使罐体内气体受到压缩，压力逐渐增大，当压力达到指定上限时电接点压力表通过控制柜使泵机自动停止，设备中的水压高于外界压力，自动送至供水管网，当罐体内水位下降，气压减少到指定的下限位置时，电接点压力表通过控制柜使水泵重新启动，如此反复，使设备不停地供水，当罐内气体不足时，补气阀可自动补气。虽然压力罐供水能够满足现代居民的用水量，但在用水高峰时，水泵启动频繁，每次启动都会有较大的电流对电网冲击，水泵的损坏较大，每次进行维修水泵都要花费一笔不小的费用。
随着电力技术的发展，变频器调速技术的日益完善，以变频器为核心的智能供水控制系统取代了以往的高位水箱和压力罐等供水设备，启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免了启动时对电网的冲击，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，可以消除启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。其工作原理是变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，调节输出超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时通知PLC进行变频泵的逻辑切换，为防止水锤现象的产生，泵的启停将联动其出口阀门。
一、方案选定
变频恒压供水系统是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水管网的出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高水位箱、气压罐等设施实现的。
近年来，随着变频调速技术的日益成熟，其显著的节能效果和可靠稳定的控制方式，在供水系统中得到广泛的应用。变频恒压供水系统对水泵电机实行无级调速，依据用水量及水压变化通过微机检测、运算，自动改变水泵转速保持水压恒定以满足用水要求，是目前最先进，合理的节能供水系统。与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较，不论是投资、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优势：
1.高效节能。与传统供水方式相比变频恒压供水能节能30%-60%。2.占地面积小，投入少，效率高。
3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。
4.运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减少，水泵的寿命将大为提高。
5.由于能对水泵实现软停和软起，并可消除水锤效应（水锤效应：直接起动和停机时，液体动能的急剧变大，导致对管网的极大冲击，有很大破坏力）。
6.操作简便，省时省力。
变频恒压供水系统以管网水压(或用户用水流量)为设定参数，通过微机控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，这样就保证了供水效率用户对水压和水量的要求，同时达到了提高供水品质和供水效率的目的，“用多少水，供多少水”；采用该设备不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水设备。
二、系统元器件的选择(一)变频器的选择 1.变频器型号
根据不同负载对机械特性的不同要求选择变频器型号有所不同。
（1）风机和泵类负载，由于低速时转矩较小，对过载能力和转速精度要求低可选用简易型的变频器或风机，泵类专用变频器，这类专用变频器具有工频，变频的切换功能，多泵切换功能和PID功能。可通过参数设定完成一些控制任务，易于实现。
（2）恒转矩负载，多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面一般要求不高。
（3）要求响应快的系统，所谓响应快是指实际转速对于转速指令的变化跟踪的快，从负载变动等急剧外界干扰引起的过渡性速度变化中恢复得快，（4）被控对象具有一定的动态，静态指标要求，这类负载一般要求低速时有较硬的机械特性，并且有一定的调速精度，在动态性能方面无较高的要求就能满足生产工艺对控制系统的动态，静态指标要求，如果控制系统采用开环控制，可选用具有无速度反馈的矢量控制功能的变频器。
（5）被控制对象具有较高的动态，静态指标要求，对于调速精度和动态性能指标都有较高的要求，以及要求精度同步运行等场合，可选用带速度反馈的矢量控制方式变频器。
变频器容量的选择是一项重要而复杂的问题，要考虑变频器容量和电机容量的匹配，容量偏小会影响电动机有效转矩的输出，影响系统的正常运行，甚至损坏装置，而容量偏大则电流的谐波分量会增大，也增加了设备的投资，选择变频器容量时，变频器的电流是一个关键量。变频器的容量应按运行时可能出现的最大工作电流来选择。
选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外应充分考虑变频器的输出含有高次谐波，会造成电动机的功率因数和效率都会变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流增加10％而温升增加约20％。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这中情况，适当留有裕量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。
变频器的选择依据是水泵电机的负载特性和电机的额定参数。2．变频器ACS510及其特点
根据以上选择参考分析，本设计选用ACS510系列变频器。ACS510是ABB又一款杰出的低压交流传动产品，它可以简单地购买，安装，配置和使用，可节省 4
相当多的时间。ACS510传动应用于广泛的工业领域，适用各种类型负载。ACS510还针对风机水泵应用作了特别的优化，典型的应用包括恒压供水，冷却风机，地铁和隧道通风等。该设备具有以下主要特点：
（1）完美匹配风机和水泵：增强的PFC应用，最多可控制7台泵；SPFC循环软启功能可依次调节每个泵；超越模式应用于隧道风机的火灾模式；两个独立的内置PID调节器PID1和PID2，PID1可设置两套参数，通过PID2可控制一个独立的外部阀门。
（2）更经济：噪音最优化，当传动温度降低时增加开关频率，负载降低时自动降低电机磁通，简单安装，容易连接电缆，多种I/O和即插式可选件方便地连接到现场总线上。
（3）更环保：EMC适用于第一及第二环境的RFI滤波器作为标配，变感量电抗器可根据不同负载匹配电感量，抑制和减少谐波。
该系列变频器针对水泵，风机负载设计了多种应用宏，根据不同的控制宏要求，选择相应的宏，变频器有不同的默认设置，可实现接线最少，参数设置最简化的特点。针对该类负载，该系列变频器增设了睡眠控制功能。3.ABB产品信息
ACS400变频器在2.2-37KW的功率范围内，节约能源，控制准确,安全可靠,铸铝件和塑料件的使用,保证了足够的加工精度,ACS400预置了九种应用宏.主电源：230—500V50/60HZ控制电源：115—230V.在励磁部分中采用了最新的IGBT控制技术，不再需要磁场电压匹配变压器，磁场进线熔断器和电抗器也已集成在DCS400模块中。由于磁场部分采用了三相进线供电方式，且直接取自为电枢供电的三相电源，因而DCS400不再需要单独的磁场电源进线。DCS400拥有多种调试工具。在调试向导的引导下进行参数设定，加上全部的自优化调试过程，DCS400的典型调试时间为15分钟。
（二）PLC的的特点及选型 1.PLC特点及应用
可编程控制器（ProgrammableLogicController）是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻 5
辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序(步进)控制，还具有了模拟量控制、闭环过程控制、数据处理和通信联网等功能。
由于可编程控制器可通过软件来改变控制过程，并且编程简单，同时采用了模块化结构设计，易于扩展和拆装，因而具有体积小，功耗低，可靠性高，组装维护方便，控制功能完善和抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，成为当今自动化电气控制的主流。2.可编程控制器的选型
（1）本设计的主要控制过程是利用可编程控制器的A/D,D/A模块和可编程控制器内置的控制模块来控制水泵电机的切换从而调节供水管中水的压力。整个控制系统除了用到PLC逻辑控制、定时控制和计数控制等基本控制功能外，关键是要用到PLC的高级控制单元，主要包括A/D、D/A单元等。
现代大中型的PLC一般都配备了专门的A/D和D/A转换模块，可以将现场需要控制的模拟量通过A/D模块转换为数字量，经微处理器运算处理后，再通过D/A模块转换，变成模拟量去控制被控对象。但现在考虑到系统的安装以及成本问题，故本系统供水泵的自动控制采用的是日本欧姆龙公司的PLC，机器型号为CPM2A-30CDR-A和模拟量控制模块CPM1A-MAD02。其特性简介如下：
（2）CPM2A为系统提供了众多的功能 ①高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。②同步脉冲控制可方便地调整时间。③带高速扫描和高速中断的高速处理。
④可方便地与OMRON的PT相连接，为机器操作提供一个可视化界面。
小机壳内汇集了先进的功能和优异的表现。为食品包装行业，传送设备和紧凑型设备的制造商提供更优越的性能和更高的附加值。⑤通过脉冲输出可实现许多基本的位置控制。⑥可进行分散控制和模拟量控制。
三、变频器恒压供水系统的设计
变频器恒压供水系统的主电路及控制电路设计如图3-1及3-2所示
图3-1变频器恒压供水系统主电路图
系统启动时首先闭合空气开关，把转换开关达到变频位置，三相交流电通过开关送到交流接触器和热继电器加载到变频器上，变频器输出驱动变频电机启动运行，如果检测得管网压力大于设定值，则系统不启动，当管网压力小于设定值时，系统启动。（在恒压供水系统中可根据用户用水量的大小实现自动调节电机的转速，达到恒压供水的目的．水泵电机是系统的输出环节，它的转速由变频器控制，实现变水压的恒压控制．变频器接受PID控制器的信号对水泵进行速度控制，PID控制器它以其结构简单，稳定性好，工作可靠，挑战方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控制对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，即当不完全了解一个系统和被控制对象，或不能通过有效的手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术，PID控制，实际中也有PI和PD控制，PID控制器就是根据系统的误差，利用比例，积分，微分计算出量进行控制的。
图3-2变频器恒压供水系统控制电路图
PID控制属于闭环控制，是指将被控制量的检测信号反馈到变频器，与被控制量的目标信号相比较，以判断是否已经到达预定的控制目标。如尚未达到，则根据两者的差值进行调整，直至达到预定的控制目标为止。其特点：PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可以控制了。PID参数较易整定。也就是说，PID的参数K,T,T可以根据过程的动态特性及时整定，如果过程的动态特性变化，如可能由于负载的变化引起系统动态特性的变化，则PID参数就可以重新整定。PID控制器在实践中也不断地得到改进，如结合人工智能系统，模糊控制。采用远传压力表作为压力检测与变送元件，它将管道内的压力值(0-0.4MP)转换为0-10V（0-20MA）的直流电压（电流）信号，经AI2接线端输入变频器。远传压力表在工作原理上相当于一个可变的电阻，将24V直流电压加在两固定端，压力表的指针带到可变电阻的可动端，压力表的满偏量程为1MP,所以当压力在0-0。4MP范围内变化时，压力反馈为0-10V(或0-20MA)。压力传
感器检测管网出水压力，把信号传给PID控制器，通过PID控制器调节变频器的频率来控制水泵电机的转速，压力检测值与压力给定值差距越大，该输出信号变化就越大．一旦管网压力达到了设定值，该输出控制信号就恒定下来，系统稳定运行。）
当变频器出现故障时，为了不影响居民用水，我们就要进行临时手动工频供水。首先要切断加在变频器上的三相电源，将电源连接在工频中，由于水泵电机的容量一般较大，直接启动时，将会出现很大的起动电流，这样对电机的使用寿命有一定的影响，为减小起动电源常采用补偿降压起动，补偿电压起动是大容量三相异步电动机常用的起动方法之一，按下启动按钮后，降压动作，即接触器KM1,KM2和时间继电器得电，主电路上的接触点KM1,KM2闭合电机从自藕变压器中间抽头霍德尔80%或60%额定电压降压起动，以达到减小起动电流的目的，当电机的转速上升到一定值时，时间继电器KT动作，KM1,KM2主触点断开，KM3 接触器得电，KM3 主触点闭合，电机加额定电压进入全压运行状态，即达到临时手动供水目的。
四、变频器恒压供水系统分析
（一）变频恒压供水系统
变频调速技术原理是把工频50HZ的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流电动机定子绕组的供电频率，在改变变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。此处变频调速是根据用户在单位时间内用水量的的多少来调速。在水流量小的时候变频控制水泵的转速缓慢，或变频器处于睡眠状态。一旦水流量大时，变频器则控制水泵快速运行，以达到管网压力一直处于稳定状态。始终保持供求关系为：供水=用水。
（二）供水系统工作原理
1.变频器恒压恒压供水采用变频器的PID控制功能实现恒压控制。2.变频恒压供水原理是指变频器接受PID控制器的信号对水泵进行速度控制，压力传感器检测管网出水压力，把信号传给PID控制器，通过PID控制器调节变频器的频率来控制水泵电机的转速，从而实现恒压供水。
变频器与外部设备有九根接线除去与电动机相连的三根导线外其余分别是：模拟是接地端AGND、24V直流电源、压力反馈输入端AI2，变频器起动与停止控 9
制端AI6（得电启动、失电停止）、用于故障保护的继电器RO3的一对触点B-C端。
转换开关SA1置手动操作位置，即工频接电源，变频为断开状态，按下启动按钮SB2，接触器KM1,KM2和时间继电器KT线圈通电，主电路中KM1，KM2的主触点闭合，电机开始降压起动，控制电路常开出点KM1断开实现互锁，KM1的常开触点闭合实现自锁，同时时间继电器KT开始延时，一段时间后，其常开触点KT闭合，中间继电器KA线圈通电，KA的常闭触点断开，使KM1，KM2，KT线圈断电，触点KM1恢复闭合，KA的两个常开触点闭合，上面一个实现自锁，下面的常开触点接通KM3线圈，KM3线圈得电KM3的常闭触点断开，工频停止指示灯熄灭，KM3的常开触点闭合，工频运行指示灯点亮。同时其主触点闭合，电机切断降压运行状态进行全压运行。
电机在工作状态下，按一下停止按钮SB1,可使KM3线圈断电电机停止工作。转换开关SA1置自动操作位置，即变频运行，水泵的起动与停止，即可通过变频器面板控制，也可以通过外部开关控制。
通过变频器的面板控制起动，是指用用水量来通过定时器DS决定线路是断开还是闭合，在用水量较大时用定时器DS设定时间控制开关闭合，而在用水量小或不用水时定时器DS控制开关为断开状态，水泵停止运行。一般设定的时间为五点至二十三点是闭合状态，电机正常工作。其余时间是断开状态，水泵停止工作。也就是说变频器进入睡眠功能。变频器的睡眠功能是指在无人用水或用水流量很小时的情况下，所有工频泵均已停止运行，只有变频泵运行在下限频率，且用户管网压力仍然偏高则变频泵停止运行，辅助泵投入运行，没有辅助泵的系统则变频泵进入休眠状态，所有水泵均停止运行，由气压罐或自来水管网维持压力。睡眠功能更有利于实现节能运行。
通过外部开关控制起动，是指直接将转换开关SA2转换为闭合，变频线路得电。这样起动电机会浪费电能，减少电机的使用寿命，因为在深夜用水量小时或不用水时，电机还是在运行。开关闭合后，线圈KM4通电，KM4的常闭点断开变频停止指示灯熄灭，KM4的常开触点闭合变频运行指示灯点亮，同时主电路中的KM4主触点闭合，变频器得电并运行。
五、变频恒压供水系统特点和优点及适用范围
（一）变频恒压供水特点
1.采用可编程控制器，程序灵活多变，精度高，可靠性强，功能多，反映速度块。
2.均配有稳压泵或稳压罐稳压，在用水量小到一定值时，主泵可停止运转，减少水泵电机的机械磨损并且节约电能。
3.对水泵均为软启动，延长设备寿命，消除了启动电流对电网的冲击。4.根据用水量的变化，水泵循环变频运行，先启的先停，使水泵均衡工作。当一台泵运转六小时或二十四小时，自动切换到另一台。
5.最大的特点为双恒压控制，生活消防可公用的一套设备，为用户节约投资。而且一机两用，大大的提高了使用效率。
6.结构紧凑，占地面积小，安装块，投资省，运行稳定。无污染。
（二）变频恒压供水优点
1.启动平衡，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免了启动时对电网的冲击．
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.可以消除启动和停机时的水锤效应．在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率．
4.节约电能。水泵的负载转矩与转速的平方成正比，输出功率与转速的立方成正比．根据所需流量变频器自动调节转速，这样就可以大量节约电能．
5.节约用水．采用变频器进行变频恒压供水，管道保持恒压，可杜绝崩管现象，减少跑、冒、滴、漏等情况，从而节约用水．
6.延长系统的使用寿命．利用供水专用变频器进行变频恒压供水，可保持系统水压恒定，不会出现水压过高的现象，管道的压力一直可维持在合理的范围内，延长了设备更换周期，减少了维修的投入，并且避免了管道崩裂事故． 7.无需储水箱，避免了水箱内长期沉积污垢及滋生微生物对水体质量的污染。
（三）适用范围
1.各种类型的自来水厂，供水站。
2.工业与民用建筑的生活、生产、消防用水系统。
3.公共设施宾馆，饭店的生活热水，空调供水系统。
4.油田的输油管道，油泵站恒压输送系统和工厂、矿山通风机风压调节系统。5.热水锅炉定压及热水管道的定压系统。
结 论
经过这一个多月的毕业设计和对相关资料的收集，使我更加了解了变频器的结构和功能，同时也明白了变频器在恒压供水方面的作用，可以这样说变频器在恒压供水系统中充当着整个系统的灵魂，它是该系统的核心。变频器在恒压供水系统方面为人们的生活水平作出了巨大的贡献，不仅仅为人们解决了用水的困难，保证水随时都能用上水，而且还为人们节省了很多的金钱比如水泵的经常性维修费用等。该系统设计结构简单对环境要求的条件低，在变频器出现故障点的时候还可以临时启用补偿降压系统供水保证居民有足够的水源。该系统是现代社会发展的一个重要标志。在设计该过程中我遇到很多的困难，特别是对变频器参数的设定，变频器生产厂家的不同，也就决定变频器的参数也是不同的，在我们所学的课程中变频器一直为三菱的FR-510，现在突然要用ABB-ACS510变频器多少有点不适应，在陈老师所给的ACS510变频器说明书中经过慢慢的学习，总算是把其参数设定好，由于个人水平限制的原因，在编写设计过程中陈老师给了很多的帮助，真的很感谢。
这次设计让我了解到变频器在生活中的重要性，它与社会的发展是紧密结合的，变频器在恒压供水方面只是它用处的冰山一角。现代机械生产是离不开变频器的，为了能够让变频器更好的为人类服务，我们应该要进一步对变频器学习。
致 谢
本论文在刘静老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体构思和内容，无不凝聚着老师的心血和汗水，在三年的大学学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意！
这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。这也使我认识到没有一件事是真正容易的，每一件事，不论它简单还是复杂？做好都是要付出艰辛的，都是要认真对待的，不能眼高手低，否则一个小小的浪花也能颠覆大帆船。我希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。并且感谢他们在百忙之中抽出宝贵的时间，对我予以帮助。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向烟台技师学院，机电系的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们三年来的辛勤栽培。他们不但教会我各科知识，也教会我做人和为人处事的道理，这将伴随我一生，也必将使我受用一生
参考文献：
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.
恒压变频供水系统 篇4
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。
变频供水系统 篇5
实用型的变频恒压供水系统是经得起考验的供水系统，湖南智康科技为此付出了很多，也得到了用户的认可，特此来分享下：
一、引言 在水源地内，多眼井星罗棋布在水库上。为了确保供水生产的安全、可靠、连续。针对水厂制水过程的特点和控制系统的功能要求，我们采用基于西门子PLC的恒压力供水系统。
二、编程控制器概述
例如湖南供水设备厂家智康科技使用的PLC即可编程控制器，是一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。国际电工委员会(IEC)对PLC曾作了如下定义：“PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关设备，都应该按易于与工业控制系统形成一个整体。易于扩充其功能的原则设计。”这段话完全道出TPLC的特点和应用领域。其主要有以下特点：
1.可靠性高。为了满足工业生产对控制设备安全可靠性的要求，PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成。
2.环境适应性强。PLC具有良好的环境适应性，可应用于十分恶劣的工业现场。在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作，具有很好的抗宅间电磁干扰的能力，它一般对环境温度要求也不高。在环境温度-20至65度、相对湿度为35%至85%情况下仍可正常工作。
3.灵活通用。在完成一个控制任务时，PLC具有很高的灵活性。首先，PLC产品L三经系列化，结构形式多种多样，在机型上又很大的选择余地。其次同一机型的PLC其硬件构成具有很大的灵活性，用户可以根据不同任务的要求，选择不同类型的输入输出模块或特殊功能模块组成不同硬件结构的控制装置。
4.使用方便、维护简单。PLC控制的输入输出模块。特殊功能模块都具有即插即卸功能，连接十分容易。对于逻辑信号，输入输出均采用开关方式，不需要进行电平转换和驱动放大;对于模拟信号，输入输出均采用传感器仪表和驱动设备的标准信号。各个输入和输出模块与外部设备的连接十分简单。整个连接过程仅需要一把螺钉旋具即可完成。
三、变频恒压供水系统控翻方案的设计与选择
变频恒压供水系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元馒变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与J：频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下方案可供选择：
1.有供水专用的变频器+水泵机组+压力传感器。这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然简化了电路结构.降低了设备成本，但对压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数的系统优化比较困难。调节范围小，系统的稳态，动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。
2.通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器。这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰。变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用F某一特定领域的小容量的变频恒压供水。
3.通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+组态软件十压力传感器。这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，町以方便地与其他的系统进行数据交换：通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种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UO的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过Pc机来改变存储器中的控制程序，所以现场调试方便。通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“变频器主电路++PLC(包括变频控制、调节器控制)十组态软件十压力传感器”的控制方式更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
四、变颏恒压供水控制器性能特点
1.高效节能。优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行。由电机学公式可知。系统电机功耗与电机转速成立方关系，在压力不变时。水泵出水量与电机转速成上E比。本设备采用恒压量：r作方式。当用水量减小时，系统保持管嗍恒压，通过降低水泵转
速来减少供水量，耗电量按立方特性降低。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。
2.设备投资省、占地面积小。本系统与其它供水方式比较，由于主要设备只是控制柜及水泵，省去了大量的设备占地面积，从而大幅度节省了上建投资，而且就设备本身而言，供水量越大，采用变频恒压供水设备的价格优势就越显著。
3.设备运行合理、可靠性高、配置灵活。采用闭环调节控制技术，达到了恒压供水，避免了由于超压供水造成的电能浪费。变频器采用软起动工作方式，消除了直接起动对电网的冲击和干扰，彻底避免了水泵启动时大电流和水压突增的情况，减少对供电电网的冲击，降低了电机及电气元件的故障率。
4.联网功能。采用全中文工控组态软件一Kingview，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.减少污染。由于变频恒压调速宜接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。
五、恒压供水设备的应用场合1.居民区、住宅楼、村镇的集中生活供水系统;
2.高层建筑、宾馆、饭店等生活供水系统;
3.综合市场、写字楼、商务楼宇的生活供水系统：
4.自来水厂、供水加压泵站;
5.工矿企业的生产、生活供水、恒压流量供水工艺流程等。
变频供水系统 篇6
关键词：数字PID;变频调速;PLC;恒压供水
一、基本原理
高层恒压供水是现代城市高层建筑的一项主要配套工程，它具有供水模式变换多，水压稳定，自动保护等特点，可以广泛应用于工业及民用建筑中。
由PLC控制的高层恒压供水系统采用数字PID控制技术，使PID的参数整定和调整实现在线控制，通过对系统压力的检测，根据水压的大小使系统分时对正常工作和消防供水两种分别采用PID控制和PD控制，使系统实现了快速、稳定的输出。
将管网的实际压力经反馈后送到比较器的输入端与给定压力进行比较，当管网压力不足时，通过对参数运算，调整PID的参数，控制电压上升，使频率相应增大，水泵转速加快，供水量加大，迫使管网压力上升。反之，水泵转速减慢，供水量减少，迫使管网压力下降。以保持恒压供水的稳定。
二、系统工作
系统可完成以下功能：1.生活供水自动恒压;2.自动/手动供水选通;3.定时换泵（PLC 30秒检测一次，无人用水十分钟停机）;4.工作状态自动保持;5.消防供水自动控制;6.消防生活连锁控制;7.管网压力自动起停泵。
工作方式有自动和手动两种，通过开关控制。
系统模拟输入输出模式模块选用CM235，从A口输入给定参数，B口输入反馈压力信号，模块输出直接用来控制变频器，被控水泵电机可以由变频器输出控制，也可直接由50Hz工频信号控制。
三、算法原理
为了能够可靠的控制变频器的运行并满足差值电压的跟踪，当输入信号的变化不大时，系统不再读取数据，将原来的计算值直接保持。当输入信号的变化值较大时，系统立即跟踪这一变化，并计算最新的采样值，并将其保持，一次作为参数运算的依据。
考虑到系统工作环境对系统运行状态的影响，在设计中除采用硬件上加装滤波器外，还采用数字滤波的方式来消除干扰的影响，数字滤波采用模拟输入平均值的方法，其总体运算公式：
Avg=（N-1）AvgN+NewN
为运算方便，将上述运算方法转换成下面的运算方法：
Rsum=Rsum-Avg+New
Avg=RsumN
该法的运算.思路是使用每次扫描的运算和，计算出新的平均值，其中最新平均值.总是位于指定的输出位置。考虑到运算时的符号处理，运算过程采用浮点运算。故需进行整数与浮点数之间的转换。如果采样值为正值，系统直接进行运算，如果系统采样值为负值，符号扩展至双字节，然后对双字节数据进行运算。
PID控制的模拟表达式为
P（t）=Kp[e（t）+β（1＼T1）?e（t）dt+TD（de（t） ﹨dt）
控制时，根据系统运行状态中偏差e（k）选择β值。
当正常供水时，若le（k）l， ≤△p使β=1，其增量式PID控制算法：
U（k-1）=kpe（k-1）=k1Σe（?）+k0[e（k-1）-e（k-2）]
U（k）=kpe（k）=k1Σe（j）=kD[E（K）-e（k-1）]
由上两式可得
ΔU（k）=Ae（k）-Be（k-1）+Ce（k-2）
U（k）-L（k-1）=Ae（k）-Be（k-1）+C（k-2）
U（k）=Ae（k）=f（k-1）
式中：f（k）=U（k）-Be（k）+Ce（k-1）
A=kp（1=T＼T=Ta＼T）
B=kp（1+2T＼T）
C=ktTB＼T
PID运算程序如图所示
VW56为中断调用次数;VW30为给定偏差量;VW60为系统偏差值;VW60为系统反馈量;该反馈量通过压力传感器获得，由于环境的影响可能会使该参量发生扰动，该变化会直接影响到参数量偏差。
2.通讯过程
无论计算机向变频器发出的是读数据命令还是写数据命令，变频器都可能返回两种形式的结果。一种是通讯正常时的正常响应，一种是通讯不正常的响应。当变频器收到信息时，先检验起始时间间隔+STX位，然后监测信息长度值LGE如果这些信息出现不符，那么所发送的信息无效。在信息接受前和接受过程中还会检测多段时间。如相应延迟时间，信息有效时间，字節延迟时间等。在接受过程中，还要产生校验位，只有以上信息需正确，且奇偶效验和地址字节没有问题时，发送的信息才会被正确接收且执行。
在通讯过程中，一个命令或响应信号只能对一个参数进行操作，计算机发出指令后必须等待相应的应答信号.同时不断重复指令。如果计算机投有从相应地址的变频器那里收到响应情号，它必须采取相应措施;变频器并不需要知道计算机是否收到了应答信号。指令和应答信号都必须在一次信息发送中完成，如果应答信号的方法是通过辨认响应参数中参数值和参数号。当计算机收到变频器对一个指令的应答信号后，再次发出指令信号时，变频器就认为是一项新的指令。
PLC变频供水系统的设计与实现 篇7
1 系统介绍
变频恒压供水就是变频调速技术在供水系统中的应用, 其采用PID调节技术, 使供水压力维持在一个设定范围, 其管网的水压波动小, 节能效果明显。它的工作原理是当变频泵运行到工频50 Hz时, 此时管网的实际水压若还没有达到设定水压, 不是直接启动另外一台水泵, 而是将当前以变频运行的水泵直接切换到工频方式运行, 而以变频方式启动另外一台水泵, 以达到维持系统压力的目的。变频恒压供水系统的原理图如图1所示。
本系统使用一台变频器控制三台水泵, 根据用水需求量的变化采取一台或多台运行方式。三台水泵可分别工作在变频、工频、备用三种工作模式中的任意一种, 并且每台水泵通过两个接触器互锁保证其安全性和可靠性。水泵电动机全部采用软启动方式, 以先启先停为原则;通过PLC控制水泵的运行台数, 在大范围上控制供水的流量;通过PID调节算法控制变频器的输出频率, 从而控制水泵电机的速度, 在小范围上控制供水的流量。在系统运行过程中, PID控制器将压力传感器采集到的供水管网实际压力与设定压力进行比较, 并进行PID调节运算, 最终得到变频器输出频率的变化值;控制器根据此变化值来调节水泵机组的运行方式和运行速度, 最终使得管网的实际供水压力与设定压力值相等。控制系统的主电路如图2所示。
2 系统工作流程
变频恒压供水系统控制流程如下:
(1) 系统通电, 按照接收到有效的自控系统启动信号后, 首先启动变频器拖动水泵M1工作, 根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率, 控制Ml的转速, 当用户管网实际压力达到设定值, 其供水量与用水量相平衡时, 转速稳定在某一定值, 这期间Ml工作在调速运行状态。
(2) 在用水量小的情况下, 为避免某一台水泵工作时间过长系统设置有倒泵功能;即如果一台水泵连续运行时间超过6 h, 则要切换下一台水泵, 倒泵只用于系统只有一台水泵长时间工作的情况下。
(3) 当用水量继续增加并且变频器的输出频率达到上限频率时 (50 Hz) , 若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力, 并且延时时间到达 (30 s) ;系统在变频循环控制方式下, 通过PLC的控制使水泵M2投入变频运行, 同时变频泵M1切换到工频运行, 系统恢复对水压的闭环调节, 直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加, 满足增加水泵的条件 (P实
(4) 当用水量下降水压升高并且变频器的输出频率降至下限频率时 (20 Hz) , 若此时用户管网的实际水压仍高于压力设定值, 并且延时时间到达 (30 s) , 系统将工频泵M1关掉, 恢复对水压的闭环调节, 使压力重新达到设定值。当用水量继续下降, 并且满足减少水泵的条件时 (P实>P设, 延时30 s) , 将继续发生如上转换, 将另一台工频泵M 2关掉。这样各水泵切换采用先启先停, 先停先启的原则使得每一台水泵都能利用到, 可以节约能耗以及泵的使用寿命。图3为系统控制流程图。
3 系统硬件设计
根据系统控制要求, 参照PLC产品目录及市场实际价格, 本系统选用西门子S7-200系列主机为CPU226型PLC (24点输入/16点继电器输出) 。同时为实现模拟量的控制还配有一个模拟量输入输出模块EM235。系统具有以下几种功能: (1) 根据白天和夜间小区用水量明显不同, 设置高恒压和低恒压两种模式; (2) 根据用水量的大小, 由PLC控制3台水泵自动进入或退出运行状态, 或者由现场操作手动控制启停; (3) 系统根据总管道出口压力变化, 自动调节变频器运行频率, 自动改变投入系统运行的台数, 以跟踪设定压力; (4) 在监控室设有变频运行、工频运行、故障指示和现场变频器频率显示功能。恒压供水系统控制硬件设计如图4所示。
4 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。
安装在水泵出水管中的压力变送器PV把供水管中的压力信号变成电信号, 此信号通过S 7-2 0 0的模拟量输入输出模块EM235进行采集, CPU将采集到的压力值PV与设定的压力值SP进行比较, 通过PID调节运算得出变频器的输出频率驱动变频器运行;同时, CPU将此输出频率与前面提到的频率上、下限值进行比较判断, 当增、减泵的条件满足时, 由CPU输出逻辑控制指令控制投运水泵的台数。此外, 系统可根据用户用水量的变化自动确定水泵的循环运行, 以提高系统的稳定性及供水的质量。
5 结语
在供水系统中采用变频调速运行方式, 根据实际压力的变化自动调节水泵电机的转速或加减水泵运行台数, 实现了恒压供水;系统具有明显的节能效果, 使水流量控制特性及电动机和水泵的运行特性均得到了明显改善。此外, 通过上位机的监控, 系统具有很强的实时监视和故障的诊断功能。所设计的系统经过实际的运行检验, 性能稳定、运行可靠、节能效果显著。
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变频供水系统 篇8
在某些领域供水系统中, 保持供水压力的恒定, 使供水和用水之间保持平衡是非常重要的。随着变频调速技术的日臻完善, 以变频调速为核心, 利用变频器、PLC等器件的有机结合, 构成的智能供水控制系统取代了高位水箱等传统的恒压供水设备。
随着信息技术的发展, 单一的控制功能已不能满足供水系统全网监控的需要, 集控制、通信、管理等功能于一体的综合供水控制系统将成为未来的发展方向, PLC控制的变频恒压供水全网监控系统正是在这种背景下产生的。
2 系统介绍
2.1 工艺流程
在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力、安装流量计检测供水流量, 在蓄水池安装液位变送器检测液位, 首先将检测的压力变送器和液位变送器输出的4~20m A信号通过PLC模拟量输入模块输入到PLC, 然后将检测的压力信号与设定的压力值进行PID运算, 运算结果通过PLC模拟量输出摸块输出, 控制变频器的输出频率来调整水泵电机的转速, 保持供水压力的恒定, 这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统。
2.2 控制思想
采用变频调速恒压供水时有两种方式:一种是每台水泵配一台变频器;另一种是所有泵配一台变频器。本系统采用的是后者, 既一台变频器拖动多台水泵。
2.3 控制策略
根据被控制系统的特点, 遵循粗调与细调相结合的原则, 采用现代控制理论和PID控制相结合的方法, 通过监测供水流量变化情况, PLC实现压力变化情况的自动识别:
2.3.1 在压力波动范围过大时使用模糊控制, 以加快响应速度。
2.3.2 在压力波动在正常范围时使用PID控制, 以保持静态精度。
2.3.3 在压力波动范围过小时设置死区, 以防止变频器输出振荡。
2.4 控制系统结构
本系统采用“集中控制设定值计算参数+分散控制”的集散控制结构, 这种结构具有控制网络依赖性小的优点, 可以充分降低对系统控制网络的可靠性的要求。
2.5 控制方式
2.5.1 手动控制
根据需要, 可现场或远程手动控制系统, 直接控制泵的运行和变频器的输出。
2.5.2 自动控制
首先检测水池水位, 若水池水位符合设定要求, 1#水泵变频启动 (若1#水泵故障或无响应切换至2#水泵) , 运行频率为此时压力变送器检测压力信号反馈PLC经PID运算后输出的变频器频率, 若变频器输出频率上升至50Hz, PLC延时一定时间后, 出水压力上升到设定压力, 1#水泵继续变频调速运行;若出水压力仍低于压力设定值, 将1#水泵切换为工频, 变频启动2#水泵, 以此类推增加水泵, 直至出水压力达到设定压力。若出水压力超过设定压力, 则PLC控制变频器降低输出频率, 减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于水泵设定出水频率, 而出水压力仍高于设定压力值时, PLC开始计时, 若在一定时间内, 出水压力降低到设定压力, PLC放弃计时, 继续变频调速运行;若在一定时间内出水压力仍高于设定压力, 根据先投先停的原则, PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵, 直至出水压力达到设定值。
2.6 功能描述
2.6.1 水泵连锁控制功能
当水池水位低于设定报警水位时, PLC生成液位低报警信号, 并上传至中控室;当水池水位低于停泵水位时, PLC生成液位低于报警信号, 上传至中控室, 并停止所有水泵运行。
2.6.2 自动启动功能
在发生突然断电或其它故障导致水泵停止运行情况时, 系统设置了故障恢复后变频器自动启动功能, 首先变频启动1#水泵。
2.6.3 自动切换功能
系统采用一台变频器拖动多台水泵的运行方式, 实现水泵间的无缝自动切换, 以及水泵电机变频到工频、工频到变频工作方式的无冲击自动切换。
2.6.4 故障处理功能
(1) 变频器故障处理功能; (2) 泵故障处理功能; (3) 自控系统故障处理功能。
2.6.5 数据采集监测和控制功能
监控服务器能够采集监测全部供水系统的各种过程参数, 可以直接修改设定各种控制参数。
2.6.6 远程控制功能
在中控室可实现对供水系统各泵站或管网供水压力、PID运行指令参数、变频器运行频率、各泵的在线/检修状态等参数的设置, 并可以控制各水泵的运行。
2.6.7 报警功能
可将报警分为不同级别, 产生报警信号并记录, 操作人员可以对报警进行确认和查询。当通讯链路出现故障时, 中控室可进行故障诊断并生成报警信息。
2.6.8 多条通讯线路并行工作
可以多条通讯线路并行工作, 同一时刻巡检多个泵站或管网, 实现实时在线监控。
2.6.9 趋势功能
能够根据要求产生各种趋势曲线, 通过调节时间跨度显示任意时刻的过程参数值。
2.6.10 报表功能
能够定时或按照操作指令打印各种过程参数及统计数据的日报表。
2.6.11 数据分析功能
针对供水系统特点, 利用实时仿真系统模拟分析有针对性的协调控制措施, 保证系统供水量和需水量的协调抑制和整个系统的稳定、经济运行, 同时利用仿真系统预测供水系统未来供水参数变化和调节方案, 通过仿真系统还可以补充供水全网监控系统没有的参数。此外, 根据系统运行的历史数据预测系统的负荷情况, 并给出最佳的管网运行参数, 包括系统供水压力、PID运行指令参数等, 据此进行实时的在线优化调度分析, 给出运行指导。
2.7 系统配置
2.7.1 监控服务器
选用台湾研华公司出品的工业用控制计算机IPC 610, 作为整个监控系统的数据采集和人机界面的核心, 是供水系统优化控制的硬件平台。
2.7.2 组态软件
选用北京亚控公司出品的KINGVIEW 6.53工业监控软件, 有较强的兼容性。
选用S7-200系列CPU-224主机, 模拟量输入、输出采用EM231 CN和EM 232 CN模块, PLC编程采用STEP7-Micro/WIN编程软件。
2.7.4 变频器
选用ABB的ACS-550系列通用变频器。
2.7.5 通讯
可根据实际工况选用有线或无线通讯方式连接PLC和监控服务器。
2.7.6 压力变送器、液位变送器
主要用于采集各种水压和液位信号。
2.7.7 流量计
主要用于采集供水流量信号。
2.8 功能扩展
对于供水时段性较强的供水系统, 可以引入分段供水、定时供水的控制思想, 通过对系统负荷、过程参数等数据进行整理分析, 结合经验值, 预测运行参数, 制定供水量、供水压力等参数随时间变化的曲线, 各个泵站或管网的控制系统就能够根据时间对出水压力进行优化控制。
3 应用范围及推广前景
本系统基于变频调速技术、自动控制理论、过程控制技术、电机拖动原理及远程通讯技术, 具有一定的故障诊断及处理功能, 实现了图形化人机对话界面、全网监控、集中管理、分散控制、现场无人值守, 优化了供水控制系统, 提高了供水效果和供水质量, 进一步实现了节能降耗, 大大降低了运行成本, 发挥了更大的经济效益和社会效益。
根据国内外基于网络自控技术的发展趋势, 将网络技术、测控技术、故障诊断技术、计算机技术、人工智能技术相结合, 实现具有仿人功能的智能供水系统是未来的发展趋势, 可推广到油田、油库、污水处理、农田灌溉、恒压补水喷淋及消防等领域。
参考文献
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变频供水系统 篇9
关键词：供水系统,异步电机,效率优化,节能
根据美国水力学研究所统计,在发展中国家20%的能源消耗在各种泵类设备上[1]。城市供水系统一般由水泵、异步电机及各种管网设备构成,其功耗问题比较复杂,需要考虑多方面因素[2,3]。经过几十年的发展,城市供水系统经历了工频、变频恒压、变频变压和管网叠压几个阶段,其节能效果有了极大的提高。然而,这些系统主要着眼水泵效率及管网特性的研究,将水泵简化为二次方型负载后,通过设置变频器的恒转矩或降转矩V/f曲线对异步电机进行调速,仍存在很大的节能空间[4,5]。
异步电机的效率优化策略,可分搜索法和模型法两类[6,7]。搜索法存在收敛时间长,转矩振荡等问题。模型法根据电机的损耗模型,进行实时控制,通常需要速度传感器提供反馈信号。
本文首先对水泵的负载特性进行分析,结果表明水泵转速降低时其负载特性低于理论的二次方转矩负载,其节能潜力亟需提升;水泵的出口水压和流量与水泵转速之间存在对应关系,根据压力和流量传感器的值即可辨识出电机转速,从而降低了系统成本。在此基础上,以电机等效电路为基础,研究电机最小损耗控制策略,给出异步电机驱动电压幅值与频率的控制方法,仿真结果表明此方法在具有较好的动态特性的同时,能显著提高电机的运行效率。
1 水泵的负载特性分析
在供水系统设计时,通常认为水泵是二次方转矩负载,即满足
但这是有条件的。根据水泵的数学模型[8]
式中:H,N,Q分别为水泵的扬程、轴功率和流量;TL,n分别为水泵所需的转矩和转速;K为水泵的调速比,K=n1/n0;a0,a1,a2,b0,b1为系数。
若TL1/TL2=(n1/n2)2,则N1/N2=(n1/n2)3,根据式(3),必然存在Q1/Q2=n1/n2;反之,如果Q1/Q2≠n1/n2,则TL1/TL2≠(n1/n2)2。可见,只有当满足Q1/Q2=n1/n2,水泵的负载类型才是二次方型。
恒压供水系统中,扬程H保持不变。当n1变为n2(n1>n2)时,根据式(2)可知,Q1/Q2>n1/n2,即Q2变得更小,所以N2更小,即N1/N2>(n1/n2)3,因此TL1/TL2>(n1/n2)2。由此可知,恒压供水系统中,转速降低时,水泵的转矩TL相对二次方下降的更多。联立式(2)～式(4),某恒压供水系统中水泵的负载特性如图1所示。
从图1中可以看出,随着转速的降低,供水系统中水泵的负载特性显著低于二次方负载特性。此时异步电机运行于更轻的负载下,若采用工频或恒压频比变频控制,电机将更多地偏离额定工作点,运行效率将进一步下降。
2 异步电机效率优化的供水系统
2.1 异步电机的损耗
异步电机的损耗主要包括:定子铜耗、转子铜耗、定子铁耗、转子铁耗和杂散损耗。其中,由于电机运行时转子电流频率较低,所以转子铁耗较小,而杂散损耗与谐波、摩擦等工作状态有关,属于不可控部分,占输入功率的比例一般为恒值,因此异步电机的等效电路可简化为图2所示。
图2中,R1是定子电阻,X1是定子漏抗,R′2是转子电阻,X′2是转子漏抗,Rm是定子铁耗等效电阻,Xm是激磁感抗。根据图2,可得
铜耗
铁耗
输出功率
效率
机械特性
由上式可以得出不同驱动电压和频率下异步电机的转矩特性和效率曲线,如图3和图4所示。图3中,TE0为额定频率、额定电压时的转矩特性、TE1和TE2分别为采用恒压频比、变压频比控制方式下的转矩特性,TL为水泵的负载(简化为二次方型负载特性曲线)。
图3中,电机转矩特性与水泵负载特性的交点,即为供水系统的工作点。当水泵转速高时,其转矩大,电机工作于A点;当转速下降时,转矩显著减小,此时可使机械特性TE1和TE2与TL均交于B点,即恒压频比、变压频比两种控制方式均可保持水泵在低速时的正常运行。然而,两种方式下电机的运行效率存在较大的差异,见图4。
图4中,η0,η1和η2分别是TE0,TE1和TE2对应的效率曲线。在A点,电机接近于额定运行状态,效率较高。当转速下降到B点时,负载转矩较小,电机的输出功率减小,若采用恒压频比控制方式,即保持主磁通恒定,则电机的铁耗保持在较高的水平,电机运行效率减小。若采用变压频比控制方式,适当降低驱动电压幅值,降低电机主磁通,则可减小电机的铁耗(铁耗近似与主磁通的平方成正比),此时为了保证电机运行于B点,需要提高电压频率,这将增大转差率从而增加了铜耗,当铁耗的减小和铜耗的增加平衡时,电机保持最大效率运行。一般的,若已知工况点(n,TL),则通过调节电源电压和频率,可使电机的运行效率最优。
从图4中还可看出,与恒压频比控制相比,在变压频比控制下电机的电磁转矩较小,这将使电机的动态响应性能有所下降,但由于供水系统对动态响应要求不高,因此不会对系统性能产生影响。
2.2 最小损耗控制算法
最小损耗控制算法以电机的运行效率为优化目标,根据负载的转矩和转速要求,调节电机电源电压和频率,在满足负载要求的同时,使电机的运行效率最大。
由式(5)～式(8),电机的运行效率可表示为
其中
电机转差率和电源频率、电机转速的关系为
式中:s,p分别为电机的转差率和极对数;f,n分别为电机的电源频率和转速。
由式(10)、式(11)可得
其中
对式(12)求偏导数,令∂η/∂f=0,可求出在不同转速n时,对应于电机最大运行效率的电压频率f。由式(12)可知,频率f只取决于电机参数和转速n,可通过离线计算并制成查询表。
稳定运行时,电机的电磁转矩近似等于负载转矩,即
式中:Tem,TL分别为电机的电磁转矩和负载转矩;m为电机相数。
当负载转矩TL和电压频率f已知时,根据式(13),可确定驱动电压幅值U1。
由以上分析可知,最小损耗控制算法下,电源频率由转速决定,而电压受转速和转矩共同影响。电源频率的调节保证了电机运行效率的最优,电压的调节使电机满足负载要求。
2.3 转速辨识
在供水系统中,需要在水泵的出口处安装压力传感器和流量传感器,以检测和控制水压和流量。在水泵流量范围内,由式(2)可得
式(15)描述了水泵水压、流量和水泵转速的对应关系,可作为异步电机最小损耗控制中转速反馈信号。在以后的研究中,可以采用修正表、神经网络等方法进一步提高辨识精度。
3 仿真研究
异步电机效率优化的供水系统控制框图如图5所示。其中,效率优化调节模块根据转速和水泵扬程偏差ΔH的比例项,确定电机最优运行的电源频率。通过对ΔH的PI控制,调节电源电压,使水泵扬程保持恒定。
某恒压供水系统中水泵的型号为IS100-65-315,水泵的参数为:额定转速n=1 450 r/min,轴功率PN=8.4 kW,流量Qn=70 m3/h。电机的额定参数为:Un=380 V,fn=50 Hz,Pn=10 kW,nn=1 450 r/min,R1=1.375 Ω,X1=2.43 Ω,R′2=1.047 Ω,X′2=4.4 Ω,Rm=8.34 Ω,Xm=82.4 Ω。
在Matlab中搭建系统仿真模型,设供水系统的水泵扬程要求为250 kPa。t=2 s时,水泵流量从20 m3/h突变到40 m3/h,系统的动态响应过程如图6所示。
从图6中可看出,水泵流量扰动下,电源电压和频率均能较快调整,水泵的扬程能够维持给定值,满足恒压供水要求。
为了研究最小损耗控制的节能情况,将其与恒压频比控制进行对比研究。图7和图8分别为稳态运行时,两种控制方式下电机的驱动电压幅值和频率与水泵流量的关系。
从图7和图8中可以看出,当用水流量较大时,电机的负载转矩较大,两种控制方式输出的电机驱动电压的幅值和频率差异较小。而随着流量的减小,水泵所需的转矩和转速显著降低,相对于恒压频比控制,最小损耗控制的电压幅值降低较多,而频率逐渐增加。此时,电压幅值降低使得电机主磁通下降,由此减小了电机的损耗。电压下降的同时,必须相应提高频率,才能使电机运行于要求的负荷点。
两种方式下电机的运行效率图如图9所示。
可以看出,在额定流量处,电机满载,两种控制方式下电机均能运行于较高效率。随着流量降低,恒压频比控制方式下电机的运行效率逐渐下降,而最小损耗控制方式下电机的运行效率下降很小。在水泵小流量范围内,即Q<30 m3/h时,最小损耗控制算法下电机的运行效率可提高10%左右。
4 结论
在城市恒压供水系统中,水泵是一类相对二次方转矩负载变化范围更大的负载,由于供水系统特点,系统中电机可能长时间轻载运行。传统的恒压频比控制下电机适合带载负载特性平缓且接近于额定工作点的负载,此时电机能够高效运行;若电机轻载运行,运行效率将明显降低。最小损耗控制以电机运行效率为目标函数,根据负载大小,调整电机驱动电压和频率,使电机运行于最大效率点,电机轻载运行时,能够明显改善运行效率。供水系统中采用最小损耗控制,将有利于提高系统的节能水平。
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PLC自动控制供水变频系统 篇10
随着工控技术的发展, 原有的水塔供水系统已逐渐被直接式管道叠压变频供水技术所取代, 广泛应用于多层住宅小区生活、消防供水系统。传统的供水是由一个或多个水泵提供, 电机为了适应供水量的变化而不得不频繁地启、停水泵, 这样不但会使水泵电机工作效率低, 使用寿命短, 而且电机的频繁启动和停止会产生很大的冲击, 从而导致设备故障率升高, 且这些水泵都是以高出实际用水高度的扬程来提升水压, 其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。
针对所存在的问题, 结合工控行业的发展, 特别是PLC和变频技术在社会各个领域的应用, 可以用它来解决水压控制系统存在的以上问题。并且变频技术在供水领域有节能、安全与恒压方面的优势。
2系统介绍
整个控制系统主要是由PLC、变频器、压力变送器、液位探测器、稳流罐、水泵电机等组成, 如图1所示, 设备工作原理:市政管网的自来水进入稳流罐, 罐内空气从真空消除器排出, 待水满后真空消除器自动关闭。当自来水管网压力和流量能够满足用水要求时, 系统由旁通水管直接供水;当自来水管网压力不能满足用水要求时, 系统压力信号由远传压力表反馈给变频器, 水泵运行, 并根据用水量的大小自动调节转速达到恒压供水, 若运转水泵达到工频转速时, 则启动另一台水泵变频运转。水泵供水时, 若自来水管网供水量大于水泵流量, 系统形成接力供水;用水高峰时, 当自来水管网供水小于水泵流量, 稳流罐内的水作为补充水源仍能正常供水, 此时, 空气由真空消除器进入稳流罐, 罐内真空遭到破坏, 确保了自来水管网不产生负压;用水高峰过后, 系统恢复到接力供水状态。当自来水管网停水, 造成稳流罐内液位不断下降, 液位探测器将信号反馈给变频控制器, 水泵自动停机, 以保护水泵机组。
以某小区的供水系统为例, 根据白天用水量很大, 晚上特别是零点以后, 用水量又特别小的用水规律, 为了节省资源, 选用一台小功率电机和二台大功率电机, 用一台小功率电机来拖动一个水泵, 以便于晚上或白天的某个时间段用水量很小的时候工作, 在用水量大的时候, 就让二台大功率电机的某台或其中的两台电机工作, 当用水量特别大的时候就让三台电机同时运行, 来满足人们用水的要求。同时, 由于系统中采用了压力变送器, 可以方便地调节变频器, 通过控制系统使管道内的水压稳定在一个基本不变或者变化量极小的范围内, 从而实现恒压供水。
系统工作原理如图2所示。由图可知, 控制信号的采集是由压力变送器和液位传送器来完成的, 由压力变送器采集的管道中的压力信号, 经数/模转换电路转换成数字信号后与事先设定的数值相比较, 根据比较的结果, 控制相应的输出来决定让哪一个水泵电机工作, 并且决定是以工频方式工作还是以变频方式工作。在该系统中, 一台变频器带三台水泵电机, 每台水泵电机既可以在常规工频模式下工作, 也可以在变频模式下工作。但是每台水泵电机在任一时刻只能处于变频工作模式或工频工作模式中的一种, 在设计中通过用PLC内部的输出继电器进行互锁, 同时在外部用两个交流接触器互锁来保证它的安全与可靠。
如图3所示, 当压力变送器传来的信号显示管道中的水压较低时, 向PLC发出一个控制信号, 首先2QF合上使变频器通电, 然后使2KM线圈得电, 这时M1电机开始变频启动, 在M1电机启动后, 压力变送器从管道中传来的压力信号一方面经过模/数转换模块的转换, 其值与设定的压力值相比较, 判断用户终端水压的高低, 另一方面将这个由压力变送器传来的信号送到变频器中内置的PID调节器中。由PID根据管道中的压力信号来输出相应的频率, 控制水泵电机的转速。
当M1经过变频器的调节已达到工频后。经过一段时间 (可以根据对系统灵敏度的要求来调整) , 从管道中采集一个压力信号与设计值比较, 若管道中的压力仍然低于设定的压力, 则由PLC发出控制指令, 使2KM断开、1KM得电闭合, 从而将M1电机从变频器脱离, 使它直接与工频电源相连接工频运行, 同时, 也让4KM闭合, 使M2电机与变频器相连。这时压力变送器传来的信号经PID调节后控制M2电机的转速, 使管道内的压力与设定的压力值相接近。
同理, 当M3经过变频器的调节已达到工频后, 经过一段时问, 从管道中采集一个压力信号与设计值比较, 若管道中的压力仍然低于设定的压力, 则由PLC发出控制指令, 使6KM断开, 然后接通5KM, 使M3也处于工频模式运行, 直到满足设定的压力值为止。
由于水泵电机的使用寿命有限, 为了让电机的工作时间尽可能相同, 在这里采用先启先停的原则来控制水泵电机, 即当管道内的压力高于设定的压力时, 先停止M1, 让M2与M3工作, 经过一段时间后, 再采集管道内的压力信号, 与设定值比较, 若仍然高于设定压力, 则把M2停止, 只留下M3依靠PID的控制工作, 当压力再次低于设定压力时, 启动M1, 如此循环。当在某一时间段内人们的用水量特别少。例如在深夜几乎没有人用水时, 用一台大功率水泵电机在变频的模式下工作也可能使管道内的压力高于设定压力, 这时PLC发出指令, 使大功率电机全部停止运行, 再将小功率电机与变频器接通, 使小功率电机在变频模式下运行, 直到小功率电机M1经PID调节频率达到50Hz一段时间后, 仍不能达到设定的压力, 这时PLC先将小功率泵断开, 然后起动大功率泵M2, 如此重复循环。
当有消防信号时, 由于灭火的用水量特别大, 这时不管水泵电机在什么模式下运行, 都把它切换到工频模式或者手动模式, 由三台水泵并列运行来对系统供水, 从而保证大量用水的需要。
3 PLC的控制
根据系统的设计需求, 在满足控制要求的原则上, 尽量降低成本, 选用台达公司EH系列的PLC-DVP-32EH。其输入点数、输出点数可满足本设计的需求, 并留有一定的余量。台达EH系列PLC具有体积小、速度快、功能较强的特点。具体的PLC接线图如图4所示。
4程序控制流程图
程序流程如图5所示。编程软件采用台达PLC编程软件WPLSOFT-2。它应用于所有EH系列的PLC的编程软件, 具备对PLC程序的注释、输入和编辑、程序检查、运行状态和数据的监控及测试、各种系统参数的设置、数据传输及文件管理等功能。
5结束语
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工作泵的数量, 使供水系统管网中的压力保持在给定值, 以求最大限度地节能、节水、节资源, 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, 使各水泵的寿命延长的同时降低了管道阻力, 减少了截流损失。实现自动控制不需要操作人员频繁操作, 降低了人员的劳动强度, 节约了人力、财力。
摘要：本文作者主要对PLC自动控制供水变频系统控制原理、硬件选择、软件设计进行了阐述。同时根据水泵压力自动调节水泵电机的转速、数量等方法做了介绍, 供同行参考。
关键词：PLC,自动控制,供水,变频器
参考文献
[1]台达可编程序控制器DVP-EH系列使用手册[R].
[2]昊明亮.可编程序控制器实训教程[M].北京:化学工业出版社, 2007.
[3]高勤.可编程序控制器应用技术[M].北京:电子工业出版社, 2006.
浅谈变频空调电气控制系统原理 篇11
关键词：变频空调；电气控制系统原理；无刷直流电机；转子位置检测
1.变频空调工作的特点
变频空调可以根据环境的温度变化自动选择制冷、制热和除湿等功能，让房间在短时间
内达到用户所需要的温度。因此，变频空调具有多种特点，具体分析如下。
（1）当变频空调刚启动时，其运转频率最大，通常超过130HZ，同时在这个时候，变频空调的制冷和制热速度最快，能够在最短的时间内让房间温度达到用户所需的温度。
（2）变频空调不需要进行频繁的开关机，由于变频空调在很大部分时间内都是进行低频段运转，所以，整机的噪音较低。
（3）当变频空调在开机半小时之后，就可以自动转入节能运行。如果在夜间使用节能功能时，应在低频下运转，这样才能使能效达到最高，更能起到节能省电的作用。
（4）当变频空调在刚启动时能够以高速进行运转，但它并非一直以高速运转的，当室温达到所设定的温度时，就会自动转为低频进行运转工作，因此，变频空调对于温度的控制比较精确。
（5）通常情况下，一旦室温低于8℃，空调器便不能正常运行，而变频空调便不是如此，它能够在室温低于-15℃时依然能够制热运转，从而实现了变频空调超低温运行功能。
（6）由于变频空调在进行控制室温的过程中，主要以低频运转为主，又加之开关机比较少，对变频空调产生的损害较小，同时压缩机和空调的整个系统运行的比较稳定，基于这些原因，变频空调的使用寿命要比普通的空调长，且对电网造成的冲击比较小，从而保证了家用其他电器的安全。
2.变频空调系统设计及电气控制系统原理
2.1 系统设计
变频空调系统主要由制冷系统和控制系统构成。在分体式的变频空调中，其运转部件主要由室内风机、室外风扇以及压缩机组成，主要将空调器内部产生的冷、热空气带到房间内的不同区域，最终让室温在短时间内达到用户所需要的温度。对于温度的设定及其他空调的运转功能等，都是利用红外线遥控器和室内机控制板上的红外线接收器，来对变频空调的各项功能进行控制，将控制指令发送到室内机控制板上的单片机中。而实现对风扇电机和风门电机的控制主要是利用汇编指令和温度传感器的状态进行实施控制过程的，因此，变频式空调器电气控制系统具有高效率、低噪音，且体积较小，质量较轻的特点，最终实现对温度的精确控制功能。
2.2 电气控制系统原理
（1）直流变频概念。我们把采用无刷直流电机作为压缩机的空调器称为“直流变频空调”从概念上来说是不确切的，因为我们都知道直流电是没有频率的，也就谈不上变频，但人们已经形成了习惯，对于采用无刷直流压缩机的空调器就称之为直流变频空调。
（2）无刷直流电机。无刷直流电机与普通的交流电机或有刷直流电机的最大区别在于其转子是由稀土材料的永久磁钢构成，定子采用整距集中绕组，简单地说来，就是把普通直流电机由永久磁铁组成的定子变成转子，把普通直流电机需要换向器和电刷提供电源的线圈绕组转子变成定子。这样，就可以省掉普通直流电机所必须的电刷，而且其调速性能与普通的直流电动机相似，所以把这种电机称为无刷直流电机。无刷直流电机既克服了传统的直流电机的一些缺陷，如电磁干扰、噪声、火花可靠性差、寿命短，又具有交流电机所不具有的一些优点，如运行效率高、调速性能好、无涡流损失。所以，直流变频空调相对与交流变频空调而言，具有更大的节能优势。
（3）转子位置检测。由于无刷直流电机在运行时，必须实时检测出永磁转子的位置，从而进行相应的驱动控制，以驱动电机换相，才能保证电机平稳地运行。实现无刷直流电机位置检测通常有两种方法，一是利用电机内部的位置传感器（通常为霍尔元件）提供的信号；二是检测出无刷直流电机相电压，利用相电压的采样信号进行运算后得出。
（4）变频驱动模块。这一部分指的是完成直流到交流的逆变过程，用于驱动变频压缩机运转的逆变桥及其周围电路。变频空调上通常采用6个IGBT构成上下桥式驱动电路。在实际应用中，多采用IPM（IntelligentPower Module）模块加上周围的电路（如开关电源电路）组成。IPM是一种智能的功率模块，它将IGBT连同其驱动电路和多种保护电路封装在同一模块内，从而简化了设计，提高了整个系统的可靠性。现在变频空调常用的IPM模块有日本三菱的PM系列及日本新电元的TM系列（内置开关电源电路）。
（5）通讯电路。从主机（室内机）发送信号到室外机是在收到室外机状态信号处理完50毫秒之后进行，副机同样等收到主机（室内机）发送信号处理完50毫秒之后进行，通讯以室内机为主，正常情况主机发送完之后等待接收，如500毫秒仍未接收到信号则再发送当前的命令，如果1分钟内未收到对方的应答（或应答错误），则出错报警；同时发送信息命令给室外，以室外机为副机，室外机未接收到室内机的信号时，则一直等待，不发送信号。由于空调室内机与室外机的距离比较远，因此两个芯片之间的通信（+5V信号）不能直接相连，中间必须增加驱动电路，以增强通信信号（增加到+24V），抵抗外界的干扰。
（6）电源的滤波及保护。该部分主要的功能是吸收电网中各种干扰，并抑制电控器本身对电网的电磁串扰，以及过压保护及防雷击保护。
3.结语
综上所述，了解了变频空调的特点和电气控制系统的原理，才能更好的评估及测试变频空调，从而使变频空调更加安全可靠的为人们的日常生活提供舒适环境的保证，满足人们对高品质生活的需求。
参考文献：
[1]江静，张雪松.基于模糊PID控制的变频空调电气控制系统的设计[J].华北科技学院学报，2010，（4）：64-70.
[2]邹丁山，贾文超.变频空调电气控制系统设计[J].太原科技，2010，（3）：101-103.
变频恒压供水系统设计 篇12
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.
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