实用型变频恒压供水系统方案的设计

实用型变频恒压供水系统方案的设计（8篇）

1.实用型变频恒压供水系统方案的设计 篇一

变频器恒压供水系统设计与研究

[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：

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2.实用型变频恒压供水系统方案的设计 篇二

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。

3.PLC变频调速恒压供水系统 篇三

社会经济的发展以及人民生活水平的提高，人们对供水的质量与供水系统的稳定性也有了更高的要求，设计与选用高性能且适应广的恒压供水系统成了当今的发展趋势。利用 PLC，运用不同功能的传感器和网管的压力，变频器进而对水泵的速度进行调节，达到水管中的压力保持在一定的范围。

一、控制电机变频调速系统的构成

PLC、变频器、电机及电机测速系统共同构成了PLC 控制电机变频调速系统。

二、PLC 变频调速恒压供水系统

供水泵组由PLC 与变频调速技术控制。变频调速系统的一个特殊应用即恒压供水系统。它具有效率高、控制效果好的优点。

1、PLC 变频调速恒压供水系统的工作原理

恒压供水系统工作原理图

压力检测转换装置、控制系统和水泵共同构成了这个供水系统。管网的实际压力与给定压力进行比对，管网压力不足时，水泵转速在变频器增大输出频率的情况下，就会加快，管网压力在供水量的压力下就会上升。同样，供水量减小致使水泵转速减慢，管网压力相对下降，供水就会保持在恒定状态。变频器的输出频率通过压力检测转换装置对管道压力进行检测，检测到的信号会转换成0-5伏或4-20毫安的电信号，调节器通过运算并与设定值进行比较后，进行控制变频器。通过水泵的转速来调节管道的水压在系统的控制下达到恒定。同時，变频器具有软启动的功能，对电机有一定的保护功能。平滑无扰动切换和控制的实现，是因为变频器输出频率受到了检测。

2、PLC 变频调速恒压供水系统的硬件构成

中心控制装置由压力传感器、PLC 和变频器组成，所有功能均能实现。管网干线上的压力传感器对管网的水压进行检测，同时把压力转化为4-20毫安的电流信号，发送至PLC 与变频器。水泵电机的控制设备就是变频器，它能将0-5赫兹的频率信号，根据水压恒定的需要，传送给水泵电机，对它的转速进行调整。泵站供水的实际情况与需求，应该有三台水泵并用一台变频器，不仅要改变水泵电机的转速，而且水压的恒定也需要增减运行泵的台数进行维持，因为运行泵不能达到恒压的要求时，下一台水泵就要投入运行。压力在变频器输出频率降至最小后依然过高，就要停止一台运行泵，这就要求不仅对开关量进行控制，还要对数据进行处理。PLC 自动采样，将模拟量转换为数字量，放在数据寄存器中，通过数据处理指令调用，数据接触器随时接受指定的数据。压力传感器电流信号和变频器输出频率信号，都可以通过它被转换成数字量，提供给PLC，同时与恒压对应电流值、频率上限、频率下限进行比对，从而泵的切换与转换的变化可以实现。水泵在变频器和工频电网之间的切换过程在系统进行设计时就应该提高其速度，从而保证水能连续供应，尽可能减小水压的波动，使供水的质量提高。同时，硬件上必须设置闭锁保护防止故障的发生。

三、变频恒压供水系统控制流程

接收到有效的自控系统启动信号，系统通电启动变频器，变频泵M1开始工作，变频器的输出频率通过由压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差，进行调节，进而控制Ml的转速，供水量与用水量相平衡时，转速就会稳定在这个定值状态。

压力变送器在用水量增加水压减小时，就会反馈水压减小信号，进而PLC的输出信号因偏差变大而变大，继而变频器的输出频率变大，水泵的转速与供水量就会增大，这时水泵的转速就会达到一个新的稳定值。同样道理，水泵的转速在用水量减少水压增加时，压力闭环又会出现一个新的稳定值。

用户管网的实际压力，在用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，系统在变频循环式的控制方式下，将在PLC的控制下自动投入水泵M2，同时变频泵M1做工频运行，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，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。

系统在用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，工频泵M2将被关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。如上转换在用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将会继续发生，将另一台工频泵M3关掉。

四、水泵切换条件分析

50赫兹成为频率调节的上限频率，是因为电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制。同时，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0赫兹。然而，变频器的输出频率在实际应用中，是不会降到0赫兹的。当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩。在一定程度上，水压会阻止源水池中的水进入管网，所以，水泵在电机运行频率下降到一个值时，就不会抽出水。同时，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。水泵在电机运行频率下降到抽不出水时的值，就是电机运行的下限频率，一般在20赫兹左右。选择50赫兹和20赫兹作为水泵机组切换的上下限频率，就是这个原因。

供水压力在输出频率达到上限频率时，在设定压力上下波动。当设定压力大于反馈压力时，机组就会进行切换。供水压力在增加了一台机组运行时，就会快速超过设定压力。特殊情况下，实际供水压力在运行组增加后，就会超过设定供水压力，这时在变频器的下限频率运行的新增加机组，达到了机组切换的停机条件，工频状态下运行的机组有一个会停掉。这种情况会导致系统经常处于不稳定状态，增大了机组的切换频率。相应的判别条件在实际应用中是通过对上面两个判别条件的修改得到的，增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。

五、系统软件设计分析

工作泵组数量管理分析。启动第二台水泵是为了恒定水压。一台水泵水压降落，变频器的输出频率升高，不能满足恒压时，就会启动第二台水泵。变频器的输出频率达到设定的上限值是启动下一台水泵的前提。

泵组管理规范。只有制定了管理规范，才能实现各台水泵必须交替使用以及软启动电动机。一台泵连续变频运行不得超过3小时，就应进行切换变频泵。现行运行的变频器从变频器上切除，同时接上工频电源运行，变频器复位并用于新运行泵的启动，并实行泵的工作循环控制。

变频调速恒压供水系统不仅具有节能和安全的特点，而且能够提供高质量的水。同时，运用PLC 作为控制器，降低了成本，实现了水泵电机无级调速，系统的运行参数能够依据用水量的变化进行自动调节，进而通过保持水压的恒定，在用水量发生变化时满足供水的需求。

4.实用型变频恒压供水系统方案的设计 篇四

摘要

第1章 变频恒压供水的现况

1.1国内外变频供水系统现状 1.2变频供水系统的发展趋势

目录

第2章 变频调速恒压供水分析

2.1变频恒压供水的工艺调节过程介绍 2.2调速系统的构建

2.2.1 调速原理

2.2.2 变频恒压供水频率变化分析

2.3节能分析

2.3.1 水泵的基本参数和特性 2.3.2 水泵调速运行的节能原理

第3章 恒压供水系统

3.1系统概述

3.2控制系统的组成

3.3恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理

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

3.4 变频调速恒压供水系统的特点 3.5变频器

第4章 可编程控制器PLC 4.1可编程控制器PLC的定义

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

4.4.1软件设计

第5章 PLC控制系统的设计

5.1概述

5.2输入输出 分配

5.2.1输入口 5.2.2输出口 5.2.3辅助触点

5.3控制系统功能介绍

5.4恒压供水系统的流程图

5.5控制系统的可靠性及应用程序设计

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

第6章 触摸屏同步监控 6.1概述

6.2触摸屏工作的特点与应用领域 6.3触摸屏指示灯同步监控程序设计

6.3.1控制系统设计步骤 6.3.2应用程序设计 6.3.3同步监控设计

第7章 系统调试

7.1变频器关键参数的设定

7.2 PLC的变频调速恒压供水系统调试 7.3触摸屏同步监控测试

参考文献

摘要

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

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

1.1PLC的变频调速恒压供水系统的目的和意义

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

关键词：变频调速 ；恒压供水； PLC

第一章

1.变频恒压供水的现况

1.1国内外变频供水系统现状

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

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

第二章

2.变频调速恒压供水分析

2.1变频恒压供水的工艺调节过程介绍

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

2.2调速系统的构建

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

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

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

2.2.1 调速原理

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

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

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

(2)动叶调节

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

(3)改变机泵运行台数调节

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

由于变频恒压供水基本上都采用了变频启动，启动频率低，启动电流小，因

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

2.3节能分析

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

2.3.1水泵的基本参数和特性

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

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

式中Cp一 比例常数。

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

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

根据水泵理论，如图2.3所示.2.3.2 水泵调速运行的节能原理

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

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

功率为:

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

因此在变频调速过程中.电压应该与频率成正比例变化，设

代入式(2.n)得

根据能量守恒定律，有

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

第三章

3.恒压供水系统

3.1 系统概述

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

（1）维持水压恒定；

（2）控制系统可手动/自动运行；

（3）多台泵自动切换运行；

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

（5）在线调整PID参数；

（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等；

3.2 控制系统的组成

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

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

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

图3.1恒压供水控制系统的组成

3.3 恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理

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

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

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

3.3.2 系统功能说明

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

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

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

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

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

3.3.3恒压供水系统

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

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

图3.4为恒压供水系统结构图

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

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

3.5变频器

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

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

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

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

第四章

4.可编程控制器PLC

4.1 可编程控制器PLC的定义

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

4.2 可编程控制器PLC的发展阶段及发展方向

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

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

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

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

4.3 控制系统的硬件设计

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

4.4 控制系统的软件设计

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

4.4.1 软件设计

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

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

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

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

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

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

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

4.4.2 程序设计步骤

初始化程序: LD SM0.0 // 开机始终为ON MOVB

16#9,SMB30

file://自由口通信，选择9600波特，8位数据位，无校验 MOVB

16#2, VB0 file://预设PLC地址 MOVD

&VB1000, VD20

file://设置接收缓冲区，将其首地址传给指针VD20 MOVD

&VB1200, VD30

file://设置发送缓冲区，将首地址传给VD30 MOVD

VD20, VD24 file://指针值保存 MOVD

VD30, VD34 MOVB

8, SMB34

file://设置8ms的定时器0时基中断 ATCH

0,8

file://接收字符连接到中断0，连接静止线定时器和接收器 ATCH

1,10

file://定时中断0，连接到中断1 ENI

file://开中断

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

file://判断前导符 LD

SM0.0 AB<>

SMB2, 16#40

file://不是前导符则跳出中断 RETI Network 2

file://终止定时中断 LD

SM0.0 DTCH

file://断开时基中断 Network 3

file://是前导符则连接中断3 LD

SM0.0 AB=

SMB2, 16#40 ATCH

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

// 静止线定时器 LD

SM0.0 ATCH 1, 10

file://静止线定时器采用8ms的时基中断。INT_1

// 静止线接收器 LD

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

SMB2, 16#2A

// 判断是否为第一个结束符 MOVB

SMB2，*VD24

file://不是则保存数据并计算异或值 XORW

SMW1, AC0 INCD

VD24 INCD

VB40 Network 2

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

M0.0 AB＝

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

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

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

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

AC1, AC0 MOVB

VB300, *VD24 INCD

VD24 MOVB

SMB2, *VD24 XORW

SMW1, AC0 INCD

VD24 INCD

VB40 INCD

VB40 R M0.0, 1 RETI Network 4

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

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

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

file://断开接收状态，准备组织发送 MOVB

20, SMB34 ATCH

5, 10

第五章

5.PLC控制系统的设计

5.1 概述

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

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

5.2 输入输出分配

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

5.2.1 输入口

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

图为输入的接线方式

a)汇点式输入b）分组式输入

5.2.2 输出口

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

图为输出接线方式

a）分组式输出b）分隔式输出

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

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

5.4 恒压供水系统的流程图

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

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

5.5.1 程序的优化设计

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

5.5.2 应用程序的设计

在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时

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

5.5.3 故障检测程序的设计

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

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

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

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

第六章

6.触摸屏同步监控

6.1 概述

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

第七章

7.系统调试

7.1 变频器关键参数的设定

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

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

7.2 PLC的变频调速恒压供水系统调试

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

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

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

（二）系统控制功能要求如下：

(1)实现调度指挥操作生产自动化；

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

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

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

（三）集控系统要求如下：

1、集控系统的基本功能

1)系统的控制方式

为方便灵活地对所有设备进行控制，主要工艺流程设备的运行采用五种控制方式：

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

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

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

2)集控系统的顺序启、停控制步骤

开启前的操作

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

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

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

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

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

系统运行的闭锁控制

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

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

3)故障报警系统

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

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

7.3 触摸屏同步监控测试

结束语

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

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

敬礼

参考文献

5.实用型变频恒压供水系统方案的设计 篇五

琳(1978— ,女,黑龙江省佳木斯市人,讲师,硕士,研究方向:电子、自动控制、通信与信息系统。

变频恒压供水系统与 PID 调节器参数的选择 张 琳

(天津滨海职业学院 机电系 , 天津 300451 摘 要 :介绍基于爱默生 TD2100变频器(内置 PID 调节器 组成的变频恒压供水系

统 , 其主要用于高层楼宇的供水 , 系统由变频器、压力传感器等组成 , 具有优良的节能 作用和稳定可靠的运行效果。

关键词 :变频器;PID 调节器;恒压供水 中图分类号 :TP214;TM921.51 文献标志码 :B 文章编号 :1672-6138(2011 04-0007-03 DOI :10.3969/j.issn.1672-6138.2011.04.003 科技与应用

Vol.9No.4Oct.2011 变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水 处理系统,随着变频调速技术的发展和人们节能意识的 不断增强,变频恒压供水系统的节能特性使得其越来越 广泛应用于住宅小区、高层建筑的生活及消防供水系 统。本文介绍了基于爱默生 TD 2100变频器(内置 PI D 调节器 组成的变频恒压供水系统,为达到系统最佳的 动稳态性能,如何选择 PI D 调节器的参数。

1变频恒压供水系统组成

该系统由压力传感器、变频器、供水泵组、供水

管路等组成,系统主要设备采用爱默生 TD 2100供水 专 用 变 频 器 , 内 置 PI 调 节 器 和 电 机 专 用 控 制 芯 片 D SP+CPLD +M CU ,无需配置 PLC 或供水控制器,即可实 现多种常用供水控制专用功能。控制结构如图 1所示。

爱默生 TD 2100变频器功能强大 [1],比较适用于简单 的恒压、恒流供水系统的水泵变频调速控制。该变频器 可灵活编程设定给定信号与反馈信号的类型及比率, PI D 等闭环控制参数,渐变频率启泵与停泵的渐变延时

时间,最大、最小工作频率及其他运行参数,具有很强 的设备超限运行及安全保证功能等等。

变频器的基本运行工作参数如下:F 05=50;最大输出频率:50H z;F 06=50;基本运行频率 50H z;F 07=380;最大输出电压:380V;F 10=10;加速时间 10s;F 11=10;减速时间 10s;F 12=50;上限频率 50H z;F 13=25;下限频率 25H z;F 24=1;运行方式:普通供水 PI闭环;F 25=1;供水模式:1表示先起先停的 2台变频循 环泵控制方式;

F 34=30;泵投切判断时间 30s;F 37=0.060;上限压力限定值 60K Pa;F 38=0.000;下限压力限定值 0K Pa;F 39=0.070;超压力保护值 70K Pa;F 41=5;超欠压保护动作时间 5s;系统中采用了 K Y B 压力变送器:量程为 0~100K pa, 24V D C 电源,精度 0.5级,输出为 20m A。

2系统主电路接线图

系统主电路接线图如图 2所示。生活水系统的控制

对象为两台常规水泵即为变频水泵,两台水泵可以作为 一主一备使用,也可同时使用;当供水系统在较小的压 力范围内工作时,一台变频水泵能够满足系统的供水流

图 1 变频恒压供水系统控制结构 Pc 机 状态指示灯

TD 2100供水 专用变频器 压力变送器 继 电 器 组

变频泵 1变频泵 2消防泵 休眠小泵 第 9卷 第 4期 2011年 10月 7

顺 德 职 业 技 术 学 院 学 报 第 9卷

图 2主电路接线图

量和压力需求时,另一台水泵就可以作为备用泵使用, 当一台泵的压力和流量满足不了供水系统需求时,可以 同时启动另一台水泵工作。两台水泵工作在变频循环方 式:即系统在第一次启动时,常规泵 1变频运行一直到(50H z ,当压力数值仍达不到系统设定压力时,常规 泵 1工频运行,常规泵 2变频启动运行,直到满足系统 压力设定值。系统停机后,下次启动将从常规泵 2启动 变频运行,然后切换到工频,再启动常规泵 1变频运 行。如此循环,即为先起先停方式的变频循环模式。

3系统工作原理 [2] 安装于供水母管或主管道上的压力传感器变送器将 供水管网压力转换成 4￣20m A(0￣20m A , 0￣l 0V 等 的标 准电信号,送到 PI D 调节器(或过程控制器、PLC, D CS 等 ,经过运算处理后仍以标准信号的形式送到变频器 并作为变频器调速给定信号,也可将压力传感器变送器 的标准电信号直接送到具有内置 PI D 调节功能的变频器;变频器根据调整的给定信号或通过对压力传感变送器的 标准电信号进行运算处理后,决定其输出频率实现对驱 动电动机的转速调节,从而实现对供水的水量及供水压 力调节,最终实现了对供水管网的压力调节(即实现了 恒压供水。为了使该系统在运行过程中有更好的稳态和 动态性能,必须合理选择变频器 PI闭环控制功能参数。

4变频器内置调节器参数的选择 [3] 目前工业控制中,应用最广泛、使用最多的反馈方 式之一是 PI D 控制方式。PI D 控制适用于压力、流量、温度等过程量的控制。PI D 控制器算法的形式为:

根据设定值 R(t 与反馈值(传感器测量值 C(t 计 算所得的偏差值: e(t =R(t-C(t PI D 控制器将计算所得到的偏差的比例(P、积分(I 和微分(D 通过线性组合形成控制量,近而对被控对象

进行控制。其控制规律用公式可表示为: u(t =K p [e(t +1 T i τ 乙 e(t +T d d e(t d(t ] u(t =1[e(t +1 i τ 乙 e(t +T d d e(t ]上述公式中参数 u 为输出, T i 为积分时间, K p 为比 例系数, T d 为微分时间, e 为偏差信号值, δ比例带,即 惯用增益的倒数。

在 PI D 控制模式中,变频器根据比较给定值(设定 值 和实际值(反馈值 ,自动调整输出频率。两种信 号的差值称作偏差值。典型的 PI D 控制应用于例如根据 实际的压力、流量或温度调节电机的转速。可根据不同 的情况将各种传感器信号

连接到变频器的模拟信号输入 端,在水泵供水系统中,一般在外部使用压力传感器将 压力信号连接到变频器上,变频器根据模拟信号的大 小,通过其内部的模数转换器将其转变成相应的数字信 号,近而控制水泵的运行与停止。在本系统使用的变频 器,已经具有了 PI D 调节器。该变频器每日可设定多段 压力运行,以适应供水压力的需要。也可设定指定日供 水压力控制。面板可以直接显示压力反馈值(M Pa。这 样通过变频器的控制面板,在变频器的 PI D 选项中选择 合适的 PI D 参数,并通过现场调试校正,就可以满足管 网变频调速恒压供水的要求。

由于楼层中人群数量和用水时段的不同,楼层用水 量一般是不稳定的,供水压力处于实时的变换过程中, 所以在用水压力的变换过程中,恒压供水系统的闭环控 制器一定要能及时的跟踪压力变化过程,这就需要闭环 控制系统不但要有较好的稳定性,还要有较好的动态性。基于以上要求,此系统采用比例积分(PI 调节,既能消除 稳态误差,又能产生较积分调节快得多的动态响应。对 于一些调节通道容量滞后较小、负荷变化不很大的调节 系统,例如流量调节系统、压力调节系统可以得到较好 的效果。微分调节

(D 用于超前校正,用于大惯性调节, 而水压变化较快,不能用微分调节。变频恒压供水系统 控制框图如图 3所示,PI D 主要参数设置如表 1。

管网压力的设置主要由 PI闭环控制功能参数决定, 其设置如下:先设 F 87=1(显示功能码 F 88~F 105 ,再 设定控制压力为 20K Pa(F 97=0.020;多次调整比例增 益和积分时间,并重新运行系统,比较每次系统压力基

三 相 380V A B C D X 0 D X 1K M 1 K M 2

D X 2FR 1 FR 2 K M 4 K M 3 M 1 M 2 T S R W U V 变频器 图 3 变频恒压供水系统控制框图 给定压力 P 压差 PI 频率 f 转速 n 实际压力 V V V F M 管网 压力传感器 P 第 4期 图 4 管网压力的实时曲线

张 琳 :变频恒压供水系统与 PID 调节器参数的选择

本稳定后,测量数值与设定数值之间的偏差百分比,当 比 例 增 益 为 P =500.0%(F 98=500.0 , 积 分 时 间 T i =1s(F 99=1 时控制系统具有较好的稳定性和动态性。利用 上位机软件可观察实际测量数值与设定数值之间的关 系,并可得到管网压力的实时曲线,如图 4所示。

从图 4管网压力的实时曲线中可观察到横坐标为时 间轴,纵坐标为管网压力值,绿色曲线为管网压力变化 的实时曲线,横向的水平红色直线为管网的设定压力值 20K Pa。从图中可知,系统从开始运行经过大约 2m i n 达到管网设定压力值,即系统的上升时间为 2m i n,说 明系统具有较好的快速性,能比较迅速的达到稳态值。系统的峰值(最大值 为 23K Pa,系统的最大超调量为 15%,说明系统具有较好的稳定性。由此可知当变频恒 压供水系统中的 PI D 调节器参数设置合理时 F 98=500.0, F 99=1供水系统具有较好的稳定性和动态性。

该系统中 PI D 参数的在线调试非常容易。这不仅降 低了生产成本,而且大大提高了生产效率 [4]。由于变频 器内部自带的 PI D 调节器采用了优化算法,所以使水压 的调节十分平滑、稳定。为了保证水压反馈信号值的准 确、不失值,可对该信号设置滤波时间常数,同时还可 对反馈信号进行换算。

该供水系统满足了变频恒压供水系统中的基本要 求,利用改变系统中 PI D 调节器的参数,使系统能够快 速达到稳态值,并能在设定的压力值下稳定工作,使系 统具

有较好的动稳态性能,在实际应用中当需求压力降 低时,电动机转速降低,泵出口流量减少,电动机的消 耗功率大幅度下降从而达到节能的目的,是一种真正节 能的变频调速恒压供水系统。

参考文献: [1]吕汀, 石红梅.变频技术原理与应用[M ].北京:机械工业出版 社, 2007:23-28.[2]王再英, 韩养社, 高虎贤.楼宇自动化系统原理与应用[M ].北 京:电子工业出版社,2009:123-130.[3]伊学农.城市给水自动化控制技术[M ].北京:化学工业出版 社, 2008:54-59.[4]吕景泉.楼宇智能化技术[M ].北京:机械工业出版社, 2008:12-14.功能码

***00101102103104 名称

最小给定量 最小给定量对应的反馈量 最大给定量

最大给定量对应的反馈量 压力指令 比例增益 P 积分时间 T i 微分时间 T d 采样周期 T 偏差容限

模拟给定滤波时间常数 模拟反馈滤波时间常数 设定范围 0.0%￣100.0% 0.0%￣100.0%F91的值 ￣100.0% 0.0%￣100.0%0.000￣M i n{F37, 9.999M Pa}0.0%￣999.9%

0.0(无积分效果 ￣100.0s 0.0(无微分效果 ￣100.0s 0.1￣100.0s 0.0%￣20.0%(相对于闭环给定值 0.1￣5.0s 0.1￣5.0s 设定值

0.020%100.0%100.0% 0.400M Pa 500.0%1.0s 0.0s 0.1s 0.0% 0.5s 0.5s 表 1 PID 主要参数设置 4032 241680 19:57:57 09:59:3310:01:0910:02:4510:04:2110:05:57 20.00 2011:06:1609:059:57 管 网 压 力 /K P a t /m i n Frequency-Control Constant-Pressure Water Supply System and the Choice of PID Regulator Parameters ZH A N G Li n

6.实用型变频恒压供水系统方案的设计 篇六

2009-10-15

来源：工控商务网

浏览：88 摘要：本文主要介绍西门子公司MICROMASTER430变频器在恒压供水系统中的应用，详细阐述了系统的原理、组成及调试方法。

一：引言

城市规模的不断扩大，高层建筑的不断增长，城市供水的公用管网的压力已远远不能满足用户的要求，对供水的二次加压已被广泛采用。其中变频恒压供水由于自动化程度高，维护方便、具有节能功能，成为主要的二次加压方式。按供水的特性，变频恒压供水主要有分为：恒压变流量和变压变流量两大类，在本文的中采用恒压变流量的供水方式。

二：系统组成及工作原理

系统为宾馆的供水系统，分为冷水、热水两大供水系统，系统单线如图1

Q1控制的变频器为冷水供水系统，Q2控制的变频器为热水供水系统，系统为1拖1的恒压供水，两台电机为互备，可选择使用1#泵或2#泵运行，KM3、KM8为手动工频运行选择，作为变频的维修系统备用，KM2，KM3、KM7，KM8为机械互锁的接触器，保证选择变频运行和工频运行的正确切换。

变频恒压供水的基本原理:以压力传感器和变频器组成闭环系统，根据系统管网的压力来调节电机的转速，实现高峰用户的水压恒定，和低峰时的变频的休眠功能，得到恒压供水和节能的目的。

系统的硬件组成如下：

热水系统：电机参数： Pe=15kw Ue=380v Ie=26.8A Ne=1490rpm 变频器型号： 6SE64430-2AD31-8DA0 Pe=18.5kw Ie=38A 压力传感器： GYG2000 反馈信号4-20mA 供电+24V 量程0-0.5Mpa 冷水系统：电机参数： Pe=22kw Ue=380v Ie=39.4A Ne=2940rpm 变频器型号： 6SE64430-2AD33-7EA0 Pe=30.5kw Ie=62A 压力传感器： GYG2000 反馈信号4-20mA 供电+24V 量程0-0.5MPa 三：PID闭环控制功能的实现及调试方法

西门子MICROMASTER430变频器的内置PID功能，利用装在水泵附近的主出水管上的压力传感器，感受到的压力转化为4-20mA电信号作为反馈信号。根据宾馆的层高设定压力值作为给定值，变频器内置调节器作为压力调节器，调节器将来自压力传感器的压力反馈信号与出口压力给定值比较运算，其结果作为频率指令输送给变频器，调节水泵的转速使出口压保持一定。即当用水量增加，水压降低时，调节器使变频器输出频率增加，电机拖动水泵加速，水压增大；反之，当用水量减少，水压上升，调节器使变频器输出频率减少，电机拖动水泵减速，水压减小。

由于压力传感器是两线传感器在接线必须采用正确的接线方式，将变频器的+24V控制电源连接到传感器的+端，传感器的-连接到PID的+输入，同时还必须将PID的-端连接到变频器控制电源的0V端。具体接线图如图2

图2中把传感器送回的电流信号送入到变频器的模拟量输入2作为反馈值，根据宾馆的层高设定的压力值为0.35MPa,对应输出频率为35Hz，对应反馈电流15.2mA.PID闭环控制功能的具体参数设置如图3

参数的设定方法：PID主设定值P2253可选择的源有以下几种，模拟输入、固定PID设定值、已激活的PID设定值，在本系统中采用固定给定值。PID反馈值P2264可选择的源为模拟输入1或模拟输入2在系统中采用模拟输入2，系统的PID参数设定如下： P0701=99 P2200=722.0 P2016=1 P2201=70% P2253=2224 设定主给定值固定值为35Hz。

P2264=755.1设定反馈值为模拟量输入2。

上述参数设定好以后，设定P2200=1，使能PID功能，设定P2250=1进行PID自整定，整定完成后，采用了整定后的积分和比例参数基本满足了系统的工艺要求。

PID调试的注意事项：使能PID功能后系统的加减速时间为P2257、P2258的设定值，而不是原来的P1120、P1121。使能PID功能后 PID的限幅值的上升、下降时间P22936必须根据系统要求进行设定,否则变频器将报故障F0002。为提高系统的抗干扰能力,要求根据现场的实际情况,对反馈值进行滤波环节处理，在本系统中因为主给定设定值采用固定给定，所以对主给定设定值不必进行滤波环节处理。

四：节能功能的实现

在PID控制过程中，当反馈信号大于主设定频率时，系统偏差（ΔP）为负，此时电动机的频率逐渐降低，但仍在不停运转，在系统偏差不断调节的同时，系统不断消耗电能。为了实现节能，西门子对MM430变频器设计了节能控制功能。出发点如下：当电机的频率降低到某一比较频率（P2390）时，激活节能定时器（P2391），当定时时间到期时，按斜坡下降时间停车，即输出功率为零，在无输出的情况下，系统偏差会迅速从负到正变化，当偏差超过某一设定值（P2392）时，再起动电机，当电机频率按斜坡上升时间升到某一值时（此值稍大于P2390设定频率），投入PID，使系统恢复正常控制。

参数的设定方法： P2390要低于PID主设定值所对应频率一定幅度，以保证系统实现正常的PID控制，如果P2390太小，节能又不易投入，在本系统中设定2390=20Hz，P2391定时器时间的设定要依据系统的响应速度，如果系统响应时间快，则P2391应设定较小的值。在本系统中，P2391= 900秒，P2292=0.5。设定参数的注意事项：系统的节能功能投入后，PID功能则解除，所以系统的加减速时间P1120、P1121必须根据需要进行设定，最高、最低频率必须设定。

五：结束语

系统调试完毕后已投入运行，从运行效果看，系统的运行水压稳定，响应速度快，得到了设计要求，节能效果比较明显。

MM430能够实现压力,流量等的PID闭环.PID闭环的三个要素: 1.给定 2.反馈 3.PID控制器 正确设置与这三个要素的相关参数就可实现PID闭环.相关参数如下: 1.P2200 PID 控制器使能 2.P2253 PID 给定值 3.P2264 PID 反馈值 4.P2280 PID 比例增益系数 5.P2285 PID 积分时间

PID 比例增益系数和PID 积分时间应根据实际应用进行调整,不同的应 用,P2800.P2285 所设置的数值都不一样.实际应用中PID 给定值和PID 反馈值可由多种通道输入,以下例子给予说明.例子1: 模拟输入1 为PID 给定 模拟输入2 为PID 反馈 调试步骤如下: 1.参照手册3-12,3-13 页进行快速调试: 2.P2200 = 1 PID 调节器使能

3.P2253 = 755:0 模拟输入1 为PID 给定 4.P2264 = 755:1 模拟输入2 为PID 反馈 5.P2280 = 8 PID 比例增益系数(仅供参考)P2285 = 80 PID 积分时间(仅供参考)

变频器在工业锅炉给水系统上的应用(1)

收藏本文章 引言工业蒸汽锅炉的过程控制系统包括汽包水位控制系统和燃烧过程控制系统，两系统在锅炉运行过程中互相耦合，所以控制起来非常困难。在此，我们暂不考虑系统间的耦合，只是对蒸汽锅炉的给水系统进行变频改造。某企业有2台20t燃煤蒸汽锅炉，如图1所示。这2台锅炉通过1个给水母管分别给各自汽包供水，用汽量小的季节，2台锅炉只运行1台，当用汽量较大时，则必须2台锅炉同时运行。由于给水泵额定功率为37kw，一般情况下，1台锅炉运行时，只开1台给水泵裕量仍较大，而2台锅炉同时运行且用汽量较大时，只开1台给水泵无法满足需要，而开2台给水泵后，相对单台锅炉运行时，裕量更大。由于2台锅炉分别由2套dcs系统控制各自的电动阀门调节各自汽包的给水量，运行中，阀门开度较小造成给水母管压力较大，不仅浪费了大量的电能，较高的水压还对管道、水泵叶轮和阀门造成损害 变频改造方案基于系统运行现状，本着既能节能降耗，又能控制简便、安全且投资较少的原则，我们设计了1套1台变频器拖动3台电机的方案。具体如图2所示。

图1 给水原理图

在本方案中，充分利用了锅炉层有的dcs控制系统，同时增加了变频器、可编程序控制器(plc)和控制信号转换装置。(1)硬件控制系统a)西门子mm430变频器mm430变频器是西门子公司最新研制生产的一种适用于各种变速驱动应用场合的高性能变频器(调试简单、配置灵活)，它具有最新的igbt技术和高质量控制系统，完善的保护功能和较强的过载能力以及较宽的工作环境温度，安装接线方便，两路可编程的隔离数字输入、输出接口以及模拟输入、输出接口等优点，使其配置灵活多样，控制简单方便，易于操作维护。

图2 控制原理图

b)西门子s7-200型plc西门子s7-200型plc可靠性高、抗干扰能力强，可直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。适应性强，应用灵活。(2)当1台锅炉运行时由于只开1台给水泵，就足够锅炉汽包所需用水量，故此时，系统只对运行锅炉的汽包水位进行恒液位控制即可。将切换开关置于相应位置，通过锅炉原有dcs控制系统中的手动操作器将控制该锅炉汽包进水量的电动阀完全打开后，再通过控制信号转换装置切断该控制信号，使原有控制回路断开，电动阀保持全开状态，同时，将该锅炉汽包液位信号切入plc，让plc将该锅炉汽包液位信号进行pid运算处理后，再由控制信号转换装置，将plc输出的4~20ma模拟信号传递给变频器，从而控制变频器的输出转速。在本控制过程中，关键的问题是过程参数pid(p:比例系数i:积分系数、d:微分系数)的整定。由于工业锅炉运行过程中，用汽量的多小和蒸汽压力的大小，决定了给水流量的大小和给水压力的大小。为了保证系统的相对稳定运行，不出现大的波动，对生产造成影响，在调试过程中，应多次反复调整pid参数，直至出现最佳控制过程。(3)当两台锅炉同进运行时由于2台锅炉分别由两套dcs系统控制，在运行过程，虽然蒸汽并网后压力相同，但由于燃烧过程中存在不确定性，两台锅炉汽包各自的液位就必然存在差异。因此，单台锅炉运行中所用的恒液位控制方案在此就不再适合。通过给水原理图(图1)我们不难发现，要对2台锅炉汽包的液位分别控制，最理想的方案是将1个给水母管向2台锅炉给水的现状彻底改变，将给水系统分开，使每个锅炉都有自己独立的给水系统，再在此基础上加装变频控制，由1台变频器单独控制1台锅炉的给水。但此方案不仅改动较大，投资较高，且要停产改造，显然是行不通的。为了能在不改变原有系统现状的前提下，更好的利用变频装置，节能降耗，减小系统运行，维护费用，提高原有系统的自动化程度，我们针对该企业2台锅炉的运行特点，设计了一套专用于2台(或2台以上)锅炉同时运行时的控制方案，即:蒸汽压力和母管给水压力的恒压差控制方案。

当2台锅炉同时运行时，由于外供蒸汽并管，故蒸汽压力相同，又由于2锅炉由同一母管给水，故给水压力也相同。但由于蒸汽用量的变化不定和锅炉燃烧情况的不同，蒸汽压力是时刻变化的。这样，为了能保证给锅炉汽包供上水，就必须要求给水的压力始终高于蒸汽压力，由图2我们看到，由plc采集蒸汽压力和母管给水压力，通过处理、比较后，得到二者的差值，再将此差值通过pid运算处理，输出4~20ma的模拟信号给控制信号转换装置。再由该装置将信号传输给变频器，从而控制变频器的运行速度。这样虽然可以保证给水母管压力始终高于锅炉蒸汽压力(压力差的大小可以通过plc在一定范围内任意调节)，但锅炉各自汽包的液位却无法再通过调节变频器的转速去控制。在此，我们充分利用了原有给水控制装置，即汽包各自的进水电动阀门。仍由锅炉原有dcs控制系统采集各自汽包的液位，蒸汽压力，给水压力和给水流量等信号，去相应的调整进水电动阀的开度，从而控制各汽泡液位和进水流量。此方案由于存在阀门的调节，所以理论上不能最大限度的节能降耗，但实际应用中，由于减小了给水母管与蒸汽压力之间的压力差，使电动阀门的开度由原来的平均10%左右开大到75%左右，系统回水阀门关闭，仍大大节约了能源。且本方案充分考虑了系统运行的安全性，一旦变频器故障，系统可立即自动由变频运行状态切换至原有工频运行状态，完全恢复改造前的运行状态，保证锅炉正常运行。变频故障解除后，仍可方便的手动切换为变频状态，使变频器方便的投入运行，且不影响锅炉的运行。plcplc是本系统的核心控制器件，它不仅辨识、处理各种运行状态，进行系统间的逻辑运算和联锁保护，还对输入的多个模拟信号进行处理、运算后，输出标准的模拟信号控制变频器的运行速度。主程序结构较复杂，其中，对液位信号进行pid运算的子程序，原理图和程序框图如图

3、图4所示。

7.基于变频器的恒压供水系统的设计 篇七

在一般情况下, 随着社会生产需求的不断增加, 从而也使得传统的变频调速系统在现实的社会生活中应用非常广泛, 而这种供水系统的主要组织机构部分有:水泵组、压力仪表、循环软启动变频柜、管路系统等。同时, 该系统内部中的变频调速器、低压电器, 以及PLC部分构成了变频柜。而具体的变频调速恒压供水系统的设计方案如图1所展示的内容。

从理论上来分析, 通常情况下, 利用变频器是为了给整个系统中的电机提供一定的可变频率的电源, 并使得电机利用该系统发出的电来促使电机能够实现无级调速, 最终实现管网中的水压可以达到连续而变化的状态。同时, 通过利用传感器来实现对管网水压的检测, 并且利用对压力单元原先设定好的数值来实现用户对系统中产生的水压值的需求和期望[1]。其中, 常规的控制有两种。一种控制方式是通过在可编程控制器中输入压力设定信号和压力反馈信号之后, 并且经过可编程控制器自身的PID控制程序的一系列计算, 最终实现把转速控制信号传递给变频器的过程。另外一种控制方式是在PID回路调节器中导入压力设定信号和压力反馈信号, 然后再由PID调节器在经过自身调节器的计算之后, 最终实现把给转速调节信号传递变频器的过程。在通常的系统运行过程中, 需要利用1~3台的水泵来实现对供水设备的控制, 而在这其中有1~2台的水泵是用来工作的, 另外的一台是用来以备不时之需的。此外, 在所有运行的水泵中, 有一台水泵会被用来作为变频泵。对于该水泵的具体的运行原理大致如下:在整个系统运行中, 当供水设备在正式进行开始工作之前, 需要首先启动变频泵的开关, 并且当系统中管网的水压达到原先设定的规定值的最大范围时, 此时需要将其数据值稳定在某个特定的范围内。同时, 由于水压值会随着水量的不断增加而逐渐地降低, 而这一信号会被接收随即被传入到系统的可编程控制器中或者是PID调节器中, 进而经过上述系统部件之后的信号会出现提示并转变为一个比用水量增加前大的信号, 最终出现变频器的输出频率不断上升, 并且使得水泵转动的速度变快, 进而出现水压值持续升高的现象。此外, 如果水泵中出现用水量增加的情况, 促使其输出的频率不断上升并到达最大值, 但管网的水压值却还是无法到达最初设定的数值时, 此刻就需要利用上述两种方式来实现对系统运行的控制、启动一台工频泵。与之相反的是, 如果出现用水量减少的情况, 变频器的输出频率值会达到最小, 此时可编程控制器或者是PID回路调节器会提示减少一台工频泵[2]。

在上图1所示的设计图中, M1~M3是电机, P1~P3是水泵, JC1~JC6是电机上的开关、暂停, 以及切换使用的交流接触器部位。同时, 通过根据变频器实际的运行情况来作分析, 其转速所需要用的控制信号主要是通过该系统中的可编程控制器而发出的, 因此, 需要在可编程控制器上设计出模拟量输入接口和模拟量输出接口的安装部位, 以此来改善这一问题。目前, 虽然我国信息技术得到了迅速地发展, 但是在我国的市场上, 存在的带有模拟量输入/输出接口的可编程控制器的数量还是比较少的, 所以其价格是非常昂贵的, 这在无形中会提高了购买供水设备的预算成本[3]。但是, 如果仅仅只是单纯地设计出一个开关来控制输入或输出的可编程控制器, 是不足以满足社会生产的需求的, 但是其总的经济成本也是同上者一致的。因此, 在对变频调速恒压供水控制设备进行前期的设计和规划时, 尤其是需要特别的注意对PID控制信号部分的设计, 以此来实现节电节水, 降低供水设备的目的。

2 新型变频调速恒压供水系统的设计

为了充分地改善PID调节器和可编程器的不足, 并且扩展其特色功能, 越来越多的公司开始开发更多的新型的变频器, 从而促使了越来越多带有应用软件的新型变频器在人们的日常生活中广泛的出现。该文主要以华为的TD2 100供水专用变频器为例, 并作出相关介绍。

2.1 ABB ACS510供水专用变频器主要功能

ABB ACS510供水专用变频器是集合供水控制和供水管理于一体的系统, 并且其自身的PID调节器可以简单、便捷地构成供水的闭环系统, 其主要的功能有如下几个方面。

(1) 多种供水种类和方式的选择, 能够保证4台泵可以实现变频循环和自由切换的功能。此外, 由于该系统存在着循环泵方式和固定泵方式两种切换方式, 以及另外的先启先停和先启后停, 并且所有的生产过程都是可以从这几种方式间进行合理地搭配选择。

(2) 选择固定的时段进行压力设置。该系统划分了6段定时压力给定设置, 并且通过利用生活供水的压力和流量变化, 最终实现用户的满足需求。

(3) 固定的进行轮流和交换。该系统的主要特色是可以利用其定时轮换的功能来实现有效地控制和管理备用泵在长期不用的情况下而生锈的现象, 从而来降低设备的经济成本, 实现设备的综合利用。

(4) 实现对排污泵的控制。该功能主要是由于变频器自身带有的雾水检测液位的传感器, 因此, 一旦出现泵房内部的污水到达所设定的最高警戒水位时, 该系统便会自动开启实现排污、控制的功能。

(5) 故障自动电话拨号功能。该功能可以在系统或者变频器出现故障时, 通过自身的通信接口来实现与外部设备的信号连接, 以此来拨动原先设定的电话号码, 从而来通知相关的维修人员进行处理。

2.2 基于ABB ACS510供水专用变频器的恒压供水系统设计

通过在ABB ACS510供水专用变频器的恒压供水系统中增加PID运算, 可以有效地减少可编程控制器的内部存储量, 而且可以有效地控制PID的有关数据参数在线上调试和运行的难度。此外, 该系统的设计有效地降低了购买设备时的经济成本和生产成本, 同时又有力地提高了企业生产的社会效率。因此, 利用优化PID调节器算法的方式, 可以确保水压调节能够平稳和水压反馈值的准确。

3 结语

通常情况下, 变频调速恒压供水设备是自带的可编程控制器有输入或者输出两种形式, 此外还包括PID调节器, 但是在实际的应用过程中, 对于PID算法进行编程还是比较困难的, 而且该设备的购买成本较高, 调试的难度也大。但是, 随着我国现代化社会的改革进程不断深入, 促使了我国的信息技术得到了充分地发展, 从而也对变频器的功能进行了更大程度地开发, 并且通过该技术的进步来实现对变频调速恒压供水设备设计的完善和创新, 从而为人们的生活带来更多的方便。另外一方面, 由于变频调速恒压供水设备自身的投资额度较小, 且系统运行机制安全、可靠, 而设备的体积小, 使得其占地面积也小。同时, 该设备具有节电节水、自动化程度高、操作便捷等方面的优势。因此, 在日常的生活中, 变频调速恒压供水设备更多地被应用于住宅小区及其高层建筑生活消防供水系统中, 并且充分地发挥着重要的作用。

参考文献

[1]张学辉, 程显吉, 韩培成.基于PLC及变频器的恒压供水实训系统开发[J].科技信息, 2011 (9) :99-100.

[2]熊建国.基于PLC的变频调速恒压供水系统设计与实现[D].电子科技大学, 2013.

8.实用型变频恒压供水系统方案的设计 篇八

【关键词】变频恒压供水；煤矿防尘；实践与应用

1原防尘供水系统概述

寿阳县友众煤业公司煤层埋藏较浅，距离地表垂直高度只有138米，原防尘供水系统采用静压供水方式和水泵供水方式相结合，井下水通过矿井排水系统排至地面沉淀水池，沉淀后利用4KW潜水泵排至另一沉淀水池蓄水，通过4寸管路利用静压引至6#石门防尘水池，从6#石门防尘水池分两路供水，一路通过防尘管路利用静压排至井下各防尘地点，另一路利用4KW潜水泵排至6#石门掘进工作面。由于防尘水压力不足影响掘进工作面和综采工作面的正常生产，在副井水仓安装一台DA型水泵（电机功率37　KW）供回采泵站水箱，在回采泵站水箱处安装一台DA型水泵（电机功率18.5KW）供综采工作面机组，防尘水压力仅能达到1.1　MPa，在回风上山安装一台DA型水泵（电机功率18.5KW）供掘进迎头防尘，防尘水压力仅能达到0.6　MPa。

存在的问题：1、系统防尘水压力仍然不足，综采工作面机组防尘水压力仅能达到1.1　MPa，掘进迎头防尘水压力仅能达到0.6　MPa，而且防尘水流量不稳定，水质差，不能满足正常生产的需要。2、该系统管路复杂，需用闸阀多，还需要频繁倒换操作各个闸阀，占用设备多（三台潜水泵，三台DA型水泵，五台开关），所有设备均需要人工操作而且安装在不同地点，使用人员多，可靠性差，不便于维护。

2变频恒压防尘供水系统概述

为了解决原静压防尘供水系统存在的问题，友众煤业在副井口新建沉淀池和蓄水池各一个，井下水通过矿井排水系统排至地面新建沉淀水池，经过滤、净化水处理后排至新建蓄水池，在新建蓄水池上面安装PCS型微机控制全自动变频恒压供水设备一套。该套设备将防尘水通过防尘管路输送到井下各防尘工作地点。

该系统优点：1、系统防尘水压力充足，当供水设备出水压力调整至0.Pa时，综采工作面机组防尘水压力达到2.8MPa，掘进迎头防尘水压力达到2MPa，而且防尘水流量稳定，水质好，完全能够满足正常生产的需要。2、系统管路简单，不需要频繁操作闸阀，将原系统中配备的三台潜水泵、三台DA型水泵、五台开关全部撤除，仅在地面安装供水设备一套，占用设备少，而且该套设备为全自动调节控制，可以定时自动换泵，不需要设专人值班，可靠性高。3、PCS型微机控制全自动变频恒压供水设备，由泵组、负压罐，控制柜、管件阀门等组成，选用两台水泵，一用一备。具有结构简单，设计合理，占地面积小，便于安装和运输等优点。4、微机变频恒压供水控制系统保护功能完善，水泵电机采用变频器软启动方式，无电流冲击。由于该系统采用了闭环自动控制，可随时根据用水情况自动调节水泵转速，从而改变供水量。由于水泵耗电功率与水泵电机转速成三次方正比关系，所以水泵调速运行节电效果非常显著，平均耗电量较通常的供水方式可节电30%-50%。

3微机变频恒压供水控制系统技术特点

微机控制变频调速恒压供水控制系统采用国际先进的交流电机变频调速技术，对水泵进行调速以达到恒压目的。该系统由以下几部分组成：（1）压力传感器将管网上压力信号变化量转化为电信号变化量。（2）供水控制柜将电信号经分析运算后，输出給变频调速器。（3）变频器控制水泵转速以调节水压。可以根据井下实际情况设定输出压力值，该系统根据井下用水量的变化，随时自动调节水泵转速，以维持恒压力变流量供水，从而大幅度地节约电能，提高供水质量。

4供水控制器介绍

ZYG恒压供水控制器是微机控制变频调速恒压供水控制系统的核心部件，该控制器为单片机智能数字控制，四位数码管显示，采用模糊控制技术，国际标准仪表结构。并提供水位信号接口，双恒压控制，小流量停机，睡眠和睡眠唤醒，定时换泵，变频故障保护，水泵无水监测，远传压力表断线保护等功能。ZYG控制器的压力控制精度高，抗干扰性能好，在变频环境下运行稳定，操作使用简明直观，比PLC成本低，调试更方便，各参数键盘数码设定可断电存储100年，具有硬件看门狗功能，可直接接电阻式远传压力表，具有睡眠和睡眠唤醒功能，在最低赫兹时输出可为零，避免了频繁切换泵和电机长时间在低频运行发热的情况，两台泵互为备用，定时循环开机，现场调试比一般的控制器更方便。

5效益分析

改造后比改造前设备费用多投入为：

11万元-6.96万元=4.04万元

改造后比改造前设备耗电量费用少投入为：

31万元-6.3万元=24.7万元

改造后比改造前人员少投入工资为：18万元

综上分析，改造后比改造前年可节约费用为

24.7万元+18万元-4.04万元=38.66万元