变频恒压供水控制系统的研究

中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目： 变频恒压供水控制系统的 研究 学习中心： 重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心 年级专业： 0409级 电气工程及自动化 学生姓名： 罗亨强 学 号： 0451480255 指导教师： 韩亚军 职 称： 讲师 导师单位： 重庆信息工程专修学院 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 年 月 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 罗亨强 1设计(论文)题目： 变频恒压供水控制系统的研究 2学生完成设计(论文)期限： 年 月 日至 年 月 日3设计(论文)课题要求：本系统采用变频恒压技术方案。此系统由单台变频控制2台3KW水泵，全自动无人值守工作，实现对整个供水设备的自动控制，应用变频器实现恒压供水；同时保留手动控制的功能。设计原理严格按照变频恒压供水系统的工作原理和技术方案设计，严格按照学校规定编排格式。 4实验（变频器实验室）部分要求内容：在学校规定的时间内，利用所学的知识及软件设计图形和提出论点。用变频器实验平台对所得结论进行验证，保证了结论的正确性 5文献查阅要求：充分利用了课余时间到图书馆查阅相关资料，如（变频技术）等。结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置,通过PLC/PID解决控制系统的稳定性和准确性。从而取得较好的控制效果。 6发 出 日 期： 年 月 日 7学员完成日期： 年 月 日指导教师签名： 学 生 签 名： 摘 要供水工程往往成为高层建筑或工矿企业和小型企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管供给。因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的供水系统是值得我们研究的课题。本文将研究和介绍利用PLC/PID/单片机等来检测它的水位状况，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置,通过PLC/PID解决控制系统的稳定性和准确性。从而取得较好的控制效果。关键词：PLC 变频控制/恒压供水 恒压测试目 录摘 要I目 录ii第1章前言1第2章变频恒压供水工作原理2第3章 变频恒压供水系统技术方案43.1 系统介绍43.2 PLC功能43.2.1 控制信号采集43.2.2 被自动控制的工作对象4第4章建筑给水系统超压出流的实测分析64.1 测试对象64.2 测试装置64.3 测试内容和方法74.3.1 测试点和测试时间74.3.2 测试方法74.4 普通水龙头半开状态74.5 节水龙头半开状态84.6 结语8第5章变频恒压供水系统的设计105.1 变频恒压供水技术概述105.1.1 系统构成与控制方式选择105.1.2 各条件下供水具体控制方式115.2 实际系统的设计125.2.1 实际系统中应考虑的其他因素125.2.2 管网水压控制点的选择135.3 抗干扰问题135.4故障时的问题13第6章专用变频器在恒压供水装置中的应用156.1 回顾156.2 变频控制恒压供水控制方式166.2.1 逻辑电子电路控制方式166.2.2 单片微机电路控制方式176.2.3 新型变频调速供水设备18第7章PLC控制变频器恒压供水系统217.1 概述217.2 控制系统构成217.3 PLC控制系统简介227.4 恒压供水的控制原理237.5 相关控制功能实现257.6.1 运行效果分析267.6.2 高效节能277.7 提高自动化水平27第8章小区变频恒压供水系统288.1 概述288.2 变频节能理论288.2.1 交流电机变频调速原理288.3 变频恒压供水系统及控制参数选择298.3.1 变频恒压供水系统组成298.3.2 变频恒压供水系统的参数选取308.4 变频恒压供水系统的优点30第9章结论33致谢34参考文献35第1章前言为了使用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水的平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时用水也多，用水少时用水也少，从而提高了供水的质量。 恒压供水是指在供水网中用水量发生变化的时候，出口压力保持不变的供水方式。供水网系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、高位水箱、气压管等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用内部包含有PID调节器、单片机、PLC等器件有机结合的供水专用变频器，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。此外,这次课程设计对我还有以下意义:(1) 通过这次课程设计，加深对PLC等理论方面的理解。(2) 了解和掌握PLC应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现PLC应用系统打下良好基础。(3) 通过简单的课题设计练习，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。第2章变频恒压供水工作原理全自动变频调速供水设备是应用先进的现代控制理论，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置。该设备通过安装在水泵出水总管上的远传压力表（内为一滑动电阻），将出口压力转换成0-5V电压信号，经A/D转换模块将模拟电压信号转换成数字量并送入可编程序控制器，经可编程内部PID运算，得出一调节参量并将该参量送入D/A转换模块，经数摸转换后将得出模拟量传送变频器，进而控制其输出频率的变化。设备采用多泵并联的供水方式，用户用水量的大小决定了投入运行的水泵的数量，当用水量较小时，单台泵变频工作，当用水量增加，水泵运行频率随之增加，如达到水泵额定输出功率仍无法满足用户供水要求时，该泵自动转换成工频运行状态，并变频启动下一台水泵。反之，当用水量减少，则降低水泵运行频率直至设定下限运行频率，如供水量仍大于用水量，则自动停止工频运行泵同时变频泵转速增加。当用水量降至某一程度时（如夜间用水很少时），变频主泵停止工作，改由辅泵及小型气压罐供水。节能运行：变频恒压供水控制器采用最新微电脑设计处理器设计制造配备液晶中文显示,参数显示、设定就一目了然了。产品特点：(1)外部接线简单:用户只需通过菜单设置，即可使控制器适用于不同的供水控制系统；无需改变复杂的外部接线。(2)可靠性:由于控制器已将各种功能模块集成于内部，外部配件少，、进一步降低了整个系统出现故障的机会。(3)调试简单方便:丰富而完美的汉字提示。使一般的操作人员无需经过复杂的培训，也能对各种操作应用自如。(4)系统功能完善:与目前国内同类设备比较，本设备更显示出其独特的优点。在设备工作现场，工程人员可根据泵组的实际情况在显示下，随时改变各种控制参数，由于保证泵组处于最优化的运行状态。(5)控制精度高本控制程序中所有的模拟量均为数码处理。改良的PID数字控制系统能够避免一般PID死区（对水泵控制而言）所带来的控制误差,使系统的供水压力更加稳定。(6)睡眠功能的最新应用可使机组在每天的零流量的区域中自动启、停，间歇型的供水方式,使节电效果更佳。(7)控制功能先进控制系统可在汉字显示屏上明确显示其工频、变频、转换的运行工况。(8)维修简单方便独有的系统故障检测、明确的故障部位（中文）提示,使工程人员能够清楚地了解故障所在,帮助维修人员检查故障发生的部位的部位和原因。第3章 变频恒压供水系统技术方案 3.1 系统介绍本系统变频恒压供水系统技术方案。此系统由单台变频控制2台3KW水泵，全自动无人值守工作，实现对整个供水设备的自动控制，应用变频器实现恒压供水；同时保留手动控制的功能。本系统正常时为两泵轮作，每隔12小时轮流切换主泵一次。变频器的功能变频器接收PID信号，控制水泵，通过改变输出频率调节水泵的转速，从而达到恒压供水的目的。同时达到节能的目的。根据出水口压力及设定压力的偏差，输出模拟量控制变频器输出频率， 使其出水口压力保持恒定。3.2 PLC功能3.2.1 控制信号采集 a)根据控制信号启动/停止整个系统； b)2台水泵接向变频的开关量；3.2.2 被自动控制的工作对象 a)2台水泵电机接向变频或工频的开关量控制； b)变频器的启停开关量控制c)切换供水泵数量；d)故障信号指示；e)在定时切换水泵；3.3 控制功能 3.3.1 自动控制 自动控制的技术依据： a)水泵机组的开和停根据系统设定的管网压力和时间；b)变频器的输出频率根据输出压力；c)控制方法：PLC设定为自动控制时的控制方式。设有自动运行时的总启动停止按钮，还能设定如下参数： 1）时间设定为每12小时轮流切换泵一次，保证每台水泵运行时间相同； 2）出水压力设定；自动控制是根据总出水压力来控制变频器的输出频率，当变频器输出频率达到最大值（50HZ）时，1号泵自动跳开变频切入工频，同时变频切入启动2号台泵并维持在恒定压力的转速。同理当2号泵的变频器输出频率达到最小值(20HZ)时，变频自动切断第2号泵使其停止运行并切换回对1号泵的控制。当12小时后系统会使1号自由滑停同时由变频控制的2号泵频率上升，达到50HZ时再将2号泵跳开切入工频，变频器切入控制并启动1号泵并完成轮作切换过程。以此类推来保证每台相同的运行时间。当系统工作在运行最低峰时（即管网水流量为0时）变频器将输出频率最小值(20HZ)来维持管网恒定压力，此时整个系统几乎不消耗能源，所以本系统又具有十分优良的节能效果。3.3.2 手动控制 当变频器或PLC发生故障时，可切换到手动控制方式分别启动/停止每台泵。（备注：每次切换时间为一分钟左右，此时管压会出现微幅波动。建议切换时间为工作低峰时段或每24小时切换一次） 第4章建筑给水系统超压出流的实测分析 超压出流是指给水配件前的静水压大于流出水头，其流量大于额定流量的现象，两流量的差值为超压出流量，这部分流量未产生正常的使用效益，且其流失又不易被人们察觉和认识，属“隐形”水量浪费。此外，超压出流会带来如下危害：由于水压过大，龙头开启时水成射流喷溅，影响人们使用；超压出流破坏了给水流量的正常分配。易产生噪音、水击及管道振动，使阀门和给水龙头等使用寿命缩短，并可能引起管道连接处松动、漏水甚至损坏，加剧了水的浪费。为了解建筑给水系统超压出流现状，笔者对此进行了实测分析。4.1 测试对象选择11栋不同高度和不同供水类型的建筑作为测试对象，其中多层建筑3栋，均为外网直接供水；高层建筑8栋，一般均分为2个区，低区由外网供水，高区由水泵、高位水箱联合供水或由变频调速泵供水，有的楼层住户支管上设有减压阀。通过对目前建筑中普遍配置的螺旋升降式铸铁水龙头(以下简称“普通水龙头”)和陶瓷片密封水嘴(以下简称“节水龙头”)使用时的压力和流量进行测试，了解建筑给水系统超压出流现状。4.2 测试装置由于测试是在已投入使用的建筑中进行，为不妨碍用户的正常用水，采用了图1所示的试验装置，即用塑料软管与一新安装的试验用水龙头相连，试验用水龙头前安装压力表，测试时只需将软管的另一端与原水龙头紧密相连即可。测试采用15普通水龙头和节水龙头各1个；天津市星光仪表厂Y100型压力表(测量范围为00.6MPa，最小刻度为0.01 MPa)及附件两套；15塑料软管、1000mL量筒、 秒表、三通、管箍等管件若干个。4.3 测试内容和方法4.3.1 测试点和测试时间 对每个楼体中测试点的选择一般为：从第一层开始隔层入户测试(但实测中因有的住户家中无人，测点有所变化)，测试点水源为室内已有污水盆水龙头或洗涤盆水龙头出水。测试时间为上午9：0010：30。测试建筑内普通水龙头和节水龙头在半开、全开状态下的出流量及相应的动压和静压值。4.3.2 测试方法 (1)流量测定采用体积法测定流量，测试时水源水龙头全开，测试用水龙头分为半开和全开两种状态。记录普通水龙头和节水龙头在两种开启状态下水的出流时间t及相应的出流量V。每个测点在同一开启状态下测三次，取三次的平均值作为此状态下的最终测定值。 (2) 压力测定在每次测试用水龙头开启前读压力表值，此值为该测点静压值；测试用水龙头开启后，在记录流量的同时记录压力表读数，此值为该状态下的动压值(工作压力)。4.4 普通水龙头半开状态 建筑给水排水设计规范(GBJ1588)中规定：污水盆水龙头当配水支管管径为15mm、开启度为1/2(半开状态)时，额定流量为0.2L/s。根据上述规定，对67个用水点的测试结果进行了统计，有37个测试点的流量超过此标准(超标率达55%)。4.5 节水龙头半开状态 节水龙头与普通水龙头相比，在管径、水压相同时的全开、半开流量均小于后者。节水龙头虽然出流量小但水流急，在较小流量下就可满足人们的用水需求，因而节水龙头的额定流量应小于普通水龙头的额定流量。结合现行的和送审的建筑给水排水设计规范中的充气水龙头和单阀龙头的额定流量范围，笔者认为应将0.15L/s作为节水龙头额定流量的参考值，以此作为判别现有建筑水龙头是否超压出流以及新建建筑采取控制超压出流措施的依据。由图3可见，节水龙头出流量为0.15L/s时对应的工作压力为0.08MPa，其与普通水龙头出流量为0.2L/s时对应的工作压力(0.060.07MPa)非常相近，这进一步说明将0.15L/s作为节水龙头额定流量的参考值是比较合理的。节水龙头以半开状态并以流量为0.15L/s作为其额定流量时，实测中有41个测试点的流量超标(超标率达61%)。4.6 结语从测试结果可以看出，普通水龙头和节水龙头的超压出流率分别为55%和61%，实际上水龙头出流量的超标率要大于以上数值。以普通水龙头为例，有的水龙头(如洗手盆)的额定流量不是0.2L/s而是0.15L/s；有的水龙头额定流量虽是0.2L/s，但要求的开启度 不是1/2而是3/4或全开(全开状态下有60个测试点的出流量超过0.2L/s)，这样就使得水龙头出流量的实际超标率远大于55%。测试中普通水龙头半开时的最大流量为0.42L/s，全开时最大流量为0.72L/s；节水龙头半开和全开时最大流量分别为0.29L/s和0.46L/s。不论是普通水龙头还是节水龙头，在半开状态时最大出流量约为额定流量的2倍；在全开状态时最大出流量约为额定流量的3倍以上。综上所述，在现有建筑中水龙头的超压出流现象是普遍存在而且是比较严重的，由此造成的“隐形”水量浪费是不容忽视的，必须采取措施加以解决。第5章变频恒压供水系统的设计5.1 变频恒压供水技术概述变频恒压供水技术是80年代后期发展起来的，主要用于楼宇高层的加压供水，具有水压恒定、水质好、占地小、无高位水箱、噪音小、节能等一系列优点。该技术能实现水泵的软起动，减小水泵起动时的冲击电流，使水泵的使用寿命延长，在调节水泵流量时，可以节约可观的能量。5.1.1 系统构成与控制方式选择针对给定的条件进行系统设计，由于各泵容量相等，可只用一个变频器，额定功率稍大于或等于泵的额定功率。由于变频器的价格较高，因此不建议使用变频器的双余度备份，但可在保护和故障容错中做一定投资，以更好地保证系统安全稳定运行。控制器件与控制方案选择如下：现阶段使用较多的控制器件为：微处理器（单片机或DSP）、PLC或专用变频器。专用变频器的主要生产厂商有三菱、ABB等公司。不同的控制装置在控制的原理上基本是一样的，主要有PID调节器、变频/工频自动切换、水网压力检测环节等，通过图5所示连接而组成供水系统。为了保持供水管道的压力恒定，就必须实时检测管道压力并回馈给供水控制器，使其构成压力闭环控制系统。现在最常用的控制器是以PID调节为主要手段，也有的采用了模糊控制等现代控制理论方法。 变频调速供水的恒压值一般选用最不利点（管端）恒压控制比较准确，但该压力信号传输距离太长，一方面容易受到干扰，另一方面也容易出现故障，因此在用户对供水精度要求不很高时，常以出水母管出口处压力作为恒压值进行控制。对于专用变频器，由压力传感器检测到的管网压力直接送入变频器中的PID调节器输入口；对微处理器（包括PLC）控制的系统，压力设定值以及用户管网压力检测值则送入微处理器中，经内部PID控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号，当变频器频率达到最大时，若仍没有达到压力设定值，就进行变频/工频切换，同时重新给变频器输出一个转速控制信号。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。在专用变频器中，压力给定值可以通过变频器输入设定，也可以通过电位器送入；而微处理器控制系统的压力给定值也可通过相应的装置输入。允许用户在现场设置PID参数，通过调试选出最佳参数，达到系统稳定。一般情况下，PID方式的调节器就能够满足供水管压力的稳定调节。然而，这种类型的闭环系统也存在着一些难以解决的问题，比如在系统的动态运行过程中，水泵电机会出现速度超调甚至不稳定的现象，对整个的供水设备具有很大的破坏性，还会减小整个系统的效率。这些问题只能通过选定最优的PID参数或修改PID算法来解决。在此不作详细的分析。5.1.2 各条件下供水具体控制方式 (1) 恒压供水的起动与停机： 在水泵出口母管处装设压力变送器和流量变送器，将压力和流量信号送入控制器，控制器将接收到的信号进行比较、运算，并发出指令，对变频器进行控制。如果检测得管网压力大于设定值，则系统不起动，当管网压力小于设定值时，系统起动。变频器带1泵软起动,此时1泵处于变频调速运行状态，变频器根据收到的信号随时调整水泵的转速。当1泵达到额定转速仍不能满足水压值要求时，则该水泵自动切换到工频状态下运行，变频器则控制2水泵，使之软起动并运行。依此类推，直到管网压力满足压力设定要求。在用水高峰过后，由于投入多台泵而使管网压力超过设定值，系统依据先投先停的原则，依次停止1泵，2泵，。先投先停可以实现对多台泵的平均使用，有利于延长泵的使用寿命。对于所有泵的起停控制，完全由管网压力决定。 (2) 休眠控制： 在夜间用水量非常少的情况下，为了节能，可以设置可以使水泵暂停工作的休眠状态。在管网压力允许的条件下，当变频器输出频率低于某下限频率时，变频器停止输出。当管网压力小于下限设定时，再唤醒变频器使之重新开始工作。5.2 实际系统的设计 5.2.1 实际系统中应考虑的其他因素 对于实际系统来说，四台等容量的供水泵并不是特别合理。在选取水泵时，应考虑在几乎所有工况下都能使工作中的水泵处于高效率工作区间，因此，在夜间或需水量非常少的工况下工作的水泵可选一个比其他容量都小的。同时，如果该系统是针对实际供水而设计的话，则应该同时考虑楼宇泵房中所需要的另两种泵：深井泵与污水泵，显然那样的话系统会比现在的复杂一些。主要由于绝大多数城市都不允许直接从市政管网吸水，因此采用变频调速恒压供水方式时仍然需要设置调节水池。在调节池中应安装液深传感器以检测液面高度。当水池液面下降到一定高度时，为了保证消防用水，就需停止水泵运行，这个高度就是消防水位。只有当水池液面达到设定水位时才能恢复正常供水。污水泵控制：一般泵房都漏水，因此有集污池。在集污池中安装液位控制器，当污水池液面达到排污高度时，自动起动排污泵，排完污水后自动停止排污泵。5.2.2 管网水压控制点的选择 在本文设计的系统中，为了减少成本及增加可靠性而采用了泵口恒压方式，只能对由水量变化而引起的水泵剩余扬程进行监控，它不包含管网阻力下降而产生的剩余扬程；若采用最不利点恒压控制方法，则水泵的调速幅度同时决定于上述两个变化因素，使水泵调速后的扬程与管网阻力特性曲线更好地符合，以获得最佳的节能效果。在实际工程中，较现实的做法是在条件允许的情况下，尽可能将压力控制点靠近最不利点。5.3 抗干扰问题 为保证系统可靠运行，在电气连接上应注意采取抗干扰措施：交流电源侧可采用RC低通滤波，以防止来自电网的干扰。器件的直流电源输入端跨接电容滤波。处理好一点/多点接地，数字地和模拟地分开等问题。信号线选用带屏蔽的双绞线、电源线与信号线不平行布设，弱电强电分开。模拟信号采样后，采用中值数字滤波，增加抗干扰能力。在硬件设计中，增加看门狗电路；软件设计中采取了指令冗余，软件陷阱等保护措施。当系统出现故障时，能自动声光报警，可转手动操作。5.4故障时的问题 对整个系统来说，不仅需要实现自动调节水泵转速和软起动的功能，电机应有过载、短路、过压、缺相、欠压、过热等保护功能，对于供水管路出现的问题也应该有所识别，在故障不严重的情况下应能继续运行，并对故障作出报警。对于调节池缺水的情况，可通过液深传感器检测，立刻停止水泵运行。当水池水位达到运行水位时，自动恢复水泵运行。在管网出现漏水问题及管道阀门损坏、不出水、少出水问题时，水泵运行会出现不出水或水压达不到设定值的情况。在这种情况持续某个设定的时间之后，认定为管网缺水，系统发出故障报警信号，并提示及时进行系统检修。在运行过程中，若变频器出现突然故障时，当前运行的变频泵应自动切换至工频状态继续运行，同时发出故障报警信号；若水泵电机出现故障，应及时切除有故障的水泵并发出报警信号，同时将闲置的水泵投入系统中运行。综上所述，采用自动化程度较高的变频恒压供水系统，不仅能够最大程度地提高整个系统效率、延长系统寿命、节约能源，而且灵活性较好，能构成复杂的、功能强大的供水系统。第6章专用变频器在恒压供水装置中的应用自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速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，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。6.1 回顾一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速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，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显着的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。 目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。6.2 变频控制恒压供水控制方式众所周知，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。即N=KN3N：为水泵消耗功率；n：为水泵运行时的转速；K为比例系数。而水泵设计是按工频运行时设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，由于命名用了变频技术及微机技术有微机控制，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%-40%。目前国内各厂家生产的供水设备电控柜，除采用落后继电接触器控制方式外，大致有以下四类： 6.2.1 逻辑电子电路控制方式这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动有冲击、抗干扰能力较弱。但成本较低。 6.2.2 单片微机电路控制方式 这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。带PID回路调节器和/或可编程序控制器（PLC）的控制方式：该方式变频器的作有是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来计时，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。6.2.3 新型变频调速供水设备 针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO-I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的G11S/P11S系列产品；等等。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID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。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，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，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。6.3 供水专用变频器的功能供水专用变频器=普通变频器+PLC，是集供水控制和供水管理一体化的系统。内置供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可以使用变频器的键盘设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入。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（Mpa）。系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变泵循环方式。变频泵固定方式最多可以控制7台泵，可选择“先开先关”和“先开后关”（适用泵容量不用场合）2种水泵关闭顺序。变频泵循环方式最多可以控制4台泵，系统以“先开先关”的顺序关泵。灵活配置常规泵、消防泵、排污泵、休眼泵，便于实现供水泵房全面自动化。工作泵与备用泵不固死，可自动定时轮换。可以有效地防止因为备用泵长期不用时发生的锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。工作小时自动累计功能，方便节能分析和设备状况维护。夜间供水量急剧减少时，可方便指定每日休眼工作的起始/停止时刻，并可设定休眼时的压力给定值。休眼期间，只有休眼水泵工作，变频器只监测管网压力，当压力低于设定压力时，系统自动唤醒。变频泵投入工作，当压力高于设定值时，系统再次进入休眠状态，只有休眠水泵运行。这样，能最大限度地节水节电功效。具有零星停机功能，在用户不用水的情况下会自动停机。故障泵退出功能，水泵出现损坏时，让故障泵自动退出工作。有消防信号外部输入接口，当有火警或消防信号到来时，系统能自动世换到消防模式，有多种消防工作模式可选，主要根据消防和生活管网是否共用，以及进水池是否共用等条件来进行选择。另有消防泵自动巡检功能，定时巡检周期可设定。利用通讯功能，可实现联网控制。便于楼宇自动化和管理。另外还有一些功能，如排污泵控制功能、进水池液位检测及控制、管网超压/欠压保护功能、温差及压差控制、故障自动电话拨号（当供水系统或变频器发生故障时，通过内置的RS232C串行通讯接口，与外接的MODEM设备进行信号连接，自动启动预先设定的电话号码和信息，及时通知设备维护人员进行相应处理，可以方便地实现泵房无人职守运行）。由此可见，供水专用变频器具有强大的功能，能满足供水系统的各种控制方案。若加上小型PLD，就可以满足更复杂的工艺要求。第7章plc控制变频器恒压供水系统7.1 概述 变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。特别是在供水行业中，由于生产安全和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格要求，变频调速技术也得到了更加深入的应用。 成都市自来水公司六厂日产水量60万吨，担负着成都市区及周边地区70%以上的供水任务。自1996年年底六厂的三期工程投产后开始向郫县供水，使得我厂的供水方式从单一的重力流供水变为重力流和压力流结合供水的方式。自向郫县供水以来，由于考虑到现阶段郫县的用水量较少，从节约能耗的角度出发，我厂使用一台泵同时向郫县供水和提供我厂的自用高压水。为了满足六厂自用水压力，保证厂内各个工艺环节设备（如消毒环节中的水射器）能正常工作，我厂自用水压力须较恒定的控制在0.3 Mpa以上，采用变频调速控制是保证压力恒定较为有效的方法。根据我们对郫县城区供水量的了解，发现郫县全天各时段用水量变化较大，如果不对供水量进行调节，管网压力的波动也会很大，容易出现管网失压或爆管事故。采用变频恒压供水控制后，当郫县用水量较小时，这时相应管道和泵出口压力均较大，变频恒压控制方式将会降低泵的频率，减小泵出水量，从而降低管网压力；反之亦然。这样，小时用水量变化较大也不会造成管网压力有较大的波动。经过长期运行实践，证明了变频调速手段实现恒压供水不仅保证厂内自用高压水压力足够且稳定，而且保证了郫县供水的安全可靠性。 7.2 控制系统构成 整个恒压供水系统有两组变频泵，每组均由一台变频器和一台水泵组成；系统以PLC为控制核心，由PLC采集压力信号和输出控制变频泵的运行。控制系统构成如图(7-1)所示。PLC处理器选用的是Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器，变频泵选用的是ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的变频器和水泵。系统由两只量程为01.0Mpa的压力变送器分别检测两台水泵后的输水管道的压力，压力变送器将检测到的压力信号转换为420mA的电流信号，送到PLC子站的模拟量输入模板（1771-IFE），通过PLC的PID运算，由模拟量输出模板（1771-OFE）输出420mA的电流控制变频泵的运行。 1#变频泵1#水泵1#变频器模拟量输入板PLC 2#变频泵2#水泵2#变频器1#压力变送器模拟量输出板2#压力变送器 图7-1 控制系统构成图7.3 PLC控制系统简介 我厂采用Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器通过DH+通讯方式构建了全厂PLC工业控制网络，通过DH+网络上的RSView工作站实现人机对话。RSView工作站是指运行人机图形界面软件（RSView32）的计算机工作平台，该工作站建在中心控制室，是实现生产现场无人值守和运行集中管理的调度中心。利用RSView32可以有效地对控制过程进行监视和控制，可以实现图形化的人机对话界面，模拟生产运行的流程，在模拟流程上更加直观地实现生产流程的全自动运行监视、远程人工直接干预操作（如PID指令运行参数远程设定）、控制环节报警监视等功能。控制界面如图(7-2)。 液压报警变频器显示 控制转换器压力传感器水池水泵去用户 图2 变频恒压供水系统控制图形界面（RSView工作站）图7-27.4 恒压供水的控制原理 SAMI STAR变频器具有REMOTE和LOCAL两种操作方式。LOCAL操作方式下，通过LOCAL START/STOP开关启停变频器，通过f REF LOCAL INPUT0 输入端口的电位开关人工调节变频器工作频率；通过LOCAL/REMOTE输入点可以将变频器切换到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通过REMOTE START/STOP输入点进行PLC远程启停变频器，通过f REF REMOTE INPUT0端口输入频率控制信号（百分比）控制变频器工作频率。根据供水量情况，我们把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范围控制在050Hz，在此范围内水泵运行频率和定子相压成正比（及与变频器输入频率成正比），这使得变频器输入、水泵运行频率和泵的输出压力成较好的线形关系，可得到较好的控制效果。SAMI STAR变频器对用户开放的I/0接口位于TERMINAL BLOCK CARD上，主要使用的有：X11-1（REMOTE START/STOP）；X11-4（LOCAL/REMOTE）；X11-13/14（f REF REMOTE INPUT0、420mA信号输入）；X11-15/16（输出420mA变频器运行频率信号）；X11-17/18（输出420mA变频泵运行电流信号）。变频器由PLC远程控制时，启动是由PLC向X11-4输出信号，使变频器切换到外部设备控制方式（REMOTE方式），再向X11-1输出信号，启动变频器。在恒压调节时，PLC处理器把检测到的压力信号作为反馈值，与PID运算的压力设定值（由调度人员根据情况在REView上设定）进行比较，再经过PID运算得到调节后的修正值，通过模拟量输出模板（1771-OFE）输出到X11-13/14，作为REMOTE方式下变频器的频率控制信号，由于该信号是相对变频器工作频率上限的百分比，所以变频器将输入信号进行内部运算后转为真实工作频率。 为了使三期变频恒压供水自动控制系统与全厂自动控制网络有机地结合起来，全面实现对恒压供水系统的运行情况和设备运行进行监视和远程控制，更加安全可靠地实现恒压供水，我们使用PLC进行PID运算和监控。PID闭环反馈控制原理如图3：PLC的PID运算调节通过该型处理器专用PID指令完成，通过设置各参数即可由PLC完成PID运算调节。PID程序段流程如下图(7-3)。PID指令必须以相同的时间间隔周期性地执行，可采用计时器，定时中断或实时采样的等方法，此处选用了定时方法；PV是PID指令采样的压力控制反馈值，SP是PID指令的压力控制设定值，KP为PID的比例增益，KI为PID的积分增益，KD为PID的微分增益，这五个控制参数作为主要的PID参数参与控制，确定PID参数时要兼顾系统灵敏性和稳定性，由于我们恒压控制要求和设备的性能条件，参数设定更强调稳定性（及KI），由于微分环节有放大噪声的特点，我们将KD尽量设置得较小；SWM为PID指令转为手动直接调频的开关，SO设定为PID指令的在手动控制输出方式时的输出值，当变频器从PID自控调节转为手动直接调频时，SO替代PID运算结果作为转换时的输出值，将SO设定为控制值就可实现无缝转换，减小变频器运行频率的震荡。DB为PID指令的死区设定值，输出超出死区时PID指令通过自动运算限制输出超出限定范围。记时记时完成取采样点取设定点取其他PID参数PID运算控制输出结实 图7-3 闭环控制原理图7.5 相关控制功能实现 为了防止运行时由于压力变送器不可预见的故障造成PLC的PID运算调节失实，从而造成管网压力失恒引发失压或爆管的严重事故。我们分别在1#和2#变频泵后输水管上安装压力变送器，可以同时测到出厂输水管线上的压力；在PLC程序上对压力信号进行了相应的处理，在程序中设置选择软开关，调度人员可以在RSView上将其中一台压力变送器的值设定为“控制反馈值”，另一台压力变送器的值则设为“参考反馈值”（见图2：变频恒压供水系统控制图形界面（RSView工作站）；对1#压力和2#压力值进行比较，相差0.1Mpa时，判断为，其中一只压力变送器出现故障，变频器控制转换为远程直接手动调频控制（通过RSView设置运行）。压力变送器正常工作时，“控制反馈值”经过平均滤波处理后，分别比较压力报警上限和下限值，如果超出控制范围，变频器控制转换为远程直接手动调频控制，否则“控制反馈值”作为PID调节的参数PV。同时为了在就地手动控制实现在控制现场对变频泵进行开停控制和运行数据监视。我们在变频泵工作现场安装了A-B公司的PanelView图形工作终端，该工作终端提供图形交互界面和触摸输入方式，以从站的方式与PLC进行通信，进行数据和控制命令的交换，提供就地监控操作的通道。 7.6.1 运行效果分析 有效保证郫县供水和我厂自用水压力稳定，提高我厂供水安全可靠性，图5为数据库采集的2001年某日我厂恒压变频泵出水压力、频率变化以及郫县供水和自用水流量、管网压力数据关系图。如果采用定速泵进行供水必然会导致高峰供水时段内管网供水压力不足，夜间用水量较小时管网压力过高，造成爆管现象。采用变频恒压控制后，变频器的频率随郫县用水量的变化而变化，及时调节我厂对郫县供水量，从而使郫县城区管网压力在一个较小的范围内变化（0.23-0.27Mpa）。另一方面，虽然我厂自用水秒流量变化不大，但由于我厂自用水和郫县供水为同一水泵加压后，分作两条支流，郫县用水量的变化必然也会导致自用水压力不稳定，采用恒压变频控制方式，基本克服了这种变化因素。从上图曲线也可看出，我厂自用水压力基本恒定不变。这样保证了我厂加氯水射器等重要设备的正常工作，保证了正常的消毒工艺流程，从而保证我厂出厂水水质，提高我厂供水的安全可靠性。 7.6.2 高效节能 通过采用变频调速恒压控制，可在不同季节、全天不同时段内有效即时地调控水量，这样在用水量较低时，大大节约供水量，减少电耗。 在设定压力内跟随用水量供水，避免了传统供水方式的损耗，降低吨水消耗。 7.7 提高自动化水平 根据我厂建立自动控制系统的原则“分散控制、集中管理、现场无人值守”，变频恒压供水技术的应用提高了我厂自控系统的整体水平，真正作到了操作简便安全，现场无人职守，运行安全可靠。 第8章小区变频恒压供水系统8.1 概述 交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术。由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。8.2 变频节能理论 8.2.1 交流电机变频调速原理 交流电机转速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 为电机转速，f为交流电频率，s 为转差率，p为极对数。电机选定之后s 、p则为定值，电机转速n和交流电频率f 成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。根据离心泵的负载工作原理可知：流量与转速成正比：qn转矩与转速的平方成正比：Ttn2/2功率与转速的三次方成正比：pn3而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：p变n3p额q3p额，采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：p阀(0.4+0.6Q)q额，其中，p为功率；n为转速；Q为流量。例如设定当前流量为水泵额定流量的60%，则采用变频调速时p变Q3P额0.216P额，而采用阀门控制时P阀(0.4+0.6Q)P额0.76P额，节电(P阀-P变)/P阀 100%71.6%。流量% 100 90 80 70 60 50 ；节电率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1，由此可见从理论计算结果可以看到节能效果非常显着，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。而且新型的小区变频恒压供水系统能自动地控制一至多台主泵和一台休眠泵的运行。在管网用水量减少到单台主泵流量的约1/6-1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率的休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。8.3 变频恒压供水系统及控制参数选择8.3.1 变频恒压供水系统组成 小区变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵（主泵+休眠泵）、压力传感器、PID调节器、变频器（主泵+休眠泵）、管网组成（如图1）。工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。8.3.2 变频恒压供水系统的参数选取 合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水。这个目的的实现关键就在于压力控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管网最不利点压力恒压控制，另一个就是泵出口压力恒压控制。两者如何选择，我们来简单分析一下（如图2）。管网最不利点压力恒定时，管网用水量由QMAX减少到Q1，水泵降低转速，与用水管路特性曲线A（不变）相交于点C，水泵特性曲线下移，管网最不利点压力H0。而泵出口压力恒压控制时，则Ha不变，用水量由QMIX减少到Q1与Ha交于B点，用水管路特性曲线A上移并通过B点，管网最不利点压力变为Hb，Hb - H0的扬程差即为能量浪费，所以选择管网最不利点的最小水头为压力控制参数，形成闭环压力自控系统，使得水泵的转速与PID调节器设定压力相匹配，可以达到最大节能效果，而且实现了恒压供水的目的。变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖，但是变频器达不到最佳运行状态。所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。8.4 变频恒压供水系统的优点 相对与传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出的体现在以下几个方面：(1) 高效节能变频恒压供水系统的最显着优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。(2) 恒压供水变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。(3) 安全卫生系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。(4)