基于PLC的水厂变频调速恒压供水系统设计

1、毕毕 业业设设 计计 基于 PLC 的水厂变频调速恒压供水系统的设计 Waterworks Frequency Control of motor speed constant pressure water supply system design Based on PLC 学院学院 计算机与电子信息计算机与电子信息专业专业 测控技术与仪器测控技术与仪器 班级班级 测控测控 07-1 班班 毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 院（系）： 计算机与电子信息学院 专业 测控技术与仪器 一、毕业设计课题 基于 PLC 的水厂变频调速恒压供水系统设计 二、毕业设计工作自 2011 年 3 月 21

2、 日起至 2011 年 6 月 20 日 止 三、毕业设计进行地点 测控专业实验室 四、毕业设计的内容要求： (1)到茂名河东水厂进行实习调研，明确其供水状况和变频调速恒压自动控制供 水监控要求; (2)学习可编程序控制器(PLC)及组态王监控软件; (3)设计基于“组态王”的泵站监测系统; (4)设计以西门子 S7-200 为下位机的泵站控制系统； (5)系统仿真调试; (6)编写毕业设计说明书; (7) 查阅 20 篇以上参考文献，其中外文文献不少于 5 篇并翻译 1 篇。完成 1 篇 不少于 2 万字的毕业设计报告，报告要写作规范、内容正确、条理分明、语言 流畅、结构严谨。图纸、实验数据

3、各种标准资料的运用和引用符合学校和学科 ( 专业 ) 国家标准规定。 接受毕业设计任务开始执行日期 2011 年 3 月 21 日 学生签名: 摘摘 要要 随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提 高。本设计是针对居民生活用水而设计的。在对茂名河东水厂进行调研，对工 业控制计算机可编程序控制器及组态王监控软件基本性能特点进行充分分析和 研究的基础上，本文提出西门子 S7-200 系列作为下位机的方案。由变频器、 PLC 及 PID 调节器组成控制系统来调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水 泵和一台辅助泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压 和流量来控

4、制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状 态，保证按需供水。上位机本文采用“组态王”为监控软件。 调试和仿真运行表明，该系统能够对供水过程进行自动控制，能够有效地 降低能耗，保证了供水系统维持在最佳运行状况，提高生产管理水平。该监控 系统安装维护方便，运行稳定可靠;监控软件功能齐全，人机界面友好，使用方 便。 关键字：PLC、变频调速、恒压供水、组态王系统、PID AbstractAbstract With the rapid development of social economy, and water quality and water supply people to

5、 improve the reliability of the system requirements.This design is designed for residents of water. On the basis of research on pumping station in MaomiHedong Waterworks and analysis and research on the basic capability of industry control computer PLC and state view software, This paper put forward

6、 Siemens s7-200 for lower level computer solutions.The inverter, PLC and PID adjustor composition control system, adjust the water pump output flow. Motor pump group of three pumps and a auxiliary pump parallel and become, by inverter or industrial frequency power supply, according to the water supp

7、ly system to control the pressure and flow export of frequency switching between motor pump group, so the system and speed in the most reasonable position, make sure on-demand water supply. a kingview for the monitoring software . Commissioning and operation shows that the system can be automatic co

8、ntrol of water supply process can effectively reduce the energy consumption and ensure the water supply system to maintain in the best operation condition, improve production management level. Monitoring systems easy installation and maintenance, operation is stable, reliable; Monitoring software fu

9、nction is well-found, friendly man-machine interface, easy to use. Key Words: PLC, variable frequency speed-regulating, constant pressure water- supply King View, PID 目录目录 摘摘 要要.I I ABSTRACTABSTRACT.IIII 第一章绪论第一章绪论.1 1 变频调速恒压供水系统产生的背景及其研究意义.1 变频调速恒压供水技术简介.2 1.1.1 国内外变频恒压供水的现状 .2 1.1.2 变频调速恒压供水系统的特点和

10、应用范围 .3 1.2.3 变频恒压供水的发展趋势.4 1.3 课题来源及本文研究的主要内容 .4 第二章第二章 变频调速恒压供水系统的理论分析变频调速恒压供水系统的理论分析.6 6 2.1 供水系统的基本特性 .6 2.1.1 水泵的主要参数.6 2.1.2 水泵的供水特性.7 2.1.3 水泵的工作点确定.8 2.1.4 水泵的工作点调节.9 2.3 三相异步电动机的调速 .11 2.3.1 异步电动机调速原理 .11 2.3.2 调速方法 .11 2.4 本章总结 .13 第三章第三章 变频调速恒压供变频调速恒压供水水系统的设计系统的设计.1414 3.1 变频恒压控制原理 .14 3.

11、2 变频恒压控制系统方案 .14 3.2.1 变频恒压控制系统方案设计.14 3.2.2 变频恒压供水系统控制方框图和组成原理框图.15 3.2.3 变频调速恒压供水系统的控制流程.18 3.2.4 变频调速恒压供水系统中加减水泵的条件分析.19 3.3 本章小结 .22 第四章第四章 变频调速变频调速恒恒压供水系统的压供水系统的 PIDPID 调节调节.2323 4.1 变频调速恒压供水的 PID 调节 .23 4.1.1 PID 控制及其控制算法.23 4.2 变频调速恒压供水的 PID 调节过程 .25 4.2.1 变频调速恒压供水的 PID 调节过程分析 .25 4.2.2 变频器 P

12、ID 控制功能参数设置.26 4.3 本章小结 .28 第五章第五章 变频调速恒压供水系统的硬件设计变频调速恒压供水系统的硬件设计.2929 5.1 恒压供水系统电控系统组成 .29 5.1.1 主电路设计 .29 5.1.2 电气控制电路设计.30 5.2 变频恒压供水系统的硬件 .32 5.2.1 PLC 及其扩展模块的选型.32 5.2.2 变频器的选型.33 5.2.3 压力变送器及数显仪的选型.35 5.2.4 水泵机组的选型 .35 5.3 系统可靠性措施 .35 5.4 本章小结 .36 第六章第六章 PLCPLC 程序设计程序设计.3737 6.1 PLC 程序设计方法.37

13、6.2 供水系统控制程序 .39 6.3 本章小结 .42 第七章第七章 水厂监控网络的设计水厂监控网络的设计.4343 7.1 引言 .43 7.2 泵站计算机监测与管理系统的选择 .43 7.2.1 系统监控软件的选择.43 7.2.2 组态王的介绍 .43 7.2.3 组态王软件的使用方法和特点.44 7.2.4 组态王与 S7-200PLC 通讯.44 7.3 组态王系统的设计 .45 7.3.1 组态王系统设计的步骤.45 7.3.2 组态王系统设计过程.45 7.4 变频调速恒压供水系统用户画面 .48 7.4.1 恒压供水系统登录画面.48 7.4.2 恒压供水主窗口.49 7.

14、4.3 泵房流程窗口.49 7.4.4 报警窗口.50 7.4.5 历史趋势曲线窗口.50 7.4.6 恒压供水报表窗口 .51 7.5 本章小结 .52 结束语结束语.5353 参考文献参考文献.5454 致致 谢谢.5555 第一章绪论第一章绪论 1.1 变频调速恒压供水系统产生的背景及其意义 水是生命之源，是人类赖以生存和发展的不可替代的重要资源之一。随着 社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水 的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、 通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。我国家是一个 在水资源和电能方面都很短

15、缺的国家，在大力提倡节约能源的今天，人们也更 加重视有关降低供水系统能耗的问题。据统计，风机和泵类负载约占我国总耗 电量的 80%，这主要是由于我国供水设备工作效率低，控制方式不合理，据统 计，水泵的效率大多不足 60%，存在着很大的能源浪费1，因此运用水泵供水节 能技术，设计可靠性高，运行效率高的供水系统具有重大的经济意义。 变频调速恒压供水系统是集变频技术，电气传动技术，现代控制技术于一 体先进的供水控制系统。它可以根据用水管网瞬间用水量的不同所引起的压力 变化，自动地改变水泵的转速，自动调节峰谷供水量，保证管网供水压力恒定， 以满足用水的要求。变频恒压供水系统自 80 年代世界各国将其投

16、入工业应用以 来，它显示出了强劲的竞争力，采用该系统供水可以取得非常显著的节能效果， 从而提高企业的经济效益和社会效益。这在能量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。 在恒压供水技术之前出现了很多种供水方式，经过调研，发现各种传统的 供水方式的优缺点如下2: (l)重力供水 水塔高位水箱供水方式属于重力供水方式，缺点是基建投资大，占地面积 广，维修清洗不方便，需要定期清理，消毒，容易造成水源的二次污染，水泵 电机为硬启动，启动电流大，控制柜内触点多，易烧坏，优点是控制方式简单， 短时维修或断电可不停水。当用水量很小

17、时，可以长时间不再开泵。 (2)压力供水 气压罐供水方式属于压力供水，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，联轴器冲击大，起 动电流大，触点易烧，系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压 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）恒速泵加压供水 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，爆损现象严重，电机硬起

18、动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采 用。 (4)调速供水 液力祸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。单片机变频调速供水方式优点是能做到变频调速、自动化程度 优于以上几种供水方式，可以定时供水等，缺点是系统开发周期较长、参数设 置烦琐、可靠性比较低、维修不方便，不适用于恶劣的工业环境。 综上所述，传统的供水方式普遍存在不同程度的浪费水力，电力资源，效 率低，可靠性差，自动化程度不高等缺点，已经不能满足当前社会的发展和需 求，严重影响了居民的生活用水和工业生产用水质量。PLC变频恒压供

19、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。 1.2 变频调速恒压供水技术简介 1.2.1 国内外变频恒压供水的现状 目前，国内大中城市的水厂基本上都采用变频恒压供水方式，生产过程的 重要参数可以实行自动监测;加氯加矾、沉淀池、滤池及泵房、变电所也同样实 现自动控制及计算机管理，构成完整的 DCS 系统。现代化水厂除了中心调度室 和化验室以外都可以做到无人值班。国内的小城镇的供水状况比

20、较落后，基本 上还停留在气压罐、水塔供水方式。这些供水方式都需要将水提升到一个满足 最高层用户用水的固定高度上，这样，就有相当一部分电能被浪费。同时，管 网压力的不稳定，很容易造成管路曝损，管路和水资源浪费严重。而在西方发 达国家，以 PLC 为基础的集散型控制系统已成为当今水工业自动化系统的主流， 其控制系统正向着智能化、分散化、网络化发展。企业内部之间以及与外部交 换信息的需求不断扩大，现代工业企业对生产的管理要求不断提高，这种要求 已不局限于通常意义上的对生产现场状态的监视和控制，同时还要求把现场信 息和管理信息结合起来，通过对经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故 障诊断、现场控制等

21、信息的综合处理，形成一个意义更广泛的综合管理系统， 亦称为“管控一体化” 。在国外,一个 10 x10，m3/d 的水厂只需 35 人管理。在 运行当中，还采用了自动化智能措施，运用实时指示器不断评定每一阶段程序 处理效果和作出微小纠正3，并融合了以太网技术，提高了水厂的信息化程度。 1.2.2 变频调速恒压供水系统的特点和应用范围 变频调速恒压供水系统集合了变频技术、PLC 应用、工控机应用技术等多 方面的现代化技术，所以有较好的性能特点： （1）节能性 恒压供水技术通过变频调速闭环控制方式调节水泵转速改变水泵出口压力， 相对于阀门调节控制水泵出口压力的方式来说，具有降低管道阻力、大大减少

22、截流损失的效应，系统在运行过程中可节约一定的电能，并能长期受益，并且 由于电动机故障率的减少，设备寿命的延长，产品质量的提高等等，都必将产 生难以估计的经济效益。 （2）可延长电机和水泵寿命 由于水泵在变频下工作，其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少 了轴承的磨损和发热，延长了泵和电动机的机械使用寿命。 （3） 运行安全可靠 水泵电机采用软启动方式，可以避免电动机启动时的电流冲击，减少对电 网电，避免管网压力超限，管道破裂而造成波动的影响，同时也避免了电动机 突然加速造成水泵系统的喘振。 （4） 联网功能 采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工 作频率、管网压力

23、及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的 出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。 （5） 控制灵活 分段供水，定时供水，手动选择工作方式。 （6）容错性 当出现意外情况时，系统能根据水泵及变频器的状态，电网状况及水源水 位，管网压力等工况自动切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，系统会 转而执行专门的故障子程序，保证在紧急情况下仍能进行供水。 变频恒压供水系统的应用范围非常的广泛，其广泛的应用如下4: (1) 高层建筑、城乡供水小区、企事业生活用水; (2) 特殊种类工业需要恒压控制的用水如冷却水循环、热力网水循环、锅 炉补水等; (3) 自来水厂增压系统; (4)

24、农田灌溉，污水处理，人造喷泉; (5) 各种液体恒压控制系统。 1.2.3 变频恒压供水的发展趋势 (1)变频恒压供水目前正向集成化，维护操作简单化方向发展在国外专门针 对供水的变频器集成化越来越高，很多专用变频器集成了 PLC 和 PID，甚至将 压力变送器也融入变频组件，同时维护操作也越来越简单，部分新品的变频供 水只需简单设定压力值就可正常运行，控制软件和其他参数在出厂时就已设定， 或利用传感器自动获取完毕。 (2)高压变频系统在供水行业中的应用 在过去变频供水较少涉及高压变频系统，这也是系统发展的重要方向，高 一低一高型的高压变频系统，串联多电平高压变频系统目前已在实际应用中不 断完善

25、，高压变频中的谐波问题己逐步得到解决。 (3)变频供水系统正在融入更全面的供水管理系统 面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水需求的前提下，最大限度的提 高供水系统的效益，是所有供水部门共同面临的重要课题，目前，在美国，日 本，法国等地的有些城市己基本上实现了供水系统的计算机优化。 基于PLC 的变频调速恒压控制是现代供水控制系统的主要方式，它利用 、传感器、电气控制设备、变频器及水泵机组组成闭环控制系统，使供 水管网压力保持恒定。由于具有自动化程度高、高效节能、安全卫生、维护方 便等特点，在小区供水和工厂供液供水控制中得到广泛应用，并取得了良好的 控制效果和社会效5。 1.3 课题来源及本设

26、计的主要内容 本课题来源于茂名市河东水厂的实习。通过前面对传统供水现状和变频恒 压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国已成为供水行 业发展的主流趋势。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、人机界 面、各种传感器等组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统 的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具 有开放的数据传输。 本设计的主要内容如下: 1）通过扬程特性曲线和管阻特性曲线分析供水系统的工作点，根据管网和 水泵的运行曲线，说明供水系统的节能原理。 2）分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨变频恒压供水系统的控制策 略，并归纳实用性的

27、控制方案。 3）研究 PDI 控制器的设计原理及方法。 4）设计变频恒压供水系统的硬件和软件。 5）对变频调速技术及可编程序控制器(PLC)进行简单介绍。 7）以组态软件组态王设计工控机监控程序。 第二章第二章 变频调速恒压供水系统的理论分析变频调速恒压供水系统的理论分析 2.1 供水系统的基本特性 2.1.1 水泵的主要参数 水泵主要工作参数有:流量、扬程、功率、效率、转速以及压力6。 (1) 流量 Q 水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量，可分为体积流量 和质量流量两种。以耐/s(米 3/秒)、m3/h(米 3/小时)、七/:(千克/秒)、t/:(吨/秒) 等表示。供水系统的基

28、本任务是满足用户的流量要求。 (2) 扬程 水泵扬程也称水头，是水泵由叶轮传给单位质量液体的总能量，单位以 m 计。扬程主要包括三个方面:提高水位所需的能量;克服水在管网中流动时所需的 能量;使水流具有一定流速所需的能量。 其中提高水位所需的能量是扬程的主体部分。因此把水从一个位置“上扬” 到另一位置时，用水位的变化量(即水位差)代表扬程。即水泵扬程最终反映的是 水泵供水高度。水泵总扬程包括把水上扬到最高水位所需的能量，以及克服管 阻所需的能量和保持流速所需的能量，等于排水垂直水柱和管路阻力损失水柱 之和。 实际扬程是通过水泵实际提高的水位所需的能量。损失扬程是全扬程与实 际扬程之差,即: 总

29、扬程=实际扬程+损失扬程 (3) 功率 水泵功率有两种:有效功率 PM和轴功率 PN。 有效功率 PM(KW)为泵内液体实际所获得的净功率；轴功率 PM(KW)是水泵 在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即由电动机传给水泵轴上的功率。 轴功率不可能全部传给液体，而要消耗一部分功率后，才成为有效功率。 (4) 效率 有效功率与轴功率的比值为效率 （2-1） m n P = P 水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度，亦即反映了泵内功率损失的大 小，是一项重要的技术经济指标。 (5) 转速 n 转速 n 是指叶轮每分钟的转数。当转速改变后，水泵工作性能也随着改变。 (6) 压力 p P 表示供水

30、系统中某个位置或某个点水压的物理量，其大小在静态时取决 于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与供水流量与用水流量之 间的平衡情况有关。 2.1.2 水泵的供水特性 水泵的供水特性包括扬程特性和管阻特性7。 (1) 扬程特性 在管路中阀门完全打开的情况下，表明全扬程 H 随用水量 Q 变化曲线 H=f(Q)，称为扬程特性曲线，如图 2-1 所示。图中 A1点是流量较小(等于 Q1)时 的情形，这时全扬程较大，为 H1；A2 点是流量较大(等于 Q2)时的情形，这时全 扬程较小，为 H2。当流量越大时，管道中的摩擦损失以及保持一定流速所需的 能量也越大，故供水系统的全扬程就越小。流量的大

31、小取决于用户，是“用水 流量” 。因此，扬程特性反映了用户的用水需求对全扬程的影响。 图 2-1 水泵的扬程特性 (2) 管阻特性 管阻是管道系统(包括水管、阀门等)对水流阻力的物理量。通常用扬程与流 量间的关系曲线来描述。 管阻特性也叫管路特性，是反映为了维持一定的流量而必须克服管阻所需 的能量，它和阀门开度有关。实际上是表明当阀门开度一定时，为了提供一定 流量的水所需要的扬程，因此这里的流量可以理解为“供水流量” ，用 Q 表示. 所以管阻特性的函数关系是 H=f(Q)，如图 2-2 所示，供水流量较小(Q=Q1)时，所 H1 H2 H A1 A2 Q1Q2 Q 需扬程也较小(H=H1)，

32、如点 B1;反之，在供水流量较大(Q=Q2)时，所需扬程也较 大(H=H2)，如点 B2。管阻特性的起始扬程等于静扬程 HA，如果全扬程小于静扬 程的话，将不足以克服管路的管阻，从而不能供水，因此，静扬程也是能够供 水的“基本扬程” 。 图 2-2 水泵的管阻特性 2.1.3 水泵的工作点确定 水泵工作点是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流 量以及相应的效率、功率等参数8。 水泵在实际运行时的工况点取决于水泵性能管路性能以及所需实际扬程。 这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。如果把某一水泵 扬程特性曲线和管阻特性曲线画在同一坐标系中(图 2-3)，则这两条曲

33、线的交点 A 就是水泵的工作点。 H H1 H2 HA B1 B2 Q1 Q2Q 0 H HA A 0 QAQ 管阻特性曲线 扬程特性曲线 水泵效率曲线 图 2-3 水泵的工作点的确定 工作点 A 是水泵运行的理想工作点，若把水泵的效率曲线也画在同一坐标 系中，在图 2-3 中可以找出 A 点的扬程 H、流量 Q 以及效率 。从图中可以看 出，水泵在工作点 A 点提供的扬程和管路所需的扬程相等，水泵抽送的流量等 于管路所需的流量，从而达到流量和能量的平衡，这个平衡点是有条件的，平 衡也是相对的。实际运行时水泵并非总是固定在 A 点。一旦当水泵和管阻特性 中的一个参数或所有参数同时发生变化时，平

34、衡就会被打破，并且在新的条件 下出现新的平衡。另外确定工况点一定要保证水泵装置在高效率范围内运行。 工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中的一 个重要问题9。供水功率是供水系统向用户供水时所消耗的功率 P(KW)称为供水 功率，供水功率与流量 Q 和扬程 H 的乘积(如图 2-3 中 0QAAHA的面积)成正比。 2.1.4 水泵的工作点调节 对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以在 供水系统中，最根本的控制对象是流量。而流量的大小又取决于扬程，实际运 行中水泵的流量是随着用水量的变化而变化的，扬程也因水位和流量的变化而 变化，因此水泵不能总工作在

35、一个工况点，需要根据实际情况进行控制，因此 要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手，即工况点的调节方法，常 见的方法有阀门控制法和转速控制法两种910： (1) 阀门控制法 图 2-4 管网和泵运行曲线 阀门控制法属于节流调节，即通过关小或开大阀门来调节流量，而泵的转 速保持不变。阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水 HB F HA Hc H0 B 4 1 2 3 阀门关小 阀门开大 额定转速 转速下降 C 0QB QA Q 路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时管阻特性将 随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。这种通过关小闸阀来改变水泵 工作

36、点位置的方法，称为节流调节，如图 2-4 所示。 泵的初始工作点在 A 点，水泵提供的扬程、流量恰好与管路所需得扬程、 流量相等。当用户所需流量减少时，设从 Qa降至 Qb，必须把水泵出水口闸阀 关小来减少水泵出口水流量，使之与管网所需流量相等，否则会因管网过载而 造成爆管的危险。此时，管阻特性由曲线 2 变为曲线 4，水泵的工况点则沿着 水泵特性曲线由 A 点移至 B 点，此时流量减小了，但扬程却由 HA增大到 HB。 供水功率与面积 OEBF 成正比，水泵所提供的能量一部分消耗于克服闸阀的附 加阻力，造成额外损失。并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大， 管阻特性曲线上移，运行工况

37、点也随之上移，于是 H 增大，而被浪费的功率要 随之增加。 (2) 转速控制法 转速控制法属于变速调节，是通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开 度则保持不变(通常为最大开度)，转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力 来适应用户对流量的要求，当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变而管阻 特性不变。如图 2-4，当用户所需用水流量由 QA减小至 QB，当转速下降时，扬 程特性变为曲线 3，管阻特性仍为特性曲线 2，故工作点从 A 点移动到 C 点， 在 C 点流量减小为 QB，而扬程减小为 HC，供水功率与面积 0ECHC成正比。 两种方法比较: 由于阀门控制是通过增加管道的阻力而达到控制流量

38、的目的，因而浪费了 能量;而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点， 使其流量与扬程适应管网用水量的变化，从而达到节能的效果。但由于开环转 速控制中，扬程随着流量的减小而减小，往往不能满足实际工程需要。 图 P H H H* 0QA QBQC A AB C n2 n1 nN Q 2.5 变频恒压控制工况点调节 因此采用闭环恒压控制，对于变频调速恒压控制，工况点如图 2.5 所示， 理想运行特性曲线为直线 H*ABC。 2.3 三相异步电动机的调速 2.3.1 异步电动机调速原理 变频供水系统是通过变频器控制泵的异步电机的转速，通过异步电动机驱 动水泵供水来改变水泵的实时供

39、水量，完成恒压供水的目标。因此，供水系统 变频调速的实质是异步电动机的变频调速。三相异步电动机的调速是指在电动 机负载不变的条件下，通过控制改变电机转速，达到用户要求。这种调速方式， 可以大大简化系统中的变速机构，提高系统的性能价格比。 异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调 速的。 异步电动机的同步转速为: （2-2） 1 0 60f n = p 其中 n0是异步电动机的同步转速，f1是异步电动机的电源频率，p 为异步 电动机的极对数。 异步电动机的转差率为： （2-3） 0 0 nn S= n 其中 n 为异步电动机的转子转速。 根据公式 (2.3)和公式 (2.

40、2)，得三相异步电动机的转速为: （2-4） 1 60f n=S p （1- ） 2.3.2 调速方法 由公式 (2.4)可知，异步电动机可以通过改变电源频率、磁极对数和转差率 实现调速。 (l) 变极调速 改变定子极对数，可使异步电动机的同步转速改变，从而得到转 1 0 60f n = p 速的调节。改变电机的极对数调速相当困难，这会使电机结构变复杂，而且不 能实现无级调速。 (2)变转差率调速 变转差率调速即转子电路串接电阻调速、改变定子电压调速、滑差电机等。 这些方法的共同特点是:在调速过程中均产生大量的转差功率，消耗在转子电路， 使转子发热，调速的经济性较差，会使效率降低，而且调速范围

41、也受到限制。 (3)变频调速 当极对数 p 不变时，电机转子转速 n 与电动机的电源频率 f1成正比。因 此，通过连续调节异步电动机供电频率，就可以平滑的调节电动机的转速。异 步电动机变频调速具有调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点。实现 这种调速的设备称作变频器，变频器的硬件组成框图见图 2-6 所示。 整流电路中间电路逆变电路 控制电路 M 3 外部接线端子 控制面板 交 流 电 源 R S T 图 2-6 交流变频调速器的基本原理 下面简单介绍一下变频器的工作原理: 变频器由整流电路、中间电路、逆变电路、控制电路、操作面板等组成。 交流电源首先经过整流电路，将工频交流电源整流成直流

42、，通过中间电路中的 电感或者电容滤波作用，使整流后的直流纹波降低，同时中间电路可以降低逆 变电路反馈到工频电源的谐波电流。 逆变电路是变频器的功率输出部分，一般由多刀 T 等大功率开关器件及其 驱动、保护电路构成。逆变电路接受来自控制板的控制信号，将直流电进行逆 变成交流电，而逆变得到的交流电的频率、电压是可变的。 控制电路是变频器的控制中心，它可以根据外部接线端子、操作面板或者 由上位机来的通讯指令控制变频器中的逆变电路输出一个频率和电压可变的交 流电压。一般在控制电路中还集成了其它功能，如 PID 调节器等。 操作面板是变频器人-机对话的界面，通过操作面板可以观察变频器的运行 状态，或者修

43、改变频器的运行参数。 综上所述，通过改变电源频率的方法，可以从高速到低速保持高效率、宽范 围和高精度的调速性能。 2.4 本章小结 本章分析了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。通过对电机的几种调速方式的分析比较，采用变频调速 实现恒压供水，能够提高系统的可靠性，降低能耗。 第三章第三章 变频调速恒压供水系统的设计变频调速恒压供水系统的设计 3.1 变频恒压控制原理 恒压供水控制原理图如 3-1 所示： 图3-1 闭

44、环恒压供水原理图 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。 而用水和供水之间的不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，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质 量。如图 3.1 所示，变频器是电机变频调速的执行者，只要改变 f 就可实现 n 的 变化，从而达到无级调速的目的。测量元件用压力变送器，U*为恒定压力供水 设定值。供水压力 P 作为输出量，构成闭环控制系统。在运行中，当用水量增 大的时候，水管道内压力值变低，反馈值 Uf变小，即 U*大于 Uf时，

45、变频器通 过内置 PID 进行调速，使电机的转速加快，增加水流量，提高管道压力，直到 管道压力 P 与设定压力 U*对应的期望压力值相等。当用水量减少时，水管道内 压力值 p 变大，反馈值 Uf变大，即 U*小于 Uf时，变频器通过内置 PID 进行调 速，使电机的转速降低，减小水流量，降低管道压力，直到管道压力 P 与期望 压力设定值 U*相等。总之，根据反馈控制原理，最终达到的平衡状态使实际供 水压力和设定期望压力相等。 3.2 变频恒压控制系统方案 3.2.1 变频恒压控制系统方案设计 从恒压供水的原理分析可知，系统主要有变频器、压力传感器、压力变送 PID电电机机水水泵泵 反反馈馈电电

46、压压 + - Uf P 变变频频器器 U* 器、恒压控制单元及低压电器等。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使 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 软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。由 于 PLC+变频器组成的恒压控制方式灵活方便，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。同时由于 PLC 的抗干扰能力强、可靠性高，根 据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，本文采用 PLC 与变频调速装置 构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数， 完成供水压力的闭环控制，即根据实际设定水压自动调

47、节水泵电机的转速，自 动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供 水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。 为了提高系统的控制灵活性和方便性，本系统在变频器+PLC 控制的基础上 增加上位监控计算机。采用 PLC，由于其本身抗干扰能力强，系统可靠性高， 且由于 PLC 产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种要求和规格不同的控 制系统。由于 PLC 和上位机具有良好的通信功能，此系统方便与其他系统进行 通信和数据交换。当控制要求改变时，利用编程软件很容易进行程序的修改和 下载。 由于有良好的人机界面，使得操作更加简单，系统运行状态更直观。因此 本

48、系统采用“变频器+PLC+上位监控计算机”的模式13。 3.2.2 变频恒压供水系统控制方框图和组成原理框图 供水控制器 （PLC） 变频器 电控设备 液位传感器 1号泵 2号泵 3号泵 辅助泵 压力传感器 清水池 图 3-2 系统控制方框图 图 3-3 系统组成电气原理图 从上面的原理图和框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由泵组、信 号检测、控制系统、人机界面等部分组成。 1、水泵组 水泵组用于将水供入用户管网，图中的 4 个水泵分为三种类型。 (1)调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水 量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。当水泵采用循环的控制方 式

49、时，一、二、三号泵既可以做调速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定 的控制方式时，一、二、三号泵中有且只有一台可以调速泵，其余两台为恒速 泵或停止状态。 (3)辅助小泵:它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况 下(例如:夜间)对管网用水量进行少量的补充。 在变频调速恒压供水系统中，这样构成水泵组有下几个原因: 19 (1)用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵，使水泵选型容易，同时这 种结构更适合于大功率的供水系统。 (2)供水系统的增容和减容容易，无需更换水泵，只要再增加恒速泵即可。 (3)以小功率的变频器代替大功率的变频调速器，以降低系统成本，增加系 统运行可靠性。 RST

50、变频器 UVW 一号泵 二号泵三号泵 辅助泵 Q0.0 Q0.3 Q0.1 Q0.4 Q0.2Q0.5 Q0.6 Q0.7 L1 L2 L3 KM (4)辅助泵的加入，使系统在用水量很低时(如:夜间)可以停止所有的主泵， 用小泵进行补水，降低系统的运行噪音。 (5)在用水量不太大时，系统中不是所有的水泵在运行，这样可以提高水泵 的运行寿命，同时降低系统的功耗，达到节能的目的。 2、信号检测 在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号: (1)水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈 信号。此信号是模拟信号，读入 PLC 时，需进行户以 D 转换。另

51、外为加强系统 的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测 结果可以送给 PLC，作为数字量输入。 (2)液位信号:它反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对 系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于 水源处的液位传感器。 (3)报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有 异常，该信号为开关量信号。 3、控制系统 供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC 系统)、变频 器和电控设备三个部分。 (1)供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对 系统中的压力、液位、报警信号

52、进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据 信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器 和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。 (2)变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送的控 制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。变频器拖动某一台 水泵作为调速泵，当这台水泵运行在 50Hz 时，其供水量仍不能达到用水要求， 需要增加水泵机组时，系统先将变频器从水泵电机中脱出，将该泵切换为工频 的同时用变频去拖动另一台水泵电机。 (3)电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。 用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动

53、切换及就地/集中等工 作。 4、人机界面 人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更 改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从 人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系 统的运行过程进行监示，对报警进行显示。 3.2.3 变频调速恒压供水系统的控制流程 整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的 控制流程、通过孪频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水目的。 其需要完成的控制流程如图 3.4 所示。 开始 启动运行 满足小水泵 运行条件 实际压力=设 定压力？ 实际压力 设定压力？ 执行降

54、压控制 停泵和报警输 出 执行辅助控制 执行升压控制 No Yes Yes No Yes No No Yes 压力设定 报警信号有效 Yes No 图 3.4 变频调速恒压供水系统流程图 现将流程图说明如下: 1、系统上电，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 动水泵一号泵(可以是二号泵，也可以是三号泵 ，这里以一号泵为例)，通过恒 压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率， 控制一号泵的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转 速才稳定到某一定值，这期间一号泵工作在调速运行状态。 2、当用水量增加水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，

55、增加水泵的转 速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环和恒 压控制器，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。 3、当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率 50Hz 时，若此时 用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频 固定式的控制方式下，系统将变频器的输出的频率降为下限频率的同时开启一 台恒速水泵。在变频循环式的控制方式下，系统将电机一号泵切换至工频电网 供电后，一号泵恒速运行，同时使第二台水泵二号泵投入变频器并变速运行， 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，并有

56、新的水泵投入并联运行。当 最后一台水泵三号泵投入运行，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。 4、当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 实际压力水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将先运行 的那台恒速水泵关掉，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，将继续发生如上转换，直到剩下 一台变频泵运行为止。 3.2.4 变频调速恒压供水系统中加减水泵的条件分析 在上述的系统工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率， 此时管网的实际压力仍低于设定

57、压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达 到恒压的目的;当调速水泵和工频运行水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频 率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频运行水泵来减少 供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的 供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢? 尽管通用变频器的频率都可以在 0-400HZ 范围内进行调节，但当它用在供 水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。当正在变 频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在 50HZ 时进行。由 于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50HZ 成为频率调节的上限频 率。

58、当变频器的输出频率已经到达 50HZ 时，即使实际供水压力仍然低于设定压 力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，正如前面所 讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。另外，变频 器的输出频率不能够为负值，最低只能是 0HZ。其实，在实际应用中，变频器 的输出频率是不可能降传到 0HZ。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网 供水时，由于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，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机 运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随 着电机频率的下降而下降。这个

59、频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。 这个频率远大于 0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在 20HZ 左右。由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输 出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率14。 从上面的分析可以看出，当变频器的输出频率已经到达上限频率，而实际 的供水压力仍然低于设定压力时，存在的实际供水压力差己经不能够使输出频 率增大，实际供水压力也不会提高。当变频器的输出频率己经下降到下限频率， 实际的供水压力却仍高于设定的供水压力时，存在的压力差不会使输出频率继 续降低，实际的供水压力也不会降低。所以，选择这两个时刻作为水泵机组

60、切 换的时机是合理的，但要做以下考虑。 首先把上面的判别条件简写如下15： f= （3-1） UP f fS PP f= （3-2） LOW f fS PP 式中： ：上限频率 ：下限频率 UP f LOW f ：设定压力 ：反馈压力 S P f P 对于第一个判别条件，可能出现这种情况:输出频率达到上限频率时，实际 供水压力在设定压力上下波动。在这种情况下，如果按照上面的判别条件，只 要条件一满足就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力 一下就超过了设定压力。并且使新投入运行的机组几乎在变频器输出频率的下 限运行，对供水作用很小。在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力