PLC及变频器在供水系统中的节能应用

1、仅供个人参考不得用于商业用途山东省“金蓝领”（维修电工）题目：pic 及变频器在供水系统中的节能应用姓名：纪勇指导教师：二 O 一 0 年十月 日仅供个人参考不得用于商业用途PLC及变频器在供水系统中的节能应用概述：采用西门子PLC及变频器为主控单元，配合接触器、继电器实 现恒压变量系统的智能控制。 本设计在公司供水系统的改造中得到了 成功的应用，不仅供水压力稳定，满足公司用水需要，而且具有很好 的节能、节水效果，极具推广价值。关键词：恒压变量供水、PLC变频器。公司位于市郊，近几年房地产的开发，居民区的扩建以及生产规 模的不断扩大，使用水高峰较为集中，公司的供水系统极不稳定，高 峰期供水不到

2、第5层楼，无法满足正常的用水要求。基于以上情况， 公司进行了供水系统的改造。在智能化要求的基础上，研究了PLC及 变频调速技术在恒压供水系统控制中的应用。 提出了供水系统的总体 设计方案， 解决了硬件电路的设计和软件的实现方法， 通过运行了实 测，在公司供水系统改造中得到了成功的应用，不仅供水压力稳定， 满足公司用水的需要，而且具有很好的节能、节水效果，极具推广价 值。随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，控制技术在恒压供 水中得到了广泛应用，使供水系统完成了高质量、低成本、稳定可靠 的运营方式。变频调速具有故障率低、调速精度高、保护功能多等优 点，是对滞留调速、电磁滑差调速进行改造的最理想

3、的选择。 在风机、 泵类等负载上的应用可实现无冲击起动和软停机的优良控制特性， 实 现恒压或恒流控制。PLC具有通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展 方便、性价比高等一系列优点，因此PLC在供水行业中得到了广泛应用，实现了供水的实时监测和控制，从而保障了生产过程的连续性，降低了劳动强度，实现了少人或无人值守的目标。一、供水系统的总体方案设计：公司车间比较集中，生产用水量最大，高峰期有规律。为了保证 稳定供水，仅供个人参考不得用于商业用途在公司生产区建了150T贮水池，采用4台15KW水泵和变频调速装置 构成一个完整的微机控制恒压供水系统， 如图1所示。系统通过调节 供水量，保证管网压力恒定（误差

4、士O.OIMpa）,实现恒压变量控制供 水方式，从而达到节能、节水的目的，满足公司用水的需要。门川同5桂6.il I讯7丘力话1.供水系统的具体要求1.1水泵能自动变频软启动4台水泵能自动软启动，并根据用水量 大小自动调节开泵台数。1.2电控自动状态时，4台水泵自动轮换变频运行，工作泵故障时备 用泵自动投入，可转换自动或人工手动开、停机。1.3设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电器保护功能，具有相许保护防止水泵翻转抽空， 并具有缺水保护及水位恢复开机功 能。1.4有设备工作、停机、报警指示。2.总体设计方法公司考虑恒压系统主要在高峰期投入使用， 宜采用一台变频器控仅供个人参考不得用于商

5、业用途制4台水泵的“一”控四切换方案。以西门子S7-200(CPU224的PLC和6SE6430变频器为控制核心，采用变频器控制的闭环控制系统， 通 过对用户管网压力进行实时采样， 并与设定压力值比较， 根据压力偏 差来控制变频器的速度及定量泵的起、 停，实现恒压变量的供水方式， 从而更好地达到节能、 节水的效果。当用户管网压力低于设定压力时， 控制器通过压力传感器检测， 输出控制信号起动其中一台水泵作变频 运行，通过控制变频器使用户管网压力与设定压力相等。 如用户用水 量较大，变频器输出频率为50Hz,变频泵转速达到最高，用户管网 压力低于设定压力， 控制器将变频器切换成工频运行， 待变频器

6、输出 频率下降至最低值时再接通另一台水泵, 由一台工频泵和一台变频泵 同时供水。经过变频泵的调节,如管网压力仍低于设定值,控制器以 同样的方式将运行频率为50Hz的变频泵切换成工频运行，而后继续 起动另一台水泵作变频运行,直至满足用户用水要求。当用户用水量较少, 变频泵转速降到一定程度时, 控制器自动停 止最先运行的定量泵, 并根据管网压力调整变频泵转速, 使管网压力 始终保持恒定。 这样每台水泵的起动均经变频器控制, 全部机组实现 循环软起动,即每台泵的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上 升，并遵循“先开的泵先停，先停的泵先开”的原则。当外来管网压 力达到设定压力值时， 则控制器完全停止各

7、泵工作， 由外界管网直接 向用户供水。二、 硬件电路设计本系统的硬件电路如图2所示，它由4台15KW离心水泵，一台 智能型电控柜（包括西门子变频器、PLC交流接触器、继电器等），一套压力传感器、 缺水保护器、 断相相序保护装置以及供电主回路等 构成。该系统的核心是S7-200（CPU224和6SE6430仅供个人参考不得用于商业用途6SE6430是水泵专用变频器，扩展功能强，本身具有比较完善的 自诊断、保护和报警功能， 当变频器系统出现故障时，变频器能自动 停车保护， 并显示故障信息， 可实现无冲击启动和软停机的优良控制 特性，并且是实现恒压或恒流控制的最理想的选择。S7-200 PLC可以单

8、机运行，也可以输入输出扩展，还可以连 接功能扩展模块。它结构小巧、可靠性高、运行速度快，继承了其在 大、中型PLC领域的技术优势，有极丰富的指令集，具有强大的多种 集成功能和实时特性， 配有功能丰富的扩展模块， 性能价格比非常高， 因此它在各行各业中的应用得到迅速推广， 在规模不太大的控制领域 是较为理想的控制设备。S7-200的扩展配置是由S7-200的基本单元 和扩展模块组成的。扩展单元没有CPU作为基本单元输入/输出点 数的扩充，只能与基本单元连接使用，不能单独使用。S7-200的扩展单元包括数字量扩展单元、模拟量扩展单元、热 电偶和热电阻扩展单元、PROFIBUS-D通信模块。其扩展模

9、块的数量 受到两个条件的约束： 一个是基本单元能带扩展模块的数量；另一个 是基本单元的电源承受扩展模块DC5V总线电流的能力。由CPU224组 成的扩展配置可以由CPU224基本单元和最多7个扩展模块组成，CPU224可以向扩展单元提供的DC5V电流为660mA CPU224基本单元具有14个输入点和10个输出点，输入点为24V直流双向耦合输入电 路。DC24极性可任意选择，系统设置1M为输入端子（I0.010.7）的公共端，2M为（11.011.5）输入端子的公共端。Q0.0Q0.4共 用1M和1L公共端，Q0.5Q1.1共用2M和2L公共端，在公共端上 需要用户连接适当的电源，为PLC的负

10、载服仅供个人参考不得用于商业用途务。CPU224的输出电路有晶体管输出电路和继电器输出两种可供用 户选择。在晶体管输出电路（型号为6ES7214-1AD21-0XBO中，PLC由24V直流电源供电，负载采用了MOSFE功率驱动器件，所以只能 用直流为负载供电。 输出端将数字量输出分为两组， 每一组由一个公 共端，共有1L、2L两个公共端，可接入不同电压等级的负载电源。在继电器输出电路（型号为6ES7212-1BB21-0XB0中，PLC由220V交流电源供电， 负载采用了继电器驱动， 所以既可以选用直流为负载 供电，也可以采用交流为负载供电。CPU224另有24V 280mAt流供PLC输入点

11、使用，具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设 计需要。仅供个人参考不得用于商业用途 系统E件电JS1.供水系统主电路如图3所示，该系统有4台15KW电动机，分别拖动4台水泵，合上空气开关后，当交流接触器1KM/3KM/5KM/7K主触点闭合时，水 泵为工频运行；当2KM 4KM 6KM 6KM 8KM主触点闭合时，水泵为 变频运行。4个热继电器1KR-4KF分别对4台电动机进行保护，避免 电动机在过载时可能产生的过热损坏。h,L仅供个人参考不得用于商业用途2.供水系统控制电路如图4所示，Q0.0Q0.7为PLC输出软继电器触点，其中Q0.0、Q0.2、Q0.4、Q0.6控制变频运行电路;

12、Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制 工频运行电路。SAC为转换开关，实现手动、自动控制切换。当SAC切在手动位时，通过1SB2-4SB2按钮分别起动4台水泵工频运行； 当SAC在自动位时，由PLC控制水泵进行变频或贡品状态的起动、切换、停止运行。1KA为缺水保护电路的中间继电器触点，当水池缺水 或水位不足时，配合缺水保护装置断开控制电路，切断主电路，实现 缺水保护作用。3. PLC及变频器控制模块电路PLC及变频器控制模块电路是本系统的核心，它包括时间控制电路、缺水保护电路、断相相序保护电路，如图5所示。KT是时控器 的继电器，该时间控制电路可实现6个时段的定时开关机控制和定时 换泵功

13、能。fl fIW删町附沖仅供个人参考不得用于商业用途3.1缺水保护电路当水池缺水或水位不足时， 若不及时切断电源就会损坏水泵， 甚 至发生事故。本系统设置了缺水自动保护电路，如图6所示。利用液 位继电器等装置时刻检测水池里的水位， 经电路转换及处理后对控制 回路电源进行控制。水位水池正常时，控制回路电源接通，系统正常 工作。水池缺水或水位不足时，液位继电器1K释放，系统报警、指 示灯亮并通过1KA切断系统控制电路及主电路，水泵停止。待排除故 障，水位正常后，液位继电器1K吸合，重新起动系统。3.2断相相序保护电路水泵工作在三相交流电， 电源发生缺相时， 电动机中某一相无电 流，而另外两相电流会

14、增大，容易烧毁电动机；另外，为了避免电源 相序相反，电动机反转水泵抽空的现象，设置了缺相相序保护电路， 如图7所示。采用缺相相序保护继电器KP接在主电路电源进线空气 开关之后，三相正常时，KP得电吸合，控制电路中KP的1-2触点吸 合，接通PLC控制电路。反之，缺相或反相时，KP的1-2触点断开， 会切断PLC控制电路，系统停止工作，缺相相序保护指示灯亮。仅供个人参考2不得用于商业用途EJ1H .vJn n11 . .1.).177?-0口FT3L“.J .1?0-/ . FEC-IM7MMET仅供个人参考不得用于商业用途J S7-200（口U22/.HI滩入输tlmf.4II-/, Il J

15、lI11劝i.：.u-II#电动初1阳购调节上旅 J |bII” hiiT %10.2QD.?-1:W.V；1T(卅电輛爆划1C3 IJ上33KW动作(2#电珂L搜衣濒；10丄QO.A6K作1C.5II芒怙紗Q0.5寸邑训檢轴；Ai A.8KA訓 (4#电动用腋象)10./：. /K. - n1 #=-11.0Q0117li1.2程序设计思路由于供水系统是一个惯性较大无法突变的系统， 不需要过高的响 应速度，因而在设计思想上以查询方式为主，中断方式为辅，采用模 糊控制法对系统PID参数进行整定，这样大大提高了系统的适应性， 使用户减少了调试的工作，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增 强。本系

16、统PLC控制程序由主程序和4个子程序组成，如图8所示。仅供个人参考不得用于商业用途2.变频器主要功能的预置虽然水泵对系统调速的精度要求不高，但要事供水系统运行性能 稳定，工作可靠，就必须正确设置变频器的各种性能。变频器功能的 设定通过变频器操作面板的相关按键确认。2.1频率功能的预置水泵属于平方率负载， 当转速超过其额定转速时， 转矩将按 平方规律增加，导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不 允许超过额定频率的，其最高频率只能与额定频率相等，即fmax= n二50Hz.般来说， 上限频率以等于额定频率为宜。但有时也可以预 置得略低一些，原因有二：一是变频器内部有转差补偿功能，同在50H

17、z的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的 转速，从而增大了水泵和电动机的负载；二是变频调速系统在50Hz下运行时，还不如直接在工频下运行，可以减少变频器本身的损失。 因此，将上限频率预置为49Hz或49.5Hz是适宜的仅供个人参考不得用于商业用途在供水系统中， 转速过低， 会出现水泵的全扬程小于实际扬 程，形成水泵“空转”的现象。所以，下限频率应定为2530H z.水泵在起动时，如果从OHz开始起动，水泵基本没有压力输 出，为减少调节时间，应预置起动频率值为1520Hz,即设置变频 器PID输出值的下限为最大值的30%-40%升速、降速时间由于水泵电动机不需要频繁的起、停,对于

18、起、停时间无严格要 求。整定变频器的升、 降速时间主要考虑升、 降速时间过短,变频器 可能因过流或过压而跳闸； 升、降速时间过长,则会使变频器调速系 统反应迟缓, 造成管路中欠压或超压时间过长,满住不了恒压供水要 求。因此,升、降速时间的确定,应根据现场的实际情况来决定。四、节能、节水效果分析节能原理分析根据流体力学的原理知道,水泵流量与转速及轴功率的关系用下 述关系式表示：Q1/Q2=n1/n2H1/H2=n1/n2式中,Q为流量,H为扬程（水压）,P为轴功率,n为转速。当流量减少,水泵转速下降时,其电动机输出功率迅速下降。例如,当 流量下降到70%,转速也下降到70%时,其轴功率则下降到额

19、定功率的34.3%；当流量降低到50%,轴功率将下降到额定功率的12.5%。 当然还要考虑由于转速降低引起附加控制装置的效率下降等因素, 即 使这样,其节能潜力也很大。 如图9所示两条曲线间的阴影部分表示采用变频器调速的节能效果，从图中可以看出，越是速度范围大，其 节能效果越明显。P1/P2=n1/n2仅供个人参考不得用于商业用途节能节水实测情况分析本系统于2010年9月1326日进行两周时间的实地测试，每天5个用水高峰时段约6h投入运行。第一周转换开关SAC在手动位置，采用阀门调节的方式加压，第二周SAC在自动位置，采用变频调速的 方式加压，得出表2的数据。节雄节水娇实加.H思耗电fi/KW

20、h毎厄加耗电f/KAhKI程i16200Ur J亡ki117078I-A 0 / iJ / 1从表2可以计算：椀洀攀猀一攀眀刀漀洀愀渀节电效果每吨水节电率为(0.352-0.241)/0.352=31.5%，公司年供水量80万T按2/3的用水量加压计算，年节电5.9万KWh按本市电价0.8元/KWh计算，年节省电费4.72万元。椀洀攀猀一攀眀刀漀洀愀渀节水效果每周节水为17615-17078=537T,每年按54仅供个人参考不得用于商业用途周计算节水达2.9万T,按本市水价3.00元计算，年节省水费8.7万 元。两项合计年节省13.42万元，节电、节水效果非常可观， 一年多 即可收回本系统的投资。五、结论本系统于2009年10月在本公司安装、 调试、运行，通过近一年 来的使用，得出以下结论：本方案设计合理，技术先进