高层建筑PLC控制的恒压供水系统的设计

1、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。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控，同时系统具有良好的节能性，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。1.1 变 频 恒 压供水 产 生 的背 景 和 意 义众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水

2、节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环水高峰期，水的供给量常常低于需供给量常常高于需求量，出现水压供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式，以下就逐一分析。1 一台恒速泵直接供水系统这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日

3、不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。2 恒速泵加水塔的供水方式这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中O这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开停时间比、开停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大，水压不可调,不能兼顾近期与远期的

4、需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。3 恒速泵加高位水箱的供水方式这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能

5、耗增加。4 恒速泵加气压罐供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者做一比较。5 变频调速供水方式这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速水泵调速控制方式有三种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压

6、控制、给水系统最不利点恒压控制。(1) 出口恒压控制水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。(2) 出口变压控制水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不只是一个。是将每日 24 小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其

7、实是水泵出口恒压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天24 小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。(3) 最不利点恒压控制最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处，使系统在运行过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条

8、件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗O而变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗比较小。另外气压罐要消耗一定的钢量，这也是它的一个较大的缺点。而变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备，不存在消耗多少钢材的问题。同时由于气压罐体积大，占地面积一般为几十平米。而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米。由此可见变频调速供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积O在运行效

9、果上，气压罐方式与调速式相比也存在着一定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由于气压罐的调节容量仅占其总容积的 1/3-1/6， 因 而每个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的启动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备损坏很快O变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了饮用水水质可靠。效益与社会效益。省占地、节省投资、调节能力式供水系统具有节约能源、节省钢材、节大

10、、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济1.2 变 频 恒 压供水 系 统 的国 内 研 究现状变频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、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

11、。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泵固定方式”， “变 频泵循环方式变频器，像日本 Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有两种模式。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

12、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。原深圳华为电气公司和成都希望集团（森兰变频器 ）也推出子恒压供水专用变频器（5.5kw-22kw） ，无需外接PLC 和 PID 调节器，可

13、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。可以看出，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。1.3 课 题 来 源及本 文 的 主要 研 究 内容1 课题来源本课题来源于生产、生活供水

14、的实际应用。2 研究的主要内容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己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、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。该系统可以用于深井泵恒压供水系统、各类型的自来水厂、供热和空调循环用水系统、消防用水系统、工业锅炉补水系统，还可以广泛应用于化工、制冷空调和其他工业及民用领域。本文研究的主要内容如下：(a)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

15、运行曲线 ，说明供水系统的节能原理。(b)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，并归纳实用性的控制方案。(c)研究PID控制器的设计原理及方法。(d)设计变频恒压供水系 统的硬件和软件。2调速恒压供水系统能耗与安全性分析在供水系统中，用水 量处于动态变化过程之中，采取恒速泵供水方式，无法维持管压恒定,同时也影响设备寿命;若采取阀门控制调节流量来维持管压,必然造成大量的电能浪费；而且水泵电机直接工频起动与制动带来的水锤效应，对管网、阀门等也具有破坏性的影响。基于恒压、节能及安全性考虑,采取变频调速恒压供水方式是一种不错的选择。据统计采用变频调速技术调节流量实现恒压供

16、水,可节20-50%,节能效果相当显著。在讨论变频调速恒压供水系统节能机理与安全性之前，有必要讨论分析供水系统的一些基本概念和特性。2.1 供水系统的基本模型和主要参数供水系统的基本模型如图2-1所示。吸入口图 2-1 供水系统的基本模型b）基本模型a）全扬程的概念图中：L0水泵中心位置；h0吸水口水位；h1 水平面水位；h2管道最高处水位；h3在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真 实的管道系统中，这个位置并不存在。只 有在h3大于管道的实际最高位置的 情况下，才能正常水。主要参数有：31 流量Q 单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位

17、是m /min ；2扬程H 也称水头，是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，常用单位是m；3.实际扬程Hb供水系统中，实际 的最高水位h2与最低水位hi之间的水位差，即供水系统 实际提高的水位。即： HB = h2 - h1 ；4全扬程H T 水泵能够泵水上扬的最高水位h3 与吸入口的水位h0 之间的水位差。全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。即：H T = h3 - h0 ；5损失扬程H L 全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。H B , H T , H L 之间的关系是：HT = HB + HL 。供水系统为了保证供水，其全扬程必须大于实际扬程，这多余

18、的扬程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失；6管阻R 阀门和管道系统对水流的阻力和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述；7压力P 表明供水系统中某个位置水压大小的物理量。其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与流量与扬程之间的平衡情况有关。2.2 供 水 系 统的特 性 曲 线和 工 作 点供水系统的参数表明了供水的性能。但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。这种联系和变化规律可用供水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管组特性曲线，如图2-2

19、。通过特性曲线图可以掌握供水系统的性能，确定其工作点。图 2-2 中：曲线额定转速nN时的扬 程特性曲线；曲线转速ni时的扬程特性 曲线；曲线阀门开度100%时的 管阻特性曲线；HtQeQn图2-2供水系统特性曲线曲线阀门开度不足100% 时的管阻特性曲线。1 .扬程特性一转速下，全扬程与流量间以管路中的阀门开度 不改变为前提，即截面积不变，水泵在某 的关系曲线Ht f(Q),称为扬程特性曲线。不同转速下，扬程特性 曲线不同，图2-2中的曲线 、分别对应于转速nN、ni,且nN > n1。曲线表明转速一定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越大，供水系统的全扬程就越小，反映

20、用户的用水需求状况对全扬程的影响的。在这里，流量的大小取决于用户，是用水流量，用 Qu表示。用水量一定时，即 Qu不变，转速越低，水 泵的供水能力越低，供水系统的全扬程就越小。2 .管阻特性以水泵的转速不改变 为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线 Ht f(Q),称为管阻特性曲线。 不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图 2-2中的曲线对应阀门开度大于曲 线对应的阀门开度。管阻特性表明由阀门 开度来控制供水能力的特性曲线。此时转 速一定，表明水泵供水能力不变，流量的大小取决 于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧来决定的，故管阻特性的流量可以认为是供水流量，用Qg表示。在实际的供水管

21、道中，流量具有连续性，并不存在供水流量与用水流量的差别。这里的Qg和Qu是为了便于说 明供水能力和用水需求之间的平衡关系而假设的量。当供水流量Qg接近于。时，所需的扬程等于实际扬程（Ht Hb）。表明了如果全扬程小 于实际扬程的话，将 不能供水。因此，实际扬程也就是能够供水的基本扬程。3 .供水系统的工作点扬程特性曲线和管阻 特性曲线的交点，称为供水系统的工作点。在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合 了管阻特性。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。图2-2中的N点表示水泵工作于额定 转速，阀门开度为100%时的供水状态，为系统的额 定 工作点。4 .供水功率供水系统向用户供水 时所消耗的

22、功率PG （kW）称为供水功率，供水功率与流量和 扬程的乘积 成正比PG CPHrQ（2-1）式中CP 一比例常数。2.3 供水系统中恒压实现方式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，流量是供水系统的基本控制对象。而流 量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大 小是扬程大小的反映，而扬程与供水能力（由流量Qg表示）和用水需求（由用水流量Qu表示）之间的平衡情况 有关。若供水能力Qg 用水需求Qu ,则压力P上升；若供水能力Qgv用水需求Qu ,则压力P下降；若供水能力Qg =用水需求Qu ,则压力P不变。 可见，流体压力P

23、的变化反映了供水能力与用水需 求Qu之间的矛盾。从而，选择压力控制来调节管道流量大小。这说明，通过恒压供水就能保证供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所 需的用水流量。将来用户需求发生变 化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实 现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。(1)阀门控制法转速保持不变，通过 调节阀门的开度大小来调节流量。实质是水泵本身的供 水能力不变，而通过改变水路中的阻力大 小来强行改变流量大小，以适 应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。(2)转速控制法阀门开度保持不变，

24、通过改变水泵的转速来调节流量。实质是通过改变水泵 的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。2.4 异步电动机调速方法通过转速控制法实现 恒压供水，需要调节水泵的转速。水泵通 过联轴器由三相异步电动机来 拖动，因此水泵转速 的调节，实质就是需要调节异步电动机的 转速。由三相异步电动机的转速公 式nni (1S)60f” A一(1 9P(2-2)式中 ni一一异步电动机的同步转速，r/min；n异步电动机转子转速 ，r/min；P 异步电动机磁极对数；f 一一 异步电动机定子电压频率，即电源频 率;S转差率，S n1 nxi00%。由式(2-2)

25、可知调速方法有变极调速、变转差调 速和变频调速。1 .变极调速在电源频率一定的情 况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕 组的接线方式来实现。这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适 用于供水系统中转速的连续调节。2 .变转差调速通过改变电动机的转 差率实现电机转速的改变。三相异步电动机的转子铜损耗为'2 'PCu2 3 2 r2 sPm(2-3)该损耗和电机的转差 率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率s很小，相应的转子铜损 耗小，电机效率高。但在供水系统中由转速控制法实现

26、恒压供水时，为适应 流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率s增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将 增加部份的转差功率 通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相 匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。3.变频调速通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式。这种调速方式需要用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的,简称为 VVVF (VariableVoltage Variable Fre

27、quency) o在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通基本不 变，其关系为比=常数f1式中ui 变频器输出电压，f1 变频器输出频率。变频调速方式时，电动机的机械特性表达式2 'T m pU1 r2 /s2 % 员)仅1*')2s(2-4)式中 m 一一电机相数；门一一定子电阻； xi一一定子漏电抗； x2 一一转子漏电抗折算 值。频率f1从额定值fN往下调时,电机机械特性变化情况如图2-3所示。图中 fN > f1 > f2 > f3> f4。(2-7)变频调速过程的特点：静差率小，调速范围 大，调速平滑性好，而且，很关键的 其转差率不变

28、。电机 于恒压供水方式中的 压供水系统中采取变 优良的运行特性和明一点是调速过程中， 的运行效率高，适合 转速控制法。因此恒 频调速方式可以获得 显的节能效果。图2-3变频调速机械特性2.5变频调速恒压供水系统能耗分析2.5.1 转速控制调节流量实现节能(1)转速控制法与阀门控制法供水能耗分析在图2-2中，将阀门控制法和转速控制法的特性曲线画在了同一坐标系中 。假设系统原工作于额定状态 N点，当所需流量减少，从额定流量Qn变为Qe时，在恒压前提下，采 用阀门控制法时供水系统工作点 将移到A点，对应的供水功率 PG与面积AHeOQe成正比；采用转速控 制法 时供水系统工作点将 移到B点，对应的供

29、水功率 PG与面积BHcOQe成正比。两种控制方式下的面 积之差 "=AHeHcB表明了采取转速控制方式相 对于阀门控制方式 可以实现节能。(2)转速调节与恒速运行供水能耗分析根据水泵比例定理， 改变转速n,水泵流量Q、扬程H和轴功率P都随之相应变化，其关 系式为(2-5)(2-6)Q .niQn2-Hi(ni)2Hn(n1)3n式中 ni, Qi , Hi , R分别为调速后的水泵转速、流量、扬程和轴功率。从以上关系可 知,大的。当转速n下降时，轴功率按转速变化的 3次方关系下降，可见转速对功率的影响是最般在设计中，水泵 均考虑在最不利工况下供水，水泵在选型上也是按水泵额定工作点选

30、型和安装使用，即按额 定工作点设计。但在实际运行中，管网用 水量常常低于最不利工况，这时, 如降低转速相对于恒速泵供水运行，能使水泵的轴功率大大减 少。可见 ，在供水系统 中根据用水量的大小，通 过变频方式调节水泵转速的方式来实现供水有很好的节能效果。 而且这种方式在用水量较少时节能效果更为明显。2.5.2转速控制供水系统的工作效率高(1)工作效率的定义供水系统的工作效率为水泵的供水功率 p与轴功率p之比，即G' p_PG(2-8)该效率是包含了水泵本身效率在内的整个供水系统的总效率。式(2-8)中，pp是指水泵是在定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即电动机的输出功率；PG是供水系统

31、的输出功率也就是水获得的实际功率，由实际供水的扬程和流量计算。供水过程中的损耗主要来自于水泵本身的机械损耗、水力损失、容积损失，以及管路中的管阻损耗。PP(2)供水系统工作效率的近似计算公式水泵工作效率相对值的近似计算公式如下*Q、Ci(r)n一* nQ"Q"、n Ci、C2为常数，遵循如下规律 Ci-C2=i。(2-9)C (2)2n*式(2-9) 中 pQ n 效率、流量和转速的 相对值均小于1。有以下关系，p N(3)不同控制方式时的工作效率*O _* 一= Q ,随着流重的 减小，Q减小，水泵工 阀门控制法方式，因 转速不变，n=l,比值n * . .作的效率 p降

32、低十分明显。* *c 一、-、一 _ _一，j Q 不转速控制方式时，因 阀门开度不变，由式(2-4),流量Q和转速n是成正比的，比值 了 1 变。即水泵的工作效 率是不变的，总是处于最佳状态。所以，转速控制方式 与阀门控制方式相比，供水系统的工作效 率要大得多。这是变频调速供 水系统具有节能效果的第二个方面。2.5.3变频调速电机运行效率高在设计供水系统时， 额定扬程和额定流量通常留有裕量，而且 ，实际用水流量也往往达不到 额定值，电动机也常 常处于轻载状态，电机恒速运行时效率和 功率因数很低。采用变频调速方式 变频器能够根据负载 轻重调整输入电压，从而提高了电动机的 工作效率。这是变频调速

33、供水系统 具有节能效果的第三个方面。2.6供水系统安全性讨论2.6.1 水锤效应在极短时间内，因水 流量的急巨变化，引起在管道的压强过高 或过低的冲击，并产生空化现 象，使管道受压产生 噪声，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤 效应。水锤效应具有极大的破坏性。 压强过高，将引起管 子的破裂；压强过低，又会导致管子的瘪 塌。此外，水锤效应还可能损坏阀 门和固定件。2.6.2 产生水锤效应的原因及消除办法产生水锤效应的根本 原因，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采 用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现彻底消除水锤效应。水泵的动态转矩大小 决定了水泵加速过程的快

34、慢，决定了加速过程流量变化的快慢，也就决定了水锤效应的强弱。拖动系统中，动态转 矩Tj Tm TL; Tm：是电动机的拖动转矩； Tl ：是供水系统的制动转矩。图2-4反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。图中曲线是异步电动机的机械特 性，曲线是水泵的机械特性，图2-4b)中的锯齿状线是变频起 动过程中的动态转矩。由图2-4可知，水泵在直接起动过程时，因频起动，可有效地降 低动态转矩消除水锤效应。停机过程效果类似。动态转矩很大，造成了强烈的 水锤效应，通过变图2-4水泵的直接起动和变频起动a)全压起动b)变频起动2.6.3 变频调速对供水系统安全性的作用采用变频调速，对系统的安全性有一系

35、列的好处：(1)消除了水锤效应，减少了对 水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命;(2) 降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长；(3)避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命；(4)减少了起动电流，也 就减少了系统对电网的冲击，提高了自身 系统的可靠性。3 变 频 调 速 恒 压供 水 控 制 系 统设 计3.1 供 水 系 统总体 方 案 的确 定1 用户需求供水系统总体要求：(1)由多台水泵机组实现供水，流量范围120m3/h,扬程80米左右;助泵，用于小流量时的供水；尤其在换泵时波动要小；(2)

36、 设置一台小泵作为辅(3) 供水压力要求恒定，(4) 系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能；(5) 各主泵均能可靠地实现软启动；(6) 具有完善的保护和报警功能；(7) 系统要求较高的经济运行性能。2方案确定确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性及其它技术要求。根据用户的用水时段特点可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。连续型是指一天内很少有流量为零的时候

37、，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量。间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。采用变频调速方式来实现低流量时的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达30%。 水 泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，噪声小。采用多台水泵并联供水，根据用水量大小调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水

38、，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC 通过编程来实现。供水系统的恒压通过压力变送器、PID 调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。综合以上分析，确定以可靠性高、使用简单、维护方便的变频器和 PLC 作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，其总体结构如图

39、3-1。变频器PIDSLh用户压力上下限信号广电网电流予水位下 限信号M2M3图3-1系统构成方案图PLC FX2N32MRYV1SLl储水池3.2控制系统的硬件设计3.2.1 系统主要配置的选型1 .水泵机组的选型根据系统要求的总流 量范围、扬程大小，确定供水系统设计流量和设计供水压力（水泵扬程）,考虑到用水量类型为 连续型低流量变化型，确定采用3台主水泵机组和1台辅助泵机组，型号及参数见表3-1。表3-1水泵型号及参数用水量/ ( m3 / h)扬程/ m水泵型号电动机功率/kw配用变频器/kw36310065LG50-205222224110050LG24-20511112.变频器的选型

40、根据控制功能不同， 通用变频器分为三种类型。普通功能型 u/f控制变频器，具有转矩控制 功的高功能型u/f控制变频器，矢量控制高 功能型变频器。供水系 统属泵类负载，低速运行时的 转矩小，可选用价格相对便宜的u/f控制变频器。综合以上因素，系统 选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型u/f控制方式的森兰变频器，型号BT12S22KWI,变频器内置PID控制模块，可用于闭环控制系统 ，实现恒压供水。其主要参数及性能介绍如下：额定容量：30KVA ;额定电压：380V;额定电流：45A;额定过载电流：额定电流的120%1分钟。配用制动电阻：30。3 . PLC的选型依据控制任务，从 PLC的输入1

41、输出点数、存储器容量、输入 l输出接口模块类型等方面等 来选择PLC型号。在供水系统的设计中，我们选 择三菱FX2N-32MR ,其I/O端子分配在3.2.4节 给出。FX2N-32MR 主要参数及特点：I/O点数：16/16;用户程序步数：4K;基本指令：27条；功能指令：298条；基本指令执行 时间：0.08微秒；通 信功能：强；输出形式：继电型；输出能 力：2A/点。4 .压力变送器及数显仪的选型选用普通压力表 Y-100和XMT-1270数显仪实现压 力的检测、显示和变送。 压力表测量范围 0-1MPa,精度1.5;数显仪输出一路4-20mA电流信号，送给变频器 作为PID调节的反馈电

42、信号， 可设定压力上下、限，通过两路继电器控制输出压力超限信号 。5 .其余器件型号表3-2器件型号表元件ii#>>备注自动开关DW10-200/3脱扣器150ADZ4-50/320脱扣器50A1个DZ4-25/320脱扣器25A1个接触器CJ10-607个熔断器RM10-100/801个RM10-200/1254个RM10-600/5001个按钮开关LA19-11规格：5 0 0 V14个指示灯XD624V,1.2W4红，8绿中间继电器DZ-53/22024V,2.5-5W14个高低水位控制器EQ1个主令控制器SA1个热继电器JR16-60/3D热元件32A, 45A1个32A,

43、 3个45A3.2.2 主电路方案设计三台大容量的主水泵(1#,2 #,3 #)根据供水状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，因此每台主水泵均要求通 过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联；辅助泵只运行在工频状态，通过一个接触器 接入工频。连线时一定要注意，保证水泵旋向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。QF1,QF2,QF3,QF4,QF5,QF6分别为主电路、变频器和各水泵的工频运行空气开关，FR1, FR2, FR3, FR4为工频运行时的电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器来实现电机过载保护。QF4KM6图3-2主电路图QF5KM7变频器的主电路输出 端子（U, V

44、, W）经接触器 接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机 转向不一致时，需要 调换输出端子（U,V,W）的相序，否则无法工作。变频器和电动机之间的配线长度应控制在100m以内。在变频器起动、运行 和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子 FWD（REV）来操作，不得以主电路空气开关 QF2的通断来 进行。为了改善变频器的功率因素，还应在变频器的（Pl, P+）端子之间需接入相应的 DC电抗器。变频器接地端子必须可靠接地，以保 证安全，减少噪声。图 3-2给出了供水系统电气控制主回路的主要联线关系。3.2.3 控制电路设计在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离的问

45、题。为了保护PLC设备，PLC输 出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在 PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器 ，通 过中间继电器控制 接触器线圈的得电/失电，进而控制电机或者阀门的动作。通 过隔离，可延长 系统 的使用寿命，增 强系统工作的可靠性。控制电路之中还要考 虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。变频器的输出端严禁和工频电源因此，在控制电路中相连，也就是说不允许一台电机同时接到 工频电源和变频电源的情况出现。多处对各主泵电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计；另外，变频器是按单台电机容量配置,不允许同时带多台电机运行，为此对各电 机的变频运行也作了互锁设计。为

46、提高互锁的可靠性,在PLC控制程序设计时，进一步通过 PLC内部的软继电器来做互锁。控制电路中还考虑了 电机和阀门的当前工作状态指示的设计,为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用 PLC输出端子的中间继电器的 相应常开触点的断开和 闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。出于可靠性及检修方 面的考虑，设计了手动/自动转换控制电路。通过转换关及相应的电路来实现。图3-3给出了供水系统的部份电气控制线路图。NSAkA， kA kA kA kA kA kASB11SB1n sb34 J t kA1SB5SB8中SB9- kA4 SB1时kA5SB1SB2kA

47、5kA3kA1kA2kA 二HL0kA1kA2FR1kA2 5SB6>=rkA5kA4kA3kA1kA3kA5kA1kA3 口kA4 mFR2kA6JISB13A kA6 j7 SB1<FkA7kA5Z3 kA6O kA7 口FR3FR4图3-3手动控制线路图图3-3中，SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动转换用中间继电器，打在位置为手 动状态，打在 位置KA吸合，为自动状态。在 手动状态，通过按钮 SB1-SB14控制各台泵的起停。在自动状态时， 系统执行PLC的控制程序，自动控制泵的起停。中间继电器KA的7个常闭触点串接在四台泵的手动控制 电路上，控制四台泵的手动运行。中

48、间继电器KA的常开触点接PLC的XO ,控制自动变频运行程序的执行。在自动状态时，四台泵在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行电动机电源的通断，由中间继电器KA1-KA7控制接触器KM1-KM7的线圈来实现。HLO为 自动运行指示灯。FR1, FR2, FR3, FR4为四台泵的热继电器的常闭触点，对电机进行过载保护。3.2.4 PLC的I/O端子分配及接线图PLC的I/O分配如表3-3。表3-3 PLC的I/O端子分配现场器件与接线段子I/O地址功能注释输入中间继电器KA常开触点X0自动/手动转换开关变频器Y2端子X1变频器输出频率极限信号远传压力表压力上限电接点X2压力下限到达信号远传

49、压力表压力下限电接点X3压力上限到达信号水池水位下限信号X4水池缺水接触器KM8常开X5变频器故障报警信号接触器KM9常开X15压力上下限报警信号变频器Y1X16变频器过载信号输出KA8线圈Y0实现运行/停止控制KA1线圈Y11#变频运行控制及指示KA2线圈Y21#工频运行控制及指示KA3线圈Y32#变频运行控制及指示KA4线圈Y42#工频运行控制及指示KA5线圈Y53#变频运行控制及指示KA6线圈Y63#工频运行控制及指示KA7线圈Y7辅助泵工频运行控制及指示KA10线圈Y10水池水位下限报警指示KA11线圈Y11变频器故障报警指示KA12线圈Y12水压上下报警KA13线圈Y13自动变频运行

50、指示KA14线圈Y14自动工频运行指示KA15线圈Y15变频器过载运行指示依据表3-3得FX2N-32MR的I/O 口的输入输出电路图，如图3-4。图3-4 PLC的接线图3.2.5 变频器功能设定及接线图表3-4变频器接线 及参数设置变频器端子现场器件与接线端子功能代码参数设定解释FWDKA8线圈Y1PLC 的 X16F334输出过载预报信号Y2PLC 的 X1F332输出频率到达信号CMPLC 的 COMPE接地端子IRF接压力传感器输入信号30A, 30BKM8线圈变频器故障总报警信号30PA, 30PBKM9线圈压力上下限报警信号F012频率由外控端子 IRF420mAF021外控FW

51、D,REV控制，STOP有效F031电动机停车方式自由制动F0450.00 Hz最大频率F06380V最高输出电压F102电子热保护，过载预报动作F1249.5Hz上限频率F1320.00 Hz下限频率F2110.00 Hz启动频率F271转向锁定，正向有效F503反馈方式模拟电流 420mAF444控制对象是压力表3-4中频率参数设置说明:(1)最大频率：水泵属于平方律负载，转矩T 8n2 ,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，变频器的最高频率只能与水泵额定频率相等。(2)上限频率：由于变频器内部具有转 差补偿功能，在50Hz的情况下，水泵在变频运行时

52、 的 实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了电动机的负载，因此实际预置得略低于额定频率。(3)下限频率：在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于基本扬程(实际扬程)，形成水泵 空转”的现象。所以，在多 数情况下，下限频率不能 太低，可根据实际情况适当调整。(4) 启动频率：水泵在启动前，其叶轮全部在水中，启动时，存在着一定的阻力，在从0Hz开始启动的一段频率内，实际上转不起来。因此，应适当预置启动频率值，使其在启动瞬间有一点冲击力。4 系 统 软 件 开 发4.1 PLC 控制程序的 设 计4.1.1 全 自 动 变频 恒 压 运行 方 式 水 泵运 行 状 态 及转换 过 程分 析1 转换过程分析启动自动变频运行方式时，首先起动辅助稳压泵工频运行供水，当用水量大，超过辅助泵最大供水能力而无法维持管道内水压时，PLC 通 过变频器启动1 号主水泵供水，同时关闭辅助泵的运行。在1 号主水泵供