基于PLC的变频恒压供水系统的设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要本文主要介绍了基于PLC控制的变频恒压供水系统的软硬件的设计。在设计之前，搜集和阅读了大量的有关恒压供水系统的资料，对系统有了一定的了解。设计中，先是介绍了恒压供水系统的目的，并通过供水系统中的各种特性曲线，看出供水系统的工作点，又进一步分析了恒压供水系统的节能原理。通过与传统的恒压供水方式的对比，做出更加可靠的供水方案，并弥补了传统恒压供水方式的可靠性差、自动化程度低、控制精度低等缺点。系统主要是采用PLC，变频器和PID调节器来进行控制，为了降低成本，选择了内置PI调节功能的变频器，这样即节约了成本的同时又使PI调节的运算更加的简便，操作简单，也提高了控制质

2、量。由于水泵属于平方性转矩负载，起动比较困难，所以每台水泵在起动是均采用变频软起的起动方式，在泵的切换问题上有进行了具体的分析。各个元器件的规格根据实际情况进行了相应计算，选择。在软件设计时，主要是根据方案设计的要求来进行程序设计，程序的运行流程图以及具体的一些参数设置在文中已经给出。文章最后给出了系统的控制程序，并通过实验的方法进行了模拟测试，已达到设计效果。 关键词：恒压供水 变频调速 变频器 PLC PID调节 专心-专注-专业目 录基于PLC的变频恒压供水系统的设计1前言随着经济的迅速发展，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

3、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;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，在节水节能己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、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程

4、度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压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。在传统的城市生活用水供水系统中，主要的供水方式是拖动水泵的电机以恒定转速运转，而供水需求的变化主要通过调节供水管道上的阀门来调节的供水方式。这种供水方式有以下问题:1）浪费电能。在一天中的不同时间段，生活用水的需求量变化比较大。在用水低峰时，电机仍然以和用水高峰时同样的、恒定的转速运转，浪费了电能。2）水资源的浪费。在用水低峰时，管网压力较

5、大，由于管道泄漏、公厕用水等造成水资源浪费严重。3）用水高峰时，由于管道流量的增大，有可能造成管网压力不足，而使得高层用户出现断水或水压不足的情况。4）存在水锤效应，对管网的破坏较大。随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往供水设备。它起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击。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；可以消除起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具有重要的现实意义1,2,。因此，

6、研究变频恒压供水系统的意义在于提供一种经济，节能，稳定且高品质的供水方案。1.2 变频恒压供水系统的国内外展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、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4。随着

7、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Samco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

8、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(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw22kw) ,无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的

9、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5。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 课题的来源以及本文要研究的内容 1.3.1 课题的来源 本课题源于日常生活中的生产及高层用户的用水。传统

10、的供水方式在用水高峰期时，楼层高的用户总是会出现无水的现象；低峰期时，供水压力又很大形成浪费资源。通过研究恒压供水来满足现代居民用水需求。1.3.2 本课题主要研究的内容采用PLC和变频器结合的方式，基于PLC控制，由压力传感器检测管网压力信号与系统的给定信号进行比较，经PID调节以后控制变频器的输出，自动调节水泵电机转速，保持供水压力的恒定，根据实际压力大小自动控制投入水泵的台数，在用水量的高峰和低谷都能满足系统的需要。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，说明恒压供水系统的节能原理；并通过系统原理图（或构成图）、控制过程示意图、变频器和PLC接线图、

11、程序流程图等形式来表达设计内容。 2变频恒压供水系统简介 2.1 恒压供水的目的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，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水流量之间的平衡情况有关: 供水能力用水流量，则压力上升; 供水能力用水流量，则压力下降; 供水能力用水流量，则压力不变。 这里所说的供水能力，是指水泵能够提供的流量，其大小取决于水泵的泵水能力及管道的管阻情况;而用水流量则是用户实际使用的流量，取决于用户。由于在同一个管道里，流量具有连续性，并不存在“供水流量”与“

12、用水流量”的差别。因此，供水能力与用水流量之间的差异具体地反映在流体压力的变化上。 从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了使该处的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，这就是恒压供水所要达到的目的6。2.2 供水系统的基本特点2.2.1 供水系统的基本模型 图2-1是一个生活小区供水系统的基本模型。水泵将水池中的水抽出来，并上扬至所需高度，以便向生活小区供水。2.2.2 供水系统的主要参数1) 流量 是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，符号是Q，常用单位是m3/m

13、in。2) 扬程 是单位重量的水被水泵上扬时所获得的能量，称为扬程。符号是H，常用单位是m。扬程主要包括三个方面:a.提高水位所需的能量；b.克服水在管路中的流动阻力（管阻）所需的能量；c.使水流具有一定的流速所需的能量。由于在同一个管路中，上述的b和c是基本不变的，在数值上又相对较小。可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。因此，在同一管路内进行分析时，常常简略地把水从一个位置“上扬”到另一位置时水位的变化量（即对应的水位差），用来代表扬程。3) 全扬程 也叫总扬程，或水泵的扬程,是水泵的泵水能力的物理量。包括把水从水池面上扬到最高水位的所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需

14、的能量，符号是。在数值上等于：在管路没有阻力，也不计流速的情况下，水泵能够上扬水的最大高度，如图2-1 a)所示。生活小区实际扬程(m)流量 Q全扬程（m）泵水压力P泵泵水面吸入口水 池扬程损失 水流速度摩擦损失 a） b )图2-1 供水系统的基本模型a) 全扬程的概念 b) 基本模型4) 实际扬程 即通过水泵实际提高的水位所需的能量，符号是。在不计损失和流速的情况下，其主体部分正比于实际的最高水位与水池水面之间的水位差，如图2-1 b)所示。5) 损失扬程 全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程，符号是。、和之间的关系是： =+ (2-1)6) 管阻 表示管道系统（包括水管、阀门等等）对水流阻

15、力的物理量，符号是R 。因为不是常数，难以简单地用公式来定量地计算，通常用扬程与流量的关系曲线来描述，故对其单位常不提及。7) 压力 是供水系统中某个位置（某一点）水压的物理量，符号是P 。其大小在静态时主要解决与管路的结构和所处的位置，在动态情况下，则还与供水流离与用水流量之间的平衡情况有关6。2.3 变频调速原理变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定

16、子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为: =1-() (2-2)异步电机的同步转速为: =60 (2-3)异步电机的转速为: =60(1- )/ (2-4)其中 为异步电机的理想空载转速;为异步电机转子转速;是异步电机的定子电源频率;为异步电机的极对数。从上式可知，当极对数不变时，电机转子转速与定子电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速7。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此

17、，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。2.4 水泵调速运行的节能原理2.4.1 供水系统的特性与工作点1) 扬程特性 以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某一转速下，全扬程与流量间关系的曲线=，称为扬程特性曲线，如图2-2中的曲线所示。在供水系统中水泵是供水的“源”，因此，扬程特性可以看成是“水源特性”，或者说，是“水源”(即水泵)的外特性。用户用水越多(流量越大)，管道中的磨擦损失也越大，供水系统的全扬程就越小。 因此，扬程特性反映了用户的用水状况对全扬程的影响。流量的大小取决于用户，是“用水流量”，用表示。 0DGHA2) 管阻特性 以水泵

18、的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，全扬程与流量间关系的曲线=，称为管阻特性曲线，如图2-2中的曲线所示。 图 2-2 供水系统的基本特性管阻特性是表明由管阻(阀门开度)来控制供水能力的特性曲线。流量大小取决于阀门的开度，是由供水侧决定的。故管阻特性的流量，可以认为是“供水流量”，用来表示。 当供水流量接近于0时，所需的扬程等于实际扬程(=)。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，如图 2-2中之A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

19、平衡状态，系统稳定运行。 如阀门开度为100%、转速为100% ，则系统处于额定状态，这时的工作点称为额定工作点，或自然工作点，如图中之A点即是。 4) 供水功率 供水系统向用户供水时所消耗的功率称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比: (2-5)式中，是比例常数。 由图 2-2可以看出:供水系统的额定功率与面积ODAG成正比6,8。2.4.2 调节流量的方法与供水功率 如上述，在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。 1) 阀门控制法 即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变(通常为额定

20、转速)。阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来“强行”改变流量，以适应用户对流量的需求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。如图2-3所示，设用户所需流量为额定流量的60%(即60%)，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线，而扬程特性则仍为曲线0转速下降额定转速阀门全开阀门关小扬程特性管阻特性EDCBAFGHP 图 2-3 调节流量的方法与比较，故供水系统的工作点移至B点，这时:流量减小为(即);扬程增加为;由式(2-5)知，供水功率与面积OEBF成正比。2) 转速控制法 即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

21、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。仍以用户所需流量等于60%为例，当通过降低转速使60%时，扬程特性为曲线，管阻特性则仍为曲线，故工作点移至C点。这时:流量减小为(即);扬程减小为;供水功率与面积OECH成正比。 3) 两种方法的比较 比较上述两种调节流量的方法，可以看出:在所需流量小于额定流量(100%的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差P便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积HCBF(图中的阴影部分)成正比。这是变频

22、调速供水系统具有节能效果的最基本的方面9,10。2.4.3 从水泵的工作效率看节能1) 工作效率的定义 水泵的供水功率与轴功率之比，即为水泵的工作效率，符号是: (2-6)这里，水泵的轴功率是指水泵轴上的输入功率(电动机的输出功率)。而水泵的供水功率是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。2) 水泵工作效率的近似计算公式 据有关资料介绍，水泵工作效率相对值的近似计算公式如下： ()-() (2-7)式中，、分别为效率、流量和转速的相对值; 、均为常数，由制造厂家提供。与之间，通常遵循如下规律：-=1 3) 不同控制方式时的工作效率 由式(2-7)可知，当通过关小阀门来减小流

23、量时，由于转速不变，=1，比值/，可见，随着流量的减小，水泵工作效率的降低是十分显著的。 而在转速控制方式时，由于在阀门开度不变的情况下，流量和转速是成正比的，比值/不变。采用转速控制方式时，水泵的工作效率总是处于最佳状态。 所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，水泵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。 2.4.4 从电动机的效率看节能 在设计供水系统时，由于:1) 对用户的管路情况无法预测;2) 管阻特性难以准确计算;3) 必须对用户的需求留有足够的余地。因此，在决定额定扬程和额定流量时，通常余量较大。 所以，在实际的运行过程中，即使在用水流量的高峰期，电动机也

24、常常处于轻载状态，其效率和功率因数都较低。采用了转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适当降低转速。由于电动机在低频运行时，变频器具有能够根据负载轻重调整输入电压的功能，从而提高了电动机的工作效率。 这是变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。 3恒压供水系统的方案设计3.1 变频控制恒压供水控制方式分析 水泵消耗功率与转速的三次方成正比。即=;：为水泵消耗功率；：为水泵运行时的转速；：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

25、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%11。目前国内除采用落后继电接触器控制方式外，大致还有以下三类： 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。 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。 3

26、) 带PID回路调节器和/或可编程序控制器（PLC）的控制方式  该方式变频器的作用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。系统自动地进行调节管网的压力，但PID控制信号的产生和输出就成为降低供水设备成本的一个关键环节。3.2

27、PID调节器的作用 下面以一个不带PID调节功能的简单恒压供水系统为例来说明PID在恒压供水系统中的作用。恒压供水系统框图，如图 3-1所示。由图知，变频器有两个控制信号:1) 目标信号 即给定端VRF上得到的信号，该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。目标信号也可以由键盘直接给定，而不必通过外接电路来给定。 2) 反馈信号 是压力变送器RS反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。 3) 目标信号的确定 目标信号的大小除了和所要求的压力的控制目标有关外，还和压力变送器RS的量程有关。举例说明如下: 设用户要求的供水压力为0.3MPa，压力变送器RS的量程为(01)M

28、Pa。则:目标值应设定为30% 。系统的工作过程如下： 如管网的压力P超过了目标值，则>(-)<0 变频器的输出频率电动机转速管网压力P直至与所要求的目标压力相符()为止。反泵RSM当前值目标值UVW5VVRFGNDVPF压力 P 图 3-1 恒压供水系统框图之，如管网的压力P低于目标值，则<(-)>0变频器的输出频率电动机转速管网压力P直至与所要求的目标压力相符()为止。上述工作过程存在着一个矛盾：一方面，我们要求管网的实际压力应无限接近与目标压力 (-)0；另一方面，变频器的输出频率又是由和相减的结果来决定的。如果把(-)直接作为给定信号的话，系统将是无法工作的。3

29、.2.1 比例增益环节解决上术矛盾的方法是：将(-)进行放大后再做为频率给定的信号：=(-) (3-1)式中 为放大倍数。上述关系如图3-2 所示。由于是(-)成正比地放大的结果，显然，越大，则：(-)= (3-2)G越小， 越接近于。图 3-2 比例放大前后各量的关系和之间总会有一个静差，且只能是无限接近与，却不能等于，所以静差值应该越小越好。显然，比例增益(）越大，静差越小，如图3-4 a)所示。在专用的PID调节器中，比例增益的大小常常是通过“比例带”来进行调节的，就是按比例放大的区域，用P表示（等于），如图3-3所示。Y0大a)XY0P小P大比例带b)小X图3-3 比例与比例带a）输入

30、与输出的比例关系 b）比例带的概念由图知，比例带（P）月小，相当于比例增益（）越大。但在几乎所有的变频器内置的PID调节功能中，都是直接预置比例增益的。比例增益环节的引入，又出现了新的矛盾：为了减小静差，应尽量增大比例增益，但由于系统的惯性，因此，太大了，又容易引起被控量（压力）忽大忽小，形成振荡，如图3-4 b）所示。3.2.2 积分环节 引入积分环节的目的是：1) 使给定信号的变化与乘积(-) 对时间的积分成正比。尽管(-)一下子增大（或减小）了许多但只能在“积分时间”内逐渐地增大（或减小），从而减缓了的变化速度，防止了振荡。积分时间越长，的变化越慢。小大大小0a) P调节0tb) 振荡t

31、0c) PI调节0td) PID调节图3-4 P、I、D的综合作用示意图a) P调节 b) 振荡现象 c) PI调节 d) PID调节2）只要偏差不消除(-0)，积分就不会停止，从而能有效地消除偏差，如图3-4 c)所示。因为积分环节是在比例增益较大时用于防止振荡的，故两者总是同时应用，而称为PI调节。但积分时间（I）太长，又会发生在被控量积聚变化是，难以迅速恢复的情况。3.2.3 微分环节微分环节的作用是：可根据偏差的变化趋势，提前在短时间内给出较大的调节动作，从而缩短调节时间，克服了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点，如图3-4 d)所示。微分环节总是和PI同时使用，称为PID调节12,13

32、。3.3 采用外置PID与变频器内置PID恒压供水方案的对比3.3.1 传统的变频调速恒压供水设备设计方案 传统的变频调速恒压供水设备往往采用图3-5所示的设计方案。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讲，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/输管网PID调节器PLC变频器M压力传感器压力设定控制信号变频信号反馈信号A/D图3-5 传统的恒压供水方案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

33、制器输出的数字量信号转变为控制变频器转速的模拟信号，造成可编程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。3.3.2 新型变频调速供水设备的解决方案 针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如ABB公司的ACS600、ACS400系列产品，富士公司的G11S/P11S系列及施耐德公司的Altivar 28/31

34、等产品。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。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11。图3-6中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AIC、COM，而压力设定既可以使用变频器的键盘以数字量的形式设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入AI1、COM。这样通过变频器的控制面板，在变频器的PID选项中选择合适的PID参数，并经过现场调试校正，设备就可以正常运行了。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

35、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PLC压力传感器变频器PID控制信号变频信号压力设定管网M图3-6 新型的恒压供水方案馈信号值的准确、不失真，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。3.4 恒压供水设计方案的确定 通过以上供水方案的分析对比，又由于供水系统要适应生活小区用水、工业用水以及消防等多种场合的供水，为了系统能够更加可靠的运行工作，实现恒压供水的目的，系统采用PLC作为主控制器进行闭环控制。采用压力传感器进行实时检测，并将检测到的管道水

36、压信号经过转换后传送给变频器内置的PID调节器，PID调节器将此信号与给定值进行比较后，经过一系列的运算将输出一个标准的控制信号给变频器，变频器根据调节器输出信号的变化来改变其输出频率，进而改变水泵电机的转速，以此来控制出水量的大小。由于变频器的输出频率在050范围内连续可调，当用水量较小时，水泵维持低速运行；当用水量增大致使压力降低时，变频器输出频率上升。当频率输出到上限时,系统判断是否加泵，自动调节出口水量，使压力始终在设定值附近波动并最终达到设定值，从而实现了恒压力供水自动控制的目的。3.4.1 系统功能1) 系统采用1控3的方式（也就是说用一台变频器轮流控制3台水泵），3台水泵并联进行

37、供水，1#、2#泵有变频有工频，3#泵只有变频，且3#泵在变频状态足以满足供水的需要。加泵减泵时采用先起先停的原则。2) 系统设有手动、自动两种控制模式:在手动方式下，由工人根据压力表显示的情况，进行手动启动，并且可以设定由工频运行还是变频运行手动模式；在自动方式下，完全根据压力设定值进行自动循环起停泵操作。    3) 可以根据需要，设定压力值，系统的响应速度快，稳定性好。4) 在供水系统中由于存在水锤效应，必须确保每台泵的的起动为变频软起以消除水锤效应。5) 具有报警显示功能, 系统应设有故障报警信号，确保能够在第一时间得到故障信息，及时处

38、理。同时设置各种保护功能，如液位下限、过流保护、过压保护、过载保护、欠压保护等。3.4.2 系统的加泵减泵条件分析尽管通用变频器的频率都可以在0400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。水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加。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，最高也只能在50时进行。但变频器在50下运行时，还不如直接在工频下运行为好，以减少变频器本身的损失。因此，将上限频率设置为49是适宜的。49成为频率调节的上限频率。当变频器的输出频率己经到达49时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够

39、再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，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0。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降低到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，水泵就已经抽不出水了，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0，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20左右。由于在变频运

40、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11,14。4变频恒压供水系统的软硬件设计4.1 系统的硬件组成及选择 通过对前一章的方案分析，本设计中所用到的主要硬件有：PLC及模拟量模块，变频器（内置PID调节），压力传感器，液位传感器，3台水泵及低压控制设备等。如图 5-1结构示意图所示。变频器（PID）水泵电机压力传感器控制回路 PLC（A/D）变频信号液位信号故障信号控制信号图5-1 系统的结构示意图4.1.1 系统的硬件选择 1) 水泵容量的选择 选择水泵时，需要根据水泵的流量、供水量、水泵扬程及所需压力来确定水泵的型号。一般而

41、言，水泵机组的额定电流和扬程与实际计算不会完全一致。因此，在选择水泵的容量时，应按略高于计算值的10%15%来确定流量与扬程10。2) 电动机容量的选择 电动机的容量可根据水泵的轴功率来选择，具体型号见有关标准。如：某小区总人数为4000人，用水标准按每人200L/d计（若不考虑消防蓄水量及消防用水），参数如下：地面距楼顶高度为20.3米，假定管路的水头损失为3米，则供水压力为0.6Mpa。日用水量为： =4000×200=800m3/d；最大小时用水量： =800×2.5/24=83m3/h；其中：最高日用水量 (l/d); 用水单位数(人·天);用水定额(l/

42、人·日);最大小时用水量(l/h); 建筑内用水时间;时变化系数;供水功率的计算： = 0.8*23.3*1.38= 25.8 kw式中，是比例常数。系统采用3台泵供水，则每台水泵的供水功率：=25.8/3*1.1510 kw实际应用中则根据计算出的数据选择相同容量水泵即可，所以选择10 kw容量的水泵。选择电动机时则需要根据实际电动的的容量标准进行选择，经查阅资料，可以选择11 kw的Y160M-4型，转速为1450r/min的三相水泵电机。3) 变频器的选择风机类、泵类负载是工业现场应用最多的设备，变频器在这类负载上的应用最多。它是一种平方转矩负载。一般情况下，具有/const控

43、制模式的变频器基本都能满足这类负载的要求。选择变频器的容量时保证其稍大于或等于电动机的容量即可；同时选择的变频器的过载能力要求也较低，一般达到120/min即可。但在变频器功能参数选择和预置时应注意，由于负载的阻转矩与转速的平方成正比，当工作频率高于电动机的额定频率时，负载的阻转矩会超过额定转矩，使电动机过载。所以，要严格控制最高工作频率不能超过电机额定频率。泵类负载在实际运行过程中，容易发生水锤效应，所以变频器选型时，在功能设定时要针对这个问题进行单独设定，可以考虑内置PID功能的变频器，由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，省去了对PID算法的编程，所以使水压的调节十分平滑稳定。

44、比如针对上述水泵电机的容量，可以选择容量11 kw的施耐德Telemecanique ATV31型三相变频器。它内置PI 调节器，拥有多种故障保护能，够有效地对电机和系统实施全面地保护，宽电压输入，同时实际额定值还高于IEC/NEMA的设计标准，产品的最大过载能力为150额定电流/60s，180额定电流/2s。在使用时，客户可以通过设置电机热保护(IEH)的范围对保护功能的敏感度进行设置，内置多种电机加减速曲线，保证系统的平滑运转15。 4) PLC的选择 PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优的机型。通常做法是，根据控制系统的要求确定

45、所需要的I/O点数时，应再增加 10%20%的备用量，以便随时增加控制功能。在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC，其他情况则最好选用模块式结构的 PLC。对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求16,17。 本系统是一个简单闭环控制系统，用到了模拟量检测变频器的状态。选择施耐德的Modicom TSX Neza PLC，其 CPU单元：12点输入 / 8点输出，最多可通过3块12点输入，8点输出扩展至80点，模拟量扩展单元：4路AD ,

46、 2路DA，支持Modbus通讯。 编程：中文化界面，Windows平台，梯形图，指令表编程语言18，允许简单编程，语言自然，符合思维习惯。5) 压力传感器的选择压力传感器的输出信号是随压力而变的电压或电流信号。当距离较远时，应取电流信号，以消除因线路压降引起的误差。通常取420mA，以利区别零信号和无信号(零信号:信号系统工作正常，信号值为零;无信号:信号系统因断路或未工作而没有信号)。选择时还要注意所需压力的大小来选择适当量程的压力表，以免造成浪费，否则设定值的大小也不一样。供水系统中，管出口的距离总是距控制地较远，根据给出的条件,可以选择反馈量为420 mA的电流信号，量程为01Mpa的

47、压力传感器做为反馈元件。其他器件的选择则根据实际情况进行选择即可。4.1.2 系统主回路原理图系统是采用PLC来控制，所以这里只需要考虑系统的主回路的构成。如图5-2所示。L1变频器M1M2M3KM1FR1KM2KM3KM4FU2FU1QSKM5FR2L2L3UVWU V W图5-2 系统主回路原理图4.2 系统的软件设计PLC控制程序是采用施耐德公司提供的Modicom TSX Neza 可编程控制器PL707WIN编程软件开发的。该软件的指令集包含两种语言，即指令表(STL)语言和梯形图(LAD)语言18。4.2.1 PLC软件设计PLC控制程序由自动程序和手动程序构成，系统一般工作在自动

48、方式下，手动方式是为了方便系统的调试和备用。程序的编制在计算机上完成，编译后通过通讯电缆把程序下载到PLC。控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。系统主程序的运行： 系统运行主程序首先进行初始化工作，并使扩展模块、变频器等设备与PLC的数据传输正常。系统运行过程中随时进行故障检测，以防止设备损坏和意外发生;当出现故障时，及时显示并进行报警输出，方便维修人员维修，有利于系统恢复正常工作。无故障情况下，系统自动启动后，进行恒压控制。基本工作过程如图5-3程序流程图所示。 系统在自动运行的过程中，加减泵是按照前一章所分析的加减泵的条件进行的，但在满足其条件时还要

49、采用定时器（TIM）对其进行必要的判断以免造成泵的频繁切换。具体过程为：加泵条件，在变频器输出频率到达上限，延时5s进行判断，条件满足时切变频为工频，同时下一台泵变频起动；条件不满足时依然保持原变频状态。减泵条件，在变频器输出频率到达下限，延时3s进行判断，条件满足切除变频泵，并将工频泵切为变频运行。系统在手动方式下可以任意选择运行状态：变频还是工频。选择工频运行时，考虑到水锤效应，总是先通过变频起动，等到频率上升到上限时切段变频，延时2s后在转为工频，以免因时间过短对变频器造成回流，损坏变频器。因都需要变频，所以变频状态下只允许一台泵运行19。1#工、2#变压力给定Y<49Hz20HzNYNNY1#工、2#工、3#变压力给定YN20HzYN开始PLC运行？报警？YYNN停止？YN自动？Y手动1#变频压力给定YN<49HzYN停 止结 束N初始化图5-3 程序流程图4.2.2 PLC I/O分配表 表4-1 PLC I/O分配表输 入注释输出注释I0PLC的运行/停止Q0变频器输出信号I1手动/自动 切换Q1手动信号I2停止Q2自动信号I31#手动变频Q31#变频信号I41#手动工频Q41#共频信号I52#手动变频Q52#变频信号I62#手动工频Q62#共频信号I73#手动变频Q73#变频信号I8水位下限报警Q1.0水位下限报警信号I9变频