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变频器在供水系统中应用
摘要
随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。
城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。
随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。
本文阐明了供水系统的变频调速节能原理；具体分析了变频恒水压供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，得出结论:
变频调速是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。
因此本文以采用变频器和PLC组合构成系统的方式，逐步阐明如何实现水压恒定供水。
关键词：
变频器；PLC；恒压供水；
ABSTRACT
AsChina'ssocialandeconomicdevelopment,urbanconstructionanddevelopmentveryquickly,butalsotheconstructionofinfrastructurefacilitieshasputforwardhigherrequirements.Citywatersupplysystemconstructionisoneoftheimportantaspectsofthewatersupplyreliabilityandstability,theeconomyofadirectimpactontheuser'snormalworkandlife.Aspeopleonthewaterqualityandwatersupplysystemsinthecontinuousimprovementofreliabilityrequirements,theuseofadvancedautomationtechnology,controltechnologyandcommunicationtechnology,designahigh-performance,high-energy,watersupplyplantstoadapttothecomplexenvironmentofconstantpressurewatersupplySystemsbecomeaninevitabletrend
Inthispaper,clarifythewatersupplysystemforenergy-savingFrequencyControlPrinciple;specificanalysisofthefrequencyoftheprincipleofconstantpressurewatersupplysystemandthecompositionofthestructure,throughresearchandcomparison,concluded:
FrequencyControlisthehighestinternationalone-effectiveness,performance,thebestandmostwidely,themostThefuturedevelopmentoftheMotortechnology.ThereforethispapertoadopttheinverterandPLCcombinationofasystematicapproachtoasmallresidentialareapumpmotorcontrolsystemforthetarget,andgraduallyclarifiedhowtoachieveaconstantsupplypressure.
Keywords：
Inverter;PLC;ConstantpressureWaterSupply;
第一章绪论
1.1课题背景
在城市化进程迅速的今天，城市的居住形式主要是生活小区，那么小区供水系统的建设就显得尤为重要。
供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作。
假定一栋楼有10层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。
因此，自来水厂通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。
传统的供水方式如水塔高位水箱供水，单片机变频调速供水系统等都存在不同程度浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。
目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展。
变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出。
应用变频器恒压供水，因为水箱能大幅度减小，因此能有效地减小楼房的负载，由于减小了供水水箱和楼房的负荷，何以节约工程造价，相应地也扩大了楼房的面积。
由于采用了变频调速，减小了供水水泵的频繁启动，可以使水泵工作在高效状态，从而可以节约能源，减小对电网的冲击。
由于电动机所消耗的功率与转速的立方成正比，因此可以获得较好的节能效果。
二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击。
三是用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
变频恒压供水的调速系统可以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，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今较合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证供水质量等尤其重要。
PLC变频恒压供水系统是集变频技术、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，同时该系统还具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高供水质量、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
1.2国内外变频供水系统现状
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。
目前，国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。
国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。
这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。
此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。
国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。
但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。
目前,就国内变频恒压供水现状而言，归结起来主要采用以下三种方法:
（1）水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点
这种方式是集中供水。
对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。
一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。
主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。
恒压变频供水是较为理想和先进的。
首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。
各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。
如图1-1所示。
图1-1恒压变频供水系统
（2）水池－水泵－高位水箱－用水点
此方式也是集中供水。
单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。
一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。
该方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。
（3）单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点
此方式已简化为单元总水表进水。
单元水箱和单元增压泵实际上是一个整体，我们称之为单元增压器。
由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。
1.3课题的建立以及本文完成的主要工作
本文主要包括以下内容：
本设计是以PLC控制为基础，通过变频器实现恒压供水。
设计思路主要是恒压供水，正常供水时关闭消防供水网，当发生火灾时，关闭生活供水网，水泵全部用于消防供水。
本文首先介绍了课题的研究背景，第二章详细介绍了变频器的工作原理及应用，第三章是恒压供水系统的硬件选型和电气接线图，第四章是PLC程序设计，第五章为设计总结。
第2章变频技术介绍
2.1什么是变频器
变频器至今并无确切的定义，但按其作用可理解为改变电动机电源频率值及电压值的自动化电气装置（或设备）。
变频器由电力电子器件（如IGBT模块）、电子器件（集成电路、开关电源、电阻、电容）、微处理器（CPU）等组成，接在电源输入端（L1，L2，L3）和电动机输入端（U，V，W）之间（见图2-1）。
功率范围：
0.75～500KW（大于此功率值建议选用高压电动机及高压变频器）。
频率范围：
0～400HZ（指通用变频器），0～120HZ（指水泵、风机用的变频器）。
电压范围：
0～380V（或440V、600V，指低压变频器）。
图2-1变频器在电路中的位置
2.2变频器的分类
2.2.1交-直-交变频器
交-直-交电压型变频器是通用变频器的主要形式，根据变频器输出频率和电压的控制方式的不同，交-直-交变频器可分为三种：
用可控整流器高压、逆变器调频的交-直-交变频器；
用二极管整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的交-直-交变频器
用二极管整流、PWM逆变器同时调频调压的交-直-交变频器。
其结构形式如图2-2所示。
图2-2交-直-交变频器的三种结构形式图
前两种变频器有两级可控功率级，第一级完成调压任务，第二级完成调频任务，调压、调频分别进行；后一种只有一级可控功率级，调压、调频均由逆变器完成。
与前两种相比，后一种有以下优点：
工频交流电经二极管整流和中间电容滤波后供PWM逆变器逆变，电网波形畸变小，功率因数高。
PWM逆变器是通过改变脉冲宽度来改变电压的，而且变频、变压同时进行，故这种逆变器动态响应特性好。
PWM逆变器输出电压脉宽按正弦规律变化，交注电动机电流波形接近正弦波，输出的谐波分量小，电动机脉动转矩小，运行平稳。
2.2.2交-交变频器
交-交变频器可直接将电网频率交流电变成频率可调交流电，无需中间直流环节，从而可改善整个变频装置的变换效率。
又由于交-交变频器中晶闸管可利用交流电网实现电源换流，无需换流电路，简化了变频器结构。
这种变频器在大容量低速同步电机的无齿轮传动中，大型绕线式异步电动机的超同步调速中，以及航空电源中的变速恒频发电系统上得到了广泛应用。
交-交变频器输出的每一相都是由两组晶闸管整流器反并联的可逆线路构成，如图2-3所示。
图2-3交-交变频器一相电路及输出波形
图中，图（a）电路接入了足够大滤波电感L，输出电流近似方波，称为电流源型；图（b）中两组整流器直接反并联，构成电压源型电路。
当正组工作在整流状态时，反组封锁，负载上电压
为上正下负；当反组处于整流状态而正组封锁时，
为上负下正，使负载上得到交流电压，如图（c）所示。
若以一定频率控制正组和反组整流器切换频率的交流电压。
由于交-交变频器输出的交流电压是经晶闸管整流后获得，因此其输出频率不能高于电网频率。
通常，最高输出频率限制为电网频率的
～
。
根据输出波形的不同，交-交变频器可分为
导通型的方波电流源变频器和
导通型的正弦波电压源型变频器。
2.3变频器的额定值和技术指标
2.3.1变频器的额定值
2.3.1.1输入侧的额定值
中小容量通用变频器输入侧的额定值主要指电压和相数。
在我国，输入电压的额定值（指线电压）有3相380V、3相220V（主要指进口变频器）、单相220V（主要是家用电器中的中小容量变频器）三种，此外，输入侧电源电压的频率一般规定为工频50HZ或60HZ。
2.3.1.2输出侧的额定值
输出电压
。
由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。
在大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。
通常，输出电压的额定值总是和输入电压相等。
输出电流
。
指允许长时间输出的最大电流，是用户在选择变频器时的主要依据。
输出容量
。
取决于
和
的乘积。
（2-1）
配用电动机容量
。
对于变频器说明书中规定的配用电动机，其容量说明如下：
它是根据下式估算的结果：
（2-2）
式中：
—电动机的效率；
—电动机的功率因数。
由于电动机容量的标称值是统一的，而
和
值不一致，所以配用电动机容量相同的变频器，品牌不同，其输出容量常常不同。
说明书中的配用电动机容量，仅对长期连续负载才是最适合的，对于各种变动负载，则不适用。
过载能力。
变频器的过载能力是指允许其输出电流超过额定电流的能力，大多数变频器都规定为150%
、1
。
2.3.2变频器的性能指标
变频器的性能就是通常所说的功能，这类指标是可以通过各种测量仪器工具，在较短时间内测量出来的，这类指标是IEC标准和国标所规定的，出厂所需检验的质量指标。
用户选择几项关键指标，就可知道变频器的质量高低，而不是单纯看是进口还是国产，是昂贵还是便宜。
以下是变频器的几项关键指标。
在0.5HZ时能输出多大的起动转矩。
比较优良的变频器在0.5HZ时能输出200%高起动转矩（在22KW以下，30KW以上输出180%的起动转矩）。
具有这一性能的变频器，可根据负载要求实现短时间平稳加减速，快速响应急变负载，及时检测出再生功率。
频率指标
变频器频率指标包括频率范围、频率精度和频率分辨率。
频率范围以变频器输出的最高频率
和最低频率
标示，各种变频器的频率范围不尽相同。
通常，最低工作频率约为0.1～1HZ，最高工作频率约为200～500HZ。
频率稳定精度也称频率精度，是指在频率给定值不变的情况下，当温度、负载变化，电压波动或长时间工作后，变频器的实际输出频率与给定之间的最大误差与最高工作频率之比。
对于数字设定式的变频器，频率分辨率决定于微机系统的性能，在整个调频范围（如0.5～400HZ）内是一个常数（例如
0.01HZ）。
对于模拟设定式，频率的分辨率还与频率给定电位器的分辨率有关，一般可以达到最高输出频率的
0.05%。
速度调节范围控制精度和转矩控制精度
现在变频器速度控制精度能达到
0.005%，转矩控制精度能达
3%。
在低转速时的脉动情况
低转速脉动情况是检验变频器好坏的一个重要标准。
有的高质量变频器在1HZ时的转速脉动只有1.5
。
此外，变频器的噪声及谐波干扰、发热量等都是重要的性能指标，这是指标与变频器所选用的开关器件及调制频率和控制方式有关。
用IGBT和IPM制成的变频器，由于调制频率高，其噪声很小，一般情况下连人的耳朵都听不见，但其高次谐波始终存在。
如果采用控制方式较好，也可减少一些谐波量。
2.4使用变频器的目的及效果
变频器的应用范围很广，凡是使用三相交流异步电动机电气传动的地方都可装置变频器，对设备来讲，使用变频器的目的无非有三个：
对电动机实现节能使用频率范围为0～50HZ，具体值与设备类型、工况条件有关。
对电动机实现调速使用频率范围为0～400HZ，具体值按工艺要求而定，受电动机允许最大工作频率的制约。
对电动机实现软件起动、软制动频率的上升或下降，可人为设定时间、实现起动、制动平滑无冲击电流或机械冲击。
变频器的使用可节省电能，降低生产成本，减少维修工作量，给实现生产自动化带来方便和好处，应用效果十分明显，对产品质量、产量、合格率都有很大提高。
第3章恒压供水控制系统的总体设计
3.1系统概况
本文是针对某生活小区实际情况，结合用户生活/消防双恒压供水控制的要求而设计的。
如图3-1所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动向水箱注水。
水池的高低水位信号也直接送给PLC，作为水位报警。
为了保持供水的连续性，水位上、下限传感器高低距离较少。
生活用水和消防用水共用四台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，四台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。
当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，四台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。
火灾结束后，四台泵改为生活供水使用。
图3-1系统供水图
3.2设备选型
3.2.1JD-BP32-XF型供水变频器
JD-BP32-XF型是山东新电子公司推出的专用于供水变频器，使用空间电压矢量控制技术适用于各类自控场合。
在恒压供水中可以采用这类变频器。
JD-BP32-XF型变频器除具有变频器的一般特性外，还具有以下特性：
水压高、水压低输出接口，变频器运行上限、下限频率（可以任意设定），可以方便地进行双压力控制，内置智能PID控制，以上功能非常适用于供水控制要求。
在本例中选用JD-BP32-22F（22KW）供水变频器拖动用户水泵。
下图为接线图：
图3-2变频器接线图
3.2.2PLC模块
（1）控制系统的I/O点及地址分配
根据图1所示及控制要求,统计控制系统的输入、输出信号的名称，代码及地址编号如下表1所示。
水位上、下限信号分别为I0.1、I0.2。
输入输出点/代码及地址编号表1
名 称
代 码
地址编码
输入信号
手动和自动消防信号
SA1
I0.0
水池下限信号
SLL
I0.1
水池上限信号
SLH
I0.2
变频器报警信号
SU
I0.3
消铃按钮
SB7
I0.4
试灯按钮
SB8
I0.5
水压低信号
SY1
I0.6
水压高信号
SY2
I0.7
输出信号
输出信号
1#泵工频运行接触器及指示灯
KM1,HL1
Q0.0
1#泵变频运行接触器及指示灯
KM2,HL2
Q0.1
2#泵工频运行接触器及指示灯
KM3,HL3
Q0.2
2#泵变频运行接触器及指示灯
KM4,HL4
Q0.3
3#泵工频运行接触器及指示灯
KM5,HL5
Q0.4
3#泵变频运行接触器及指示灯
KM6,HL6
Q0.5
4#泵工频运行接触器及指示灯
KM7,HL7
Q1.0
4#泵变频运行接触器及指示灯
KM8,HL8
Q1.1
生活/消防供水转换电磁阀、压力转换
YV2,KA1
Q1.2
水池水位下限报警指示灯
HL5
Q1.3
变频器报警指示灯
HL6
Q1.4
火灾报警指示灯
HL7
Q1.5
报警电铃
HA
Q1.6
变频器开停机控制
KA2
Q1.7
（2）PLC系统选型
系统共有开关量输入点8个，开关量输出点10个,选用西门子主机CPU222（8入6继电器出）1台，加上扩展模块EM222（8继电器输出）1台。
即可满足用户供水控制要求
3.2.3PID调节器
仅用P动作控制，不能完全消除偏差。
为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。
用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。
但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。
对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。
对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。
偏差小时，P动作的作用减小。
控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。
在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。
换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。
利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。
采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。
这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统（即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节）效果比较好。
图3-3PID控制框图
通过对被控制对象的传感器等检测控制量（反馈量），将其与目标值（温度、流量、压力等设定值）进行比较。
若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。
也就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式。
它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。
在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种:
（1）硬件型：
即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。
（2）软件型：
使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器（或单片机）上做PID控制器。
此次使用硬件型控制形式。
本系统的PID调节器内置于变频器中。
图3-4PID控制接线图
3.2.4压力传感器
在供水系统中，压力压力传感器作用是通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4～20mA变化的电流信号或0～5V间变化的电压信号的标准信号进行PID调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。
根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。
当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
传感器既可以采用压力变送器，也可以采用远传压力表。
在本例中采用远传压力表，压力表相应接线端子接到变频器主控板3脚、4脚、5脚即可。
3.3电气控制系统原理图
电气控制系统原理图包括主电路图、控制电路图及PLC外围接线图三部分。
3.3.1主电路图
如图3-5所示为电控系统主电路。
四台电机分别为M1、M2、M3、M4。
接触器KM1、KM3、KM5、KM7，分别控制M1、M2、M3、M4的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6、KM8，分别控制M1、M2、M3、M4的变频运行；FR1、FR2、FR3、FR4分别为四台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4和QS5分别为变频器和四台泵电机主电路的隔离开关；FU1、FU2、FU3和FU4为主电路的熔断器；BPQ为供水专用变频器。
图3-5主电路图
3.2.2PLC控制电路图
如图3-6所示为电控系统电路。
图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态，打在2的状态为自动控制状态。
手动运行时，可用按钮SB1~SB10控制四台泵的起/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
图中的HL12为自动运行状态电源指示灯。
图
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