恒压供水系统控制方案设计书08010272.docx

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恒压供水系统控制方案设计书08010272

恒压供水系统控制设计

1引言

在防汛抗旱救灾、完成急难险重任务中创先争优。

一是全力做好防汛工作。

2010年“莫兰蒂”、“凡亚比”、“鲇鱼”等5个十二级以上的强台风连续正面袭击我市，台风影响间隔时间之短、频率之高、连续之频繁为历史少见；同时，短时间的强降雨记录频现，6月23日15-18时，安溪西坪镇珠洋站3小时雨量114毫M（达百年一遇暴雨标准），南安巷仔站、洛江马甲站和南安洪濑站等雨量站点达到或接近30年一遇的暴雨标准，防汛抗灾形势严峻。

面对挑战，市直水利系统各党组织和广大党员协同协作，加强监测预报预警，强化重点部位防守，加强水库科学调度，强化防汛责任制落实，在防抗第10号台风“莫兰蒂”（风力12级）、第11号超强台风“凡亚比”（风力16级）、第13号超强台风“鲇鱼”（风力17级）的正面登陆和袭击工作中，我市均实现了零伤亡，切实将台风暴雨洪涝灾害损失降到最低限度，最大限度地减轻了人民群众生命财产损失。

7月23日，省委、省政府召开全省抗洪抢险救灾表彰大会，隆重表彰在抗击“6.13”特大暴雨洪灾中涌现出来的先进集体和个人，我市有1个单位、6名同志被授予“先进集体”、“先进个人”荣誉称号。

在全省防抗第13号台风“鲇鱼”表彰大会上，系统有2家单位分别被授予“一等功先进集体”和“二等功先进集体”荣誉称号。

二是全力应对夏秋冬连续旱情。

近年来，我市接连遭遇夏秋冬连旱，2009年下半年开始的一场数十年不遇的特大旱情在湄洲湾南岸地区蔓延，洛江、泉港、惠安等地水库存水严重不足，45万人生活生产用水得不到保障，福建联合石油化工有限公司、福建氯碱工业有限公司、国电泉州发电有限公司等重点工业企业高达上数百亿元工业产值的生产用水告急，企业面临停产威胁。

市委常委会果断作出实施应急供水工程的决定，并下达了45天具备通水条件的任务要求。

任务下达以后，工程实行24小时不间断施工，四个施工段分头推进，10个工作面同时展开，近100台施工机械不停作业，600多名施工人员顶烈日、冒风雨，连续作战。

正是这样的施工强度，使得工程提前11天通水，在短短34天内完成巨大工程量，以实际行动诠释了系统党员在关键时刻能拉得出、冲得上、打得赢的作风，不但为我市的经济社会发展提供了应急供水保障，也为我市的应急工作积累了十分宝贵的经验，锻炼了一支“特别能吃苦、特别守纪律、特别能战斗”的队伍，培养了一批“有吃苦精神、有专业技术、有组织才干”的综合人才，是市委“协同协作合力”在具体实践中的生动运用和深刻阐释。

市委徐钢书记在福建炼化集团致市防汛抗旱指挥部《感谢信》中作出重要批示：

“我们水利部门的同志确实干得好、能战斗、能扛得住，值得表扬。

”

　　在发展民生水利、保障改善民生中创先争优。

民生水利建设工程，点多面广，时间紧迫，任务艰巨。

市直水利系统坚持把是否解决涉及民生的水利问题作为检验创先争优活动成效的一把标尺，自觉把民生水利工作放到大局中来思考、审视和把握，从中找到工作的切入点、结合点和着力点。

进一步强化政治意识、大局意识、服务意识，深刻领会市委、市政府的工作部署，把握新形势新任务对水利工作提出的要求，从水利工作的职能特点出发开展工作，不断提高服务全局的能力和水平。

按照省、市“大干150天、全力实施五大战役”总体部署，成立了以机关党员领导干部为组长的三个工作小组，分别进驻南安安溪片区、晋江石狮片区、惠安泉港片区，带领专业技术人员战斗在工程一线，以超常规的工作强度、超常规的工作手段和超常规的工作要求，迅速行动，全力以赴，做到工作中不留断档、时间上不留空隙，环环紧扣步步紧逼，克服重重困难，形成全力以赴、真抓实干的强大态势，高速推进工程建设。

目前96个水利工程工程按既定目标全面完成建设任务，累计完成投资8.86亿元。

其中，水库、海堤除险加固以及农村饮水安全工程三大类省级为民办实事工程全部按时完工，在全省9地市水利建设进展中名列前茅，得到省水利厅领导的充分肯定。

　　在加强水资源管理、促进经济发展方式加快转变中创先争优。

坚持一手抓创新、一手抓落实，以务实的精神推进我市作为“全国水资源动态管理系统试点城市”的各项工作，通过水资源红黄蓝分区管理、水资源动态管理、节水型社会城市建设等工程，科学探索水资源管理工作。

去年6月4日，我市水资源管理工作经验作为专题在中央电视台《新闻联播》向全国推广；6月29日，获得来泉视察的全国政协副主席阿不来提?

阿不杜热西提的充分肯定，并形成专题报告上报国务院，得到了温家宝总理、回良玉副总理的批示，水利部水资源司孙雪涛司长专门致信徐钢书记和李建国市长，称赞我市水资源试点经验在今年中央一号文件中得到了充分体现，“为一号文件提供了重要的理论创新和实践经验”；“山美灌区水资源优化调配支持系统”获得2010年度福建省水利科技技术二等奖。

　　在加快水利基础设施建设、提升水利保障能力中创先争优。

牢固树立“群众工作无小事”的观念，大力弘扬秉公用权、廉洁从政的良好工作作风，坚持以最广大人民的最大利益为出发点，在防汛抢险、水资源管理、水利工程建设、水环境保护、引水发电等各项工作中，系统广大党员干部充分发挥先锋模范作用，抓紧建设一批控制性骨干水利工程和水资源配置工程，湄南供水二期工程、北渠节水改造工程（二期）丰泽段、金鸡新旧拦河闸南岸防洪堤工程、南安市沿海片区供水工程、安溪县坑仔口湖头镇区河道治理工程、晋南灌溉排水泵站更新改造工程等完成主体工程建设，水利对经济社会发展的保障能力进一步增强。

2恒压供水技术和优点

2.1工作原理

1、原理框图：

参见图一所示

2、系统概述：

　　该系统由四台大泵（22KW）与一台小泵（5.5KW）组成；PLC部分由西门子可编程控制器S7-200系列的CPU226，文本显示器TD200组成；变频器采用三菱FR-A540系列，功率22KW。

　　用户所需的生活用水压力、消防用水压力、运行方式等参数在TD200文本显示器上设定，压力传感器把用户管网压力转换为0-10V标准信号送进PLC模拟量模块EM235，PLC通过采样程序及PID闭环程序与用户设定压力构成闭环，运算后转换为PLC模拟量输出信号送给变频器，调节水泵电机转速，达到恒压供水的目的。

　　该系统有各个泵的运行时间累计功能，通过PLC的数据区保持可以断电记忆。

每次起动时先起动1#小泵，当用水量超过一台泵的供水能力时，PLC通过程序实现泵的延时上行切换，切换原则为当前未运行的大泵累计运行时间最少的先投入；当压力超过时，PLC通过程序实现泵的延时下行切换，切换原则为当前正在运行的大泵运行时间最多的先撤出。

直到满足设定压力为止。

追求的最终目标为压力恒定。

　　当供水负载变化时，变频器的输出电压与频率变化自动调节泵的电机转速，实现恒压供水。

　　系统还可通过PLC的实时时钟自动定时供水，用户在TD200上设定每天最多6段（段数也可设定）定时供水，比如早上6：

00到8：

30，中午11：

20到1：

30等。

　　系统可动态显示各种参数，如设定压力，运行压力，水位高度，运行方式，实时时间，日历，各个泵的运行时间累计（精确到秒），运行状态，故障信息等等。

为了不使系统中TD200画面显得死板，在PLC程序中控制TD200中的画面定时切换，动态显示；

　　系统还有故障自诊断功能，各泵发生过载、缺相、短路、传感器断线、传感器短路、水位下限、水压超高、水压超低、变频器故障等，都会有声光报警，TD200上同时显示故障类型，通知设备维修人员处理，并可记忆故障发生时间及班次，以便追查原因及相关责任。

3、工作原理：

（1）手动运行时，可按下按钮起动停止水泵在工频状态下运行，完全脱离开PLC及变频器的控制，该功能主要用在检修及自动系统出现故障时的应急供水方式中。

（2）自动运行时，全部泵的运行依程序自动工作。

　　上行过程：

当在自动运行方式时，按下TD200上的起动软健，系统先起动1#小泵，PLC程序控制模拟量模块EM235给定变频器一固定频率输出，此时若用PID运算输出直接控制变频器则（设定压力大，运行压力为零，所以运算输出最大）变频器依设定的上升时间运行，升速太快，系统冲击很大。

等泵运行一会儿，管网压力积累后，再用PID运算输出控制变频器。

具体时间和频率与管网系统有关，在现场调试时这两个参数在TD200上设定调整。

管网越大，时间越长当1#小泵到达50HZ后，系统压力仍偏低，则延时一段时间后，系统靠PLC程序把1#泵切换到工频运行，同时由PLC输出一个开关量给变频器的MRS端子，变频器瞬间禁止输出，此时PLC把运行时间最少的泵变频接触器接通后，撤掉禁止输出，相应的泵变频起动运行；延时切断1#小泵，系统中相应的一台大泵变频运行，压力自动调节，若系统压力平衡，则频率稳定在一个相对的范围，若频率到达50HZ后压力仍然偏低，则再投入一台大泵，比较剩下的泵的累计运行时间，时间少的先行投入，以此类推。

注意，上行中，只要有一台大泵运行，则1#小泵要断开，大泵与小泵同时运行时，小泵的效率很低。

下行过程：

当系统压力偏高，变频器运行在18HZ左右（18HZ以下泵的效率很低，经验值）时，PLC程序判断运行在工频状态的泵累计运行时间（若只有一台泵不作判断），运行时间最多的泵延时先行撤出，在撤出的瞬间，PLC控制变频器运行频率在50HZ，要不系统冲击过大，容易有水垂现象，延时一会儿后，再把PID运算输出投入即可；以此类推。

注意：

下行过程中，到最后一台大泵运行时，频率在18HZ左右，系统压力仍然偏高时，则把1#小泵切换到变频运行。

这种情况在夜间可能发生，当供水管网很大时，也许没有这个可能性。

2.2泵节能理论

1、循环水泵工作原理

大型电厂的循环水泵一般采用两种运行方式：

单泵运行或双泵并联运行。

经过双速改造的循环水泵的并联运行方式一般为双泵低速并联运行、双泵高速低速并联运行和双泵高速并联运行。

1.1、单台泵工作原理

将管路性能曲线和泵本身的性能曲线用同样比列尺画在同一张图上，两条曲线的交点即为泵的运行工况点，亦称工作点。

如图1所示，其中I是泵本身的性能曲线，Ⅲ是管路性能曲线，M点即为泵稳定运行的工况点。

图1单台泵运行

1.2、相同性能泵并联工作原理

图2为相同性能泵并联运行时的性能曲线。

图中I，Ⅱ为两台同性能的泵的性能曲线，Ⅲ为管路特性曲线，将单台泵的性能曲线的流量在扬程相等的条件下迭加，可以得到并联工作时的性能曲线I+Ⅱ。

图2中，管路曲线与泵的并联性能曲线的交叉点M，即为并联工作时的工作点。

并联时单个泵的工况，由M点作横坐标的平行线与单泵的特性曲线交于C点，即为每台泵在并联时的工况点，同时可知并联时每台泵的流量为Q。

由图2可知并联工作的特点：

2台泵并联工作时扬程和并联时的单台泵的工作扬程相等，总流量为并联的每台泵输送流量之和。

并联前每台泵的参数跟并联后每台泵的参数比较可知：

并联时每台泵的工作流量小于单独泵工作流量，而单独泵工作流量又小于双泵并联工作流量，即Qc

图2相同性能泵并联运行

1.3、不同性能泵并联工作原理

图3为不同性能泵并联运行时的性能曲线。

图中I，Ⅱ为2台不同性能的泵的性能曲线，Ⅲ为管路特性曲线，并联工作时的性能曲线为I+Ⅱ。

由图3可知：

并联前每台泵的工况点分别为B、B两点，流量为QB1、QB2。

与并联后泵的工况点比较可知2台泵并联后的流量QM小于并联前每台泵的流量QB1、QB2之和。

2台泵并联后的扬程大于并联前每台泵的扬程。

2台不同性能的泵并联时的流量等于并联后每台泵的流量Qc1、Qc2之和，而并联时的总流量小于并联前每台泵单独工作时的流量之和，其减少的程度随泵并联台数的增加、管路特性曲线的陡缓程度而增大。

图3不同性能泵并联运行

2、循环水泵运行实验研究

双速改造后的循环水泵性能实验参照《离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵实验方法（GB3216-89）》进行。

实验工况分别选择为：

单泵高速运行、单泵低速运行、双泵低速并联运行、一泵高速和一泵低速并联运行4个工况。

循环水泵进出水及凝汽器进出水阀门均全开，更改双速电动机的接线方式以改变循环水泵的转速。

每个工况的实验均持续3min，实验期间循环水泵运行平稳。

根据实验数据、设计数据和实验标准中的相关公式对循环水泵的性能进行了计算，实验及计算结果汇总于表1。

实验时水泵出口流量在凝汽器人口处测量，出口就地压力表更换为精密压力表。

对于双泵并联运行工况，计算时是以两泵作为一个整体来进行的，出口压力取平均值，电机功率取两泵之和，流量取两泵之和。

3、循环水泵的节能运行分析

双速改造后的循环水泵的实验及计算结果如表1所示：

单泵低速运行时循环水流量为28500ma/h，泵扬程为17.89m，泵的效率为86.27％；单泵高速运行时循环水流量为34200ma/h，泵扬程为20.12m，泵的效率为82.29％；双泵低速并联运行时循环水流量为47500I矗泵扬程为22.77lrn，泵的效率为85.62％；双泵高低速并联运行时循环水流量为53000m3/h，泵扬程为24.22m，泵的效率为84.95％。

双泵低速并联运行时，循环水流量远远大于单泵低速运行时的循环水流量，但并联时的循环水流量分摊到每台泵的流量，却小于单泵低速运行时的流量；双泵并联时的循环水泵扬程，较单泵低速运行时的扬程有较大提高。

双泵高低速并联运行时，循环水流量小于并联前两泵单独运行时的流量之和，但并联时的循环水泵扬程比并联前两泵单独运行时的扬程都大。

实验结果与前面分析的相同性能泵并与不同性能泵并联的理论工作原理是相符的。

由实验结果还可知，虽然单泵低速运行时的流量比单泵高速运行时的流量稍小，但泵效率却较高，且单泵低速运行时的发电机功率远小于单泵高速运行时的发电机功率。

因而在冬季选择单泵运行方式时应尽量选择单泵低速运行。

同理，在夏季选择双泵并联运行时，也应尽量选择泵效率较高、发电机功率较低的双泵低速并联运行方式。

2.3恒压供水的优点

变频恒压供水控制器CPC-k200变频恒压供水控制器恒压供水控制器，变频恒压供水控制器触摸屏、上位机，恒压供水控制器变频恒压供水控制器，专为泵房恶劣环境而设计，功能齐全，性能稳定，界面美观大方，售后售前双保障。

恒压供水设备必备。

（泵房改造）部分功能介绍如下：

1，变频恒压供水控制器，高度简单方便时尚外观，大尺寸液晶，显示信息全面。

丰富而完美的中文提示，使一般的操作人员无需经过复杂的培训，也能对各项操作应用自如,而无需专业工程师对其进行操作，节省时间，操作更轻松。

同时，控制系统可在汉字显示屏上明确显示其工频、变频、转换的运行工况。

2，变频恒压供水控制器，全液晶参数显示，设定一目了然，可设定供货商服务电话（用户自己设定），方便联系尽快处理故障等相关疑问。

3，变频恒压供水控制器，故障查询功能能确认最新的报警时间（年、月、日、时、分、秒）及内容，共记录十条故障信息，方便了解控制器运行情况，系统全面状况。

4，维修简单方便独有的系统故障检测、明确的故障部位提示，使工程人员能清楚地了解故障所在，帮助维修人员检查故障发生的部位和原因，及时快速针对性采取行动。

5，变频恒压供水控制器，水箱无水报警并停机功能。

6，变频恒压供水控制器，时间日期设定功能，方便记录各种故障情况发生的时间，方便查询复检。

7，变频恒压供水控制器，采用模糊控制原理，自动优化参数，操作简单方便，响应快、精度高、切换泵时管网压力冲击小。

8，变频恒压供水控制器，定时换泵功能，防止同一水泵运行时间过长，并且可以精确到具体时间，科学分配各泵工作时间，记录各泵运行时间，提高水泵平均使用寿命。

3自动控制系统的原理

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

利用负反馈原理，通过压力传感器反馈水管压力，然后跟设定压力进行比较得到一个差值，通过D/A转换调节变频器输出,从而改变电机的转速,管道压力随之改变,反馈压力也改变,使管道压力越来越接近给定值，从而实现了恒压控制。

当用水量增加，管道压力减小，反馈压力减小，差值变大，调节变频器输出使频率增大，水泵加速管道压力随之增大，越来越接近设定值，实现恒压。

4电气控制系统设计与实现

4.1电路控制方案

本系统运用三菱PLCFX2N－32MR，A/D、D/A模块FX0N－3A，三菱变频器FR500，台达触摸屏及传感器实现了恒压供水。

主控制器PLCFX2N－32MR采集来自各个部件（故障、状态输入,A/D模块,人机界面）的信号，经过数据处理输出，经过D/A模块转换来控制变频器工作，实现水泵的调频调速以来达到恒压控制。

人机界面既可以对工作水压进行设置也可以显示系统的工作状态。

4.2系统硬件

4.2.1控制系统原理图

图4－2－1－1主电路接线图

图4－2－1－2控制电源接线

图4－2－1－3PLC信号输入与信号输出接线

图4-2－1－4控制系统I/O口分配

4.2.2电气设计与选择

4.2.3系统接线图

图4－2－3－1输入电路接线

图4－2－3－2输出电路接线

利用续流二极管VD

利用RC电路以消除电感能量

滤波和接地

数字信号地DG

模拟信号地AG

保护接地PE

屏蔽地

4.3系统软件

程序框图

首先进行系统初始化，然后选择系统运行方式手动和自动模式。

然后进行采样，经过数据处理输出，经过数模转换，调节变频器输出频率以达到恒压效果。

4.3.1系统程序

A/D、D/A模块接口子程序

图4-3-1-1A/D、D/A模块接口子程序

b0=0选择A/D通道1

b0=1选择A/D通道2

b1=0→1开启A/D通道

B2=1→0开启D/A通道

前三行为模拟输入，K0写入BFM#17，选择A/D输入通道1，K2写入BFM#17，启动通道1的A/D转换处理，FROM为读取BFM#0，把通道1的当前值存入寄存器D210

读取模拟输入通道所需的时间TAD按如下计算：

TAD=（TO指令处理时间）*2+（RROM指令处理时间）

后三行为模拟输出，D200写入BFM#16，这将转换成模拟输出，K4写入BFM#17，启动D/A转换处理。

写入模拟输入通道所需时间TAD的计算：

TAD=（TO指令处理时间）*3

PID指令

D120采样时间1-32767ms

D121（反动作方向b0=1）

D122输入滤波0-99%

D123比例增益1-32767%

D124积分时间（1-32767）100ms

D125微分增益1-100%

D126微分时间（1-32767）100ms

D500为给定值，D210为反馈值，D120为表多，D200为输出值

4.3.2变频器参数设置

1.变频器为单相变频器，按图连接变频器线路，输入电压L、N接220V，输出接电机U、V、W；频率外调“10”，“2”“5”接电位器；

2.设置参数，在P79=“1”情况下显示“PU”设定有关参数，P1=45，P2=10HZ（上限频率），P3=50HZ（下限频率）,P7=2S（加速时间）、P8=3S（减速时间）、P19=220；

3.运行，在“EXT”情况下，启动变频器，调节频率，P79=“2”。

4.3.3人机界面设计

管道压力通过5V电源和电位器的结合进行模拟调节

触摸屏控件如下：

触摸屏输出部分：

Y0：

1号泵允许指示；Y1：

2号泵允许指示；T20：

1号泵故障；T21：

2号泵故障；D101：

当前水压；D502:

泵累计运行时间；D102:

电动机转速

触摸屏输入部分：

M500：

自动启动；M100:

手动1号泵；M101:

手动2号泵；M102：

停止；M103：

运行时间复位；M104:

清楚报警；D500：

水压设定；

4.4调试

计算机（上位机）作为编程通过专用通信电缆与PLC（下位机）进行通信。

在连接或断开专用电缆时，应关闭控制电源；同时须注意专用电缆接插头插入的位置，否则易损坏上述仪器设备。

在进行现场调试时应逐级调试，即先软件，再硬件；先弱电，再强电；先低压，再高压；先输入，再输出；先开环，再闭环；先电气，再机械。

PLC的输入和输出的公共端COM必须分开，不能直接连接。

5结语

参考文献

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北京航空航天大学出版社，2005.9

[2]史增芳编.[M]可编程控制原理及应用.北京：

希望电子出版社，2008.12

[3]张燕宾编.[M]SPWM变频调速应用技术（第一版）.北京：

机械工业出版社，2005.9

[4]王庭才、王伟编.变频器原理及应用，北京：

机械工业出版社2008.7

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机械工业出版社，2007.5

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[10]三垦：

SAMCO-vm05系列变频器使用说明书

[11]ABB：

2600T压力变送器使用说明书