恒压供水PLC控制变频调速系统设计.doc
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辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第IV页
恒压供水PLC控制变频调速系统设计
摘要
随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，人民的生活水平不断提高；同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。
供水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工作和生活。
本文根据城区供水管网改造工程设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统，具有自动工频/变频恒压运行、可实现远程自动控制和现场手动控制等功能。
论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。
通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。
论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。
给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。
系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，增强了系统的可靠性。
并与计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。
关键词：
PLC；变频调速；恒压供水；变频工频切换
ThedesignofPLCcontrolvariablefrequencyspeedregulationsystemonconstantpressurewatersupply
Abstract
Withthecontinuousdeepeningofreformingandopeningup,theconstructionandeconomyofsmallandmedium-sizedcitiesinChinahavedevelopedrapidly.People'slivingstandardshaveimprovedconstantly.Thewatersupplysystemisdemandedmoreascitywaterconsumptionincreasing.Theurbanconstructionandeconomicdevelopmentandalsopeople’sdailyworkandlifeareimpacteddirectlybythereliability,stabilityandtheeconomicalofenergyconservationofthewatersupplysystem.AnautomaticconversionandvoltageconstantWaterSupplyandremotemonitoringsystem,whichconsistofthePLC,theconverter,theremotetransitionpressuregauges,themulti-pumpsunit,thecomputerandsoon.Itisofautomaticline-frequency/conversionfunction,remoteandlocalautomaticcontrol.Inthispaper,themechanismofenergysaving,whichusesspeedgoverningwithinvertortodesignvoltageconstantwatersupplysystem,competingwithtraditionalvalvecontrolledpressureconstantsystem.ClosedloopsystemisbuiltbypresettingtheparameterofthePIDinsideofconvertor,andfeedbackofremotetransitonhydraulicmeter.UsingthestepregulationofconvertorpumpandfrequencypumpinfullrangofflowtoapplyPIDcontrolonthechangeofwaterachievesenergysavingofvoltageconstantwatersupply.Thispaperdiscussesthereasonabilityofwatersupplyschemewithmuchpumpparallelconnection,andanalysestheconversionconditionandthevariousstatesofwatersupplyofthemuchpumpwayofwatersupplyaswellastheswitchprocessandtheproblemofageneratorfromvariablefrequencyoperationmodetoworkfrequencyoperationmode.Inaddition，thecombinationofthesystemandthecomputerisachieved，whichimprovedtheoverallfunctionofthesystem．
Keywords：
PLC;VariableVelocityVariablefrequency;Constantpressure
water-supply;variablefrequencytoworkingfrequency
目录
1绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2变频恒压供水的现况 1
1.2.1国内外变频供水系统现状 1
1.2.2变频供水系统应用范围 2
1.2.3变频供水系统的发展趋势 3
1.3变频恒压供水系统的特点 3
2变频恒压供水系统理论分析 5
2.1供水系统的基本特性 5
2.2不同控制方式下的能耗分析与比较 6
2.3供水系统中的水锤效应 7
3供水系统恒压控制与硬件设计 8
3.1异步电动机调速方法及选择 8
3.1.1变极调速 8
3.1.2变频调速 9
3.2供水系统的方案确定 10
3.2.1供水系统的流量类型 10
3.2.2总体设计方案确定 11
3.2.3恒压供水电控系统组成 12
3.3控制系统的硬件设计与选型 13
3.3.1主电路设计 13
3.3.2电气控制电路设计 14
3.3.3系统主要配置的选型 16
3.4系统可靠性措施 20
4PLC控制程序 22
4.1水泵工频/变频运行状态及转换过程分析 22
4.2PLC程序设计方法 25
4.3供水系统控制程序 26
5恒压供水系统的PID调节 32
5.1恒压供水的PID调节 32
5.1.1PID控制及其控制算法 32
5.1.2恒压供水PID调节过程分析 33
结论 35
致谢 36
参考文献 37
辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第40页
1绪论
1．1课题背景及意义
我国城市供水行业在过去十多年中发展成效显著。
2007年，我国城市自来水普及率已经达到93.8%，我国城市供水行业已经顺利度过建设期，进入以服务业为主题的成熟阶段。
在节水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等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。
城市小区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、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。
1.2变频恒压供水的现况
1.2.1国内外变频供水系统现状
变频恒压供水技术是在变频调速技术基础之上逐渐发展起来的。
在初期阶段，变频器主要用来进行频率控制、变速控制、正反转控制、启制动控制、压频比控制等。
在这个阶段，变频器仅仅用作变频恒压供水系统的执行机构。
为了在供水量需求不同时，保证管网压力恒定，还需要在变频器外部增加压力传感器和压力控制器，以对压力进行闭环控制。
在供水工程中，也是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，造成投资成本很高。
随着变频恒压供水系统在稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点逐渐显现出来，再加上其显著的节能效果，许多变频器生产厂家开始推出具有恒压供水功能的变频器，这类控制设备虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但因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也不高，且难以与别的监控系统和组态软件实现数据通信，限制了带负载的容量，其实际使用范围受到不小的限制。
后来日本富士电机公司推出了新一代风机、水泵专用型变频器FRENIC．VP系列。
VP系列变频器具备适合HVAC（HeatVentilationAirConditioner）行业所需的最佳功能，节省空间，操作简便，机型丰富，全球通用。
该类变频器能够适应风机、水泵等2次方递减转矩负载特性，节能、省力，充分挖掘了系统的应变能力，满足了整体成本下降的需要。
国内不少公司在做变频恒压供水工程时，大多采用国外的交频器来控制水泵的转速并实现管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的还需要采用可编程控制器辅以相应的软件予以实现，有的则采用单片机及相应的软件予以实现。
从使用调查情况来看，虽然取得了可喜的进步，但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等方面，还没有完全达到用户的要求。
1.2.2变频供水系统应用范围
变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：
（1）小区供水（加压泵站）变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。
由于这一范围的用户群十分庞大，所以是且前国内研究和推广最多的方式。
如希望集团推出的恒压供水专用变频器。
（2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂．这类变频器电机功率在135kW-320kW之间，电网电压通常为200V或380V。
受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。
（3）大型供水厂的变频恒压供水系统
这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大（一般都大于320kW）、机组多、多数采用高压变频系统。
这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。
如利德福华的一些高压供水变频器。
1.2.3变频供水系统的发展趋势
（1）变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展
在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高。
很多专用供水变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。
同时维护操作也越来越简单，部分新品的变频供水只需简单设定压力值就可以正常运行，控制软件和其它参数在出厂时就已设定或利用传感器自动获取完毕。
（2）高压变频系统在供水行业中的应用
在过去变频供水涉及较少的商压变频系统，也是发展的重要方向，高一低—高型的高压变频系统、串联多电平高压变频供水系统目前己在实际应用中不断完善高压高频中的谐波等问题也逐步得到解决。
（3）变频送水系统正在融入更全面的供水管理系统
面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系统的效益，是所有供水部门共同面临的重要课题。
目前，在美国、日本、法国等地的有些城市已基本上实现了供水系统的计算机优化，把变频供水与计算机直接调度管理结合起来，我国也正在进行着这方面的研究与小范围应用。
1.3变频恒压供水系统的特点
现有变频恒压供水系统具有以下特点:
1、滞后性
供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，对控制作用的响应具有滞后性。
同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
2、非线性
用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。
3、多变性
变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
4、时变性
在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此，变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。
5、容错性完善的保护功能
当出现意外的情况时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。
在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下仍能进行供水。
6、节能性
系统用变频器进行调速，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转速冲击，延长了设备的使用寿命。
2变频恒压供水系统理论分析
2.1供水系统的基本特性
供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f（Q），如图2．1所示。
由图2．1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。
由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q（）间的关系。
而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程与流量Q之间的关系H=f（）。
管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。
由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。
由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。
因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Q之间的关系H=f（）。
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2．1中A点。
在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
H
扬程特性管阻特性
A
Q
图2.1供水系统的基本特性
2.2不同控制方式下的能耗分析与比较
当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Ql，扬程为，当供水量从减小到时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从移到，扬程特性曲线不变。
而扬程则从上升到，运行工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为（0,,F,）围成矩形部分，其值为[1]：
=（2.1）
当用调速控制时，若采用恒压（），变速泵（）供水，管阻特性曲线为，扬程特性变为曲线，工作点从E点移到D点。
此时水泵输出功率用图形表示为（0，Q2,D,）围成的矩形面积，可见，改用调速控制，节能量为（,D,F,）围成的矩形面积，其值为：
=-=-=（2.2）
H
HF
E
Dn
0Q2Q1Q
图2.2管网及水泵的运行特性曲线
所以，当用阀门控制流量时，有功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是E增大，而被浪费的功率要随之增加。
根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间关系为：
=;=;=（2.3）
式中Ql、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。
由公式（2.3）可以看出，功率与转速的立方成正比[2]，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。
2.3变频恒压控制的理论模型
变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管
网的实际供水压力跟随设定的供水压力。
设定的供水压力可以是一个常数，也可
以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。
所以，在某个特定时段内,恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上[3]。
图2.3变频恒压控制原理图
从图2．3中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，
控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率
的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变
频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。
该频率使水
泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直
到实际供水压力和设定压力相等为止[4]。
如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。
同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
2.4供水系统中的水锤效应
1.水锤效应
在极短时间内，因水流量的急剧变化，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.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。
水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢，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。
通过水泵电动机的软起动，可减少动态转矩，因此，选择好的起动方式和速度调节方法，可以减小或彻底消除水锤效应，提高供水系统运行的安全性。
3供水系统恒压控制与硬件设计
3.1异步电动机调速方法及选择
转速控制法实现恒压供水，供水质量好、能耗低、效率高，并可延长设备的使用寿命，提高系统的安全性。
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[5]：
（3.1）
式中，—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—异步电动机定子电压频率，即电源频率；
s—转速差，s=100%;
可知调速方法有：
变极调速、变转差调速和变频调整。
3.1.1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。
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:
=3=s（3.2）
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，转差率很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。
但适应流量的变化，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。
3.1.2变频调速
1、变频调速机械特性
最常用的变频器采取的是变压变频方式的。
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：
=常数
式中：
—变频器输出电压、—变频器输出频率
频率f从额定值往下调时，电机机械特性变化情况如图3.1a）所示[5]，图中
a）变频调速机械特性b）全压起动
图3.1电动机机械特性
2、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，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。
电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。
3、变频调速对供水系统安全性的作用
（1）可消除水锤效应，减少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。
拖动系统中，动态转矩=-
：
是电动机的拖动转矩
：
是供水系统的制动转矩
图3.1中b）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①是异步电动机的机械特性，曲线②是水泵的机械特性。
（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。
3.2供水系统的方案确定
3.2.1供水系统的流量类型
根据用户的用水时段特
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