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1、摘 要随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，建筑物高度的增加，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的水量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。传统的生活及生产供水的方法是通过建造水塔维持水压。但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题，通常的办法是:用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节。而且供水的控制多依赖值班人员的手工操作，这种方法控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出适当的反应准确性差
2、。为了保证供水，机组通常处于超压状态运行，不但效率低、耗电量大，而且城市管网长期处于超压运行状态，报损也十分严重，更无法实现节能。这就是恒压供水的基本思路。交流变频器的诞生和PLC的运用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。本论文结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。 变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机以及控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动4台电动机的启动、运行与调速，其中两台大机（220Kw）和两台小机（160Kw）分别采用循环使用的方式运行。通过工控机和PLC连接，开发出了用于工控机的数据采集和通信
3、、设备状态控制和数据管理的监测程序，实现了监测控制。本文的变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。关键词: 变频调速 双恒压供水 PLC 短信模块目录1、绪 论11.1恒压供水方案提出11.2变频恒压供水系统的国内研究现状41.3多泵恒压供水系统中的关键问题和本文的主要研究内容52 变频恒压供水系统基本控制策略82.1系统介绍82.2变频分析93 变频恒压供水系统的原理及其分析173.1系统的工作原理173.2系统的理论分析204 变频恒压供水系统的设计224.1系统控制功能及特点224.2 硬件设计224.3电气控制系统原理图设计2
4、64.4 软件设计265、系统调试运行265.1系统总装通调265.2上位机组态系统26参考文献26致谢26附录261 外文文献262电控系统控制电路和流程图263 程序代码（梯形图）261、绪 论变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。特别是在供水行业中，由于生产安全和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格要求，变频调速技术也得到了更加深入的应用。我们把水压力控制在一定量，采用变频调速控制是保证压力恒定有效的方法。据对供水区供水量的了解，发现全天各时段用水量变化较大，如果不对供水量进行调节，管网压力的波动也会很大，容易出现
5、管网失压或爆管事故。采用变频恒压供水控制后，当用水量较小时，这时相应管道和泵出口压力均较大，变频恒压控制方式将会降低泵的频率，减小泵出水量，从而降低管网压力；反之亦然。这样，用水量变化较大也不会造成管网压力有较大的波动。变频调速实现恒压供水不仅保证厂内自用高压水足够且稳定，而且保证了供水的安全可靠性。1.1恒压供水方案提出众所周知，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
6、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。以下就逐一分析。1.1.1一台恒速泵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。1.1.2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
7、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。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
8、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。1.1.4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，再将二者作一比较。1.1.5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
9、调速水泵调速控制方式有三种:水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。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。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
10、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。在运行效果上，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1/3l/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。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
11、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。由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。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，
12、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。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
13、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
14、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,无需外接PLC和PID调节器，可完成最多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1。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
15、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多泵恒压供水系统中的关键问题和本文的主要研究内容1.3.1关键问题交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了软启动的任务。变频软起动的优点是由于采用电压/频率按比例控制方法，所以不会产生过电流，并可提供等于额定转矩的起动力矩，故特别适合于需重载或满载起动的大功率水泵电机。多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用
16、，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作。变频器的输出切换问题，目前尚未得到足够的重视，因而在认识上还存在着一些误区:一种看法是将变频器当作一般的交流电源，或者象软起动器一样，因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意切换;另一种看法则认为由于变频器自身的设计原理，是不允许变频器在运行中进行切换的。这两种看法都不免有失偏颇，所以有关变频器在拖动系统应用的文章中，碰到变频器的切换问题时，要么有意回避，不作具体描述;要么一语带过，用简单的
17、一句“切换到电网运行”了之。即使有此情况也只是停留在小功率电机上，大功率电机变频转工频并不成功。因此，如何在不停电的情况下，采用鉴频鉴相技术对变频器的输出电压进行跟踪，当变频器输出电压的频率、幅值和相位均保持与电网电压一致时，实现变频器与电网之间的同步平稳切换，是多泵恒压供水系统中的关键问题，也是本文的一个创新之处。1.3.2本文的主要研究内容经过系统的调研和分析，并结合供水厂的生产实际，本次研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供水自适应平衡控制系统的研制，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自耦降压起动装置，同时把阀门控制和水泵电机控制都
18、纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能，运行参数有记录。具体而言，论文包括以下内容:1.对水泵电机的调控技术做分析和比较，并对多泵恒压供水系统中的关键问题进行了论述;在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。2.从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点(工况点)的确定方法和水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本文重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得出一些有益的结论。3.介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频器拖
19、动多台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。根据现场需要，对上位机上的监控软件进行总体方案设计。4.针对大功率电机如何实现变频转换成工频的关键问题，首先在理论上作深入细致的研究，并在现场工业试验中引入鉴频鉴相控制器，当变频器输出频率达到50Hz时，在工频电源和变频输出电源相位一致时，PLC发出指令切断变频器输出，真正实现了大功率电机的无冲击起动，保证切换电流为额定电流的1.5倍左右，从而减
20、少对电机设备的损坏和电网的冲击。2 变频恒压供水系统基本控制策略2.1系统介绍压力信号1 # 泵2 # 泵3 # 泵4 # 泵蓄 水 池市政供水管网出水管网交流接触器PLC变频器PP液位检测消防信号变频恒压供水控制系统由PLC控制器、触摸屏显示器、变频调速器、压力变送器、水位变送器、交流接触器等其它电控设备以及3台水泵（功率为15KW）和一台小流量辅助泵（功率为5KW）等构成。在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力，在蓄水池安装液位变送器，PLC具有模拟量输入检测模块，检测压力变送器和液位变送器输出的4-20mA信号，将检测的压力信号与设定的压力信号经过PID运算后，通过控制变频器的输
21、出频率来调整电动机的转速，保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统；自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏显示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和各泵的工作状态等信息；可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守。如下图所示 2.2变频分析2.1.1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)，如下
22、图所示。由图下可以看出，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之间的关系。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H与流量Q之间的关系H=f (Qo)。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QC之间的关系。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
23、，如上图中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。2.2.2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: S=1(n/n 1) 异步电机的同步速度为: n1=60f/p 异步电机的转速为: n=60f (1
24、s ) /p 其中:n1为异步电机的理想空载转速; n为异步电机转子转速; f是异步电机的定子电源频率; p为异步电机的极对数。从上式可知，当极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率f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2。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，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。2.2.3水泵调速运行的节能原理、交流电机变频调速原理
25、交流电机转速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 为电机转速，f为交流电频率，s 为转差率，p为极对数。电机选定之后s 、p则为定值，电机转速n和交流电频率f 成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。、根据离心泵的负载工作原理可知：流量与转速成正比：转矩与转速的平方成正比：功率与转速的三次方成正比：而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：变额额采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：阀（.+.）额其中，为功率为转速为流量例如设定当前流量为
26、水泵额定流量的，则采用变频调速时变额.额，而采用阀门控制时阀（.+.）额.额，节电（阀-变）阀*.。流量% 100 90 80 70 60 50节电率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1由此可见从理论计算结果可以看到节能效果非常显著，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。而且新型的小区变频恒压供水系统能自动地控制一至多台主泵和一台休眠泵的运行。在管网用水量减少到单台主泵流量的约1/6-1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率的休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节
27、能。2.2.4变频调速方式水泵多配用交流异步电机拖动，当电机转速降低时，既可节约能量，经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式: 式中，n。-异步电动机的同步转速，r/min; n- 异步电动机转子的转速。r/ min ; P-电动机的磁极对数; f-电源频率，电动机定子电压频率; S-转差率，改变电动机极对数P、改变转差率S及改变电源频率f都可以改变转速。1、变极对数调速在电源频率一定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数，如下图。 以电动机一相绕组为例，电流方向都是由A指向X，只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍
28、地改变磁极对数P。如果使p =1, 2. 3等，就可以得到n0=3000、 1500、1000 r / min等不同的同步转速，从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有极调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器。2、变频调速变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率f可以平滑地调节同步转速n0，相应地也就改变转子转速n，而转差率S可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重
29、时会使电机堵转:频率增减少，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。因此，在实用上，要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。实现调频调压的电路有两种:交-直-交变频器，交-交变频器。见下图。VVVF交流交流直流VFVV交流1整流器滤波逆变器滤波 逆变器 (1)交-直-交变频器它是由三个环节组成:可控硅整流电路，其作用是将电压、定频率的交流电路变为电压可调的直流电:可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电:滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流
30、进行滤波。在交-直-交变频器中，根据滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变频器。近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型(简称PWM )变频器技术获得了飞速的发展。PWM变频器也有电压型和电流型两种，目前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。他不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。(2)交-交变频器它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过变频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。交-交变频器由于直接交换，减少换流电路，减少损耗，效率高，波型好，但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采
31、用。变频技术对水泵电动机进行调速，以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。3、可控硅串级调速它是把异步电动机转子电势经过整流-逆变后回馈给电网，回收功率就是转差功率。当改变逆变角时，逆变电势、转差功率、转差率都将随之改变。从而达到调速的目的。如下图所示：M电动机运行时经气隙传送到转子的电磁功率Pm，一部分成为机械功率P2(即凡(1-S)，另一部分则成为转差功率SPm，电动机正常运行时，转差功率在转子回路中以热的形式损耗掉，因为此时的转差率S很小，转差功率也很小，但在调速时，随着转速的降低，转差率升高，转差功率也直线上升，可控硅串级调速就是把这部分功率取出来，然后回送到电网，从而
32、大大提高电动机低速运行时的效率。串级调速的最大优点是由于它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，还需一台与电动机相匹配的变压器，增加了中间环节的电能损耗，带来了成本高，占水泵房面积大等缺点而影响它的推广价值。2.2.5系统的技术要求1、供水压力正常设定值为0.5Mpa,最大供水压力为0.6Mpa，最小供水压力为0.1Mpa,压力允许波动范围为1%。2、采用四台泵供水，并能实现自动、手动控制。3、水泵机组采用循环软启工作方式运行，其停按一定的顺序进行，达到先启先停，以防损坏泵。4、系统的安全可靠，任意一台出现问题，该系统都能正常运行；具有短路、过载、欠电压，掉电保护，
33、硬件自锁，声光报警等功能。5、各水泵出口设有止回阀以防止回灌。2.2.6变频恒压供水系统的优点相对与传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出的体现在以下几个方面：1、高效节能。变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。2、恒压供水。变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。3、安全卫生。系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的
34、工作。4、自动运行、管理简便。新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。5、延长设备寿命、保护电网稳定。使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。6、占地少、投资回收期短。新型的小区变
35、频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。3 变频恒压供水系统的原理及其分析3.1系统的工作原理3.1.1系统的构成由于本文的供水系统要适用生活水、消防用水等场合的供水，密闭的水池在地下主要为应急用水的缓冲，还可以避免以往方案引起的二次污染。系统采用了四台水泵（一台为辅助泵），一台PLC，一台变频器和压力传感器组成的供水系统，当用水量
36、很少时只开动辅助泵即可，系统检测到管压很低实会自动增加泵的数量或加快抽水速度的同时会关闭辅助泵，以满足用水需求；反之，会自动减泵或降低抽水速度。其原理框图如下图所示。整个系统以PLC为核心，完成系统的控制功能。它主要负责将压力传感器传送来的标准电流信号与其内部预先设定好的初值进行比较，若两个值存在偏差，它就会输出一个标准的电流控制信号，传送给变频器的模拟量调节控制端。变频器根据送来的电流值的大小，产生一个与之对应的控制水泵速度的频率值，使水泵的供电频率发生变化，改变了水泵的运转速度，从而改变了向管道供水的压力大小，使管道的实际水压值恢复到预先设定好的值上。3.1.2系统的工作原理该系统具有手动
37、和自动两种运行方式：1.手动运行方式。选择此方式时，按启动按钮泵或停止按钮，可根据需要而分别启停各水泵。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。2.自动运行方式（1）启动程序。在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设定水位要求，辅助泵首先启动，如果检测到压力不合要求，再将变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，水泵变频启动，变频器输出频率从0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至50Hz，延时一定时间后，将变频泵切换为工频，另一变频交流接触器吸合，变频启动水泵，频率逐渐上升，直至出水压力
38、达到设定压力，依次类推增加水泵。（2）水泵切换程序。如用水量减小，出水压力超过设定压力，则PLC控制变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值（水泵出水频率，一般为25Hz），而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，若在一定时间内，出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行；若在一定时间内出水压力仍高于设定压力，根据先投先停的原则，PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。（3）启动小流量泵。对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统，可设置一台小流量水泵。例如在晚上12点到凌晨5点，居民生活用水很少，一
39、台15kW的水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在25Hz左右，电动机不仅要消耗十几个千瓦的电能，同时还要长期工作在低频状态，大大影响电动机的寿命。若系统中设置一台5KW左右的小流量水泵，为了维持出水压力，由小流量水泵变频工作，不仅电动机工作在较高频率，而且消耗的电能也很小。在小流量水泵的选择上，其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，扬程和主泵相同。(4)水池水位检测。在自动供水的过程中，PLC实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发出缺水报警信号；若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信号；若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给
40、水管电动阀门。(5)自动启动。有时电源会突然断电，若无人值班，恢复供电后若系统无法启动会造成断水，为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。在电源恢复后，PLC会发出指令，蜂鸣器发出警告，然后按自动运行方式变频启动1#泵，直到稳定地运行在给定水压值。(6)消防报警。当出现消防报警信号时，系统立即按照消防压力运行。(7) 故障处理。变频故障从冗余设计原则考虑，在变频器发生故障时也要不间断供水。当变频器突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC发指令使全部水泵停机，然后1#泵工频运行（若水泵功率大于37KW，则需要采用降压启动或其它启动方式），经一定延时后根据压力变化情况再使2#泵工频运行。此时，PLC切换泵
41、则根据实际水压的变化在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时，均能由蜂鸣器发出警报声。条件许可时可以添加MODEM模块，在变频器、电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电话，通知有关人员前来维修。所有故障解决、恢复正常后，自启动前也要发出报警信号。3.2系统的理论分析3.2.1恒压控制的理论模型对变频恒压供水的主要特点进行分析，我们可以得出如下结论:变频调速恒压供水系统控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象。对它的控制仍属于工业过程控制的范畴，它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
42、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3。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。变频恒压控制的原理图如下：从恒压控制的原理图中可以看出，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。如果运行过
43、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。3.2.2变频恒压供水的近似数学模型由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象，我们难以得出它的精确数学模型，只能进行近似等效。水泵由初始状态向管网进行恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行，至管网压力达到稳定要求时经历两个过程:水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个纯滞后的过程;水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程。系统中
44、其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测等的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比，可忽略不计，均可等效为比例环节。因此，恒压供水系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一阶惯性环节，即可以写成:式中:K为系统的总增益，T为系统的惯性时间常数，为系统滞后时间。4 变频恒压供水系统的设计本系统设计的是一个三水泵生活/消防双恒压无塔供水系统。市政管网来的自来水经过电动阀门控制自动把水注入水池，水位达到上限时阀门自动关闭，停止注水；水位低于下限值时，阀门打开，对水池进行注水。水池的高低水位信号也直接传送给PLC，作为高低水位报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器的高
45、低距离较小。4.1系统控制功能及特点1、全自动运行无须人工操作。2、用水量少时，自动切入小泵运行；无人用水时自动进入休眠状态，节省电费开支20%-50%。3、手动状态设有单泵变频运行方式，可手动指定运行哪个泵，停止哪个泵，易于检修。4、手动状态设有工频运行方式，提高系统可靠性，当变频器出现故障时可切换的工频运行方式，不会影响供水。5、变频器对电机进行软启软停，减少设备损耗，延长电机使用寿命。6、管网压力无冲击，无水锤现象，压力恒定7、故障自诊断和自处理功能，对过流、欠压、过压、过载、断水和变频器故障均能自行诊断。8、根据甲方要求可预留通讯接口，便于接入楼宇集中监控系统。4.2 硬件设计4.2.
46、1 PLC及其扩展模块的选型PLC在恒压供水系统中的任务有很多，它能代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字式PID调节。一只传统调节器往往只能实现一路PID设置，用PLC作调节器可同时实现多路PID设置，在多功能供水泵站的各类工况中PID参数可能不一样，使用PLC作数字式调节器就十分方便。在多泵组恒压供水泵站中，为了使均匀地磨损，水泵及电机是轮换着工作的。在设单一变频器的多泵组泵站中，如规定和变频器相连接的泵为主泵，主泵也是轮流担任的。主泵在运行时到达最高频率时，增加一台工频泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模拟量的输入端接受传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。出了泵组的运行管理工作外，泵站还有许多逻辑控制工作，如手动、自动操作切换，泵站的工作状态指示，泵站工作异常的报警，系统的自检等，这些都可以在控制程序中安排。由系统的组成分析知，系统共有输入点8个、开关量输出点14个、模拟量输入输出各一个。若用CPU222点数不够，在扩展也用好几个模块。若选用CPU226则价格太高，浪费业大。所以选用CPU224一台。加一台数字量扩展模块EM235（8继电器输出）。PLC的普通输入输