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1、北京化工大学北方学院毕业设计（论文）诚信申明本人申明：我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年所学专业知识进行研究而做出的全面总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 年 月 日 基于PLC高楼无塔供水系统 信息学院 自控0602班 学号指导教师 摘 要随着我国社会经济的发展，住房制度正不断深入的改
2、革，人们生活水平也在不断的提高。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。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面。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，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。通过对变频器内置PLC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
3、论述了采用变频调速恒压供水系统的合理性，分析了恒压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。通过对计算机和PLC之间通信协议的研究，完成了上、下位机的通信设置，给出了计算机监控程序编写方法，通过通信模块实现了对供水系统的远程监控和故障报警。关键词：变频调速 PLC 恒压供水Based on PLC tall tower of water supply systemAbstractAlong with the development of the economy of our co
4、untry, the housing system is going deep into reforms，and peoples living standard is being improvedAt the same time，in the city，each kind of sub-district construction is developing very quickly，which puts forward higher requirement for the infrastructure construction of sub-district. And the construc
5、tion of sub-district water supply system is among them of an important aspect. The reliability，stability and economy of water supply directly affects subdistrict households normal life and work, and also embodies the difference in the level of sub-district property managementThe traditional means of
6、 water supply such as the pump pressurization water supply at constant speed，water tower of upper cistern，the jar etc. are hard to satisfy the needs of current economic life，because low efficiency，reliability and automation level are all commonly existing in these meansSetting up in advance the para
7、meter of the PLC modular built-in the transducer ,a system of closed circuit using the feedback of hydraulic pressure of far biography pressure table has formedAccording to the change of water consumption ,with PID，in the sphere of whole rate of flow, combining the constant regulation of the pump of
8、 frequency conversion with the work frequency pump grade regulation，the system of closed circuit can realize the constant pressure water supply and save energy efficientlyThis paper discusses the reasonability of water supply scheme with much pump parallel connection，and analyses the conversion cond
9、ition and the various states of water supply of the much pump way of water supply as well as the switch process and the problem of a generator from variable frequency operation mode to work frequency operation mode This paper has also given the electrical design scheme and PLC controlling program sc
10、heme that realizes effective state circulating conversion controlBy researching the communication agreement between the computer and PLC，this paper has finished setting up the communication between upper and lower computer, and also has described the method to compile computer monitoring program to
11、realize the longrange monitoring and fault reporting for water supply system through communication modularKey words: variable velocity variable frequency PLC constant pressure water-supply目 录前 言1第1章 绪论2第1.1节 选题背景及意义2第1.2节 国内外研究概况3第1.3节 论文的主要研究内容5第2章 变频恒压供水系统的理论分析及设计6第2.1节 系统的理论分析6第2.2节 系统的方案设计10第3章
12、变频恒压供水系统的硬件设计18第3.1节 系统主要配置18第3.2节 系统控制电路设计23第3.3节 系统主电路设计25第3.4节 PLC I/O端子设计26第4章 变频恒压供水系统的软件设计29第4.1节 供水系统水泵运行状态及转换过程分析29第4.2节 PLC程序设计方法32第4.3节 PID原理在系统中的应用40第4.4节 PID系统可行性分析45第5章 变频恒压供水系统远程监控系统设计46第5.1节 监控系统硬件46第5.2节 FX系列PLC通讯协议48第5.3节 PLC通信程序设计49结 论51参考文献52致 谢5455前 言随着城市建设规模的不断扩大，人们对供水质量和供水可靠性提出
13、了越来越高的要求。日常用水对人们生活有着极其重要的意义，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。传统的小区大多采用水塔供水系统，水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理等优点，但存在基建投资大，维护不方便，启动电流大等缺点，主要应用于高层建筑。目前的供水方式朝高效节能、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。因此基于PLC（可编程控制器）的变频调速恒压供水系统，越来越受到人们的重视和青睐。通过对现有供水系统的调研和分析，确定以可靠性高、使
14、用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，并引入计算机对供水系统进行远程监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的技术经济性能。具体而言，本文的研究内容主要包括：（1）在对课题分析基础上提出设计方案和思路；（2）分析供水系统节能原理，给出变频调速方式恒压供水控制流程和实施方案；（3）研究PID（比例积分微分）控制器的设计原理与方法；（4）通过计算机与PLC通信实现供水系统运行状态的实时远程监控。 本文对可编程控制器和变频器发展及工作原理、基本结构进行了基本的介绍，将二者有机地结合起来，用可编程控制器来控制变频器完成整体供水系统是当
15、代工业控制中经常使用的方法。 第1章 绪论第1.1节 选题背景及意义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。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。据统计，从2000年到2006年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）由175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面，在全国的666个城市中有330个不同程度缺水，其中严重缺水的达108个；在3
16、2个百万人口以上的特大城市中，有30个城市长期受缺水的困扰，特别是水资源短缺地区的城市，水的供需矛盾尤为突出。由于供水不足，城市工业每年的经济损失达2300亿元；同时给城市居民生活造成许多困难和不便，成为城市社会中的一种隐患。1传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水。恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬启动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。气压罐供水具有体积小、技术简单、
17、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬启动且启动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵启动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵工作在低效段，同时出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。水塔高位水箱供水是常用的供水方式，目前主要应用于高层建筑，它具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬启动，启动电流大等缺点，频繁启动易损坏联轴器。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以适应当前经济生活的需要。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方
18、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，其优越性表现在：一是节能显著；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；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。PLC（可编程控制器）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，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以开发基于PLC变频调速恒压无塔供水系统，对于提高人民
19、的生活水平、降低能耗等具有重要的意义。第1.2节 国内外研究概况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、变压变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。到1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器
20、（丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一）后，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，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德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，可构成最多七台电机（泵）的供水系统。这类设备虽然
21、说是微化了电路结构，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，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的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、抗干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（现已更名为艾默生）电气公司和成都希望集团（森兰牌变频器）也推
22、出了恒压供水专用变频器（2.2kw-30kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时启动、停止和定时循环（丹麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换）。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。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的研究还是不够的。因此，有待于进一步研究改善变频恒
23、压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。目前，在给水泵站中水泵机组变频调速系统的主要控制方式是采集管网压力信号，采用闭环控制的方法，通过变频调速系统来控制水泵机组转速以改变水泵的出水扬程和电机的输出功率。采用变频调速控制改善了工艺，水泵阀门可在全开位置，其出口压力等于管网供水压力，阀门节流损失减小到零。由于变频器可以非常平滑稳定的调整，运行人员可以自如的调控，改善了供水质量，提高了效率。可以避免因通过阀门控制导致泵过多偏离额定工作区而引起的振动。通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了调节泵的转速来改变水泉的出水扬程，以满足不同条件时对水泵的性能要求。由于启动缓慢，相应地延长了
24、许多零部件，特别是密封件、轴承的寿命。有效地延长检修维护周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。采用变频调节以后，系统实现了软启动，电机启动电流从零逐渐增至额定电流，启动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了启动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。变频调速是优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等），是当今国际上一项效益最
25、高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。它采用微机控制技术、电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。2第1.3节 论文的主要研究内容本文主要通过对现有供水系统的调研和分析，依据用户对供水系统的要求，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，并引入计算机对供水系统进行远程监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。本文研究的主
26、要内容如下：（1）在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路。（2）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，说明供水系统的节能原理。（3）分析供水系统基本模型及主要参数，对恒压供水系统中采用转速调节法和阀门控制法作了比较，详细分析和论证变频调速方式在恒压供水系统中的节能原理和效果。（4）就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用户的需求入手确定设备的选型；详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行的各种有效状态及其转换过程，讨论PLC的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案；在介绍PID
27、调节原理的基础上，分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程，给出PID参数设置方法；最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。（5）通过计算机和PLC的通信，实现供水系统运行状态的实时远程监控。本文介绍了计算机和PLC通信系统的组成和通信协议，给出了通信程序，并提出供水系统监控软件设计方法。第2章 变频恒压供水系统的理论分析及设计第2.1节 系统的理论分析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（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
28、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（u）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。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2.1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，管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1中A点。在这点，用户的用水流量Q和供水系统的供水流量Q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。
29、3图2.1 供水系统的基本特性2.1.2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。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= （21）异步电机同步速度为： V= （22）异步电机的转速为： n= （23）其中：为定子电源频率；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。从式子（23）可知，当极对数p
30、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。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。4因此，变频调速是交流异步电机中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。2.1.2水泵调速运行的节能原理在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制祛是通过调节阀门开启度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小
31、来改变流量，因此，管阻的特性将随着阀门开启度的改变而改变，但其扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门的开启度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开启度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻的特性不变。变频调速供水方式属于转速控制阁。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。图 2.2 管网及水泵的运行特性曲线当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为，扬程为，当供水量从减
32、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： （24）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，D，）围成的矩形面积，其值为： （25）可见，改用调速控制，节能量为（，D，F，）围成的矩形面积，其值为： = （26）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，于是增大，而被浪
33、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之间的关系为： ； （27）式中、为变速前的流量、扬程、功率，、为变速后的流量、扬程、功率。由公式（27）可以看出，功率与转速的立方成正比，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。52.1.3变频恒压控制的理论模型实际压力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
34、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。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。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
35、样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。6转速频率水泵管网给定参数变频器（PID）反馈参数压力传感器图2.3 变频恒压控制原理图2.1.3变频恒压供水系统的近似数字模型如前文所述，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：首先是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；其次是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；然而系
36、统中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： G（S）= （28）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。7第2.2节 系统的方案设计2.2.1变频恒压供水系统控制流程选择从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的
37、软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，多方面综合考虑后本文采用变频器主电路+PLC（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器的控制方式。这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换：通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适
38、用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点的用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性及其它技术要求。根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量；间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零；各种类型的水流量变化关系曲线如图2.4所示。8图2.4 用水量变化
39、类型a）连续型（全流量变化型） b）连续型（高流量变化型） c）连续型（低流量变化型） d）间歇型本文的供水系统主要用于小区生活用水，其水量主要集中在早、晚两个时间段，平时处于低流量状态，属连续型低流量变化型。这种类型用水需求在较长时间段表现为低流量，相对于设计流量有较大的余量，采用变频调速方式来实现低流量时的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达30。9水泵变频软启动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命。此外水泵在低速运行时，平稳、噪声小。当用水呈低流量变化型的特点时，采用多台水泵并联供水，根据用水量大小调节投入水泵台数。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级
40、调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而且其好处也是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少：其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便； 其三，小泵启动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。供水系统的恒压通过压力变送器、P
41、ID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，开启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。综上所述，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：（1）执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由变频泵和附属小泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；附属小泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下（例如：夜间
42、）对管网用水量进行少量的补充。在变频调速恒压供水系统中，这样构成水泵组有下几个原因：用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵，使水泵选型容易，同时这种结构更适合于大功率的供水系统；供水系统的增容和减容容易，无需更换水泵，只要再增加恒速泵即可；以小功率的变频器代替大功率的变频调速器，以降低系统成本，增加系统运行可靠性；附属小泵的加入，使系统在用水量很低时（如：夜间）可以停止所有的主泵，用小泵进行补水，降低系统的运行噪音：在用水量不太大时，系统中不是所有的水泵在运行，这样可以提高水泵的运行寿命，同时降低系统的功耗，达到节能的目的。（2）信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位
43、信号和报警信号。水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行AD转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；液位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。（3）控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。供水控制器
44、是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用
45、交频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择；本文采用前者。10作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。现将系统控制流程说明如下：（1）系统通电，在接收到有效的自控
46、系统启动信号后，首先启动变频器拖动水泵M1，通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率，控制M1的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1工作在调速运行状态。（2）当用水量增加，水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，增加水泵的转速到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少，水压增加时，通过压力闭环和恒压控制器，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。（3）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件（在下文有详细的阐述）时，在变频循环式的控制方式下，系统将电机M1切换至工频电网供电后，M1恒速运行，同时使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，并有新的水泵投入并联运行。当最后一台水泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报