基于plc变频调速恒压供水系统设计大学学位论文.docx

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基于plc变频调速恒压供水系统设计大学学位论文

摘要

根据城市居民用水标准为前提和小型自来水厂的供水要求，自行设计了基于PLC变频调速恒压供水系统。

恒压供水系统是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保证管网中的水压恒的基本定。

变频调速恒压供水系统利用PLC、变频器、压力变送器和水泵机组组成闭环控制系统，采用了PLC进行逻辑控制，变频器对水泵机组的调速。

本系统是用3台水泵电机的变频循环运行方式，变频器和PLC作为系统控制的核心部件，时刻跟踪压力变送器检测到的管网压力和给定压力的偏差变化，经PLC内部进行PID运算，通过PLC控制变频和工频的切换，自动控制水泵的投入台数和控制变频器的输出频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。

本系统是采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则，避免了水泵的长时间运行而造成电机的损坏和减少寿命，还增加了液位变送器的实时监控水泵进水源防止水泵的空抽而损坏水泵电机和报警系统是反应系统是否运行正常，水泵电机是否过载、变频器是否异常。

关键词：

PLC、变频调速、恒压供水系统、压力变送器、液位变送器

ABSTRACT

Thispaperisbasedonresidentialwaterstandardsforwatersupplyrequirementsofthepremiseandwaterworks,todesignaPLC-basedfrequencycontrolwatersupplysystem.WaterSupplySystemmeansthesizeoftheclientatanytime,regardlessofwateruse,alwaysensurethatthewaterpressureconstantinthepipenetworkintheset.FrequencycontrolwatersupplysystemusesPLC,inverter,pressuretransmitter,andthepumpunittoformaclosedloopcontrolsystemusingPLClogiccontrol,theinverterspeedcontrolofpumpunits.

Thissystemistheconversioncycleoperationmodeofthewaterpumpmotor,inverterandPLCasthecorecomponentofthesystemcontrolkeepstrackofpressuretransmitterdetectedthepipenetworkpressureandagivenpressurechangeinerror,thePIDbythePLCinternaloperationbythePLCtocontroltheswitchingofthevariablefrequencyandpowerfrequency,automaticcontrolofpumpinputthenumberofunitsandcontrolofinverteroutputfrequency,andthuschangethespeedofthepumpmotortochangethesupplyquantity,andultimatelytomaintainthestabilityofthepipenetworkpressurenearthesetvalue.Thissystemusestheconvertertoachievesoft-startandfrequencycontrolthree-phasewaterpumpmotorrunswitchusingtheprincipleof"firstinitialfirststop"toavoidthelong-runningofthepumpandcausedamageandreducethelifeofthemotor,butalsoincreaseareal-timemonitoringoftheleveltransmitterpumpintotheemptypumpingofwatertopreventpumpdamagetothepumpmotorandalarmsystemistheresponsesystemisfunctioningproperly,whetherthepumpmotoroverload,theinverterisabnormal.

Keywords:

PLC,FrequencyControl,WaterSupplySystem,pressuretransmitter,leveltransmitter

1绪论

1.1选题的背景

自从改革开放以来，我国国民经济发展迅速，人民生活水平快速提高。

但是我国城市基础设施建设普遍没有跟上生活水平的快速进步，如城市供水系统等。

在过去的二十几年的中，我国城市居民人均生活用水量提升了一倍多，但是由于城市供水设备还是相较落后，造成人民用水紧张，特别是在用水高峰期时，供水一般是不足的。

但是由于每天用水时间段不一样，有时少，有时多，所以一味地片面提高供水水位会造成能源的浪费，而且还可能引发事故隐患。

因此供水系统的可靠性和稳定性会直接影响到居民生活水平。

传统供水系统的供水设备分为恒速泵加压式、气压罐式、水塔高位水箱式等多少种方式，但是其普遍具有结构复杂、自动化程度低、工作效率低、资源浪费严重、维护检修成本高的缺点。

1.2变频恒压供水技术简介

变频恒压供水技术是指将变频调速技术和可编程程序控制器（PLC）相结合以PLC作为整个装置的控制中心，使变频器与PID相结合，变频恒压供水系统能够依照供水系统的压力值迅速调整供水系统的供输情况，从而实现恒压供水的目的，这项技术比传统的技术有：

运行安全、操作简单、节约能源、自动化程度高、使用寿命长等特点。

1.3变频恒压供水的意义

所以现代化的的供水方式趋向于高效化、节能化、自动化的方向发展，而变频调速技术的发明与推广，使之成为了可能。

变频调速技术具有能够自动化地根据需要来调节供水压力，它更加节约了资源更节省了运行成本。

同时它可以调节供水管道的供水压力，从而减少水压对管道的冲击。

它还具有能减小水泵、电机内部的机械冲击力和摩擦力的损耗的特点

1.4变频恒压供水的优点和特点

1.4.1变频恒压供水代替传统恒压供水的优点

1.变频恒压供水可以长效保持恒定的供水水压强，并且能够依照压力变化而自动化的完成备用泵的压力调节，这使供水效果优化，比传统的供水方式，更有效的减少因为共振而造成管道破裂的现象。

2.减少了水泵高频率的启动和停止，增长了水泵、电机的使用寿命。

同时，变频恒压供水启动方式平缓，可以避免电机水泵和电机的供电冲击力，避免了传统供水方式中水锤现象的发生。

3.变频恒压式供水系统没有水箱的设计，可以减少不必要的资金、资源的浪费，还可以节省较大的空间结构，减少安装所带来的不便，而且采用变频恒压式供水系统不会长期储存水，减少水与过程环境的接触时间与空间，从而达到卫生、安全、洁净的特点。

4.变频恒压供水还可以根据客户自身的需求，自动化、智能化的调节电机的转速、水泵的压力，减少了工作人员的工作量，提高了工作效率，节省了资源环境。

5.变频恒压供水系统拥有全套安全的保护设施，更具有欠压、过流、过载、过热、缺相、短路等保护电路。

1.4.2变频恒压供水的特点

（1）节约资源，比传统的供水系统节约百分之五十至七十的电量，正式国家所倡导的绿色科技。

（2）占用空间小，不会造成空间上的浪费。

同时减少了一些不必要的器件，节省了制作、运营成本。

（3）器件配置多种多样，用户可以根据自身的需求来设定自身的设备特点。

而且它的自动化程度较高，减少了人对其的工作量，使整个系统设计更加具备人性化。

（4）运行合理，因为采用软起与软停这种运行方式，不仅能够减少水锤效应，而且能够减少平均的扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修成本，还可以增加水泵的寿命。

（5）因为变频恒压调速能够从水源供水，不会长期储存水，减少水与过程环境的接触时间与空间，从而达到卫生、安全、洁净的特点。

（6）可以通过远程报警和通信控制，实现远程监控、远程控制。

大大减少了人力成本。

1.4.3变频恒压供水的应用

基于PLC技术与变频调速技术设计的智能恒压供水控制系统，比传统的供水技术更为先进，更有运行安全、操作简单、节约能源、自动化程度高、使用寿命长等特点，所以在实际的使用中也越来越广泛，如在以下方面：

（1）在家庭用水系统中的应用，能够保证在生活用水高峰期有稳定的用水压力、流量，也能够在用水低峰期时，自动调节水压强度。

（2）也广泛的应用于自来水厂、小区、公园等公共用水机构，为人民群众的公共用水提供了有力保障。

（3）在工厂、企业中的应用，众所周知，对于一些企业、工厂，水是生产工作的基础，如果没有稳定的供水系统，有可能使整个企业、工厂陷于瘫痪。

而恒压供水系统能够为其提供稳定、安全、节能的供水系统。

（4）在农业中的应用，水是万物之源，农作物的生长离不开水的供给。

所以说稳定的供水系统是农业生产的重中之重。

2变频恒压供水系统的理论分析

2.1系统概述和节能原理

2.1.1系统概述

供水系统是居民日常用水相当重要的系统。

过去的供水模式占地相对较大，水质十分容易被污染，基建成本高，而最为不足之处是无法维持水压恒定，导致许多设备不能处于正常工作状态。

变频调速技术是基于交流电机无极调速技术的一类先进科学技术，它利用自身完美独特的控制魅力征服了整个速度控制领域，尤其在供水行业。

因为有了安全生产和供水质量的特定需求，恒压供水系统的压力需要被严格控制，促使变频调速技术进入到更加深层次的研发。

恒压供水方式具备较多优点，如水压恒定、实际操作方便、工作稳定、节约电能、自动控制程度高，在泵站供水工程中可完成下述诸多功能：

（1）维持水压恒定；

（2）控制系统可以手动/自动运行；

（3）多台泵可自动切换运行；

（4）系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直到有用水需求时自动唤醒；

（5）在线调整PID参数；

（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等；

2.1.2节能原理

供水系统的扬程特性的前提是让供水系统管路中的阀门维持一定开度，表征水泵在特定转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2-1所示。

如果阀门开度和水泵转速都保持恒定的情况下，流量的控制主要决定于居民的用水需求，因此，扬程特性具体表征的是用水流量Qu与扬程H间的关系H=f（Qu）。

而管阻特性则是水泵转速保持恒定的前提下，表征阀门在某一开度下流量Q与扬程H之间的关系曲线，如图2-1所示。

管阻特性体现了水泵能量克服供水系统的水位及压力差、流量在管网中流动阻力的变化关系。

变化阀门的开度，事实上是改变了特定扬程条件下，供水系统对居民的供水能力。

因此，管阻特性表征的是扬程H与供水流量Qc之间的关系曲线H=f（Qc）。

图中扬程曲线和管阻特性曲线的交汇点，叫做供水系统的工作点，如图2-1中A点。

在A点时，居民的用水流量Qu大致与供水系统中的供水流量Qc相同，供水系统既满足了扬程特性及管阻特性，系统正常运行，并保持稳定。

图2-1恒压供水系统的基本特征

水泵、电动机、管道和阀门是构成变频恒压供水系统的主要设备。

通常是异步电动机带动水泵来供水，并且把电机和水泵整合在一起，异步电机的转速由变频器控制，通过调节出水流量来的大小完成恒压供水。

因此，供水系统变频从另一个性质看也就是异步电动机的变频调速。

异步电动机的变频调速是利用控制定子供电频率的变化来控制同步转速从而完成目标的。

整个供水过程中，一般把流量作为控制对象，普遍的控制方式有阀门控制法和转速控制法。

阀门控制法原理是通过控制阀门开度来控制流量大小，系统电机转速保持不变。

根本实质是通过控制管网中的阻力大小来改变流量，因此，管阻随着阀门开度的改变而改变，而扬程特性保持不变。

因为在实际用水中，需水量不是一成不变的，假使阀门开度在某个阶段维持恒定，则一定会存在超压或欠压现象。

转速控制法是通过控制水泵电机的转速大小从而改变流量，而阀门开度大小保持不变，是通过使水的动能发生改变来控制流量。

因此，扬程特性与水泵转速成线性关系，而管阻特性维持稳定。

变频调速供水方式属于转速控制。

其本质上是依据居民用水量的变化自动地控制电机的转速，使管网压力始终维持稳定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

2.2电动机的调速原理

水泵电机大多采用三相异步电动机，其转速公式为：

（1.1）

该式中：

f代表电源频率，p代表电动机极对数，s代表转差率

从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：

（l）改变电源频率

（2）改变电机极对数

（3）改变转差率

调节电机极对数的调控方式控制相对简单，成本低，节能效果十分显著，效率也相对较高，不足是必须有专门的变极电机，包含有级调速，且级差变化较大，即变速时转速改变相当大，同样转矩变化也大，所以仅仅能满足特定转速的生产设备。

改变转差率调速为了获得较大的调速范围而一般选取串级调速的办法，该方法最大好处就是能够循环利用转差功率，节能效果更为突出，且调速性能优越，但因为线路结构太过繁琐，增加了线路环节的电能损耗，成本高的缺点严重了影响它的推广价值。

以下重点分析改变电源频率调速的方法及特点。

依据公式可得，若转差率改变不大时，异步电动机的转速n大体上与电源频率f成线性关系（一般为正比关系）。

连续调节电源频率，就能够平滑地控制电动机的转速。

但是，简单的控制电源频率变化，会导致电机运行性能恶化。

伴随着电力电子技术的逐步成熟，已开发了各种性能优越、运行稳定的变频调速电源装置，它们推进了变频调速技术的广泛应用。

2.3变频恒压供水系统的控制方案

2.3.1控制方案的选择

恒压变频供水系统一般由单元变频器、恒压控制、压力变送器、水泵机组以及低压电器组成。

系统主要的任务是利用恒压控制模块使变频器控制一台水泵或控制多台水泵，维持管网水压的稳定，同时还应具备对运行数据实施传输和监控。

依据系统的设计目的要求，有以下几种方案可供参考：

（1）有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器

这种控制系统结构相对比较简单，将PID调节器与PLC等硬件集成在变频器供水基板上，采取设置指令代码完成PLC和PID等电控系统的功能。

该控制系统虽然简化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值两方面的显示过程中又太过繁琐，不能自动满足各个时段的不同恒压需求，进行调试时，PID调节参数寻优环节比较复杂，调节幅度相对较小，系统的稳态、动态性能很难得到保证。

其输出接口也存在扩展功能灵活度低，数据传输困难，并且影响了带负载的容量，因此仅仅能够满足于要求较低的小容量场合。

（2）通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器

该控制方式控制精度相对较高、控制算法灵活多变、参数调整十分容易，具备优越的性价比，但研发周期比较长，程序一旦固化，不易改动，因此现场调试的灵活性变得非常之差，并且当变频器在工作时，容易产生干扰，变频器的功率越大，产生干扰越大，所以必须采取一定的抗干扰措施来确保系统的可靠性。

该系统仅适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水系统中。

（3）通用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器

该控制方式灵活简单。

具备不错的通信接口，能够方便地与其他的系统进行数据交换，通用性相对较高；目前由于PLC产品的系列化和模块化，用户可按照实际需要组成规模和需求不同的控制系统。

在硬件设计过程中，仅需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线即可，若控制要求发生一定变化，能够轻松地利用PC机来控制存贮器中的控制程序，所以现场调试十分简单。

并且基于PLC的抗干扰能力强、可靠性高特点，因此系统的可靠性大大改善。

该系统能满足各类不同要求的恒压供水情形，并且与供水机组的容量范围没有任何关系。

通过以上这几种方案的对比和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本设计。

这种控制方式既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能满足系统稳定性及控制精度的要求。

2.3.2系统的组成及原理图

PLC控制变频恒压供水系统一般由变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组等几个部分组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2-2所示：

图2-2变频恒压供水系统控制流程图

从图中可看出，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：

（l）执行机构：

执行机构由一组水泵组构成，该组水泵的作用是将水引入居民用水管网，该水泵组主要由一台变频泵和两台工频泵组成，变频泵是通过变频调速器控制、能够进行变频调整功能的水泵，用来依据具体的用水情况调节电机的转速，以维持管网的压力稳定；工频泵仅工作于启、停两种工作状态，用以在用水量相对较大（变频泵达到工频运行状态都不能达到供水需求时）的情况下投入使用。

（2）信号检测机构：

在系统控制环节中，必须采集许多关键信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。

管网水压信号代表的是供水管网的水压值，该信号是恒压供水控制的核心反馈信号。

管网水压信号是模拟信号，读入PLC时，须进行A/D转换过程。

此外为改善系统的可靠性，还需对供水管网的上限压力和下限压力用电接点压力表实施检测，检测结果可以送给PLC，当作数字量输入；水池水位信号表征水泵的进水水源是否充裕。

信号正常时，控制系统要对系统进行相应的保护控制，以避免水泵出现空抽现象而导致电机和水泵损坏。

水池水位信号来源于安装在水池中的液位变送器；报警信号表征系统是否处于正常工作状态，水泵电机是否出现过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。

（3）控制机构：

供水控制系统绝大数情况下都安置在供水控制柜里，它主要包含供水控制器（PLC系统）、变频器及电控设备三个模块。

供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的绝对重点。

供水控制器直接通过对系统中的压力、报警等信号进行检测收集，对来自人机及通讯接口的综合信息采取分析、实施控制算法，获得对执行机构的控制方式，利用变频调速器和接触器对执行机构进行相应的控制；变频器是对水泵采取转速控制的基础设备，它通过跟踪供水控制器送来的控制信号调整调速泵的工作频率，完成对调速泵的转速控制过程。

通过水泵机组中水泵被变频器控制的类型各异，变频器的两种运行方式是变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器控制某一台水泵作为调速泵，当这台水泵工作在上限频率时，其供水量仍不能达到用水需求，必须增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵机组中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器控制其中一台水泵作为调速泵，若这台水泵工作在上限频率时，其供水量仍不能达到用水要求，必须增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不进行切换，变频器固定拖动的水泵在系统开始运行之前可以进行选择，该设计系统中采用前者。

作为一个完整的控制系统，报警模块是不可或缺的重要组成部分。

由于该系统可适应于各种供水领域，所以为了确保系统安全、可靠、稳定的运行性能，避免因电机过载、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分析，由PLC判断报警类别，进行显示和不同的保护动作控制，从而避免造成不必要的损失。

变频恒压供水系统以系统出口管网水压为控制目标，在控制上达到出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。

设定的供水水压可以是常数，也可以是一个时间分段函数，即每个时段内是一个常数。

所以，在不同特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网上的实际供水压力维持在设定的供水压力上。

变频恒压供水系统的结构框图如图2.4所示：

图2-3变频恒压供水系统框图

恒压供水系统一般利用安装在居民供水管网上的压力变送器实时地测量参考点的水压，测得管网出水压力，并将该信号转化成4—20mA的电子信号，该检测信号是完成恒压供水的主要参数。

因为电信号为模拟量，故必须利用PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行对比，将比较后的结果通过PID运算，再将运算后的数字信号利用D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，调节变频器的输出频率，从而控制电机的转速大小，进而调节水泵的供水流量，最后维持居民供水管网上的水压稳定，实现变频恒压供水目的。

2.3.3系统控制流程

变频恒压供水系统控制流程如下:

（l）系统正常启动，依据接收到自控系统启动的正常信号后，启动变频器调节变频泵M1开始运行，依据压力变送器检测的用户管网实际水压和设定水压间的偏差进行调节变频器的实际输出频率，进而调节Ml的转速大小，若输出水压达到设定值，而供水量与用水量也维持平衡时，转速才稳定到某一定值，该时间段Ml工作在调速运行状态。

（2）若用水量增大水压减小，从压力变送器反馈的压力信号就会减小，进而偏差变大，PLC的输出信号变大，从而变频器的输出频率相应变大，水泵的转速加快，系统供水量增大，最终水泵的转速会达到另一个相对稳定的值。

反之，若用水量降低水压增加时，利用压力闭环系统，减小水泵的转速且会达到另一个相对稳定的值。

（3）若实际用水量持续升高，变频器的输出频率等于上限频率时，若此时用户管网的实际水压还未达到设定水压，而且达到增加水泵的条件（在下节有详细阐述）时，变频循环式的控制方式下，系统将会在PLC的控制下自行投入水泵M2进行变速工作，同时变频泵M1作工频运行，系统恢复对水压的闭环调节控制方式，直至水压达到设定值为止。

假使用水量不断增大，达到增加水泵的条件，将继续发生如上过程，而另一台工频泵M3将开始运行，变频器输出频率达到上限频率时，水压没有达到设定值时，系统将会发出水压超限报警的信号。

（4）若实际用水量减少水压升高，变频器的实际输出频率已经减小至下限频率，用户管网中的实际水压仍然超过设定值，而且达到了减少水泵的相应条件时，系统使工频泵M2停掉，恢复对水压的闭环控制，使压力重新达到原来的设定值。

若实际用水量继续下降，并且达到减少水泵的相应条件时，将继续发生如上相同的过程，且会使另一台工频泵M3关掉。

2.3.4水泵切换条件分析

在上述分析的供水系统运行过程中，讨论到当变频泵己经运行在上限频率，且用户管网的实际水压仍低于设定水压，这时就必须增加水泵数量来达到供水需求，完成恒压的目标，若变频泵和工频泵都在正常工作且变频泵己经运行在下限频率，此时用户管网的实际水压仍超过设定水压，此时必须通过减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的要求。

那么该怎样进行水泵间切换，才能让系统始终保持稳定可靠的供水压力，并且使机水泵组不会太过频繁的切换呢?

因为电网的影响以及受限于变频器和电机的工作频率，50HZ自然而然地便成了频率调节的上限频率。

此外，变频器的输出频率也不可能为负值，最低也只能是0HZ。

事实上，在实际情况中，变频器输出频率是不可能降至0HZ，因此当水泵机组运行，电机驱动水泵组给用户管网供水时，由于管网中水压会产生反作用而作用于水泵，给驱动水泵运行电机一个反向的力矩，并且