PLC在变频恒压供水系统中的应用.docx
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PLC在变频恒压供水系统中的应用
摘要
随着我国社会经济的发展，城市供水系统的建设提出了更高的要求。
本文首先阐明了供水系统的变频调速节能原理；其次，分别确定变频器的参数，设计变频主电路、变频电机的运行模式、控制模式及流程；最后，从分析该恒压变频供水的可行性，改造的理论、技术、经济可行性等方面进行多次实验分析。
然后归纳和分析了安装运行中的问题和注意事项，提出不同的控制方案。
关键字：
恒压；供水系统；变频调速；变频器
Abstract
AsChina'ssocialandeconomicdevelopment,theconstructionofurbanwatersupplysystemputforwardhigherrequest.Thispaperfirstlyexpoundsthewatersupplysystemfrequencycontrolenergy-savingprinciple;Secondly,respectivelydeterminefrequencyconverterparameters,thedesignvariablefrequencymaincircuit,frequencyconversionmotoroperatingmode,controlpatternandprocedure;Finally,fromtheanalysisoftheconstantpressurewatersupply,thefeasibilityofvariablefrequencyrenovationofthetheory,technology,economicfeasibilityaspectsofrepeatedexperimentsanalysis.Thenthesummaryandanalysistheinstallationofoperationalproblemsandprecautions,putadifferentcontrolscheme.
Keywords:
Constantpressure;Watersupplysystem;Frequencyconversion;
Inverter
目录
摘要..................................................I
Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
第一章 绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..............1
第一节引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
第二节变频恒压供水产生的背景和意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
第三节变频恒压供水的现况．．．．．．．．．．．．．...．．．．．．．．．．．．．．．．.....3
1.3.1国内外变频供水系统现状................................3
1.3.2变频供水系统应用范围．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.3.3变频供水系统的发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..........4
第二章变频恒压供水的理论分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.5
第一节泵的工作原理泵的工作原理．...．．．．．．．．．．．．...．．．．．．．．．．．.5
第二节恒压供水系统中变频器调速原理．．．．．．．．．...．．．．．．．．．．．...6
第三节水泵的调速方式.......．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.3.1恒速调节．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.．．．7
2.3.2变速调节．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．......．7
第四节水泵调速运行的节能原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
第三章 变频恒压供水系统的构成及控制原理...．．．．．．．．．．．．．10
第一节变频恒压供水系统的构成方案．．.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
第二节变频恒压供水系统的结构．．．．.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
3.2.1执行结构．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
3.2.2信号检测．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
3.2.3控制系统．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
3.2.4人机界面．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
3.2.5通信接口．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
3.2.6报警装置．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
第三节系统控制方案．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．.．．．．．．．．．．．．．．．．．13
第四章 变频恒压供水的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
第一节硬件设计．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..．16
4.1.1PLC概述及选型．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
4.1.2变频器的选型．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
4.1.3水泵的选型．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
4.1.4压力传感器的选型．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
第二节PLC及变频器的控制电路．．．．．．．．．．.....．．．．．．.....．．．．．．．19
4.2.1变频恒压概述系统主电路．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．19
4.2.2硬件接线图．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
4.2.3主要元器件明细表．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
4.2.4I/O分配表．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
第三节系统软件设计．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
4.3.1PLC梯形图．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
第四节控制系统程序设计．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
4.4.1启动程序．．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
4.4.2水泵切换程序．．．．．．．．．．．......．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.22
4.4.3逐台停泵程序．．．．．．．．．．.....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..23
4.4.4故障处理．．．．．．．．．．．......．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.23
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
附图1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..25附图2．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..26
后记．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
第一章绪论
第一节引言
水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。
在通常的城乡供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。
但机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。
我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。
随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。
衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上:
用水多而供水少，则供水压力低;用水少而供水多，则供水压力大。
保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。
对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。
目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。
导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题（如图1-1）。
因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水解水企业关心的焦点问题之一。
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。
利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行。
变频恒水压供水系统集变频技术、电气传动技术、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，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。
所以研究设计基于变频调速的恒定水压供水系统（简称变频恒压供水，如图1-2），对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。
图1-1传统机泵供水示意图 图1-2变频供水机泵示意图
第二节变频恒压供水产生的背景和意义
我国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，工业自动化程度低。
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，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。
传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。
且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。
而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。
由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、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。
第三节变频恒压供水的现况
1.3.1国内外变频供水系统现状
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。
目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。
国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。
这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。
此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。
国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。
目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。
但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。
1.3.2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，所以是目前国内研究和推广最多的方式。
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、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。
在本文中，研究和设计的变频器是以第二种应用范围为基础。
目前国内，除了高压变频供水系统，多数恒压供水变频系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。
以中小水厂供水环境来说，由于其包括了自来水生产系统，其温湿度及腐蚀程度都大于常见小区和加压泵站，在水泵组搭配上、需要处理的信号（如水质信号停机管理）也多于小区供水系统，所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。
1.3.3变频供水系统的发展趋势
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明显偏高，维护成本也高于国内产品。
目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。
但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。
第二章变频恒压供水的理论分析
第一节水泵的工作原理
供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2－1所示:
叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。
在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:
启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。
在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。
在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。
液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。
可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。
图2－1离心泵结构示意图
第二节恒压供水系统中变频器调速原理
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/n1）（2.1）
异步电机的同步速度为:
n1=60f/p（2.2）
异步电机的转速为:
n=60f（1-s）/p（2.3）
其中:
n1为异步电机的同步转速；
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,当电机电极刘数P不变时,电机转子转速口与定子电源频率厂成正比,由此连续调书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,机械恃性较硬的优点,调速性能可与直流电动机调速系统楣媲美。
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。
第三节水泵的调节方式
水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点（简称工况点）的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。
水泵的工况点是由水泵的性能和管网的特性确定的。
所以，水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能或管网特性或二者同时改变来实现的。
水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。
这种调节方式虽然简便易行，但往往造成很大的能量损失。
大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。
因此，研究并改进它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。
水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。
目前常见的调节方法有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节、液力绕线式异步电动机的串极调速、变极调速、变频调速等。
划分如下:
2.3.1水泵的恒速调节
水泵的恒速调节主要有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节三种。
1.节流调节
节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板，通过改变阀门或挡板的开度，使装置需要扬程曲线发生变化，从而导致水泵工作点位置的变化。
节流调节优点是调节简单、可靠、方便，且调节装置的初投资很少，故以前各种离心泵多采用这种调节方式。
缺点是能量损失很大，目前正逐渐被其它调节方式所取代。
2.动叶调节
采用动叶调节的水泵，在泵的轮毅内部安装动叶调节机构，从而使动叶调节得以实现。
对于大型的泵，可以采用液压传动调节.动叶调节的优点是:
在调节过程中其效率变化很小，能在较大范围保持高效率。
缺点是:
动叶调节机构复杂，控制自动化程度低;成本高，通常适用大容量 水泵，对中小供水厂的水泵通常不适用。
3.改变机泵运行台数调节
改变机泵运行台数调节是根据不同的流量要求，采用不同数量和型号的机泵进行并联运行，来满足供水量要求.优点是:
它不改变电机和水泵的电气及机械结构，在水泵台数众多、搭配合理的情况下，可以达到较好的调节效果。
缺点是:
不能实现连续调节、需要大量的机泵进行合理搭配、随着供水量的变化要不断启停电机;电能损失较大。
因此，目前此种方法虽大量使用，但正逐步被新的流量调节方式取代从恒速调节的分析可以看出，由于恒速调节要不结构复杂，要被变速调节所取代.。
2.3.2水泵的变速调节
这里所指的速度是水泵的转速.水泵的变速调节可分为变速传动装置调节和变电动机转速调节。
1.变速传动装置
定速电动机驱动的水泵可以通过传动装置来实现变速调节。
变速传动装置按其工作特性可分为两类。
一类是有级变速装置，如齿轮变速等另一类是无级变速装置，主要有液力祸合器、油膜转差离合器、电磁转差离合器等。
液力祸合器、油膜转差离合器及电磁转差离合器在传动变速时具有一个共同的特点:
传动装置产生的传动损失在其所传递功率中所占的比例与水泵的转速变化的大小成正比，转速变化越大，传动损失所占的比例也越大，因此这类变速调节方式也被称为低效变速调节方式。
2.变频电动机转速
由2-1、2-2、2-3得知，交流电动机的同步转速n，与电源频率f、极对数p之间的关系有关。
可以看出，要实现交流电动机的调速，可以通过改变磁极对数p和改变电源频率f实现，下面就两种变速调节方式进行比较.异步电动机的变极调速。
（1）变极调速
异步电动机在正常运行时，通常其转差率很小。
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