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恒压供水控制器的设计论文

摘要

随社会经济的迅速发展，人们对供水质量与供水系统可靠性地要求不断提高；再加上目前能源紧缺，开发利用先进地自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能，能适应不同领域地恒压供水系统成为必然趋势。

本设计是针对居民生活用水而设计。

由变频器、PLC、PID调节器和控制系统组成，调节水泵地输出流量。

电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组地速度和切换，使系统运行在最合理状态，保证按需供水。

本文介绍了采用PLC控制地变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力凋节。

在经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压变量供水。

运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点。

关键词：

变频调速；恒压供水；PID调节；PLC

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofsocialeconomy;itdemandsthebetterofwatersupply'squalityandreliabilityofwatersupplysystem.Meanwhileenergyresourcesareseriouslylack.Soitisinevitabletendencytodesignwatersupplysystemwhichhashighfunctionandsavesonenergywell,withhelpofadvancedtechniqueofautomation,controlandcommunication.Atthesametimethissystemcanadaptdifferentwatersupplyfields.

ItisveryimportantoftheWaterSupplySysteminConstantPressureforthewatersupplyinindustrialandcitizenexistence.Itisconsistofthevariablefrequencyandspeedregulation,PLC,PIDcontrolsystemforthecontrolsystem.Itcontrolstheoutcomeofthepumps.Thegeneratorpumpsareconsistofparallelthreepumps,andthepowercomefromvariablefrequencyandspeedregulationorpowergrid.Accordingtothewatersupplyofconstantpressure'soutcomewaterpressandflux,thecontrolsystemcontrolthevariablefrequencyandspeedregulation,parallelpumps'speedandcutover,

causethesystemmoveinthebestrationalsituation,assureaccordingtowantssupplywater.Thisdesignhasmanymeritssuchassaveenergy.

Inthispaper,thecontrolprincipleofVVVFproviding-watersystemisintroduced,weusePLCtocarryonlogiccontrolanduseinvertertomodulatepressure.ThroughPIDcontrolprinciple.WerealizeClosed-100pcontrolinVVVFProviding-waterSystem.Theresultindicatesthatthesystemhasthestablepressure,simplestructure,andreliablework.

Keywords:

variablefrequencyandspeedregulation;watersupplyofconstantpressure;PIDcontrolsystem;PLC

第一章

绪论

水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。

变频调速恒压供水技术有节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。

恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（即为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

随着社会经济地迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。

把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。

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，方便的实现供水系统地集中管理与监控：

同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺地今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民地生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.1变频恒压供水产生的背景和意义

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地国家，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，水的供给量经常低于需求量，出现水压降低，供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量经常高于需求量，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或用水设备的损坏。

在恒压供水技术出现以前，出现过许多的供水方式。

以下就逐一分析。

1.1.l一台恒速泵直接供水系统

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，夜间可能在出现用水低谷时段停止运行现象。

这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量最差。

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，然后由水塔向用户供水。

水塔地合理高度是要求水塔最低水位的压力略高于供水系统所需要的压力。

水塔注满水后水泵停止，水塔水位低于某一水位线时再启动水泵，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的条件下，水泵处于高效区。

这种供水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等问题。

而且在使用过程中，如果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，将完全由人工操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。

1.1.3恒速泵加高位水箱的供水方式

达种方式原理与水塔供水是相同的，只是水箱在建筑物的顶层。

高层建筑还可分层设立水箱。

占地面积与设备的投资都有所减少，但是这对建筑物的造价与设计都有影响，而且水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。

一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。

水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操作，使系统的供水质量下降且能耗增加。

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替代高位水箱蓄水，通过监测罐内的压力来控制泵地开、停。

罐的占地面积比水塔水箱供水方式小，而且可以放在地上，设备的成本也比水塔要低得多。

而且气压罐是密封的，所以大大降低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一些缺点。

气压罐方式依靠压力罐中的压力压缩空气送水，气压罐配套水泵工作时，在额定转速、额定流量的条件下运行。

当系统所需要水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。

并且水泵是工频率启动，启动频繁，又会造成一定的能耗。

频繁启动会导致系统的不稳定性。

1.1.5变频调速供水方式

这种方式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、升阵速控制、正反转控制、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，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。

从查阅地资料的情况来看，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地情况，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Samc.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，但其输出接口地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的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。

艾默生电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出恒压供水专用变频器（5.5kW-22kW），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。

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的设计中，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），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。

目前,就国内而言，归结起来主要采用以下三种方法:

（1）水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点

这种方式是集中供水。

对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。

一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。

主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。

恒压变频供水是较为理想和先进的。

首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。

各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。

（2）水池－水泵－高位水箱－用水点

此方式也是集中供水。

单幢次高层和高层建筑地高压供水区较多采用该种方案。

一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。

该方式是较成熟地水泵、水箱供水方式。

（3）单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点

此方式已简化为单元总水表进水。

单元水箱和单元增压泵实际上是一个整体，我们称之为单元增压器。

由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。

图1变频器使用原理图

1.3课题来源及本文地主要研究内容

1.3.1课题来源

本课题来源于生产、生活供水的实际应用。

1.3.2研究的主要内容

本系统是三泵生活／消防双恒压供水系统，变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、压力传感器组成。

本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。

该系统可以生活供水和消防供水的双用供水系统。

1.4本论文中所做的工作

根据系统要求，设计出满足要求的恒压供水系统，对PLC、变频器、压力传感器进行选型，根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路和控制程序。

第二章恒压供水系统的基本构成

水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点是目前国内外普遍采用的方法。

该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”地顺序关闭水泵，工作泵与备用泵不固定死。

这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同地运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。

水池－水泵－高位水箱－用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用户。

但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染，影响居民地身体健康。

所以这种方案并不可取，终将淘汰。

单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标，但是它的投资较大，总费用比上两种方式增加一、二十万元。

这些费用要在用户地水电费上来扣除，这对于居民和学校来说是巨大地压力，所以也不可取。

结合校园用水的特点和经济效益考虑,决定采用恒压变频供水系统。

但上述的恒压供水系统有一个很大的弊病，就是在一个变频泵已经工作但压力仍然达不到设定压力，需要启动另一个泵时把主线路从变频器切换到工频线路上，从理论上讲是不错的，变频器输出电压是380V，工频线路输出的也是380V。

但是实际应用中工频线路地电压是不定的。

一般在水厂的配电室里对外输出有两到三个档，一个是春秋季节时用地380V地供电电压，另一个是夏天时用地420V或420V以上（因为用空调冰箱较多），设所需水压0.2mpa，单泵只能达到0.195mpa，则需要加泵，当线路由变频切换到工频时，电压突然增大，多出来的电压会使水泵向上抽更多的水，很有可能使水压超过设定值，PLC根据压力传感器的信号令A泵退出运行，但实际水压并未达到0.2mpa稳定后仍然需要加泵，B泵频率上升至50Hz，切换线路并启动C泵，切换时又遇到刚才地状况，导致水泵频繁切换，但水压始终上不去。

恒压供水泵站一般需设置多台水泵及电机，这比设置单台水泵及电机节能而可靠。

配单台电机及水泵时，它们地功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水会不足。

而且水泵与电机都有维修地时候，备用泉是必要的。

恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机地转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。

这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不须切换，但购变频器的费用较高。

另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。

其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。

图2-1为恒压供水系统构成示意图。

图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。

当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。

水压传感器将水压的变化转变为电流或电压地变化送给调节器。

图2-1恒压供水系统示意图

调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能：

（1）设定水管压力的给定值。

恒压供水水压的高低依需要设定。

供水距离越远，用水的点越高，系统所需供水压力越大。

给定值即是系统正常工作时的恒压值。

另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高一些。

一般用实际量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。

（2）接收传感器送来的管网水压的实测值。

管网实测水压回送到泵站控制装置成为反馈，调节器是反馈的接收点。

（3）根据给定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。

调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。

如给定值大于实际值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速，如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。

这些都由调节器的输出信号控制。

为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作中还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称PID调节器。

调节器的调节参教，如P、I、D参数均是可以由使用者设定的。

PID调节过程根据调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。

调节器的输出信号一般是模拟信号，4～20mA变化的电流信号或O～10V间变化的电压信号。

信号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工作。

在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。

系统的总体方案：

系统采用3台水泵并联运行方式，把1泵和变频器连接，实现变频运行。

为保护电机，2泵和3泵用软起动器来启动，起动参数可调，而且采用软起动具有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机冲击电流大的弊病，减轻对管道的冲击，避免高程供水系统的“水锤效应”，减少设备损坏。

在工作过程中，压力传感器将主管网水压变换为电流信号，经模拟量输入模块，输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出的控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的频率。

当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下恒压运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力达到设定值时，压力传感器上传的信号被PLC检测到，PLC自动将变频泵的频率降至出水频率，同时将第二台泵软启动投入到工频运行，以保持压力的稳定，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现；一段时间后，若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将软启动下一台水泵。

当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时实际压力值大于设定压力，PLC将最后启动的工频泵停掉，以减少供水量。

一段缓冲时间后，当变频器仍工作在出水频率以下时，PLC再软停车，停掉第2台工频运行的电机（水泵），此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现。

为了防止备用泵锈死，用PLC设定时，B、C泵循环备用。

循环时间可默认定在每周三凌晨2点，因为这时用水量较少，备用泵循环可顺利进行。

主要参数的设定可用文本显示器来设定，省去了改写程序的麻烦。

本系统的特点：

提高备用泵的利用率，是本系统地第一个目的，也是第一个特点。

节能，是设计这套系统的另一个重要目的。

第一，普通二级加压水厂只单纯手动控制电机的启动和切换，这样在电机启动时会产生很大的启动电流，长此以往对电机寿命有很大损害，而且在供水时一直按工频全速运转效率低、能耗大。

而本系统可根据实际压力变化自动调整变频器频率，从而改变电机转速，减少了能量的消耗。

第二，普通恒压供水在用水量变化较大时有高效、节能的作用，但在用水量很小的情况下，如晚上变频器工作在出水频率附近，耗电量增大。

在吉林农村，每村平均户数在260户左右，每户每月用水量大约在3t，每月全村用水量约780t，平均每天用水约26t。

经过统计，每天早、中、晚各1h用水量之和占全天用水量的80％左右，即3h供水量为21t，平均7t/h。

而其他21h供水总量为5.4t，平均0.26t/h。

如该村选用的2OOQj32—52/4潜水电泵潜水电泵，额定流量32m/h，额定功率7.5KW，则在除早、中、晚三时地时间里，其流量占额定流量的0.81％，不足1％，而在早中晚三时，流量占额定流量的21％。

根据试验，当2OOQj32—52/4潜水电泵与变频设备合理匹配地情况下，当流量达到额定流量的21％，其能耗为3.1KW。

由上面的分析可知，早中晚三时供水总量为80％，而耗电量为9.3kW·h；而其他21个小时，供水总量为20％，而耗电量为34.65kW·h。

早、中、晚三时供水量80％，只占全天耗电的21％，而其余时间供水量20％，耗电却占全天地79％。

这显然是极不合理的现象。

因此，必须解决好微小流量时能耗大效率低的问题。

当流量较小时，恒压供水模式将转换成压差供水模式。

压差供水模式的工作过程如下，当流量条件满足压差方式时，系统自动切换。

变频泵以50Hz的频率开启，向微泄露补偿器压水，当压力达到压差上限时，水泵停止供水并停机。

这时管道地压力由微泄露补偿器来提供。

当压力传感器检测到压力低于压差下限时，变频泵再次以工频把补偿器压满。

在压力达到压差上限时，定时器同时计时，在变频器若干次的启停后（系统默认为4次），PLC自动比较压力由压差上限到压差下限地地时间是否低于系统设定地频率上升时间，若都低于说明需水量已增大，系统就自动切换到恒压供水状态。

微泄露补偿器是比传统地压力罐、气压罐更先进、更环保的恒压装置。

只使用普通气囊储气，而微泄露补偿器使用高质量橡胶囊储气，杜绝了二次污染。

本系统是由变频技术、压差-恒压自动转换技术及微泄露补偿技术组成。

采用这种技术供水时，变频设备能自动的根据供水流量转换供水方式，并利用微泄漏补偿器储能，来实现微小流量下高效率供水的目标。

第3章变频器和压力传感器

交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。

微计算机是变频器地核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。

大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50Hz。

而交流电动机的同步转速。

N1=60f1/P

（1）

式中N1---同步转速，r/min；

f1---定子频率，Hz;

P-电机的磁极对数。

而异步电动机转速

N=Nl（1-s）=60f1（1-s）/P

（2）

式中S---异步电机转差率，

s=（N1-N）／N1，一般