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恒压供水系统

摘要

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。

传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。

变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。

由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。

关键词：

恒压变频调速供水系统

Abstract

Nationalproductionandlivingwatersupplysystemisanimportantandindispensablepart.Traditionalareaof​​watersupply,waterqualityeasilycontaminated,andmoreinvestmentininfrastructure,butthemaindisadvantageisthatpressureisnotconstant,resultinginsomeoftheequipmentdoesnotwork.FrequencycontroltechnologyisanewtypeofACmotorsteplessmaturetechnology,withitsuniqueexcellentspeedcontrolperformanceiswidelyusedincontrolareas,especiallyinthewatersupplyindustry.Asthesafetyandwaterqualityspecialneeds,constantpressurewatersupplypressurehasstrictrequirements,whichfrequencycontroltechnologyhasbeenmorein-depthapplications.

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Keywords:

constantpressureariablefrequencyspeedregulation

watersupplysystem

目录

1绪论1

1.1变频恒压供水产生的背景和意义1

1.2变频器恒压供水系统的国内现状2

1.3变频供水系统应用范围3

1.4变频供水的发展趋势4

2恒压供水系统分析5

2.1系统简介5

2.2变频恒压供水系统原理5

3系统硬件设计6

3.1控制系统组成6

3.2硬件选择6

3.3变频器6

3.4PLC控制器10

3.5压力传感器11

4系统软件设计14

4.1PLC输入输出口分配14

4.2系统时序图14

5调试15

5.1调试环境15

5.2CX-P的使用15

5.3调试步骤16

5.4调试结果16

总结17

参考文献18

附录19

附录一：

系统图19

附录二：

系统流程图20

附录三：

硬件连线图21

附录四：

T型图22

1绪论

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现在时有发生，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点击运行的安全可靠性。

对于大多数采用供水企业来说，传统的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，目前各供水厂得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一下运行。

导致电动机与水泵之间尝尝出现大马拉小车问题。

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，是各供水节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。

利用变频器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，更能有效保证供水系统的安全可靠运行。

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，出现过很多供水方式，以下就对此进行分析。

（1）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，有的可能在夜间用水低谷时停止运行。

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。

（2）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，设备的成本闭水塔要低得多。

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。

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。

同时水泵是工频启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。

频繁启动会造成系统的不稳定性。

（3）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做比较，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变频器恒压供水系统的国内现状

变频器恒压供水是在变频器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、气制动控制及各种保护功能。

应用在变频器恒压供水系统中，变频器仅作为执行机制，为满足供水量大小需要不同时，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。

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也推出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。

因此，有待于进一步研究改善变频器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：

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。

如希望集团（森兰变频器）推出的恒压供水专用变频器。

（1）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及大中城市的辅助供水厂。

这类变频器电机功率在135kw到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。

（2）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。

这类一般变频器和空盒子要求器较高，多数采用了国外进口变频器和控制器和控制系统。

如利德福华的一些高压供水变频器。

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，处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与各种供水方范围，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（如水之信号停机管理）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时间要求，现部分中小水厂已经认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。

1.4变频供水的发展趋势

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难，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金楼元件组装过直接进口国外变频器，结合PLC或PID调解器实现恒压供水，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，国产变频器有待进一步改进和完善。

2恒压供水系统分析

2.1系统简介

变频恒压供水系统是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。

供水管网的出口压力值是根据用户需求确定的。

传统的恒压供水方式是采用水塔、高水位箱、气压罐等设施实现的。

近年来，随着变频调速技术的日益成熟，其显著的节能效果和可靠稳定的控制方式，在供水系统中得到广泛的应用。

变频恒压供水系统对水泵电机实行无级调速，依据用水量及水压变化通过微机检测、运算，自动改变水泵转速保持水压恒定以满足用水要求，是目前最先进，合理的节能供水系统。

与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较，不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有优势：

（1）高效节能。

与传统供水方式相比变频恒压供水能节能30%-60%。

（2）占地面积小，投入少，效率高。

（3）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

（4）运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减少，水泵的寿命将大为提高。

（5）由于能对水泵实现软停和软起，并可消除水锤效应（水锤效应：

直接起动和停机时，液体动能的急剧变大，导致对管网的极大冲击，有很大破坏力）。

（6）操作简便，省时省力。

2.2变频恒压供水系统原理

变频恒压供水系统以管网水压（或用户用水流量）为设定参数，通过PLC控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节（PID），使供水系统自动恒稳于设定的压力值：

即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，这样就保证了供水效率用户对水压和水量的要求，同时达到了提高供水品质和供水效率的目的，“用多少水，供多少水”。

3系统硬件设计

3.1控制系统组成

由图1知，该系统主要由以下几部分组成：

电源、PLC、变频器、电动机、压力传感器等组成。

PLC是控制系统的核心，PLC根据输入的信号是否有效确定高速运行指令的输出，变频器根据PLC的高速运行指令控制电机运行速度。

图3-1系统组成图

3.2硬件选择

PLC采用欧姆龙的CPM2A型PLC。

变频器采用欧姆龙3G3MV系列通用变频器，压力传感器采用压电式传感器。

3.3变频器

变频器3G3MV面板功能键如图：

图3-2

图3-3

变频器的工作原理

变频器是从20实际中叶发展起来的一种交流调速设备，是为了解决传统的交流电机调速困难、交变速设备结复杂且效率和可靠性均不尽人意的缺点而出现的。

1.变压变频的基本原则

改变交流电动机转速的方法有三种，即变频调速、变极调速和变转差率调速。

其中，变转差率调速主要包括调压调速、串级调速和滑差动电动机调速，在变频调速问世前，是主要的调速手段，但由于其调速范围小效率低，对电网污染较大，不能满足交流调速应用的广泛需求。

20实际70年代以后，随着电力电子技术的发展，特别是高性能大功率器件的IGBT的产品化，变频调速在体积、性能以及成本方面取得了飞跃的发展，并逐渐实用化。

交流电动机是通过内部的旋转磁场来传递能量的，为了保证交流的电动机能量传递的效率，必须保持气隙磁通量为恒定值。

如果磁通量太小，则没有充分发挥电动机的能力，导致处理不足，繁殖，如果磁通量太大，贴心过度饱和，会导致励磁电流过大，严重时会因绕组过热而损坏电动机。

因此，保持气隙磁通量的值恒定不变，是变频变压的基本原则。

2.变频器原理

变频器按照能量变换的环节可以分为交-交变频器和交-直-交变频器。

交-交变频器是把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。

其主要优点是没有中间环节，变换效率高，但其连续可调的频率范围小，一般为额定频率的一半以下，故主要用于容量较大的低速拖动系统中。

交-直-交变频器是把频率固定的交流电变换成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。

交直交变频器按照直流环节的储能方式又可以分为电流型交直交变频器和电压型交直交变频器。

电流型交直交变频器直流环节的储能元件是电感线圈，电压型交直交变频器的直流环节的储能元件时电容器。

两者的区别在于前者输出电流的波形是脉宽调制波（PWM）,后者输出的电压的波形是脉宽调制波（PWM）。

通用变频器一般均采用交之交的方式组成。

通用变频器通常都是由以下两部分组成。

主回路:

通用变频器的主回路包括整流部分、直流环节、逆变部分、制动或回馈环节等部分、

（1）整流部分：

通常又被称为电网侧变流部分，把三相或单相交流电整流成直流电。

常见的抵押整流部分是由二极管构成的不可控三相桥式电路或由晶闸管构成的三相可控桥式电路。

而对中压大容量的整流部分则采用多重化12脉冲以上的变流器、

（2）直流环节：

由于逆变器的负载是异步电动机，属于感性负载，因此在中间直流部分与电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量的交换一般都需要中间直流环节的储能元件来缓冲。

（3）逆变部分：

通常又被称为负载侧变流部分，他通过不同的拓扑结构实现逆变元件的规律性关断和导通，从而得到任意频率的三相交流电输出。

常见的逆变部分是由6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。

（4）制动或回馈环节：

由于制动形成的再生能量在电动机侧容易聚集到变频器的直流环节形成直流母线电压的泵升，需及时通过制动环节将能量以热能量形式释放或者通过回馈环节转换到交流电网中去。

控制回路:

控制回路主要处理变频器的核心软件算法、电流电压信号检测传感、控制信号的输入\输出、电路驱动和电路保护。

（1）开关电源

变频器的辅助电源采用开关电源，具有体积小、效率高等优点。

电源输入为变频器主回路直流母线电压或将交流380V整流。

通过脉冲变压器的隔离变换和变压器副边的整流滤波可得到多路输出直流电压。

其中，+15V、-15V、+5V共地，正负15V给电流传感器、运放等模拟电路供电，+5V给DAP及外围数字电路供电。

相互隔离的4组或6组+15V电源给IPM驱动电路供电。

+24V为继电器、直流风机供电。

（2）DSP（数字信号处理器）

TD系列变频器采用的DSP为TMS320F240，主要完成电流、电压、温度采样、6路PWM输出、各种故障报警输入、电流电压频率设定信号输入及电动机控制算法的运算等功能。

变频器频率给定方式

频率给定方式主要有操作器键盘给定，接点信号给定，模拟信号给定等。

（1）操作器键盘给定。

操作器键盘给定是变频器最简单的频率给定方式。

用户可以通过变频器的操作器键盘上的电位器、数字键、或上升、下降键来直接改变变频器的设定频率。

（2）接点信号给定。

接点信号给定就是通过变频器的多功能输入端子的UP和DOWN接点来改变变频器的设定频率值。

（3）模拟量给定。

模拟量给定方式即通过变频器的模拟量端子从外部输入模拟量信号（电流或电压）进行给定，并通过调节模拟量的大小来改变变频器的输出频率。

模拟量给定通常才用电流或电压信号。

电流信号一般为0-20mA或4-20mA。

电压信号一般为0-10V、2-10V、0-5V等。

变频器已经选择好模拟量给定方式后，还必须进行参数设置。

本设计中就采用模拟量给定方式。

变频器控制回路端子分布如表3-1

表3-1

输入

输出

S1多功能输入1（正转/停止）

S2多功能输入2（反转/停止）

S3多功能输入3（外部异常：

a接点）

S4多功能输入4（错误复位）

S5多功能输入5（多段速指令1）

S6多功能输入6（多段速指令2）

S7多功能输入7（频率指令）

SC序列输入公共端

FS频率指令电源输出

FR频率指令输入

FC频率指令公共端

MA多功能接点输出（a接点：

错误）

MB多功能接点输出（b接点：

错误）

MC多功能接点输出公共端

P1多功能光电耦合器输出1（运行中）

P2多功能光电耦合器输出2（频率检测）

PC多功能光电耦合器输出公共端

AM多功能模拟量输出

AC多功能模拟量输出公共端

变频器参数设定

使用转换键奖PRGM灯点亮按下RUN进行参数n的设置

设置n001=2设定参数设置范围001-079

设置n011=60最高频率60Hz

设置n012=400最大电压400V

设置n014=1.5最低频率1.5Hz

设置n015=24最低电压24V

设置n019=15升速时间15s

设置n020=10降速时间10s

设置n056=34输入端子S7

多功能输入端子功能表如表3-2

表3-2

多功能输入端子S6（提升指令）

闭

开

开

闭

多功能输入端子S7（下降指令）

开

闭

开

闭

运行状态

加速

减速

保持

保持

3.4PLC控制器

PLC，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

是工业控制的核心部分。

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

（1）电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去

（2）中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

（3）存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（4）输入输出接口电路

现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

3.5压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。

某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。

科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。

其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。

由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。

而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。

磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到广泛的应用。

压力传感器按其工作原理，可以分为应变式压力传感器、电容式压力传感器、电感式压力传感器、压电式压力传感器、压阻式压力传感器等。

应变式压力传感器是利于粘贴弹性元件上的应变片，感受压力后发生应变，使电阻的阻值发生变化，从而测得流体的压力。

筒式应变测压传感器的弹性元件时一直钻了盲孔的薄壁圆筒。

使用时空腹中灌满油脂，测量时把传感器安装到测量位置的测量孔中。

压力作用在油脂上，油脂受压后，把压力传送到薄壁圆筒的内壁使圆筒向外膨胀，发生弹性形变。

在圆筒的外壁中部，沿圆周方向贴有一片或两片工作应变片，以感受薄壁圆筒受压力作用是发生的形变。

应变片式压力传感器具有精度高、体积小、质量轻，测量范围宽、耐振动和冲击性能良等优点。

它急可以在常温下做精密测试；也可在增设冷却装置后与300°以下的高温中进行测试，但输出信号较小，测量精度受温度的影响较大，且温度补偿较为重要。

压电式压力传感器是用于动态压力测量的一种性能较好的压力传感器，既可以测量大的压力，也可以测量微小的压力。

压电式压力传感器可测量几百帕到几千兆帕的压力，并且外形尺寸可以做得更小。

这种压力传感器和压电加速度计及压电力传感器一样，