基于PLC的恒压控水设计.docx

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基于PLC的恒压控水设计

摘要

改革开放以来我国的社会主义市场经济不断发展，人们的生活水平不断提高，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求也在不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通信技术，设计节能好、性能高、能适应不同领域的恒压供水系统已经成为必然的趋势。

大厦供水系统的建设是其中很重要方面，供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到用户的正常生活和工作，也直接体现了供水管理水平的高低。

传统的供水厂，特别是中小供水厂所一般采用的是恒速泵加压供水方式，但是存在效率很低、自动化程度低、可靠性低等缺点，很难达到当前经济生活的需要。

随着人们对供水质量和供水系统质量的逐步提高，需要有先进的自动化技术和控制技术来设计出高性能、高节能和能适应城市建筑等复杂环境的恒压供水系统，这个方向已经成为了必然趋势，一直让人们不断对其进行升级和改进。

本文开始先根据水泵的运行特性曲线和管网特性，阐述供水系统的变频调速节能的原理，从而具体来分析变频水压供水的原理及系统现阶段的组成结构，对比不同的控制方案，通过研究和比较进而得出方案即变频调速是一种优于变极调速、调压调速、串级调速等的调速方式，也是当今国际上一项性能最好、效益最高、应用最广、最有发展前途的电机调速的技术。

它需要微机控制技术、电力电子技术和电机传动技术于一体来完成，实现了工业交流电动机的无级调速技术，具有高效率、高精度和比较宽的范围等特点，因此本文以采用变频器和PLC组合构成系统的方式，进而逐步阐明如何实现水压恒定供水和数据传输等设计。

最后，从分析目前大厦恒压变频供水的可行性，改造的经济可行性、理论、技术等方面进行多次实验分析；再分别从确定变频器的参数、变频电机的运行模式、控制模式及流程。

基于此基础来对电机的选型，调试和运行各步骤加以详细地阐述。

然后提出和分析安装运行中应该注意的事项。

通过变频恒压供水系统的试运行，并指出变频技术在供水领域所取得的成果及应用中的某些局限性。

关键词：

PLC；变频调速；恒压供水

Abstract

Sincethereformandopeningup,China'ssocialistmarketeconomy,thecontinuousdevelopmentofpeople'slivingstandardscontinuetoimprove,waterqualityandwatersupplysystemsreliabilityrequirementsarealsorising,theuseofstate-of-the-artautomationtechnology,controltechnologyandcommunicationtechnology,energy-savingdesignhigh-performance,abletoadapttothedifferentareasofconstantpressurewatersupplysystemhasbecomeaninevitabletrend.

Building,constructionofthewatersupplysystemisveryimportant,theeconomy,watersupplyreliability,stabilitydirectlyaffecttheuser'snormallifeandwork,butalsodirectlyreflectsthelevelofwatermanagement.Traditionalwatersupplyplants,especiallysmallandmedium-sizedwatersupplyplantiscommonlyusedintheconstantspeedpumppressurizedwater,butthereareinefficient,lowdegreeofautomation,reliabilityandlow,itisdifficulttoreachtheneedsofthecurrenteconomiclife.

Withthegradualimprovementofthequalityofthewaterqualityandwatersupplysystems,theneedforstate-of-the-artautomationtechnologyandcontroltechnologytodesignhigh-performance,highenergyandabletoadapttothecomplexenvironmentofthewatersupplyplantpressurewatersupplysystem,thisdirectionhasbecomeinevitablethetrendhasbeentoallowpeopletocontinuetobeupgradedandimproved.

Beginningofthisarticleaccordingtotheoperationofthepumpcharacteristiccurveandthepipenetworkcharacteristicsofthewatersupplysystemfrequencyspeedregulationprincipletospecificanalysisoftheprincipleoffrequencyconversionwaterpressurewatersupplyandthestructureofthesystematthisstage,comparedtodifferentcontrolschemes,researchandcomparisonandthencometotheprogramthatthefrequencycontrolisasuperiorpole-changingspeedcontrol,variablevoltagecontrol,cascadespeedgovernor,alsoaperformanceontheinternationalbest-effective,applicationthemostextensive,themostpromisingtechnologyofthemotorspeed.

Itrequirescomputercontroltechnology,powerelectronicsandmotordrivetechnologyinoneindustrialACmotorvariablespeedtechnology,withhighefficiency,highprecisionandwiderangeoffeatures,thisarticleinverterandPLCcombinationofsystem,andgraduallyclarifiedhowtoimplementthedesignofconstantpressurewatersupplyanddatatransmission.

Finally,fromtheanalysisofthecurrentBuildingthefeasibilityofconstantpressurefrequencyconversionwatersupply,thetransformationoftheeconomicviabilityoftheory,technologyandotheraspectsofanumberofexperimentalanalysis；determinetheparametersofthedrive,theoperatingmodeoftheinvertermotorcontrolmodeandprocesses.Basedonthisbasisbeexplainedindetailonthestepsoftheselection,commissioningandoperationofthemotor.Thenpresentedandanalyzedininstallationandoperationshouldpayattentionto.Throughthetrialoperationoftheconstantpressurewatersupplysystem,andpointedoutsomeofthelimitationsoftheresultsobtainedandtheapplicationoffrequencyconversiontechnologyinthefieldofwatersupply.

Keywords：

PLC;Frequencyconversion;Constantpressurewatersupply

第一章绪论

1.1引言

众所周知，水在我们生命中是至关重要的重要组成部分，在这样的现实条件下，生产以及生活用水的节能已经成为一个时代的特征，在很长一段时间在市政供水中，水和电力的短缺，高层建筑供水和工业生产循环用水的供应技术相对落后，自动化程度低。

主要表现在用水高峰期，供水量往往低于需求，水的压力小；然后在用水的低峰期时，一边供水量又经常高于需求量，使得水压升高供过于求的现象，供水压力增加，供应过剩的情况的产生常常导致能源的浪费，在同一时间，可能会导致管道爆破和用水设备的损坏。

一般的小区供水方式有：

水塔高位水箱供水、气压罐供水、恒速泵加压供水、液力耦合器之类和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机和变频调速供水系统等方式，它们的优、缺点如下：

（1）恒速泵加压供水方式，其供水不能立即响应供水网络的压力，关于泵的增加或减少取决于手动操作，自动化程度低，并且为了确保供水，单位通常运行在满负荷生产，效率低，功耗大，管网长期在超压运行状态，爆炸，设备严重磨损和消耗，电机硬起动容易产生水锤效应，会有破坏性，目前比较少用。

（2）气压罐供水具有体积小，不受高度限制，工艺简单等优点，但是调节的方式和效果不明显，水泵电机是硬启动，加之频繁起动，电气设备的质量也要求升高，系统维护工作量明显增加，并且为了减少的水泵启动的次数，停止的时候水泵的压力往往是比较高的，在泵的工作于低效率的阶段时，不必要地增加水压力，也会造成浪费，从而限制了它的发展。

（3）水塔高位水箱供水具有比较短的时间维修、控制方式很简单、运行经济比较合理等优点，但同时也存在一下不足：

维护很不方便，基础建设的投资大，占地面积比较大，水泵电机也是硬起动，启动电流很大等一系列缺点，频繁起动很容易损坏连轴器，目前主要应用于高层建筑。

（4）液力耦合器之类和电池滑差离合器的调速的供水的方法容易漏油，效率低，容易发热之外还需要冷却的设备，改动麻烦，只能是一对一驱动，需要经常维护和检修；优点为价格便宜，结构简单清楚。

（5）基于单片机的变频调速供水系统也能够达到变频调速，自动化的程度要高于上面四种供水方式，但是也存在一下不足，它的开发周期比较长，对操作人员的综合素质和能力都要求比较高，维修的时候不太方便，可靠性能也有待提高，维修不方便，最重要的是不适用于恶劣的工业环境。

综上所述，一般的传统供水存在不同程度的浪费水、电资源，可靠性比较低，效率低下，自动化程度低等缺点，比较严重影响了居民用水和工业用水系统，达不到期望的要求。

目前供水朝着节能，高效，自动化和可靠性高的方向前进，变频技术，其显着的能源节约，效率和可靠性的提高，控制范围广泛等优点，目前在水泵，空气压缩机，制冷压缩机，高能耗设备的应用是相当广泛的，尤其是在城市和农村工业用水等各级加压系统，家用水恒压供水系统中的使用，变频调速的水泵节能效果尤为突出，其优势在于：

首先，显着的节能，其次，在开、停机时间，可以减少冲击电流在电网和管网系统的影响，最后，电机，机械冲击损失可以减小，寿命可以延长。

基于PLC的恒压供水系统和变频技术，电气技术，变频器技术，现代控制技术的综合，使得供水可以提高的稳定性和可靠性外，同时该系统还能达到一个良好的节能环境，这是特别重要，尤其在日益能源短缺的今天，系统的研究设计，可以用于提高企业的效率和人的生活水平，降低能源消耗，具有重要的现实意义和发展意义[1]。

1.2变频恒压供水产生的背景和意义

在早期，变频技术不太成熟的时候，升降速的控制、频率的控制、起动的控制以及制动的控制、正反转的控制、电压频率比的控制以及综合各种保护功能就是早期一般国外生产的变频器的功能主要所在。

随着变频技术的逐步成熟和发展，国外有很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，比如日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵循环方式”和“变频泵固定的方式”两种模式下它将PID调节器和PLC等硬件都全部集成在变频器的控制基板上，通过设置指令和代码实现PLC的PID运算和实现电控系统的功能，所以只要装置上配套的恒压供水单元，那么就可以直接控制多个内置的电磁接触器工作了，可构成最多七台电机（泵）的供水系统。

这类设备，降低了设备成本，同时微化了电路结构，但是其输出接口的扩展功能缺乏一定的可转接性，整个系统的稳定性和动态性能随之降低，与其他监控系统和组态软件实现数据通信比较麻烦，需要大量的调试，并且限制了带负载的容量，综上所述，它在实际使用时其很大范围内都会受到一定的限制，就在这个基础上变频恒压供水技术才逐步的发展起来的[2]。

目前国内也有不少公司在做变频恒压供水的工程项目，大部分公司采用国外的变频器来控制水泵的转速以来控制水管管网压力及多台水泵的循环控制，但是有的采用可编程控制器即PLC及其相应的软件来实现控制目地；有的则采用单片机及其相应的软件予以达到效果。

但是在系统的稳定性能、动态性能、开放性以及抗扰动性能等多方面的综合技术指标来评价，还远远不能够达到全部用户的要求。

原深圳华为电气公司以及成都希望集团也发行了恒压供水专用变频器（5.5kw-22kw），它无需外接PID调节器和PLC，最多可完成四台水泵的循环切换启动、定时启动、停止和定时循环；该变频器将循环逻辑控制功能和压力闭环调节集成在变频器内部来达到目的，但是存在其输出接口限制了带负载的容量，同时操作也不方便且不能够有数据通信功能，所以只适用于小容量或者小楼房和控制要求不高的供水场所。

目前，大量的电力消耗在泵，风机负载，同时在城市和农村居民生活用水的设备占了相当的比例，这种类型的负载所消耗的电量相当多，这部分原因是由于我国的居民多，水的消耗大，导致大量电力的消耗；因此，研究水系统提供的能量模型，确定高效节能控制策略，可以有很大的发展潜力和市场背景，降低能源消耗提高供水效率是一项有意义的工作。

恒压供水系统以变频器和PLC为核心，可以提高可靠性，使得抗干扰能力强，同时具有组合灵活，编程简单，维修方便，成本低，以及许多其他功能；变频技术，电气技术以及继电保护技术，现代控制技术的综合加之可以远程监控，这都有效的提高使用的供水系统的稳定性和可靠性的供水系统，供水系统的集中管理和监控系统具有良好的能源效率，这也是在能源日益重要的今天的重要课题，对于人民生活水平和降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.3变频供水系统应用范围

供水系统中，变频恒压供水的一些应用，一般可以的分为三类[3]：

（1）大型供水厂变频恒压供水系统：

这种大型和中型城市的主要供水厂，需求的电量大，使用的必须是更好要求更高的变频器，这种变频器和控制器的规格都很高，这样的系统一般要求较高进口变频器和控制系统。

（2）国家内部中小型的供水厂变频恒压供水系统：

这样的变频供水系统主要用于小型和中型供水厂或辅助的大型和中型城市的供水系统及其供水厂。

这种变频电机功率之间的135-320kw，电网电压一般为200V或380V；小型和中型自来水厂规模和经济条件下，现在使用的主要是国内通用恒压供水变频器。

（3）小区供水变频恒压供水系统：

这样的变频供水系统主要包括工厂，小区的供水，高层建筑的供水，农村加压站，采用变频控制电机功率小，一般小于135千瓦，控制系统简单；由于此范围的用户群是非常大的，所以是国内的研究和推广很多的方式。

国内，除了高压变频供水系统，恒压供水变频系统的大多数认为仅仅改变容量，就可以通用于多种供水范围，但是在实践中，不同的水环境对变频器的需求是不一致的，驱动没有真正普及；以小型和中型供水系统，包括水厂的生产系统中，温度程度大于常见的小区加压泵站，在水泵的搭配以及需要处理的信号也不太一样，所以根据实际情况对部分中、小型和中型自来水厂常见的供水变频系统并不能完全满足小型和中型厂的实际需求，在部分复杂的地区供水系统频率恒定的压力供水系统还需要改进和完善[4]。

第二章变频恒压供水系统

2.1电动机的调速原理

水泵的电机一般用的就是三相异步电动机，而其转速公式为：

（2.1）

式中：

p表示电动机极对数，s表示转差率，f表示电源频率。

从上式可知，三相异步电动机的调速方法有三种：

改变电机极对数、改变转差率、改变电源频率。

改变电机的极对数调速的调控方式控制相对简单，投资比较节省，节能效果显著，效率比较高，但需要专门的变极电机是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。

改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。

下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。

根据公式我们可以看到，异步电动机的转差率变化不大的时候，n是基本上正比于电源频率f；电源频率的连续调整，则可以平滑地改变电机的速度；然而，单一的调节电源频率，会导致电机性能的劣化；随着电力电子技术的迅速发展，良好的性能，可靠的变频调速电源装置已经出现，更好的促进变频调速的广泛使用[5]。

2.2变频恒压供水系统的节能原理

供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门打开成都保持不变的情况下为前提，表明水泵在某一转速下流量Q与扬程H之间的关系曲线，如图2.1所示；由于在阀门的开度和水泵的转速都不变的情况下，那么流量的多少就主要由用户的用水情况所决定，所以,扬程特性所反映的是用水流量Qu与扬程H间的关系即H=f（Qu）。

以水泵的转速保持不变为前提的是管阻特性，表明阀门在某一开度下流量Q和扬程H之间的关系曲线，如图2.1所示；管阻特性反映了水泵所需要的能量以用来克服水泵系统的水位与压力差的关系以及液体在管道中流动阻力的变化规律。

由于存在阀门开度的改变，实际上它是改变了在某一扬程下，供水系统给用户的供水能力；所以，管阻特性所反映的就是供水流量Qc与扬程H之间的关系H=f（Qc）。

然后，扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，我们叫做供水系统的工作点，即如图2.1中A点；在这一点的时候，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡的状态，供水系统既满足了扬程的特性，也符合了管阻的特性，系统可以在此条件下稳定运行[6]。

图2.1恒压供水系统的基本特征

恒压供水系统主要由电机、泵、管道和阀门组成。

一般水由异步电动机驱动水泵供得，而且会把水泵和电机集成在一起，应用变频器来调节异步电机的转速，这样改变水泵引出来的水流量达到恒压供水的母的；因此，供水系统频率的本质是异步电机频率的调速，一步电机的频率的改变是通过变频器输出来的电压的频率来改变，从而实现变频调速。

在供水系统中，流量控制常常是我们要达到的目的，常用的控制方法为阀门或者速度控制方法。

通过调节阀门开度来调节流量的方法，水泵电机的转速一般保持不变；通过改变水路中的阻力，以改变流量的大小，它的本质是管道阻力将随阀门的开度的变化，但杨程的性能不会改变。

由于实际用水，水的需求正在发生变化，如果阀门的打开程度保持不变一段时间后，势必引起超压或欠压的现象，转速控制的方法即通过改变泵的马达的转速来调节流量，然而阀的打开程度保持却保持不变，是需要改变水流的动能的变化来改变流量的变化，因此，扬程特性就会随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不会变。

变频调速恒压供水是转速控制；其工作原理是水泵电机的转速将根据用户用水量的变化自动调节，使得管网压力保持不变，当用水量增加电机就会加速，当用水量减少的时候电机就会减速。

由流体力学我们可以，水泵的转速n会与出水流量Q成正比；管网的水压H与出水的流量Q的平方成正比；水泵在给管网供水时水泵它的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积会成正比；由上述关系我们可以得到，水泵它的输出功率P与转速n三次方成正比，即：

（2.2）

（2.3）

（2.4）

（2.5）

式中的k、k1、k2、k3为比例常数[7]。

图2.2管网及水泵的运行特性曲线

在使用阀门方式控制的情况下，如果出现高峰时候供水量水泵工作在E点的情况，设此时流量为Q1，它的扬程为H0；如果出现其供水量从Q0减小到Q2的时候，我们应该关小阀门，在这个情况下会引起阀门的摩擦阻力曾加，接着引起表示阻力的曲线从B3滑动到B1，我们可以发现表示杨程的特性曲线这时候没有什么变化，而扬程却从HO移动到H1，它的运行工作状态的点从E滑动到F点，这个时候水泵的输出功率就正比于H1×Q2。

当在调速控制的情况下，如果我们采用恒定的压力H0，变速的水泵n2供水，水管的阻力特性曲线就为b2，此时扬程的特性将变为曲线n2，它的工作点从E点滑动到D点，这个时候水泵输出功率就正比于H0×Q2，又因为H1>H2，因此我们用阀门控制流量的时候，就会出现正比于（H1－H0）×Q2的功率白白地浪费掉，而且更为严重的是，随着阀门的不断减小，那么会使得阀门的摩擦阻力逐步蹭大，引起管阻特性曲线向上移动，运行的工作情况点也会随之向上移动，导致H1的增大，使得被浪费的功率就要随之增多，所以调速控制方式会要比阀门控制方式提供水的功率要小很多，节能的能力优良[8]。

2.3课题研究的对象

此次设计面对的对象是一栋楼房的供水系统；这栋楼有十层，在水压很低的情况下，高层用户将无法正常用水更为严重的会出现无水的情况，由于高层楼对水压的要求是相当高的，但是水压高时又将造成能源的浪费，所以要设计一个合适的恒压控水系统，来控制达到理想的要求。

如图2.3所示，是小楼的供水流程简图，自来水厂送来的水会先储蓄在一个水池中然后通过水泵加压输送给楼房的用户，通过水泵加压后的水压必须恒压的供给每一个用户，使得每一层的用水，在不同的时候要获得基本相同的水压。

图2.3供水流程简图

2.4变频恒压供水控制方式的选择

现在国内比较常用的变频恒压供水设备的控制方式有以下几种：

（1）可编程序控制器（PLC）的控制方式或者带PID回路