PLC及变频器在供水系统中的节能应用.docx

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PLC及变频器在供水系统中的节能应用

山东省“金蓝领”

（维修电工）

题目：

plc及变频器在供水系统中的节能应用

姓名：

纪勇

指导教师:

 二O一O年十月日

PLC及变频器在供水系统中的节能应用

概述：

采用西门子PLC及变频器为主控单元，配合接触器、继电器实现恒压变量系统的智能控制。

本设计在公司供水系统的改造中得到了成功的应用，不仅供水压力稳定，满足公司用水需要，而且具有很好的节能、节水效果，极具推广价值。

关键词：

恒压变量供水、PLC、变频器。

公司位于市郊，近几年房地产的开发，居民区的扩建以及生产规模的不断扩大，使用水高峰较为集中，公司的供水系统极不稳定，高峰期供水不到第5层楼，无法满足正常的用水要求。

基于以上情况，公司进行了供水系统的改造。

在智能化要求的基础上，研究了PLC及变频调速技术在恒压供水系统控制中的应用。

提出了供水系统的总体设计方案，解决了硬件电路的设计和软件的实现方法，通过运行了实测，在公司供水系统改造中得到了成功的应用，不仅供水压力稳定，满足公司用水的需要，而且具有很好的节能、节水效果，极具推广价值。

随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，控制技术在恒压供水中得到了广泛应用，使供水系统完成了高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。

变频调速具有故障率低、调速精度高、保护功能多等优点，是对滞留调速、电磁滑差调速进行改造的最理想的选择。

在风机、泵类等负载上的应用可实现无冲击起动和软停机的优良控制特性，实现恒压或恒流控制。

PLC具有通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性价比高等一系列优点，因此PLC在供水行业中得到了广泛应用，实现了供水的实时监测和控制，从而保障了生产过程的连续性，降低了劳动强度，实现了少人或无人值守的目标。

一、供水系统的总体方案设计：

公司车间比较集中，生产用水量最大，高峰期有规律。

为了保证稳定供水，

在公司生产区建了150T贮水池，采用4台15KW水泵和变频调速装置构成一个完整的微机控制恒压供水系统，如图1所示。

系统通过调节供水量，保证管网压力恒定（误差±0.01Mpa），实现恒压变量控制供水方式，从而达到节能、节水的目的，满足公司用水的需要。

1.供水系统的具体要求

1.1水泵能自动变频软启动4台水泵能自动软启动，并根据用水量大小自动调节开泵台数。

1.2电控自动状态时，4台水泵自动轮换变频运行，工作泵故障时备用泵自动投入，可转换自动或人工手动开、停机。

1.3设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电器保护功能，具有相许保护防止水泵翻转抽空，并具有缺水保护及水位恢复开机功能。

1.4有设备工作、停机、报警指示。

2.总体设计方法

公司考虑恒压系统主要在高峰期投入使用，宜采用一台变频器控制4台水泵的“一”控四切换方案。

以西门子S7-200（CPU224）的PLC和6SE6430变频器为控制核心，采用变频器控制的闭环控制系统，通过对用户管网压力进行实时采样，并与设定压力值比较，根据压力偏差来控制变频器的速度及定量泵的起、停，实现恒压变量的供水方式，从而更好地达到节能、节水的效果。

当用户管网压力低于设定压力时，控制器通过压力传感器检测，输出控制信号起动其中一台水泵作变频运行，通过控制变频器使用户管网压力与设定压力相等。

如用户用水量较大，变频器输出频率为50Hz，变频泵转速达到最高，用户管网压力低于设定压力，控制器将变频器切换成工频运行，待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台水泵，由一台工频泵和一台变频泵同时供水。

经过变频泵的调节，如管网压力仍低于设定值，控制器以同样的方式将运行频率为50Hz的变频泵切换成工频运行，而后继续起动另一台水泵作变频运行，直至满足用户用水要求。

当用户用水量较少，变频泵转速降到一定程度时，控制器自动停止最先运行的定量泵，并根据管网压力调整变频泵转速，使管网压力始终保持恒定。

这样每台水泵的起动均经变频器控制，全部机组实现循环软起动，即每台泵的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升，并遵循“先开的泵先停，先停的泵先开”的原则。

当外来管网压力达到设定压力值时，则控制器完全停止各泵工作，由外界管网直接向用户供水。

二、硬件电路设计

本系统的硬件电路如图2所示，它由4台15KW离心水泵，一台智能型电控柜（包括西门子变频器、PLC交流接触器、继电器等），一套压力传感器、缺水保护器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。

该系统的核心是S7-200（CPU224）和6SE6430。

6SE6430是水泵专用变频器，扩展功能强，本身具有比较完善的自诊断、保护和报警功能，当变频器系统出现故障时，变频器能自动停车保护，并显示故障信息，可实现无冲击启动和软停机的优良控制特性，并且是实现恒压或恒流控制的最理想的选择。

S7-200PLC可以单机运行，也可以输入／输出扩展，还可以连接功能扩展模块。

它结构小巧、可靠性高、运行速度快，继承了其在大、中型PLC领域的技术优势，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高，因此它在各行各业中的应用得到迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。

S7-200的扩展配置是由S7-200的基本单元和扩展模块组成的。

扩展单元没有CPU，作为基本单元输入／输出点数的扩充，只能与基本单元连接使用，不能单独使用。

S7-200的扩展单元包括数字量扩展单元、模拟量扩展单元、热电偶和热电阻扩展单元、PROFIBUS-DP通信模块。

其扩展模块的数量受到两个条件的约束：

一个是基本单元能带扩展模块的数量；另一个是基本单元的电源承受扩展模块DC5V总线电流的能力。

由CPU224组成的扩展配置可以由CPU224基本单元和最多7个扩展模块组成，CPU224可以向扩展单元提供的DC5V电流为660mA。

CPU224基本单元具有14个输入点和10个输出点，输入点为24V直流双向耦合输入电路。

DC24极性可任意选择，系统设置1M为输入端子（I0.0～I0.7）的公共端，2M为（I1.0～I1.5）输入端子的公共端。

Q0.0～Q0.4共用1M和1L公共端，Q0.5～Q1.1共用2M和2L公共端，在公共端上需要用户连接适当的电源，为PLC的负载服务。

CPU224的输出电路有晶体管输出电路和继电器输出两种可供用户选择。

在晶体管输出电路（型号为6ES7214-1AD21-0XBO）中，PLC由24V直流电源供电，负载采用了MOSFET功率驱动器件，所以只能用直流为负载供电。

输出端将数字量输出分为两组，每一组由一个公共端，共有1L、2L两个公共端，可接入不同电压等级的负载电源。

在继电器输出电路（型号为6ES7212-1BB21-0XB0）中，PLC由220V交流电源供电，负载采用了继电器驱动，所以既可以选用直流为负载供电，也可以采用交流为负载供电。

CPU224另有24V、280mA电流供PLC输入点使用，具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。

1.供水系统主电路

如图3所示，该系统有4台15KW电动机，分别拖动4台水泵，合上空气开关后，当交流接触器1KM/3KM/5KM/7KM主触点闭合时，水泵为工频运行；当2KM、4KM、6KM、6KM、8KM主触点闭合时，水泵为变频运行。

4个热继电器1KR-4KR分别对4台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。

2.供水系统控制电路

如图4所示，Q0.0～Q0.7为PLC输出软继电器触点，其中Q0.0、Q0.2、Q0.4、Q0.6控制变频运行电路;Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工频运行电路。

SAC为转换开关，实现手动、自动控制切换。

当SAC切在手动位时，通过1SB2～4SB2按钮分别起动4台水泵工频运行；当SAC在自动位时，由PLC控制水泵进行变频或贡品状态的起动、切换、停止运行。

1KA为缺水保护电路的中间继电器触点，当水池缺水或水位不足时，配合缺水保护装置断开控制电路，切断主电路，实现缺水保护作用。

3.PLC及变频器控制模块电路

PLC及变频器控制模块电路是本系统的核心，它包括时间控制电路、缺水保护电路、断相相序保护电路，如图5所示。

KT是时控器的继电器，该时间控制电路可实现6个时段的定时开关机控制和定时换泵功能。

3.1缺水保护电路

当水池缺水或水位不足时，若不及时切断电源就会损坏水泵，甚至发生事故。

本系统设置了缺水自动保护电路，如图6所示。

利用液位继电器等装置时刻检测水池里的水位，经电路转换及处理后对控制回路电源进行控制。

水位水池正常时，控制回路电源接通，系统正常工作。

水池缺水或水位不足时，液位继电器1K释放，系统报警、指示灯亮并通过1KA切断系统控制电路及主电路，水泵停止。

待排除故障，水位正常后，液位继电器1K吸合，重新起动系统。

3.2断相相序保护电路

水泵工作在三相交流电，电源发生缺相时，电动机中某一相无电流，而另外两相电流会增大，容易烧毁电动机；另外，为了避免电源相序相反，电动机反转水泵抽空的现象，设置了缺相相序保护电路，如图7所示。

采用缺相相序保护继电器KP接在主电路电源进线空气开关之后，三相正常时，KP得电吸合，控制电路中KP的1-2触点吸合，接通PLC控制电路。

反之，缺相或反相时，KP的1-2触点断开，会切断PLC控制电路，系统停止工作，缺相相序保护指示灯亮。

三、系统软件设计

本系统稳定运行的关键是PLC程序的合理性、可行性和变频器功能的预置问题。

1.PLC程序设计

1.1输入、输出地址及功能表（I/O表），如表1所示。

1.2程序设计思路

由于供水系统是一个惯性较大无法突变的系统，不需要过高的响应速度，因而在设计思想上以查询方式为主，中断方式为辅，采用模糊控制法对系统PID参数进行整定，这样大大提高了系统的适应性，使用户减少了调试的工作，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增强。

本系统PLC控制程序由主程序和4个子程序组成，如图8所示。

2.变频器主要功能的预置

虽然水泵对系统调速的精度要求不高，但要事供水系统运行性能稳定，工作可靠，就必须正确设置变频器的各种性能。

变频器功能的设定通过变频器操作面板的相关按键确认。

2.1频率功能的预置

水泵属于平方率负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重过载。

因此，变频器的工作频率是不允许超过额定频率的，其最高频率只能与额定频率相等，即fmax=fn=50Hz.

一般来说，上限频率以等于额定频率为宜。

但有时也可以预置得略低一些，原因有二：

一是变频器内部有转差补偿功能，同在50Hz的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电动机的负载；二是变频调速系统在50Hz下运行时，还不如直接在工频下运行，可以减少变频器本身的损失。

因此，将上限频率预置为49Hz或49.5Hz是适宜的。

在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成水泵“空转”的现象。

所以，下限频率应定为25～30Hz.

水泵在起动时，如果从0Hz开始起动，水泵基本没有压力输出，为减少调节时间，应预置起动频率值为15～20Hz，即设置变频器PID输出值的下限为最大值的30%～40%。

2.2升速、降速时间

由于水泵电动机不需要频繁的起、停，对于起、停时间无严格要求。

整定变频器的升、降速时间主要考虑升、降速时间过短，变频器可能因过流或过压而跳闸；升、降速时间过长，则会使变频器调速系统反应迟缓，造成管路中欠压或超压时间过长，满住不了恒压供水要求。

因此，升、降速时间的确定，应根据现场的实际情况来决定。

四、节能、节水效果分析

1.节能原理分析

根据流体力学的原理知道，水泵流量与转速及轴功率的关系用下述关系式表示：

Q1/Q2=n1/n2H1/H2=[n1/n2]2P1/P2=[n1/n2]3

式中，Q为流量，H为扬程（水压），P为轴功率，n为转速。

当流量减少，水泵转速下降时，其电动机输出功率迅速下降。

例如，当流量下降到70%，转速也下降到70%时，其轴功率则下降到额定功率的34.3%；当流量降低到50%，轴功率将下降到额定功率的12.5%。

当然还要考虑由于转速降低引起附加控制装置的效率下降等因素，即使这样，其节能潜力也很大。

如图9所示两条曲线间的阴影部分表示采用变频器调速的节能效果，从图中可以看出，越是速度范围大，其节能效果越明显。

2.节能节水实测情况分析

本系统于2010年9月13～26日进行两周时间的实地测试，每天5个用水高峰时段约6h投入运行。

第一周转换开关SAC在手动位置，采用阀门调节的方式加压，第二周SAC在自动位置，采用变频调速的方式加压，得出表2的数据。

从表2可以计算：

（1）节电效果

每吨水节电率为（0.352-0.241）/0.352=31.5%，公司年供水量80万T按2/3的用水量加压计算，年节电5.9万KWh,按本市电价0.8元/KWh计算，年节省电费4.72万元。

（2）节水效果每周节水为17615-17078=537T，每年按54周计算节水达2.9万T,按本市水价3.00元计算，年节省水费8.7万元。

两项合计年节省13.42万元，节电、节水效果非常可观，一年多即可收回本系统的投资。

五、结论

本系统于2009年10月在本公司安装、调试、运行，通过近一年来的使用，得出以下结论：

5.1本方案设计合理，技术先进，功能完善，高效节能，产品体积小，性价比高。

5.2S7-200（CPU224）PLC和6SE6430变频器性能稳定，通用性和灵活性较强，功能扩展范围较宽，而且价格较低，在本控制电路中便于安装和维护。

5.3控制简单，操作方便，系统起动前，只要将入口、出口阀全部打开，运行过程中则不需要操作任何阀门，并且手动和自动调节切换容易。

5.4该系统运行一年以来，工作稳定，供水压力稳定，经受了全公司日常用水和高峰期用水水量变化大的考验，既解决了用水高峰的矛盾，又避免了因供水压力偏高所造成的浪费，满足全公司供水要求，节电节水效果明显。

适合学校、厂矿、民用高层建筑等用水量变化大，要求具有足够扬程的企业和场所使用，有广阔的应用前景和推广价值。

仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。

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