变频恒压供水系统 单泵.docx
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变频恒压供水系统单泵
1变频器恒压供水系统简介
1.1变频恒压供水系统理论分析
1.1.1变频恒压供水系统节能原理
供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不
变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f（Q），如图1-1
所示。
图1-1供水系统的基本特征
由图可以看出，流量Q越大，扬程H越小。
由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q（u）间的关系。
而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系HJ（Qu）。
管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。
由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。
由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。
因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系Hf（Qc）。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图中A点。
在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
图1-1供水系统的基本特征。
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。
1.1.2变频恒压控制理论模型
变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管
网的实际供水压力跟随设定的供水压力。
设定的供水压力可以是一个常数，也可
以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。
所以，在某个特定时段内，
恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上
从图1-2中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压
力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量
和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。
该频率
使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，
直到实际供水压力和设定压力相等为止。
如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。
同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
图1-2变频恒压控制原理图
1.2恒压供水控制系统构成
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。
通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵连成一体，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。
图1-3恒压供水系统方框图
水压由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。
由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。
同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。
西门子系列PLC编程采用STEP7软件，它是西门子PLC的视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。
系统程序包括主程序和起动子程序，主程序包括参与调节程序和电机切换程序；电机切换程序又包括加电机程序和减电机程序。
起动子程序实际上是清零子程序。
在主程序中，设置两个变频器频率上下限到达滤波时间继电器，用于稳定系统。
1.3变频器恒压供水产生的背景和意义
泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，对国民经济有重大意义。
我过泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等原因，至使在技术水平、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。
目前，大量的动能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当大的比例。
因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法是目前较为重要的一件事。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术与一体。
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的集中管理与监控；同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
2变频恒压供水系统控制方案的确定
2.1控制方案的选则和比较
恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。
系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。
根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择[8]：
（1）有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。
它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。
其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。
（2）通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。
该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
（3）通用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器
这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。
该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。
这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
2.2变频恒压供水系统的组成
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2.3所示：
图2.3变频恒压供水系统控制流程图
从图中可看出，系统可分为：
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（l）执行机构：
执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。
（2）信号检测机构：
在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。
管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。
此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。
另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。
信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。
此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。
（3）控制机构：
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。
供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵机组）进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。
由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。
变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。
设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。
所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。
变频恒压供水系统的结构框图如图2.4所示：
图2.4变频恒压供水系统框图
恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。
由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水.
3系统的硬件设计
根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图4.1所示：
图3.1系统的电气控制总框图
由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：
（1）PLC及其扩展模块、
（2）变频器、（3）水泵机组、（4）压力变送器、（5）液位变送器。
主要设备选型如表3.1所示：
表3.1本系统主要硬件设备清单
主要设备
型号及其生产厂家
可编程控制器（PLC）
SiemensCPU226
模拟量扩展模块
SiemensEM235
变频器
SiemensMM430
水泵机组
125H-13型号水泵一台
压力变送器及显示仪表
普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪
液位变送器
分体式液位变送器DS26
3.1控制要求：
（1）工艺参数:
水泵流量：
295m3/h
水泵出口压力：
0.08Mpa
（2）水泵参数：
型号：
125H-13
额定流量：
793m3/h
扬程：
32.3m
功率：
80.3KW
额定转速：
1450r/min
配用电机功率：
100KW
（3）电动机参数：
型号：
JD-L-39-4
功率：
100KW
额定频率：
50Hz
额定电压：
380VAC；
额定转速：
1470r/min
额定电流：
188.2A
3.2变频器选型
3.2.1变频器的控制方式
控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。
目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。
选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。
下表中参数供选用时参考。
表3.2控制方式的比较
控制方式
U/f=C控制
电压空间矢量控制
矢量控制
直接转矩控制
反馈装置
不带PG
带PG或PID调节器
不要
不带PG
带PG或编码器
速比I
<1:
40
1:
60
1:
100
1:
100
1:
1000
1:
100
起动转矩（在3Hz）
150%
150%
150%
150%
零转速时为150%
零转速时为>150%~200%
静态速度精度/%
±（0.2~0.3）
±（0.2~0.3）
±0.2
±0.2
±0.02
±0.2
适用场合
一般风机、泵类等
较高精度调速，控制
一般工业上的调速或控制
所有调速或控制
伺服拖动、高精传动、转矩控制
负荷起动、起重负载转矩控制系统，恒转矩波动大负载
3.2.2变频器容量的选择
变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。
变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。
（1）.从电流的角度：
大多数变频器容量可从三个角度表述：
额定电流、可用电动机功率和额定容量。
其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。
选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。
负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。
需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。
应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。
（2）从效率的角度：
系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。
从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：
1.变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。
2.在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。
3.当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。
4.经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。
5.当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。
（3）从计算功率的角度：
对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式：
1.满足负载输出：
Pcn≥Pm／η（3.1）
2.满足电动机容量：
Pcn≥√3KUeIecosφ×10-3（3.2）
3.满足电动机电流：
Icn≥KIe（3.3）
式中Pcn为变频器容量（单位kW），PM--负载要求的电动机轴输出功率（单位kW），Ue为电动机额定电压（单位V），Ie为电动机额定电流（单位A），η为电动机效率（通常约为0．85），cosφ为电动机功率因数（通常约为0．75），k是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常K约为1．05～1．1）。
将本系统参数带入求得所取变频器容量最低为164.7KW故取200KW，额定电流197.2A，故取200A。
3.3系统主电路外围设备选择
3.3.1变频器主电路
变频器在实际使用中，还需要和一些外接的配件一起使用。
下图所示的是一个比较完整的主电路。
断路器QF和接触器KM用于接通变频器的电源，交流电抗器AL和直流电抗器DL用于改善功率因数，输入滤波器ZF1和输出滤波器ZF2用于抗干扰，制动电阻RB和制动单元用于能耗制动。
变频器有比较完善的过流和过载保护功能，且空气断路器也有过流保护功能，故进线侧可不必接熔断器。
又由于变频器内部具有电子热保护功能，故在只接一台电动机的情况下可不必接热继电器。
3.3.2主电路器件的选择
1.断路器
（1）主要作用
隔离作用,当变频器需要检修时，或者因某种原因而长时间不用时，将QF切断，使变频器与电源隔离。
保护作用,当变频器输入侧发生短路等故障时，进行保护。
（2）选择原则
由于变频器在刚接电源的瞬间，对电容器的充电电流可达额定电流的（2-3）倍；变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流；
变频器允许的过载能力为150%，1min。
所以，为了避免误动作，断路器的额定电流
应选：
其中
为变频器的额定电流，经计算
取350A。
2.接触器
（1）主要作用
1）可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电；
2）变频器发生故障时，可自动切断电源。
（2）选择原则
由于接触器自身并无保护功能，不存在误动作的问题，故选择原则是主触点的额定电流
，取200A。
1）输出接触器
变频器的输出端一般不装接触器。
如由于某种需要而接入时，则因为电流中含有较强的谐波成分，故主触点的额定电流
。
其中
为电动机的额定电流，
为207.2A，取250A。
3.主电路的线径
（1）电源和变频器之间的导线
一般说来，和同容量普通电动机的电线选择方法相同。
考虑到其输入侧的功率因数往往较低，应本着宜大不宜小的原则来决定线径。
（2）变频器和电机之间的导线
因为频率下降时，电压也要下降，在电流相等的情况下，线路电压降
在输出电压中的比例将上升，而电动机得到电压的比例则下降。
这有可能导致电动机带不动负载并发热。
所以，在决定变频器和电动机之间导线的线径时，最关键的因素便是线路电压降
的影响。
一般要求：
的计算公式是：
式中：
——额定相电压，V；
——电动机额定电流，A；
——单位长度（每米）导线的电阻，mΩ/m；
l——导线的长度，m。
由上两式可直接求出
的取值范围。
下表给出了常用电动机引出线的单位长度电阻值。
标称截
面/mm2
1.0
1.5
2.5
4.0
6.0
10.0
16.0
25.0
35.0
/（mΩ/m）
17.8
11.9
6.92
4.40
2.92
1.73
1.10
0.69
0.49
4.制动电阻
准确计算制动电阻值十分麻烦，在实际工作中基本不用。
许多变频器的使用说明书上给了一些计算方法，也有的直接提供了供用户选用的制动电阻的规格。
但按说明书上选择电阻时须注意下面问题，变频器生产厂家为了减少制动电阻档次，常常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值和容量的制动电阻。
选用时，应注意根据生产机械的具体情况进行调整。
对同一挡中电动机容量较小者，制动转矩与额定转矩的比值偏大。
为了减小能量的消耗，应根据制动过程的缓急程度以及飞轮力矩的大小，考虑能否选择阻值较大的制动电阻。
对同一挡中电动机容量较大者，制动转矩与额定转矩的比值偏小。
在一些飞轮力矩较大，又要求快速制动的场合，或者如起重机械那样，需要释放位能的场合，上述制动电阻有可能满足不了要求，靠考虑选择阻值较小的一挡制动电阻。
4系统的软件设计
4.1PLC程序设计
PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP7-MicroWIN-V40编程软件开发。
该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表（STL）语言、梯形图（LAD）语言、功能块图（FWD）语言[14]。
语句表（STL）语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。
梯形图（LAD）语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。
功能块图（FWD）的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。
PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。
4.1.1初始化子程序设计
首先初始化变频运行的上下限频率，在第二章水泵切换分析中已说明水泵变频运行的上下限频率分别为50HZ和20HZ。
假设所选变频器的输出频率范围为0~100HZ，则上下限给定值分别为16000和6400。
在初始化PID控制的各参数（Kc、Ts、Ti、Td），各参数的取值将在下一节中详细介绍。
最后再设置定时中断和中断连接。
具体程序梯形图如图4.4所示。
图4.4初始化子程序SBR_0梯形图
4.1.2PID控制中断子程序
首先将由AIW0输入的采样数据进行标准化转换，经过PID运算后，再将标准值转化成输出值，由AQW0输出模拟信号。
具体程序梯形图如图4.5所示。
图4.5PID控制中断子程序INT_0梯形图
4.2变频器参数的设置
4.2.1参数复位
1、P0003＝3（选择级别为专家级）
2、设定P0010＝30
3、设定P0970＝1（设定P0970＝1后变频器将自动进入参数恢复程序，大约要10～20秒钟后才能将所有参数恢复为出厂缺省值，恢复的过程中变频器显示P----字样并闪烁。
）
4、显示P0970
则复位操作完成
4.2.2电机参数设置
P0010=1（快速调试）
P0100=0（功率单位为KW；f的缺省值为50Hz）
P0304=380（电动机的额定电压）
P0305=126.6（电动机的额定电）
P0307=75（电动机的额定功率）
P0310=50（电动机的额定频率）
P0311=1470（电动机的额定转速）
P0700=2（变频器命令源选择为模入端子/数字输入）
P1000=2（模拟设定值）
P1080=5（电动机最小频率）
P1082=50（电动机最大频率）
P1120=10（电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需时间）
P1121=10（电动机从最大频率减速到静止停车所需的时间）
P3900=1（结束快速调试）
总结
本论文研究的是变频恒压供水系统，此系统以变频器与PLC为核心进行
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