基于PLC变频调速恒压供水系统毕业设计.docx
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基于PLC变频调速恒压供水系统毕业设计
基于PLC变频调速恒压供水系统毕业设计
摘要…………………………………………………（4）
一．绪论…………………………………………………（4）
1.1引言…………………………………………………（4）
1.2变频恒压供水产生的背景和意义…………………………（5）
1.3变频恒压供水的现况……………………………………（5）
二．变频恒压供水的理论分析…………………………（7）
2.1水泵的工作原理………………………………………（7）
2.2供水电机的搭配………………………………………（7）
2.3水泵的调节方式………………………………………（8）
2.4恒压供水系统的能耗分析………………………………（11）
2.5供水系统的安全性问题…………………………………（14）
2.6本章小结……………………………………………（16）
三．变频恒压供水系统的构成及控制原理………………（16）
3.1变频恒压供水控制系统的构成方案………………………（16）
3.2变频恒压供水系统的结构………………………………（17）
3.3变频恒压供水系统的控制方案…………………………（19）
3.4变频恒压供水系统的水压恒定控制………………………（21）
3.5变频供水水泵加减的控制………………………………（22）
3.6本章小节……………………………………………（24）
四．变频恒压供水系统的设计……………………（24）
4.1乐山市第一水厂的现况…………………………………（24）
4.2变频改造的可行性分析…………………………………（26）
4.3变频电机的确定………………………………………（27）
4.4变频器的选型…………………………………………（27）
4.5硬件设计……………………………………………（28）
4.6软件设计……………………………………………（30）
4.7本章小节………………………………………………（33）
一绪论
1.1引言
水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。
在通常的城市及乡镇供水中，
基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，
把供水管网中的自来水送给用户。
但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，
如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，
将具有重要经济意义。
我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，
但在技术水平、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。
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的现象时有发生，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电机运行的安全可靠性11]。
对于大多数采用供水企业来说，传统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。
目前各供水厂的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以下运行。
导致电动机与水
泵之间常常出现大马拉小车问题（如图1.1）。
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，是各供水解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，更能有效保证系统的安全可靠运行.恒水压供水系统采
用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的
集中管理与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。
所以研究设计基于
变频调速的恒定水压供水系统（简称变频恒压供水，如图1.2），对于提高企业效率
以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。
1.2变频恒压供水产生的背景和意义
我国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，工业自动化程度低。
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，此时会造成能量的浪费，同时还有可能
造成水管爆裂和用水设备的损坏。
传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电
机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负
荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。
且
由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。
而变频调速式的运行十分稳
定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了
电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。
由此可见，变频调
速恒压供水系统具有供水安全、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。
1.3变频恒压供水的现况
1.3.1国内外变频供水系统现状
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。
目前国外的恒
压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。
国外变频供水系统在设计时主
要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。
这种方式运行安全可靠，变压方式
更灵活。
此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。
国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言也高于国内品。
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
采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，
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
产变频器有待于进一步改进和完善。
1.3.2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:
（1）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（5.sk认叹22kw）。
（2）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或大中城市的辅助供水厂。
这类变频
器电机功率在135kV沐320kw之间，电网电压通常为ZooV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。
（3）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（一般都大于
犯okw）、机组多、多数采用高压变频系统。
这类系统一般变频器和控制器要求较
高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。
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，除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
容量就可以通用于各种供水范围，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（如水质信号停机管理）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
不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对
变频恒压供水系统加以改进和完善.
1.3.3变频供水系统的发展趋势
0）变频供水系统正在向集成化、维护操作简单化方向发展在国内，专门越高，
了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件
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
采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，
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
产变频器有待于进一步改进和完善r仆网。
1.3.2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:
（1）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。
（2）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或大中城市的辅助供水厂。
这类变频
器电机功率在135kV沐320kw之间，电网电压通常为ZooV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。
（3）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（一般都大于
犯okw）、机组多、多数采用高压变频系统。
这类系统一般变频器和控制器要求较
高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。
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。
1.3.3变频供水系统的发展趋势
0）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简
二.频恒压供水的理论分析
2.1水泵的工作原理
供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2.1所示:
叶轮安装在泵壳2
内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸
入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管
9连接。
在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:
启动后，叶轮由轴带动高速转动，
叶片间的液体也必须随着转动。
在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘
并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。
在蜗壳中，液体由于流道的逐
渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，
送至需要场所。
液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由
于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。
可见，
只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。
2.2供水电机的搭配.电机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电
动机在额定负载下运行。
选择时应注意以下两点:
（1）如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长
期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。
（2）如果电动机功率选得过大，就会出现‘吠马拉小车”现象，其输出机械功
率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还
会造成电能浪费。
要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较:
对于恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率（即生产机械轴上的功
率）P堆叨，可按式2.1计算所需电动机的功率P（kW）
式中，爪为生产机械的效率;飞为电动机的效率，即传动效率.
按上式求出的功率，不一定与产品功率相同.因此，所选电动机的额定功率
应等于或稍大于计算所得的功率。
2.3水泵的调节方式
水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行
工作状况点（简称工况点）的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工
作状况的需要。
水泵的工况点是由水泵的性能曲线和管网的特性曲线的交点确定
的。
因此，只要这两条曲线之一的形状或位置有了改变，工况点的位置也就随之
改变。
所以，水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能曲线或管网特性曲线
或二者同时改变来实现的。
水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度
的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。
这种调节方式虽然简便
易行，但往往造成很大的能量损失。
大量的统计调查表明，一些在运行中需要进
行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。
因
此，研究并改进它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在
水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。
详细划分如下:
目前常见的调节方法有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节、液力
祸合器调节、绕线式异步电动机的串极调速、变极调速、变频调速等113]4l习。
2.3.1恒速调节
水泵的恒速调节主要有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节三种.
（1）节流调节
节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板，通过改变阀门或挡
板的开度，使装置需要扬程曲线发生变化，从而导致水泵工作点位置的变化。
节流调节优点是调节简单、可靠、方便，且调节装置的初投资很少，故以前
各种离心泵多采用这种调节方式。
缺点是能量损失很大，目前正逐渐被其它调节
方式所取代。
（2）动叶调节
采用动叶调节的水泵，在泵的轮毅内部安装动叶调节机构，从而使动叶调节
得以实现。
对于大型的泵，可以采用液压传动调节.
动叶调节的优点是:
在调节过程中其效率变化很小，能在较大范围保持高效
率。
缺点是:
动叶调节机构复杂，控制自动化程度低;成本高，通常适用大容量
水泵，对中小供水厂的水泵通常不适用。
（3）改变机泵运行台数调节
改变机泵运行台数调节是根据不同的流量要求，采用不同数量和型号的机泵
进行并联运行，来满足供水量要求.优点是:
它不改变电机和水泵的电气及机械
结构，在水泵台数众多、搭配合理的情况下，可以达到较好的调节效果。
缺点是:
不能实现连续调节、需要大量的机泵进行合理搭配、随着供水量的变化要不断启
停电机;电能损失较大。
因此，目前此种方法虽大量使用，但正逐步被新的流量
调节方式取代从恒速调节的分析可以看出，由于恒速调节要不结构复杂，要
被变速调节所取代.。
2.3.2变速调节
这里所指的速度是水泵的转速.水泵的变速调节可分为变速传动装置调节和
变电动机转速调节。
（1）变速传动装置
定速电动机驱动的水泵可以通过传动装置来实现变速调节。
变速传动装置按
其工作特性可分为两类。
一类是有级变速装置，如齿轮变速等;另一类是无级变
速装置，主要有液力祸合器、油膜转差离合器、电磁转差离合器等。
液力祸合器、
油膜转差离合器及电磁转差离合器在传动变速时具有一个共同的特点:
传动装置
产生的传动损失在其所传递功率中所占的比例与水泵的转速变化的大小成正比，
转速变化越大，传动损失所占的比例也越大，因此，这类变速调节方式也被称为
低效变速调节方式。
1）液力祸合器
水泵通过液力祸合器实现变速调节，从液力藕合器的特性来看，其调节效率
等于转速比，故当调节量越大，其转速比越低，传动效率也越低。
调速型液力祸合器用于叶片式水泵的变速调节时，主要具有以下优点:
可以
输出连续的、无级的、变化的转速;可以平稳的启动、加速;电动机能空载或轻
载启动，降低启动电流，节约电能;液力祸合器是无级调速，故便于实现自动控
制，适用于各伺服系统控制:
与阀门节流调节相比较，节能效果显著。
液力祸合器的缺点:
在电动机额定转速较低的场合，要求同样的转矩而采用
较小的转速时，液力祸合器的工作腔直径将加大，这不但增加了造价，而且还会
使祸合器调速的延迟时间增加;大功率的液力祸合器设备复杂;在运转中随着负
载的变化，转速比也相应变化，因此不可能有精确的转速比:
液力祸合器一旦产
生故障，水泵也不能继续工作。
2）电磁转差离合器
电磁转差离合器又称电磁离合器、涡流联轴器等。
电磁调速电动机的主要优
点是:
可靠性高，只要把绝缘处理好，就能长期无检修运行;控制装置的容量小;
结构简单、加工容易，价格便宜。
电磁调速电动机的缺点是:
存在转差损失，尤其是对凡较低的电磁调速电动
机，运行经济性较低;调速时响应时间较长:
噪声较大。
（2）变电动机转速
由电机学得知，交流电动机的同步转速n，与电源频率fl、极对数p之间的关
系式为:
由式2.4可以看出，要实现交流电动机的调速，可以通过改变磁极对数p和
改变电源频率fl实现，下面就两种变速调节方式进行比较.异步电动机的变极调速
变极调速原理:
异步电动机在正常运行时，通常其转差率5很小，则由式2.4
知，在电源频率fl不变的情况下，改变电动机绕组的极对数，就可改变同步转速n:
从而改变异步电动机的转速no
变极调速的主要优点是:
调速效率高，仅是因在设计变极电动机时要兼顾不
同转速时的性能指标，与普通的全速电动机相比较，其效率和功率因数要稍低一
些:
调速控制设备简单，仅用转换开关或接触器;初投资低，特别是中小型变极
电动机价钱和定速电动机相差不是很大:
维护方便，除轴承外，不需要特别的维
修，可靠性较高，在相当恶劣的环境下可使用。
变极调速的主要缺点是:
有级调速，不能进行连续调速。
此外，变极电动机
在变速时电力必须瞬间中断，不能进行热态变换，因此在变速时电动机有电流冲
击现象发生.高压电动机若需进行频繁地切换变速时，则其切换装置的安全可靠
性尚需进一步完善提高。
因此，变极调速目前应用较少。
2）异步电动机的变频调速
由式2.4可知，极对数p一定的异步电动机，在转差率变化不大时，转速
基本上与电源频率成正比。
因此，只要能设法改变fl.即可改变n。
基于这个原理，
变频调速就是用晶闸管等变流元件组成的变频器作为变频电源，通过改变电源频
率的办法，实现转速调节。
图2.2为变频调速系统的示意图。
在对变速传动装置和变电动机调节方式进行比较时，我们以两者的代表，也
是目前运用最广的两种变速方式:
液力祸合器调速和变频器调速进行对比，如表
2.1，从中可以看出，采用变频器进行转速调节，具有较大的优势。
2.4恒压供水系统的能耗分析
2.4.1调节流量的方法和比较
在供水系统中，最根本的控制对象是流量。
因此，要讨论节能问题，必须从
考察调节流量的方法入手。
常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。
供水系
统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。
由于水泵的轴功率与转速的
立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时
可获得大量节能。
闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及
阀门调节。
（l）阀门控制法:
即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变（通常
为额定转速）。
阀门控制法的实质是:
水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻
力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。
这时，管阻特性将随阀门开
度的改变而改变，但是扬程特性不变。
如图2.4所示，设用户所需流量为Qx为额定流量的印喊即Qx=60%QN），当
通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，
故供水系统的工作点移至E点，这时:
流量减小为Q以=Qx）;扬程增加为H。
;由式
（26）知，供水功率Pa与面积。
DEJ成正比，其中Cp为比例常数，Q为流量。
恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。
2.4.2从水泵的工作效率看节能
据有关资料介绍，水泵工作效率相对值
（1）水泵工作效率的近似计算公式的近似计算公式如（2.17）:
（2）不同控制方式时的工作效率由式（2.1刀可知，当通过关小阀门来减小流
量时，由于转速不变，n’=1，比值
，可见，随着流量的减小，水泵
工作的效率降低十分明显。
在转速控制方式时，由于在阀门开度不变的情况下，流量Q*和转速n’是成正
比的，比值Q’/n’不变。
就是说，采用转速控制方式时，水泵的工作效率总是处
于最佳状态。
所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，水泵的工作效率要大得多.
这是变频调速供水系统具有节能效果的方面之一.
2.4.3从电动机的效率看节能
在设计供水系统时，由于:
（1）对用户的管路情况无法预测:
（2）管阻特性难
以精确计算:
（3）必须对用户的需求留有足够的余地。
因此，在决定额定扬程和
额定流量时，通常裕量较大。
所以，在实际的运行过程中，即使在用水流量的高峰期，
电动机也常常处于轻载状态，其效率和功率因数都较低。
采用了转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适当降低转速。
由于电动机
在低频运行时，变频器具有能够根据负载轻重调整输入电压的功能，从而提高了
电动机的工作效率。
这是变频调速供水系统具有节能效果的另外一个方面.
图2.5“两种常见调速方式效率曲线”为典型的液力偶合器和常见变频器的
效率一转速曲线，随着输出转速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低（例
如:
额定转速时效率0.95，75%转速时效率约0.72，20%转速时效率约019），而
变频器在输出转速下降时效率仍然较高（例如:
额定转速时效率住97，增长了5%以上
转速时效率大于0.95，20%以上转速时效率大于0.9）。
从曲线数据看，当输出转速降低时，液力偶合器的效率比变频调速的效率下
降快得多，因此变频调速的低速特性比液力祸合器要好。
当然，有一点我们应该
看到，就是用于水泵（风机）类负载时，由于其轴功率与转速的三次方成正比，当
转速下降时，虽然液力偶合器效率正比下降，但电动机综合轴功率还是随着转速
的下降成二次方比例下降，因此也能起到节能作用。
2.5供水系统的安全性问题
2.5.1水锤效应
异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有
在255。
这意味着在0.255的时间里，水的流量从零猛增到额定流量。
由于水具有
动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过
高或过低的冲击，并产生空化现象。
压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤
子敲击管子一样，故称为水锤效应。
水锤效应具有极大的破坏性:
压强过高，将引
起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。
此外，水锤效应也可能破
坏阀门和固定件。
在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。
这也同样会引起压力冲击和水锤效应。
2.5.2水锤效应的产生原因
产生水锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大.在启动
过程中，异步电动机和水泵的机械特性如图2.6a所示。
图中，曲线1是异步电动
机的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩T（即两者之差）.
由图2.6“可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影
部分所示，是很大的。
所以，加速过程
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