楼宇恒压供水控制系统设计.docx

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楼宇恒压供水控制系统设计

摘要

变频调速恒压供水系统具有运行稳定可靠，占地面积小，节电节水，自动化程度高，操作控制方便等特点，这对于企业节能降耗、提高经济效益和保障设备安全、稳定运行具有现实意义。

系统由四台主水泵，一台MM430型变频器，一台S7-200系列中的CPU224型PLC和EM235型扩展模快、一个YTZ一150型电位器式远传压力表及若干辅助部件组成。

各部分功能如下：

安装于供水管道上的远传压力表将管网水压力转换成4--20mA的电信号；变频器用于调节水泵转速以调节流量；PLC用于逻辑切换。

当用水量变化时，通过调节各水泵在工频与变频运行，以此进行合理调配电机，调速供水。

这样避免水泵频繁起动，同时减少系统能量消耗。

此外，系统还配备了外围辅助电路，以保障自动控制系统出现故障时可通过人工调节方式维持系统运行，保证连续生产。

控制电路具有完善的保护和报警功能，如短路、过载、水池缺水保护和报警等。

远传压力表将采集到的用户管网压力信号传送到PLC中，PLC经PID运算再将信号传送给变频器，以控制水泵的转速和管网水压，以维持管网压力恒定。

系统采用一台变频器控制4台电动机的起动、运行与调速，自动完成泵组软启动及无冲击切换，使水压平稳过渡。

系统采用循环控制功能，可使各泵进行轮流工作，延长了设备的使用寿命。

该系统能够对供水过程进行自动控制，能够有效地降低能耗，保证了供水系统维持在最佳运行状况，提高了生产管理水平。

系统可靠性高、经济性强

关键词PLC；PID；变频调速；恒压供水

Abstract

Theconstantpressurewatersupplysystemwithfrequency-speedcontrolhasthefeaturesofhighstability，lessfloorspace，electricityandwater-saving,highautomatizationandeasyoperation,whichprovidesapracticalplatformto

reduceenterprises'consumptionofenergy，andwhichalsoprovidesasignificantmethodtoincreasetheeconomicbenefitandawaytoensurethesafeoperationandstabilityoftheequipments．

Thesystemconsistsof3majorfeedpumps，onesetofauxiliaryfeedpump，onesetoftypeMICROMASlER430transducer,onesetoftypeS7-200CUP224PLCandtypeEM235extensivemodule,onesetofYTZ-150potentiometriclong-distancepressuresensor．Thefunctionofrespectivecomponentisasfollows：

thelong—distancepressuregaugeinstalledon

thewatersupplypipelineconvertsthepressureonthepipelineinto4-20mAelectricalsignals,thetransducerisinchargeofregulatingtherevsofthewaterpumptocontrolthewaterflux，thePLCunitisresponsibleforthelogicalswitchesofthepumps．Thewholepipelinenetworkisequippedwithallairpressuretanktoensurethatthewatersupplypressurizationsystemhascertaincapacitytostoreenergy．whenthefluxincreases，thetimingpumpwillregulatethepump'srotatespeed.Thelong-distancepressuresensorcollectsthepressuresignalsfromthepipelinenetwork,andtransfersthesignaltoPLC．PLCtransmitsthesignalstothetransducerviathePIDoperationtocontrolthepump’Srotatespeedandwaterpressure,thuskeepingthepressureofthepipelineinbalance．Thetransducerofthesystemisresponsibleforthestart-up，operationandtimingofthe4engines，whichautomaticallycompletesthepumpunitsoftstartandanimpact-freeswitchisachievedtoensurethesmoothtransitionofthewaterpressure．Thesystemalsointroducesacycliccontrolfunctiontostopandrestthepumpsenginesbyturns；

thetransducerinreal-time．ThechangesofthevoltageandfrequencycausethechangesoftherotatespeedofthePumpenginestocontrolthewateroutput．Bythisway,theautomaticregulationofpressureonthepipelinenetworkCanbeachievedtokeeppipelinepressurestableanddosetothegivenvalue．

KeyWords：

PLC：

variablefrequencyspeedcontrolPIDcontrol；constantpressurewatersupply目录

5.4PID在系统程序中的应用27

附录二译文

附录三英文原文

第一章绪论

1.1传统供水方式

对于高层住宅的给水系统设计，传统的供水一般采恒速泵直接供水、高位水箱供水和气压罐供水三种方式。

1、恒速泵供水

此方式是一种传统的供水方式，对于离心式水泵，过去常采用手动或自动调节控制阀的开度来改变流量，即用人为增减阻力的办法来实现调节。

当用户需要小流量时，调小调节阀开度，泵的能量大量损失在调节阀上（一般阻力降为0．02．0．5MPa），浪费了许多能量。

而往复式机泵常通过备用机组、直流电机调速、旁路调节来适应工况的波动。

改变水泵电动机的转速来调节流量是最经济的调节手段，因为转速降低后，流量成比例下降，而功耗的下降是大于该比例的。

但是转速调节受驱动电动机的限制，采用直流电动机调整较为方便，但增加了整流装置，而且直流电动机价格昂贵。

恒速泵由于耗能不合理，控制方法的不足，适应性差将逐渐被淘汰。

2、高位水箱供水

采用楼顶设置高位水箱供水的方式，虽较为安全可靠，设备、技术等方面也较成熟，然而在后期给水系统的运行、维护和管理过程中，这种供水方式存在一些问题。

例如：

由于屋顶水箱的材质表面腐蚀，造成水质严重的二次污染；目前对水箱的内存水的消毒问题并未能得到较好的解决，水箱内经常还发现有死老鼠的情况；加之屋顶高位水箱的有效容积受建筑负荷限制，一般只考虑贮存lO分钟的消防用水量，高层建筑一旦发生火灾，靠水箱供应扑灭火灾的消防水量，是远不够的。

故高层建筑的二次加压供水设施一高位水箱，给人们的生活和物业管理带来的问题急需解决。

高位水箱的供水系统，实际是一个压力大致恒定的系统，这个压力就是水位的高度。

而管道的阻力特性却是变化的，当用户多时（也即打开阀门的放水的支路多时），管道

的阻力就相应减少，反之则阻力增大，这样就大大降低了供水质量。

虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理，适应性强而被广泛采用，目前国内大部分高层建筑均采用此方式供水，但此方式存在着投资大、占用面积大、二次污染等缺点。

3、气压罐供水

气压罐给水设备用于供水系统，在工程实践中已屡见不鲜。

气压罐在供水系统中的用途不外乎：

（1）其储水量可满足十分钟消防初期用的水量，从而替代屋顶水箱；

（2）作为增压设施，以弥补高位水箱设置高度之不足——即满足大楼顶层消火栓处7m静水压要求；

（3）作为供水系统稳压用。

气压罐供水由于体积小，技术简单、不受高度限制等特点，近年来已在高层建筑中

采用，但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等缺点，因而使这种供水系统的发展受到限制。

事实上要制造满足贮存调节水量为18、12、6m3的气压水罐，在技术上是可以做得到的，但在实际工程中，由于受到建筑物内场地限制而很难实现。

为此广大设计人员对气压罐只用作增压及稳压设施。

1.2变频调速恒压供水的意义

随着城市的发展，人们的居住环境越来越集中，加之生活个性化的发展，使得城市供水系统的负荷变化很大。

以前通常采用恒速泵直接供水、高位水箱供水和气压罐供水几种方式来缓解，这些方法供水压力稳定，但存在水质污染、浪费严重，设备使用寿命不长，需派专人管理等弊端，近年来在供水系统中引入了变频调速技术，较好地解决了以上的问题。

采用变频调速恒压供水系统和传统的恒速泵供水系统、高位水箱供水系统、气罐供水系统相比，其优点是：

（1）水压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源；

（2）起动平稳，起动电流可以限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；

（3）由于泵的平均转速降低了，从而可以延长泵和阀的使用寿命；

（4）可以消除起动和停止时的水锤效应（直接起动和停机时，液体动能的急剧变化，导致对管内的极大冲击，有很大的破坏力）。

（5）再有，用户用水的多少是经常变动的，因此，供水不足或供水过剩的情况时有发生。

用水和供水之间的不平衡集中地反映在供水的压力上；用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。

保持供水压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高供水质量。

1.3变频调速恒压供水控制系统的主要特点：

l、高效节能；

2、占地面积小，投入少，效率高；

3、配置灵活，自动程度高，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，轴上平均扭矩和磨损减少，水泵的使用寿命提高；

5、由于能对水泵实现软起启动，并可消除水锤效应；

必须承认水泵在额定工况下，使用变频调速控制耗电不但没有减少，而且与电网直接供电相比为多耗电。

但运用变频调速可以节能有如下原因。

原因一：

设备的额定供水量是按建筑给水在最大条件下的需水量计算确定的，在正常使用下，用水量将少于设备的额定供水量，即设备不会处于满负荷状态。

原因二：

、变频器的自身耗电为其额定输出功率的3％，而其最大节电度达到40％。

因而，在较长时间内使用仍可达到非常节能的效果。

原因三：

少用水，少耗电，也就是说当用水量小于额定供水量时设备已处于节能状态。

由于生活用水负荷变化曲线变化很大，一般情况每日用水高峰期（常在以下几个阶段：

早上6：

00．9：

00、中午12：

00．14：

00、晚上17：

00．20：

30）共约为9小时，用水量较大，水泵基本处于额定工况下。

第二章：

变频调速恒压供水系统的整体设计方案

2.1变频调速恒压供水系统的构成及原理

本系统由4台主水泵，一台变频器，一台PLC、一个远传压力表及若干辅助部件构成，如图2.1所示。

各部分功能如下：

（1）水泵用来提高水压以实现向高处供水；

（2）安装于供水管道上的远传压力表将管网水压力转换成0-20mA的电信号；

（3）交频调速器用于调节水泵转速以调节管网中水流量；

（4）PLC用于水泵的逻辑切换、控制及供水压力的PID控制等：

（5）外围辅助电路用以当自动控制系统出现故障时可以通过人工调节方式维持系统运行，以保障连续生产。

原理如图2-2所示。

变频调速恒压供水系统中远传压力表将主水管网压力信号转换成电流信号再经PLC的扩展模块PID运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速和泵水量以使管网的压力稳定，由此构成压力闭环控制系统。

变频器的上、下限频率信号及其持续时间长短可作为PLC进行逻辑切换、起停泵的依据。

当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，变频器的高速信号（即变频器的频率上限信号）被PLC检测到，如果频率上限信号持续出现一定时间（10s），PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，同时将另一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证系统压力稳定。

若两台泵全速运转仍不能达到设定压力，则将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。

当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号（即变频器的频率下限信号）有效，如果频率下限信号持续出现（10s），PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。

当变频器下限信号持续出现一定时间，PLC再停掉一台工频运行的水泵电机，直到只剩一台泵用变频器控制供水。

图2-1变频调速恒压供水系统构成图

图2-2交频调速恒压供水系统原理图

2.2系统要求实现的功能

1：

全自动运行

合上自动开关后，l#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节程序将接收到自远传压力表的信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升，直到50Hz，1#泵由变频切换为工频，同时对2#泵进行变频启动，变频器频率逐渐上升至需要值，加泵依次类推；

如用水量减小（压力过大），变频器下限频率持续出现，则将先启动的泵先切除。

若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动l群泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。

变频自动控制功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。

2：

手动运行

当远传压力表故障或变频器故障时，为确保用水，四台泵可分别以手动控制方式工频运行。

3：

停止

转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。

4：

采用“自动切换”和“先启先停”原则

“自动切换”是指当一台单独运行水泵或者有两台，三台同时运行的水泵，运行在这种状态下持续时间达到设定时间时自动换泵运行。

“先启先停”（除四台电机全部运行状态之后的切换）是指哪一台先启动的水泵在压力过大时也先被切除，这样保证系统的每台泵运行时间接近，防止有的泵运行时间过长，而有的泵却长时间不用而锈死，从而延长了设备的使用寿命。

5：

平稳切换，恒压控制

远传压力表将主水管网压力信号经PLC的扩展模块PID运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速以使管网的压力稳定。

当在运行的的水泵全速运行，还未达到给定压力时，变频运行的泵被切换到工频运行，变频器将启动另一台泵（即采用软启动）。

6:

完善的各种保护、报警功能

（1）对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现机械和电气互锁，防止短路产生。

（2）当水泵的功率较大时，为防止直接启动电流过大，需要采用软启动方法，即用变频器来启动水泵。

（3）运行的水泵在断开电源后，利用其运行的惯性切换到工频，可避免切换过程中产生过电流。

（4）电动机的热保护。

虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小，但是当用户用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升速、降速状态，这时电动机的电流可能超过额定电流，导致电动机过热。

因此电动机的热保护是必须的。

（5）具有缺水保护功能。

当水泵工作在自动状态，为防止当水池没水时水泵空载运行，烧坏水泵电机，系统设计一缺水保护电路。

当水池缺水时，保护电路中继电器常开触点断开，切断控制电路电源，从而保护系统。

第三章：

各元件的选取

3.1水泵及其电动机的选择

工作水泵型号和台数的选择，应根据用水量变化，要求的水压，

机组的效率和功率因素等确定。

水泵和电动机是供水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。

选象时，首先要满足供水系统的要求：

1．水泵扬程应大于实际供水高度；

2．水泵流量总和应大于实际最大供水量；

3．水泵能力足以供应最高用水量时的用水量，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量；

4．水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失；

5．安装管理方便。

安装卧式离心泵的泵站，平面尺寸较大而高度较低；立式轴流泵的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。

选用多台水泵时，水泵的型号最好相同，这可便于安装和维修养护管理。

在此例中要求四台水泵电机型号和容量要相同，这才有利于在同一变频器与PID算法下正常的工作。

综合上述，在此主泵选用山东淄博博山大通水泵有限公司生产的型号为500LX5的离心式水泵，扬程61m，流量12．6立方米每小时，轴功率5．5KW；电机型号为Y132S-4，容量为5．5KW，额定电压为380V，额定电流为11．6A，转速为1450r／min。

3.2变频器的选取

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

n=60f（1-s）／P

实际上，若仅改变电源的频率则不能获得异步电动机满意的调整性能。

因此，必须在调节频率的同时，对定子相电压也进行调节，使正频率与定子相电电压之间存在一定的比例关系。

故变频电源实际上是变频变压电源，而变频调速准确的称呼应是变频变压调速，其英文术语为VariableVoltageVariableFrequency,又简称为VVVF调速器。

根据频率与定子相电压二者的关系，变频调速主要有以下两种：

（1）．恒转矩变频调速（恒磁通变频调速）

当有功电流额定时，磁通一定时，电动机的转矩也一定，故恒磁通即恒转矩。

（2）．恒功率变频调速

由于恒功率变频调速时磁通必将发生变化，故电动机效率和功率因数将有可能下降。

变频调速从额定频率往频率下降的方向调速时，即次同步高速时，应采用恒转矩（恒磁通）变频调速；变频调速从额定频率往频率增加的方向调速时，即超过同步调速时，需要采用恒功率变频调速。

交频器的选择包括交频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。

1：

交频器的型式选择

根据控制功能可将通用变频器分为三种类：

普通功能型U／F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能U／F控制变频器知矢量控制高性能型变频器。

变频器类型的选择要根据负载的要求进行。

对于风机，泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的交频器。

在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数：

（1）电动机的极数。

一般电动机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量要适当加大；

（2）转矩特性。

在同等电动机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降额选取；

（3）电磁兼容性。

为减少主电源干扰，使用时可在中间或变频器输入电路中增加:

电抗器，或安装前置隔离变压器。

一般当电动机与变频器距离超过50m时，应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。

变频器的选型应满足以下条件：

（1）电压等级与驱动电动机相符；

（2）额定电流为所驱动电动机额定电流的1.1,1.5倍；

（3）根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式。

2:

变频器容量选择

变频器的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量是一个反映半导体变频器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。

交频器的额定功率指的是它适用的4级交流异步电动机的功率。

由于同容量电动机，其极数不同，电动机额定电流不同。

随着电动机极数的增多，电动机额定电流增大。

变频器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据。

这是因为，电动机的容量选择在考虑最大负载，富裕系数，电动机规格等因素，往往电动机的容量富裕较大，工业用电动机常常在50%-60％额定负荷下运行。

若以电动机额定电流为依据来选择变频器的容量，留有富裕量太大，造成经济上浪费，而可靠性并没有因此而得到提高。

交频器与电动机的匹配主要是电动机的额定电压及电流，如果电动机额定电流小于同功率的变频器额定电流，一般来说用同等功率的就足够了，但如果大了，只好用大一级的变频器。

对于鼠笼式异步电动机，变频器的容量选择应以交频器的额定电流大于电动机的最大正常工作电流1．1倍为原则，这样可以最大限度地节约资金。

在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外还应考虑经济性，一般不要留有太大功率余量，变频器与电动机两者的功率应

相匹配，经济性更好而且输出波型更好。

3：

变频器箱体结构的选用

变频器的箱体结构要与环境条件相适应，即必须考虑温度，湿度，粉尘，酸碱度，腐蚀性气体等因素，这些因素与能否长期安全、可靠运行有很大的关系。

常见有下列几种结构类型可供设计中选用：

（1）敞开型IP00。

本身无机箱，适合装在电控箱内或电气室内的屏，盘，架上，尤其是多台变频器集中使用，选用这种型式较好，但环境条件要求较高；

（2）封闭IP20。

适用一般用途，可用于有少量粉尘或少许温度、湿度变化的场合：

（3）密闭型IP65。

适用环境条件差，有水，尘及一定腐蚀气体的场合。

根据以上理论，选用西门子MICROMASTER430型变频器。

MICROMASTER430变频器是用于控制三相交流电动机速度的变频系列，特别适合用于水泵和风机的驱动。

本变频器由微处理器控制，并采用现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管OOBT）作为功率输出器件，因此，它们具有很高的运行可靠性和功能多样性。

其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。

全面而完善的保

护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

该变频器易于安装，参数设置和调节，具有牢固的EMC设计。

该变频器具有以下特性，如表2-1所示。

表3-1MICROMASTER430变频器的额定性能参数表

特性

技术规格

电源电压和功率范围

3AC380至480V±10％，7.50KW-90．0KW

输入频率

47至63Hz

输出频率

0Hz至650Hz

功率因数

功率因数O．98

变频器的效率

96％～98％

控制方法

V／f控制

V／f控制，模拟输