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论文恒压变频供水
恒压变频供水
冯贺贺03081050机自08-7班
论文关键词：
恒压变频供水 PLC 压差供水 自动控制
论文摘要：
建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。
根据高校用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了校园原供水系统存在成本高，可靠性低，水资源浪费，管网系统待完善的问题。
提出以利用自来水水压供水与水泵提水相结合的方式，并配以变频器、软启动器、PLC、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能等传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。
从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。
另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。
结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命。
第一章绪 论
1.1恒压供水问题的提出
水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。
变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。
恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
而高校校园的供水和一般城市供水相比较则有些特殊。
主要是由于校园内学生住宿区一般都较为集中，造成了学生宿舍、食堂的用水十分集中，且用水量较大。
而其它建筑物如教室、实验室、教师住宿区等的用水量则相对较少。
同时，用水的时间性强，一般在早上六点到八点，中午十一点到下午两点，下午五点到七点，晚上九点到十点四个时间段用水量最大，而其它时间则用水量一般。
某高校的某区供水方式为：
把城市自来水管网的水源取到蓄水池后，用水泵抽到校园内高位水池，再由高位水池向校园管网供水。
这种方法的缺点是随着高校的扩招，学生人数显著增多，造成了经常性的供水不足，特别是学生宿舍和食堂最为明显，影响了学生和教师的正常生活秩序。
同时该供水方式还存在如下问题：
（1）供水成本高。
由于校园内的用水全部单纯采用水泵供水，造成电能的极大浪费和机电设备的大量损耗。
（2）供水可靠性低。
由于水泵采用人工操作方式，高位水池的水位只能靠人为估计，而且高位水池离无法做到准时开机和停机。
会造成供水中断或出现高位水池水位过高而溢流，电能和水资源造成浪费。
另外，如果蓄水池水位过低，还会造成水泵空转，导致电能浪费和机电设备的加速损耗。
（3）水资源浪费。
除水泵不能准时停机而造成的溢流浪费外。
学生因高峰期供水中断，故经常打开阀门未关，造成来水后的浪费。
很多学生在上课前或睡觉前打开阀门，用水桶或脸盆接水、贮水，造成来水后大量溢流，极大地浪费了水资源，增大了供水成本。
（4）校园管网系统设计有缺陷。
对于一般建筑物，如教室、实验室、教师住宿区等，本来城市自来水的正常供水即可满足其用水量要求，但采用水泵供水后反而会出现楼房顶层供水不足的现象。
同时，用水量大的学生宿舍屋顶水池设计偏小，调节能力较差。
1.2国内恒压供水系统的现状
1.2.1国内恒压供水系统研究状况
目前,就国内而言，归结起来主要采用以下三种方法:
（1）水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点
这种方式是集中供水。
对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。
一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。
主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。
恒压变频供水是较为理想和先进的。
首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。
各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。
如图1-1所示。
（2）水池－水泵－高位水箱－用水点
此方式也是集中供水。
单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。
一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。
该方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。
（3）单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点
此方式已简化为单元总水表进水。
单元水箱和单元增压泵实际上是一个整
体，我们称之为单元增压器。
由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。
图1-1传统恒压供水方式
1.2.2各类供水系统的比较
水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点是目前国内外普遍采用的方法。
该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死。
[1]这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。
水池－水泵－高位水箱－用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用户。
但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染，影响居民的身体健康。
所以这种方案并不可取，终将淘汰。
单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标，[2]但是它的投资较大，总费用比上两种方式增加一、二十万元。
这些费用要在用户的水电费上来扣除，这对于居民和学校来说是巨大的压力，所以也不可取。
结合校园用水的特点和经济效益的考虑,决定采用恒压变频供水系统。
但上述的恒压供水系统有一个很大的弊病，就是在一个变频泵已经工作但压力仍然达不到设定压力，需要启动另外一个泵时把主线路从变频器切换到工频线路上，从理论上讲是不错的，变频器输出电压是380V，工频线路输出的也是380V。
但是实际应用中工频线路的电压是不定的。
[3]一般在水厂的配电室里对外输出有两到三个档，一个是春秋季节时用的380V的供电电压，另一个是夏天时用的420V或420V以上（因为用空调冰箱较多），设所需水压0.2mpa，单泵只能达到0.195mpa，则需要加泵，当线路由变频切换到工频时，电压突然增大，多出来的电压会使水泵向上抽更多的水，很有可能使水压超过设定值，PLC根据压力传感器的信号令A泵退出运行，但实际水压并未达到0.2mpa稳定后仍然需要加泵，B泵频率上升至50Hz，切换线路并启动C泵，切换时又遇到刚才的状况，导致水泵频繁切换，但水压始终上不去。
1.3本课题的总体方案
1.3.1系统的总体布局图
图1-2系统总体布局图
1.3.2系统的总体方案
系统采用3台水泵并联运行方式，把1泵和变频器连接，实现变频运行。
为保护电机，2泵和3泵用软起动器来启动，起动参数可调，而且采用软起动具有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机冲击电流大的弊病，减轻对管道的冲击，避免高程供水系统的“水锤效应”，减少设备损坏。
在工作过程中，压力传感器将主管网水压变换为电流信号，
水泵房较远，
经模拟量输入模块，输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，
输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的频率。
当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下恒压运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力达到设定值时，压力传感器上传的信号被PLC检测到，PLC自动将变频泵的频率降至出水频率，同时将第二台泵软启动投入到工频运行，以保持压力的稳定，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现；一段时间后，若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将软启动下一台水泵。
当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时实际压力值大于设定压力，PLC将最后启动的工频泵停掉，以减少供水量。
[4]一段缓冲时间后，当变频器仍工作在出水频率以下时，PLC再软停车停掉第2台工频运行的电机，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现。
为了防止备用泵锈死，用PLC定时，B、C泵循环备用。
循环时间可默认定在每周三凌晨2点，因为这时用水量较少，备用泵循环可顺利进行。
主要参数的设定可用文本显示器来设定。
[5]省去了改写程序的麻烦。
1.3.3本系统的特点
提高备用泵的利用率，是本系统的第一个目的，也是第一个特点。
节能，是设计这套系统的另一个重要目的。
第一，普通二级加压水厂只单纯手动控制电机的启动和切换，这样在电机启动时会产生很大的启动电流，长此以往对电机寿命有很大损害，而且在供水时一直按工频全速运转效率低、能 耗大。
而本系统可根据实际压力变化自动调整变频器频率，从而改变电机转速，减少了能量的消耗。
第二，普通恒压供水在用水量变化较大时有高效、节能的作用，但在用水量很小的情况下，如晚上，变频器工作在出水频率附近，耗电量增大。
下面引用我的校外导师的一篇文章来说明。
在山东农村，每村平均户数在260户左右，每户每月用水量大约在3t，每月全村用水量约780t，平均每天用水约26t。
经过统计，每天早、中、晚各1h用水量之和占全天用水量的80％左右，即3h供水量为21t，平均7t/h。
而其他21h供水总量为5.4t，平均0.26t/h。
如该村选用的潜水电泵是2OOQj32—52/4，额定流量32m/h，额定功率7.5KW，则在除早、中、晚三时的时间里，其流量占额定流量的0.81％，不足1％，而在早中晚三时，流量占额定流量的21％。
根据试验，当2OOQj32—52/4潜水电泵与变频设备合理匹配的情况下，当流量达到额定流量21％，其能耗为3.1KW。
由上面的分析可知，早中晚三时供水总量为80％，而耗电量为9.3kW·h；而其他21个小时，供水总量为20％，而耗电量为34.65kW·h。
[6]早、中、晚三时供水量80％，只占全天耗电的21％，而其余时间供水量20％，耗电却占全天的79％。
这显然是极不合理的现象。
因此，必须解决好微小流量时能耗大效率低的问题。
当流量较小时，恒压供水模式将转换成压差供水模式。
压差供水模式的工作过程如下，当流量条件满足压差方式时，系统自动切换。
变频泵以50Hz的频率开启，向微泄露补偿器压水，当压力达到压差上限时，水泵停止供水并停机。
这时管道的压力由微泄露补偿器来提供。
当压力传感器检测到压力低于压差下限时，变频泵再次以工频把补偿器压满。
在压力达到压差上限时，定时器同时计时，在变频器若干次的启停后（系统默认为4次），PLC自动比较压力由压差上限到压差下限的的时间是否低于系统设定的频率上升时间，若都低于说明需水量已增大，系统就自动切换到恒压供水状态。
微泄露补偿器是比传统的压力罐、气压罐更先进、更环保的恒压装置。
只使用普通气囊储气，而微泄露补偿器使用高质量橡胶囊储气，杜绝了二次污染。
本系统是由变频技术、压差—恒压自动转换技术及微泄露补偿技术组成。
采用这种技术供水时，变频设备能自动的根据供水流量转换供水方式，并利用微泄漏补偿器储能，来实现微小流量下高效率供水的目标。
1.4本课题的主要工作
本文所做的工作分为两个方面，一是电气图的设计；二是PLC程序的编制满足工艺要求。
全文主体思路共分为5章，第一章概述恒压供水问题的提出和意义，国内恒压供水系统的现状，明确论文要解决的问题并提出总体方案；第二章概述恒压供水方案解决的基础上，介绍恒压供水系统的主要器件的原理和使用方法。
第三章详细介绍全自动供水系统的硬件设计。
第四章详细阐述供水系统的软件设计。
第五章是结论，总结该系统的设计思路及优点。
第二章恒压供水系统的原理
2.1变频器
2.1.1变频器的基本原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
我们公司现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直
流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
从理论上可知电机的转速N与供电频率f有以下关系：
（q-电机极数 s-转差率） （2-1）
由上式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的级数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
变频器在工频以下和工频以上工作时的情况：
（1）变频器小于50Hz时，由于I*R很小，所以U/F=E/F不变时，磁通为常数，转矩和电流成正比，这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力，并成为恒转矩调速。
（2）变频器50Hz以上时，通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。
因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。
（T=Te,P<=Pe）变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。
当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。
举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。
因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速。
下面用公式来定性的分析一下频率在50Hz时的情况。
众所周知，对一个特定的电机来说,其额定电压和额定电流是不变的。
如变频器和电机额定值都是:
15kW/380V/30A,电机可以工作在50Hz以上。
当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30A。
这时如果增大输出频率到60Hz，变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A。
很显然输出功率不变。
所以我们称之为恒功率调速。
这时的转矩情况怎样呢？
由于功率是角速度与转矩的乘积。
因为功率不变，角速度增加了，所以转矩会相应减小。
[7]我们还可以再换一个角度来看：
从电机的定子电压
（I-电流，R-电子电阻，E-感应电势） （2-2）
可以看出，U、I不变时，E也不变。
而
（k-常数，f-频率，X-磁通） （2-3）
所以当f由50-->60Hz时，X会相应减小。
对于电机来说，
（K-常数，I-电流，X-磁通） （2-4）
因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。
结论：
当变频器输出频率从50Hz以上增加时，电机的输出转矩会减小。
2.1.2变频器结构电路图
主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。
变频器结构图如图2-1所示。
图2-1变频器结构图
2.1.3变频器的配线
1、主回路端子台的配线图如图2-2所示。
图2-2变频器配线图
2、控制回路端子
（1）控制回路端子图
变频器实际应用中接线端子排列如图2-3所示。
图2-3变频器端子图
（2）控制回路端子功能说明
变频器中所用的各个端子说明如表2-1所示。
JP1跳线说明：
电源：
1-2短接，[8]V+输出5V/50mA。
电源：
2-3短接，V+输出10V/10mA。
表2-1变频器端子功能表
种类
端子符号
端子功能
备 注
模
拟
输
入
V+
向外提供+5V/50mA电源
或+10V/10mA电源
由控制板上JP1选择
V-
向外提供-10V/10mA电源
VI1
频率设定电压信号输入端1
0～10V
VI2
频率设定电压信号输入端2
-10～10V
II
频率设定电流信号输入正端（电流流入端）
0～20mA
GND
频率设定电压信号的公共端（V+、V-电源地），频率设定电流信号输入负端（电流流出端）
控
制
端
子
X1
多功能输入端子1
多功能输入端子的具体功能由参数L-63~L-69设定，端子与CM端闭合有效
X2
多功能输入端子2
X3
多功能输入端子3
X4
多功能输入端子4
X5
多功能输入端子5
X6
多功能输入端子6
X7
多功能输入端子7，也可作外部脉冲信号的输入端子
FWD
正转控制命令端
与CM端闭合有效，FWD-CM决定面板控制方式时的运转方向。
REV
逆转控制命令端
RST
故障复位输入端
CM
控制端子的公共端
+24
向外提供的+24V/50mA的电源 （CM端子为该电源地）
模拟
输出
AM
可编程电压信号输出端，外接电压表头（由参数b-10设定）
最大允许电流1mA
输出电压0～10V
FM
可编程频率信号输出端，外接频率计（由参数b-11设定）
最高输出信号频率50KHz、幅值10V
AM-
AM、FM端子的公共端
内部与GND端相连
OC
输出
OC1
OC2
可编程开路集电极输出，由参数b-15及b-16设定
最大负载电流50mA，最高承受电压24V
故
障
输
出
TA
TB
TC
变频器正常：
TA-TB闭合
TA-TC断开
变频器故障：
TA-TB断开
TA-TC闭合
触点容量：
AC250V1A
阻性负载
RS485通讯
A
B
RS485通讯端子
3、变频器的基本配线图如图2-4所示。
图2-4变频器基本配线图
2.1.4故障诊断与对策
当变频器有故障时，1泵故障输入置1，1泵停止，具体故障如表2-2。
表2-2变频器故障对策表
故障代码
故障说明
可能原因
对 策
Er.01
加速中过流
1.加速时间过短
2.转矩提升过高或V/F曲线不合适
1.延长加速时间
2.降低转矩提升电压、调整V/F曲线
Er.02
减速中过流
减速时间太短
增加减速时间
Er.03
运行中过流
负载发生突变
减小负载波动
Er.04
加速中过压
1.输入电压太高
2.电源频繁开、关
1.检查电源电压
2.用变频器的控制端子控制变频器的起、停
Er.05
减速中过压
1.减速时间太短
2.输入电压异常
1.延长减速时间
2.检查电源电压
3.安装或重新选择制动电阻
Er.06
运行中过压
1.电源电压异常
2.有能量回馈性负载
1.检查电源电压
2.安装或重新选择制动电阻
Er.07
停机时过压
电源电压异常
检查电源电压
Er.08
运行中欠压
1.电源电压异常
2.电网中有大的负载起动
1.检查电源电压
2.分开供电
Er.09
变频器过载
1.负载过大
2.加速时间过短
3.转矩提升过高或V/F曲线不合适
4.电网电压过低
1.减小负载或更换成较大容量变频器
2.延长加速时间
3.降低转矩提升电压、调整V/F曲线
4.检查电网电压
Er.10
电机过载
1.负载过大
2.加速时间过短
3.保护系数设定过小
4.转矩提升过高或V/F曲线不合适
1.减小负载
2.延长加速时间
3.加大电机过载保护系数（H-2）
4.降低转矩提升电压、调整V/F曲线
Er.11
变频器过热
1.风道阻塞
2. 环境温度过高
3.风扇损坏
1.清理风道或改善通风条件
2.改善通风条件、降低载波频率
3.更换风扇
Er.12
输出接地
1.变频器的输出端接地
2.变频器与电机的连线过长且载波
频率过高
1.检查连接线
2.缩短接线、降低载波频率
Er.13
干扰
由于周围电磁干扰而引起的误动作
给变频器周围的干扰源加吸收电路
Er.14
输出缺相
变频器与电机之间的接线不良或断开
检查接线
Er.15
IPM故障
1.输出短路或接地
2.负载过重
1.检查接线
2.减轻负载
Er.16
外部设备故障
变频器的外部设备故障输入
端子有信号输入
检查信号源及相关设备
Er.17
电流检测错误
1.电流检测器件或电路损坏
2.辅助电源有问题
向厂家寻求服务
Er.18
PID反馈故障
1.PID反馈信号线断开
2.用于检测反馈信号的传感器发生故障
3.反馈信号与设定不符
1.检查反馈通道
2.检查传感器有无故障
3.核实反馈信号是否符合设定要求
2.2软起动
2.2.1软起动的基本原理
软起动器是一种用来控制鼠笼型异步电动机的新设备，集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电机控制装置，国外称为SoftStarter。
软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。
这种电路如三相全控桥式整流电路。
使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。
待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。
[9]软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。
2.2.2常见故障的排除
STR软启动器有10种保护功能。
当软启动器故障保护功能动作时，软启动器立即停机。
操作键盘显示故障保护代码，用户可根据代码所对应的故障原因进行分析处理。
在故障排除后，可通过复位键RESET进行复位。
使软启动器回到启动准备状态。
详见表2-3。
表2-3软启动器故障对策表
常见故障
原因说明
处理办法
Phr
进线电源相序错误
调换任两相进线
Pho
进线电源缺相
检查进线使之可靠接入
Pr01
起动峰值电流过流保护
起动电流超过4倍Ie
调整起动时间及起始电压
Pr02
I2t保护
调整限流参数或起动时间参数设定
Pr03
电动机过流保护
避免负载急剧变化
Pr04
电动机过载保护
减小电机负载
Pr05
非法起动保护
重新确认控制模式
Pr06
在起动或运行中缺相
检查进线电源
Pr07
干扰保护
处理干扰源
Pr08
设定参数丢失
重新设定各参数
OH
过热保护
降低起动频度
2.3文本显示器
在PLC
升级会员 