住宅小区恒压供水控制系统设计.docx

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住宅小区恒压供水控制系统设计

XXX学院毕业设计（论文）

住宅小区恒压供水控制系统设计

学生：

XXX

学号：

XXX

专业：

测控

班级：

2010.2

指导教师：

XXX、XXX

XXX学院XXX学院

二O一一年六月

摘要

本论文根据住宅小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统。

变频恒压供水控制系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、报警器等构成。

本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式，采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。

压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近，实现恒压供水。

通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。

关键词：

变频调速；恒压供水；PLC；组态软件

ABSTRACT

Thisthesisisbasedontheresidentialareaofwatersupplyrequirements,designaConstantPressureWaterSupplyControlSystemBasedonPLC.Theconstantpressurewatersupplycontrolsystemconsistsofaprogrammablecontroller,inverter,waterpumps,pressuresensors,alarmandsoon.Thesystemconsistsofthreepumpmotors,theyarecomposedoffrequencyconversioncycleoperationmode,theinverterisusedtoachievethesoft-startandfrequencycontrolthree-phasepumpmotorrunswitchwiththeprincipleof"firstinitialfirststop".PressuresensordetectsthewaterpressuresignalintothePLCwiththesetvalueafterthePIDoperation,soastocontroltheinverteroutputvoltageandfrequency,therebychangingthespeedofthepumpmotortochangethesupplyquantity,andultimatelytomaintainthepressurestabilityofthepipenetworkinthesetgiventhevalueofthenearconstantpressurewatersupply.IPCandPLCconnection,usingtheconfigurationsoftwaresystemmonitoring,dynamicdisplayofoperatingstatusanddata,andalarmqueries.

Keywords：

Frequencycontrol；Constantpressurewatersupply；PLC；Configurationsoftware

第1章绪论

1.1小区恒压供水控制系统产生的背景及意义

对小区高层的住户来说，在白天或者用水高峰时，供水系统的电动机负荷很大，常常需要满负荷甚至超负荷运行；而在晚上或者用水低峰时，所需用水量就会减少很多，但是电动机会依然处于满负荷运行状态，这样既会造成能量的浪费，又对电动机的损耗很大，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。

所以根据不同的需求条件调节电动机的转速以实现恒压供水是非常有必要的。

传统的小区供水方式有恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等方式。

其优、缺点如下[1]：

（1）恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力作出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低下、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。

（2）水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大、占地面积大、维护不方便、水泵电机为硬起动、起动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要用于高层建筑。

（3）气压罐供水具有体积小、技术简单、不受限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵工作在低效段同时出现水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了发展。

综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源，效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以适应当前经济生活的需要。

采用基于PLC和变频技术的恒压供水系统，可以有效解决以上问题。

变频调速式供水系统具有节约能源、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，利用变频技术与自动控制技术相结合，不仅能达到比较明显的节能效果，提高恒压供水的效率，更能有效地保证供水控制系统的安全可靠运行。

利用变频恒压供水控制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，设计基于变频调速的恒定水压供水控制系统，对于提高供水效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

变频恒压供水控制系统的国内外研究现状

变频恒压供水控制系统是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。

在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。

应用在变频恒压供水控制系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。

随着变频技术的发展和变频恒压供水控制系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机（泵）的供水系统。

这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制[1]。

目前，国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。

但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。

原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器（5.5kw～22kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。

该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。

因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。

本课题的主要研究内容

本设计是以小区楼房供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合的技术，设计一套住宅小区恒压供水控制系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。

变频恒压供水控制系统主要由变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组等一起组成的一个完整闭环调节系统。

本设计中有1个贮水池，3台水泵，PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。

各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。

根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。

硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图，包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。

第2章变频恒压供水控制系统的理论分析

恒压供水控制系统研究对象及特点

研究对象

此设计研究的对象是小区楼房的供水系统。

由于较高楼层对供水水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况；水压高时，将造成能源的浪费。

如图2-1所示，是小区高楼供水系统的简单流程。

自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。

通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。

恒压供水控制系统的特点

基于PLC和变频技术的恒压供水系统与过去的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水方式相比，不论是设备的投资、运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。

变频恒压供水控制系统能适用于小区生活用水、工业用水以及消防用水等众多场合的供水要求，该系统具有以下特点[2]:

（1）供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，与其他一些过程控制量（如温度、流量、浓度等）一样，对控制作用的响应具有滞后性，同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。

（2）用户管网中因为受管阻、水锤效应等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水控制系统是一个线性系统。

（3）供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

（4）在变频调速恒压供水控制系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（包括定量泵的停止和运行）是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水控制系统的控制对象是时时变化的。

（5）当出现意外的情况（如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。

在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

（6）水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。

（7）通过改变变频器的频率控制水泵的转速，进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

变频恒压供水系统控制方案的比较和确定

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[3]：

（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。

2.3变频恒压供水控制系统的组成及其工作原理

2.3.1变频恒压供水控制系统的组成及原理图

变频恒压供水控制系统主要由变频器、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2-2所示。

从图中可看出，系统可分为执行机构、信号检测机构和控制机构三大部分，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，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，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；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。

（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。

根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式。

变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择[4]，本设计中采用前者。

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。

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2-3所示。

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[5]。

2.3.2变频恒压供水系统的工作原理

合上空气开关，供水系统投入运行。

将手动/自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通并起动变频器。

根据压力设定值（由管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。

变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。

同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵（或第3台泵）。

当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。

此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。

增泵工作过程：

假定增泵顺序为l、2、3泵。

开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。

当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。

当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。

在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。

如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。

减泵工作过程：

假定减泵顺序依次为3、2、1泵。

当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降；当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机。

如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。

如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果[6]。

2.3.3变频恒压供水系统水泵切换控制

在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵已运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵已运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的。

那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢?

尽管通用变频器的频率都可以在0～400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大或减小。

当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。

由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。

当变频器的输出频率已经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。

要增加实际供水压力，正如前文所述，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组泵的数量来实现。

另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。

但在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降低到0Hz。

因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网。

因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就已经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。

这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。

这个频率远大于0Hz，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在15Hz左右。

由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。

所以选择50Hz和15Hz作为水泵机组切换的上下限频率[7]。

当输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。

若出现Ps>Pf时就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力一下就超过了设定压力。

在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力超过设定供水压力，而新增加的机组在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。

如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入-切出-再投入-再切出地循环下去，这增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中，实际供水压力也会在很大的压力范围内震荡。

这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。

另外，实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。

所以，在实际应用中，相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。

实际的机组切换判别条件如下：

加泵条件：

且延时判别成立（2.1）

减泵条件：

且延时判别成立（2.2）

式中：

：

上限频率

：

下限频率

：

设定压力

：

反馈压力

2.4供水系统的安全性问题

2.4.1水锤效应及其消除方法

异