水泵房恒压供水控制系统设计及应用.docx

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水泵房恒压供水控制系统设计及应用

摘要

近年来,能源紧张不时影响到工业生产及人民生活。

因此,节能降耗是保证工业和生活稳定发展的一项关键措施。

然而，长期以来，我国用水行业的技术水平相对比较落后，自动化程度低。

本论文设计一套基于PLC的变频调速恒压供水系统，并利用组态软件开发良好的运行管理界面。

本系统包含3台水泵电机。

采用通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“先开先停”的原则。

压力传感器检测当前水压信号，经由PLC与设定值经PID比较运算，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。

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。

在运行过程中,水泵的出水流量随用水量大小而作自我调整，并可以做到从多泵到单泵的平滑切换，改变以往阶梯式调节。

关键词：

变频调速；恒压供水；PLC；Wincc

Abstract

Inrecentyears，lessandlessregeneratableenergyhaveaffectedtheindustrialproductionandpeople’slifefromtimetotime．Thereforeitistoguaranteeindustryandlifetostabilizeacrucialmeasureofdevelopmentthatenergysavingfallstoconsume.However,sincelong-term,ourcountryfallsbehindwiththemoretechnicalmorehorizontalmorerelativecomparisonofwaterprofession，automationlevelislow.

Italsohavedesignedasetofwatersupplysystemoffrequencycontrolofconstantvoltagec，andhavedevelopedgoodoperationmanagementinterfaceusingSupervisionControlandDataAcquisition．Thissystemisformedby3pumpgenerators，3mainpumpgeneratorsformthecirculatingrunmodeoffrequencyconversion．Withgeneralfrequencyconverterrealizeforthree—phasepumpgeneratorsoftstartwithfrequencycontrol，operationswitchadoptstheprincipleof“startfirststopfirst”.Thedetectionsignalofpressuresensorofhydraulicpressure，viaPLCwithsetvaluebycarryoutPIDcomparisonoperation，So，controlfrequencyandthevoltageoffrequencyconverter，andthentherotationalspeedthatchangespumpgeneratorcometochangewatersupplyquantity,eventually,itisnearbytomaintainpipenetpressuretostabilizewhensetvalue．ThroughworkcontrolmachinetheconnectionwithPLC，withWinccgroupformsoftwareconsummatelysystematicmonitoring，haverealizedoperationstatedevelopmenttoshowanddata，reporttothepoliceinquiry．

Intheprocessofoperation,thepumpmakeselfadjustmentwiththesizeofwater,andcanbedonefromonepumptoanothersmoothly,soitcanbechangedtheregulation.

KeyWords：

Variablefrequencyspeed—regulating;Constant-pressurewater

supply;Plc;Wincc

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

我国人口众多，每年所消耗的能量巨大，近年来，能源紧张不时影响到了工业生产及人民生活。

从2003年开始，中国的能源消耗速度开始高于经济增速，从“电荒”,“油荒”，到“水荒”，中国的能源问题日益突出。

因此，节能降耗是保证工业和生活稳定发展的一项关键措施，是各行各业的技术改革方向。

然而，长期以来，我国的电、用水行业的技术水平相对比较落后，自动化程度低，节能节水具有较大的发展空间。

如供水系统，由于用户用水的不稳定性，经常出现在用水高峰期，水压较低，水的供给量低于需求量，特别是高层用户经常出现水压太低而无法用水的状况。

传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。

以下对各种供水方式的优缺点进行讨论。

1恒速泵供水

恒速泵供水即水泵电机的转速恒定，通过改变阀门的开度及投入运行的泵的数量来适应用户用水量的改变需求。

水泵机组全部或部份不间断运行，通过人工调节运行机组数量和调节出口阀门开度，从而调节管网压力。

这种方式过去较多使用，但自动化程度低，压力变化大，水泵电机启动频繁，电力消耗大，能量大量损失在阀门和调节阀上。

且频繁启停将影响设备使用寿命及电网电压。

因此这种方法已逐渐被淘汰。

2高位水箱供水

此种方法利用水泵工作时将水位提高到高于用户位置，储存水源，利用水源自身重量形成重力供水，但需要修建水塔、水箱、水池等，这种方式占用空间大、建址地势高、修建周期长、建筑投资大，后期维护、管理工作量较大。

3气压罐供水

气压罐供水是用水罐储存水源，用户用水时，通过压缩空气使水进入用户管道，随着罐内水的减小，压力也会降低。

气压供水技术简单，不受高度限制，近年来已在高层建筑中广泛采用。

但其体积大，实际应用中受场地限制，且电机启动频繁，对设备要求较高。

另外这种方式制造成本高、投资大，电力消耗较大。

因此一般常用于增压及稳压设施。

1.2变频调速恒压供水的发展

变频调速被认为是一种理想的交流调速供水方法。

20世纪60年代中期，随着普通晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置。

这个时期的变频装置，多为分立元件，体积大，造价高，大多为特定的控制对象而研制。

调速后的电动机静、动态性能较差，因此应用场合较少。

20世纪70年代以后，电力电子和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速供水技术也随之取得了日新月异的进步，石油危机以后以节能为目的的变频器供水开始出现并得到了广泛应用。

由于变频器供水具有的高效率性能和良好的控制特性，使之在供水系统中较多采用。

1.3变频恒压供水系统的国内外研究现状

变频恒压供水是在变频调速技术的基础上发展起来的。

早期，由于变频器功能较简单，在恒压供水系统中仅作为执行机构，为满足用户需求的变化，保证管网压力恒定，需通过压力变送器和PID控制器对压力进行闭环控制。

如图1.1所示：

图1.1变送器和PID控制器实现的恒压供水

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。

1.4本文主要研究内容

本系统是以一个供水系统作为被控对象。

采用通用变频器实现三相水泵电机的软启动和变频调速，压力传感器检测当前水压信号，水压信号经变送器输出标准电信号（4-20mA）通过A／D转换模块送入PLC，经PLC进行压力反馈值与设定值的PID运算，运算结果送入变频器频率控制端,控制变频器的输出频率，从而改变电机转速。

压力反馈值经PLC送入上位监控机，经组态软件进行显示。

由PLC接受控制信号，并实现对电机的启停及切换控制。

变频器的故障输出及报警信号以及系统显示信号全部送入PLC，以方便利用PLC与上位机进行通讯并实现监控。

系统的操作与管理采用微机实现，运行参数有记录，使系统节能达到最佳效果。

（1）对水泵电机的调速供水原理进行分析。

根据供水特点，分析泵电机的运行特点、运行参数及工作点，分析供水系统对电气调速的要求，设计一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统。

（2）从水泵运行曲线及管网特性曲线入手，分析水泵工况调节的几种方法，详细阐述变频调速恒压供水系统耗能原理及节能原理。

（3）重点阐述变频调速恒压供水系统的构成及其工作原理，进行系统硬件的选择及PLC程序的设计、变频器功能预置等。

根据压力大小进行PID控制，调整变频器的输出频率，从而改变水泵电机转速，改变流量的大小，适应用户用水量改变的需求，保持管网压力恒定。

（4）用wincc组态软件在上位机中开发恒压供水控制系统的主监控界面、数据查询界面、报警界面、实时及历史曲线界面等。

第2章恒压供水基本原理

2.1恒压供水工艺简介

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。

传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。

变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。

由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。

恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：

（1）维持水压恒定；

（2）控制系统可手动/自动运行；

（3）多台泵自动切换运行；

（4）系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；

（5）在线调整PID参数；

（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等。

将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。

反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。

2.2变频调速供水原理

1异步电动机的调速方法

水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：

（2-1）

式中f是电源频率，p是电动机极对数，s是转差率。

从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：

（1）改变电源频率

（2）改变电机极对数

（3）改变转差率

改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。

改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。

下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。

根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率厂成正比。

连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。

但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。

因为当电源电压不变时，若频率减小，主磁通将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心损耗增加；而当频率增加时，磁通减小，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力降低，电动机的容量也得不到充分利用。

因此，为了使电动机能保持较好的调速性能，要求在调节频率的同时，改变定子电压，以维持主磁通不变，或者保持电动机的过载能力不变。

电源电压随频率按什么样的规律变化最为合适呢?

一般认为，在任何类型负载下变频调速时，若能保持电动机的过载能力不变，则电动机的运行性能较为理想。

2变频装置简介

要实现异步电动机的变频调速供水，必须有能够同时改变电压和频率的供电电源。

现有的交流供电电源都是恒压恒频的，所以必须通过变频装置才能获得变压变频电源。

变频装置可分为间接变频和直接变频两类。

间接变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变成为可控频率的交流，通常称为交-直-交变频装置。

直接变频装置则将工频交流一次变换成可控频率的交流，没有中间直流环节，也称为交-交变频装置。

目前应用较多的还是间接变频装置。

2.1间接变频装置（交-直-交变频装置）

图2.1绘出了间接变频装置的主要构成环节。

按照不同的控制方式，它也可

分为图2-2中的（a）、（b）、（c）三种。

图2.1间接变频装置（交-直-交变频装置）

图2.2（a）是可控整流器变压，用逆变器变频的交-直-交变频装置。

调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。

这种装置结构简单、控制方便，但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调得较低时，电网端的功率因数较低；输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器（每周换流六次），输出的谐波较大。

这是此类变频装置的主要缺点。

图2.2（b）是用不控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频的交-直-交变频装置。

整流器采用二级管整流器，增设斩波器进行脉宽调压。

这样虽然多了一个环节，但输入功率因数高，克服了图2—2（a）的第一个缺点。

输出逆变环节不变，仍有谐波较大的问题。

图2.2（c）是用不控整流器整流、脉宽调N（PWM）逆变器同时变压变频的交-直-交变频装置。

用不控整流，则输入端功率因数高；用PWM逆变，则谐波可以减少。

这样可以克服图2．2（a）装置的两个缺点。

（a）

（b）

（c）

图2.2间接变频装置的各种结构型式

近年来，随着微机技术和电力电子技术的发展，PWM变频技术得到了飞速发展。

由于它可以有效地进行谐波抑制而且动态响应好，在频率、效率诸方面有明显的优势。

现在使用的大部分为电压型变频器。

2.2直接变频装置（交一交变频装置）

直接变频装置的结构如图2.3所示，它只用一个变换环节就可以把恒压恒频的交流电源变换成变压变频电源。

这种变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。

正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压U0。

UO的幅值决定于各组整流装置的控制角，U0的频率决定于两组整流装置的切换频率。

当整流器的控制角和这两组整流装置的切换频率不断变化时，即可得到变压变频的交流电源。

图2.3直接变频装置

由于交一交变频技术只用一次变流，且使用电网换相，提高了变流效率，但接线复杂，使用的晶闸管较多，受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低，且采用相控方式，功率因数较低。

目前较少采用。

主要用于大功率、低转速的交流调速装置中。

2.3供水系统对电气调速的基本要求

生活用水不比生产用水定时定量，而具有明显的时变性，具有明显的时间段，因此生活给水设备应具有“多用水、多耗电；少用水、少耗电"的功能。

在用水高峰期，管网压力下降，此时应根据压力反馈值的结果通过PID运算，使变频器输出频率增加，水泵电机转速增加或增加投入运行的水泵台数，从而增加管网压力，保证供水能力。

在用水较少时，管网压力将增加，此时压力的变化通过反馈运算使变频器输出频率下降，电机转速下降或减少运行的水泵数量，从而减小管网压力，直到管网压力等于设定值。

这样，用户用水量的波动，供水装置都必须及时做出反应。

供水系统对电气调速的基本要求有：

1水泵在相同工况下调速时，其输出扬程H和水泵转速n的平方成正比，即：

（2-2）

其中

是水泵扬程，

是转速系数，

是水泵转速。

供水系统必须根据流量的变化调节水压，他们的关系式如下：

（2-3）

是水网中最不利供水点要求流程，

是管道水头损失，

是流量系数，由管网本身决定。

是网用户要求的用水量两式联立求得：

（2-4）

从上式可看出，流量的平方与转速的平方成线性关系。

还可看出，当流量为零时，水泵电机必须保持一定转速以保证管网维持一定的水压。

速度的调节根据水压进行闭环控制。

2系统启动和负载变化较大时，电流冲击较大，为保护电机及其他电气设备，应采用软启动方法。

通过变频器输出频率的逐步变化使电流有一个变化过程，并通过PID调节和模糊控制相结合达到恒定水压的目的。

2.4恒压供水节能原理

1基本模型

图2.4供水系统的基本原理

图2.4所示为一生活小区供水系统的基本原理。

水泵将水池中的水抽出，并上扬至所需高度，以便向生活小区住户供水。

2主要参数

1．流量

单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号用Q表示。

供水系统的基本任务就是要满足用户对流量的要求。

2．扬程

单位质量的水被水泵上扬时所获得的能量。

符号为H。

扬程主要包括三方面：

a：

提高水位所需的能量

b：

克服水在管道中的流动阻力（管阻）所需的能量

C：

使水流具有一定的流速所需的能量

由于在同一管路中，上述b和C是基本不变的，在数值上也相对较小。

可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。

因此在同一管路内进行分析时，常简单的把水从一个位置上扬至另一个位置时，水位的变化量用来表示扬程。

3．全扬程

也叫总扬程或水泵的扬程。

是表明水泵的泵水能力的物理量。

在数值上等于：

在管路没有阻力，也不计流速的情况下，水泵能够上扬水的最大高度。

4．实际扬程

通过水泵提高水位所需的能量。

在不计损失和流速的情况下，其主体部分正比于实际的最高水位与水池水面之间的水位差。

5．损失扬程

全扬程与实际扬程之差。

全扬程=实际扬程+损失扬程

6．管阻

表示管道系统对水流阻力的物理量。

管阻不是常数，不能以简单的公式定量计算，通常用扬程与流量间的关系曲线来描述。

7．压力

表明供水系统中某个位置水压，其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，在动态情况下，还与供水流量和用水流量之间的平衡情况有关。

第3章恒压供水控制系统设计

3.1恒压供水系统控制

对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。

所以，流量是系统的基本控制对象。

如前所述，流量的大小取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。

考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关，供水能力>用水需求，则压力上升；供水能力<用水需求，则压力下降；供水能力=用水需求，则压力不变。

可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。

因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。

即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，满足了用户所需的用水流量。

3.2恒压供水系统方案设计与选择

从恒压供水的原理分析可知，系统主要有变频器、压力传感器、压力变送器等。

前面已介绍了目前常用的恒压供水控制系统。

鉴于专用变频器系统的不足之处，本文采用通用变频器加PLC控制系统。

水压反馈值送入PLC进行PID运算，运算结果经D／A转换输出送给变频器的反馈信号输入端，从而调整变频器频率，改变电动机的转速，调整管网水压，保障水压恒定。

上位机与PLC进行通信，对压力数值进行显示并实现系统启停控制、压力设定值的修改。

且由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种要求和规格不同的控制系统。

由于PLC和上位机具有良好的通信功能，此系统方便与其他系统进行通

信和数据交换。

当控制要求改变时，利用编程软件很容易进行程序的修改和下载。

因此，该系统能适用于不同控制要求的场合，与机组容量大小无关。

且由于良好的人机界面，使得操作更加简单，系统运行状态更直观。

因此本系统采用“变频器+PLC+上位监控计算机"的模式。

3.3恒压供水系统框图

根据系统控制方案可得系统框图如下：

图3.1恒压供水系统框图

图中水池水位经液位计检测送入电气控制柜，经PLC程序处理，决定水泵的运行与停止。

安装在总水管上的压力变送器将压力值转换为标准电信号送至PLC的A/D转换模块，经PLC内部PID处理，由D／A模块输出模拟量信号送至变频器频率控制端，从而影响变频器的输出频率，改变水泵电动机转速。

上位机与PLC进行通讯，显示系统运行状态及历史数据。

3.4系统工作原理

3.4.1系统控制示意图

图3.2系统控制示意图

此系统由信号检测、水泵拖动机组、电气控制、上位机等组成，各部分的作用及工作原理如下。

a：

信号检测

主要包括蓄水池液位检测、管网压力检测与反馈。

液位检测通过安装在蓄水池的浮球液位传感器实现。

当液位正常时，水泵机组处于工作状态。

当水压不足，液面过低时，系统实施保护，以防止电机空转而损坏。

管网压力检测通过安装在用户总管的压力传感器实现，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。

b：

水泵拖动机组

系统由一个机组3台水泵电机组成。

MI、M2、M3既可以变频运行又可以工频恒速运行，组成变频循环运行方式。

系统首先启动一台水泵作为变速泵，当水压发生变化，变频器输出频率达到50Hz时，若供水量仍不能达到用水要求，则该泵退出变频状态，转入工频，启动另外一台泵变频运行。

以此循环。

另一台小泵电机采用恒速运行方式，使系统在用水量很低（如夜间）时，可以停止所有的主泵，用小泵补水，减小系统功耗及噪音。

c：

电气控制系统

电气控制系统一般安装在控制柜中，由PLC、变频器和电控设备组成。

①PLC：

是整个控制系统的核心部分。

它采集系统的压力、液位、报警等信号，进行处理、运算和输出。

并接收人机接口和通讯接口的数据信息进行分析，通过变频调速器和接触器等电气元件实现控制。

②变频器：

实现电机转速控制的单元，接受PLC运算处理后数据，实现输出频率的改变，从而完成调速泵的转速控制。

③电控设备：

主要由空气断路器、接触器、保护继电器和转换开关、按钮等组成。

空气断路器用于接通电源；接触器用于实现变频运行与工频运行；转换开关用于实现手自动的控制。

d：

上位监控计算机

用于操作者与系统进行信息交流，实现控制和显示系统运行状态。

通过监控计算机，操作者可以很方便地根据系统需求对压力设定值进行修改，对控制方式进行改变，并可以方便地控制系统的启停和控制方式的转换。

3.4.2系统工作原理

1系统自动变频循环运行

系统变频全自动运行时，当用户用水量发生变化，水压变送器反馈的电信号将发生变化，此时将进行水泵的增减。

电机切换过程如下：

①若原为1号电机变频运行，用户用水量增加，则管网压力下降，反馈到A／D转换模块输入端的模拟量减小，通过PLC内部的PID运算，D／A转换模块输出量增加，即变频器频率给定端的电信号值增加，使变频器输出频率增加，电机转速增加，从而增大供水量直到与用水量平衡，管网水压随之上升，最后必须达到设定值。

若在第一台电机的频率达到50Hz之前，管网水压