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恒压供水系统课程设计

摘要

自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。

变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。

变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。

恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中得到了很大的发展。

对城镇住宅电力驱动恒压供水的原理及几种实用化方案进行了深入的讨论，以变频器为主体的恒压供水系统对供水水泵实现全方位的宝护。

该系统不但能最大限度地节约水资源，而且能够节约电能，延长供水水泵的使用寿命，并在紧急情况下（消防，减灾）能够做到重点供水。

最后，对几种实用化供水方案进行了详细的讨论。

关键词：

变频器；恒压供水；变频调速；供水系统

1变频调速恒压供水系统的现状和应用

1.1变频调速恒压供水的应用

通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。

在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。

后种方法根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。

前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向，比如NKL-A系列恒压供水控制系统就可实现一变频器控制任意数马达的功能。

1.2变频器恒压供水产生的背景和意义

泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，对国民经济有重大意义。

我过泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等原因，至使在技术水平、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。

目前，大量的动能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当大的比例。

因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法是目前较为重要的一件事。

以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术与一体。

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，方便的实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

2变频调速恒压供水系统

2.1供水系统的基本特性

供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f（q），前提是供水系统管路中的阀门开度不变。

扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。

由图2.1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。

在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。

管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f（q）。

管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。

由图2.1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图2.1中a点。

在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。

当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。

图2.1供水系统的基本特性

2.2变频恒压供水系统的构成及工作原理

2.2.1系统的构成

变频恒压供水系统采用西门子的S7-200plc作为控制器，变频器MM440是频率调节器，交流接触器和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。

S7-200plc选用内部控制模块CPU224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块CPU224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。

pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。

三相交流电与MM440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接异步电动机，异步电动机带动水泵转动。

S7-200数字输出口输出控制信号到交流接触器，交流接触器两端连接的是工频或变频的三相交流电，主要起接通或断开三相交流电与异步电动机。

S7-200的模拟输出口输出控制电压信号给MM440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。

压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给S7-200的模拟输入口。

2.2.2变频调速恒压供水系统原理

1.电动机的调速原理

水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：

（（））））（

式中：

f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。

从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：

（l）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f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。

随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。

2.变频恒压控制系统节能原理

供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2.1所示。

由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f（Qu）。

而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2.1所示。

管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。

由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。

因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f（Qc）。

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1中A点。

在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。

通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。

因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。

异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的

2.2.3变频恒压控制理论模型

变频恒压控制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从图2.2中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。

该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。

如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力。

因此而减小。

同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。

从图2-2中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压

力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量

和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。

该频率

使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，

直到实际供水压力和设定压力相等为止。

如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。

同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。

图2.2变频恒压控制原理图

3变频恒压供水系统设计

3.1设计任务及要求

本系统是以一个供水系统作为被控对象，PLC与变频器协调控制电机的转速与启动和停止。

控制要求：

（1）工艺参数:

水泵流量：

295m3/h

水泵出口压力：

0.08Mpa

（2）水泵参数：

型号：

125H-13

额定流量：

793m3/h

扬程：

32.3m

功率：

80.3KW

额定转速：

1450r/min

配用电机功率：

100KW

（3）电动机参数：

型号：

JD-L-39-4

功率：

100KW

额定频率：

50Hz

额定电压：

380VAC；

额定转速：

1470r/min

额定电流：

188.2A

（4）水泵电机的起动/停止、正转、调速控制。

（5）变频器采用远方控制方式。

（6）变频器的频率由4—20mA电流信号控制。

（7）变频器的运行状态指示（如运行、停止、过流、低压等）。

（8）变频器的报警处理。

3.2系统主电路设计

图3.1系统主电路图

主电路。

如图所示，接触器KM1用于将电源接至变频器的输入端，KM2用于将变频器的输出端接至电动机，KM3用于将工频电源直接接至电动机，热继电器KR用于工频运行时的过载保护

3.3控制系统组成方框图

恒压供水系统的基本构成是：

变频器+水泵+水管网压力检测部件+PID调节器（目前大多数变频器已将PID调节器集成到其内部），如图3.2所示：

该图为简单的单泵控制系统。

图3.2恒压供水系统示意图

PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、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3.1所示：

图3.2变频恒压供水系统控制流程图

从图中可看出，系统可分为：

执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：

（1）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。

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。

由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、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[10]。

图3.3控制电路

当钮子开关S为合上位置时为自动启动,否则为手动启动。

当水位为低水位H1时，表的压力为设定的最低压力值，指针指向SP1，下电接点SP1闭合；当水位为高水位H2时，表的压力为设定的最高压力值，指针指向SP2，下电接点SP2闭合。

自动启动时：

合上QF，当水位为低水位H1时，到达表的压力设定的最低压力值，线圈KA1得电，同时KA1常开触头都闭合，线圈KM1得电，同时KM1主触头闭合并且KM1常开触头闭合自锁，KM1的常闭触头断开，指示灯HL1亮，此时，电动机开始工作为水泵加压。

若当电动机工作5分钟后水压到达设置值，指针指向SP2，上限电接点SP2闭合，线圈KA2得电，同时KA2常开触头闭合自锁，KA2常闭触头断开，同时线圈KA1失电，KA1常开触头断开，同时线圈KA2失电，KA2常开触头断开，KA2常闭触头闭合，此时，时间继电器KT1不得电，KT1常开延时触头仍断开，第二台电动机不投入工作。

若当电动机工作5分钟后水压未到达设置值，未指针指向SP2，指针仍指向SP1，线圈KA1仍电，KA1常开触头仍闭合，线圈KM1仍得电，指示灯HL1仍亮，同时依然KM1主触头闭合并且KM1常开触头闭合自锁，KM1的常闭触头断开，时间继电器6KT1通电延时动作，KT1常开触头闭合，线圈KM2得电，同时KM2主触头闭合，KM2常开触头闭合自锁，KM2常闭触头断开，指示灯HL2亮，第二台电动机也投入工作此时，两台电动机均开始工作。

若当电动机工作20分钟后水压未到达设置值，未指针指向SP2，指针仍指向SP1，线圈KA1仍电，KA1常开触头仍闭合，线圈KM1仍得电，指示灯HL1仍亮，同时依然KM1主触头闭合并且KM1常开触头闭合自锁，KM1的常闭触头断开，时间继电器KT2通电延时动作，KT2常开延时触头闭合，线圈KA3得电，KA3常开触头闭合自锁，KA3常闭触头断开，KT2常闭延时触头断开，同时线圈KM1失电，同时KM1主触头断开，KM1常开触头断开，KM1常闭触头闭合，此时，切除第一台电动机，指示灯HL1灭，同时线圈KM2失电，同时KM2主触头断开，KM2常开触头断开，KM2常闭触头闭合，指示灯HL2灭，此时，切除第二台电动机，两台电动机均停止工作，指示灯HL3灭。

手动启动时：

合上QF，按下SB2启动按钮，线圈KA1得电，同时KA1常开触头都闭合，线圈KM1得电，同时KM1主触头闭合并且KM1常开触头闭合自锁，KM1的常闭触头断开，指示灯HL1亮，此时，电动机开始工作为水泵加压。

若当电动机工作5分钟后水压未到达设置值，未指针指向SP2，指针仍指向SP1，线圈KA1仍电，KA1常开触头仍闭合，线圈KM1仍得电，指示灯HL1仍亮，同时依然KM1主触头闭合并且KM1常开触头闭合自锁，KM1的常闭触头断开，时间继电器KT1通电延时动作，KT1常开触头闭合，线圈KM2得电，同时KM2主触头闭合，KM2常开触头闭合自锁，KM2常闭触头断开，指示灯HL2亮，第二台电动机也投入工作此时，两台电动机均开始工作；

若当电动机工作20分钟后水压到达设置值，指针指向SP2，上限电接点SP2闭合，线圈KA2得电，同时KA2常开触头闭合自锁，KA2常闭触头断开，同时线圈KA1失电，KA1常开触头断开，同时线圈KA2失电，KA2常开触头断开，KA2常闭触头闭合，同时线圈KM2失电，同时KM2主触头断开，KM2常开触头断开，KM2常闭触头闭合，指示灯HL2灭，此时，切除第二台电动机；若当电动机工作20分钟后水压未到达设置值，未指针指向SP2，指针仍指向SP1，线圈KA1仍电，KA1常开触头仍闭合，线圈KM1仍得电，指示灯HL1仍亮，同时依然KM1主触头闭合并且KM1常开触头闭合自锁，KM1的常闭触头断开，时间继电器KT2通电延时动作，KT2常开延时触头闭合，线圈KA3得电，KA3常开触头闭合自锁，KA3常闭触头断开，KT2常闭延时触头断开，同时线圈KM1失电，同时KM1主触头断开，KM1常开触头断开，KM1常闭触头闭合，此时，切除第一台电动机，指示灯HL1灭，同时线圈KM2失电，同时KM2主触头断开，KM2常开触头断开，KM2常闭触头闭合，指示灯HL2灭，此时，切除第二台电动机，两台电动机均停止工作，指示灯HL3灭。

手动启动时：

若当电动机工作20分钟后水压到达设置值，指针指向SP2，上限电接点SP2闭合，线圈KA2得电，同时KA2常开触头闭合自锁，KA2常闭触头断开，同时线圈KA1失电，KA1常开触头断开，同时线圈KA2失电，KA2常开触头断开，KA2常闭触头闭合，同时线圈KM2失电，同时KM2主触头断开，KM2常开触头断开，KM2常闭触头闭合，指示灯HL2灭，此时，切除第二台电动机；若当电动机工作20分钟后水压未到达设置值，未指针指向SP2，指针仍指向SP1，7线圈KA1仍电，KA1常开触头仍闭合，线圈KM1仍得电，指示灯HL1仍亮，同时依然KM1主触头闭合并且KM1常开触头闭合自锁，KM1的常闭触头断开，时间继电器KT2通电延时动作，KT2常开延时触头闭合，线圈KA3得电，KA3常开触头闭合自锁，KA3常闭触头断开，KT2常闭延时触头断开，同时线圈KM1失电，同时KM1主触头断开，KM1常开触头断开，KM1常闭触头闭合，此时，切除第一台电动机，指示灯HL1灭，同时线圈KM2失电，同时KM2主触头断开，KM2常开触头断开，KM2常闭触头闭合，指示灯HL2灭，此时，切除第二台电动机，两台电动机均停止工作，指示灯HL3灭。

高水位保护：

若水压超过高水位时，即表的压力设定的最高压力值，SL浮球断电器闭合，同时线圈KA3得电，KA3常开触头闭合自锁，KA3常闭触头断开，切除正在工作的电动机，指示灯HL1灭，此时没有任何电动机工作。

按下SB1停止按钮解除保高水位保护线圈KA3失电，KA3常开触头断开，KA3常闭触头闭合，此时恢复到最初状态。

4器件的选型及介绍

4.1变频器简介

1、变频器的基本结构

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。

变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。

其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。

对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

2、变频器的分类

变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

4.2变频器选型

4.2.1变频器的控制方式

控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。

目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。

选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。

下表中参数供选用时参考。

表4.1控制方式的比较

控制方式

U/f=C控制

电压空间矢量控制

矢量控制

直接转矩控制

反馈装置

不带PG

带PG或PID调节器

不要

不带PG

带PG或编码器

速比I

<1:

100

1000

100

起动转矩（在3Hz）

150%

零转速时为150%

零转速时为>150%~200%

静态速度精度/%

±（0.2~0.3）

±0.2

±0.02

±0.2

适用场合

一般风机、泵类等

较高精度调速，控制

一般工业上的调速或控制

所有调速或控制

伺服拖动、高精传动、转矩控制

负荷起动、起重负载转矩控制系统，恒转矩波动大负载

故选择U/f=C控制

4.2.2变频器容量的选择

变频器的容量直接关系到变频调速系统的

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