变频恒压供水系统设计.docx
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变频恒压供水系统设计
33层大楼变频恒压供水系统
1系统简介
这是一套基于PLC变频恒压供水系统的可行性方案，选择了相应的器件，使系统通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4~20mA的模拟信号，通过变频器来控制改变水泵转速。
用高低水位控制器来控制注水阀YV1，当其自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。
水池的高、低水位信号也直接送给PLC作为低水位报警用。
为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离相差不是很大。
生活用水和消防用水共用三台泵，平时电池阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行。
当有火灾发生时，电池阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。
火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。
.2变频恒压供水系统构成及工作原理
此次设计研究的对象是一栋33层楼房的供水系统。
由于高层楼对水压的要求高，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，是这栋楼的供水流程。
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。
图2-1供水流程简图
用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，其自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。
水池的高、低水位信号也直接送给PLC作为低水位报警用。
为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离相差不是很大。
生活用水和消防用水共用三台泵，平时电池阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行。
当有火灾发生时，电池阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。
火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。
下图2-2即为生活、消防双恒压供水系统工艺流程图。
图2-2双恒压供水系统工艺流程图
2.1系统的构成
整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。
三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器（反馈0～5V电压信号）或压力变送器（反馈4～20mA电流）；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。
从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。
2.1.1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.通常这些水泵包括:
（1）调速泵:
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。
（2）恒速泵:
水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充.
此外，通常一些变频系统还会增设附属小泵，它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下（例如:
夜间）对管网用水量进行少量的补充.
2.1.2信号检测
在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号:
（1）水压信号:
它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。
（2）液位信号:
它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。
此信号来自在安装于水源处的液位传感器。
（3）报警信号:
它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。
2.1.3控制系统
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器、变频器和电控设备三个部分:
（1）供水控制器:
它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（即水泵成行控制.
（2）变频器:
它是对水泵进行转速控制的单元.变频器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，变频器有如下两种工作方式:
1）变频循环式:
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。
2）变频固定式:
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。
变频器的电控设备它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成.用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中等工作。
2.1.4通讯接口
通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换;同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。
2.1.5报警装置
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，由此判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。
2.2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KM6，并起动变频器。
根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID（比例、积分、微分）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。
2.3变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析
在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的。
当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泉来减少供水流量，达到恒压的目的。
那么何时进行切换，刁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。
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，不可能无限地增大和减小。
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己经到达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，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。
另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。
其实，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，水泵就己经抽不出水了，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20Hz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。
在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。
所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间（比如1-2分钟），如果在这一段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。
3基于PLC的变频恒压供水系统设计与实现
水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。
控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。
系统所需的输入／输出点数量共为24个点。
本系统选用FXos-30MR-D型PLC。
3.1控制要求
对三泵生活、消防双恒压供水系统的基本要求如下：
（1）生活供水时，系统应保持低恒压值运行，消防供水时系统应保持高恒压值运行。
（2）三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。
（3）再用水量较小的情况下，如果一台泵连续工作运行时间超过3h，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台工作时间过长。
（4）三台泵再起动时要有软起动功能。
（5）要有完善的报警功能
（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
3.2变频器的选择与接线
根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，如下图所示：
图3-1FR-A540的管脚说明
管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。
X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。
频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。
图3-2变频器接线图
3.3压力传感器的接线图
压力传感器使用CY-YZ-1001型压力传感器。
传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力－电转换。
传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。
该传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，供电电源为28±3V（DC）。
图3-3压力传感器的接线图
3.4其它元器件的选择
水泵：
M1、M2选用40-160（I）A型，M3选用40-160（I）型，参数见表3.1示。
热继电器的选择：
选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR，FR1FR2可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流5－8A，FR3可选用规格其型号为TK-E02U-C，额定电流为6－9A
熔断器的选择：
在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。
接触器的选择：
对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C,功率3Kw
按钮SB的选择：
PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY3—11型，其主要技术参数为：
UN=24VDC，IN=0.3A，含1对常开和1对常闭触点。
表3-1元件表总图
元件
符号
型号
个数
可编程控制器
PLC
FXos-30MR-D
1
变频器
FR-A540系列
5.5型
1
接触器
KM
SC-E03-C
7
水泵
M1,M2
40-160（I）A
2
M3
40-160（I）
1
闸刀开关
QS
HD11-100/18
1
熔断器
FU1，FU2
RT186A
2
FU3
RT188A
1
热继电器
FR1FR2
TK-E02T-C
2
FR3
K-E02U-C
1
按钮
SB
LAY3—11
10
水泵
符号
型号
流量（m3/h）
扬程
（m）
转速
（r/min）
电机功率
（kw）
M1,M2
40-160（I）A
11
28
2900
2.2
M3
40-160（I）
12.5
32
2900
3.0
表3-2水泵的参数
变频器
适用电机容量（KW）
输出额定容量（KVA）
输出额定电流（A）
过载能力
电源额定输入交流电压/频率
冷却方式
FR-A540系列5.5型（三菱）
5.5
9.1
12
150%60s,200%0.5s（反时限特性）
3相，380V至480V50Hz/60Hz
强制风冷
表3-3变频器的参数
3.5PLC控制I/O口配置
控制系统的输入、输出信号的名称，以及代码及地址编号如表3-4所示。
水位上下限信号分别为I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。
表3-4输入、输出点代码和地址编号
输入信号
地址编号
名称
代码
手动和自动消防信号
SA1
I0.0
水池水位下限信号
SLl
I0.1
水池水位上限信号
SLh
I0.2
变频器报警信号
Su
I0.3
消铃按钮
SB9
I0.4
试灯按钮
SB10
I0.5
远程压力表模拟量电压值
Up
AIWO
1号泵工频运行接触器及指示灯
KM1，HL1
Q0.0
1号泵变频运行接触器及指示灯
KM2，HL2
Q0.1
2号泵工频运行接触器及指示灯
KM3，HL3
Q0.2
2号泵变频运行接触器及指示灯
KM4，HL4
Q0.3
3号泵工频运行接触器及指示灯
KM5，HL5
Q0.4
3号泵变频运行接触器及指示灯
KM6，HL6
Q0.5
生活、消防供水转换电磁阀
YV2
Q1.0
水池水位下限报警指示灯
HL7
Q1.1
变频器故障报警指示灯
HL8
Q1.2
火灾报警指示灯
HL9
Q1.3
报警电铃
HA
Q1.4
变频器频率复位控制
KA（KMG）
Q1.5
控制变频器频率电压信号
Vf
AGWO
3.6电气控制系统原理及线图
3.6.1主电路图
图3-4主电路图
电机有两种工作模式即：
在工频电下运行和在变频电下运行。
KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。
热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。
熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。
使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。
3.6.2控制电路接线图
图3-5PLC的接线图
Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。
X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。
为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。
在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。
频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。
3.7基于PLC的变频恒压供水系统程序流程
在控制系统中，变频器通过PLC通过对电机出厂压力点处设置的压力变送器反馈信号，进行单闭环控制。
此外，为了适应供水情况的突发变化等，在必要时，可以实现手动频率控制功能。
P比程序设计的主要任务是接受外部开关信号的输入以及管网的压力信号和水池水位信号，判断当前的系统状态是否正常，然后执行程序，由输出信号去控制接触器、继电器和变频器等器件，以完成相应的控制任务，除了PID运算，PLC主要控制任务就是输出频率的计算和工频、变频的切换。
在设计时，需要注意的是由于供水系统是一个惯性较大无法突变的系统，不需要过高的响应速度，因而在设计思想上应以查询方式为主，中断方式为辅.
（1）系统初始化程序设计
在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对模拟量（管网压力、液位等）数据处理的数据表进行初始化处理，赋予一定的初值。
（2）压力恒定控制程序设计
在变频恒压供水系统压力控制程序的设计流程如图43，检测压力的大小，信号传送到PLC，系统首选对数值进行分析，确认数据正常后，与压力设定值进行判断，如果与设定值相同，则直接进入下一采样周期，如果不同，则进行PID控制，通过PLC控制变频器改变频率参数，从而实现恒压供水。
在恒压供水程序设计中，还应考虑到报警问题，通常要设计中断程序处理信号报警。
特别要注意的是，在中小供水厂有条件的情况下，除了通常的液位报警和过载报警等外，还应将流量仪、浊度仪、余氯仪等报警信号接入PLC，从而实现在供水厂出现流量严重异常或水质事故事可以实现紧急停机。
PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频—变频的切换和水泵工作数量的调整。
工作流程如图3.6所示。
图3-6PLC程序流程图
系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。
如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。
如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。
手动模式主要是解决系统出错或器件出问题
在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。
如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。
没接到信号就保持现有的运行状态。
3.8控制方式
3.8.1手动运行
当按下SB7按钮，用手动方式。
按下SB10手动启动变频器。
当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。
为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn（n=2,4,6）按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。
可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵.该方式仅供自动故障时使用.
3.8.2自动运行
由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制.
升压控制：
系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态.系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1处在调速运行状态.当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速;反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速.当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行;同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。
如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行.当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警.
降压控制：
当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值.当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。
3.9主要程序说明
3.9.1总程序的顺序功能图
系统分为自动运行和手动运行两部分
图3-7总程序的顺序功能图
3.9.2自动运行顺序功能图
按下SB8按钮，系统进入自动运行模式，顺序功能图如3-8所示。
图3-8自动运行顺序功能图
Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行
系统起动时，KM1闭合，#1泵以变频方式运行。
当变频器的运行频率超出一个上限信号后，PLC通过这个上限信号后将1#水泵有变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。
如果再次接收到变频器上限信号，则KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。
如果变频器频率偏低，即压力过高，输出的下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频起动。
再次接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。
为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电
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