基于PLC的恒压供水系统Word格式文档下载.docx

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自来水厂通过城市输、配水管供水，水压一般在2kg/cm2左右，夜间可达2．5－2．7kg/cm2，所以五层以下住户直接使用市政管网正常用水是没有问题的。

但目前城市除了建普通建筑以外，还要建次高层建筑和高层建筑。

相比之下，次高层建筑（特别是住宅）和高层建筑容积率高，经济效益大，更得到市场的青睐。

而这类建筑的供水就涉及到供水难的问题。

与此同时我国是一个发展中国家，比之发达国家，我国在这方面的水电浪费现象是十分惊人的。

因此，提高我国供电供水系统的科技水平就成为了一个十分重要的课题。

1.2几种传统供水方式的比较

生活给水设备，一般地说，可以分为两种基本形式，称之为匹配式与非匹配式，其中非匹配式中包含了本论文着重研究的恒压供水系统。

非匹配式供水设备的特点是水泵的供水量，总大于系统的用水量。

需配置蓄水设备，如水塔、高位水箱等，以便将多余的水或全部的水暂时蓄存起来。

当蓄存的水，达到高水位时，水泵停止运转。

这时，由蓄水器向用水系统供水。

当蓄水器中的水被用到低水位时，水泵再次启动向蓄水设备供水。

早期匹配式供水设备的特点是水泵的供水量随着用水量的变化而变化，没有多余的水量，不设置高位水箱等蓄水设备。

早期的水泵直供式给水系统，就是一种原始的匹配式供水设备。

带变频器的匹配式供水设备：

近几年来，由于电子技术及计算机控制的迅速发展变频调速装置的应用越来越广泛。

变频调速装置开始在工业和民用的供水系统中得到了应用。

通过改变水泵电机的供电频率、调节水泵的转速，采用计算机自动控制水泵的供水压力，以保证在用水量变化时，供水量随之变化，从而维持供水系统的压力不变，实现了供水量与用水量的相互匹配。

下面仅就以上的内容作简要梗概及优劣比较：

1、非匹配式（水池－水泵－水塔（高位水箱）－用水点）

2、早期匹配式（水池-水泵-用水点）

3、匹配式且带变频调速装置（水池－水泵（恒压变频）－管网系统－用水点）

第一种方式采用传统的水塔、高位水箱，楼底水泵将蓄水池的用水打到楼顶水箱，楼顶水箱中的水在利用自身的重力压到用水管道。

这是一个很简单的供水模式，它最主要的问题就在于水泵工作时间的控制上面了，刚开始时，专门安排专职人员开关水泵，没水了开泵，水满出来了就关泵。

这样做不仅麻烦，还浪费了人力，而且高位水塔的清洗也成问题。

第二种方式水泵直供式系统，由于水泵的速度不能调节，水压随用水量的变化而急剧变化。

当用水量很小时，水压很高，供水效率很低，既不节能，又使系统的水压不稳定。

第三种方式采用变频恒压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。

还可减少屋顶水箱的二次污染和保证顶层的供水压力（用热水器压力也没问题）。

它的不足是必须电源可靠，否则停电即停水，给生活带来不便。

1.3变频恒压供水系统的国内外发展现状

变频恒压供水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、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。

应用在变频恒压供水系统中，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。

从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。

随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、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。

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。

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、网络和通讯技术等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。

1.4本文的主要研究内容

1、变频恒压供水系统的基本原理

2、恒压供水系统总体方案设计

3、恒压供水系统硬件电路设计

4、恒压供水系统的控制程序设计

第2章变频恒压供水系统的基本原理

2.1恒压供水系统的基本原理

对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量（Q）的需求。

所以，流量是系统的基本控制对象。

但是，流量的大小取决于扬程，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QG>

用水需求QU，则压力上升；

供水能力QG<

用水需求QU，则压力下降；

供水能力QG=用水需求QU，则压力不变。

可见，供水能力与用水需求之间的矛盾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，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。

而流量的控制可通过控制水泵的转速来实现。

众所周知，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。

即其中。

P为水泵消耗功率；

n为水泵运行时的转速；

k为比例系数。

而水泵设计是按工频运行时设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，由于控制系统采用了变频技术，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。

实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%-40%。

2.2变频调速原理

这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。

最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）。

在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通基本不变，其关系为

其中，——变频器输出电压，——变频器输出频率。

变频调速方式时，电动机的机械特性表达式

式中——电机相数；

——定子电阻；

——定子漏电抗；

——转子漏电抗折算值。

变频调速过程的特点：

静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。

电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。

因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果。

第3章恒压供水系统的总体设计

3.1恒压供水系统总体组成

首先，本文给出恒压供水系统的总体结构示意图：

图1供水系统总体结构图

由此得到恒压供水系统的粗略构造示意图：

图2供水系统粗略示意图

因为系统的控制目标是泵站总管的出水压力，所以将系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而可以使给水总管压力稳定在设定的压力值上。

系统的控制框图如图2-1所示。

依此我们得到设计思路：

（1）主电路：

通过接触器、断路器等电气设备为主水泵及辅助泵提供工频和变频电源。

（2）电气控制电路：

实现主电路的继电控制，实现手动或自动控制的切换。

（3）变频控制电路：

根据压力设定及压力传感器的压力检测信号，由变频器输出变频电源；

为PLC提供变频器启动频率、输出最高频率信号；

当变频器输出上下限频率，以及水压过压及欠压时输出信号；

并能实现PID调节控制。

（4）PLC控制系统：

包括硬件线路和软件控制程序，完成对恒压供水系统压力设定、水泵工作状态控制、信号指示及报警等。

3.2泵水方式选择

由于用水流量的变化性特点，系统采用多台水泵并联运行的方式，可以根据用水量的大小自动选择投入运行的水泵台数。

在全流量的范围内实行变频泵的连续调节与工频泵的分级调节相结合，使管网压力始终维持在某一恒值即设定值。

多台水泵并联的泵水方式其好处是多方面的。

首先是节能，由于根据用水流量选择并联运行水泵的台数，所以每台水泵都可以以较高的效率运行，具有长远的经济性。

其次，系统的供水可靠性好，当一台水泵发生故障时，由于有其他水泵的备用，一般不会太多地影响供水质量。

另外，由于多台水泵结构相对于单台水泵结构水泵的容量较小，因此水泵的维修与更换也更方便，小容量水泵的起动电流也相对较小，对电源容量的要求降低。

为了在供水流量很小时进一步减小功耗，本设计采用一台小容量的辅助泵来维持供水。

有的系统也采用多台辅助泵，一台变速泵构成供水系统（非本文的设计）以下是图片例举：

图3供水系统例举

第3章恒压供水系统硬件电路设计

4.1主电路设计

如下是本文的主电路设计：

图4系统主电路图

图4中，M1、M2为两台主水泵，M3为辅助泵。

两台大容量的主水泵（1#,2#）根据供水状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，交流接触器KM1—KM4控制两台主水泵的工频或变频运行。

辅助泵只运行在工频状态，交流接触器KM0控制辅助泵的工频运行。

FR1,FR2，FR3,FR4为变频器及水泵M1,M2,M3过载保护的热继电器，QF1，QF2，QF3，QF4，QF5分别为变频器，三台泵以及电路母线的工频运行空气开关。

变频器的主电路输出端子（U,V,W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子（U,V,W）的相序，否则无法工作。

变频器和电动机之间的配线长度应控制在100m以内。

在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键来操作。

4.2控制电路设计

1、在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。

2、控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。

主要体现在以下方面：

1　变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。

因此，在控制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行作了互锁设计；

2　另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。

以上的互锁环节不仅要在编程中体现，也应在硬件上实现。

3、控制电路中还考虑了水泵的当前工作状态指示的设计，为了节省PLC的输出端口，以不至于过多地加大程序设计的工作量和程序长度，在控制电路中采用了PLC输出端子的中间继电器的响应常开触点的断开和闭合来控制相应水泵的指示灯点亮和熄灭，以指示