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变频恒压供水系统论文

摘要

本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于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。

变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。

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。

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，可编程控制器，组态软件

ABSTRACT

AccordingtotherequirementofChina'surbanwatersupply,thispaperdesignsasetofwatersupplysystemoffrequeceycontrolofconstantvoltagebasedonPLC,andhavedevelopedgoodoperationmanagementinterfaceusingSupervisionControlandDataAcquisition.ThesystemismadeupofPLC,transducer,unitsofpumps,pressuresensorandcontrolmachineandsoon.

Thissystemisformedbythreepumpgenerators,andtheyformthecirculatingrunmodeoffrequencyconversion.Withgeneralfrequencyconverterrealizeforthreephasepumpgeneratorsoftstartwithfrequencycontrol,operationswitchadoptstheprincipleof”startfirststopfirst”.Thedetectionsignalofpressuresensorofhydraulicpressure,viaPLCwithsetvaluebycarryoutPIDparisonoperation,so,controlfrequencyandtheexportvoltageoffrequencyconverter,andthentherotationalspeedthatchangespumpgeneratoretochangewatersupplyquantity,eventually,itisnearbytomaintainpipenetpressuretostabilizewhensetvalue.ThroughworkcontrolmachinetheconnectionwithPLC,withgroupformsoftwareconsummatelysystematicmonitoring,haverealizedoperationstatedevelopmenttoshowanddata,reporttothepoliceinquiry.

Keywords:

variablefrequencyspeed-regulating,constant-pressurewatersupply,ProgrammablelogicController,supervisioncontrolanddataacquisition

第1章绪论

1.1课题的提出

水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质。

城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。

小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。

传统的小区供水方式有：

恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等。

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，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。

变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：

一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗[2]。

基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。

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，同时系统具有良好的节能性，这在能源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。

1.2PLC概述

1.2.1可编程控制器的定义

可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”

1.2.2西门子S7-200PLC简介

西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。

S7系列是传统意义的PLC，S7-200属于小型PLC，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，其特点如下[6]：

（1）功能强大。

S7-200有5种CPU模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间；

（2）先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件；

（3）灵活方便的寻址方法；

（4）强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面；

（5）有竞争力的价格；

（6）完善的网上技术支持等。

1.3本课题的主要研究容

本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，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。

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，本设计中有3个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。

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章系统的理论分析及控制方案确定

2.1变频恒压供水系统的理论分析

2.1.1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：

（2.1）

式中：

f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。

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。

2.1.2变频恒压供水系统的节能原理

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。

图2.1恒压供水系统的基本特征

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。

在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。

阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。

其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。

由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。

转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。

因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。

变频调速供水方式属于转速控制。

其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比；水泵的转速n与出水流量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。

由上述关系有，水泵的输出功率P与转速n三次方成正比，即：

（2.2）

（2.3）

（2.4）

（2.5）

式中k、k1、k2、k3为比例常数。

图2.2管网及水泵的运行特性曲线

当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从b3移到b1，扬程特性曲线不变。

而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵的输出功率正比于H1×Q2。

当用调速控制时，若采用恒压（H0），变速泵（n2）供水，管阻特性曲线为b2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。

此时水泵输出功率正比于H0×Q2，由于H1>H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于（H1－H0）×Q2的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。

所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。

2.2变频恒压供水系统控制方案的确定

2.2.1变频恒压供水系统的组成及原理图

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2.3所示：

图2.3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：

（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[9]，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。

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，在每一个时段是一个常数。

所以，在某个特定时段，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]。

变频恒压供水系统的结构框图如图2.4所示：

图2.4变频恒压供水系统框图

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。

2.2.2变频恒压供水系统控制流程

变频恒压供水系统控制流程如下:

（l）系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，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Ml工作在调速运行状态。

（2）当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。

反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。

（3）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件（在下节有详细阐述）时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2（变速运行），同时变频泵M1做工频运行，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，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。

（4）当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2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，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3关掉。

2.2.3水泵切换条件分析

在上述的系统工作流程中，我们提到当变频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?

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。

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。

所以选择50HZ和20HZ作为水泵机组切换的上下限频率。

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

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围震荡。

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[11]：

加泵条件：

且延时判别成立（2.6）

减泵条件：

且延时判别成立（2.7）

式中：

：

上限频率

：

下限频率

：

设定压力

：

反馈压力

第3章系统的硬件设计

3.1系统主要设备的选型

根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3.1所示：

图3.1系统的电气控制总框图

由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：

（1）PLC及其扩展模块、

（2）变频器、（3）水泵机组、（4）压力变送器、（5）液位变送器。

主要设备选型如表3.1所示：

表3.1本系统主要硬件设备清单

主要设备

型号及其生产厂家

可编程控制器（PLC）

SiemensCPU226

模拟量扩展模块

SiemensEM235

变频器

SiemensMM440

水泵机组

SFL系列水泵3台（熊猫机械）

压力变送器及显示仪表

普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪

液位变送器

分体式液位变送器DS26（丹佛斯公司）

3.1.1PLC及其扩展模块的选型

PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。

因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。

由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。

S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。

SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。

PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口（PPI）协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护[12]。

根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。

由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入（AIW），1个模拟输出（AQW）信号通道。

输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长（16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。

EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。

3.2系统主电路分析及其设计

基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3.2所示：

三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。

接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。

本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。

因此在同一时间只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段三台水泵都可轮流做变频泵。

图3.2变频恒压供水系统主电路图

三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。

当电机工频运行时，