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恒压供水论文

摘要

建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。

根据生活小区用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了小区原供水系统存在成本高，可靠性低，水资源浪费，管网系统待完善的问题。

提出以利用自来水水压供水与水泵提水相结合的方式，并配以变频器、PLC、压力传感器、液位传感器等不同功能的传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。

从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。

另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。

结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，较大的延长了电机的使用寿命。

关键词：

恒压变频供水变频器PLC自动控制

ABSTRACT

Buildingtheconservation-orientedsociety,thereasonabledevelopment,savesandtheeffectiveprotectingwaterresourcesisanarduoustask.Accordingtothecharacteristicofthetimetofocusonwaterofthedomesticandvariationinwaterconsumption,itanalyzesthattherearequestionsthathighlycost,lowreliability,thewater-resourceswaste,andtheconsummateof thepipenetworksystemoftheoldwater-supplysystemintheresidentialarea.Soweproposedthatwecouldmakeuseofthewayof combininghydraulicpressurewatersupplyoftherunningwaterwith thewaterpump,andaccompaniedbythetransducer,PLC,thepressuresensor,thefluidpositionsensorandsoon.Accordingtothepressureofthenetworkmanagement,itcouldmaintainthepressureofthepipeinappropriaterangethroughcontrollingrotationalspeedofthewaterpumpthroughtheinvertercommands.Thuswemaysolvetheproblemthattheinsufficientpressurecausedbythehighfloorandthehighenergyconsumptionwhenthecurrentissmall.

Moreover theelectricpowerconsumptionofthewaterpumpandtherotationalspeedoftheelectricalmachinery isproportionalthreecubedtherelations,thereforetheenergyconservationeffectof thewaterpumpvelocitymodulationmovementisobvious,theaveragepowerconsumptionusualwatersupplywaysaves40%.Combinedwiththeprogrammablecontroller,wemayrealizethemainpumpfrequencyconversionwhichhastheshortcircuitprotection,theoverflowprotectionfunctionstablyandtheworkreliable,thusweextendelectricalmachinery'sservicelifegreatly.

Keywords:

Constantpressurefrequencyconversionwatersupply,thetransducer,PLC,automaticcontrol

目录1

第1章绪论3

1.1恒压供水问题的提出3

1.2本课题产生的背景和意义4

1.3变频恒压供水现况4

1.3.1国内外恒压供水现况4

1.3.2变频恒压供水系统应用范围5

第2章变频恒压供水系统的硬件设备6

2.1变频器6

2.1.1变频器的基本原理6

2.1.2变频器结构电路图7

2.1.3变频器的配线8

2.2其他低压电器的选择12

2.3文本显示器12

2.4传感器的应用13

第3章PID调节在恒压供水中的应用14

3.1概况14

3.2PID调节原理14

3.3PID参数设置16

第4章恒压供水系统软件设计18

4.1梯形图的绘制原则18

4.2I/O点的统计18

4.3I/O点的分配18

4.4PLC的选型基本原则19

4.5组态软件19

第5章恒压供水系统的硬件设计20

5.1恒压供水系统的构成方案20

5.2恒压供水系统的控制方案22

第6章恒压供水系统的总结与展望24

6.1总结24

6.2展望24

致谢25

参考文献26

附录1PLC程序流程图27

附录2PLC程序30

附录3恒压供水画面33

第1章绪论

1.1引言

水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。

在通常的城市及乡镇供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。

但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。

我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、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。

随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。

衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：

用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。

保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。

变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。

利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行。

变频恒压供水系统集变频技术、电气传动技术、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，方便地实现供水系统的集中管理与监控。

同时可达到良好的节能性，提高供水效率。

所以设计基于变频调速的恒定水压供水系统（简称变频恒压供水，如图1.2），对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。

图1.1传统供水机示意图图1.2变频供水机示意图

1.2本课题产生的背景和意义

我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。

传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。

而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。

由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

1.3变频恒压供水的现况

1.3.1国内外变频供水系统现状

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。

目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。

国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。

这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。

此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。

目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC和PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。

但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。

1.3.2变频供水系统应用范围

变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:

（1）小区供水（加压泵站）变频恒压供水系统

这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。

由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。

（2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统

这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。

这类变频器、电机功率在135kV～320kW之间，电网电压通常为220V或380V。

受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。

（3）大型供水厂的变频恒压供水系统

这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大（一般都大于320kW）、机组多、多数采用高压变频系统。

这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。

第2章变频恒压供水控制系统硬件的设计

2.1变频器

2.1.1变频器的基本原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

从理论上可知电机的转速N与供电频率f有以下关系：

（q-电机极数s-转差率）（2-1）

由上式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的级数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器在工频以下和工频以上工作时的情况：

（1）变频器小于50Hz时，由于I*R很小，所以U/F=E/F不变时，磁通为常数，转矩和电流成正比，这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力，并成为恒转矩调速。

（2）变频器50Hz以上时，通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。

因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。

（T=Te,P<=Pe）变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。

当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。

举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。

因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速。

下面用公式来定性的分析一下频率在50Hz时的情况。

众所周知，对一个特定的电机来说,其额定电压和额定电流是不变的。

如变频器和电机额定值都是:

15kW/380V/30A,电机可以工作在50Hz以上。

    当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30A。

这时如果增大输出频率到60Hz，变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A。

很显然输出功率不变。

所以我们称之为恒功率调速。

    这时的转矩情况怎样呢？

由于功率是角速度与转矩的乘积。

因为功率不变，角速度增加了，所以转矩会相应减小。

我们还可以再换一个角度来看：

从电机的定子电压

（I-电流，R-电子电阻，E-感应电势）（2-2）

可以看出，U、I不变时，E也不变。

而

（k-常数，f-频率，X-磁通）（2-3）

所以当f由50-->60Hz时，X会相应减小。

对于电机来说，

（K-常数，I-电流，X-磁通）（2-4）

因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。

结论：

当变频器输出频率从50Hz以上增加时，电机的输出转矩会减小。

2.1.2变频器结构电路图

主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。

变频器结构图如图2-1所示。

图2-1变频器结构图

2.1.3变频器的配线

1、主回路端子台的配线图如图2-2所示。

图2-2变频器配线图

2、控制回路端子

（1）控制回路端子图

变频器实际应用中接线端子排列如图2-3所示。

图2-3变频器端子图

（2）控制回路端子功能说明

变频器中所用的各个端子说明如表2-1所示。

JP1跳线说明：

电源：

1-2短接，V+输出5V/50mA。

电源：

2-3短接，V+输出10V/10mA。

表2-1变频器端子功能表

种类

端子符号

端子功能

备注

模

拟

输

入

V+

向外提供+5V/50mA电源

或+10V/10mA电源

由控制板上JP1选择

V-

向外提供-10V/10mA电源

VI1

频率设定电压信号输入端1

0～10V

VI2

频率设定电压信号输入端2

-10～10V

II

频率设定电流信号输入正端（电流流入端）

0～20mA

GND

频率设定电压信号的公共端（V+、V-电源地），频率设定电流信号输入负端（电流流出端）

控

制

端

子

X1

多功能输入端子1

多功能输入端子的具体功能由参数L-63~L-69设定，端子与CM端闭合有效

X2

多功能输入端子2

X3

多功能输入端子3

X4

多功能输入端子4

X5

多功能输入端子5

X6

多功能输入端子6

X7

多功能输入端子7，也可作外部脉冲信号的输入端子

FWD

正转控制命令端

与CM端闭合有效，FWD-CM决定面板控制方式时的运转方向。

REV

逆转控制命令端

RST

故障复位输入端

CM

控制端子的公共端

+24

向外提供的+24V/50mA的电源（CM端子为该电源地）

模拟

输出

AM

可编程电压信号输出端，外接电压表头（由参数b-10设定）

最大允许电流1mA

输出电压0～10V

FM

可编程频率信号输出端，外接频率计（由参数b-11设定）

最高输出信号频率50KHz、幅值10V

AM-

AM、FM端子的公共端

内部与GND端相连

OC

输出

OC1

OC2

可编程开路集电极输出，由参数b-15及b-16设定

最大负载电流50mA，最高承受电压24V

故

障

输

出

TA

TB

TC

变频器正常：

TA-TB闭合

TA-TC断开

变频器故障：

TA-TB断开

TA-TC闭合

触点容量：

AC250V1A

阻性负载

RS485通讯

A

B

RS485通讯端子

3、变频器的基本配线图如图2-4所示。

图2-4变频器基本配线图

4、故障诊断与对策

当变频器有故障时，1泵故障输入置1，1泵停止，具体故障如表2-2。

表2-2变频器故障对策表

故障代码

故障说明

可能原因

对策

Er.01

加速中过流

1.加速时间过短

2.转矩提升过高或V/F曲线不合适

1.延长加速时间

2.降低转矩提升电压、调整V/F曲线

Er.02

减速中过流

减速时间太短

增加减速时间

Er.03

运行中过流

负载发生突变

减小负载波动

Er.04

加速中过压

1.输入电压太高

2.电源频繁开、关

1.检查电源电压

2.用变频器的控制端子控制变频器的起、停

Er.05

减速中过压

1.减速时间太短

2.输入电压异常

1.延长减速时间

2.检查电源电压

3.安装或重新选择制动电阻

Er.06

运行中过压

1.电源电压异常

2.有能量回馈性负载

1.检查电源电压

2.安装或重新选择制动电阻

Er.07

停机时过压

电源电压异常

检查电源电压

Er.08

运行中欠压

1.电源电压异常

2.电网中有大的负载起动

1.检查电源电压

2.分开供电

Er.09

变频器过载

1.负载过大

2.加速时间过短

3.转矩提升过高或V/F曲线不合适

4.电网电压过低

1.减小负载或更换成较大容量变频器

2.延长加速时间

3.降低转矩提升电压、调整V/F曲线

4.检查电网电压

Er.10

电机过载

1.负载过大

2.加速时间过短

3.保护系数设定过小

4.转矩提升过高或V/F曲线不合适

1.减小负载

2.延长加速时间

3.加大电机过载保护系数（H-2）

4.降低转矩提升电压、调整V/F曲线

Er.11

变频器过热

1.风道阻塞

2.环境温度过高

3.风扇损坏

1.清理风道或改善通风条件

2.改善通风条件、降低载波频率

3.更换风扇

Er.12

输出接地

1.变频器的输出端接地

2.变频器与电机的连线过长且载波

频率过高

1.检查连接线

2.缩短接线、降低载波频率

Er.13

干扰

由于周围电磁干扰而引起的误动作

给变频器周围的干扰源加吸收电路

Er.14

输出缺相

变频器与电机之间的接线不良或断开

检查接线

Er.15

IPM故障

1.输出短路或接地

2.负载过重

1.检查接线

2.减轻负载

Er.16

外部设备故障

变频器的外部设备故障输入

端子有信号输入

检查信号源及相关设备

Er.17

电流检测错误

1.电流检测器件或电路损坏

2.辅助电源有问题

向厂家寻求服务

Er.18

PID反馈故障

1.PID反馈信号线断开

2.用于检测反馈信号的传感器发生故障

3.反馈信号与设定不符

1.检查反馈通道

2.检查传感器有无故障

3.核实反馈信号是否符合设定要求

2.2其他低压电器的选择

1.断路器的选择

（1）

，

选择。

断路器具有隔离,过电流及欠电压等保护功能,当变频器的输入侧发生短路或电源电压过低等故障时,可迅速进行保护。

考虑变频器允许的过载能力为150%，时间为1min。

所以为了避免误动作，断路器

的额定电流

应选

（A）（2-5）

式中

为变频器的额定输出电流。

所以

，

选90A。

（2）断路器

选择。

在电动机要求实现工频和变频切换驱动的电路中，断路器应按电动机在工频下起动电流来考虑，断路器

的额定电流

应选

（A）（2-6）

式中

为电动机的额定电流，

=60A。

所以

选160A。

2.接触器的选择

接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个档次来选择，由于电动机的额定电流为60A，所以接触器的触点电流选70A即可。

2.3文本显示器

在PLC程序设计中，有一些参数需要根据实际情况变动，这时如果再重新改变程序的话，会增加出错率。

这时通过串口线把PLC的RS232端口和文本显示器的RS232端口连接起来，显示器中设置的参数和PLC里设定的特定寄存器值相对应。

通过屏幕键盘的操作可该变程序里寄存器的数值。

文本显示器面板如下图所示。

图2-5文本显示器面板

2.4传感器的应用

1.压力传感器

CYYB-120系列压力变送器为两线制4～20mA电流信号输出产品。

它采用CYYB-105系列压力传感器的压力敏感元件。

经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有4～20mA标准信号输出。

一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、A/D转换器及计算机数据采集系统连接方便。

CYYB-120系列压力变送器新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。

可广泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域。

主要特点：

（1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；

（2）抗冲击、耐震动、体积小、防水；

（3）标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；

（4）最具有竞争力的价格。

2.液位传感器的选择

SL980-投入式液位变送器，广泛用于储水池、污水池、水井、水箱的水位测量，油池、油罐的油位测量，江河湖海的深度测量。

接受与液体深度成正比的液压信号，并将其转换为开关量输出，送给计算机、记录仪、调节仪或变频调节系统以实现液位的全自动控制。

主要特点是：

安装简单，精度高，可靠性高，性能稳定，能实现自身保护等。

第3章PID调节在恒压供水中的应用

3.1概况

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

西门子变频器的西门子变频器的PID控制属于闭环控制，是使控制系统的被控量迅速而准确地无限接近目标值的一种手段。

即实时地将传感器反馈回来的信号与被控量的目标信号相比较，以判断是否达到预期的目标，变频器内置调节器作为压力调节器，调节器将来自压力传感器的压力反馈信号与出口压力给定值比较运算，其结果作为频率指令输送给变频器，调节水泵的转速使出口压保持一定。

即当用水量增加，水压降低时，调节器使变频器输出频率增加，电机拖动水泵加速，水压增大；反之，当用水量减少，水