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變頻供水系統(tǒng)范文第1篇

【關鍵詞】變頻器;恒壓供水;PID

0.引言

作為供水工程中的通用機械，消耗著大量的能源，電耗往往占制水成本的60%以上，在我國，每年水泵的電能消耗占電能總消耗的21%。為了節(jié)約降耗，必須采取調節(jié)措施使泵站適應負荷變化的運行。本文介紹一種變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據管網瞬間壓力變化，自動調節(jié)某臺水泵的轉速和多臺水泵的投入及退出，使管網主干管出口端保持在恒定的設定壓力值，并滿足用戶的流量需求，使整個系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。

在實際工況中，用水量是時刻變化的，為了適應水量的變化，以往多采用調節(jié)泵出口閥門定時去控制泵出口壓力在某一規(guī)定值上，這必然造成用水時有超壓或欠壓現象。水泵機組應用變頻調速技術，即通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉速，可以相應地改變水泵轉速及工況，使其流量與揚程適應管網用水量的變化，保持管網最不利點壓力恒定，達到了節(jié)能效果。根據這一原理，在應用中選擇供水管網最不利點允許的最低壓力為控制參數，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調速系統(tǒng)，以使水泵的轉速保持與調速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調速技術和自控技術相結合，達到最佳的節(jié)能效果。此外，最不利點的控制壓力還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無論管路特性曲線等因素發(fā)生什么變化，最不利點的水壓是恒定的。保證了用水壓力的可靠。

1.變頻恒壓供水特點

（1）恒壓供水能自動24小時維持恒定壓力，并根據壓力信號自動啟動備用泵，無級調整壓力，供水質量好，與傳統(tǒng)供水比較，不會造成管網破裂及水龍頭共振現象。

（2）動平滑，減少電機水泵的沖擊，延長了電機及水泵的使用壽命，避免了傳統(tǒng)供水中的水錘現象。

（3）采用變頻恒壓供水保護功能齊全，運行可靠，具有欠壓、過壓、過流、過熱等保護功能。

（4）系統(tǒng)配置可實現全自動定時供水,徹底實現無人值守自動供水.控制系統(tǒng)具有故障報警和顯示功能,并可進行工變頻轉換,應急供水。

（5）系統(tǒng)根據用戶用水量的變化來調節(jié)水泵轉速，使水泵始終工作在高效區(qū)，當系統(tǒng)零流量時,機組進入休眠狀態(tài),水泵停止，流量增加后才進行工作,節(jié)電效果明顯，比恒速水泵節(jié)電23%-55%。

（6）整套設備只需一組控制柜和水泵機組，安裝非常方便，占地面積少。

（7）采用全自動控制，操作人員只需轉換電控柜開關，就可以實現用戶所需工況。

2.系統(tǒng)組成及工作原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一電位器設定壓力（也可采用面板內部設定壓力或專用控制器），采用一個壓力傳感器（反饋為4～20mA或0～10V）檢測管網中壓力，壓力傳感器將信號送入變頻器PID回路，PID回路處理之后，送出一個水量增加或減少信號，控制電機轉速。如在一定延時時間內，壓力還是不足或過大，則通過變頻器作工頻/變頻切換起動另一臺水泵，使實際管網壓力與設定壓力相一致。另外，隨著用水量的減少，變頻器自動減少輸出頻率。達到了節(jié)能的目的。

此系統(tǒng)主要由2臺供水泵，1臺變頻器，1塊遠傳壓力表和一些相關設備組成。當用水量不大時變頻器啟動1＃泵電機，接觸器KM2斷開、KM1吸合，1＃泵變頻運行，隨著壓力自動調節(jié)頻率的高低以保持壓力的恒定。當用水量增加1＃泵頻率隨之增大，如到工頻仍不能滿足要求時，變頻器控制接觸器KM1斷開、KM2吸合，使1＃泵工頻運行，然后KM3吸合使2＃泵變頻運行。如用水量一直減少，則變頻器控制2＃泵減速直至推出運行，使1＃泵轉入變頻運行，如果用水量繼續(xù)減小，變頻器轉入休眠狀態(tài)，停止輸出。如果1臺泵一直能滿足用水量，出于保護電機的目的，可以設置變頻器參數，使變頻器控制2臺電機每隔一段時間切換運行。

3.變頻器PID調節(jié)功能

變頻器是通過內置PID調節(jié)器對供水系統(tǒng)進行閉環(huán)控制的。首先設置一個恒定的給定壓力值，變頻器則通過現場壓力傳感器的反饋信號，進行PID調節(jié)，控制變頻器的輸出。通俗的說就是，當壓力超過給定值則變頻器減速，不足給定值則增速，供水系統(tǒng)始終保持恒定壓力，變頻器輸出則無須考慮。PID控制器的參數整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統(tǒng)的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善?，F在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數的整定步驟如下：（1）首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期；（3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。在實際調試中，只能先大致設定一個經驗值，然后根據調節(jié)效果修改。其實一般供貨廠家都有自己的經驗數據，基本已經不需要現場人員再進行計算了。這里有一首調節(jié)方法的詩歌供大家參考。

參數整定找最佳，從小到大順序查

先是比例后積分，最后再把微分加

曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大

曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳

曲線偏離回復慢，積分時間往下降

曲線波動周期長，積分時間再加長

曲線振蕩頻率快，先把微分降下來

動差大來波動慢。微分時間應加長

理想曲線兩個波，前高后低4比1

一看二調多分析，調節(jié)質量不會低

4.結束語

水泵采用變頻器控制后，泵的出口揚程大幅度下降，節(jié)能效果顯著。由于電機轉速下降，泵出口壓力降低，減少了機械磨損，降低了維修工作量，延長了設備的使用壽命。提高了功率因數，（下82軟啟動特性避免電機直接啟動時大電流對電機線圈和電網的沖擊。采用變頻器后，電動機和泵共同組合為一體，它既是動力源，又是供水調節(jié)執(zhí)行機構，改變了傳統(tǒng)的控制方式，實現了生產過程自動化，減少了工人的勞動強度。閉環(huán)控制系統(tǒng)適應水量變化，實現在線調整，保證管網末端壓力恒定，不存在人為調整的滯后現象?？傊?，此系統(tǒng)具有體積小、調速范圍大、效率高、無級調速等特點，運行安全可靠，實現閉環(huán)控制系統(tǒng)，滿足用水需量，保證管網末端壓力恒定，具有明顯的節(jié)能降耗的經濟效益，同時還延長了設備壽命，減少了維修工作量，是一種比較理想的調速系統(tǒng)。

【參考文獻】

［1］馮垛生,張淼.變頻器的應用與維護.廣州:華南理工大學出版社,2003.

變頻供水系統(tǒng)范文第2篇

關鍵詞：恒壓變頻供水系統(tǒng)；自動控制；簡析

中圖分類號：F407文獻標識碼： A

隨著經濟社會的逐步發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，對于城市供水系統(tǒng)的可靠性以及供水質量的要求也在提升。利用先進的電氣技術對供水系統(tǒng)實行自動化控制，能夠滿足整個城市的供水需求。與此同時，傳統(tǒng)的PID控制方式存在著供水壓力偏差、抗干擾能力差等缺點。因此，有必要在現有供水系統(tǒng)控制方式的基礎上，研發(fā)一種新型的控制方式。

一、恒壓變頻供水系統(tǒng)的原理及應用

恒壓變頻供水系統(tǒng)的構成較為復雜，簡而言之，可以分為以下幾大主要部分：可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器以及其他控制器件。

恒壓變頻供水系統(tǒng)的工作原理為：通過用戶家中安裝的壓力儀表，對用戶端的壓力信號進行實時的采集和反饋。然后，將信息反饋到可編程控制器（PLC），可控制編程器通過對反饋信息和設定壓力值進行比較，然后通過一系列內部運算，按照運算結果對變頻器的輸出頻率進行控制，從而實現調節(jié)水泵電機轉速的目的，這樣便可以實現用戶供水情況的實時調節(jié)。

恒壓變頻供水系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能夠對供水管網進行實時調節(jié)，從而維持一個基本平衡的水壓。恒壓變頻供水系統(tǒng)之所以得到廣泛應用，主要是因為其既可以實現用戶的穩(wěn)定供水，又可以保證水泵電機的運轉效率，即不會使水泵電機出現空轉的現象。這樣既減少了能耗，又節(jié)約了電能。（參見圖1 ）

圖1 恒壓變頻供水系統(tǒng)運行原理

二、恒壓變頻供水系統(tǒng)的自動控制策略

長期以來，對于恒壓變頻供水系統(tǒng)的自動控制，使用較多的是模糊控制策略。顧名思義，模糊控制策略就是建立在人的思維模糊性基礎上，不依賴于被控對象數學模型的一種控制策略，模糊控制策略本質上屬于專家控制方式。模糊控制策略通過對人腦的推理過程進行仿制，將以往恒壓變頻供水系統(tǒng)操作者的經驗濃縮成一條條控制規(guī)則，對這些控制規(guī)則進行模糊處理，然后存儲到計算機當中，由計算機根據這些控制規(guī)則實施恒壓變頻供水系統(tǒng)的自動控制。

模糊控制策略之所以能夠得到廣泛應用，主要是由于其自身具有的適應性強、調節(jié)時間短等優(yōu)點。除此之外，模糊控制策略還具有結構簡單、操作方便等優(yōu)點。

與此同時，也應該看到，模糊控制策略自身也具有一些缺點，較為突出的是其靜態(tài)性能較差。模糊控制策略靜態(tài)性能較差這一缺點，容易導致恒壓變頻供水系統(tǒng)的實際供水壓力達不到計算機的設定值。之所以會這樣，主要是因為模糊控制策略使用的模糊控制器，其輸入方式為誤差及誤差變化。因此，在輸入過程中會導致積分控制的缺失，因而出現了靜態(tài)性能不佳等一系列缺陷?？偠灾?，模糊控制策略最大的缺陷就在于不能夠很好地對恒壓變頻供水系統(tǒng)的壓力誤差進行消除。

三、基于GA優(yōu)化的供水系統(tǒng)模糊PID復合

模糊控制策略雖然具有以上缺點，但不可否認的是，其具備良好的動態(tài)性能以及快速響應能力。因此，想要實現恒壓變頻供水系統(tǒng)自動控制的優(yōu)化，可以將PID控制策略引入到模糊控制策略中，這樣既能夠發(fā)揮模糊控制策略自身的優(yōu)勢，又能夠提升其靜態(tài)性能及調整精確性。這就是當前恒壓變頻供水系統(tǒng)使用較多的自動控制策略：模糊PID復合控制策略。（參見圖2 ）

圖2 模糊PID復合控制策略

這種控制策略的優(yōu)勢在于能夠將控制器應用到供水系統(tǒng)中，從而實現了恒壓變頻供水系統(tǒng)的復合控制。

基于GA優(yōu)化的模糊PID復合控制策略，其優(yōu)勢在于將模糊控制策略、PID控制策略及遺傳算法融合起來。既能夠保證恒壓變頻供水系統(tǒng)的適應性與操作性，又能夠做到對其響應速度、供水質量及靜態(tài)性能進行提升。特別是對于一些用水量波動較大的高層建筑來說，基于GA優(yōu)化的模糊PID復合控制策略，其控制效果提升更加明顯。除此之外，該控制策略不需要對傳統(tǒng)的恒壓變頻供水系統(tǒng)進行硬件方面的改動，僅僅需要對其進行控制策略上的改進，即實行相應的軟件編制即可。因而，該控制策略可廣泛應用于住宅小區(qū)、高層建筑和其他對供水質量要求較為嚴苛的場所。

結束語：

本文主要對恒壓變頻供水系統(tǒng)的自動控制進行了分析。在分析其工作原理和應用效果的基礎上，對以往使用較多的模糊控制策略進行了分析。并且結合模糊分析策略的優(yōu)缺點，分析了新型的基于GA優(yōu)化的模糊PID復合控制策略的優(yōu)勢所在。希望通過本文的分析，能夠給我國的恒壓變頻供水系統(tǒng)自動控制研究提供一些參考，從而進一步推動我國恒壓變頻供水系統(tǒng)的快速發(fā)展，進而使我國的城市供水系統(tǒng)能力得到全面提升。

參考文獻：

變頻供水系統(tǒng)范文第3篇

[關鍵詞]變頻器，恒壓供水設備，節(jié)電率

中圖分類號：TU991.3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）44-0186-01

一、變頻恒壓供水系統(tǒng)概述

變頻恒壓供水系統(tǒng)可配備恒壓供水專用變頻器，并運用模糊控制理論使系統(tǒng)運行更加合理。另外本設備裝有“自動”“手動”轉換開關供用戶選擇；延長了水泵及電機的使用壽命，無水錘現象，電機變頻軟啟動；延長了管道使用壽命，在不用水時或用水量較小的情況下，減少了管網壓力，使得管網不易破裂，極大地節(jié)約了管道的維修費用；取消了高位水塔或水箱、氣壓罐。一方面解決了水的二次污染問題，另一方面節(jié)省了建設它們的工程建設費；節(jié)電一般可達30%左右。因為居民用水量是隨時間變化的，而變頻恒壓供水系統(tǒng)可根據用水量的變化，自動改變水泵轉速或增減水泵工作臺數達到恒壓供水，達到節(jié)電目的；自動化控制，克服了人工控制可能帶來的誤操縱，同時大大降低了操縱工人的勞動強度和人數，并可實現遠程操縱和遠程監(jiān)控；功能齊全。有多種保護功能：過載、過熱、過壓、欠壓、過流、缺相等。各種工作狀態(tài)都有指示燈顯示。

產品適用范圍：從自來水公司供水系統(tǒng)中取水的用戶。例如：城市高層建筑、住宅小區(qū)的用水從地表下或水池取水的用戶。例如：用深井泵或潛水泵直接從地下取水的用戶供熱系統(tǒng)鍋爐變頻定壓補水系統(tǒng)。因其性能可靠、結構簡單、運轉方便、投資低廉、被廣泛用于工礦企業(yè)、城鎮(zhèn)、農村等中小區(qū)域供水系統(tǒng)，尤其適合于水源為自備水井、地下水池及水庫等場合，

二、變頻恒壓供水的特點

1.節(jié)能，可以實現節(jié)電20%-40%，能實現綠色用電。

2.占地面積小，投入少，效率高。

3.配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。

4.運行合理，由于是軟起和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。

5.通過通信控制，可以實現無人值守，節(jié)約了人力物力。

三、節(jié)能原理

由水泵的工作原理可知：水泵的流量與水泵（電機）的轉速成正比，水泵的揚程與水泵（電機）的轉速的平方成正比，水泵的軸功率等于流量與揚程的乘積，故水泵的軸功率與水泵的轉速的三次方成正比（既水泵的軸功率與供電頻率的三次方成正比）。根據上述原理可知改變水泵的轉速就可改變水泵的功率。

流量基本公式：Q∝N H∝N2 KW=Q*H∝N3

以上Q代表流量，N代表轉速，H代表揚程，KW代表軸功率。

例如：將供電頻率由50HZ降為45HZ，

則P45/P50=（45/50）3=0.729，即P45=0.729 P50；

將供電頻率由50HZ降為40HZ，

則P40/P50=（40/50）3=0.512，即P40=0.512 P50。

水泵一般是按供水系統(tǒng)在設計時的最大工況需求來考慮的，而用水系統(tǒng)在實際使用中有很多時間不一定能達到用水的最大量，一般用閥門調節(jié)增大系統(tǒng)的阻力來節(jié)流，造成電機用電損失，而采用變頻器可使系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，通過改變轉速來調節(jié)用水供應，并可通過降低轉速節(jié)能收回投資。

四、變頻調速恒壓供水設備的主要應用場合

1、高層建筑，城鄉(xiāng)居民小區(qū)，企事業(yè)等生活用水；

2、各類工業(yè)需恒壓控制的用水，冷卻水循環(huán)，熱力水循環(huán)，鍋爐補水等；

3、中央空調系統(tǒng)；

4、自來水廠增壓系統(tǒng)；

5、農田灌溉，污水處理，人造噴泉；

6、各種流體恒壓控制系統(tǒng)。

五、變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計

現階段使用較多的控制器件為：微處理器（單片機或DSP）、PLC或專用變頻器。專用變頻器的主要生產廠商有三菱、ABB等公司。不同的控制裝置在控制的原理上基本是一樣的，主要有PID調節(jié)器、變頻/工頻自動切換、水網壓力檢測環(huán)節(jié)等，通過圖1所示連接而組成供水系統(tǒng)。（圖1）

為了保持供水管道的壓力恒定，就必須實時檢測管道壓力并回饋給供水控制器，使其構成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)?，F在最常用的控制器是以PID調節(jié)為主要手段，也有的采用了模糊控制等現代控制理論方法。

對于專用變頻器，由壓力傳感器檢測到的管網壓力直接送入變頻器中的PID調節(jié)器輸入口；對微處理器（包括PLC）控制的系統(tǒng)，壓力設定值以及用戶管網壓力檢測值則送入微處理器中，經內部PID控制程序的計算，輸給變頻器一個轉速控制信號，當變頻器頻率達到最大時，若仍沒有達到壓力設定值，就進行變頻/工頻切換，同時重新給變頻器輸出一個轉速控制信號。壓力檢測值與壓力給定值差距越大，該輸出信號變化就越大。一旦管網壓力達到了設定值，該輸出控制信號就恒定下來，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在專用變頻器中，壓力給定值可以通過變頻器輸入設定，也可以通過電位器送入；而微處理器控制系統(tǒng)的壓力給定值也可通過相應的裝置輸入。允許用戶在現場設置PID參數，通過調試選出最佳參數，達到系統(tǒng)穩(wěn)定。一般情況下，PID方式的調節(jié)器就能夠滿足供水管壓力的穩(wěn)定調節(jié)。然而，這種類型的閉環(huán)系統(tǒng)也存在著一些難以解決的問題，比如在系統(tǒng)的動態(tài)運行過程中，水泵電機會出現速度超調甚至不穩(wěn)定的現象，對整個的供水設備具有很大的破壞性，還會減小整個系統(tǒng)的效率。這些問題只能通過選定最優(yōu)的PID參數或修改PID算法來解決。在此不作詳細的分析。

恒壓供水的起動與停機：

在水泵出口母管處裝設壓力變送器和流量變送器，將壓力和流量信號送入控制器，控制器將接收到的信號進行比較、運算，并發(fā)出指令，對變頻器進行控制。如果檢測得管網壓力大于設定值，則系統(tǒng)不起動，當管網壓力小于設定值時，系統(tǒng)起動。變頻器控制多臺水泵時，先帶1#泵軟起動，此時1#泵處于變頻調速運行狀態(tài)，變頻器根據收到的信號隨時調整水泵的轉速。當1#泵達到額定轉速仍不能滿足水壓值要求時，則該水泵自動切換到工頻狀態(tài)下運行，變頻器則控制2#水泵，使之軟起動并運行。依此類推，直到管網壓力滿足壓力設定要求。

在用水高峰過后，由于投入多臺泵而使管網壓力超過設定值，系統(tǒng)依據先投先停的原則，依次停止1#泵，2#泵，…。先投先

?？梢詫崿F對多臺泵的平均使用，有利于延長泵的使用壽命。對于所有泵的起停控制，完全由管網壓力決定。

休眠控制：

在夜間用水量非常少的情況下，為了節(jié)能，可以設置可以使水泵暫停工作的休眠狀態(tài)。在管網壓力允許的條件下，當變頻器輸出頻率低于某下限頻率時，變頻器停止輸出。當管網壓力小于下限設定時，再喚醒變頻器使之重新開始工作。

參考文獻

[1] 張燕賓，SPWM變頻調速應用技術（第二版），北京；機械工業(yè)出版社；2002.86～87.

變頻供水系統(tǒng)范文第4篇

關鍵詞：變頻器 恒壓供水系統(tǒng) 工作原理

l 引言

恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機調速裝置與可編程控制器(PLC)構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。

隨著電力電子技術的發(fā)展，電力電子器件的理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量、耐壓、特性和類型等方面得到了很大的發(fā)展。進入90年代電力電子器件向著大容量、高頻率、響應快、低損耗的方向發(fā)展。作為應用現代電力電子器件與微計算機技術有機結合的交流變頻調速裝置，隨著產品的開發(fā)創(chuàng)新和推廣應用，使得交流異步電動機調速領域發(fā)生一場巨大的技術革命。目前自動恒壓供水系統(tǒng)應用的電動機調速裝置均采用交流變頻技術，而系統(tǒng)的控制裝置采用PI 控制器，因PLC不僅可實現泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數字PID調節(jié)功能，可對系統(tǒng)中的各種運行參數、控制點的實時監(jiān)控，并完成系統(tǒng)運行工況的CRT畫面顯示、故障報警及打印報表等功能。自動恒壓供水系統(tǒng)具有標準的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機聯(lián)網，實現城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，為城市供水系統(tǒng)提供了現代化的調度、管理、監(jiān)控及經濟運行的手段。

2 組成及工作原理

一般供水系統(tǒng)三臺泵組成，每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調節(jié)水量之用，三臺泵為一臺小泵兩臺大泵組成，小泵為1 5kW大泵為30kw，三臺泵的協(xié)調工作以滿足供水需要。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 供水系統(tǒng)組成框圖

該系統(tǒng)由一臺PI_CfD兩臺變頻器、兩個壓力傳感器、控制柜及相關設備組成。利用一臺變頻器可以控制兩臺30kWTJ

1#泵工頻運轉一般不能滿足最小用水量，因此供水時首先投入1#泵和2#泵，2#泵工作在變頻啟動狀態(tài)，隨著壓力會自動調節(jié)頻率的高低以保持壓力的恒定，在用水量不大時，2舟泵和1號泵同時工作可以滿足要求，如果用水量增大，2#泵會自動切換到工頻狀態(tài)，并給PLC發(fā)出信號，繼而變頻啟動3#泵30kW ，此時1#，2樣泵工作在工頻狀態(tài)，3#泵工作在變頻狀態(tài)。由于3#泵的自動調節(jié)功能，從而保證系統(tǒng)的恒壓。一般而言，三臺泵同時投入是絕對能滿足要求的?？刂葡到y(tǒng)硬件組成圖如圖2所示。

注：M C1、MC2互鎖，M C3、MC4互鎖，MC6用于切斷2#運行，MC7用于切斷3舟運行。

如果3#泵工頻運轉壓力不能滿足要求的話，則該變頻器會自動切除，退出工作，使3樣泵處于工頻。該系統(tǒng)組成簡單，系統(tǒng)成本低，可靠性高。

3 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)選用FR一500日本三菱變頻器。該系統(tǒng)中具有以下功能。

3．1自動切換變頻／工頻運行功能

變頻器提供三種不同的工作方式供用戶選擇：

(1)方式0：基本工作方式。變頻器始終固定驅動一臺泵并實時根據其輸出頻率，控制其他輔助泵啟停。即當變頻器的輸出頻率達到最大頻率時啟動一臺輔助泵工頻運行、當變頻器的輸出頻率達到最小頻率時則停止最后啟動的輔助泵。由此控制增減工頻運行泵的臺數。

(2)方式1：交替方式。變頻器通常固定驅動某臺泵，并實時根據其輸出頻率，使輔助泵工頻運行，此方式與方式0不同之處在于若前一次泵啟動的順序是泵1一泵2，當變頻器輸出停止時，下一次啟動順序變?yōu)楸?_+泵1。

(3)方式2：直接方式。當啟信號輸入時變頻器啟動第一臺泵當該泵達到最高頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺泵變頻運行，相反當泵停止條件成立時，先停止最先啟動的泵。

3．2 PID的調節(jié)功能

由壓力傳感器反饋的水壓信號(4―20mA或一5V)直接送入PLC的A／D口(可以通過手持編程器)，設定給定壓力值，PID參數值，并通過PLC計算何以需切換泵的操作完成系統(tǒng)控制，系統(tǒng)參數在實際運行中調整，使系統(tǒng)控制響應趨于完整。

3．3“休眠”功能

系統(tǒng)運行時經常會遇到用水量較小或不用水(如夜晚)情況，為了節(jié)能，該系統(tǒng)專用設置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于其下限時，變頻器停止工作，2#、3#泵不工作，水泵停止(處于休眠狀態(tài))。當水壓繼續(xù)升高時將停止1泵，當水壓下降到一定值時將先啟動變頻器運轉2#泵或3樣泵，當頻率到達一定值后將啟動1#泵調節(jié)2#或3并泵的轉速?！靶菝咧怠弊冾l器輸出的下限頻率PR 507設置?！靶菝叽_認時間”用參數PR506設置，當變頻器的輸出頻率低于休眠值的時間如小于休眠時間td時，即tdtn時變頻器將進入休眠狀態(tài)?！皢拘阎怠庇晒┧畨毫ο孪迒?，當供水壓力低于下限值時由PLC發(fā)出指令喚醒變頻器工作。經測試“休眠值”為l 0 H Z； “休眠確認時間”td：20 S： “喚醒值”7O％ 。

3．4通訊功能

該系統(tǒng)具有計算機的通訊功能，PLC變頻器均提供有RS232或485接口PLC可選用西門子的S7―200計算機可以與一套或多套系統(tǒng)進行通訊，利用計算機同時可以監(jiān)測：電流、電壓、頻率、轉速、壓力等也可以控制變頻器的各類參數。此外該系統(tǒng)還具有手動／自動操作，故障報警，運行狀態(tài)，電流，電壓、頻率狀態(tài)顯示缺水保護等功能。

4 系統(tǒng)的節(jié)能分析

節(jié)能的功率可用下式表示：p=p(0．4+0．6x―x3)其中x=Q／QO=N／N0：Q為實時水量：QO為滿負荷的水量；P為滿負荷的功率：NO為額定功率；N為實時功率。這里通過運行觀察，統(tǒng)計出三臺泵一天之內的運行時間為：1#泵24小時；2#泵大致運行19／J＼時：3#泵僅運行13／J＼時。如果按360天計算利用閥門來調節(jié)功率為：(30×2+15)×24×360=648000kWh；利用停止泵運轉方式為：[(1 5×24)+(30×1 0)+(3 0×1 3)】×3 60=378000kW：利用變頻工作時：3樣泵始終處在狀態(tài)為13d＼時：2#泵變頻工作為7小時(3群泵不工作，2#泵工作時間)；如果水量調N8o％時計算兩個泵節(jié)電量為：P×h=30X(0．4+0．6×0．8―0．83)×(13+7)X360=10800kWh：這樣與第二項計算與變頻節(jié)能計算時比用閥的調節(jié)節(jié)能為：648000―475200+79488=280800kWh；按每度電0．4元計算，每年可節(jié)省電費：280800×O．4=1 12320元?？梢娒磕昕晒?jié)省電費約10萬元左右。

5 結束語

(1)恒壓供水技術因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調節(jié)水泵轉速改變水泵出口壓力，比靠調節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。

(2)由于變量泵工作在變頻工況， 在其出口流量小于額定流量時，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。

(3)因實現恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節(jié)省了人力。

(4)水泵電動機采用軟啟動方式，按設定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。

變頻供水系統(tǒng)范文第5篇

本次設計采用“一臺變頻器控制多臺水泵”的多泵控制系統(tǒng)。在這里利用PLC設計一套變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據管網瞬間壓力變化自動調節(jié)某臺水泵的轉速和多臺水泵的投入及退出，使管網主干管出口端保持在恒定的設定壓力值，并滿足用戶的流量需求，使整個系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)?？蓪崿F恒壓變量、雙恒壓變量等控制方式，多種啟?？刂品绞?，該系統(tǒng)可以通過任意修改參數指令（如壓力設定值、控制順序、控制電機數量、壓力上下限、PID值、加減速時間等）；具有完善的電氣安全保護措施，對過流、過壓、欠壓、過載、斷水等故障均能自行診斷并報警。

為保證小區(qū)的供水正常，利用PLC控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，按照用戶的需求按需調節(jié)水泵流量，根據夜間用水少可以只開一個小流量泵，并滿足用戶的流量需求，使真?zhèn)€系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。

關鍵詞： 變頻器 可編程控制器 恒壓供水

ABSTRACT

This design plan mainly use the variable pumps control system of a frequency conversion controls several water pumps. Designs a set of one kind of frequency this system may act according to pipe network instantaneous pressure variation, control add or decrease pump. Doing this can make output of pipe network constant pressure value and satisfy the need of user. Consequently the system can be maintained the state of high efficiency and energy saving. This system may revise the parameter instruction (for example pressure to suppose definite value, control order, control the quantity of electrical machine, pressure lower limit, the PID value, adds and subtracts fast time and so on); It has the consummation electrical safekeeping measure can judge oneself and alarm the over-current, over-pressure, less-pressure, the overload, the stop of water supply and so on.

In order to make sure regular water supply , the water supply system used PLC and frequency conversion, a low power pump can be used during night. The pump may satisfy needed water supply at that time. The system can be in state of high efficiency and energy saving.

Key words : Frequency conversion PLC constant pressure water supply

目 錄

摘要………………………………………………………………………

Abstract…………………………………………………………………

第1章 緒論……………………………………………………………

1.1 引言……………………………………………………………… 1.3 PLC的發(fā)展概況…………………………………………………

1.4 本文的主要研究內容……………………………………………

第2章 水泵調控技術………………………………………………….

2.1 水泵調控技術……………………………………………………

2.1.1 水泵參數……………………………………………………. 2.2 常用的調速方式…………………………………………………

2.3 供水系統(tǒng)變頻調速運行的工作原理……………………………

第3章 方案的基本的選擇…………………………………………….

3.1 PLC的選擇………………………………………………………

3.1.1 PLC的組成…………………………………………………. 3.1.3 PLC的主要功能……………………………………………

3.1.4 PLC的選擇………………………………………………….

3.2 變頻器的選擇……………………………………………………

3.2.1 變頻器的特點……………………………………………….

3.2.2 變頻器的種類……………………………………………….

3.2.3 變頻器的選擇……………………………………………….

3.3 壓力傳感器的選擇………………………………………………

第4章 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計………………………………

4.1 系統(tǒng)的方案設計及工作過程……………………………………

4.1.1 系統(tǒng)的方案設計……………………………………………. 4.2 控制系統(tǒng)硬件設計…………………………………………..

4.2.1 主電路設計……………………………………………...

4.2.2 控制電路設計…………………………………………...

4.3 PLC程序設計………………………………………………..

4.3.1 控制系統(tǒng)主程序設計…………………………………..

4.3.2 控制系統(tǒng)子程序設計…………………………………...

4.4 顯示…………………………………………………………..

第5章 PID算法在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中的應用……………….

5.1 PID控制及其調節(jié)規(guī)律……………………………………….

5.1.1 經典PID控制及調節(jié)…………………………………… 制……………………………………………

5.2 數字PID控制器的設計………………………………………

5.2.1 數字控制器的設計方法………………………………….

5.2.2 PLC的PID模塊分析研究………………………………

結論……………………………………………………………………….

致謝……………………………………………………………………….

附錄1……………………………………………………………………..

附錄2……………………………………………………………………..

緒 論

1.1引言

隨著城市高層建筑供水問題的日益突出，隨著城市化進程的加快，越來越多的人涌進城市，因而對城市供水提出了越來越高的要求，保持供水壓力的恒定，提高供水質量是相當重要的。同時要求保證供水的可靠性和安全性。而用戶用水的多少是經常變動的，因此，供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中的反映在供水的壓力上，用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水的壓力恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水質量。以前大多采用傳統(tǒng)的水塔、氣壓罐式的增壓設備，或是通過在樓頂建蓄水池來實現的，蓄水池中的水是由一個或多個水泵提供，而且這些水泵電機有很大一部分是不能變速的拖動系統(tǒng)，不能變速電機的電能大多消耗在為了適應供水量的變化而不得不頻繁的啟、停水泵中。這樣不但會使水泵電機工作在低效率區(qū)，縮短電機的使用壽命，而且電機的頻繁啟動和停止會產生很大的沖擊，從而導致設備故障率很高，造成水資源的嚴重浪費，而且使系統(tǒng)的維護、維修費用較多，工作量較大。并且這些水泵都是以高出實際用水高度的壓力來提升水壓，其結果增大了水泵的軸功率和能量損耗。

隨著社會主義現代化建設的迅速發(fā)展和人們住房條件的提高，高位生活用水和工業(yè)用水逐漸增多，傳統(tǒng)的控制方法已經落后。以前采用人工進行控制蓄水池的水位，由于不可能每時每刻對水位進行準確的定位監(jiān)測，并且?guī)в泻艽蟮闹饔^性，所以很難準確控制水泵電機的起停；使用浮子或其它機械水位控制裝置使供水狀況有了一些改善，但由于機械控制裝置的故障率高，可靠性差，給日常維護和維修帶來很大的麻煩。

針對以上所存在的問題，結合工控行業(yè)的發(fā)展，特別是PLC和變頻技術在社會各個領域的應用，可以用它來解決水壓控制系統(tǒng)存在的以上問題。并且變頻技術在城市供水領域有節(jié)能、安全與恒壓方面的優(yōu)越性。

為了實現供水的自動控制，一般選用以單片機與變頻器或PLC與變頻器結合為核心，這樣所構成的系統(tǒng)都能達到較為理想的控制效果。對PLC與單片機在供水系統(tǒng)中應用的一些主要方面做了簡單的比較如表1所示：

表1 PLC與單片機在供水系統(tǒng)中應用的比較

硬件 軟件 抗干擾能力 經濟成本

單片機 電路相對復雜

需要有較多的外圍元件 程序設計復雜

程序修改麻煩 較差 低

PLC 體積小、高集成

有多種擴展模塊 編程簡潔直觀

程序修改簡單 很強 高

通過上表的比較，從經濟方面考慮，由于PLC工藝的日漸成熟，小型PLC的成本與單片機相差不大，為了實現通用性，要求能夠根據現場的使用情況方便的修改、調整系統(tǒng)控制參數，對于供水系統(tǒng)來說，時間參數變化較多，與單片機相比PLC的軟件中時間參數的調整更簡單。

基于以上原因，選用了PLC與變頻器結合來實現對高樓的恒壓供水，再加上變頻器內置的PID調節(jié)與DBS 316A型壓力變送器，使軟件程序的設計簡單化，硬件接口簡易可行、提高系統(tǒng)運行的可靠性，特別是整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力很強，不僅改變傳統(tǒng)用閥門控制水量的多少，也改善了傳統(tǒng)控制方法的故障率較高的弱點，而且在節(jié)能、恒壓控制等方面均有非常好的使用效果。

國外生產的變頻器國威通用型且單機控制（即一臺變頻器拖動一臺電機），功能主要是限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制及各種保護功能。應用在中、大容量的變頻恒壓供水系統(tǒng)中，為了滿足供水量大小需求不同時，保證水管管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力閉環(huán)調節(jié)；多臺水泵的循環(huán)控制需外部提供邏輯控制；在變頻與工頻電源的切換技術上，大多采用主電路串接軟啟動器降壓啟動的方法。八十年代中期進入中國市場的日本公司Samoc，近期推出了獨有的恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”、“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。它將PID調節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設備指令代碼實現PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多7臺電機（泵）的供水系統(tǒng)。該設備簡化了電路結構，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，并且限制了帶負載的容量，因此使用范圍受到限制。

目前國內有不少公司在做變頻器恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速，水管管網壓力的閉環(huán)調節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器（PLC）予以實現；有的采用單片機及相應的軟件予以實現，本文組要采用的是PLC控制。這兩種控制方案，從可靠性方面來講，PLC優(yōu)于單片機，從經濟性方面來講，單片機優(yōu)于PLC。在變頻與工頻電源的切換技術上，多數采用前面提及的主電路串接軟起動器的方法進行降壓起動，也有采用切換時封鎖變頻器的控制脈沖，使變頻器輸出為零，切換到工頻電源上。這兩種方法，前者容易實現，軟啟動器一般為成品部件，但設備投資較大；后者設備投資少，但頻率波動大，易引起水管管網壓力不穩(wěn)定。深圳華為電氣公司看到了變頻恒壓供水的潛在市場，于近期推出了恒壓供水專用變頻器（5.5KW～45KW），無需外接PLC和PID調節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起停和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成早變頻器內部實現，其輸出接口限制了帶負載的容量，因此只適用于中小容量的系統(tǒng)。

可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究中，對于大中容量恒壓供水系統(tǒng)存在的水壓閉環(huán)控制和變頻電源與工頻電源的無擾動平穩(wěn)切換問題沒有得到根本解決。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能并且降低種大容量系統(tǒng)的投資成本。

1.3 PLC的發(fā)展概況

PLC是以微處理器為基礎，綜合計算機、通信、聯(lián)網以及自動控制技術而開發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置。它問世于20世紀60年代，當時的PLC功能都很簡單，只有邏輯、定時、計數等功能；硬件方面用于PLC的集成電路還沒有投入大規(guī)模工業(yè)生產，CPU以分立元件組成；存儲器為磁心存儲器，存儲容量有限；用戶指令一般只有二三條，還沒有成型的編程語言；機型單一，沒有形成系列。一臺可 編程控制器最多只能替代200～300個繼電器組成的控制系統(tǒng)，在體積方面，與現在的可編程控制器相比，可以說是龐然大物。

進入70年代，隨著中小規(guī)模集成電路的工業(yè)化生產，可編程控制器技術得到了較大的發(fā)展?？删幊炭刂破鞴δ艹壿嬤\算外，增加了數值運算、計算機接口、模擬量控制等；軟件開發(fā)有自診斷程序，程序存儲開始使用EPROM；可靠性進一步提高，初步形成系列，結構上開始有模塊式和整體式的區(qū)分，整機功能從專用向通用過渡。

70年代后期和80年代初期，微處理器技術日趨成熟，單片微處理器、半導體存儲器進入工業(yè)化生產，大規(guī)模集成電路開始普遍應用?？删幊炭刂破鏖_始向多處理器發(fā)展，使可編程控制器的功能和處理速度大為增強，并具有通信和遠程I/O能力，增加了多種特殊功能，如浮點運算、三角函數、查表、列表等，自診斷和容錯技術也迅速發(fā)展。 進入21世紀，可編程控制器仍保持旺盛的發(fā)展勢頭，并不斷擴大其應用領域，如為用戶配置柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。目前可編程控制器主要向兩個方向擴展：一是綜合化控制系統(tǒng)，它已經突破了原有的可編程控制器的概念，將工廠生產過程控制與信息管理系統(tǒng)密切結合起來，這種發(fā)展趨勢帶來工業(yè)控制的一場變革，實現真正意義上的電子信息化工廠；二是微型化的可編程控制器使得控制系統(tǒng)可將觸角延伸到工廠的各個角落。隨著世界經濟一體化進程的加快，在技術發(fā)展的同時，發(fā)達國家更加注重了對可編程控制器的知識產權的保護，國際大型可編程控制器制造商紛紛加入了可編程控制器的國際標準化組織，他們利用許多技術標準建立了符合他們經濟的技術保護壁壘。

1.4本文的主要研究內容

經過系統(tǒng)分析，并結合供水生產實際，本次研究的主要內容和目標是基于PLC的單臺變頻器拖動多臺電機變頻運行的恒壓供水系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)利用變頻器實現水泵電機的軟起動和調速，同時把水泵電機控制納入自動控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的操作控制實現自動化管理，設備管理達到最優(yōu)效果，運行調節(jié)達到最佳節(jié)能。具體而言，論文包括以下內容：

1.對水泵電機的調控技術進行分析。

2.介紹了基于PLC的變頻調速恒壓自動控制供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺變頻器拖動多臺水泵電機變頻運行。壓力傳感器采樣管網壓力信號經PID處理傳送給變頻器，變頻器根據壓力大小調速電機轉速，保證管網的壓力恒定。重點對變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的構成和工作過程，控制系統(tǒng)的硬件設計和PLC程序設計進行研究。

3. 對PID控制器的基本原理的介紹。

第2章 水泵調控技術

2.1水泵調控技術

水泵廣泛應用于國民經濟的各個行業(yè)中，但在供水行業(yè)中，普遍采用的是離心式葉片泵，也稱離心泵。離心泵是利用葉輪旋轉時產生離心力的原理工作的。在啟動前必須使泵和進水管充滿液體，當葉輪在泵殼內高速旋轉時，液體質點在離心力的作用下被甩向葉輪邊緣，并匯集到泵殼內，使液體或的動能和壓能，并沿著出水管道輸送出去。

在供水企業(yè)中，水泵的電能消耗及設備維護管理費用，在生產成本中占有很大的比例。水泵電機作為一種高耗能通用機械，其耗電量占全國總耗電量的21%以上，具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的，而軸功率與轉速的三次方成正比，造成相當部分的電能消耗在閥門和額定轉速運行下的電機。因此，這種調控方式雖然簡單，但從節(jié)能的角度來看，很不經濟。近年來，電機調速技術的應用，為水泵電機的節(jié)能開辟了一個新途徑。

它可以通過調節(jié)電動機的轉速來適應水量和水壓的變化，使水泵始終在高效區(qū)工作，將大大降低水泵的能耗，合理地進行設備的管理與維護，對節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經濟效益具有極其重要的意義。

2.1.1水泵的工作參數

水泵的工作參數共有六個，即：流量、揚程、功率、效率、轉速及允許吸上真空高度或氣穴余量。

1.流量Q

水泵流量是指水泵在單位時間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質量流量兩種。

2.揚程H 3.功率P

水泵的功率有有效功率和軸功率兩種。有效功率為泵內液體實際所獲得的凈功率，可以根據流量和揚程來計算。軸功率是水泵在一定流量揚程下運行時所需的外來功率，即由動力機傳給水泵軸上的功率。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，才成為有效功率。

4.效率

水泵效率標志著水泵傳遞能量的有效程度，亦即反映了泵內功率損失的大小，是一項重要的技術經濟指標。它由泵內水力效率、機械效率和容積效率等三個局部效率組成。

5.轉速n

轉速是指葉輪每分鐘的轉數。水泵銘牌上所標明的額定轉速是設計工況時的轉速，當轉速改變后，水泵的工作性能也隨之改變。

6.允許吸上真空高度或臨界氣穴余量

二者是表征水泵吸水性能或氣穴性能的參數，它們是確定水泵安裝高度和評述水泵發(fā)生氣穴與氣蝕問題的主要參數。

（1）供水系統(tǒng)的基本特性和工作點 管阻特性是以水泵的轉速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開度下，揚程H與流量Q之間的關系曲線H=ƒ(Q)，如圖1-2所示。管阻特性描繪了水泵的能量用來克服泵系 統(tǒng)的水位及壓力差、液位在管道中流動的阻力變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程H與供水流量間的關系H=ƒ()。

揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖2-1中的點。在這一點，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性。即：用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

圖2－1 供水系統(tǒng)的基本特性與工作點

（2）水泵調速運行的節(jié)能原理

在供水系統(tǒng)中，通常是以流量為控制對象，常用的控制方式為閥門控制法和轉速控制法。閥門控制法是通過調節(jié)閥門開度的大小來調節(jié)流量，而水泵電機轉速保持不變，其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量的，因此，管組特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節(jié)流量，而閥門開度保持不變，其實質是通過改變水的勢能來改變流量，因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。

采用變頻調速的供水系統(tǒng)屬于轉速控制法，其工作原理是根據用戶用水量的變化自動地調節(jié)水泵電機的轉速，始終保持管網水壓恒定，即：用水量增大，電機加速；用戶水量減小，電機減速。圖2－2為管網及水泵的特性曲線。

圖2－2 管網及水泵運行的特性曲線

供水量高峰期水泵工作在A點，流量為，揚程為。當供水量要求從減小到時，若采用恒速泵供水，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，管阻特性曲線變?yōu)?，揚程特性曲不變，而揚程則從上升到，運行工況從A點移到B點，此時水泵輸出功率為(0,, B, )圍成部分；若采用恒壓()、變速泵（）供水，管網特性曲線變?yōu)?，揚程特性變?yōu)榍€，工作點從A點移到C點，此時水泵輸出功率為(0,, C, )圍成的部分。比較兩者，其節(jié)能為(, , B, C)圍成的陰影部分。而且根據水泵變速運行的相似定律，變速前后的流量、揚程、功率與轉速之間的關系為：

式中： 、、為轉速時的功率、揚程、流量

、、為轉速時的功率、揚程、流量

由上式可以看出，水泵在轉速控制時，電機轉速變慢，軸功率就相應的減少，電機輸入功率也隨之減少，軸功率于電機轉速成三次方的關系下降。

由此可見：在供水系統(tǒng)輸送同樣流量的情況下，轉速控制時的揚程比閥門控制時小得多，所需要的供水功率也比閥門控制方式小得多，兩者之差是轉速控制方式節(jié)約的供水功率，它與圖中的陰影部分成正比。當流量從0～之間不斷變化時，節(jié)能為圖中(, A 圍成的面積,可見其節(jié)電效果顯著。

2.2常用的調速方式

水泵多配用交流異步電動機拖動，當電機轉速降低時，既可節(jié)約能量，經濟效益十分顯著。由異步電動機的轉速公式：

＝ 式（2-1）

其中： 為異步電機的理想空載轉速；

為異步電機轉子轉速；

為異步電機的定子電源頻率；

為靜差率，。

改變電動機極對數，改變靜差率及改變電源頻率都可以改變轉速。常用的調速方式有變級對數調速，變頻調速和可控硅串級調速三種方式。

1. 變級對數調整

在電源頻率一定的情況下，電動機的同步轉速與極對數成反比，改變電動機極對數，就可以改變轉速。通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對數。這種調控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有極調速，而且級差比較大，只適用于特定轉速的生產機器。對于我的設計不適用。

2. 變頻調速

變頻調速是將電網交流電經過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調的交流電，然后供給電動機，使其可在變頻的情況下運行。

改變電動機定子頻率可以平滑地調節(jié)同步轉速，相應的也就改變轉子轉速，而轉差率可以保持不變或很小。但對電動機來說，定子頻率改變后，其運行影響，如果電壓不變，頻率增加時，磁通減少，電動機轉矩下降，嚴重時會使電動機堵轉；頻率減少，磁通增加，會使磁路飽和，勵磁電流上升，導致鐵心損失急劇增加而發(fā)熱，使不允許。因此在實用上，要求調速的同時，高變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，有保持轉矩的不變。變頻技術對水泵電動機進行調整，以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術。

3. 可控硅串級調速

它是把異步電動機轉子電勢經過整流――逆變后回饋給電網，回收功率就是轉差功率，當改變逆變角時，逆變電勢、轉差功率、轉差率都 將隨之改變，從而達到調整的目的。

這種方法的最大優(yōu)點是由于它可以回收轉差功率，節(jié)能效果好，且調整性能也好，但由于線路過于復雜，還需一臺與電動機相匹配的變壓器增加了蹭環(huán)節(jié)的電能損耗，帶來了成本高，占滴水泵房面積大等缺點而影響它的推廣價值。因此，在本論文，我不采用。

2.3 供水系統(tǒng)變頻調速運行的工作原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由籠式異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵作成一體。變頻供水系統(tǒng)是通過變頻器調節(jié)異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質是異步電動機的變頻調速。

異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。

異步電機的轉差率定義為：

式（2-2）

異步電機的同步速度為：

= 式（2-3）

異步電機的轉速為：

式（2-4）

其中； 為異步電機的理想空載轉速；

為異步電機轉子轉速；

為異步電機的定子電源頻率；

為異步電機的極對數。

從上式可知，當極對數不變時，電機轉子轉速與定子電源頻率成正比，因此連續(xù)調節(jié)異步電機供電電源頻率，就可以連續(xù)平滑地調節(jié)電機的同步轉速，從而調節(jié)其轉子的轉速。

變頻調速時，從高速到低速都可以保持有限的轉差率，因而變頻調速具有高效率、高精度、調范圍廣平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，調速性能可與直流電動機調速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調速是交流異步電機一種比較合理和理想的調速方法，其頻率調節(jié)時的機械特性曲線如圖2－3所示。

圖2－3異步電動機變頻調速時機械特性曲線

第3章 方案的基本的選擇

3.1 可編程控制器PLC的選擇

可編程邏輯控制器簡稱PLC，是以微處理器為基礎，綜合計算機技術、自動化技術和通訊技術而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制裝置。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術和現代計算機信息處理兩者的優(yōu)點結合起來，成為工業(yè)自動化領域中最重要、應用最多的控制設備。

3.1.1 PLC的基本結構

PLC的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不同，但是結構與工作原理則大同小異，通常由中央處理單元CPU、存儲器、輸入輸出等部分組成。如圖3-1所示：

圖3-1 可編程序控制器的基本結構

1．主機

主機部分包括中央處理器、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序及數據存儲器、輸入輸出擴展接口、外部設備接口和電源等部分組成。中央處理器是PLC的核心部分，它包括微處理器和控制接口電路，用于運行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)、作出邏輯判斷和進行數據處理，將結果送到輸出端，并響應外部設備的請求以及進行各種內部判斷等。

2．輸入/輸出(I/O)接口 I/O接口是PLC與輸入/輸出設備連接的部件。輸入接口接受輸入設備的控制信號。輸出接口是將主機經處理后的結果通過功放電路去驅動輸出設備。

3．輸入/輸出擴展單元 I/O擴展接口用于將外部輸入/輸出端子數的擴展單元和基本單元連接在一起。輸入輸出擴展接口有并行接口、串行接口和雙口存儲器等多種形式。

4．外部設備接口

外部設備接口是PLC主機實現人--機對話、機--機對話的通道。通過它，PLC可以與編程器、打印機等外部設備相連。該接口的功能是串行/并行數據的轉換、通信格式的識別、數據傳輸的出錯檢驗、信號電平的轉換等。

5．編程

編程是PLC利用外部設備，用戶用來輸入、檢查、修改、調試程序或監(jiān)視PLC的工作情況。通過專用的PC/PPI電纜線將PLC與電腦連接，并利用專用的軟件進行電腦編程和監(jiān)控。

6．電源單元 電源是供給PLC電源的器件，通常為輸入設備提供直流電源。它的作用是把外部的供電電源變換成系統(tǒng)內部各電源所需的電源。可編程序控制器的電源一般采用開關電源，特點是輸入電壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高。 PLC是一種用于工業(yè)自動化控制的專用計算機，實質上屬于計算機控制方式。PLC以通用或專用CPU作為字處理器，實現通道(字)的運算和數據存儲，另外還有位處理器(布爾處理器)，進行點(位)運算與控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、維修、編程簡單、靈活性強等特點。

1.可靠性

對可維修的產品，可靠性包括產品的有效性和可維修性。PLC的可靠性高表現在下列幾個方面。

(1)與繼電器邏輯控制系統(tǒng)比較，PLC不需要大量的活動元件和接線電子元件，它的接線大大減少，系統(tǒng)的維修簡單，PLC還采用了一系列可靠性設計的方法進行設計，例如，冗余設計，斷電保護，故障診斷和信息保護及恢復等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性提高。PLC還具有編程簡單，操作方便等特點，因此對操作人員的技能要求降低，操作人員容易學習和掌握，一般不容易發(fā)生操作的錯誤，可靠性因此提高。

(2)與通用的計算機控制系統(tǒng)比較，PLC是為工業(yè)生產過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用計算機控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯率大大降低，而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境設計的硬件使可靠性大大提高；在硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件、采用先進的工藝制造流水線制造、對干擾的屏蔽隔離和濾波等。在軟件方面，也采取了一系列提高系統(tǒng)可靠性的措施。例如，采用軟件濾波、軟件自診斷、簡化編程語言等。

2.易操作性

PLC的易操作性表現在下列幾個方面：

（1）操作方便：PL C的操作包括程序輸入和更改的操作。多數PLC采用編程器進行輸入和更改的操作。編程器至少提供了輸入信息顯示，對大中型的PLC，編程器采用了CRT屏幕顯示，因此，程序的輸入直接可以顯示。更改程序的操作可直接根據所需的地址編號進行搜索，然后進行更改。

（2）編程方便：采用布爾助記符編程時，有助于編程人員的編程。

（3） 維修方便：PLC具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求降低。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以很快找到故障的部位，以便維修。

3.靈活性

PLC的靈活性表現在以下幾個方面：

（1）編程的靈活性：PLC采用的編程語言有梯形圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程方便，應用面拓展。

（2）擴展的靈活性：PLC的擴展靈活性是它的一個重要特點。它根據應用的規(guī)模不同，即可進行容量的擴展、功能的擴展、應用和控制范圍的擴展。

（3）操作的靈活性：操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變得十分容易。

（4） 體積小、重量輕、功耗低

由于PLC是專為工業(yè)控制而設計的，其結緊密、堅固，體積小巧，易于裝入機械設備內部要，是實現機電一體化的理想控制設備。

3.1.3 PLC的主要功能

隨著PLC技術的不斷發(fā)展，目前已能實現以下功能。

⑴ 條件控制功能

條件控制（或稱邏輯控制或順序控制）功能是指用PLC的與、或、非指令取代斷電器觸點串聯(lián)、并聯(lián)及其他各種邏輯連接，進行開關控制。

⑵ 定時/計數控制功能

定時/計數控制功能就是用PLC提供的定時器、計數器指令實現對某種操作的定時或計數控制，以取代時間繼電器和計數繼電器。

⑶ 步進控制功能

步進控制功能就是有步進指令來實現在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能進行下道工序操作的控制，以取代由硬件構成的步進控制器。

⑷ 數據處理功能

數據處理功能是指PLC能進行數據傳送、比較、移位、數制轉換、算術運算與邏輯運算以及編碼和譯碼等操作。

⑸ A/D與D/A轉換功能

A/D與D/A轉換功能就是通過A/D、D/A模塊完成對模擬量和數字量之間的轉換。

⑹ 運動控制功能

運動控制功能是指通過高速計數模塊和位置控制模塊等進行單軸或多軸控制。

⑺ 過程控制功能

過程控制功能是指PLC的PID控制指令實現對溫度、壓力、速度、流量等物理參數的閉環(huán)控制。

⑻ 擴展功能

擴展功能是指通過連接輸入/輸出擴展單元（即I/O擴展單元）模塊來增加輸入輸出點數，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元提高PLC控制能力。

⑼ 遠程I/O功能

遠程I/O功能是指通過遠程I/O單元將分散在遠距離的各種輸入、輸出設備與PLC主機相連接，進行遠程控制，接收輸入信號，傳出輸出信號。

⑽ 通訊聯(lián)網功能

通訊聯(lián)網功能是指通過PLC之間的聯(lián)網、PLC與上位計算機的連接等，實現遠程I/O控制或數據交換，以完成系統(tǒng)規(guī)模較大的復雜控制。

⑾ 監(jiān)控功能是指PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分運行狀態(tài)和進程，對系統(tǒng)出現的異常情況進行報警和記錄，甚至自動終止運行；也可在線調速、修改控制程序中的定時器、計數器等設定值或強制I/O狀態(tài)。

3.1.4 PLC的選擇 根據設計方案和PLC,變頻器的內部電氣接線圖確定PLC的I/O點數，本設備輸入點數：X為8點； 輸出點數：Y為12點。

其I/O口分配表如圖3-2所示：

3.2 變頻器的選擇

目前，隨著電力電子技術、微電子技術及現代控制理論的發(fā)展，變頻器已經成為電氣調整的主流，成為現代工業(yè)控制的主要組成部分。

3.2.1變頻器的特點

1.變頻器的特點

大部分通用變頻器都有以下特點： ②、穩(wěn)定性好 由于變頻器的控制信息為數字量，不會隨時間漂移，不隨溫度等環(huán)境條件而變化。

③、可靠性高 控制電路采用大規(guī)模集成電路，主電路采用智能化模塊。系統(tǒng)中的硬件電路元件數量很少，相應故障率大大降低。

④、靈活性好 系統(tǒng)中硬件向標準化、集成化發(fā)展，可以在盡可能

少的硬件支持下，由軟件去完成復雜的控制功能。適當的修改軟件，就可以改變系統(tǒng)的功能或提高其性能。

⑤、存儲能力強 存儲容量大，存放時間幾乎不受限制，變頻器可在存儲器中存放大量的數據和表格，利用查表法簡化計算，提高運算精度。

⑥、邏輯運算能力強 容易實現自診斷、故障記錄、故障尋找等功能，使變頻器可靠性、可使用性、可維護性大大提高。

⑦、自動調壓功能 是電動機參數自動調壓，簡化了使用操作，易于實現系統(tǒng)最佳運行。

⑧、具有模糊加減速功能 能根據電動機加速過程中的負載電流和制動過程中的變頻器直流測的電壓，自動計算最佳加/減速時間。

3.2.2 變頻器的種類

變頻器可分為兩種：交－直－交變頻器，交－交變頻器。如下圖：

交－直－交變頻器是由三個環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓、定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{的直流電；可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調的交流電；濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和變電路之間，一般是利用無電源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進行濾波。它不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。

交－交變頻器是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網的交流榻通過變頻電路同時調節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調的交流的電輸出。就是由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好，但調整范圍小，控制線路復雜，功率因數低，目前較少采用。

3.2.3 變頻器的選擇

⑴ 型號的選擇： 所有數據顯示都采用6位數的LED形式，能正常運行時持續(xù)顯示一項運行數據。能顯示當前變頻器的頻率，可切換鍵選擇顯示內容，如電動機的電流、電壓、功率等。作為該顯示的補充，另外還有3個指示燈，用來指示主電源是否接通（ON）、 警告（WARNING）和報警（ALARM）。變頻器的大部分參數設置可以直接通過控制面板來改變。

① QUICK/MENU（快速菜單）鍵可以查出用于快速菜單的參數。QUICK/MENU鍵還可用于取消參數值的改變。在斷開主電源，同時按下QUICK/MENU、＋、和CHANGE/DATA鍵并通主電源，然后松開這些鍵，變頻器就被設置為出廠設定狀態(tài)。

② CHANGE/DATA（改變數據）鍵用來改變設定值。CHANGE/DATA鍵還可以用來儲存已改的參數設定值。

③ ＋/-鍵用來選擇參數和改變參數值。同時按下QUICK/MENU、＋鍵，能夠調閱所有參數。

④ STOP/RESET（停止/復位）鍵用來使所連接的電機停止或在跳閘后使變頻器復位。

⑤ START（啟動）鍵用來啟動變頻器。

⑵ 變頻器容量的選擇：

一般來說，當一臺變頻器控制一臺電動機時，只需使變頻器的配用電動機容量與實際電動機容量相符即可。當一臺變頻器同時控制兩臺電動機時，原則上變頻器的配用電動機容量應等于兩臺電動機的容量之和。本系統(tǒng)中每時均只有一臺變頻器控制一臺變頻器，因此，就只需與大電機容量的相符即可，即是220KW。

⑶ 變頻器的端子操作：

變頻器的端子包括電源接線端子和控制端子。

電源端子中有三相輸入電源端子R、S、T，7逆變器三相輸出端子U、V、W。

控制端子共有有近20個控制端子，分4類，即輸入與監(jiān)視信號端子、頻率模擬設定輸入端子、輸出信號端子、報警輸出端子。

控制端子 輸出信號端子提供一對常閉觸點和一對常開觸點，共3個端子（端子01、02、03），可以直接驅動繼電器。在故障時常閉觸點斷開，常開觸點閉合。通過報警信號端子的繼電器斷開外部電路，避免了故障升級。輸出信號（端子46）包括指示變頻器正在運行信號、告警或報警以及運行狀態(tài)。

⑷ VLT2800系列變頻器所提供的保護功能包括過電流、過載、逆變器過載、電源缺相、過壓、欠壓、接地故障、開關模式故障、短路、內部出錯、CPU故障保護、電源掉電重合閘保護等。

3.3 壓力傳感器的選擇 由于一般的生活供水的壓力為370KPa～430KPa,消防供水的壓力為670 KPa～730KPa，所以壓力傳感器選0KPa～1000KPa。，我們選用的是YTT-150型差動遠傳壓力表。它是二線制安全型防爆儀表。用于測量對銅和鋼及合金不起腐蝕的液體、氣體和蒸氣的壓力。儀表在進行壓力指示外，還連續(xù)輸出與被測壓力成線性的4-20mA直流信號，該表用于水壓恒定的PID檢測環(huán)節(jié)。

其技術指標為：

1）測量范圍：-0.1—0.3MPa

2）輸出信號：mA DC,二線制

3）精度等級：1.5級

4）負載電阻：250 —350Ω

5）供電電源：直流（+10—-15）%

6）工作環(huán)境：溫度：-10—55度

相對濕度：<=85%

工作振動：振動頻率<=25HZ 外磁場<=400A/M

3.4 本章小結

根據設計的需要，在本章中對PLC的型號進行了選擇。并針對考慮到了設計需要的容量和顯示功能，選了丹佛斯公司生產的VLT2800 220KW。根據水壓的實際情況，對壓力傳感器也進行了較合理的選擇。

第4章 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計

4.1系統(tǒng)的方案設計

變頻調速恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器等構成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動3臺電動機的起動、運行與調速，當給生活供水時，分別采用循環(huán)使用的方式運行；當給消防供水時，就3臺電機全投入，并采用“先啟先?！钡脑瓌t接入和退出。通過壓力傳感器采樣管網壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給PLC的PID模塊,PLC根據這兩個信號經PID運算，發(fā)出控制信號，控制水泵電機進行切換，以達到恒定水壓的目的。圖4－1所示為恒壓供水系統(tǒng)結構框圖

圖4－1 恒壓供水系統(tǒng)結構框圖

控制系統(tǒng)的具體工作過程： = Q0.1