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毕业设计（论文）设计（论文）题目：高层建筑变频恒压供水系统设计
下达日期：2014 年7 月6日
开始日期：2014 年7 月7 日
完成日期：2014 年9 月30日
指导教师：张小洁
学生专业：电气自动化
班级：自动化12级
学生姓名：卫晨
教研室主任：王永康
电气工程学院
陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书
一、设计要求：
1、通过分析各类供水控制方案，确定采用以 PLC 为控制中心的变频恒压
供水技术；
2、根据恒压供水系统组成进行硬件设计，包括主控电路、变频控制电路、
PLC 接口电路等，并对其他元器件进行选型。
3、变频器选用西门子MM440；
4、PLC的型号根据系统需求选择；
5、最大用水量需要三台泵实现；
6、完成系统设计硬件部分设计；
二、系统总体框图：
图1 供水控制系统原理图
三、完成的技术资料：
1．绘制电气原理图一张；
2．电气说明书；
3．系统流程图；
4．元件明细表；
5．设计感想。
四、主要参考资料：
1．王廷才主编《变频器原理及应用》机械工业出版社
2．《西门子MM440变频器使用手册》
3．《全自动恒压供水控制系统》葛宝琴华北电力技术
4．《高层建筑变频恒压供水控制系统设计》陈景文陕西科技大学硕士论文
5．《居民小区变频恒压供水控制系统设计与实现》王岚南京理工大学
陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书
进程计划表
陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书指导教师评语：
指导教师签名：毕业设计（论文）成绩：
毕业设计（论文）答辩
1．答辩组成员签名:
2．答辩日期: 2014年月日
3．答辩评语:
4．答辩成绩:
毕业设计（论文）总成绩:
摘要
随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。城市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、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。
本文进行了控制系统的主电路设计，控制电路设计。对输入输出点进行了统计，共有13个输入输出点，根据PLC的选型原则，设备选用了在生产中应用最为广泛的西门子公司生产的S7-200系列(CPU222)的PLC和MM440泵类专用的变频器，利用变频器的本身自有的软启动功能实现水泵电机的启动。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器的内置PID控制方式完成，根据控制系统软硬件设计和控制要求，结合变频器的功能参数表预置了相关的参数。在介绍了PLC的编程方法的基础上，选用了适合初学者的逻辑代数编程，写出了恒压变频供水的逻辑代数，并设计了梯形图，利用PLCSIM仿真软件进行了仿真，仿真的结果表明了设计程序的正确性。利用了WinCC组态软件设计了高楼变频恒压供水控制系统的界面，界面可动态反映水泵变频供水的工作状态。最后对恒压供水进行了经济效益分析，分析的结果表明具有明显的节能效益。
关键词：恒压供水，变频调速，PLC
ABSTRACT
As China's social and economic development, urban construction and development very quickly, but also the construction of infrastructure facilities has put forward higher requirements. City water supply system construction is one of the important aspects of the water supply reliability and stability, the economy of a direct impact on the user's normal work and life. As people on the water quality and water supply systems in the continuous improvement of reliability requirements, the use of advanced automation technology, control technology and communication technology, design a high-performance, high-energy, water supply plants to adapt to the complex environment of constant pressure water supply Systems become an inevitable trend
A control system for the main circuit design, control circuit design. The input and output points to the statistics, a total of 13 input and output, the PLC in accordance with the principle of selection, equipment selection in the production of the most widely produced by Siemens S7-200 series (CPU222) of the PLC and pumps for MM440 The converter, using its own frequency converter itself to achieve the soft-start the pump motor launch. In the control process, the electronic control system completed by the S7-200, PID control by the converter built-in PID control manner, in accordance with control system software and hardware design and control requirements, combining the functions of converter table preset parameters of the relevant parameters . After the introduction of the PLC programming methods, based on the choice of the logic of algebra for beginners programming, the constant pressure to write the logic of algebra frequency of water supply and design of the ladder, use of simulation software PLCSIM the simulation, simulation The results show that the correctness of the design process. WinCC use of the configuration software designed high frequency constant pressure water supply control system interface, dynamic interface may reflect the work of pumping frequency of water supply status. Finally, the constant pressure of water supply for the economic benefit analysis, analysis of the results showed that a significant energy efficiency.
Keywords：Constant pressure Water Supply ，Variable velocity Variable frequency，PLC
目录
摘要...................................................................................................................................................................... V ABSTRACT ......................................................................................................................................................... VI 目录............................................................................................................................................................. VII 第一章绪论. (1)
1.1 引言 (1)
1.2 本课题产生的背景和意义 (1)
1.3 国内外变频供水系统现状 (2)
1.4 变频供水系统应用范围 (3)
1.5 设计内容 (3)
第二章变频恒压供水的理论分析 (5)
2.1 水泵的工作原理 (5)
2.2 水泵的调节方式 (5)
2.3 异步电动机的调速原理 (6)
2.4 供水电机的搭配 (7)
2.5 恒压供水系统的能耗分析 (7)
2.6 供水系统的安全性问题 (10)
2.6.1 水锤效应 (10)
2.6.2 产生水锤效应的原因及消除方法 (10)
2.6.3 延长水泵寿命的其他因素 (11)
第三章变频恒压供水控制系统设计 (12)
3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案 (12)
3.2 原理框图设计 (13)
3.3 供水系统方案的确定 (14)
3.4控制方案 (16)
第四章系统硬件的设计 (17)
4.1 系统主要配置的选型 (17)
4.1.1 水泵机组的选型 (17)
4.1.2 压力变送器的选型 (17)
4.1.3 液位变送器的选型 (18)
4.1.4 其他低压电器的选型 (18)
4.2 PLC的选型 (20)
4.2.1 I/O点的分配 (20)
4.2.2 PLC选型的基本原则 (20)
4.3 变频器的选型 (22)
4.4 主电路方案设计 (24)
4.5 控制电路设计 (25)
4.6 PID参数的设置 (27)
4.7 恒压变频供水的工艺流程 (28)
第五章总结与期望 (30)
5.1 总结 (30)
5.2 期望 (30)
参考文献 (31)
致谢 (32)
第一章绪论
1.1 引言
水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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，自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。
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。
变频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，方便地实现供水系统的集中管理与监控，同时系统具有良好的节能性，这在能量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。
1.2 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。
传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。存在着以下忧缺点：
(1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率
低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。
(2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。
(3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。
(4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。
(5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。
综上所述，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。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着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，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，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。
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。
1.3 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 或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。
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、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)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 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。
目前，国内除了高压变频供水系统，多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。
1.5 设计内容
本文主要完成PLC、变频器实现的生活用水供水过程的恒压。由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID调节器进行控制，而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。本系统采用通用变频器实现三相水
泵电机的软启动和变频调速，压力传感器检测当前水压信号，水压信号经变送器输出标准电信号(4-20mA)通过A／D转换模送入PLC，经PLC进行压力反馈值与设定值的PID运算，运算结果送入变频器频率控制端控制变频器的输出频率，从而改变电机转速。由PLC接受控制信号，并实现对电机的起停及切换控制。变频器的故障输出及报警信号以及系统显示信号全部送入PLC，以方便利用PLC与上位机进行通讯并实现监控。系统的操作与管理采用微机实现，运行参数有记录，使系统节能达到最佳效果。具体内容如下：
(1)对水泵电机的调速原理进行分析。根据供水特点，分析水泵电机的运行特点、运行参数及工作点，分析供水系统对电气调速的要求，阐述了变频器拖动电动机的恒压供水模式的工作原理。设计一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统。
(2)从水泵运行曲线及管网特性曲线入手，分析水泵工况调节的几种方法，详细阐述变频调速恒压供水系统耗能原理及节能原理。
(3)重点阐述变频调速恒压供水系统的构成及其工作原理，进行系统硬件的选择及PLC 程序的设计、变频器功能预置等。系统由一台变频器拖动三台水泵变频启动运行，由PLC控制切换，由压力传感器检测管网压力，根据压力大小进行PID控制，调整变频器的输出频率，从而改变水泵电机转速，改变流量的大小，适应用户用水量改变的需求，保持管网压力恒定。
本课题主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水，通过设计解并熟悉了PLC的工作原理，编程原理以及编程方法。进行了控制系统的主电路设计、控制电路设计，系统的控制设备选用S7-200系列的PLC（CPU222），变频器选用西门子泵类专用的变频器MM440。进行了控制程序（梯形图）的设计。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器完成。最后，对变频恒压供水系统进行调试，对该系统在供水中所取得的节约电耗、恒定压力、保护管网等进行了总结，指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性。
第二章变频恒压供水的理论分析
2.1 水泵的工作原理
供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2-1所示，叶轮安装在泵2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出[5]。
图2-1 离心泵结构示意图
2.2 水泵的调节方式
水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，
即改变装置管网的特性曲线进行调节。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。
水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下[6]：
2.3 异步电动机的调速原理
水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：
60(1)f n s p =- (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。
从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：
(l) 改变电源频率
(2) 改变电机极对数
(3) 改变转差率
改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗[7]，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。
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。
2.4 供水电机的搭配
供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点:
(1) 如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。
(2) 如果电动机功率选得过大，就会出现“小马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。
因此，要正确选择电动机的功率， 对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(生产机械轴上的功率)1p （kW ），可按式(2.1)计算所需电动机的功率[6]P (kW)：
()112/p p ηη= (2.1)
式中，1η为生产机械的效率，2η为电动机的效率，即传动效率。
按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。
2.5 恒压供水系统的能耗分析
在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。
(1) 阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。
阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。
如图 2-2所示，设用户所需流量Q X 为额定流量的60%(即Q X =60%Q N )。当通过关小阀门来
实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至E 点，这时，流量减小为Q E (=Qx)；扬程增加为H E ；供水功率P C 与面积ODEJ 成正比。
图2-2 调节流量的方法与比较
(2) 恒压控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，也称为转速控制法。
转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的饿转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。
以用户所需流量等于60%Qn 为例，当通过降低转速使得Qx=60%Qn 时，扬程特性仍为曲线②，故工作点移向C 点。这时流量减小为Q E （=Qx ），扬程减小为Hc ，供水功率P C 与面积0DCK 成正比。
比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量(Qx<100%Q N )的情况
下，转速控制时的扬程比阀门控制方式小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差△P 便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ 成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果最基本的方面。
对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但是扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量Q G 表示）和用水要求（由流水
量Q U 表示）之间的平衡情况有关。
如：供水能力Q G >用水需求Q U ，则压力上升（P ↑）；
H 稳定转速
如：供水能力Q
G <用水需求Q
U
，则压力上升（P↓）；
如：供水能力Q
G =用水需求Q
U
，则压力上升（P不变）。
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处的压力的恒定，也就保证了使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，这就是恒压供水所要达到的目的。
2.6 供水系统的安全性问题
2.6.1 水锤效应
异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有在0.25S 。这意味着在0.25S 的时间里，水的流量从零增到额定流量。由于水具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。
水锤效应具有极大的破坏性，压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。
2.6.2 产生水锤效应的原因及消除方法
产生水锤效应的根本原因，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现彻底消除水锤效应。
水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢，决定了加速过程流量变化的快慢，也就决定了水锤效应的强弱。
拖动系统中，动态转矩L m J T T T -=；m T ：是电动机的拖动转矩；L T ：是供水系统的制动转矩。
图2-3反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。图中曲线①是异步电动机的机械特性，曲线②是水泵的机械特性，图2-4b)中的锯齿状线是变频起动过程中的动态转矩。
由图2-3可知，水泵在直接起动过程时，因动态转矩很大，造成了强烈的水锤效应，通过变频起动，可有效地降低动态转矩消除水锤效应。
停机过程效果类似。
a)全压启动 b ）变频起动
图2-3 水泵的直接起动和变频起动
在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩J T
J M L T T T =-
由图2.3a 可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影部分所示，是很大的。所以，加速过程很快。
2.6.3 延长水泵寿命的其他因素
水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。此外，由于水泵平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使:
(1) 叶片承受的应力大为减小。
(2) 轴承的磨损也大为减小。
所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。
第三章变频恒压供水控制系统设计
3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案
恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：
(1) 有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。
(2) 通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、液位变送器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。
(3) 通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器
这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC 的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
图3-1变频恒压供水系统控制图
3.2 原理框图设计
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，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，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。变频恒压供水系统的结构框图如图3-2所示：
恒压供水技术方案文件编码（GHTU-UITID-GGBKT-POIU-WUUI-8968）
恒压供水技术方案 一、综述 1、概述：以变频器为核心的自动给水设备已经成为当下现代高楼自动供水设备的核心 设备。可以取代传统的高位水箱、气压罐供水，避免水质的二次污染，具有节能、操作方便、自动化程度高的特点。变频调速恒压供水设备可在生产生活用水、锅炉恒压补水、供暖系统、空调系统、定压差循环水、消防用水等方面直接应用。 2、特点： （1）高效节能； （2）可取代高位水箱或者水池，减少土建投资，避免水质二次污染； （3）采用恒压供水，大大提高供水品质； （4）延迟设备使用寿命，采用变频恒压供水，启动方式是软启动，对机械、电气设备冲击小，可大大延迟设备使用寿命，特别是机械设备。 （5）控制系统可根据客户需求配置人机管理系统、中文提示、中文监控操作，极大方便了客户的操作使用和设备维修； （6）全自动控制，无需人工干预； （7）具有完善的保护功能，变频器保护、欠电压保护、过电压保护、短路保护、过载保护、过热保护、缺相保护。 3、适用范围 （1）适用于自来水厂及加压泵站； （2）适用于住宅小区、宾馆、饭店及其它大型公共建筑的生活供水； （3）适用于大中型工矿企业的生产生活用水； （4）适用于居民住宅小区、宾馆、饭店、大型公共建筑和各种工矿企业的消防供水、生产供水； （5）适用于工矿企业恒压、冷却水工会和循环供水系统； （6）适用于热水供水、采暖、空调、通风系统的供水； （7）适用于污水泵站、污水处理中的污水提升系统； （8）适用于农田排灌、园林喷洒、水景和音乐喷泉系统； 二、工作原理
V20变频器PID控制恒压供水操作指南 1.硬件接线 西门子基本型变频器SINAMICS V20 可应用于恒压供水系统，本文提供具体的接线及简单操作流程。 通过BOP设置固定的压力目标值，使用4~20mA管道压力反馈仪表构成的PID控制恒压供水系统的接线如下图所示： 图1-1.V20变频器用于恒压供水典型接线 2调试步骤
2.1 工厂复位 当调试变频器时，建议执行工厂复位操作： P0010 = 30 P0970 = 1 (显示50? 时按下OK按钮选择输入频率，直接转至P304进入快速调试。) 2.2 快速调试 表2-1 快速调试参数操作流程 参数功能设置 P0003 访问级别=3 （专家级） P0010 调试参数= 1 （快速调试） P0100 50 / 60 Hz 频率选择根据需要设置参数值： =0: 欧洲[kW] ，50 Hz （工厂缺省值） =1: 北美[hp] ，60 Hz P0304[0] 电机额定电压[V] 范围：10 (2000) 说明：输入的铭牌数据必须与电机接线 （星形/ 三角形）一致 P0305[0] 电机额定电流[A] 范围：0.01 (10000) 说明：输入的铭牌数据必须与电机接线 （星形/ 三角形）一致 P0307[0] 电机额定功率[kW / hp] 范围：0.01 ... 2000.0 说明：如P0100 = 0 或2 ，电机功率 单位为[kW] 如P0100 = 1 ，电机功率单位为[hp] P0308[0] 电机额定功率因数（cosφ ）范围：0.000 ... 1.000 说明：此参数仅当P0100 = 0 或 2 时可见P0309[0] 电机额定效率[%] 范围：0.0 ... 99.9 说明：仅当P0100 = 1 时可见 此参数设为0 时内部计算其值。 P0310[0] 电机额定频率[Hz] 范围：12.00 ... 599.00 P0311[0] 电机额定转速[RPM] 范围：0 (40000) P0314[0] 电机极对数设置为0时内部计算其值。 P0320[0] 电机磁化电流[%] 定义相对于电机额定电流的磁化电流。 设置为0时内部计算其值。 P0335[0] 电机冷却根据实际电机冷却方式设置参数值 = 0: 自冷（工厂缺省值） = 1: 强制冷却 = 2: 自冷与内置风扇 = 3: 强制冷却与内置风扇
变频恒压供水控制系统 发表时间：2019-01-08T16:21:17.107Z 来源：《电力设备》2018年第24期作者：蒋正锋[导读] （四川理工技师学院四川成都 611130） 1、系统构成 整个系统由一台PLC，一台变频器，水泵机组（3台），一个压力传感器，低压电器及一些辅助部件构成。 2、系统硬件设计 2.1.1 PLC选型 本系统选用FX2N-32MR型PLC。 2.1.2 接线及I/O分配 2.3 变频器选型及接线 2.3.1 变频器选型 根据设计的要求，本系统选用FR-A740系列变频器。 2.3.2变频器的接线 变频器端子 PLC端子功能 STF Y7 电机正转 FU X2 增泵、减泵 OL X3 增泵、减泵 2.6系统主电路设计 系统主电路接线 3 系统的软件设计 （1）自动运行部分 LD M8002 SET M0 LD X015 CJ P0 LD M0 AND X000 RST M0 SET M2 SET M7 SET M8 1）启动1#泵 按下启动按钮，系统检测采用那种运行模式。如果按钮SB7没按，则使用自动运行模式。变频启动1#水泵。 LD M2 AND X002 RST M2 SET M1 SET M4 2）启动1#，2#泵： 接收到变频器上限信号，PLC通过这个上限信号后将1#水泵由变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频启动第2#水泵。 LD M1 AND M4 AND X003 RST M1 RST M4 SET M2 3）启动1#泵： 接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。 LD M1 AND M3 AND M6 AND X003 RST M6 RST M3 SET M4 4）启动1#，2#泵： 输出的下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频启动。 LD M1 AND M4 AND X003 RST M4 RST M1 SET M2 5）启动1#泵： 接到下限信号关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。
采用PLC控制的变频器一拖三恒压供水技术方案 1. 系统控制要求； 1.1 实现变频器一拖三控制并可手动/自动切换； 1.2自动状态运行时系统启动一台泵后，当压力无法达到设定压力时，系统自动启动第二台泵，当压 力还是无法达到设定压力时，系统自动启动第三台泵；当出口压力高于设定压力时应尽快切除掉一台 泵………或两台泵，直到满足设定压力为止。 1.3手动状态时，要求手动启/停每一台泵，用于检修及应急； 1.4 低液位时，停所有泵并声音及指示灯报警； 1.5 管网压力如果大于设定值上限，所有泵停，直至压力下降然后按设定重新逐一启动水泵。 1.6 三台泵均具备软启动功能。 电气原理图： 2. 设备选型： 2.1 PLC系统选型：选用台湾亚瑞电子（南京）有限公司生产的SR-22MRD 可编程控制器。该控制器具备14点DC输入，8点模拟量输入端口，模拟量输入端口为DC0—10V(精度为0.1V)；8点继电器输出（负载能力为：感性负载2A，非感性负载10A）。 2.2 压力变送器的选择：可选择三线制电压型压力变送器，带LCD数显表头。压力范围在 10Kpa-60Mpa。 2.3 液位开关选用供液电极型液位开关。
2.4 变频器：风机水泵型变频器。 3.电气控制原理及PLC程序说明： 3.1 电气控制原理图如图。3台水泵电机为M1,M2,M3。KM1,KM3,KM5分别控制三台泵工频运行；KM2,KM4,KM6分别控制三台泵变频运行。电路设计为互锁功能。每台泵均有热继电器作电机过载保护。QF1-4分别为变频器、泵主回路隔离开关。QF5为PLC及控制回路提供电源。SA为手动/自动切换旋纽，打到1位置启动PLC按设计程序自动运行；打到2位置为手动启动单台泵运行，用于检修、紧急状态下使用。HL3-HL8为运行状态指示。HL2为水箱位置报警指示。 3.2 PLC I/0地址及功能如图 3.3 程序文字简介： SA旋钮置于自动位置，PLC运行准备。当液位传感信号为1，如果压力信号<=2V，3号泵变频运行，1、2号泵工频运行补水；当压力信号<=2.5V, 1号泵工频、2号泵变频运行；压力信号〉=2.5V ,小于3V 时，1号泵变频运行。如果信号大于3V,将所有泵置零，即停止三台泵所有方式的运行，待压力下降重新逐一起动水泵运行。变频与工频切换时，考虑到电机中的残余电压，不能将电机立即切换到工频，而是延时一段时间，到电机中的残余电压下降到较小值，这个值保证电源电压与残余电压不同相时造成的切换电流冲击较小，故设置延时时间为700ms(可根据现场情况调节），之后接入工频。变频器设置为自由停车。 本程序关键部位功能块解读： 1. 程序开始采用TBLS功能块作为程序的启动与停止（包括急停），启动按钮定义为S置位信号。 停止按钮定义R端复位； 2 .大量采用&逻辑功能块，各条件均满足经过判断后用于输出； 3. 灵活使用反向器，例如变频器的一拖三功能和变频与旁路的切换均为反向器实现。压力传感器信号<2.5V且>2V,则由CMPR模块（模拟量比较器）引出一路至反向器1#，经过反向后控制1#变频输出为零，再经过一个反向器控制1#工频输出。所以变频器一拖三功能，变频与旁路的切换换都是通过反向器及其后接延时接通TRG模块实现。变频器的启/停控制也由三段压力信号约束(三段经比较后的压力信号接入或逻辑模块作为RS的置位信号，三路控制变频输出的反信号接入另一&逻辑模块作为RS复位端控制变频 器的启/停，由此实现变频输出的平滑切换。） 假如液位传感器信号为0，即：水满，程序置零，工频变频运行停止，输出为零，直到信号为1开始 补水。 SA置于手动位置可通过外围控制电路启动各台泵单独工频运行，便于检修与应急。 以下为编辑完成的程序界面：
TVFE9系列变频器恒压供水调试方案 恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水 网系出口压力值是根据用户需求确定的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用 变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。该技术已在供水行业普及。 一、变频恒压供水系统主要特点： 1、节能：变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。 2、运行可靠：变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定，由变频器实现泵的软起动， 使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。 3、卫生节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、 漏现象；系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、 气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。 4、控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。 5、自我保护功能完善：新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。 6、延长设备寿命、保护电网稳定：使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。 二、变频恒压供水系统组成 变频恒压供水系统通常是由水源、离心泵、压力传感器、PID调节器、变频器、管网组 成。工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。
目录 1 变频器恒压供水系统简介 (1) 1.1 变频恒压供水系统理论分析 (1) 1.1.1变频恒压供水系统节能原理 (1) 1.1.2 变频恒压控制理论模型 (2) 1.2 恒压供水控制系统构成 (3) 1.3 变频器恒压供水产生的背景和意义 (3) 2 变频恒压供水系统设计 (4) 2.1 设计任务及要求 (5) 2.2 恒压供水系统主电路设计 (6) 2.3 系统工作过程 (7) 3 器件的选型及介绍 (9) 3.1 变频器简介 (9) 3.1.1 变频器的基本结构与分类 (9) 3.1.2 变频器的控制方式 (9) 3.2 变频器选型 (10) 3.2.1 变频器的控制方式 (10) 3.2.2 变频器容量的选择 (11) 3.2.3 变频器主电路外围设备选择 (13) 3.3 可编程控制器(PLC) (15) 3.3.1 PLC的定义及特点 (15) 3.3.2 PLC的工作原理 (16) 3.3.3 PLC及压力传感器的选择 (16) 4 PLC编程及变频器参数设置 (18) 4.1 PLC的I/O接线图 (18) 4.2 PLC程序 (18) 4.3 变频器参数的设置 (22) 4.3.1 参数复位 (22) 4.3.2 电机参数设置 (22) 总结 (23) 参考文献 (24)
1 变频器恒压供水系统简介 1.1变频恒压供水系统理论分析 1.1.1变频恒压供水系统节能原理 供水系统的基本特性和工作点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f(Q)，如图1-1 所示。 图1-1供水系统的基本特征 由图可以看出，流量Q越大，扬程H越小。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Q(u)间的关系。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H J (Qu )。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。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。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1-1为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
基于 PLC 和变频器控制的恒压供水系统设计 赵华军钟波 （广州铁路职业技术学院） 摘要：文章介绍一种基于三菱PLC 和变频器控制恒压供水系统，详细地介绍了硬件的构成和控制流程。系 统较好地解决高层建筑、工业等恒压供水需求。系统具有节能、工作可靠、自动控制程度高、经济易配置等优点。 关键词：变频器；PID；PLC；恒压供水 1 引言 目前，在城市供水系统中，还有很多高楼、生活 小区、边郊企业等采用高位水塔供水方式。这样，由 于用水量具有很大随机性，常常出现在用水高峰时供 水量很小甚至没有水用的问题；且采用高位水塔，很 容易造成自来水的二次污染问题。针对这一情况，本 文设计了一套基于变频器内置PID 功能的恒压供水 系统，采用了PLC 控制及交流变频调速技术对传统 水塔供水系统的技术改造。该系统根据用水量的变 化，经过压力传感器将水压变化情况反馈给系统，使 得系统能自动调节变频器输出频率，从而控制水泵转 速，调节输出数量，使得水量变化时可保持水压恒定； 可取代高位水塔或直接水泵加压供水方式，为城市供 水系统的建设提出了一条极具推广、应用的新途径[1]。 2 工作原理 本文采用的变频器是三菱FR-A540，该变频器内 置PID 控制功能；供水系统方案如图1 所示。 将通往用户供水管中的压力变化经传感器采集 到变频器，与变频器中的设定值进行比 较，根据变频器内置的PID 功能，进行数 据处理，将数据处理的结果以运行频率的 形式进行输出[2]。 当供水的压力低于设定压力，变频器 就会将运行频率升高，反之则降低，且可 根据压力变化的快慢进行差分调节。由于 本系统采取了负反馈，当压力在上升到接 近设定值时，反馈值接近设定值，偏差减小，PID 运算会自动减小执行量，从而降低变频器输 出频率的波动，进而稳定压力。 在水网中的用水量增大时，会出现“变频泵” 效率不够的情况，这时就需要增加水泵参与供水，通 过PLC 控制的交流接触器组负责水泵的切换工作； PLC 是通过检测变频器频率输出的上下限信号，来判 断变频器的工作频率，从而控制接触器组是否应该增 加或减小水泵的工作数量。
课程设计 课题名称变频恒压供水控制系统设计学院(部) 专业 班级 学生姓名 学号 指导教师(签字)
14 / - 1 - 一、设计概述 变频器是一种新型技术，将变频调速技术用于供水控制系统中，具有高效节能、水压恒定等优点。本课程设计为实现恒压供水功能而按照设计任务书要求完成设计任务。最终实现控制系统的自动稳定运行。 根据设计要求本系统采用西门子PLC300控制系统对变频器进行调速控制和系统输入输出信号的采集以及系统报警功能的实现。本系统内的电机调速由变频器来实现，通过PLC控制变频器和现场压力仪表检测的反馈信号来实现对电机的自动恒压控制功能。 二、设计任务 例如一楼宇供水系统，正常供水20m3/小时，最大供水量35m3/小时，扬程45m。采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。本恒压供水系统，要求以1.0Mpa的恒定压力对用户进行供水。水泵有2台，由一台变频器驱动。PLC按照压力变送器（PIT）的信号，调节
变频器的输出，使水泵的转速变化，从而保证供水压力的恒定。两台水泵互为备份，可任意选择一台水泵处于变频模式或工频模式。控制系统原理如图1所示： 14 / - 2 - PLC 变频PIT 恒压供水变频控制系统原理图图1 系统设备选型三、 主要电气元件参数指标1，三相异步电动机水泵：35KW1.0Mpa 恒压设定点：，两线制，4-20mA电流输出压力变送器：0-1.6Mpa VVVF变频器变频器： 1）水泵（小时，35m3/根据设计要求水泵正常供水20m3/小时，最大供水量50 ，流量扬程45m扬程。参考相关资料选择型号为IS50-32-125(50m 的水泵即可满足要求。m3/小时) (2)远传压力表结合具体有数据读取表盘等优点，由于远传压力表具有价格低、14 / - 3 - 实际设计，故在此处选择其作为反馈信号。 四、系统控制要求 1、设两台水泵。一台工作，一台备用。正常工作时，始终有 一台水泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。 2、两台泵可以互换。 3、给定压力可调，压力控制点设在水泵处。 4、具有自动，手动工作方式，各种保护、报警装置。 5、用PLC为主要器件完成控制系统的设计。
变频恒压供水的应用方案 一、前言 随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频供水设备已广泛应用于多层住宅小区生活及高层建筑生活消防供水系统。变频调速供水设备一般具有设备投资少，系统运行稳定可靠，占地面积小，节电节水，自动化程度高，操作控制方便等特点。但在实际应用中若选型及控制不当，不但达不到节能目的，反而“费电”。以下结合我们多年来的实践经验，对几种变频供水系统的应用及其控制方法进行介绍，供同行及用户在设计、改造、选型时参考。 二、一拖二变频供水方式（见图1） 适用一般小区恒压供水，特点：是无需附加供水控制盒，成本低。利用变频器本身内置的恒压PID 控制功能。就能达到2 台水泵循环启停功能。 三、带小流量循环软启动变频供水设备（如3+1 供水模式，见图2） 该类型设备在实际应用中较多，系统由水泵机组、循环软启动变频柜、压力仪表、管路系统等构成。变频柜由变频调速器，供水盒（PLC+AD 模块+DA 模块），低压电器等构成。系统一般选择同型号水泵2~3 台，以3 台泵为例，系统的工作情况如下： 平时1 台泵变频供水，当1 台泵供水不足时，先开的泵切换为工频运行，变频柜再软启动第2 台泵，若流量还不够，第2 台泵切换为工频运行，变频柜再软启动第3 台泵。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后1 台泵变频恒压供水。 另外系统具有定时换泵功能，若某台泵连续运行超过24h 变频柜可自动停止该泵切换到下一台泵继续变频运行。换泵时间由程序设
定，可按要求随时调整。这样可均衡各泵的运行时间，延长整体泵组的寿命，防止个别水泵因长时间不工作而锈死。 当变频供水系统在小流量或零流量的情况下，比如在夜间用水低谷时，系统内的用水量很小，此时水泵在低流量下运行，会造成水泵效率大大降低，不能达到节能的目的，水泵功率越大用电越多。例如对300~1000 户的多层住宅小区或600 户左右的小高层住宅楼群（12 层以内）的生活用水系统，生活主泵功率一般在15kW 左右，系统的零流量频率fo 一般为25~35Hz 故在夜间小流量时，采用主泵变频供水效率较低。 这就涉用供水系统在小流量或零流量时的节电问题，一般可以采取4 种方案：a 变频主泵+工频辅泵；b 变频主泵+工频辅泵+气压罐； c 变频主泵+气压罐； d 变频主泵+变频辅泵。从节能、投资角度看第4 种方案更为适宜，该方案即在原变频主泵基础上，再配备1~2 台小泵专用在夜间或平时小流量时变频供水，一般选择小泵流量为3~6m3/h，居民区户数越多，流量可适当选择大些。小泵功率一般为1.5~3kW，小泵的扬程按主泵的扬程或略低扬程即可。 四、深水井变频供水设备
问：为什么变频恒压供水设备系统压力不稳容易振荡 答：系统压力不稳，可能有以下几种原因： 1、压力传感器采集系统压力的位置不合理，压力采集点选取的离水泵出水口太近，管路压力受出水的流速影响太大。从而反馈给控制器的压力值忽高忽低，造成系统的振荡。 2、如果系统采用了气压罐的方式，而压力采集点选取在气压罐上，也可能造成系统的振荡。空气本身有一定的伸缩性，而且气体在水中的溶解度随压力的变化而变化，水泵直接出水的反馈压力和通过气体的反馈压力之间有一定的时间差，从而造成系统振荡。 3、控制器的加减速时间与水泵电机功率不相符。一般情况下，功率越大，其加减速时间也就越长。此项参数用户可多选几个数据进行调试。比如，15KW一般为10至20秒之间。 4、控制器和变频器的加减速时间不一致，控制器的加减速时间设定应大于或等于变频器加减速时间。 问：为什么变频恒压供水设备小泵频繁起停 答：此种情况是针对工频工作的小泵而言的。在系统之中，控制器的参数中第23、24项参数“小泵压力正、负误差”设定过小。在所有主泵都关闭以后，当系统的实际压力低于设定压力与小泵压力负误差之和时，小泵则起动。随着系统压力的上升，使得系统的实际压力高于设定压力与小泵压力正误差这两者之和时，小泵则被系统关闭。所以，解决问题的方法是将此项参数调高一定值即可。 问：为什么变频恒压供水设备在水泵切换时，变频器输出不为零 答：用户首先确定控制器给变频器的控制线是否全部接好。如果变频器没有滑行停车输入信号，则必须将变频器设定为自由滑行停车的工作模式。如果变频器有此信号输入则确保和控制器接好。然后，在水泵进行切换动作时，控制器会给变频器一个滑行停车信号，即EMG信号。如果EMG信号线没有接通，会直接导致变频器过载，此类现象要绝对禁止，否则，容易损坏变频器。如果接有EMG信号线，请仔细检查线是否接实。确定接实，没有线路故障后，再用万用表检查控制器的EMG是否有输出。如果当控制器处于切换时，EMG信号没有输出，则说明是控制器有故障.另外，不论控制器的变频器控制方式是何种类型，切换时均为滑行停止模式。 问：变频恒压供水设备模拟输出不正常，变频器运行频率与控制器输出不符，为什么答：首先，应确定是什么硬件出了问题。使控制器进入手动调试状态，分别用万用表量出控制器输出0Hz及50Hz时所对应的模拟量输出值。如果控制器的模拟输出值在0Hz时大于30mV，或在50Hz时小于控制器第10项参数定标的电压值(请确定模拟输出增益为100%)，则说明控制器输出存在问题。如果随着控制器的频率变化，输出一直保持不变，说明控制器的模拟输出电路损坏;如果模拟输出值也是变化的，但不能达到最大值，可通过调节模拟输出增益解决。其次，如果控制器的输出值正常，当控制器输出达到第10项参数定标的电压值时，变频器不能达到50Hz，说明是变频器的设定值存在问题，可调节变频器的频率增益解决。
供水系统方案图
变频恒压供水系统构成及工作原理 1系统的构成 图3-1 系统原理图 如图3-1所示，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。 (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，图2.3中的3个水泵分为二种类型: 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。 恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于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。 (2)信号检测 在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号: 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。 ②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。 (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(PLC系统)、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工况、压力、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
课题名称变频恒压供水控制系统设计 学院(部) 电子与控制工程学院 专业电气工程及其自动化 班级 2011320401 学生阿不都热扎克·阿不都拉 _ 学号 06 月 23 日至 06 月 27 日共 1 周 指导教师(签字) 2011年 06 月 7 日
目录 摘要 (3) 一、设计容 (4) 二、设计要求 (4) 三、设计容 1、方案的确定 (5) 2、变频调速恒压供水系统简介及工作原理 (6) 3、水泵的容量计算 (8) 4、水泵/变频器/PLC的选择 (9) 5、变频器参数设定 (10) 6、PID控制器参数选择 (10) 7、PLC外部接线图的设计 (11) 8、主电路的设计 (12) 9、系统的工作原理 (12) 四、设计图纸 (13) 五、操作使用说明书 (14) 六、设计体会 (15) 七、主要参考资料 (16) 附录一/附录二 (17) 附录三 (18) 附录四 (19)
摘要 随着我国社会经济的不断发展，住房制度改革的不断深入，人民生活水平的不断提高，城区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，供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活与工作，也直接体现了小区物业水平的高低。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水灯供水方式普遍不通话程度的存在效率低、可靠性差、自动化不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。 论文分析了采用变频调速方式实现恒压供水的工作机理，通过对PID模块的参数预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环调节系统，利用变频器与水泵的配合作用实现恒压供水且有效节能。 论文论述了多种供水方案的合理性，同时也指出各种方案存在的问题，通过对比比较给出了比较适合该系统的方案——PLC控制变频恒压供水。 关键字：恒压供水变频调速 PLC
恒压供水系统方案
恒 压 供 水 案2013年5月
目录 一、企业供水系统问题分析 (1) 1.1、原有供水系统配置 (1) 1.2、原系统存在的问题分析 (3) 二、解决方案 (5) 2.1、方案要点 (5) 2.2、控制原理 (5) 三、设备和工程量清单 (8) 四、施工计划 (9) 五、售后服务 (9)
一、企业供水系统问题分析 1.1、原有供水系统配置 贵司原有供水系统，拥有****给水泵(图1-1)，实际应用过程中，基本上****即可满足需求。每台水泵吸水管终端未安装底阀，改用储水槽利用虹吸原理来达到吸水效果，虽然初期投入成本较高但运行稳定性高于底阀。每台水泵出水口均安装了管道减震器、闸阀和止回阀管径均为DN150，汇入主管道（DN300）。水泵动力控制柜3只，每只负责控制2台水泵，初期安装的变频器已经损坏现已改为工频运行。供水管道安装电磁流量计、压力表等检测仪表。具体参数如（表1-1） 表1-1 供水系统设备及参数列表
图1-1 供水系统图
1.2、原系统存在的问题分析 经贵司工程师介绍和现场勘察，原有供水系统存在以下问题，经过我司工程技术人员分析，其原因如下： ?水表计量精确度 贵司采用人工抄表的方式，统计各个厂区用水量和总供水量，各个厂区用水量与总供水量误差较大； 原因在于：人工抄表本身存在时间上误差；贵司总表流量计与工况不匹配，且维护不到位； ?水表损坏率较高 各厂区水表的损坏频率较高； 原因在于：总表流量计与工况不匹配，而且维护不到位； ?流量计不匹配而且维护不到位 贵司总供水管侧安装的流量计为6MPa，而日常使用压力远远低于该参数，而且贵司水质较差，探头很长时间未维护；
变频恒压供水系统 产 品 说 明 书 XX市XXXXXX有限公司
目录 一、概述 (1) 二、型号规格和表示意义 (2) 三、主要技术参数与设备示意图 (2) 四、变频恒压供水系统安装指引与注意事项 (3) 五、使用注意事项 (3)
一、概述 1、变频恒压供水系统的特点: 变频恒压供水系统是在气压给水设备的基础上开发的一种能直接与自来水管网连接、且对自来水管网不产生任何副作用的成套给水设备。他取代了蓄水池的和屋顶水箱，能充分利用自来水管网的压力直接或间接供水，避免了能源的二次浪费和水质的二次污染，大幅度节约了基建投资并缩短了施工工期。 变频恒压供水系统由智能型变频控制柜、稳流罐、水泵机组、仪表、阀门及管路、基座等组成，适用于一切需要增高水压、恒定流量的给水系统。 特点： (1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。 (2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。 (3)变频恒压供水系统设备要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。 (4)在变频恒压供水设备中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的. 2、应用范围： 1)住宅小区、别墅、写字楼、综合楼生活供水。 2)气压给水,地面水池加压等传统供水系统改造。 3)各种锅炉冷水供水系统、锅炉热水。 4)自来水厂的中间加压泵站、自来水二次增压。 5)各工矿企业的生产、生活用水、管网稳压。 6)各种类型的循环水、冷却水供应系统。
PLC与变频器控制的自动恒压供水系统 1 系统简介 为改善生产环境，沱牌公司投资清洁水技改工程并建成一座日产水2.5万顿的供水系统，分别建设了抽水泵系统、加压泵系统和高位水池。根据公司用水需求特点，从抽水泵系统过来的水一部分直接供给生产用水部门，一部分则需通过加压泵输送到高位水池，而供给生产用水部门的水压与供给高位水池的水压相差较大。同时高位水池距抽水泵房较远达十多公里，高位水池的液位高低和加压泵系统的设计以及如何与抽水泵系统“联动”也是较难解决的。 鉴于以上特点，从技术可靠 和>'https://www.doczj.com/doc/fe5915282.html,/jingjilunwen/' target='_blank' class='infotextkey'>经济实用角度综合考虑，我们设计了用PLC控制与变频器控制相结合的自动恒压控制供水系统，同时通过主水管线压力传递 较>'https://www.doczj.com/doc/fe5915282.html,/jingjilunwen/' target='_blank' class='infotextkey'>经济地实现了加压泵系统与抽水泵系统“远程联动”的控制目的。 2 系统方案 系统主要由三菱公司的PLC控制器、ABB公司的变频器、施耐德公司的软启动器、电机保护器、数据采集及其辅助设备组成（见图1）。 2.1 抽水泵系统 整个抽水泵系统有150KW深井泵电机四台，90KW深井泵电机两台，采用变频器循环工作方式，六台电机均可设置在变频方式下工作。采用一台 150KW和一台90KW的软起动150KW和90KW的电机。当变频器工作在50HZ，管网压力仍然低于系统设定的下限时，软起动器便自动起动一台电机投入到工频运行，当压力达到高限时，自动停掉工频运行电机。一次主电路接线示意图见图2所示。
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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。变频器结构图如图所示。 图.变频器结构图 变频器的配线 1、主回路端子台的配线图如图所示。 图.变频器配线图 2、控制回路端子 （1）控制回路端子图
水泵恒压供水方案 一.泵房供水电机一般以恒定速度运行,用大小泵切换或调节 进出水阀的方法调节水压及流量,以满足各种不同的需求.这种低效率控制流量的方法,不能满足实际工作要求,由于工作中水量变化,可能使平均水压升高,一方面造成不必要的能量消耗还会使管网因较大的压力冲击,使管网破裂;另一方面使水压不稳,影响供水品质. 二.采用变频恒压供水自动化控制的特点: 1.节省电能,降低能源消耗,能24小时维持恒定压力,并根据 压力信号自动启动备用泵,无级调整压力,供水质量好,与 传统供水相比,不会造成管网破裂及水龙头共振现象. 2.启动平滑,减少电机水泵的冲激,延长了电机及水泵的使 用寿命,降低了维修成本,避免了传统供水中的水锤现象. 3.变频恒压供水保护功能齐全,运行可靠,具有欠压,过压, 过流,过热等保护功能.可根据用户需要,选择各种附加功 能. 三.供水工况 目前通过二台45KW,二台15KW的水泵(一用一备),工艺要求水压为5Mpa。主要考虑节能及自动化的要求,内置自动节能,PID,简易PLC及通讯接口等功能,可以
方便与PLC,现场总线进行通讯,方便操作及监控,同时可以方便地与压力传感器连用。 四、恒压供水原理 当供水系统阻力一定时,水泵转速的变化,将会改变供水系统的压力和流量。如图1所示,当水泵转速由N1提升到N2时,由于阻力曲线R不变,水泵工况由A点移到B点。则流量由Q1提升到Q2,同时扬程也由H1提升到H2。系统阻力不变时,只需调节电动机的转速,即可改变流量与扬程。 H R H2 N2 P=QⅹHⅹr/102ⅹn (1) H1N1 B P:水泵工况点的轴动功率(KW) H0 A Q:水泵工况点的水压或流量(m3/s ) Q1 Q2 Q H:水泵工况点的扬程(m) r:输出介质单位体积重量(Kg/m H0 ( 图1 ) n:水泵工况点的泵效率(%) 根据离心泵的公式 (1)和水阻力特性曲线,我们可以知道,在水阻特性一定时,调速N与流量Q、 扬程H、轴功率P之间的关系式为: Q2/Q1=N2/N1 (2) H2/H1=(N2/N1)2 P2/P1=(N2/N1)3
恒 压 供 水 案2013年5月
目录 一、企业供水系统问题分析 (1) 1.1、原有供水系统配置 (1) 1.2、原系统存在的问题分析 (3) 二、解决方案 (5) 2.1、方案要点 (5) 2.2、控制原理 (5) 三、设备和工程量清单 (8) 四、施工计划 (9) 五、售后服务 (9)
一、企业供水系统问题分析 1.1、原有供水系统配置 贵司原有供水系统，拥有****给水泵(图1-1)，实际应用过程中，基本上****即可满足需求。每台水泵吸水管终端未安装底阀，改用储水槽利用虹吸原理来达到吸水效果，虽然初期投入成本较高但运行稳定性高于底阀。每台水泵出水口均安装了管道减震器、闸阀和止回阀管径均为DN150，汇入主管道（DN300）。水泵动力控制柜3只，每只负责控制2台水泵，初期安装的变频器已经损坏现已改为工频运行。供水管道安装电磁流量计、压力表等检测仪表。具体参数如（表1-1） 表1-1 供水系统设备及参数列表 名称规格数量单位备注 供水泵电机：V 水泵： 6 只 电控箱H*l*D GGD 3 只 电磁流量计DN300 PVDF 1.6Mpa 1寸法兰接口 1 套 管道减震器橡胶法兰接口 1 套数量以现场为准闸阀铸铁法兰接口 1 套数量以现场为准管路配件铸铁 DN150 1 套数量以现场为准
图1-1 供水系统图
1.2、原系统存在的问题分析 经贵司工程师介绍和现场勘察，原有供水系统存在以下问题，经过我司工程技术人员分析，其原因如下： ?水表计量精确度 贵司采用人工抄表的方式，统计各个厂区用水量和总供水量，各个厂区用水量与总供水量误差较大； 原因在于：人工抄表本身存在时间上误差；贵司总表流量计与工况不匹配，且维护不到位； ?水表损坏率较高 各厂区水表的损坏频率较高； 原因在于：总表流量计与工况不匹配，而且维护不到位； ?流量计不匹配而且维护不到位 贵司总供水管侧安装的流量计为6MPa，而日常使用压力远远低于该参数，而且贵司水质较差，探头很长时间未维护；
项目四恒压供水系统调试与运行 恒压供水系统一般由水箱、水泵、电动机、压力传感器、控制器、变频器等组成。采用多台水泵及电机比单台水泵及电机节能而可靠。恒压供水的 主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就需要用变频器为水泵电机供电。数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。如图4-1所示。 图4-1 恒压供水控制系统 学习完本项目后，你将能够： ●了解恒压供水系统的组成及各部分的作用； ●掌握恒压供水基本原理，控制器的闭环工作过程； ●熟悉模拟量模块EM235的性能指标、接线、校准及配置； ●掌握变送器的选择与应用； ●掌握模拟量地址设置、采集、变换及滤波； ●理解PID控制各部分的作用，熟悉PID指令； ●熟悉PID控制各参数的工业常用范围； ●掌握变频器通信控制的接线与参数设置；
●熟练应用USS协议控制西门子MM420变频器； ●熟练搭建西门子触摸屏组态环境； ●熟练应用西门子触摸屏建立项目、组态元件、下载调试； ●掌握系统选型、图纸绘制、系统接线； ●熟练编制手动子程序，配合触摸屏调试硬件系统； ●熟练编制自动子程序，实现恒压控制； ●熟练组态触摸屏，进行界面切换、参数设置、操作控制。 4.1 恒压供水系统认知 4.1.1 实训的目的和要求 1. 实训的目的 （1）了解恒压供水系统的组成。 （2）理解各组成部分在作用。 2. 实训的要求 （1）观察系统，说明各部分作用。 （2）打开控制柜，说明每个器件的作用，说明每根接线的作用。 （3）拆卸控制柜。 4.1.2 基本原理 恒压供水系统可分为控制柜和执行机构两大部分。控制柜有电源、显示仪表、控制器、中间继电器、接触器、变频器、压力传感器、变送器、互感器、按钮、转换开关、触摸屏等组成，执行机构一般由水箱、水泵、止回阀、电动机、阀门等组成。如图4-2所示。 水泵 水箱 图4-2 变频恒压供水系统的基本构成
变频恒压供水系统组成及工作原理变频恒压供水最简单的方式：一台变频器，一个电接点压力表。变频器是电子元件，没有机械运动；水泵总的转速还是跟水量成比例的。另外，供水系统对水压没精度要求，况且压力波动不会超过0.02MPa(设定0.3MPa时）。变频器在恒压供水系统中的应用变频恒压供水主要有分为：恒压变流量和变压变流量两大类。 一、变频恒压供水系统组成 系统为变频恒压的供水系统，分为冷水、热水两大供水系统，系统为1拖1的恒压供水，两台电机为互备，可选择使用1#泵或2#泵运行，KM3、 KM8为手动工频运行选择，作为变频的维修系统备用，KM2 ，KM3、 KM7，KM8为机械互锁的接触器，保证选择变频运行和工频运行的正确切换。 变频恒压供水的基本原理:以压力传感器和变频器组成闭环系统，根据系统管网的压力来调节电机的转速，实现高峰用户的水压恒定，和低峰时的变频的休眠功能，得到恒压供水和节能的目的。 二、系统硬件参数 热水系统： 电机参数： Pe=15kw Ue=380v Ie=26.8A Ne=1490rpm 变频器型号： 6SE64430-2AD31-8DA0 Pe=18.5kw Ie=38A 压力传感器： GYG2000 反馈信号4-20mA 供电+24V 量程0-0.5Mpa 冷水系统： 电机参数： Pe=22kw Ue=380v Ie=39.4A Ne=2940rpm 变频器型号： 6SE64430-2AD33-7EA0 Pe=30.5kw Ie=62A 压力传感器： GYG2000 反馈信号4-20mA 供电+24V 量程0-0.5MPa 三、PID闭环控制功能原理及调试方法 变频器的内置PID功能，利用装在水泵附近的主出水管上的压力传感器，感受到的压力转化为4-20mA电信号作为反馈信号。根据变频恒压的层高设定压力值作为给定值，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