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1、变频调速恒压供水系统设计 摘要 随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，人民的生活水平不断提高；同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工作和生活。本文根据城区供水管网改造工程设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统，具有自动工频/变频恒压运行、可实现远程自动控制和现场手动控制等功能。论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。通过对变频器内置PID模块参数的
2、预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，增强了系统的可靠性。并与计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。 关键词：PLC；变频调速；恒压供水；变频工频切换 Abstract With the continuous
3、deepening of reforming and opening up, the construction and economy of small and medium-sized cities in China have developed rapidly. Peoples living standards have improved constantly. The water supply system is demanded more as city water consum ption increasing. The urban construction and economic
4、 development and also peoples daily work and life are impacted directly by the reliability, stability and the economical of energy conservation of the water supply system.An autom atic conversion and voltage constant Water Supply and remote monitoring system, which consist of the PLC, the converter,
5、 the remote transition pressure gauges, the multi-pumps unit, the computer and so on. It is of automatic line-frequency /conversion function, remote and local automatic control. In this paper, the mechanism of energy saving, which uses speed governing with invertor to design voltage constant water s
6、upply system, competing with traditional valve controlled pressure constant system. Closed loop system is built by presetting the parameter of the PID inside of convertor, and feedback of remote transiton hydraulic meter. Using the step regulation of convertor pump and frequency pump in full rang of
7、 flow to apply PID control on the change of water achieves energy saving of voltage constant water supply. This paper discusses the reasonability of water supply scheme with much pump parallel connection, and analyses the conversion condition and the various states of water supply of the much pump w
8、ay of water supply as well as the switch process and the problem of a generator from variable frequency operation mode to work frequency operation mode. In addition，the combination of the system and the computer is achieved，which improved the overall function of the system Key words：PLC; Variable Ve
9、locity Variab le frequency; Constantp ressure water-supply; variable frequency to working frequency 目录 摘要 . I ABSTRACT . II 1 绪论 (1) 1.1课题背景及意义 (1) 1.2变频恒压供水的现况 (1) 1.3变频恒压供水系统的特点 (3) 2 变频恒压供水系统理论分析 (4) 2.1供水系统的基本特性 (4) 2.2不同控制方式下的能耗分析与比较 (5) 2.3变频恒压控制的理论模型 (6) 2.4供水系统中的水锤效应及消除方法 (7) 3 供水系统恒压控制与硬件设计
10、 (8) 3.1异步电动机调速方法及选型 (8) 3.1.1 变极调速 (8) 3.1.2 变频调速 (9) 3.2 供水系统的方案确定 (10) 3.2.1 供水系统的流量类型 (10) (10) (12) 3.3控制系统的硬件设计与选型 (13) (14) (16) 3.4PLC的选型 (19) 3.5系统可靠性措施 (20) 4 PLC控制系统的设计 (22) 4.1水泵工频/变频运行状态及转换过程分析 (22) (22) 4.1.2 状态转换关系 (22) 4.1.3 状态转换条件 (24) 4.2PLC程序设计 (25) 4.2.1 PLC编程语言 (25) 4.2.2 梯形图语言编
11、程的一般规则 (25) 4.3供水系统控制模块的设计 (26) (26) (26) 5 恒压供水系统的PID调节 (28) 5.1PID控制及其控制算法 (28) 5.2恒压供水PID调节过程分析 (29) 结论 (31) 附录 (32) 参考文献 (35) 1绪论 1.1 课题背景及意义 随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。 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，
12、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效果，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在变频恒压供水系统中利用变频器改变电动机的电源频率，从而达到调节水泵转速，改变水泵的出口的压力的目的，这种方法比靠调节阀门控制水泵出口压力的方法，具有更高的效率和优越性。由于水泵工作在变频工况下，在其出口流量小于额定流量时，泵的转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电动机的机械使用寿命。实现恒压供水的自动控制，不需要操作人员频繁的操作，大大降低了人员的劳动强度，节省了人力和能源的消耗。 1.2变频恒压供水的
13、现况 国内外变频供水系统现状 从20世纪70年代起，国内外的很多专家，学者就开始尝试将计算机技术应用于供水系统的模拟，优化设计及供水系统控制等方面。目前，国内外供水系统采用的自动控制技术不少，其特点是变频技术与其他自动化技术相结合。如最初的恒压供水系统采用继电接触器控制电路，是与开关量逻辑控制技术结合，通过人工启动或停止水泵和调节泵出口阀来实现恒压供水。该系统线路复杂，操作麻烦，劳动强度大，维护困难，自动化程度低，应用前景不好。后来增加了微机和PLC监控系统，提高了自动化程度。但由于驱动电机是恒速运转，水流量靠调节泵出口阀开度来控制，浪费大量的能源，也没有很好的发展前景。转速控制法是通过改变水
14、泵的转速来调节流量，通过变频技术调速。变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，得到了广泛的应用。 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，所以是且前国内研究和推广最多的方式。如希望集团推出的恒压供水专用变频器。 (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
15、器电机功率在135kW-320kW之间，电网电压通常为200V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。如利德福华的一些高压供水变频器。 变频供水系统的发展趋势 (1)变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展 在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高。很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组
16、件。同时维护操作也越来越简单，部分新品的变频供水只需简单设定压力值就可以正常运行，控制软件和其它参数在出厂时就已设定或利用传感器自动获取完毕。 (2)高压变频系统在供水行业中的应用 在过去变频供水涉及较少的商压变频系统，也是发展的重要方向，高一低高型的高压变频系统、串联多电平高压变频供水系统目前己在实际应用中不断完善高压高频中的谐波等问题也逐步得到解决。 (3)变频送水系统正在融入更全面的供水管理系统 面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系统的效益，是所有供水部门共同面临的重要课题。目前，在美国、日本、法国等地的有些城市已基本上实现了供水系统的计算机优化，把变
17、频供水与计算机直接调度管理结合起来，我国也正在进行着这方面的研究与小范围应用。 1.3变频恒压供水系统的特点 现有变频恒压供水系统具有以下特点: 1、滞后性 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，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、非线性 用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。 3、多变性 变频调速恒压供水系统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，
18、因此其控制对象的模型具有很强的多变性。 4、时变性 在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制是时时发生的，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，变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。 5、容错性完善的保护功能 当出现意外的情况时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下仍能进行供水。 6、节能性 系统用变频器进行调速，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，同时
19、减少了启动惯性对设备的大惯量转速冲击，延长了设备的使用寿命。 2 变频恒压供水系统理论分析 2.1 供水系统的基本特性 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2-1所示。由图2-1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 Q ）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 与流量Q 之间的关系H=f （U Q ）。管阻特性反映了水泵的能量用来克
20、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Q 之间的关系H=f （c Q ）。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U Q 和供水系统的供水流量c Q 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供水系统的基本特性 2.2 不同控制方式下的能耗分析与比较 当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E 点，流量为Ql
21、 ，扬程为0H ，当供水 量从1Q 减小到2Q 时必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从3移到1，扬程特性曲线不变。而扬程则从0H 上升到1H ，运行工况点从E 点移到F 点，此时水泵输出功 率用图形表示为(0,2Q ,F,1H )围成矩形部分，其值为1： 02 =102D H Q P （2-1） 当用调速控制时，若采用恒压(0H )，变速泵(2n )供水，管阻特性曲线为2，扬程特性变为曲线2n ，工作点从E 点移到D 点。此时水泵输出功率用图2-2表示为(0，Q 2,D,0H )围成的矩形面积，可见，改用调速控制，节能量为（0H ,D,F,1H ）围成的矩形面积，其值为： 0210
22、212()-=-=102102102=F D H Q H H Q H Q P P P -? （2-2） 所以，当用阀门控制流量时，有 102102（H -H ）Q 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E 增大，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q 、扬程H 、功率P 与转速N 之间关系为： 2 211=Q N Q N ; 22211=()H N H N ; 32211=()P N P N （2-3） 式中Ql 、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，2Q 、H 2、P 2为变速后的流量、扬程、功率。由公式(2-3)可以看出，功率与转速的立方成正比2，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，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，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。 图2-2 管网及水泵的运行特性曲线 2.3变频恒压控制的理论模型 变频恒压控制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3。 图2-3变频恒压控制原理图