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工厂恒压供水控制系统设计 摘 要 随着工厂用水设备不断增多，以及工厂对试验质量的要求进一步增加，目前工业供水的压力以及稳定性已经无法满足工厂日益增长的需求。为了解决这一需求，可以利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应工厂的恒压供水系统成为必然趋势。本论文结合工厂的用水现状，设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压自动控制供水系统。变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、内置 PID 变频器、水泵电机组、压力传感器、及控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动 2 台电动机(30kw)的起动、运行与调速，2 台分别采用循环使用的方式运行。在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率 来改变电机的转速，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵工况的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。本控制系统中采用了日本三菱公司的 FX-2n 系列可编程控制器，同时选取了一个用于供水系统压力控制的内置 PID 算法的变频器。该变频器对压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。关键词:PLC 变频调速 恒压供水 目 录 第 1 章 绪论 11 概述及意义 12 变频恒压供水系统的国内外研究现状 13 PLC技术概况 14 变频恒压供水系统特点及其安全性讨论 15 本课题的主要研究内容 第 2 章 系统的理论分析及方案的确定 21 变频恒压供水系统节能原理 22 变频恒压控制的理论模型 3.3 通用变频器+PLC+人机界面+压力传感器 2.4 本章小结 第 3 章供水系统恒压控制与硬件设计 31 变频调速 32 变频器的接线 33 供水系统总体要求 34 可编程逻辑控制器(PLC)的 I0 端子分配 35 本章小结 第 4 章变频恒压供水系统的软件设计 41 PLC 程序设计方法 42 供水系统控制程序 43 变频器 P I D 控制功能参数的设置 44 可靠性分析 45 本章小结 第 5 章结论 51 本课题研究结论 52 课题存在问题与展望 第 1 章绪论 11 概述 随着工厂用水设备的不断增多，及用水设备使用周期的不确定性，往往导致在日常试验中工厂水压有时能满足要求，有时压力过低不得不停止试验。极大的影响了工厂的正常运作及试验精度。无法满足工厂的正常运作。为了解决这一现状，工厂尝试了一些改进的方法，如在工厂楼顶建立水塔、恒速泵加压供水等，虽然解决了一些问题，但也带来了一些其它的弊端，具体分析如下：l、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，在周末无法确保工厂正常供水的情况下为了确保实验的正常进行往往会开启供水系统，使得水泵常处于满负荷运行，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，之前每年都会更换几次水泵，给工厂带来了很多不便，同时还要投入很多人力去维护，没有起到工厂精益的目的。2、而在楼顶建立大的水箱利用机械式浮球给水箱补水再用泵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，而且机械式浮球不断动作容易损坏，在周末无人看守的情况下，给工厂带来了其它严重的安全隐患，是我们所不能接受的。3、工厂也调研了其它的供水方法，如气压罐供水，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。综上所述，以前工厂供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。当前，随着可编程序控制器(PLC)技术的发展，由于其高可靠性、高性价 比、广泛的工业现场适应性和方便的工艺扩展性能，PLC在工业自动控制过程中 得到了越来越广泛的应用。同时，交流异步电动机变频调速技术的日益成熟，与 以往任何调速方法相比具有节能效果明显、调速过程简单、起动性能优越、自动 化程度高等许多优点。因此将PLC及变频器应用于供水系统，可满足工厂供水 系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求。12 变频恒压供水系统的国内外研究现状 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。在早期，由于 国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制 动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的 资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵 机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成 本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程 度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频 器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推 出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式、“变频泵循环方式一两种模式，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置 指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便 可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵 活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件 难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受 到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制 水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程 控制器(PLC)及相应的软件予以实现：有的采用单片机及相应的软件予以实现。但 在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来 说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司 和成都希望集团(森兰变频器)也推出了厦压供水专用变频器(55kw22kw)，无需 外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出 接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于 小容量，控制要求不高的供水场所。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。13 PLC技术概况 可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继 电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得 到普通应用，越来越多的工厂设备采用PLC、变频器、人机界面等自动化器件来 控制，使设备自动化程度越来越高。1、PLC技术特点 可编程序控制器是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机，其出现后就 受到普遍重视，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占有了极其重要的地位，最重要的原因是它与现有的各种控制方式相比较，具有如下独一无二的特点：(1)可靠性高 可编程控制器的平均无故障时间长达30万小时，也就是说一台可编程控制 器可连续运行30多年不出故障，到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠 性能达到和超过PLC。在硬件方面采用了屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离及 模块结构等措施来增加PLC的可靠性；在软件方面，设置了自诊断、警戒时钟 WDT、信息保护和恢复等措施；此外，PLC采用周期扫描、集中采样、集中输 出的工作方式也极有效地提高了自身的抗干扰能力。因此，它具有了极高的可靠 性和很强的抗干扰能力，被誉为“不会损坏的仪表”。(2)控制程序可变，具有很好的柔性 在生产工艺流程改变或设备更新，需要改变控制功能时，往往不必改变硬设 备，只需改变一下应用程序就可以达到目的。PLC具有很突出的柔性控制能力，此能力正是目前企业“小批量、多品种”产品所强烈要求的。正因为此，PLC在柔 性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)以至于工厂自动化(FA)中也被 大量采用。(3)编程方法简单易学 目前，大多数PLC编程采用的都是与继电器控制电路相似的梯形图，它形 象直观，易学易懂，因此受到了普遍欢迎。PLC还针对具体问题，开发了顺序功 能图语言，简化了复杂控制系统的编程。与目前微机控制中常用的汇编语言相比，更容易被操作人员接受。(4)功能强，性能价格比高 现代PLC内部有成百上千的内部继电器、几十个特殊继电器、许多数据寄 存器、定时器和计数器，还开发了几十到几百的功能指令，所以它不仅具有逻辑 运算、定时、计数、顺控等功能，还具有较强的数值处理功能、模拟量输入输出 处理功能、通信联网功能等。此外，还能扩展位置控制、运动控制等各种特殊功 能的智能模块。与相同功能的继电器控制系统相比，它具有很高的性能价格比。(5)体积小，重量轻，能耗低 由于半导体集成电路的应用，PLC的体积相对很小。一台收音机大小的PLC 具有相当于三个18m高的继电器柜的功能，节电能达50以上。例如，FX2N_-40MR内部有1540个继电器，1000个状态器，256个定时器，235个计数 器，还有大量的数据寄存器，而其外形尺寸仅为350mmx90mmx87mm，重仅为 15kg。由此可见，PLC 是机电一体化的理想装置。2、PLC 的应用 由于可编程控制器鳆上述特点，使其在国民经济的各个领域都得到了广泛 应用，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面。(1)开关量逻辑控制 这是PLC最早也是最基本的应用。PLC具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行逻辑控制、顺序控制与定时控 制。既可实现单机控制，也可用于多机控制及自动化生产流水线的控制，如组含 机床、电梯、电镀流水线、冶金高炉的上下料以及港口码头货物的存放与提取控 制等等。(2)运动控制 由于模拟量输入输出功能的实现以及PLC对数据处理功能的提高，制造商 相应提供了拖动步进电动机或伺服电机的单轴或多轴运动控制模块。PLC把描述 目标位置的数据送给模块，当每个轴移动时，运动控制模块能使之保持适当的速 度和加速度，确保运动的平滑性。可编程控制器的运动控制功能可广泛用于各种 运动机械，如金属切削机床、机器人以及电梯等。(3)过程控制 它是指对溢度、压力、流量和速度等模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量输 入、输出模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的转换(AD或 DA转换)，并利用PID(ProportionalIntegral-Derivative)子程序或专用的智能 PID模块对模拟量进行闭环控制。PLC的模拟量PID控制已经广泛应用于水处理、锅炉、加热炉、热处理炉、冷冻设备、酿酒以及闭环速度控制等方面。(4)数据处理 现代的PLC不仅能进行数学运算、数据传送，而且能进行数据比较、数据 转换和数据通信等。PLC也能和机械加工中的数字控制(NC)及计算机数控(CNC)相结合，实现数值控制。为实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传 递，通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。预计今后 几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。一般说来，数据处理常 用于较复杂的大型控制系统，如无入柔性制造系统等。(5)通信联网 PLC的通信包括基本单元与远程Io之间的通信、PLC之间的通信、PLC和 智能设备(如计算机、变频器、数控设备等)之间的通信。为了适应近几年兴起 的工厂自动化(FA)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)发展的 需要，近几年开发的 PLC 都加强了通信功能。14变频恒压供水系统特点及其安全性讨论 变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合，在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点 u：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，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)非线形：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，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(包括定量泵的停止和运行)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变的。5)容错性：当出现意外的情况(如突然断电、泵、变频器或软启动器故障 等)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，保证在紧急情况下的仍能进行供水。6)可扩充性：水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯 接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便 显示和监控以及报表打印等。7)节能性：系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供 水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从0到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲 击，延长了设备的使用寿命。影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短 时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空 化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样的现象。水锤效应具有极 大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。此 外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。而采用变频调速，对系统的安全性有一 系列的好处：1)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 现消除水锤效应，减少了对水泵及管道系统所受的冲击，可大大延长水泵及管道 系统的寿命。2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的 应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长。3)变频调速的软启动器避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿 命。4)减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可 靠性。15本课题的主要研究内容 本文主要通过对现有供水系统的调研和分析，依据用户对供水系统的要求，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLc作为 主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，并引入计算机对供水系统进行远程 监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。具体而 言，论文包括以下内容：1)论文在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法；2)分析了变频恒压供水系统节能的原理，给出了恒压供水的理论模型及近 似的数学模型；确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制 流程及工作原理；最后分析了在变频恒压供水中，水泵切换的条件。3)论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用 户的需求入手确定合适的设备选型；详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行 的各种工况及其转换过程，讨论PLc的程序设计方法及程序执行特点，并在此基 础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案；在介绍 PID调节原理的基础 上，分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程，给出 PID参数设置方法；最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。4)通过计算机和PLc的通信，实现供水系统运行状态的实时远程监控是本 论文的一个特色之处。论文介绍了计算机和PLc通信系统的组成和通信协议，给 出了通信程序，并提出供水系统监控软件设计方法。第2章系统的理论分析及方案的确定 21 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(Q)，如图2 1 所示。由图21可以看出，流量Q越大，扬程H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=f(Qn)。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 21中A点。在这一点，用户 的用水流量Q和供水系统的供水流量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 21 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。异步电机的转差率定义为：异步电机的同步速度为：异步电机的转速为：其中;n1为异步电机的理想空载转速；n为异步电机转子转速；f是异步电机 的定子电源频率；p为异步电机的极对数。从上式可知，当极对数p不变时，电机 转子转速n与定子电源频率f正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就 可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从 高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速 范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统 相媲美。因此，变频调速是交流异步电机中一种比较合理和理想的调速方法，它 被广泛地应用于对水泵电机的调速。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内保持不变，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。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，扬程为H0，当供 水量从Q减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从属 移到届，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，此时水泵输出功率用图形表示为(0，Q2，F，H1。)围成矩形部分，其值为：当用调速控制时，若采用恒压(H。)，变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为，扬程特性变为曲线，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率用图形表示为(0，Q2，D，H0)围成的矩形面积，其值为：可见，改用调速控制，节能量为(H0，D，F，H1)围成的矩形面积，其值为：所以，当用阀门控制流量时，有功率被浪费掉，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。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：式中Ql、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。由公式(2-7)可以看出，功率与转速的立方成正比，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。22 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 从图2.3中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压 力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出 图 23 变频恒压控制原理图 频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量 和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率 使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于 设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相 等。2.3 通用变频器+PLC+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IO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。因此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“变频器主电路+PLC(包 括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器的控制方式更适合于本系 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。确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利 点的用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性 及其它技术要求n引。根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为 连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有 一定的流量；间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零；各种类型 的水流量变化关系曲线如图 24 所示。本文的供水系统主要用于小区生活用水，其水量主要集中早、晚两个时间段，平时处于低流量状态，属连续型低流量变化型。这类型用水需求在较长时间段表 现为低流量，相对于设计流量有较大的余量，采用变频调速方式来实现低流量时 的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达 30。水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运 行时，平稳、噪声小。由于用水呈低流量变化型的特点，采用多台水泵并联供水，根据用水量大小 调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级 调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少：其二，供水可靠性 好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量 泵来维持正常的泄漏和水压。多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编 程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程 来实现。供水系统的恒压通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统 控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，开启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止 时先关电动碟阀后停机。为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信 模块。综上所述，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：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，其中由变频泵和附属小泵构成，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；附属 小泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下(例如：夜间)对管网用水量进行少量的补充。在变频调速恒压供水系统中，这样构成水泵组有 下几个原因：用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵，使水泵选型容易，同 时这种结构更适合于大功率的供水系统；供水系统的增容和减容容易，无需更换 水泵，只要再增加恒速泵即可；以小功率的变频器代替大功率的变频调速器，以 降低系统成本，增加系统运行可靠性；附属小泵的加入，使系统在用水量很低时(如：夜间)可以停止所有的主泵，用小泵进行补水，降低系统的运行噪音：在 用水量不太大时，系统中不是所有的水泵在运行，这样可以提高水泵的运行寿命，同时降低系统的功耗，达到节能的目的。2)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液 位信号和报警信号。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AD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；液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。此信号来自在安装于水源处的液位传感器；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)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交频去拖动另 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 以选择心们；本文采用前者。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。现将系统控制流程说明如下：1)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 动水泵M1，通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变 频器的输出频率，控制M1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M1工作在调速运行状态。2)当用水量增加水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，增加水泵的转 速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环和恒压 控制器，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(在下文有详细 的阐述)时，在变频循环式的控制方式下，系统将电机M1切换至工频电网供电 后，M1恒速运行，同时使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，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，并有新的水泵投入并联运行。当最后一台水泵 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(在下文有详细的阐述)时，系统将上次转换成工频运行的水泵关掉，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，直到剩下一台变频泵运行为止。5)当系统中只有1台调速泵在工作，而调速泵的运行频率已降至下限频率 时，且满足关泵条件，此时关闭调速泵。系统进入靠附属小泵进行少量补水的状 态。在这种情况下，若实际压力低于设定压力，则延时后开启附属小泵进行补水，附属小泵开启后，若实际压力高于附属小泵的工作压力(设定压力+附属小泵启 停压力误差)，则关掉附属小泵。待实际压力再次低于设定压力后，重复上述过 程。在附属小泵开启后，压力达不到设定压力，则经过一定的延时后，关掉附属 小泵，开启调速泵进行控制，工作过程同 2、3、4 步。2.4 本章小结 本章在分析供水系统模型及其特性参数的基础上，探讨了影响供水系统能耗 及其安全性的一些因素，得出了以下结论：1、对供水系统进行的控制，归根结底是对供水能力的调节，以满足用户对 流量的需求。这种调节又是以水压调节为目标。2、供水系统扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点是系统的工作点，实际运 行中的工作点会随用水需求的变化而改变。为保证水压恒定，采取转速调节方式 较阀门控制方式节能效果明显。3、采取流量控制实现恒压供水，可减少系统能耗，提高工作效率。4、采取水泵电动机的软起动可以减小或消除水锤效应，可减少冲击，增加 系统运行的安全性，延长系统运行寿命。31 变频调速 1、变频调速机械特性 通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式。这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变 压变频方式的，简称为VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。在改变 输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁基本不变，其关系为：式中：U1变频器输出电压、f1变频器输出频率 变频调速方式时，三相异步电动机的机械特性表达式：式中：r1-定子电阻 X1-定子漏电抗 X2一转子漏电抗折算值 频率f从额定值fn往下调时，由机机械特性变化情况如图31 a)所示，图中 fnf1f2f3f4 2、变频调速过程的特点：静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。3、变频调速对供水系统安全性的作用 采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处 (1)可消除水锤效应，减少对水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵及 管道系统的寿命。拖动系统中，动态转矩Tj=Tm-Tl Tm：是电动机的拖动转矩 Tl：是供水系统的制动转矩 图3-1中b)和c)反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。图中，曲线是异步电动机的机械特性，曲线是水泵的机械特性，c)中的锯齿状线 是变频起动过程中的动态转矩。由图可知，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。(2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受 的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长。(3)避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。(4)减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的 可靠性。3.2 变频器的接线 变频器采用的是日本三菱FR-A740变频器单独不能运行。选择正确的外部设备，正确的连接以确保正确的操作。不正确的系统配置和连接会导致变频器不能正常运行，显著地降低变频器的寿命，甚至会损坏变频器。所以接线图参考图3-2所示 图 3-2 变频器外部接线图 1)最高频率：水泵属于平方律负载，转矩丁与转速的平方刀2成正比，当转 速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重过载。因此，变 频器的最高频率只能与水泵额定频率相等。2)上限频率：由于变频器内部具有转差补偿功能，在 50HZ的情况下，水 泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了电动机的负 载，因此实际预置得略低于额定频率。3)下限频率：在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于基本扬 程(实际扬程)，形成水泵“空转的现象。所以，在多数情况下，下限频率不 能太低，可根据实际情况适当调整。4)启动频率：水泵在启动前，其叶轮全部在水中，启动时，存在着一定的 阻力，在从OHZ开始启动的一段频率内，实际上转不起来。因此，应适当预置 启动频率值，使其在启动瞬间有一点冲击力。33 供水系统总体要求(1)由多台水泵机组实现供水，最大流量3200m h，扬程45米左右(2)设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水(3)供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小(4)系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能 34 可编程逻辑控制器(PLC)的 I0 端子分配 系统中 PLC 型号为三菱 FX2N-32MR 的 PLC，它表示的含义包括如下几部 分：它是基本单元，内部包括CPU、存储器、输入输出口及电源；其输入输出 总点数为 32 点，其中输入点数为 16 点，输出点数为 16 点；输出类型为继电器 PLC 具体的端子分配情况如图 3-3 所示 表 3-3 系统 PLC 得 IO 端子分配 35本章小结 本章针对用户需求，在满足供水能力的前提下，实现了变频调速恒压供水控 制系统的设计。该系统由PLC控制的多泵分级调节和变频器控制的单泵连续调 节相结合，实现流量在大范围内变化时的恒