变频供水系统

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变频供水系统范文第1篇

【关键词】变频器;恒压供水;PID

0.引言

作为供水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的60%以上，在我国，每年水泵的电能消耗占电能总消耗的21%。为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷变化的运行。本文介绍一种变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。

在实际工况中，用水量是时刻变化的，为了适应水量的变化，以往多采用调节泵出口阀门定时去控制泵出口压力在某一规定值上，这必然造成用水时有超压或欠压现象。水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，可以相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到了节能效果。根据这一原理，在应用中选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳的节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性曲线等因素发生什么变化，最不利点的水压是恒定的。保证了用水压力的可靠。

1.变频恒压供水特点

（1）恒压供水能自动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，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。

（2）动平滑，减少电机水泵的冲击，延长了电机及水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象。

（3）采用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。

（4）系统配置可实现全自动定时供水,彻底实现无人值守自动供水.控制系统具有故障报警和显示功能,并可进行工变频转换,应急供水。

（5）系统根据用户用水量的变化来调节水泵转速，使水泵始终工作在高效区，当系统零流量时,机组进入休眠状态,水泵停止，流量增加后才进行工作,节电效果明显，比恒速水泵节电23%-55%。

（6）整套设备只需一组控制柜和水泵机组，安装非常方便，占地面积少。

（7）采用全自动控制，操作人员只需转换电控柜开关，就可以实现用户所需工况。

2.系统组成及工作原理

变频恒压供水系统采用一电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力或专用控制器），采用一个压力传感器（反馈为4～20mA或0～10V）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制电机转速。如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过变频器作工频/变频切换起动另一台水泵，使实际管网压力与设定压力相一致。另外，随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率。达到了节能的目的。

此系统主要由2台供水泵，1台变频器，1块远传压力表和一些相关设备组成。当用水量不大时变频器启动1＃泵电机，接触器KM2断开、KM1吸合，1＃泵变频运行，随着压力自动调节频率的高低以保持压力的恒定。当用水量增加1＃泵频率随之增大，如到工频仍不能满足要求时，变频器控制接触器KM1断开、KM2吸合，使1＃泵工频运行，然后KM3吸合使2＃泵变频运行。如用水量一直减少，则变频器控制2＃泵减速直至推出运行，使1＃泵转入变频运行，如果用水量继续减小，变频器转入休眠状态，停止输出。如果1台泵一直能满足用水量，出于保护电机的目的，可以设置变频器参数，使变频器控制2台电机每隔一段时间切换运行。

3.变频器PID调节功能

变频器是通过内置PID调节器对供水系统进行闭环控制的。首先设置一个恒定的给定压力值，变频器则通过现场压力传感器的反馈信号，进行PID调节，控制变频器的输出。通俗的说就是，当压力超过给定值则变频器减速，不足给定值则增速，供水系统始终保持恒定压力，变频器输出则无须考虑。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。其实一般供货厂家都有自己的经验数据，基本已经不需要现场人员再进行计算了。这里有一首调节方法的诗歌供大家参考。

参数整定找最佳，从小到大顺序查

先是比例后积分，最后再把微分加

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大

曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳

曲线偏离回复慢，积分时间往下降

曲线波动周期长，积分时间再加长

曲线振荡频率快，先把微分降下来

动差大来波动慢。微分时间应加长

理想曲线两个波，前高后低4比1

一看二调多分析，调节质量不会低

4.结束语

水泵采用变频器控制后，泵的出口扬程大幅度下降，节能效果显著。由于电机转速下降，泵出口压力降低，减少了机械磨损，降低了维修工作量，延长了设备的使用寿命。提高了功率因数，（下82软启动特性避免电机直接启动时大电流对电机线圈和电网的冲击。采用变频器后，电动机和泵共同组合为一体，它既是动力源，又是供水调节执行机构，改变了传统的控制方式，实现了生产过程自动化，减少了工人的劳动强度。闭环控制系统适应水量变化，实现在线调整，保证管网末端压力恒定，不存在人为调整的滞后现象。总之，此系统具有体积小、调速范围大、效率高、无级调速等特点，运行安全可靠，实现闭环控制系统，满足用水需量，保证管网末端压力恒定，具有明显的节能降耗的经济效益，同时还延长了设备寿命，减少了维修工作量，是一种比较理想的调速系统。

【参考文献】

［1］冯垛生,张淼.变频器的应用与维护.广州:华南理工大学出版社,2003.

变频供水系统范文第2篇

关键词：恒压变频供水系统；自动控制；简析

中图分类号：F407文献标识码： A

随着经济社会的逐步发展、人民生活水平的不断提高，对于城市供水系统的可靠性以及供水质量的要求也在提升。利用先进的电气技术对供水系统实行自动化控制，能够满足整个城市的供水需求。与此同时，传统的PID控制方式存在着供水压力偏差、抗干扰能力差等缺点。因此，有必要在现有供水系统控制方式的基础上，研发一种新型的控制方式。

一、恒压变频供水系统的原理及应用

恒压变频供水系统的构成较为复杂，简而言之，可以分为以下几大主要部分：可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器以及其他控制器件。

恒压变频供水系统的工作原理为：通过用户家中安装的压力仪表，对用户端的压力信号进行实时的采集和反馈。然后，将信息反馈到可编程控制器（PLC），可控制编程器通过对反馈信息和设定压力值进行比较，然后通过一系列内部运算，按照运算结果对变频器的输出频率进行控制，从而实现调节水泵电机转速的目的，这样便可以实现用户供水情况的实时调节。

恒压变频供水系统的优势在于能够对供水管网进行实时调节，从而维持一个基本平衡的水压。恒压变频供水系统之所以得到广泛应用，主要是因为其既可以实现用户的稳定供水，又可以保证水泵电机的运转效率，即不会使水泵电机出现空转的现象。这样既减少了能耗，又节约了电能。（参见图1 ）

图1 恒压变频供水系统运行原理

二、恒压变频供水系统的自动控制策略

长期以来，对于恒压变频供水系统的自动控制，使用较多的是模糊控制策略。顾名思义，模糊控制策略就是建立在人的思维模糊性基础上，不依赖于被控对象数学模型的一种控制策略，模糊控制策略本质上属于专家控制方式。模糊控制策略通过对人脑的推理过程进行仿制，将以往恒压变频供水系统操作者的经验浓缩成一条条控制规则，对这些控制规则进行模糊处理，然后存储到计算机当中，由计算机根据这些控制规则实施恒压变频供水系统的自动控制。

模糊控制策略之所以能够得到广泛应用，主要是由于其自身具有的适应性强、调节时间短等优点。除此之外，模糊控制策略还具有结构简单、操作方便等优点。

与此同时，也应该看到，模糊控制策略自身也具有一些缺点，较为突出的是其静态性能较差。模糊控制策略静态性能较差这一缺点，容易导致恒压变频供水系统的实际供水压力达不到计算机的设定值。之所以会这样，主要是因为模糊控制策略使用的模糊控制器，其输入方式为误差及误差变化。因此，在输入过程中会导致积分控制的缺失，因而出现了静态性能不佳等一系列缺陷。总而言之，模糊控制策略最大的缺陷就在于不能够很好地对恒压变频供水系统的压力误差进行消除。

三、基于GA优化的供水系统模糊PID复合

模糊控制策略虽然具有以上缺点，但不可否认的是，其具备良好的动态性能以及快速响应能力。因此，想要实现恒压变频供水系统自动控制的优化，可以将PID控制策略引入到模糊控制策略中，这样既能够发挥模糊控制策略自身的优势，又能够提升其静态性能及调整精确性。这就是当前恒压变频供水系统使用较多的自动控制策略：模糊PID复合控制策略。（参见图2 ）

图2 模糊PID复合控制策略

这种控制策略的优势在于能够将控制器应用到供水系统中，从而实现了恒压变频供水系统的复合控制。

基于GA优化的模糊PID复合控制策略，其优势在于将模糊控制策略、PID控制策略及遗传算法融合起来。既能够保证恒压变频供水系统的适应性与操作性，又能够做到对其响应速度、供水质量及静态性能进行提升。特别是对于一些用水量波动较大的高层建筑来说，基于GA优化的模糊PID复合控制策略，其控制效果提升更加明显。除此之外，该控制策略不需要对传统的恒压变频供水系统进行硬件方面的改动，仅仅需要对其进行控制策略上的改进，即实行相应的软件编制即可。因而，该控制策略可广泛应用于住宅小区、高层建筑和其他对供水质量要求较为严苛的场所。

结束语：

本文主要对恒压变频供水系统的自动控制进行了分析。在分析其工作原理和应用效果的基础上，对以往使用较多的模糊控制策略进行了分析。并且结合模糊分析策略的优缺点，分析了新型的基于GA优化的模糊PID复合控制策略的优势所在。希望通过本文的分析，能够给我国的恒压变频供水系统自动控制研究提供一些参考，从而进一步推动我国恒压变频供水系统的快速发展，进而使我国的城市供水系统能力得到全面提升。

参考文献：

变频供水系统范文第3篇

[关键词]变频器，恒压供水设备，节电率

中图分类号：TU991.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0186-01

一、变频恒压供水系统概述

变频恒压供水系统可配备恒压供水专用变频器，并运用模糊控制理论使系统运行更加合理。另外本设备装有“自动”“手动”转换开关供用户选择；延长了水泵及电机的使用寿命，无水锤现象，电机变频软启动；延长了管道使用寿命，在不用水时或用水量较小的情况下，减少了管网压力，使得管网不易破裂，极大地节约了管道的维修费用；取消了高位水塔或水箱、气压罐。一方面解决了水的二次污染问题，另一方面节省了建设它们的工程建设费；节电一般可达30%左右。因为居民用水量是随时间变化的，而变频恒压供水系统可根据用水量的变化，自动改变水泵转速或增减水泵工作台数达到恒压供水，达到节电目的；自动化控制，克服了人工控制可能带来的误操纵，同时大大降低了操纵工人的劳动强度和人数，并可实现远程操纵和远程监控；功能齐全。有多种保护功能：过载、过热、过压、欠压、过流、缺相等。各种工作状态都有指示灯显示。

产品适用范围：从自来水公司供水系统中取水的用户。例如：城市高层建筑、住宅小区的用水从地表下或水池取水的用户。例如：用深井泵或潜水泵直接从地下取水的用户供热系统锅炉变频定压补水系统。因其性能可靠、结构简单、运转方便、投资低廉、被广泛用于工矿企业、城镇、农村等中小区域供水系统，尤其适合于水源为自备水井、地下水池及水库等场合，

二、变频恒压供水的特点

1.节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。

2.占地面积小，投入少，效率高。

3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

4.运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。

5.通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。

三、节能原理

由水泵的工作原理可知：水泵的流量与水泵（电机）的转速成正比，水泵的扬程与水泵（电机）的转速的平方成正比，水泵的轴功率等于流量与扬程的乘积，故水泵的轴功率与水泵的转速的三次方成正比（既水泵的轴功率与供电频率的三次方成正比）。根据上述原理可知改变水泵的转速就可改变水泵的功率。

流量基本公式：Q∝N H∝N2 KW=Q*H∝N3

以上Q代表流量，N代表转速，H代表扬程，KW代表轴功率。

例如：将供电频率由50HZ降为45HZ，

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

将供电频率由50HZ降为40HZ，

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

水泵一般是按供水系统在设计时的最大工况需求来考虑的，而用水系统在实际使用中有很多时间不一定能达到用水的最大量，一般用阀门调节增大系统的阻力来节流，造成电机用电损失，而采用变频器可使系统工作状态平缓稳定，通过改变转速来调节用水供应，并可通过降低转速节能收回投资。

四、变频调速恒压供水设备的主要应用场合

1、高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水；

2、各类工业需恒压控制的用水，冷却水循环，热力水循环，锅炉补水等；

3、中央空调系统；

4、自来水厂增压系统；

5、农田灌溉，污水处理，人造喷泉；

6、各种流体恒压控制系统。

五、变频恒压供水系统的设计

现阶段使用较多的控制器件为：微处理器（单片机或DSP）、PLC或专用变频器。专用变频器的主要生产厂商有三菱、ABB等公司。不同的控制装置在控制的原理上基本是一样的，主要有PID调节器、变频/工频自动切换、水网压力检测环节等，通过图1所示连接而组成供水系统。（图1）

为了保持供水管道的压力恒定，就必须实时检测管道压力并回馈给供水控制器，使其构成压力闭环控制系统。现在最常用的控制器是以PID调节为主要手段，也有的采用了模糊控制等现代控制理论方法。

对于专用变频器，由压力传感器检测到的管网压力直接送入变频器中的PID调节器输入口；对微处理器（包括PLC）控制的系统，压力设定值以及用户管网压力检测值则送入微处理器中，经内部PID控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号，当变频器频率达到最大时，若仍没有达到压力设定值，就进行变频/工频切换，同时重新给变频器输出一个转速控制信号。压力检测值与压力给定值差距越大，该输出信号变化就越大。一旦管网压力达到了设定值，该输出控制信号就恒定下来，系统稳定运行。在专用变频器中，压力给定值可以通过变频器输入设定，也可以通过电位器送入；而微处理器控制系统的压力给定值也可通过相应的装置输入。允许用户在现场设置PID参数，通过调试选出最佳参数，达到系统稳定。一般情况下，PID方式的调节器就能够满足供水管压力的稳定调节。然而，这种类型的闭环系统也存在着一些难以解决的问题，比如在系统的动态运行过程中，水泵电机会出现速度超调甚至不稳定的现象，对整个的供水设备具有很大的破坏性，还会减小整个系统的效率。这些问题只能通过选定最优的PID参数或修改PID算法来解决。在此不作详细的分析。

恒压供水的起动与停机：

在水泵出口母管处装设压力变送器和流量变送器，将压力和流量信号送入控制器，控制器将接收到的信号进行比较、运算，并发出指令，对变频器进行控制。如果检测得管网压力大于设定值，则系统不起动，当管网压力小于设定值时，系统起动。变频器控制多台水泵时，先带1#泵软起动，此时1#泵处于变频调速运行状态，变频器根据收到的信号随时调整水泵的转速。当1#泵达到额定转速仍不能满足水压值要求时，则该水泵自动切换到工频状态下运行，变频器则控制2#水泵，使之软起动并运行。依此类推，直到管网压力满足压力设定要求。

在用水高峰过后，由于投入多台泵而使管网压力超过设定值，系统依据先投先停的原则，依次停止1#泵，2#泵，…。先投先

停可以实现对多台泵的平均使用，有利于延长泵的使用寿命。对于所有泵的起停控制，完全由管网压力决定。

休眠控制：

在夜间用水量非常少的情况下，为了节能，可以设置可以使水泵暂停工作的休眠状态。在管网压力允许的条件下，当变频器输出频率低于某下限频率时，变频器停止输出。当管网压力小于下限设定时，再唤醒变频器使之重新开始工作。

参考文献

[1] 张燕宾，SPWM变频调速应用技术（第二版），北京；机械工业出版社；2002.86～87.

变频供水系统范文第4篇

关键词：变频器 恒压供水系统 工作原理

l 引言

恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。

随着电力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PI 控制器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能。自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。

2 组成及工作原理

一般供水系统三台泵组成，每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵为一台小泵两台大泵组成，小泵为1 5kW大泵为30kw，三台泵的协调工作以满足供水需要。系统组成如图1所示。

图1 供水系统组成框图

该系统由一台PI_CfD两台变频器、两个压力传感器、控制柜及相关设备组成。利用一台变频器可以控制两台30kWTJ

1#泵工频运转一般不能满足最小用水量，因此供水时首先投入1#泵和2#泵，2#泵工作在变频启动状态，随着压力会自动调节频率的高低以保持压力的恒定，在用水量不大时，2舟泵和1号泵同时工作可以满足要求，如果用水量增大，2#泵会自动切换到工频状态，并给PLC发出信号，继而变频启动3#泵30kW ，此时1#，2样泵工作在工频状态，3#泵工作在变频状态。由于3#泵的自动调节功能，从而保证系统的恒压。一般而言，三台泵同时投入是绝对能满足要求的。控制系统硬件组成图如图2所示。

注：M C1、MC2互锁，M C3、MC4互锁，MC6用于切断2#运行，MC7用于切断3舟运行。

如果3#泵工频运转压力不能满足要求的话，则该变频器会自动切除，退出工作，使3样泵处于工频。该系统组成简单，系统成本低，可靠性高。

3 系统功能

该系统选用FR一500日本三菱变频器。该系统中具有以下功能。

3．1自动切换变频／工频运行功能

变频器提供三种不同的工作方式供用户选择：

(1)方式0：基本工作方式。变频器始终固定驱动一台泵并实时根据其输出频率，控制其他辅助泵启停。即当变频器的输出频率达到最大频率时启动一台辅助泵工频运行、当变频器的输出频率达到最小频率时则停止最后启动的辅助泵。由此控制增减工频运行泵的台数。

(2)方式1：交替方式。变频器通常固定驱动某台泵，并实时根据其输出频率，使辅助泵工频运行，此方式与方式0不同之处在于若前一次泵启动的顺序是泵1一泵2，当变频器输出停止时，下一次启动顺序变为泵2_+泵1。

(3)方式2：直接方式。当启信号输入时变频器启动第一台泵当该泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成立时，先停止最先启动的泵。

3．2 PID的调节功能

由压力传感器反馈的水压信号(4―20mA或一5V)直接送入PLC的A／D口(可以通过手持编程器)，设定给定压力值，PID参数值，并通过PLC计算何以需切换泵的操作完成系统控制，系统参数在实际运行中调整，使系统控制响应趋于完整。

3．3“休眠”功能

系统运行时经常会遇到用水量较小或不用水(如夜晚)情况，为了节能，该系统专用设置了可以使水泵暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于其下限时，变频器停止工作，2#、3#泵不工作，水泵停止(处于休眠状态)。当水压继续升高时将停止1泵，当水压下降到一定值时将先启动变频器运转2#泵或3样泵，当频率到达一定值后将启动1#泵调节2#或3并泵的转速。“休眠值”变频器输出的下限频率PR 507设置。“休眠确认时间”用参数PR506设置，当变频器的输出频率低于休眠值的时间如小于休眠时间td时，即tdtn时变频器将进入休眠状态。“唤醒值”由供水压力下限启动，当供水压力低于下限值时由PLC发出指令唤醒变频器工作。经测试“休眠值”为l 0 H Z； “休眠确认时间”td：20 S： “唤醒值”7O％ 。

3．4通讯功能

该系统具有计算机的通讯功能，PLC变频器均提供有RS232或485接口PLC可选用西门子的S7―200计算机可以与一套或多套系统进行通讯，利用计算机同时可以监测：电流、电压、频率、转速、压力等也可以控制变频器的各类参数。此外该系统还具有手动／自动操作，故障报警，运行状态，电流，电压、频率状态显示缺水保护等功能。

4 系统的节能分析

节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为实时水量：QO为满负荷的水量；P为满负荷的功率：NO为额定功率；N为实时功率。这里通过运行观察，统计出三台泵一天之内的运行时间为：1#泵24小时；2#泵大致运行19／J＼时：3#泵仅运行13／J＼时。如果按360天计算利用阀门来调节功率为：(30×2+15)×24×360=648000kWh；利用停止泵运转方式为：[(1 5×24)+(30×1 0)+(3 0×1 3)】×3 60=378000kW：利用变频工作时：3样泵始终处在状态为13d＼时：2#泵变频工作为7小时(3群泵不工作，2#泵工作时间)；如果水量调N8o％时计算两个泵节电量为：P×h=30X(0．4+0．6×0．8―0．83)×(13+7)X360=10800kWh：这样与第二项计算与变频节能计算时比用阀的调节节能为：648000―475200+79488=280800kWh；按每度电0．4元计算，每年可节省电费：280800×O．4=1 12320元。可见每年可节省电费约10万元左右。

5 结束语

(1)恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。

(2)由于变量泵工作在变频工况， 在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。

(3)因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。

(4)水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。

变频供水系统范文第5篇

本次设计采用“一台变频器控制多台水泵”的多泵控制系统。在这里利用PLC设计一套变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。可实现恒压变量、双恒压变量等控制方式，多种启停控制方式，该系统可以通过任意修改参数指令（如压力设定值、控制顺序、控制电机数量、压力上下限、PID值、加减速时间等）；具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠压、过载、断水等故障均能自行诊断并报警。

为保证小区的供水正常，利用PLC控制的变频调速恒压供水系统，按照用户的需求按需调节水泵流量，根据夜间用水少可以只开一个小流量泵，并满足用户的流量需求，使真个系统始终保持高效节能的最佳状态。

关键词： 变频器 可编程控制器 恒压供水

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 录

摘要………………………………………………………………………

Abstract…………………………………………………………………

第1章 绪论……………………………………………………………

1.1 引言……………………………………………………………… 1.3 PLC的发展概况…………………………………………………

1.4 本文的主要研究内容……………………………………………

第2章 水泵调控技术………………………………………………….

2.1 水泵调控技术……………………………………………………

2.1.1 水泵参数……………………………………………………. 2.2 常用的调速方式…………………………………………………

2.3 供水系统变频调速运行的工作原理……………………………

第3章 方案的基本的选择…………………………………………….

3.1 PLC的选择………………………………………………………

3.1.1 PLC的组成…………………………………………………. 3.1.3 PLC的主要功能……………………………………………

3.1.4 PLC的选择………………………………………………….

3.2 变频器的选择……………………………………………………

3.2.1 变频器的特点……………………………………………….

3.2.2 变频器的种类……………………………………………….

3.2.3 变频器的选择……………………………………………….

3.3 压力传感器的选择………………………………………………

第4章 变频调速恒压供水系统的设计………………………………

4.1 系统的方案设计及工作过程……………………………………

4.1.1 系统的方案设计……………………………………………. 4.2 控制系统硬件设计…………………………………………..

4.2.1 主电路设计……………………………………………...

4.2.2 控制电路设计…………………………………………...

4.3 PLC程序设计………………………………………………..

4.3.1 控制系统主程序设计…………………………………..

4.3.2 控制系统子程序设计…………………………………...

4.4 显示…………………………………………………………..

第5章 PID算法在变频调速恒压供水系统中的应用……………….

5.1 PID控制及其调节规律……………………………………….

5.1.1 经典PID控制及调节…………………………………… 制……………………………………………

5.2 数字PID控制器的设计………………………………………

5.2.1 数字控制器的设计方法………………………………….

5.2.2 PLC的PID模块分析研究………………………………

结论……………………………………………………………………….

致谢……………………………………………………………………….

附录1……………………………………………………………………..

附录2……………………………………………………………………..

绪 论

1.1引言

随着城市高层建筑供水问题的日益突出，随着城市化进程的加快，越来越多的人涌进城市，因而对城市供水提出了越来越高的要求，保持供水压力的恒定，提高供水质量是相当重要的。同时要求保证供水的可靠性和安全性。而用户用水的多少是经常变动的，因此，供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中的反映在供水的压力上，用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水质量。以前大多采用传统的水塔、气压罐式的增压设备，或是通过在楼顶建蓄水池来实现的，蓄水池中的水是由一个或多个水泵提供，而且这些水泵电机有很大一部分是不能变速的拖动系统，不能变速电机的电能大多消耗在为了适应供水量的变化而不得不频繁的启、停水泵中。这样不但会使水泵电机工作在低效率区，缩短电机的使用寿命，而且电机的频繁启动和停止会产生很大的冲击，从而导致设备故障率很高，造成水资源的严重浪费，而且使系统的维护、维修费用较多，工作量较大。并且这些水泵都是以高出实际用水高度的压力来提升水压，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。

随着社会主义现代化建设的迅速发展和人们住房条件的提高，高位生活用水和工业用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。以前采用人工进行控制蓄水池的水位，由于不可能每时每刻对水位进行准确的定位监测，并且带有很大的主观性，所以很难准确控制水泵电机的起停；使用浮子或其它机械水位控制装置使供水状况有了一些改善，但由于机械控制装置的故障率高，可靠性差，给日常维护和维修带来很大的麻烦。

针对以上所存在的问题，结合工控行业的发展，特别是PLC和变频技术在社会各个领域的应用，可以用它来解决水压控制系统存在的以上问题。并且变频技术在城市供水领域有节能、安全与恒压方面的优越性。

为了实现供水的自动控制，一般选用以单片机与变频器或PLC与变频器结合为核心，这样所构成的系统都能达到较为理想的控制效果。对PLC与单片机在供水系统中应用的一些主要方面做了简单的比较如表1所示：

表1 PLC与单片机在供水系统中应用的比较

硬件 软件 抗干扰能力 经济成本

单片机 电路相对复杂

需要有较多的外围元件 程序设计复杂

程序修改麻烦 较差 低

PLC 体积小、高集成

有多种扩展模块 编程简洁直观

程序修改简单 很强 高

通过上表的比较，从经济方面考虑，由于PLC工艺的日渐成熟，小型PLC的成本与单片机相差不大，为了实现通用性，要求能够根据现场的使用情况方便的修改、调整系统控制参数，对于供水系统来说，时间参数变化较多，与单片机相比PLC的软件中时间参数的调整更简单。

基于以上原因，选用了PLC与变频器结合来实现对高楼的恒压供水，再加上变频器内置的PID调节与DBS 316A型压力变送器，使软件程序的设计简单化，硬件接口简易可行、提高系统运行的可靠性，特别是整个系统的稳定性和抗干扰能力很强，不仅改变传统用阀门控制水量的多少，也改善了传统控制方法的故障率较高的弱点，而且在节能、恒压控制等方面均有非常好的使用效果。

国外生产的变频器国威通用型且单机控制（即一台变频器拖动一台电机），功能主要是限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制及各种保护功能。应用在中、大容量的变频恒压供水系统中，为了满足供水量大小需求不同时，保证水管管网压力恒定，需在变频器外部提供压力闭环调节；多台水泵的循环控制需外部提供逻辑控制；在变频与工频电源的切换技术上，大多采用主电路串接软启动器降压启动的方法。八十年代中期进入中国市场的日本公司Samoc，近期推出了独有的恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”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，通过设备指令代码实现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。该设备简化了电路结构，提高了系统的可靠性，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，并且限制了带负载的容量，因此使用范围受到限制。

目前国内有不少公司在做变频器恒压供水的工程，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）予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现，本文组要采用的是PLC控制。这两种控制方案，从可靠性方面来讲，PLC优于单片机，从经济性方面来讲，单片机优于PLC。在变频与工频电源的切换技术上，多数采用前面提及的主电路串接软起动器的方法进行降压起动，也有采用切换时封锁变频器的控制脉冲，使变频器输出为零，切换到工频电源上。这两种方法，前者容易实现，软启动器一般为成品部件，但设备投资较大；后者设备投资少，但频率波动大，易引起水管管网压力不稳定。深圳华为电气公司看到了变频恒压供水的潜在市场，于近期推出了恒压供水专用变频器（5.5KW～45KW），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早变频器内部实现，其输出接口限制了带负载的容量，因此只适用于中小容量的系统。

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中，对于大中容量恒压供水系统存在的水压闭环控制和变频电源与工频电源的无扰动平稳切换问题没有得到根本解决。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能并且降低种大容量系统的投资成本。

1.3 PLC的发展概况

PLC是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。它问世于20世纪60年代，当时的PLC功能都很简单，只有逻辑、定时、计数等功能；硬件方面用于PLC的集成电路还没有投入大规模工业生产，CPU以分立元件组成；存储器为磁心存储器，存储容量有限；用户指令一般只有二三条，还没有成型的编程语言；机型单一，没有形成系列。一台可 编程控制器最多只能替代200～300个继电器组成的控制系统，在体积方面，与现在的可编程控制器相比，可以说是庞然大物。

进入70年代，随着中小规模集成电路的工业化生产，可编程控制器技术得到了较大的发展。可编程控制器功能除逻辑运算外，增加了数值运算、计算机接口、模拟量控制等；软件开发有自诊断程序，程序存储开始使用EPROM；可靠性进一步提高，初步形成系列，结构上开始有模块式和整体式的区分，整机功能从专用向通用过渡。

70年代后期和80年代初期，微处理器技术日趋成熟，单片微处理器、半导体存储器进入工业化生产，大规模集成电路开始普遍应用。可编程控制器开始向多处理器发展，使可编程控制器的功能和处理速度大为增强，并具有通信和远程I/O能力，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数、查表、列表等，自诊断和容错技术也迅速发展。 进入21世纪，可编程控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域，如为用户配置柔性制造系统和计算机集成制造系统。目前可编程控制器主要向两个方向扩展：一是综合化控制系统，它已经突破了原有的可编程控制器的概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，这种发展趋势带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化工厂；二是微型化的可编程控制器使得控制系统可将触角延伸到工厂的各个角落。随着世界经济一体化进程的加快，在技术发展的同时，发达国家更加注重了对可编程控制器的知识产权的保护，国际大型可编程控制器制造商纷纷加入了可编程控制器的国际标准化组织，他们利用许多技术标准建立了符合他们经济的技术保护壁垒。

1.4本文的主要研究内容

经过系统分析，并结合供水生产实际，本次研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供水系统的研制，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能。具体而言，论文包括以下内容：

1.对水泵电机的调控技术进行分析。

2.介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调速电机转速，保证管网的压力恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。

3. 对PID控制器的基本原理的介绍。

第2章 水泵调控技术

2.1水泵调控技术

水泵广泛应用于国民经济的各个行业中，但在供水行业中，普遍采用的是离心式叶片泵，也称离心泵。离心泵是利用叶轮旋转时产生离心力的原理工作的。在启动前必须使泵和进水管充满液体，当叶轮在泵壳内高速旋转时，液体质点在离心力的作用下被甩向叶轮边缘，并汇集到泵壳内，使液体或的动能和压能，并沿着出水管道输送出去。

在供水企业中，水泵的电能消耗及设备维护管理费用，在生产成本中占有很大的比例。水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的21%以上，具有很大的节能潜力。由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的，而轴功率与转速的三次方成正比，造成相当部分的电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。因此，这种调控方式虽然简单，但从节能的角度来看，很不经济。近年来，电机调速技术的应用，为水泵电机的节能开辟了一个新途径。

它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始终在高效区工作，将大大降低水泵的能耗，合理地进行设备的管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。

2.1.1水泵的工作参数

水泵的工作参数共有六个，即：流量、扬程、功率、效率、转速及允许吸上真空高度或气穴余量。

1.流量Q

水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量，可分为体积流量和质量流量两种。

2.扬程H 3.功率P

水泵的功率有有效功率和轴功率两种。有效功率为泵内液体实际所获得的净功率，可以根据流量和扬程来计算。轴功率是水泵在一定流量扬程下运行时所需的外来功率，即由动力机传给水泵轴上的功率。轴功率不可能全部传给液体，而要消耗一部分功率后，才成为有效功率。

4.效率

水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度，亦即反映了泵内功率损失的大小，是一项重要的技术经济指标。它由泵内水力效率、机械效率和容积效率等三个局部效率组成。

5.转速n

转速是指叶轮每分钟的转数。水泵铭牌上所标明的额定转速是设计工况时的转速，当转速改变后，水泵的工作性能也随之改变。

6.允许吸上真空高度或临界气穴余量

二者是表征水泵吸水性能或气穴性能的参数，它们是确定水泵安装高度和评述水泵发生气穴与气蚀问题的主要参数。

（1）供水系统的基本特性和工作点 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之间的关系曲线H=ƒ(Q)，如图1-2所示。管阻特性描绘了水泵的能量用来克服泵系 统的水位及压力差、液位在管道中流动的阻力变化规律。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H与供水流量间的关系H=ƒ()。

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中的点。在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。即：用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，系统稳定运行。

图2－1 供水系统的基本特性与工作点

（2）水泵调速运行的节能原理

在供水系统中，通常是以流量为控制对象，常用的控制方式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的大小来调节流量，而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的，因此，管组特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。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，其实质是通过改变水的势能来改变流量，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。

采用变频调速的供水系统属于转速控制法，其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调节水泵电机的转速，始终保持管网水压恒定，即：用水量增大，电机加速；用户水量减小，电机减速。图2－2为管网及水泵的特性曲线。

图2－2 管网及水泵运行的特性曲线

供水量高峰期水泵工作在A点，流量为，扬程为。当供水量要求从减小到时，若采用恒速泵供水，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，管阻特性曲线变为，扬程特性曲不变，而扬程则从上升到，运行工况从A点移到B点，此时水泵输出功率为(0,, B, )围成部分；若采用恒压()、变速泵（）供水，管网特性曲线变为，扬程特性变为曲线，工作点从A点移到C点，此时水泵输出功率为(0,, C, )围成的部分。比较两者，其节能为(, , B, C)围成的阴影部分。而且根据水泵变速运行的相似定律，变速前后的流量、扬程、功率与转速之间的关系为：

式中： 、、为转速时的功率、扬程、流量

、、为转速时的功率、扬程、流量

由上式可以看出，水泵在转速控制时，电机转速变慢，轴功率就相应的减少，电机输入功率也随之减少，轴功率于电机转速成三次方的关系下降。

由此可见：在供水系统输送同样流量的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时小得多，所需要的供水功率也比阀门控制方式小得多，两者之差是转速控制方式节约的供水功率，它与图中的阴影部分成正比。当流量从0～之间不断变化时，节能为图中(, A 围成的面积,可见其节电效果显著。

2.2常用的调速方式

水泵多配用交流异步电动机拖动，当电机转速降低时，既可节约能量，经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式：

＝ 式（2-1）

其中： 为异步电机的理想空载转速；

为异步电机转子转速；

为异步电机的定子电源频率；

为静差率，。

改变电动机极对数，改变静差率及改变电源频率都可以改变转速。常用的调速方式有变级对数调速，变频调速和可控硅串级调速三种方式。

1. 变级对数调整

在电源频率一定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有极调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器。对于我的设计不适用。

2. 变频调速

变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变频的情况下运行。

改变电动机定子频率可以平滑地调节同步转速，相应的也就改变转子转速，而转差率可以保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重时会使电动机堵转；频率减少，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁心损失急剧增加而发热，使不允许。因此在实用上，要求调速的同时，高变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，有保持转矩的不变。变频技术对水泵电动机进行调整，以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。

3. 可控硅串级调速

它是把异步电动机转子电势经过整流――逆变后回馈给电网，回收功率就是转差功率，当改变逆变角时，逆变电势、转差功率、转差率都 将随之改变，从而达到调整的目的。

这种方法的最大优点是由于它可以回收转差功率，节能效果好，且调整性能也好，但由于线路过于复杂，还需一台与电动机相匹配的变压器增加了蹭环节的电能损耗，带来了成本高，占滴水泵房面积大等缺点而影响它的推广价值。因此，在本论文，我不采用。

2.3 供水系统变频调速运行的工作原理

变频恒压供水系统主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵作成一体。变频供水系统是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：

式（2-2）

异步电机的同步速度为：

= 式（2-3）

异步电机的转速为：

式（2-4）

其中； 为异步电机的理想空载转速；

为异步电机转子转速；

为异步电机的定子电源频率；

为异步电机的极对数。

从上式可知，当极对数不变时，电机转子转速与定子电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源频率，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一种比较合理和理想的调速方法，其频率调节时的机械特性曲线如图2－3所示。

图2－3异步电动机变频调速时机械特性曲线

第3章 方案的基本的选择

3.1 可编程控制器PLC的选择

可编程逻辑控制器简称PLC，是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动化技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。它将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备。

3.1.1 PLC的基本结构

PLC的类型繁多，功能和指令系统也不同，但是结构与工作原理则大同小异，通常由中央处理单元CPU、存储器、输入输出等部分组成。如图3-1所示：

图3-1 可编程序控制器的基本结构

1．主机

主机部分包括中央处理器、系统程序存储器、用户程序及数据存储器、输入输出扩展接口、外部设备接口和电源等部分组成。中央处理器是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路，用于运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，将结果送到输出端，并响应外部设备的请求以及进行各种内部判断等。

2．输入/输出(I/O)接口 I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备。

3．输入/输出扩展单元 I/O扩展接口用于将外部输入/输出端子数的扩展单元和基本单元连接在一起。输入输出扩展接口有并行接口、串行接口和双口存储器等多种形式。

4．外部设备接口

外部设备接口是PLC主机实现人--机对话、机--机对话的通道。通过它，PLC可以与编程器、打印机等外部设备相连。该接口的功能是串行/并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错检验、信号电平的转换等。

5．编程

编程是PLC利用外部设备，用户用来输入、检查、修改、调试程序或监视PLC的工作情况。通过专用的PC/PPI电缆线将PLC与电脑连接，并利用专用的软件进行电脑编程和监控。

6．电源单元 电源是供给PLC电源的器件，通常为输入设备提供直流电源。它的作用是把外部的供电电源变换成系统内部各电源所需的电源。可编程序控制器的电源一般采用开关电源，特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高。 PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算和数据存储，另外还有位处理器(布尔处理器)，进行点(位)运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。

1.可靠性

对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。PLC的可靠性高表现在下列几个方面。

(1)与继电器逻辑控制系统比较，PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，系统的维修简单，PLC还采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性提高。PLC还具有编程简单，操作方便等特点，因此对操作人员的技能要求降低，操作人员容易学习和掌握，一般不容易发生操作的错误，可靠性因此提高。

(2)与通用的计算机控制系统比较，PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计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、采用先进的工艺制造流水线制造、对干扰的屏蔽隔离和滤波等。在软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波、软件自诊断、简化编程语言等。

2.易操作性

PLC的易操作性表现在下列几个方面：

（1）操作方便：PL C的操作包括程序输入和更改的操作。多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作可直接根据所需的地址编号进行搜索，然后进行更改。

（2）编程方便：采用布尔助记符编程时，有助于编程人员的编程。

（3） 维修方便：PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位，以便维修。

3.灵活性

PLC的灵活性表现在以下几个方面：

（1）编程的灵活性：PLC采用的编程语言有梯形图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便，应用面拓展。

（2）扩展的灵活性：PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。

（3）操作的灵活性：操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。

（4） 体积小、重量轻、功耗低

由于PLC是专为工业控制而设计的，其结紧密、坚固，体积小巧，易于装入机械设备内部要，是实现机电一体化的理想控制设备。

3.1.3 PLC的主要功能

随着PLC技术的不断发展，目前已能实现以下功能。

⑴ 条件控制功能

条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代断电器触点串联、并联及其他各种逻辑连接，进行开关控制。

⑵ 定时/计数控制功能

定时/计数控制功能就是用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。

⑶ 步进控制功能

步进控制功能就是有步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能进行下道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。

⑷ 数据处理功能

数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算与逻辑运算以及编码和译码等操作。

⑸ A/D与D/A转换功能

A/D与D/A转换功能就是通过A/D、D/A模块完成对模拟量和数字量之间的转换。

⑹ 运动控制功能

运动控制功能是指通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴控制。

⑺ 过程控制功能

过程控制功能是指PLC的PID控制指令实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。

⑻ 扩展功能

扩展功能是指通过连接输入/输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元提高PLC控制能力。

⑼ 远程I/O功能

远程I/O功能是指通过远程I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号，传出输出信号。

⑽ 通讯联网功能

通讯联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位计算机的连接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成系统规模较大的复杂控制。

⑾ 监控功能是指PLC能监视系统各部分运行状态和进程，对系统出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调速、修改控制程序中的定时器、计数器等设定值或强制I/O状态。

3.1.4 PLC的选择 根据设计方案和PLC,变频器的内部电气接线图确定PLC的I/O点数，本设备输入点数：X为8点； 输出点数：Y为12点。

其I/O口分配表如图3-2所示：

3.2 变频器的选择

目前，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，变频器已经成为电气调整的主流，成为现代工业控制的主要组成部分。

3.2.1变频器的特点

1.变频器的特点

大部分通用变频器都有以下特点： ②、稳定性好 由于变频器的控制信息为数字量，不会随时间漂移，不随温度等环境条件而变化。

③、可靠性高 控制电路采用大规模集成电路，主电路采用智能化模块。系统中的硬件电路元件数量很少，相应故障率大大降低。

④、灵活性好 系统中硬件向标准化、集成化发展，可以在尽可能

少的硬件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。适当的修改软件，就可以改变系统的功能或提高其性能。

⑤、存储能力强 存储容量大，存放时间几乎不受限制，变频器可在存储器中存放大量的数据和表格，利用查表法简化计算，提高运算精度。

⑥、逻辑运算能力强 容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频器可靠性、可使用性、可维护性大大提高。

⑦、自动调压功能 是电动机参数自动调压，简化了使用操作，易于实现系统最佳运行。

⑧、具有模糊加减速功能 能根据电动机加速过程中的负载电流和制动过程中的变频器直流测的电压，自动计算最佳加/减速时间。

3.2.2 变频器的种类

变频器可分为两种：交－直－交变频器，交－交变频器。如下图：

交－直－交变频器是由三个环节组成：可控硅整流电路，其作用是将电压、定频率的交流电路变为电压可调的直流电；可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电；滤波环节，它在整流电路和变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。它不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。

交－交变频器是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流榻通过变频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流的电输出。就是由于直接交换，减少换流电路，减少损耗，效率高，波型好，但调整范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。

3.2.3 变频器的选择

⑴ 型号的选择： 所有数据显示都采用6位数的LED形式，能正常运行时持续显示一项运行数据。能显示当前变频器的频率，可切换鍵选择显示内容，如电动机的电流、电压、功率等。作为该显示的补充，另外还有3个指示灯，用来指示主电源是否接通（ON）、 警告（WARNING）和报警（ALARM）。变频器的大部分参数设置可以直接通过控制面板来改变。

① QUICK/MENU（快速菜单）鍵可以查出用于快速菜单的参数。QUICK/MENU鍵还可用于取消参数值的改变。在断开主电源，同时按下QUICK/MENU、＋、和CHANGE/DATA鍵并通主电源，然后松开这些鍵，变频器就被设置为出厂设定状态。

② CHANGE/DATA（改变数据）鍵用来改变设定值。CHANGE/DATA鍵还可以用来储存已改的参数设定值。

③ ＋/-鍵用来选择参数和改变参数值。同时按下QUICK/MENU、＋鍵，能够调阅所有参数。

④ STOP/RESET（停止/复位）鍵用来使所连接的电机停止或在跳闸后使变频器复位。

⑤ START（启动）鍵用来启动变频器。

⑵ 变频器容量的选择：

一般来说，当一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。本系统中每时均只有一台变频器控制一台变频器，因此，就只需与大电机容量的相符即可，即是220KW。

⑶ 变频器的端子操作：

变频器的端子包括电源接线端子和控制端子。

电源端子中有三相输入电源端子R、S、T，7逆变器三相输出端子U、V、W。

控制端子共有有近20个控制端子，分4类，即输入与监视信号端子、频率模拟设定输入端子、输出信号端子、报警输出端子。

控制端子 输出信号端子提供一对常闭触点和一对常开触点，共3个端子（端子01、02、03），可以直接驱动继电器。在故障时常闭触点断开，常开触点闭合。通过报警信号端子的继电器断开外部电路，避免了故障升级。输出信号（端子46）包括指示变频器正在运行信号、告警或报警以及运行状态。

⑷ VLT2800系列变频器所提供的保护功能包括过电流、过载、逆变器过载、电源缺相、过压、欠压、接地故障、开关模式故障、短路、内部出错、CPU故障保护、电源掉电重合闸保护等。

3.3 压力传感器的选择 由于一般的生活供水的压力为370KPa～430KPa,消防供水的压力为670 KPa～730KPa，所以压力传感器选0KPa～1000KPa。，我们选用的是YTT-150型差动远传压力表。它是二线制安全型防爆仪表。用于测量对铜和钢及合金不起腐蚀的液体、气体和蒸气的压力。仪表在进行压力指示外，还连续输出与被测压力成线性的4-20mA直流信号，该表用于水压恒定的PID检测环节。

其技术指标为：

1）测量范围：-0.1—0.3MPa

2）输出信号：mA DC,二线制

3）精度等级：1.5级

4）负载电阻：250 —350Ω

5）供电电源：直流（+10—-15）%

6）工作环境：温度：-10—55度

相对湿度：<=85%

工作振动：振动频率<=25HZ 外磁场<=400A/M

3.4 本章小结

根据设计的需要，在本章中对PLC的型号进行了选择。并针对考虑到了设计需要的容量和显示功能，选了丹佛斯公司生产的VLT2800 220KW。根据水压的实际情况，对压力传感器也进行了较合理的选择。

第4章 变频调速恒压供水系统设计

4.1系统的方案设计

变频调速恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器等构成。系统采用一台变频器拖动3台电动机的起动、运行与调速，当给生活供水时，分别采用循环使用的方式运行；当给消防供水时，就3台电机全投入，并采用“先启先停”的原则接入和退出。通过压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的PID模块,PLC根据这两个信号经PID运算，发出控制信号，控制水泵电机进行切换，以达到恒定水压的目的。图4－1所示为恒压供水系统结构框图

图4－1 恒压供水系统结构框图

控制系统的具体工作过程： = Q0.1