变频恒压供水系统设计-变频恒压供水系统的设计和调试

发布时间：2017-09-08 所属栏目：变频恒压供水系统设计

一 : 变频恒压供水系统的设计和调试

前言

近几年来，随着变频器技术的日渐成熟，出现了很多应用于各种控制领域的变频器，如风机水泵专用型、注塑机专用型、拉丝机专用型、单相小功率型和迷你型小功率变频器等等。由于变频器显著的节能效果、简单的控制方式和稳定可靠性，在很多领域都得到广泛的应用。

“www.61k.com。正文

本文主要介绍变频器在恒压供水系统应用的一点心得体会，和大家一起分享。

众所周知，所谓恒压供水是指在供水网络中，系统能自动调节水泵的工作频率，从而达到使出口压力保持不变的一种供水方式。一般采用闭环控制，如下图所示：

变频恒压供水系统变频恒压供水系统的设计和调试

为了实现这一目的，我们选用了博格朗公司生产的DB4610智能型变频恒压供水控制器，变频器采用ABB公司生产的ACS510系列变频器。

DB4610智能型变频恒压供水控制器最多可实现6台主泵+1 台小泵的自动控制，每台水泵均可设为变量泵或定量泵(备用变量泵或备用定量泵),灵活配置，全面满足各种复杂的供水或消防系统；另外系统还具有定时换泵功能，使各泵工作时间均衡，提高水泵平均使用寿命。下图为DB4610智能型变频恒压供水控制器的接线端子图和各端子的功能说明。

变频恒压供水系统变频恒压供水系统的设计和调试

用户可以根据实际的情况选择水泵的数量，本文以三台水泵为例，具体说明其电路的设计和参数设置。下图为三台水泵的控制电路图。

变频恒压供水系统变频恒压供水系统的设计和调试

初次上电使用，要对控制器进行以下系统设置：

00 压力设定值1：系统所需的目标值，设定范围：0－报警压力（参数04）

04 超压报警压力：反馈压力值超过该设定值，达到超压持续时间(参数75)时关断所有的水泵并报警。

05 传感器类型：当传感器为0-5V(远传压力表)，选择 0-5，电压由PI 端子输入。当传感器为4-20mA(压力变送器) ，选择 4-20，电流由AI 端子输入。

06 传感器量程：所选传感器的最高测量值。

07 小数点位值：根据需要设定小数点的位数。

10 模拟输出类型：选择模拟输出信号(变频器模拟输入)，0－5V 或0－10V。

12 主泵下限频率：当仅一台主泵变频工作，达到设定压力但不出水时的变频泵运行频率。另外，变频器低频运行时，启动扭矩小，启动性能差，变频器不宜低频运行。

28 日期设定/29 时钟设定：根据实际设定。

30 定时换泵间隔：设定此参数用于均衡使用每台水泵以防止水泵锈蚀。此时间为实际时间差，当达到此运行时间间隔后，如有泵处于停止状态，将工作时间最长的水泵停止，停止的水泵投入运行。

32 首先启动泵号：此参数设定控制器的重新上电或运行（RS端子）有效后首先启动的水泵号。

如果有的水泵故障或禁止启动时，可以通过62—67参数设定禁止使用。

另外，当夜间用水量很少时，为了节约电能，可以设置休眠模式：

19 休眠功能选择：0 — 无效，1 — 有效。

选择休眠状态有效时，如果仅有一台变量泵工作，并且在休眠判断频率（参数 20）下持续运行超过21 休眠延时（参数21）（即满足休眠条件后），RUN 指示灯闪烁，所有泵停止。为了增加休眠的时间，减少休眠次数，可以选择休眠前压力增量（参数22），在休眠前提高压力：目标压力（SV）+休眠前压力增量（参数22），当反馈压力达到此压力值时系统才进入休眠状态。

当选择小泵属性为变量泵时，满足休眠条件后启动附属小泵，目标压力同主泵的目标压力。当选择小泵属性为定量泵时小泵受控于压力区间25 小泵启动压力（参数25）和26 小泵停止压力（参数26）。

当压力低于 23 唤醒压力值（参数23）时，等待24 休眠唤醒延时（参数24）后退出休眠状态。

其他参数可根据实际情况进行设置，同时设置变频器为外部端子命令控制，模拟电压频率控制。

如上图所示，QF1为系统总开关，QF2—QF4分别控制三台水泵，当有水泵故障时，可以通过这三个断路器脱离系统。KM1—KM7为工频和变频的控制，当SA1选择开关指向手动时，三台水泵可独立启停，一般作为测试用，或者当变频器故障时、系统压力要求不是很严格时，可以单独启动几台水泵。

当SA1选择开关指向自动时，KM1线圈得电动作，变频器得电，同时，KM1常开触点闭合，R/S控制器运行（26）有信号输入，系统开始启动。这时控制器会根据系统反馈的出口压力，自动选择水泵的数量和工作频率。

当LA低水位输入（35）有信号输入时，系统保护停机。

小结：

变频恒压供水系统是目前最先进，合理的节能供水系统。广泛应用于设计院、所、消防局、物业公司、消防专业施工单位等住宅小区、商务办公楼、宾馆、饭店、商场、大型超市、地铁、体育场馆等。与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较，不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有优势：

（1）高效节能。与传统供水方式相比变频恒压供水能节能30%-60%。

（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，由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减少，水泵的寿命将大为提高。

（5）由于能对水泵实现软停和软起，并可消除水锤效应（水锤效应：直接起动和停机时，液体动能的急剧变大，导致对管网的极大冲击，有很大破坏力）。

（6）操作简便，省时省力。

参考文献：

（1） DB4610/4310 变频恒压供水控制器使用说明书版本：V1.6

（2） ABB ACS 510 变频器使用说明书

二 : 变频恒压供水控制系统设计

《交流调速》课程设计任务书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 32040802

学生姓名 _

学号

12 月 26 日至 12 月 31 日共 1 周

指导教师(签字)

2011年 12 月 9 日

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

一、设计内容

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。本课程设计是电气工程及其自动化专业《交流调速》课程的实践性环节，其主要目的是培养学生初步掌握交流调速系统的设计方法及理论知识的应用能力。本课程设计的基本任务是提高学生在调速系统设计方面的实践技能，培养学生综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。

二、设计资料

33一楼宇供水系统，正常供水45m/小时，最大供水量60m/小时，扬程24m。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。

三、设计内容

1、方案的确定

相对于传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出地体现在以下几个方面：

（1）高效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1%～40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。

（2）恒压供水变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期用户的热水器不能正常使用的情况。

（3）安全卫生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）自动运行、管理简便新型的变频恒压供水系统具各了过电流、过电压、欠电压、断相、短路保护，瞬时停电保护，过载、失速保护，低液位保护，主泵定时轮换控制和密码设定等功能，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。

（5）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，实现了机泵软起动，避免了电动机开停时的大电流对电动机绕组和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。

（6）占地少、投资回收期短新型的变频恒压供水系统在水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地非常小，可以节省投资，降低运行管理费，再加上变频供水的节能优点，都决定了变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。

但是变频恒压供水系统开发周期长，对操作人员的素质要求比较高，可靠性较低，维修不方便，且不适用于恶略的环境。

综上所述，传统的供水方式存在普遍不同程度的浪费水力、电力资源、效率低、可靠性低、自动化程度低等缺点，严重影响了居民用水。目前的供水方式朝高效节能，自动可靠的方向发展，PLC变频调速技术显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风能，水泵，空气压缩机，制冷压缩机等高耗能设备上广泛应用，特别是居民用水的恒压供水系统中，变频调速系统节能效果尤为突出，其优越性在：一节能效果显著；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。所以本系统采用PLC变频恒压供水系统。

2、变频调速恒压供水系统简介及工作原理

（1）简介

由PLC控制变频恒压供水系统是一种十分灵活的供水系统，在较大的多台水泵供水系统中应用相当的普遍。

变频调速恒压供水系统的应用场合主要有：

a．高层小区，城乡居民小区，企事业单位等生活用水；

b．各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力水网循环，锅炉补水等； c．中央空调系统；

d．来自水厂增压供水系统；

e．农田灌溉，污水处理，人造喷泉；

f．各种流体恒压供水系统；

（2）工作原理

变频恒压供水系统主要是由PLC、变频器、PID调节器、压力传感器、动力控制线路、2台水泵以及各种电气控制元件等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯、按钮、转换开关来

了解系统运行状况和控制系统的运行。

系统工作原理：通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。通过PLC实现变频器的启停、故障报警和备用泵自投。在手动状态下，不再使用变频器，直接手动启停水泵。

变频恒压供水系统原理框图：

图一变频恒压供水系统框图

2、水泵的容量

公式如下：N=Q*H/367/g(0.6~0.85)

式中,N，轴功率，单位是千瓦（kW）

Q，流量，单位是立方米每小时（m/h）

H，扬程，单位是米(m)

367，是常数，是一个固定值

g, 0.6~0.85，是水泵的效率，一般流量大的取大值，流量小的取小值；

假定g=0.68（经验值，各品牌效率均不同）， N=60*24/367/0.68=5.78kW

水泵功率=轴功率*安全系数即P=N*K K在N不同时有不同的值，当N22时，K=1.25 =8.42*1.25=7.22kW

一般水泵的功率有一些模数，从小到大有：1.1kW，2.2kW，3kW，4kW，5.5kW，7.5kW，11kW，15kW，18.5kW，22kW，30kW，37kW，45kW，55kW，75kW，90kW，110kW，132kW?? 故选出的电机功率为：7.5KW。

3、系统的工作原理

工作方式选择：分别闭合总电源开关QF1，控制电路电源开关QF2，变频器电源开关QF3 ，将自动档位开关SA2旋到自动档位，此时触点0001接通，进而使内部辅助触电1001导通，选择工作方式为自动方式。

备用泵选择：如选择1号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到1号泵备用档位，此时触电0000被接通，内部辅助触电1002导通，选择1号泵为备用泵。如选择2号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到2号泵备用档位，此时常闭触电0000被接通，内部辅助触电1003导通，选择2号泵为备用泵。

自动状态启动：按下启动按钮SB1，PLC内部触电002被接通，此时如果选择1号泵为备用泵则0502触电被接通，2号泵正常工作，1号泵为备用泵。此时如果选择2号泵为备用泵则0500触电被接通，1号泵正常工作，2号泵为备用泵。

自动状态停止：按下自动停止按钮SB2则PLC内部触点0003被接通，此时可断开0502和0500输出继电器，可使整个系统停止运行。同时，

手动启动1号泵：分别闭合总电源开关QF1，控制电路电源开关QF2，变频器电源开关QF3 ，将自动档位开关SA2旋到手动档位，此时触电0001被接通，同时常闭触电0001断开，即切除自动状态的功能。按下SB3启动1号泵工作，触电0004被接通，输出继电器0501动作，启动1号泵工频工作。

手动停止1号泵：按下SB4，触电0005闭合，切断输出继电器0501，1号泵停止工作。同时常闭触电0501断开，2号泵无法启动。

手动启动2号泵：按下SB5启动2号泵工作，触电0006被接通，输出继电器0503动作，启动1号泵工频工作。

手动停止2号泵：按下SB6，触电0007闭合，切断输出继电器0503，2号泵停止工作。同时常闭触电0503断开，1号泵无法启动。

故障排除：1号泵热继电器出现故障时，输入端子FR1动作，接通触点0009，使输出继电器0505接通，点亮L1。2号泵热继电器出现故障时，输入端子FR2动作，接通触点0010，使输出继电器0506接通，点亮L2。当变频器出现故障时，输入端子BP动作，接通触点0008，使输出继电器0507接通，蜂鸣器发出声音。

四、设计图纸

1、电气原理控制图（见附录一）

2、自动调节原理框图

3、PLC梯形图（见附录二）

4、I/O分配表（见附录三）

5、PLC程序（见附录四）

五、操作使用说明书

自动启动：分别闭合总电源开关QF1，控制电路电源开关QF2，变频器电源开关QF3 ，将自动档位开关SA2旋到自动档位，如选择1号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到1号泵备用档位。如选择2号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到2号泵备用档位。自动启动：按下启动按钮SB1，则系统可自动工作。

自动停止：按下自动停止按钮SB2则可使整个系统停止运行，变频器自动关闭。如长时间不用最好切断电源QF1、QF2、QF3。

手动启动1号泵：分别闭合总电源开关QF1，1号泵电源开关QF4，控制电路电源开关QF2，将自动档位开关SA2旋到手动档位。按下SB3启动1号泵工作，按下SB5启动2号泵工作。

手动停车：按下SB4停止1号泵工作，断开电源开关QF4。按下SB6停止2号泵工作，断开电源开关QF5。

故障排除:根据指示灯可判断其故障具体位置。当L1点亮时，说明一号泵热继电器出现故障。当L2点亮时，说明二号泵热继电器出现故障。当蜂鸣器发出声音时，说明变频器出现故障。

六、主要参考资料

1）《交流电机变频调速及其应用》张承慧等机械工业出版社

2）《建筑电气控制技术》王俭建筑工业出版社

3）《过程控制》金以慧清华大学出版社

4）富士变频器使用手册

5）电气图用图形符号（国标）

6）《给水排水工程仪表与控制》崔福义建筑工业出版社

7）《水暖空调电气控制技术》孙光伟建筑工业出版社

8）有关杂志、报刊、资料

附录三：

I/O分配表

附录四（PLC程序）：LD 0000 AND NOT 1000 OUT 1002 LD NOT 0000 AND NOT 1000 OUT 1003 LD 0001 OUT 1000 LD NOT 0001 OUT 1001 LD 0002 OUT TR0 AND 1001 AND 1002 OR 0506 LD TR0 AND 0507 OR 0003 OR 0505 KEEP 0502 LD TR0

AND 1001 AND 1003 OR 0505 LD TR0 AND 0506 OR 0003 OR 0505 KEEP 0500 LD 1000 OUT TR1 AND 0004 AND NOT 0503 LD TR1 AND 0505 OR 0005 KEEP 0501 LD TR1 AND 0006 AND NOT 0501 LD TR1 AND 0506

OR 0007 KEEP 0503 LD 0008 OUT 0507 LD 0009 OUT 0505 LD 0010 OUT 0506 LD 0500 OR 0502 LD 0505 OR 0506 OR 0507 KEEP 0504

三 : 高层建筑变频恒压供水系统设计

附件一：

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

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

III

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：

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

3．答辩评语:

4．答辩成绩:

毕业设计（论文）总成绩:

日IV 指导教师签名：月

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

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 VII

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 1

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 2

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 3

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。

第二章变频器恒压供水的理论分析

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， 5

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：

60fn?(1?s) (2.1) p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， 6

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)p1（kW），可按式(2.1)计算所需电动机的功率[6]P(kW)：

p?p1/??1?2? (2.1)

式中，?1为生产机械的效率，?2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QX为额定流量的60%(即QX=60%QN)。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QE(=Qx)；扬程增加为HE；供水功率PC与面积ODEJ成正比。

稳定转速

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QE（=Qx），扬程减小为Hc，供水功率PC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%QN)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QG表示）和用水要求（由流水量QU表示）之间的平衡情况有关。

如：供水能力QG>用水需求QU，则压力上升（P↑）；

如：供水能力QG<用水需求QU，则压力上升（P↓）；

如：供水能力QG=用水需求QU，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TJ

TJ?TM?TL

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。

第三章变频器恒压供水控制系统设计

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：

图3-2变频恒压供水系统框

恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。

3.3 供水系统方案的确定

1．用户需求

供水系统总体要求：

(1) 由多台水泵机组实现供水，流量范围120m3/h，扬程80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；

(5) 各主泵均能可靠地实现软启动；

(6) 具有完善的保护和报警功能；

(7) 系统要求较高的经济运行性能。

2．方案确定

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。

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 14

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。

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，噪声小。

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。

3.4控制方案

变频恒压供水系统的控制方案有多种，有1台变频器控制一台水泵的简单控制方案，也有一台变频器控制几台水泵的方案，下面重点介绍一台变频器控制几台水泵的特点。利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比较先进的一种方案。

控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制2台水泵按1—2—3—4—1的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有1号泵在变频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态1。当用水量增加，变频器输出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动2号泵电机，控制系统处于状态2。

当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将1号泵电机停运，2号泵电机仍由变频器电源供电，这时控制系统处于状态3。

当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则2号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动1号泵电机，控制系统处于状态4。

当控制系统处于状态4时，用水量减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统供水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器启动1号泵电机，控制系统处于状态4。

当控制系统处于状态4时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，可将2号泵电机停运，1号泵电机仍由变频器供电，这时，控制系统又回到了状态1。如此循环往复的工作，以满足系统用水的需要[11]

第四章系统硬件的设计

4.1 系统主要配置的选型

4.1.1 水泵机组的选型

根据系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计流量和设计供水压力(水泵扬程)，考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用3台主水泵机组和1台辅助泵机组，型号及参数见表4-1。

表4-1 水泵型号及参数

4.1.2 压力变送器的选型

CYYB-120系列压力变送器为两线制4～20mA电流信号输出产品。它采用CYYB-105系列压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有4～20mA标准信号输出。一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、A/D转换器及计算机数据采集系统连接方便。CYYB-120系列压力变送器新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。可广泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域[13]。主要特点：

（1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；

（2）抗冲击、耐震动、体积小、防水；

（3）标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；

（4）最具有竞争力的价格。

4.1.3 液位变送器的选型

SL980-投入式液位变送器，广泛用于储水池、污水池、水井、水箱的水位测量，油池、油罐的油位测量，江河湖海的深度测量。接受与液体深度成正比的液压信号，并将其转换为开关量输出，送给计算机、记录仪、调节仪或变频调节系统以实现液位的全自动控制。主要特点是：安装简单，精度高，可靠性高，性能稳定，能实现自身保护等。

4.1.4 其他低压电器的选型

1. 断路器的选择

（1） QF2，QF3选择。断路器具有隔离,过电流及欠电压等保护功能,当变频器的输入侧发生短路或电源电压过低等故障时,可迅速进行保护。考虑变频器允许的过载能力为150%，时间为1min。所以为了避免误动作，断路器QF2的额定电流Iqn应选

Iqn??1.31.4?In?62?87（A） (3.2)

式中In为变频器的额定输出电流

所以QF2，QF3选90A。

（2）断路器QF1选择。在电动机要求实现工频和变频切换驱动的电路中，断路器应按电动机在工频下起动电流来考虑，断路器QF1的额定电流Iqn应选

Iqn?2.5?Imn?2.5?60?150(A)

式中Imn为电动机的额定电流，Imn=60A。

所以QF1选160A。

2. 接触器的选择

接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个档次来选择，由于电动机的额定电流为60A，所以接触器的触点电流选70A即可。

1）交流接触器

交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。

该控制系统中的接触器均选交流接触器。电机所选用的接触器的主触头在主电路中，所以主触头通断负载额定电压为被控制线路额定电压AC380V，线圈在控制回路中，线圈电压取AC220V。

主触头额定电流经验公式：

?10/K

它们的型号如下：

U (4.1)

表4-2交流接触器型号

2）直流接触器

主触点额定电压选择直流440V，线圈电压选择直流24V。数字量扩展模块均为直流接触器，因此它们的型号为：

3）热继电器选型

热继电器主要是用于电气设备（主要是电动机）的过负荷保护。热继电器是一种利用电流热效应原理工作的电器，它具有与电动机容许过载性相近的反时限动作特性，主要与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相及电流不平衡的保护及其他电气设备发热状态的控制。

三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流（过载和断相）现象。如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许升温，这种过电流是允许的；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。常用的电动机保护装置种类很多，使用最多、最普遍的是双金属片式热继电器。

继电器的主要技术参数：

1）额定参数。主要有工作电压和电流，吸合电压和电流，释放电压和电流等。 2）动作特性参数。①返回系数 ②储备系数 ③响应时间。

3）整定参数。包括整定值和灵敏度。

所以选择热元件额定电流为2.4A的型号为JR0-20/3的热继电器。 4）电源模块

S7-200的CPU单元有一个内部电源，它为CPU模块、扩展模块和DC 24V用户供电。每一个CPU模块都有一个DC 24V传感器电源，它为本机的输入点或扩展模块的继电器线圈提供电源，如果要求的负载电流大于该电源的额定值，应增加一个DC 24V电源为扩展模块供电。

本设计选用SITOP PS207电源模块,该模块电源有60W 和100W 两种功率类型，其功能和设计能够与SIMATIC S7-200 CN 系统完美匹配。也可以同时向其它负载提供24 V供电，如传感器和驱动等感性,容性负载。此电源模块安装方式灵活，既可使用标准导轨安装，也可通过螺钉墙面安装。灵活的安装方式和紧凑的设计节约安装空间，可广泛应用于小型的OEM 设备控制系统，配电箱或开关柜中。

4.2 PLC的选型

4.2.1 I/O点的分配

恒压变频供水控制系统的输入输出点的统计如表4-4所示。

表4-4 I/O分配表

4.2.2 PLC选型的基本原则

这是PLC应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应

考虑以下几个方面[15]。

（1）规模要适当；

（2）功能要相当，结构要合理；

（3）输入，输出功能及负载能力的选择要正确；

（4）要考虑环境条件。

根据以上原则，这次设计选择西门子S7-200系列的CPU222AC/DC。

S7-200编程语言和程序结构

PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。PLC提供的编程语言通常有以下几种：梯形图、指令表、功能图和功能块图。

1.梯形图(LAD)

梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。梯形图的一个关键概念是“能流”(Power Flow)。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。如没有，则线圈末被激励。“能流”以通过被激励(ON)的常开接点和未被激励(OFF)的常闭接点自左向右流。“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。

在梯形图中，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按钮、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如灯、电机接触器、中间继电器等。对S7—200 PLC来说，还有一种输出“盒”，它代表附加的指令，如定时器、计数器和功能指令等。

梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。

2.指令表(STL)

指令表(STL)编程语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。

3.顺序功能流程图(SFC)

顺序功能流程图(SFC)编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程，许多PLC都提供了用于SFC编程的指令。

4.功能块图(FBD)

S7—200的PLC专门提供了FBD编程语言，利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。它没有梯形图编程器中的触点和线圈，但有与之等价的指令，这些指令是作为盒指令出现的，程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定。也就是说，一个指令(例如AND盒)的输出可以允许另一条指令(例如定时器)，这样可以建立所需要的控制逻辑。这样的连接思想可以解决范围广泛的逻辑问题。FBD编程语言有利于程序流的跟踪，但在目前使用较少。

在编程语言的选择上，具体是用梯形图编程还是语句表编程或使用功能图编程，这主要取决于以下几点：

①有些PLC使用梯形图编程不是很方便，则可用语句表编程，但梯形图比语句表直观。 21

②经验丰富的人员可用语句表直接编程，就像使用汇编语言一样。

4.3 变频器的选型

根据控制功能不同，通用变频器分为三种类型。普通功能型u/f控制变频器，具有转矩控制功的高功能型u/f控制变频器，矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的u/f控制变频器。

综合以上因素，选用西门子变频器MicroMaster440，它是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。

（1）它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新的BiCo（内部功能互联）功能有无可比拟的灵活性。

（2）主要特征

a.200V-240V ±10%，单相/三相，交流，0.12kW-45kW； 380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-250kW；

b.矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；

c.高过载能力，内置制动单元；

d.三组参数切换功能。控制功能：线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；

e.标准参数结构，标准调试软件；

f.数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个； g.独立I/O端子板，方便维护；

h.采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；

i.内置PID控制器，参数自整定；

j.集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP/Device-Net通讯模块；

k.具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；

l.可实现主/从控制及力矩控制方式；

m.在电源消失或故障时具有"自动再起动"功能；

n.灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；

o.快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸；

p.有直流制动和复合制动方式提高制动性能。

（3）保护功能

过载能力为200%额定负载电流，持续时间3秒和150%额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护；

变频器、电机过热保护；

接地故障保护，短路保护；

闭锁电机保护，防止失速保护；

采用PIN编号实现参数连锁。

表4-5 MM440数字输入端口功能设置

4.4 主电路方案设计

三台大容量的主水泵(1#,2 #,3 #)根据供水状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联；辅助泵只运行在工频状态，通过一个接触器接入工频。连线时一定要注意，保证水泵旋向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。QF1,QF2,QF3,QF4,QF5,QF6分别为主电路、变频器和各水泵的工频运行空气开关，FR1, FR2, FR3, FR4为工频运行时的电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器来实现电机过载保护。

变频器的主电路输出端子(U,V,W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子(U,V,W)的相序，否则无法工作。变频器和电动机之间的配线长度应控制在100m以内。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路空气开关QF2的通断来进行。为了改善变频器的功率因素，还应在变频器的(Pl, P+)端子之间需接入相应的DC电抗器。变频器接地端子必须可靠接地，以保证安全，减少噪声。图4-1给出了供水系统电气控制主回路的主要联线关系

图4-1 主电路图

QF1

VVVFR S TUVWQF2KM2QF3KM4QF4KM6QF5KM7

KM1KM3KM5

FR1

4.5 控制电路设计 FR23~FR33~FR43~

在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失电，进而控制电机或者阀门的动作。通过隔离，可延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。

控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。因此，在控制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计；另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。为提高互锁的可靠性，在PLC控制程序设计时，进一步通过PLC内部的软继电器来做互锁。

控制电路中还考虑了电机和阀门的当前工作状态指示的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相 25

应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。

出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动/自动转换控制电路。通过转换关及相应的电路来实现。图4-2给出了供水系统的部份电气控制线路图。

kAkAkAkA

SB1SB2kA5kA3kA2

SB13

SB11

SB7kA3SB8

SB9kA4SB10

kA5SB12

kA6SB14

kA7

SB5

SB3kA1SB4

kA2SB6

kA5kA1

kA3

kA5

kA7

kA1

kA2

kA4

kA1

kA3

kA4

kA6

kA5

kA6

kAHL0

kA1

FR1FR2

FR3FR4

图4-2 手动控制线路图

图4-2 中，SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动转换用中间继电器，打在①位置为手动状态，打在②位置KA吸合，为自动状态。在手动状态，通过按钮SB1-SB14控制各台泵的起停。在自动状态时，系统执行PLC的控制程序，自动控制泵的起停。

中间继电器KA的7个常闭触点串接在四台泵的手动控制电路上，控制四台泵的手动运行。中间继电器KA的常开触点接PLC的XO，控制自动变频运行程序的执行。在自动状态时，四台泵在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。

电动机电源的通断，由中间继电器KA1-KA7控制接触器KM1-KM7的线圈来实现。HLO为自动运行指示灯。FR1, FR2, FR3，FR4为四台泵的热继电器的常闭触点，对电机进行过载保护。

4.6 PID参数的设置

由于SIEMENS MM440变频器自带了PID模块，我们不需要进行PID调节器的设计，只需进行简单的参数设置就可以了。首先将设置模拟输入的DIP开关1拨到ON位置，选择为4～20mA输入，将DIP开关2拨到OFF位置选择电动机的频率，OFF位置为50Hz。其它参数的设置如表4-5所示[17]。

表4-5 MM440参数预置表

4.7 恒压变频供水的工艺流程

系统开始运行之前，应先把管压参数SP赋给PLC。按下启动按钮，系统开始运行，PLC给变频器FWD信号，然后判断变频器能否工作正常，正常的话采用全自动变频恒压控制方式。现在假设变频器工作正常，系统开始运行，水泵1变频零转速启动，待运转正常后压力传感器开始采样，随着PLC的不断扫描，系统不断输入管压信号的采样结果，采样结果通过模拟输入输出单元将模拟输入值转换为PLC可以接受的数字信号，与目标值作比较，将偏差调整为零，也就是提高或降低水泵转速，使管网水压达到目标值。如果一台水泵额定转速运行仍不能使管网水压达到设定值，将水泵1切换到工频态运行，延时后变频器的控制对象切换到水泵2，同时保持水泵1维持工频运行，水泵2从零转速开始运行，过程如上。泵3、泵4的工作情况也是如此。

在该种运行方式下，系统大部分时间是工作于其中一台泵变频运行进行微调，其它泵或工频或停止的状态本系统为2组水泵轮流工作，2组水泵的选择由人工直接操作。因为2组水泵的原理型号相同，所以下面以水泵1组为例介绍恒压供水的工艺流程。流程图见图4-3。该系统的主要运行过程如下：

1.系统启动

按下SAN1按钮，系统水泵1组开始启动。首先将水泵1组的两个碟阀关闭。即JF1和JF3置1，延时1秒钟，确定蝶阀关闭后接通1号水泵变频开关。随后开变频器，即FWD置

1。当变频器FWD端置1时，变频器将正转运转且频率逐渐上升。当频率到达50Hz时，水泵已经运转正常，延时4S，开碟阀1，即将JF1置0、JF2置1。随后PLC的PID调节将控制变频器频率从而达到恒压的效果。

2.变频转工频

变频转工频的情况只可能发生在1号水泵。首先要进行条件判定，即只有当1号水泵处于变频状态时才可能有变频转工频现象（这在程序中用触点来确定）。然后，必须1号水泵已经到了工作极限（程序中用VD208表示即50Hz）且压力依然小于设定值时才会出现变频转工频的现象（这在程序中用条件判定来确定，即PID计算结果VD250大于VD208）。当上述条件符合时，不能马上切换到工频，还要进行相位比较，当相位一致时，才能切换（程序中由鉴频鉴相器来判断，鉴频鉴相器输出为0时，频率相位都相同,具体见3.6章）。具体切换过程是关变频器然后马上关闭1号水泵变频开关再然后接通工频开关。切换过程中应该有短时间的延时（程序中延时为0.1S）。

随后，因该马上将2号水泵变频开关接通，然后开变频器，随后按照（1）启动流程的介绍来启动2号水泵。

3.工频转变频

同样，工频转变频同样只可能发生在1号水泵。前提为2台水泵都在工作，2号水泵工 28

作频率已经到了最低值（程序中用VD204表示），且压力依然不够（在程序中压力不够用PID计算结果VD250小于VD204表示）。满足上面条件后就能马上关闭2号水泵。但是此时还不能将1号水泵由工频转到变频，首先要将变频器调整到50Hz，然后进行鉴相后才能转换。转换过程为切断1号水泵工频，然后马上接通1号水泵变频。

4.关闭水泵组碟阀

当按下关闭水泵组碟阀按钮时，将JF1、JF3置1即可。 1号变频启动水泵2变频关闭

鉴频鉴相

1号水泵转到工频2号水泵变频启动

水泵1变频工作

结束

图4-3 恒压工作流程图

5.关闭水泵组

关闭水泵组的条件是必须关闭了水泵组碟阀。确定关闭后，进行判断1号水泵是否在工频运行。如果是，直接关闭1号水泵，然后关闭FWD使变频器频率慢慢降低，从而关闭2号水泵。然后将1组水泵相关的信号置0，程序结束。

第五章总结与期望

5.1 总结

本课题主要研究的是高层建筑的恒压变频供水。为此设计了一套具有高性能的变频器控制系统来代替原有的手动启动、阀门控制系统。此系统重点是根据系统运行的需求，自动调节输出频率控制电动机的转速，从而保持系统工况压力的稳定。

根据供水的要求，此装置属于一拖二闭环调速系统，且变频器带动的电机可实现无级调速。减少系统波动现象和对电源电网的冲击。此装置在变频器出现故障时，可自动关闭电动阀门，系统退出变频式运行，以避免中断供水。

在工频方式运行下，系统带有降压启动装置，在工频启动时，由于启动电流过大，而避免对电网冲击的影响，并可延长电机的使用寿命。装置启动时，电动机与电动阀门同时开启，停止时先关闭电动阀门，电动机延时停止，防止水锤现象，延长水泵使用寿命。

5.2 期望

现有系统实现了供水系统的工况控制、调节和设备状态监控功能，将来还可以通过对更多现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、水压、水位、水流量等，通过开发上位机的数据管理系统，实现具有综合功能的供水自动化控制与管理系统，提高后勤管理能力.这部份工作有待在以后的学习与工作中来进一步开展下去。

随着各方面技术的发展以及网络技术被广泛的应用，与此同时能量却日益紧缺，在这种情况下，变频恒压供水系统的使用肯定会越来越普及，当然对恒压供水控制技术将提出更高的要求。如对系统采用基于GPRS 的无线方式进行数据的传输、通过网络对系统进行远程诊断和维护等。另外本文的设计、控制方法完全可以用于恒风压控制，进而实现风机的变频节能，因为风机和水泵的能耗大约占整个电能能耗的三分之一左右。所以变频恒压供水技术在逐渐走向成熟的过程中，仍然有必要对其进行更深入的研究。

参考文献

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》王岚南京理工大学硕士论文

6. 金传伟，毛宗源．变频调速技术在水泵控制系统中的应用．电子技术应用.2000

7.马桂梅，谭光仪.陈次昌泵变频调速时的节能方案讨论.四川工业学院学报.2003

8.崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨.兰州铁道学院学报.2000

9.吴民强.泵与风机节能技术水利电力出版社.1994

10.张燕宾.变频调速应用实践机械工业出版社.2002

11.付娟.交流调速技米电子工业出版社.2002

12.叶汝裕.水泵风机的节电及技术改造重庆大学出版社.1998

13.徐士鸣.泵与风机原理与应用.大连理工大学出版社.1992

四 : 变频恒压供水控制系统设计

《交流调速》课程设计任务书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 32040802

学生姓名 _

学号

12 月 26 日至 12 月 31 日共 1 周

指导教师(签字)

2011年 12 月 9 日

变频恒压供水变频恒压供水控制系统设计

变频恒压供水变频恒压供水控制系统设计

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。(www.61k.com]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

变频恒压供水变频恒压供水控制系统设计

一、设计内容

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。［www.61k.com)本课程设计是电气工程及其自动化专业《交流调速》课程的实践性环节，其主要目的是培养学生初步掌握交流调速系统的设计方法及理论知识的应用能力。本课程设计的基本任务是提高学生在调速系统设计方面的实践技能，培养学生综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。

二、设计资料

33一楼宇供水系统，正常供水45m/小时，最大供水量60m/小时，扬程24m。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。

三、设计内容

1、方案的确定

相对于传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出地体现在以下几个方面：

（1）高效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1%～40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。

变频恒压供水变频恒压供水控制系统设计

行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。(www.61k.com］变频器的无级调速运行，实现了机泵软起动，避免了电动机开停时的大电流对电动机绕组和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。

但是变频恒压供水系统开发周期长，对操作人员的素质要求比较高，可靠性较低，维修不方便，且不适用于恶略的环境。

2、变频调速恒压供水系统简介及工作原理

（1）简介

由PLC控制变频恒压供水系统是一种十分灵活的供水系统，在较大的多台水泵供水系统中应用相当的普遍。

变频调速恒压供水系统的应用场合主要有：

a．高层小区，城乡居民小区，企事业单位等生活用水；

b．各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力水网循环，锅炉补水等； c．中央空调系统；

d．来自水厂增压供水系统；

e．农田灌溉，污水处理，人造喷泉；

f．各种流体恒压供水系统；

（2）工作原理

变频恒压供水变频恒压供水控制系统设计

了解系统运行状况和控制系统的运行。(www.61k.com]

变频恒压供水系统原理框图：

变频恒压供水变频恒压供水控制系统设计

图一变频恒压供水系统框图

2、水泵的容量

公式如下：N=Q*H/367/g(0.6~0.85)

式中,N，轴功率，单位是千瓦（kW）

Q，流量，单位是立方米每小时（m/h）

H，扬程，单位是米(m)

367，是常数，是一个固定值

g, 0.6~0.85，是水泵的效率，一般流量大的取大值，流量小的取小值；

假定g=0.68（经验值，各品牌效率均不同）， N=60*24/367/0.68=5.78kW

水泵功率=轴功率*安全系数即P=N*K K在N不同时有不同的值，当N22时，K=1.25 =8.42*1.25=7.22kW

变频恒压供水变频恒压供水控制系统设计

3、系统的工作原理

工作方式选择：分别闭合总电源开关QF1，控制电路电源开关QF2，变频器电源开关QF3 ，将自动档位开关SA2旋到自动档位，此时触点0001接通，进而使内部辅助触电1001导通，选择工作方式为自动方式。[www.61k.com］

自动状态停止：按下自动停止按钮SB2则PLC内部触点0003被接通，此时可断开0502和0500输出继电器，可使整个系统停止运行。同时，

手动停止1号泵：按下SB4，触电0005闭合，切断输出继电器0501，1号泵停止工作。同时常闭触电0501断开，2号泵无法启动。

手动启动2号泵：按下SB5启动2号泵工作，触电0006被接通，输出继电器0503动作，启动1号泵工频工作。

手动停止2号泵：按下SB6，触电0007闭合，切断输出继电器0503，2号泵停止工作。同时常闭触电0503断开，1号泵无法启动。

变频恒压供水变频恒压供水控制系统设计

四、设计图纸

1、电气原理控制图（见附录一）

2、自动调节原理框图

变频恒压供水变频恒压供水控制系统设计

3、PLC梯形图（见附录二）

4、I/O分配表（见附录三）

5、PLC程序（见附录四）

变频恒压供水变频恒压供水控制系统设计

五、操作使用说明书

自动启动：分别闭合总电源开关QF1，控制电路电源开关QF2，变频器电源开关QF3 ，将自动档位开关SA2旋到自动档位，如选择1号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到1号泵备用档位。(www.61k.com）如选择2号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到2号泵备用档位。自动启动：按下启动按钮SB1，则系统可自动工作。

自动停止：按下自动停止按钮SB2则可使整个系统停止运行，变频器自动关闭。如长时间不用最好切断电源QF1、QF2、QF3。

手动停车：按下SB4停止1号泵工作，断开电源开关QF4。按下SB6停止2号泵工作，断开电源开关QF5。

六、主要参考资料

1）《交流电机变频调速及其应用》张承慧等机械工业出版社

2）《建筑电气控制技术》王俭建筑工业出版社

3）《过程控制》金以慧清华大学出版社

4）富士变频器使用手册

5）电气图用图形符号（国标）

6）《给水排水工程仪表与控制》崔福义建筑工业出版社

7）《水暖空调电气控制技术》孙光伟建筑工业出版社

8）有关杂志、报刊、资料

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附录三：

I/O分配表

变频恒压供水变频恒压供水控制系统设计

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AND 1001 AND 1003 OR 0505 LD TR0 AND 0506 OR 0003 OR 0505 KEEP 0500 LD 1000 OUT TR1 AND 0004 AND NOT 0503 LD TR1 AND 0505 OR 0005 KEEP 0501 LD TR1 AND 0006 AND NOT 0501 LD TR1 AND 0506

OR 0007 KEEP 0503 LD 0008 OUT 0507 LD 0009 OUT 0505 LD 0010 OUT 0506 LD 0500 OR 0502 LD 0505 OR 0506 OR 0507 KEEP 0504

五 : 高层建筑变频恒压供水系统设计

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附件一：

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

恒压供水系统设计高层建筑变频恒压供水系统设计

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。[www.61k.com）

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

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陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书

进程计划表

恒压供水系统设计高层建筑变频恒压供水系统设计

III

恒压供水系统设计高层建筑变频恒压供水系统设计

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：

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

3．答辩评语:

4．答辩成绩:

毕业设计（论文）总成绩:

日IV 指导教师签名：月

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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。[www.61k.com]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。