1、摘摘 要要 隨著改革開放的不斷深入，我國中小城市的城市建設及其經(jīng)濟迅猛發(fā)展，人民的生 活水平不斷提高；同時，城市需水量日益加大，對城市供水系統(tǒng)提出了更高的要求。供 水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟節(jié)能性直接影響到城區(qū)的建設和經(jīng)濟的發(fā)展，也影響到城區(qū) 居民的正常工作和生活。本文根據(jù)城區(qū)供水管網(wǎng)改造工程設計了一套由 PLC、變頻器、 遠傳壓力表、多臺水泵機組、計算機等主要設備構成的全自動變頻恒壓供水及其遠程監(jiān) 控系統(tǒng)，具有自動工頻/變頻恒壓運行、可實現(xiàn)遠程自動控制和現(xiàn)場手動控制等功能。論 文分析了采取變頻調(diào)速方式實現(xiàn)恒壓供水相對于傳統(tǒng)的閥門控制恒壓供水方式的節(jié)能機 理。通過對變頻器內(nèi)置 PID 模塊參數(shù)的

2、預置，利用遠傳壓力表的水壓反饋量，構成閉環(huán) 系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取 PID 調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié) 和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結合，實現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。 論文論述了采用多泵并聯(lián)供水 方案的合理性，分析了多泵供水方式的各種供水狀態(tài)及轉換條件，分析了電機由變頻轉 工頻運行方式的切換過程及存在的問題。給出了實現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)轉換控制的電氣設計 方案和 PLC 控制程序設計方案。系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問題，增強了 系統(tǒng)的可靠性。并與計算機實現(xiàn)了有機的結合，提升了系統(tǒng)的總體性能。 關鍵詞關鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；恒壓供水；變頻工頻切換 Abstract With t

3、he continuous 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 constructio

4、n and economic 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,

5、the converter, 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 c

6、onstant water supply 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

7、in full rang of 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

8、the much pump way 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：P

9、LC; Variable Velocity Variab le frequency; Constantp ressure water-supply; variable frequency to working frequency 目錄 摘 要.I ABSTRACT .II 1 緒 論.1 1.1 課題背景及意義 .1 1.2 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 .1 1.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點 .3 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析.4 2.1 供水系統(tǒng)的基本特性 .4 2.2 不同控制方式下的能耗分析與比較 .5 2.3 變頻恒壓控制的理論模型 .6 2.4 供水系統(tǒng)中的水錘效應及消除方法 .7 3 供水系

10、統(tǒng)恒壓控制與硬件設計.8 3.1 異步電動機調(diào)速方法及選型 .8 3.1.1 變極調(diào)速.8 3.1.2 變頻調(diào)速.9 3.2 供水系統(tǒng)的方案確定.10 3.2.1 供水系統(tǒng)的流量類型.10 3.2.2 總體設計方案確定.10 3.2.3 恒壓供水電控系統(tǒng)組成.12 3.3 控制系統(tǒng)的硬件設計與選型.13 3.3.1 主電路設計.13 3.3.2 電氣控制電路設計.14 3.3.3 系統(tǒng)主要配置的選型.16 3.4 PLC 的選型.19 3.5 系統(tǒng)可靠性措施 .20 4 PLC 控制系統(tǒng)的設計.22 4.1 水泵工頻/變頻運行狀態(tài)及轉換過程分析 .22 4.1.1 供水狀態(tài)及其轉換.22 4.

11、1.2 狀態(tài)轉換關系.22 4.1.3 狀態(tài)轉換條件.24 4.2 PLC 程序設計.25 4.2.1 PLC 編程語言.25 4.2.2 梯形圖語言編程的一般規(guī)則.25 4.3 供水系統(tǒng)控制模塊的設計 .26 4.3.1 系統(tǒng)初始化模塊.26 4.3.2 水泵運行與狀態(tài)轉換模塊.26 5 恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié).28 5.1 PID 控制及其控制算法.28 5.2 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過程分析.29 結 論.31 附 錄.32 致謝.34 參考文獻.35 1 緒緒 論論 1.1 課題背景及意義 隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強，人民對供水 的質(zhì)量和供水系統(tǒng)

12、可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網(wǎng) 絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。 變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、現(xiàn)代控制技術于一體。采用該系統(tǒng)進行 供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同 時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)， 對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義 在變頻恒壓供水系統(tǒng)中利用變頻器改變電動機的電源頻率，從而達到調(diào)節(jié)水泵轉速， 改變水泵的出口的壓力的目的，這種方法比靠調(diào)節(jié)閥門控制水泵出口壓力的方法，具有 更高的效率和優(yōu)越性。由于水泵工作

13、在變頻工況下，在其出口流量小于額定流量時，泵 的轉速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長了泵和電動機的機械使用壽命。實現(xiàn)恒壓 供水的自動控制，不需要操作人員頻繁的操作，大大降低了人員的勞動強度，節(jié)省了人 力和能源的消耗。 1.2 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 國內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀 從 20 世紀 70 年代起，國內(nèi)外的很多專家，學者就開始嘗試將計算機技術應用于供 水系統(tǒng)的模擬，優(yōu)化設計及供水系統(tǒng)控制等方面。目前，國內(nèi)外供水系統(tǒng)采用的自動控 制技術不少，其特點是變頻技術與其他自動化技術相結合。如最初的恒壓供水系統(tǒng)采用 繼電接觸器控制電路，是與開關量邏輯控制技術結合，通過人工啟動或停止水泵和調(diào)節(jié) 泵出口閥來

14、實現(xiàn)恒壓供水。該系統(tǒng)線路復雜，操作麻煩，勞動強度大，維護困難，自動 化程度低，應用前景不好。后來增加了微機和 PLC 監(jiān)控系統(tǒng)，提高了自動化程度。但由 于驅(qū)動電機是恒速運轉，水流量靠調(diào)節(jié)泵出口閥開度來控制，浪費大量的能源，也沒有 很好的發(fā)展前景。轉速控制法是通過改變水泵的轉速來調(diào)節(jié)流量，通過變頻技術調(diào)速。 變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起、制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，得到了廣 泛的應用。 變頻供水系統(tǒng)應用范圍 變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應用，按所使用的范圍大致分為三類： (1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，

15、特 點是變頻控制的電機功率小，一般在 135kW 以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶 群十分龐大，所以是且前國內(nèi)研究和推廣最多的方式。如希望集團推出的恒壓供水專用 變頻器。 (2)國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠這類變頻器電機 功率在 135kW-320kW 之間，電網(wǎng)電壓通常為 200V 或 380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟條件限 制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。 (3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點是功率大(一般都大于 320kW)、 機組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系

16、統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了 國外進口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器。 變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 (1)變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護操作簡單化方向發(fā)展 在國內(nèi)外，專門針對供水的變頻器集成化越來越高。很多專用供水變頻器集成了 PLC 或 PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時維護操作也越來越簡單，部分新品的變 頻供水只需簡單設定壓力值就可以正常運行，控制軟件和其它參數(shù)在出廠時就已設定或 利用傳感器自動獲取完畢。 (2)高壓變頻系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應用 在過去變頻供水涉及較少的商壓變頻系統(tǒng)，也是發(fā)展的重要方向，高一低高型的 高壓變頻系統(tǒng)、串聯(lián)多電平高壓變頻供水

17、系統(tǒng)目前己在實際應用中不斷完善高壓高頻中 的諧波等問題也逐步得到解決。 (3)變頻送水系統(tǒng)正在融入更全面的供水管理系統(tǒng) 面對日益復雜的供水系統(tǒng)，如何在滿足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系 統(tǒng)的效益，是所有供水部門共同面臨的重要課題。目前，在美國、日本、法國等地的有 些城市已基本上實現(xiàn)了供水系統(tǒng)的計算機優(yōu)化，把變頻供水與計算機直接調(diào)度管理結合 起來，我國也正在進行著這方面的研究與小范圍應用。 1.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點 現(xiàn)有變頻恒壓供水系統(tǒng)具有以下特點: 1、滯后性 供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，對控制作用的響應 具有滯后性。同時用于水泵轉速控制的變頻器也存在

18、一定的滯后效應。 2、非線性 用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵的一些固有特性，使 水泵轉速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性 系統(tǒng)。 3、多變性 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的 供水系統(tǒng)管網(wǎng)結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具 有很強的多變性。 4、時變性 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制是時時發(fā) 生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化， 因此，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的。 5、容錯性 完

19、善的保護功能 當出現(xiàn)意外的情況時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源 水位，管網(wǎng)壓力等工況自動進行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門 的故障程序，保證在緊急情況下仍能進行供水。 6、節(jié)能性 系統(tǒng)用變頻器進行調(diào)速，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零 到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，同時減少了啟動慣性對設備的大慣量 轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 2.1 供水系統(tǒng)的基本特性 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔?表明水泵在某一轉速下?lián)P程 H 與流

20、量 Q 之間的關系曲線 f(Q)，如圖 2-1 所示。由圖 2-1 可以看出，流量 Q 越大，揚程 H 越小。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流 量的大小主要取決于用戶的用水情況。因此，揚程特性所反映的是揚程 H 與用水流量 Q（ ）間的關系。而管阻特性是以水泵的轉速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚程 U Q 與流量 Q 之間的關系 H=f（） 。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓 U Q 力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程 H 越大， 流量 Q 也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶 的供水能力。因

21、此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量 Q 之間的關系 H=f（） 。揚程 c Q 特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖 2-1 中 A 點。在這一點， 用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性， U Q c Q 也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 H A H A 揚程特性 管阻特性 A Q Q 圖 2-1 供水系統(tǒng)的基本特性 2.2 不同控制方式下的能耗分析與比較 當用閥門控制時，若供水量高峰期水泵工作在 E 點，流量為 Ql，揚程為，當供水 0 H 量從減小到時必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從移到，揚 1 Q 2 Q 3 1

22、程特性曲線不變。而揚程則從上升到，運行工況點從 E 點移到 F 點，此時水泵輸出 0 H 1 H 功率用圖形表示為(0,F,)圍成矩形部分，其值為1： 2 Q 1 H （2-1） 02 = 102 D H Q P g h 當用調(diào)速控制時，若采用恒壓()，變速泵()供水，管阻特性曲線為，揚程特性 0 H 2 n 2 變?yōu)榍€，工作點從 E 點移到 D 點。此時水泵輸出功率用圖2-2表示為(0，Q2,D,)圍 2 n 0 H 成的矩形面積，可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為（,D,F,）圍成的矩形面積，其值為： 0 H 1 H （2-2） 0210212 () -=-= 102102102 = FD H

23、 QHHQH Q P PP 所以，當用閥門控制流量時，有功率被浪費掉，并且隨著閥門的不斷 102 102 g h （H-H）Q 關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是 E 增大，而被浪費的功率要隨之增加。根據(jù)水泵變速運行的相似定律，變速前后流量 Q、揚 程 H、功率 P 與轉速 N 之間關系為： ; ; （2-3） 22 11 = QN QN 222 11 =() HN HN 322 11 =() PN PN 式中 Ql、H1、P1 為變速前的流量、揚程、功率，、H2、P2為變速后的流量、揚程、 2 Q 功率。由公式(2-3)可以看出，功率與轉速的立方成正比

24、2，流量與轉速成正比，損耗功率 與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著， 所以本文供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水方式。 H 2 H 1 H 0 H F E 1 n 2 n 0 2 Q 1 Q Q D 3 2 1 圖 2-2 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線 2.3 變頻恒壓控制的理論模型 變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實 際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間 分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi),恒壓控制的目標就是 使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上3

25、。 給定參數(shù) 變 頻 器 （PID） 水泵 頻率 轉速 管網(wǎng) 實際壓力 壓力傳感器 反饋參數(shù) 圖 2-3 變頻恒壓控制原理圖 從圖2-3中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設定壓力，控制系 統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該 值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相 加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉速增大，從而使實 際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為 止4。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將 會降

26、低，水泵機組的轉速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結果是實 際供水壓力和設定壓力相等。 2.4 供水系統(tǒng)中的水錘效應及消除方法 水錘效應 在極短時間內(nèi)，因水流量的急劇變化，引起在管道的壓強過高或過低的沖擊，并產(chǎn) 生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘效應。水錘效應 具有極大的破壞性。壓強過高，將引起管子的破裂;壓強過低又會導致管子的癟塌。此外， 水錘效應還可能損壞閥門和固定件。 產(chǎn)生水錘效應的原因及消除辦法 產(chǎn)生水錘效應的根本原因，是水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉矩太大，短時間內(nèi) 流量的巨大變化而引起的。水泵的動態(tài)轉矩大小決定了水泵加速過程的快慢，決定了加

27、 速過程流量變化的快慢，也就決定了水錘效應的強弱。 通過水泵電動機的軟起動，可減少動態(tài)轉矩，因此，選擇好的起動方式和速度調(diào)節(jié) 方法，可以減小或徹底消除水錘效應，提高供水系統(tǒng)運行的安全性。 3 供水系統(tǒng)恒壓控制與硬件設計供水系統(tǒng)恒壓控制與硬件設計 3.1 異步電動機調(diào)速方法及選型 轉速控制法實現(xiàn)恒壓供水，供水質(zhì)量好、能耗低、效率高，并可延長設備的使用壽 命，提高系統(tǒng)的安全性。通過轉速控制法實現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉速。水泵通 過聯(lián)軸器由三相異步電動機來拖動，因此水泵轉速的調(diào)節(jié)，實質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動 機的轉速。 由三相異步電動機的轉速公式5： （3-1） 1 60 (1)(1) f nns

28、s p =-=- 式中， 異步電動機的同步轉速，r/min； 1 n n 異步電動機轉子轉速，r/min； p 異步電動機磁極對數(shù)； f 異步電動機定子電壓頻率，即電源頻率； s 轉速差， 1 1 =100% nn S n - 可知調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉差調(diào)速和變頻調(diào)整。 3.1.1 變極調(diào)速 在電源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數(shù)，實現(xiàn)電機轉速的改變。磁極對 數(shù)的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專門的變極 電機，而且是有極調(diào)速，級差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉速的連續(xù)調(diào)節(jié)。 通過改變電動機的轉差率實現(xiàn)電機轉速的改變。 三相異步電動機的轉子銅損耗為: (3-

29、2) 2 22 2 =3= s em CU PI rP 該損耗和電機的轉差率成正比，又稱為轉差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動機工 作在額定狀態(tài)時，轉差率很小，相應的轉子銅損耗小，電機效率高。但適應流量的變化， 電機一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉速值往往遠低于額定轉速，此時的轉差率增大，轉 差功率增大，電機運行效率降低。雖然變轉差調(diào)速中的串級調(diào)速法能將增加部份的轉差 功率通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時過載能力低，還需一 臺與電動機相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。因此變轉差調(diào)速 方法不適用 于恒壓供水系統(tǒng)中的轉速控制法。 3.1.2 變頻調(diào)速 1、變頻調(diào)速

30、機械特性 最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓， 以保證電機磁通基本不變，其關系為： 1 1 = U f 常數(shù) 式中： 變頻器輸出電壓、 變頻器輸出頻率 1 U 1 f 頻率 f 從額定值往下調(diào)時，電機機械特性變化情況如圖3-1 a）所示5，圖中 N f 4321fffffN a)變頻調(diào)速機械特性 b)全壓起動 圖 3-1 電動機機械特性 2、變頻調(diào)速過程的特點： 靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關鍵的一點是調(diào)速過程中，其轉 差率不變。電機的運行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉速控制法。 3、變頻調(diào)速對供水系統(tǒng)安全性的作用 (1)消除水錘效應，減

31、少對水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。 拖動系統(tǒng)中，動態(tài)轉矩 =- JML TTT ：是電動機的拖動轉矩 ：是供水系統(tǒng)的制動轉矩 M T L T 圖3-1中 b）反映了全壓起動和變頻起動過程中動態(tài)轉矩情況。圖中，曲線是異 步電動機的機械特性，曲線是水泵的機械特性。 (2)降低水泵平均轉速，減小工作過程中的平均轉矩，從而減小葉片承受的應力，減 小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長。 (3)避免了電機和水泵的硬起動，可大大延長聯(lián)軸器壽命。 (4)減少了起動電流，也就減少了系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。 3.2 供水系統(tǒng)的方案確定供水系統(tǒng)的方案確定 3.2.1 供水

32、系統(tǒng)的流量類型 根據(jù)用戶的用水時段特點，可將用戶用水量變化類型分為連續(xù)型、間歇型兩大類， 根據(jù)流量的變化特點，還可進一步細分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型 等。不同季節(jié)、不同月份，流量變化類型也會改變。 連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就有一定的流量。 間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時間，流量很小或為零。 3.2.2 總體設計方案確定 1、調(diào)速方式 如今的變頻器調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應快、運行效率高、功率因數(shù)高、 操作方便并且便于同其他設備接口等一系列優(yōu)點，因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方 式可以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果，是實現(xiàn)恒壓供水轉速

33、控制最佳方案。 2、泵水方式 多泵并聯(lián)代替一、二臺特大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。首先 是節(jié)能，每臺泵都可以較高效率運行，長期運行費用少；其二，供水可靠性好，一臺泵 故障時，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動電流小，不 要求增加電源容量；其四，只須按單臺泵來配置變頻器容量，減少投資。處于供水低谷 小流量或夜間小流量時，為進一步減少功耗，采用一臺小流量泵來維持正常的泄漏和水 壓。供水系統(tǒng)如圖3-2所示。 圖 3-2 供水系統(tǒng)圖 1水位上限檢測 2水位下限檢測 3閘閥 4止回閥 5壓力檢測 3、控制方式 多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實現(xiàn)多泵分級調(diào)節(jié)的關

34、鍵，可選用編程靈活、 可靠性高、抗干擾能力強、調(diào)試方便、維護工作量小的 PLC 通過編程來實現(xiàn)。 供水系統(tǒng)的恒壓是通過壓力變送器、PID 調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制的。 根據(jù)水壓的變化，由變頻器調(diào)節(jié)電機轉速來實現(xiàn)恒壓。 3.2.3 恒壓供水電控系統(tǒng)組成 （1） 主電路：通過接觸器、斷路器等電氣設備為主水泵及輔泵拖動電動機提供工頻 及變頻電源。 （2） 電氣控制電路：成對主電路的繼電控制，實現(xiàn)手動或自動控制的切換。 （3） 變頻控制電路：根據(jù)壓力設定及壓力傳感器的壓力檢測信號，由變頻器輸出變 頻電源；提供最高頻率、上下限頻率及啟動頻率等信號；并能實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)。 （4）PLC 控制

35、系統(tǒng)：包括硬件線路和軟件控制程序，完成對恒壓供水系統(tǒng)壓力設定、 順序控制、信號指示報警等。 恒壓供水系統(tǒng)構成及控制方案如圖3-3所示。 圖 3-3 恒壓供水系統(tǒng)構成及控制方案圖 3.3 控制系統(tǒng)的硬件設計與選型 3.3.1 主電路設計 三臺大容量的主水泵根據(jù)供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工頻、停泵三種運行方式， 因此每臺主水泵均要求通過兩個接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)；輔助泵只 運行在工頻狀態(tài)，通過一個接觸器接入工頻。連線時一定要注意，保證水泵旋向正確， 接觸器的選擇依據(jù)電動機制容量來確定。 QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6 分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運行空氣 開關

36、，F(xiàn)R1、FR2、 FR3 、FR4 為工頻運行時的電機過載保護用熱繼電器，變頻運行時 由變頻器來實現(xiàn)電機過載保護。 變頻器的主電路輸出端子（U、V、W ）經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當旋轉方向與 工頻時電機轉向不一致時，需要調(diào)換輸出端子（U、V、W）的相序，否則無法工作。變 頻器和電動機之間的配線長度應控制在 100m 以內(nèi)。在變頻器起動、運行和停止操作中， 必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子 FWD（REV）來操作，不得以主電路空 氣開關 QF2 的通斷來進行。為了改善變頻器的功率因素，還應在變頻器的（Pl、P+）端 子之間接入需相應的 DC 電抗器。變頻器接地端子必須可靠接地，以保

37、證安全，減少噪聲。 在電動機三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來觀察電機工作電流大小， 設計三相電源信號指示。圖3-4給出了供水系統(tǒng)電氣控制主回路的主要聯(lián)線關系。 圖3-4主電路 3.3.2 電氣控制電路設計 為了保護 PLC 設備，PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在 PLC 輸出 端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電， 進而控制電機或者閥門的動作。 在控制電路中多處對各主泵電機的工頻/變頻運行接觸器作了互鎖設計；變頻器是按 單臺電機容量配置，不允許同時帶多臺電機運行，為此對各電機的變頻運行也作了互鎖 設計。為提高互鎖的可靠性，在

38、 PLC 控制程序設計時，進一步通過 PLC 內(nèi)部的軟繼電器 來作互鎖。 控制電路中還考慮了電機和閥門的當前工作狀態(tài)指示的設計，為了節(jié)省 PLC 的輸出 端口，在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應常開觸點的斷開和閉合來控 制相應電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。出于可 靠性及檢修方面的考慮，設計了手動/自動轉換控制電路。通過轉換開關及相應的電路來 實現(xiàn)6。 圖3-5給出了供水系統(tǒng)的部分電氣控制線路 圖3-5中，SA 為手動/自動轉換開關，KA 為手動/自動轉換用中間繼電器，打在位 置為手動狀態(tài)，打在位置 KA 吸合，為自動狀態(tài)。在手動狀態(tài)，通過按鈕

39、 SB1-SB14 控 制各臺泵的起停。在自動狀態(tài)時，系統(tǒng)執(zhí)行 PLC 的控制程序，自動控制泵的起停。 中間繼電器 KA 的常閉觸點接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺泵的手動運行。 中間繼電器 KA 的常開觸點接 PLC 的 X0，控制自動變頻運行程序的執(zhí)行。在自動狀態(tài)時， 四臺泵在 PLC 的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。電動機電源的通斷，由中間繼電 器 KA1-KA7 控制接觸器 KM1-KM7 的線圈來實現(xiàn)。HL0 為自動運行指示燈。 FR1、FR2、FR3、FR4 為四臺泵的熱繼電器的常閉觸點，對電機進行過流保護。 圖3-5 電氣控制線路圖 3.3.3 系統(tǒng)主要配置的選型 1、水

40、泵機組的選型 根據(jù)系統(tǒng)要求，考慮到用水量類型為連續(xù)型高流量變化型，確定采用 3 臺主水泵機 組和 1 臺輔助泵機組，設備選用型號及參數(shù)見表3-1。 2、壓力變送器及數(shù)顯儀的選型 選用普通壓力表 Y-100 和 XMT-1270 數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表 測量范圍 01MP，精度 1.5；數(shù)顯儀輸出一路 420mA 電流信號，送給變頻器作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。 表 3-1 水泵機組及參數(shù) 主要性能參數(shù)型號數(shù) 量 流量 （/h 3 m ） 揚程 （m） 效率 （%） 轉速 （r/min） 電動機功率 （kW） 主水泵

41、HGT1-250-4003108045721450200 輔助水泵 HGT1-120-4001504568145010 3、變頻器的選型與設定 （1） 容量確定方法 依據(jù)所配電動機的額定功率和額定電流來確定變頻器容量。在一臺變頻器驅(qū)動一臺 電機連續(xù)運轉時，變頻器容量（kVA）應同時滿足下列三式7： （KVA） (3-3) CN P cos M kP hj (KVA) (3-4) 3 103CNMMPkUI (A) (3-5) CN IMIK 式中， 負載所要求的電動機的輸出功率； M P 電動機的效率（通常在 0.85 以上）; cos 電動機的功率因數(shù)（通常在 0.8 以上） 電動機電壓（V

42、） ； M U 電動機工頻電源時的電流（A）; M I k電流波形的修正系數(shù)，對 PWM 方式，取 1.01.05； 變頻器的額定容量（kVA） ； CN P 變頻器的額定電流（A） 。 CN I 這三個式子是統(tǒng)一的，選擇變頻器容量時，應同時滿足三個算式的關系，尤其變頻 器電流是一個較關鍵的量。 （2） 型號選擇 根據(jù)控制功能不同，通用變頻器為分為三種類型。普通功能型 U/f 控制變頻器、具有 轉矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻器、矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類負 載，低速運行時的轉矩小，可選用價格相對便宜的 U/f 控制變頻器。 綜上分析，系統(tǒng)選用專為風機、泵用負載設計的普通功

43、能型 U/f 控制方式的富士變頻 器 FRN200P11S- 4CX，變頻器內(nèi)置 PID 控制模塊，可用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)恒壓供水。 其主要參數(shù)及性能介紹如下。 主要參數(shù) 額定容量：267（kVA ） ； 額定輸出電流：386A； 過載容量：150%額定輸出電流、1 分鐘； 起動轉矩：50%以上； 適配電機容量：200kW。 功能特點 風機、泵等二次方遞減轉矩專用型變頻器；可選用自動和手動的轉矩提升功能，保 證最佳的啟動；加速時間設定范圍寬（0.01 秒到 3600 秒） ，具有 S 形加減速功能和曲線 加減速功能，讓加減速過程變得緩和，防止沖擊和載物倒塌；直流制動功能，制動時間 在 0-3

44、0 秒范圍可調(diào)，保證快速可控的制動，不需要外接電阻；內(nèi)置 PID 模塊，可用于閉 環(huán)控制；多種頻率設定方式；多種附加功能；三路晶體管輸出。 I/0 特性 8 個可設定的多功能開關量輸入口，給操作者極大的靈活性；3 路可設定的開路集電 極晶體管多功能輸出，可用于頻率到達、頻率值檢測、過載、運等多種提示；設有模擬 電流/電壓輸入端子，實現(xiàn)外部頻率設定。 保護功能 具有過電壓/欠電壓保護、短路保護、過熱保護、PTC 熱敏電阻保護、電機鎖死保護、 缺相保護、電涌保護、失速保護、CPU/存貯器異常保護等。 （3） 變頻器接線及功能設定 見表3-2，頻率參數(shù)設置說明8： （1） 最高頻率：變頻器的最高頻率

45、只能與水泵額定頻率相等。 （2） 上限頻率：實際預置需略低于額定頻率 50Hz。 （3） 下限頻率：下限頻率不能太低，可根據(jù)實際情況適當調(diào)整。 （4） 啟動頻率：在從 0Hz 開始啟動的一段頻率內(nèi)，實際上電機轉不起來。 因此，應適當預置啟動頻率值，使其在啟動瞬間有一點沖擊力。 表 3-2 變頻器接線及功能設定 變頻器端子現(xiàn)場器件與接線端子功能代碼參數(shù)預置注釋 FWD PLC的Y0端子啟動/停止變頻運行 CM PLC的COM X1 PLC的Y16E017PLC 的 Y16 動作，自由停車 Y2 PLC的X1E211頻率極限信號輸出 30A PLC的X5變頻器故障總報警信號 30C PLC的COM

46、接公共端 F0350最高輸出頻率（Hz） F1549.5上限頻率（Hz） F1630下限頻率（Hz） F2310起動頻率 F17100頻率設定信號增益 3.4 PLCPLC 的選型 PLC 的選型主要從 PLC 的輸入/輸出點數(shù)、存儲器容量、輸入/輸出接口模塊類型等方 面來選擇 PLC 型號。根據(jù)供水系統(tǒng)控制任務及設計方案，輸入信號需 16 點，輸出信號需 16 點，選擇三菱 FX2N-32MR 型 PLC，其 I/O 端子如表3-3所示。 表 3-3 現(xiàn)場器件與 I/O 端子功能示意表 現(xiàn)場器件與接線端子I/O地址功能注釋 中間繼電器KA常開觸點 X0 自動/手動功能轉換 變頻器Y2端子 X

47、1 變頻器輸出頻率極限信號 遠傳壓力表壓力上限電節(jié)點 X2 壓力下限到達信號 遠傳壓力表壓力下限電節(jié)點 X3 壓力上限到達信號 水池水位下限信號 X4 水池水位下限信號（缺水） 變頻器輸出報警繼電器30A X5 變頻器故障報警信號 FR1常開觸點 X6 1#電機過載信號 FR2常開觸點 X7 2#電機過載信號 FR3常開觸點 X10 3#電機過載信號 FR4常開觸點 X11 4#電機過載信號 KM1常開輔助觸點 X12 1#電機變頻運行故障信號 KM3常開輔助觸點 X13 2#電機變頻運行故障信號 KM5常開輔助觸點 X14 3#電機變頻運行故障信號 KA25常開輔助觸點 X15 1#電機跳空開故障信號 KA26常開輔助觸點 X16 2#電機跳空開故障信號 輸 入 KA27常開輔助觸點 X17 3#電機跳空開故障信號 接變頻器FWD端 Y0 實線復位/運行控制 KA1線圈 Y1 1#變頻運行控制及指示 KA2線圈 Y2 1#工頻運行控制及指示 KA3線圈 Y3 2#變頻運行控制及指示 KA4線圈 Y4 2#工頻運行控制及指示 KA5線圈