物业能源管控方案范文

导语：如何才能写好一篇物业能源管控方案，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键字：软启动，节电，路灯控制器

1概述

一个发展中国家，能源是国民经济的基础，节能环保是社会经济发展的前提。电能是能源中具有安全性、环保性、经济性、广泛性重要商品之一，是国民经济脊梁。为此节约电能，科学利用电能，同时保护生态环境。

在石化城市，各类照明类消耗的电能比例很大，对其进行科学的管理，最佳实用效果、并节能环保。不但降低了企业电能成本及维修成本的支出，而且是利国、利企、利民的大事。在长期供电运行管理工作中，深知能源的不可再生性。而石化辖区道路照明及亮化工程的各种型号光源5602盏，在线容量820KW，每年能源费和维修费支出均在420.6万元以上。所以必须尽快进行节能改造意义之重大。

2 论述

城市道路照明及建筑亮化工程系统的技术节能，不是取消或减少照明数量或缩短供电时间以求节电，而是要以功率小效率高电光源和有效控制方式来满足建筑物的照明效果，满足人体视觉所需的环境照度。就是要以最小的电能进一步提高照度效率。为此必须努力减少无效照度和减少照明系统中光能的损失，努力寻求光能的有效综合利用和科学控制程序。众所周知，照明设备的耗电量是照明消耗的电能与照明时间的乘积。因此，要使照明设备节能，就要从减少设备消耗的电能和缩短照明时间两方面着手。

3 技术分析重点考虑照度标准及照度分区

光照标准越高，对肉眼观察越有利，但是，实际上受经济效益的限制，无限增加照度标准是不可取的。因此，我国根据作业种类和场所，在劳动安全卫生条例中规定了最低照度。

在采用一般照明的同一照明区域中，照明目的和可视作业内容完全相同的场合是不多的。如果在照明区中，有通道和仓库，就要把精密作业区分出来。在这种场合，把所有作业区都按最高照度作为必要的视作业照明是不经济的。在视作业地点固定的工厂和事务所，对照度标准进行极仔细的分区是很容易的，特别是需要高照度部分，可以在一般照明基础上，增加局部照明；照度要求不高的部分，可以和其他部分分开，进行单独配线，采用相间点灯或调光。

在视野内，如果亮度相差很大，作业者眼睛极易疲劳，要引起注意。一般来说，一般照明和局部照明照度之比为1：10以下。

4 改善照明设备的效率

提高照明设备效率可以从光源、照明灯具、控制设备等硬件解决，如何把不同时段的所需照度自动完成，用软件控制硬件既满足工作所需同时又节能，组成一个系统加以有效利用。

4.1 采用高效光源

光源效率包括灯具效率和综合效率两种，都可用1m/W表示。除白炽灯外，放电式灯在工作时需要镇流器，灯的效率就是指灯管本身的发光效率（灯光通量/灯功率）。综合效率可用光通量和包括镇流器损耗在内的实际消耗功率之比（灯光通量/消耗电功率）来表示。从节能观点出发，比较各种光源的综合效率比讨论灯本身效率要合适。

从节电观点对各种光源的特性及原有设备的适用性分析上述光源的具体节能方法归纳如下：

1）用高效荧光灯和HID灯（水银灯、金属卤化物灯、高压钠灯等高亮度放电灯）代替低效率的白炽灯（例如：住宅白炽灯—荧光灯；体育馆、灯光球场的白炽灯—金属卤化物灯或高压钠灯）。

2）即使用同种灯，也可采用高效率的节电灯代替（例如：白炽灯100W—节电型65W或氪灯60W；快速起动荧光灯40W—节电型30W或20W）。

3）在诸如眩光和照度均匀性等照明质量允许范围内，尽可能使用灯数量少的高瓦数灯。因为光源功率越大，效率越高。

4）采用混光照明，不会降低显色性，改善了综合效率。

4.2 提高照明率

所谓照明率就是射到被照面上的光通量与灯泡总光通量之比，此值决定于灯具效率（灯具反射的光通量与灯光通量之比）、照明灯具的配光、房间形状、房间内的表面反射率。要提高照明率，可采取以下措施：

1）采用效率高的照明灯具；

2）房间装修要明亮；

3）使用适合房间形状的配光照明灯具。

5 妥善维护保养，减少设备负荷

照明设备随工作时间的增长，原有照度逐渐下降，其主要原因有两个：

1）灯体本身工作时间长了，有效光通量会减小。

2）由于照明灯具和灯的污脏，使效率降低。

6 进行开闭控制，缩短用电时间

只在必要时间、必要场所，根据使用目的以适当亮度开灯就足够了。因此要对照明设备进行极细致的开闭管理。

最简单的方法是根据时间、场所、目的、有无自然光等操纵手动开关控制不必要的人工光。自动开闭控制由顺序定时器，根据场所、目的及时间段的照明图进行自动开闭，称照明控制式和用光敏元件测知自然光采光状态，根据自然光射入状态自动开闭射入区内的电源光。两种控制都需要根据使用状况和使用目的、自然光射入状态，对照明设备按照明图配线。白炽灯和荧光灯照明，采用上述方式是容易控制，但HID灯（水银灯、金属卤化物灯、高压钠灯等高亮度放电灯）因瞬时点燃有困难，故采用上述控制方式会产生一些困难和限制。

现在推荐软启动节能系列智能调压照明调控装置，来对气体放电光源进行调控。

中国国际GB50034-92及行业标准CJJ45-91在针对城市道路及工业企业户外道路照明的条款中指出：

对于供电与控制，要求稳定的电压并实现自动时钟控制及光控。

对于深夜照明，要求有节能措施。针对气体放电光源制定出了最佳调控方案，开发了软启动节能系列智能调压照明调控装置。该智能照明调控装置已成功地应用于化工厂区各重要照明场所，并取得了良好的经济回报。

智能照明调控装置以电源系统控制为中心，在对气体放电光源实现自动调控满足不同厂所照度的同时，切实现节电达20%--40%，并使光源及附件的寿命延长一至二倍，它具有以下十大基础功能：

1）可编程的智能控制器，可以根据设备使用地的经度、纬度准确地编程本地区每天日升日落时间，控制供电的开闭时间。这项功能特别适用于厂矿及城市不同辖区。

2）独立的节能时段设定，适用于不同场所照明节能控制。

3）对于特定场合的照度按所需时间自动控制。

4）控制功能可用面板按键进行设定，亦可以用微机WINDOWS平台上的专用软件设定。

5）最多两次单击操作键盘或平台窗口标识，即可实现各种功能的手动插入控制。

6）卓越的软启动点亮功能保证光源不受冷启大电流冲击，大幅度减少光源毁损率，延长了光源及附件的工作寿命。

7）高速电子检测及稳压执行系统，绝对保证负载在设定工作电压值工作，电源侧的电压变化与负载隔离。

8）降压限流节能功能。是在夜深时段在不影响日体视觉的情况下，适当降低输出工作电压、限制输出工作电流实现达到节能的目的。

9）控制设备不论工作在哪一时段，均能输出精度+2%的稳定电压。

10）完善的保护功能。当检测到运行故障时，将自动转到热备支路工作，以保护对光源的连续供电；可由智能控制器储存故障时段记录，便于维修和故障处理。

其设备控制过程如下：在线设备每日正常的循环工作过程，开启设备软启动程序工作时，首先经0-10分钟加0-100V设定电压预热后，再经设定0-5分钟进入点亮模式电压阶段后，缓慢上升到设定电压值工作。运行中根据照度需要设定多时段的降压或升压限流运行，作到照度按需编程值自动调节控制，实现节电目的。

在启动过程当中，输出电压稳定在与之相应的编程控制值上，启动过程完成，设备将会给所供负荷提供稳定的电压，直至设备收到降低供电电压的指令。

该指令由外部设备发出（如智能控制器、遥控装置等），这个外部设备可作为遥控装置与设备的接线端子相连接。电压处于“慢斜坡”升压或降压模式并持续10分钟，直至电压降至节电编程控制值。

这个过程是通过设定为多次重复自动循环过程。

软启动节能路灯控制器自动控制过程简述如下（见附图）：

第一步 启动开灯（编程预设经纬仪等）

第二步 预热系统启动（0-10分钟预设）

第三步 点亮系统启动（0-3分钟预设）

第四步 自动稳压运行（预先设定电压186-220V）

第五步 自动降压后稳压运行（预先设定电压186-200V）

第六步 停止关灯（编程预设经纬仪等）

7应用实例

大庆石化公司物业管理中心龙凤机电车间

路灯节电改造方案

投资与收益分析

根据龙凤机电车间辖区路灯的实践调研，发现路灯存在着使用寿命短、耗电量大、维护费用高等原因，建议公司对龙凤机电车间辖区卧龙路路灯做如下节能试验：

路灯用电现况

龙凤机电车间卧龙路段路灯采用三相电源供电，有97根路灯杆，每根路灯杆有2盏，每盏路灯均为400W的高压钠灯，全年平均日运行约11小时，平均电价约为0.374元。

节电产品选择

根据该路段的路灯负载特性为高压钠灯，拟选用LDJD型高性能控制柜：其规格为：LDJD型 -200A

节电柜

名称 型号 电流 价格 节电率

路灯节能控制柜 LDJD-200 3×200A 44000.00 33.3%

投资回报分析

我们针对卧龙路段路灯做运行测试进行节电效果分析，以实测节电率33.3%计算投资回报期如下：

1、路灯年用电量：

=总功率（KW）×年运行天数（D）×每天运行小时数（h）

=（0.8KW×97）×365×11

=31.1564万（KW）

2、系统年节电效益=系统年用电量×节电率×电价

=31.1564×33.3%×0.374=3.8802（万元）

3、投资成本：一台LDJD-200型的节电控制柜的价格是44000.00元人民币.

4、投资回报期=投资成本/年节电效益=4.4÷3.8802=约1.133（年）

按节电率33.3%计算，投资回报期1.133年。若节电率上升则投资回报期更短。根据卧龙路段的路况，在夜间人流、车辆稀少的情况下可以提前进入节能状态。经过综合布控后，节电率可稳步上升到40%以上，则会在更短的时间内收回投资成本。

大庆石化公司物业管理中心龙凤机电车间所管辖的龙凤区路灯控制有挂式控制箱与柜式控制箱共有76个，年用电费为165万元。

以节电率为33.3%计算，年节约费用165万元×33.3%=55万元。

76台智能照明控制柜，平均价格为3.4万元，分期投资如下表：

备注：投资回报期=投资成本/年节约费用×12月

节能就是创造效益：

经过投资回收计算，综合的节电效果，路灯的节电改造投资回收期不到一年的时间，节能效果显著，一次投资，长期受益，这项节能改造在减少电费的同时，节电控制柜也起到优良的安全保护作用，延长灯具使用寿命，降低维护费用，减少维修工作量。

采用智能照明控制器可节能、且节省人工维护费用；程序化调控器的软启动、稳压、减压减流，还可延长照明光源及附属器具寿命，节省更换照明器具所需的人力物力，是一种较好的照明方案。

参考消息

篇2

【关键词】变频调速；恒压供水；节能；理论模型

一、绪论

1.课题的提出。水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，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源短缺的国家，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，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时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，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：（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，供水管路爆、损的现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前新建项目较少采用。（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，管路无需水的情况下连续工作，致使水泵在低效段工作，浪费能源大，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，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四种供水方式，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；自动化程度低等缺点。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，有效的改善耗能；尤其在开、停机时减少电流对电网的冲击以及水压对管网系统的反作用力；减小水泵、电机自身的机械冲击损耗十分突出。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。

2.PLC概述。（1）可编程控制器的定义。可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（Inter

national Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”（2）PLC的发展和应用。世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言 ，实现了体积超小型、运算速度更高、更可靠控制系统。加之抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比，在现今的工业生产、民用设施中奠定了它在现代工业中凸显的的地位。

3.本课题的主要研究内容。本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理，从而保证了整个系统运行可靠，安全节能，并具备最佳的运行工况。PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组共同组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有3个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。

二、系统的理论分析及控制方案确定

1.变频恒压供水系统的理论分析。（1）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： n=（1-s）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：改变电源频率；改变电机极对数；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，但需要使用专门的变极电机有级调速，而且级差比较大，即在变速时转速变化率、转矩变化也大，因此此类调速只适用于特定转速的生产机器。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，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展及PLC的应用，一种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置诞生，其优越的性能促进了变频调速器在节能、降耗的工业范围中的广泛应用。（2）变频恒压供水系统的节能原理。供水系统的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，如图1所示。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Qu间的关系H=f（Qu）。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之间的关系曲线。管阻特性反映了水泵的能量用来克服水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。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1中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc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1 管网及水泵的运行特性曲线

当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在A点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1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b3移到b1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从A点移到F点，此时水泵的输出功率正比于H1×Q2。当用调速控制时，若采用恒压（H0），变速泵（n2）供水，管阻特性曲线为b2，扬程特性变为曲线n2，工作点从A点移到D点。此时水泵输出功率正比于

H0×Q2，由于H1>H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于（H1-H0）×Q2的功率被浪费掉，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。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。（3）变频恒压供水系统的组成及原理图。PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2所示：

图2 变频恒压供水系统控制流程图

2.控制方案的确定。从图中可看出，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：（l）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，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，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；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频水泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。（2）信号检测机构。在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网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A/D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；水池水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。此信号来自安装于水池中的液位传感器；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（即水泵机组）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。

三、系统的硬件设计

1.系统主要设备的选型。根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3所示：

图3 系统的电气控制总框图

由以上系统电气总框图可以看出，该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：PLC及其扩展模块、变频器、水泵机组、压力变送器、液位变送器。主要设备选型如表1所示：

表1 本系统主要硬件设备清单

PLC及其扩展模块的选型。PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口（PPI）协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入（AIW），1个模拟输出（AQW）信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长（16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。

2.系统主电路分析及其设计。基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图4所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。

图4 变频恒压供水系统主电路图

三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4mA～

20mA电流信号送至上位机来显示。同时可以通过转换开关接电压表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路（如直接使熔断器或隔离开关断开），而必须通过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。

3.系统控制电路分析及其设计。系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用西门子公司S7-200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。PLC主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：自动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。

图5 变频恒压供水系统控制电路图

注：PLC各I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节I/O端口分配中将详细介绍。

如图5为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1～SB6控制三台水泵的启/停；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：（1）手动控制。手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。只有当SB2按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。同理，可以通过按下SB3、SB5启动电机M2、M3，通过按下SB4、SB6来使电机M2、M3停机。（2）自动控制。在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。当Q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL7点亮；当Q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯HL8点亮；当Q1.3输出1时，白天供水模式指示灯HL9点亮；当Q1.4输出1时，报警电铃HA响起；当Q1.5输出1时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL10一直点亮。

4.PLC的I/O端口分配及接线图。基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：（1）由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。白天，小区的用水量大，系统高恒压值运行；夜间，小区用水量小，系统低恒压值运行。（2）在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。（3）考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。（4）三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。（5）系统要有完善的报警功能。根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表2所示。

表2 输入输出点代码及地址编号

结合系统控制电路图5和PLC的I/O端口分配表2，画出

PLC及扩展模块接线图，如图6所示：

图6 PLC及扩展模块接线图

本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字量和1个模拟量。压力变送器将测得的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关SA1用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入I0.

0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入窗口比较器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平1，送入I0.1；变频器的故障输出端与PLC的I0.2相连，作为变频器故障报警信号；开关SB7与I0.3相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作。本变频恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。Q0.0～Q0.5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1输出水位超限报警信号；Q1.2输出变频器故障报警信号；Q1.3输出白天模式运行信号；Q1.4输出报警电铃信号；Q1.5输出变频器复位控制信号；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。图6只是简单的表明PLC及扩展模块的接线情况，并不是严格意义上的接线情况。它忽略了以下因素：直流电源的容量；电源方面的抗干扰措施；输出方面的保护措施；系统的保护措施等。

四、PID控制器参数整定

1.PID控制及其控制算法。在供水系统的设计中，选用了含PID调节的PLC来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定。在连续控制系统中，常采用Proportional（比例）、Integral（积分）、Derivative（微分）控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r（t）和实际输出值y（t）之间的偏差e（t）[15]：e（t）=y（t）-r（t）。经比例（P）、积分（I）和微分（D）运算后通过线性组合构成控制量u（t），对被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图7所示，图中u（t）为PID调节器输出的调节量。

图7 PID控制原理框图

PID控制规律为：y（t）=Ke（t）+e（t）dt+T，式中：Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。相应的传递函数形式：G（s）==K（1++Ts），PID控制器各环节的作用及调节规律如下：（1）比例环节：成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e（t）一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，但不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数Kp的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。（2）积分环节：表明控制器的输出与偏差持续的时间有关。只要偏差存在，控制就要发生改变，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。（3）微分环对偏差信号的变化趋势做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现PID控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字PID控制算法是通过对式（4.2）离散化来实现的。以一阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到PID位置控制算法表达式：u（n）=Ke（n）+e（j）+e（n）+e（n-1），式中：T为采样周期；n为采样序号；e（n）为第n时刻的偏差信号；e（n-l）为第n-1时刻的偏差信号。实际控制中多采用增量式PID控制算法，其表达式为：u（n）=u（n）-u（n-1）=Ke（n）+e（n-1）

+Ke（n）+Ke（n）-2e（n-1）+e（n-2），式中：u（n）为调节器输出的控制增量：K=K。

2.监控系统界面。在本系统中，根据需要界面，包括启动界面（包含系统所有菜单）、系统运行主界面、历史和实时趋势曲线、数据报表、报警界面。为了加强系统的安全性，系统还为不同的用户设置了相应的权限。通过主菜单界面可以调用不同的界面，也可根据需要在系统运行主界面中改变压力给定值。

本文针对城市小区供水的特点，设计开发了一套基于PLC的变频恒压供水自动控制系统。该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自耦降压起动装置，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统。压力变送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节电机转速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。该系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。

参 考 文 献

[1]张宏建，蒙建波.自动检测技术与装置[M].化学工业出版社，2006：183～184

[2]张燕宾.SPWM变频调速应用技术（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2002：86～87

[3]深圳康沃电气技术有限公司.康沃变频调速器使用手册1126.深圳.2006：48～49