变频供水系统范文
时间：2023-03-14 19:12:47
导语：如何才能写好一篇变频供水系统，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
社会经济的快速发展推动了我国工业建设的不断进步，而工业建设水平的全面提升使人们对于生活质量的要求标准越来越高。因此，城市供水系统也必须针对社会发展以及人们盛会水平的提升来进行适当的调整与改善，以满足社会生产与人们日常生活的要求。水是城市发展的基础性自然资源和战略性经济资源，而水环境则是城市发展所依托的生态基础之一。水在城市系统中具有五大主要功能角色：水是城市生存和发展的必需品和最大消费品，是污染物传输和转化的基本载体，是维持城市区域生态平衡的物质基础，是城市景观和文化的组成部分。
传统供水方式占地面积大，基建投资多，水质易污染，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种成熟的新型交流电机无级调速技术。它以其独特优良的控制性能被广泛应用于供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：
1.维持水压恒定；
2.控制系统可手动/自动运行；
3.多台泵自动切换运行；
4.系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；
5.在线调整PID参数；
6.泵组及线路保护检测报警，信号显示等。
一、变频调速的特点及分析
城市中各各时段的用水量一般是动态变化的，因此供水过剩或供水不足的情况时而发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上。当用水量大而供水量小时，则压力低；当用水量小而供水大，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水量多时供水量也多，用水量少时供水量也少，从而提高了供水的质量。
恒压供水系统对于用户是非常重要的。在生产生活供水时，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响生活质量，严重时会影响生存安全，如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，用水区域采用正艺恒压供水系统，能产生较大的经济效益和社会效益。
二、恒压供水的变频应用方式
通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向，比如上海正艺信息科技的恒压供水控制系统就可实现一变频器控制任意数马达的功能。下面讲到的原理都是一变频器拖动多马达的系统。
三、PID控制原理
根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可实现该算法，同时对PLC的编程来实现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。
要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。
四、变频控制原理
用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，其优点主要表现为：
1.起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击
2.由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命
3.可以消除起动和停机时的水锤效应
五、恒压供水系统特点
1.节电
优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；
2.节水
根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；
3.运行可靠
由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。
4.联网功能
采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。
5.控制灵活
分段供水，定时供水，手动选择工作方式。
6.自我保护功能完善
如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。
参考文献
[1] 刘平；给排水验收工程的几点思考[J]；中小企业管理与科技（下旬刊）；2011（06）.
[2] 高阳.马青.胡蔚蔚 恒压变频供水系统的Matlab仿真模型研究 [J] -工业控制计算机2011（11） .
篇2
【关键词】水厂；变频供水系统；节能
一、前言
由于地理分布、经济条件和相关技术人才的原因，我国水厂自动化的总体发展水平还不高，发展也不平衡。大中城市水厂，特别是发达地区大型水厂的自动化程度很高，而小城市和城镇水厂，特别是落后地区小型水厂的自动化程度较低，甚至还是空白。在一些已实现自动化的水厂中，虽然自动化系统和设备与其他行业，如化工、电力等相比并不差，甚至更先进，但是，其功能并未充分发挥出来。有的自控系统从未运行过，一直处于闲置状态；有的运行一段时间后变为了手动，甚至处于瘫痪状态，造成了自动化系统和设备的极大浪费。
国内实现水厂自动化控制的方法主要是新建和扩建工程。大型水厂建设项目依靠引进外资和全套技术设备，水厂工艺自动化水平高，但设备和控制系统投资很大。中小水厂自动化的设计、工程服务以国内为主，但系统中关键技术和设备仍以引进国外产品为主，在设备选型及工程服务上采取国内与国外相结合的办法。这种办法不但大大降低了水厂在自控系统中的投资，而且实现了工程售后服务的本地化，有利于该行业的长远发展。
我国水厂自动化控制系统的发展过程可分为三个阶段：第一阶段是分散控制阶段，该阶段水厂各部分分别进行自动控制，各独立系统互不相关；第二阶段是水厂综合自动化阶段，在该阶段整个水厂作为一个综合自动化控制系统进行生产，同时各个独立子系统又可以独立工作，该系统共享整个水厂的信息，同时又有分散控制的可靠性。现阶段大部分水厂处于此阶段；第三阶段是供水系统的综合自动化阶段，该阶段要求在一个区域的供水企业共享信息，实现整个城市或地区供水系统的自动控制。目前我国的中小型水厂大部分处于第一或第二阶段，只有很少大型水厂达到了第三阶段。在国外，如加拿大、美国等发达国家基本实现了供水系统的全自动化，而且开始进行分质供水，把自来水中生活用水和直接饮用水分开，另设管网，直通住户，实现饮用水和生活用水分质、分流，达到直饮的目的，并满足优质优用、低质低用的要求，同时对水厂内部的自控系统也在不断地进行改进和提高。
二、变频节能技术在水厂中应用的重要性
在水处理行业中，普遍存在着用水量变化较大的问题，在不同的季节、不同的时段，用户用水的需求量有很大的差别，存在着明显的用水高峰特征，因此水处理厂供水系统的给水压力需要随用户的用水需求量变化而变化。在低峰时，如果水泵机组按高峰期的用水量运行，虽可通过调节阀门来满足用水需求，但供水能量损耗大，而且还会影响机组的正常运行。因此，根据用水需求自动控制水泵机组运行，且实现节能，是水厂自动化技术的一项重要内容，因此变频调速的恒压供水系统孕育而生。
变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电效率很高，几乎能将因设计冗余和用水量变化而浪费的电能全部节省下来。变频调速控制技术，是指以变频调速原理为基础，在保证供水可靠性的前提下，根据供水系统用水量的变化情况，自动调整水泵工况，使之始终尽可能地在高效区间内运行，以达到降低能耗、提高效率的目的。这一技术是比较科学，可靠性较高的一种调节水泵工况的方式。它具有调速精度高、功率因数高等特点，使用它可以提高产品质量、产量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪音，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。
变频器是一种以变频调速技术为基础通过改变频率来调整电机转速的工业装置。作为一种先进的调速装置，变频器不但调速范围广、可靠性高、操作与维护方便，而且节电效果明显。在水处理行业变频器具有广阔的发展前景，有关其应用研究也一直得到相关工程领域的重视。应用变频器来实现变频节能供水，可以采用恒压变量或变压变量两种方式来实现。恒压变量供水系统通过调整变频器转速（即供水流量）来保证供水压力不变，该系统技术比较成熟，应用广泛。变压变量供水系统则根据用户用水量的变化同时调整变频器转速（即供水流量）和供水压力，很明显该方案节能效果更好。但是由于水头损失等受各种因素影响，难以准确确定，实际应用的很少。
三、水厂变频供水系统供水装置设计
1、逻辑电子电路控制方式
这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动有冲击、抗干扰能力较弱，但成本较低。
2、单片微机电路控制方式
这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。
3、带 PID 回路调节器和/或可编程序控制器（PLC）的控制方式
该方式下变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部 PID 控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入 PID 回路调节器，由 PID 回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。
由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或 PID 回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口处另接一块 PWM 调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制器的输入信号，这样不但成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID 回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID 控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。
4、新型变频调速供水设备
针对传统的变频调供水设备的不足之处，不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品。这些产品将 PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于 PID 运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对 PID 算法的编程，而且 PID 参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置 PID 功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。
总之，变频供水方式从运行原理及运行过程分析方面探讨，可以看出此供水方式具有节能的优点，但具体问题需要具体分析，在变频恒压供水系统的设计过程中需要注意许多设计要点，否则无法取得预期的节能效果。
参考文献：
[1]黄立培， 张学. 变频器应用技术及电动机调速. 北京：人民邮电出版社，2007.
篇3
1引言
随着城镇化建设的不断发展，我国城市规模不断扩大，对相关的配套设施提出了更高的要求。供水行业是各项生产和生活用水的基本保障，不断优化和完善供水系统成为供水企业的重要研究课题。从目前情况分析，一些在运行的供水泵的自动化水平较低，供水效率也比较低，同时存在较大的能耗，在一些供水企业或者社区存在着水资源浪费现象，进一步造成了经济损失。而变频技术是一种高效调速技术，通过调整电流实现对电动机运行速度的调节，具有高频化、数控化、集成化的应用功能特点，在供水系统中能够发挥良好的节能降耗效果，有利于供水行业经济效益和社会效益的最大化。
2变频调速技术简介
2.1变频器
变频器根据需要将工频电源转为不同频率的交流电源，从而实现对电动机的变频调速。变频器的组成主要包括整流器、中间电路、逆变器以及周围的电路等几部分，如图1所示，其中整流器能够对电网中的交流电源进行整流，实现交流变直流，中间电路则是对整流器输出的电源进行平滑滤波，并传输给逆变器，逆变器作为变频器的核心部件，需要完成直流变交流的逆变工作，为电动机提供所需频率的交流电源[1]。目前，新型变频器都配置了通信接口，对各种检测到的信号和参数进行采集，实现上位机与变频器之间的通信功能，可以实现对输入信号的处理以及运行指令的下达，在需要高精度控制时，可将反馈信号反馈到变频器，构成闭环系统。以变频器为基础的变频技术在各个行业得到推广，充分发挥了其节能降耗、自动化控制、质量提高、减小维修、提高适应性等优势。
2.2变频技术
变频技术的基本原理就是通过调整电源的频率实现对电动机转速的控制。交流电动机主要包括同步电动机和异步电动机，其转速表达式为：n=60fp（1-s）；其中s=n0-nn0，式中n表示转子速度，n0表示电机同步转速，s表示转差率，f表示电源频率，p表示电机极对数，通过公式我们可以发现，电源频率、极对数、转差率三个方面的改变可以实现电机的转速改变，其中变频调速是最稳定和简单的调速技术，这就需要发挥变频器的变频技术，实现对电动机的调速。在水泵等设备中，变频器主要采用VVVF控制方式，即保持电压和频率的比例系数不变，即改变电源频率的同时，对输出电压进行有效控制，从而保障电动机的磁通不变，这种变频调速技术叫作恒U/f控制。
3变频技术在供水系统中的应用
3.1水泵调速方案的选择
供水系统中的水泵运行过程中，输出扬程H和电机转速的平方形成正比例关系，在水流量为零的情况下，供水管道内部也要保持一定的水压。供水系统中的水流量随着用户用水量而产生变化，具有一定的随机性，因此，针对水泵电机主要通过控制水压实现供水控制。水泵也是一种减转矩负载，转矩与转速的平方成比例，转速降低，转矩也会减小，因此变频器可以通过SF模式实现对水泵转矩的调节。供水系统往往应用变频技术实现恒压控制，在这个过程中要求水压连续可调，可以通过PID调节器建立压力闭环控制结构，但是在保持电机动静态品质方面存在不足。这时候还可以采用内环为速度闭环的SF控制系统，改善恒压供水系统的整体性能[2]。
3.2变频恒压供水系统设计
基于变频技术的恒压供水系统结构如图2所示，应用PID调节器和变频器形成一个闭环控制系统，对系统的动态响应进行优化和改善，进一步提高供水系统的控制准确度。在变频恒压供水系统中，SF变频器调速控制系统为一种内环控制，在系统运行过程中，首先要启动主泵，供水管网中的水压需要达到设定数值，同时变频器的输出稳定在特定范围。当用户的用水量增加时，管道内的水压就会降低，压力变送器采集该信号，并传送给比较器，比较器将该压力数值与给定的压力数值做比较，将差值输入到PID控制器，经PID处理的数值再传入SF控制变频器，作为转差给定值，进而调整电动机的转速，实现对管道水压的调节，使其回复给定数值，系统稳定持续运行。在用水量增加过多的情况下，主泵的供水量难以实现闭环控制效果，则需要启动备用泵，如果用水量减少，也可以实现备用泵的自动切除。因此，在供水系统中应用变频器可以根据水压信号实现双位控制，进而保证供水质量。
4变频技术在供水系统中的应用效益
利用变频技术对供水系统进行全流量恒压控制，能够取得良好的运行效益，主要包括以下几点：第一，高效节能，变频恒压供水系统可以根据水压设定值，在水压发生变化时对水泵转速进行自动调节，从而保障供水效率，进一步减少电能损失；第二，供水压力稳定，系统采用的是闭环控制方式，能够根据系统水压和压力设定值差值进行自动调节，使得系统压力保持恒定，流量连续可调；第三，PID调节功能实现自动运行，通过压力传感器反馈的信号，进行相应的调节，并利用PLC技术进行压力值和PID相关参数的设定，通过PLC运算功能实现相关数据分析和处理，并且程序可以根据用户需求灵活调整；第四，“休眠”功能，系统运行时经常遇到用户用水量较小或不用水的情况，为了节能，系统具备可以使水泵具有暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于下限时，变频器停止工作，当变频器频率达到设定启动值后启动水泵运行；第五，延长电机、水泵使用寿命，各泵均为软启动，消除了全压启动时的冲击电流，延长了设备的使用寿命，采用各泵循环软启动，促使各泵不会因长久不用而生锈或频繁使用而磨损[3]。
5结语
总而言之，变频技术是一种高新节能调速技术，应用在供水系统中，表现出良好的调速性能和节能效果，并且控制操作安全可靠，还能够根据用水量实时调节供水系统。各大水厂或供水企业需要根据具体区域的供水需求，积极应用变频技术实现供水系统控制功能的优化和完善，同时要做好变频器的维护和保养，使得变频技术能够在供水行业发挥更大的应用价值。
【参考文献】
【1】易亚军.变频技术在供水系统中的应用[J].城镇供水,2010(03):95-97.
【2】侯海俊,朱雷.变频技术在二次供水系统中的应用[J].数字技术与应用,2012(05):102.
篇4
关键词：变频调速 供水系统 变频恒压
1 概述
变频调速恒压供水控制装置能够极大地改善给水管网的供水环境，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节水泵电机的转速和多台水泵电机的投入及退出，使管网主干出口端保持在恒定的设定压力值，整个供水系统始终保持高效节能和运行在最佳状态。
河北省节能技术服务中心应用微机控制变频调速恒压供水控制系统，为很多家企事业单位安装了变频恒压供水控制装置。收到了较好的节能效果。
2 水泵变频调速节电原理
异步电动机采用变频器调速的原理是：通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变桥变换为频率可调的交流，作为交流异步电动机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压、电流和频率。
水泵供水系统具有管网特性曲线，即通道管网的流量与所消耗的能量之间的关系曲线，它同时表明水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差，液体在管道中流动的阻力。
水泵运行工作点位置与水泵负载有关，在水泵负载经常变化的情况下，水泵不能总处在高效区域里工作。为使水泵适应外界负载变化的要求。我们可采用变速调节，即在管网特性曲线基本不变时，采用改变水泵转速来改变泵的q—h特性曲线。从而改变它的工作点，达到即改变流量又能保证水泵恒定和输入功率减少的目的。如图1。
图1 水泵变速运行图
根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间关系为：
式中p1、h1、q1为转速n1时的功率、扬程、流量；p2、h2、q2为转速n2时的功率、扬程、流量。由此可见，当水泵在变负荷工作情况下，采用变频器调节水泵电机转速时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显。
3 白楼宾馆供水泵组工作的现状与问题
石家庄市白楼宾馆水泵房现有供水水泵三台，型号为65dl-4，额定扬程64m，流量30m3/h，转速1450r/min，电机功率11kw，沈阳马二家水泵厂生产。
由于宾馆用水水量极不稳定，早、晚用水高峰常常是平时用量的二倍，而后半夜用水水量仅为平时用量的三分之一，而且用水流量变化快，稳压时间短。
目前，采期电接点压力表控制各泵的启停，但当用水负荷变化较大的，水泵电机启停频繁，造成电动机及控制开关故障频繁，而且供水压力不稳定。
根据以上情况，我们给三台水泵采用一套变频调速恒压供水控制装置。在保证供水管网压力恒定的情况下，根据水流量的大小实现三台水泵的循环软启动，圆满地解决了白楼宾馆供水系统不稳定的大问题。
4 变频恒压供水系统的设计
针对白楼宾馆供水泵组存在的问题和用水负荷的实际情况，我们设计采用11kw富士变频器，压力传感器，微电脑控制器(包括pid调节)等组成闭环调节垣压控制系统， 使水泵恒压供水，其供水压力可调。
4.1 供水控制系统组成方框图
图2 系统框图
4.2 工作原理
如图2所示，控制器给定水泵管网一供水压力值，变频器根据此值输出一定频率的交流电源至水泵电机，拖动水泵稳定运行，并输出与压力对应的供水流量，保证水泵管网的压力与控制器的给定压力平衡。压力传感器时刻检测管网压力，并反馈至控制器，控制器根据反馈压力与给定压力的差值，控制变频器的输出频率，实现电机的速度调节，改变水泵流量，保证供水管网压力始终稳定在给定值附近，实现了变频调速恒压供水系统的闭环调节。3台泵在控制器控制下，均由变频器实现软起动。
5 变频调速后的节能效果及分析
白楼宾馆采用变频调速恒压供水系统后，解决了目前 存在的供水管网系统水压不稳定，设备故障频出等问题， 取得了良好的节能效果和经济效益。
5.1 直接经济效益
目前的控制方式下,三台泵平均输入功率20kw,供水压力3.7～5.8kg/cm2,年耗电175200kwh,按0.5元/kwh计算,每年电费9.6万元。采用变频恒压供水控制装置后,三台泵平均输入功率16kw,供水压力4.5kg/cm2,年耗电140160kwh,电费7.7万元,年节约电费开支1.9万元。该项目改造投资3.2万元。
由此可知，采用变频恒压供水控制装置后，每年节约电能35040kwh，节电率20％，投资回收期1.7年。
5.2 间接经济效益
5.2.1 按用水实际需要定压供水，可以自动保证宾馆的正常用水需要，即不会发生因瞬间用水量增加而引起的供水不足，也不会因瞬间用水量减少，管网出现超压引起设备损坏，并且克服了原有控制方式下水压在3.7～5.8kg之间的较大波动。
5.2.2 电机循环软启动，避免了在频繁启动时，较大的启动电流对供电系统、配电设备和电机的冲击，延长了电气设备、水泵及管网的使用寿命，减少了检修维护费用及工作量，提高了供水安全。
5.2.3 实现闭环自动控制后，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。
6 结论
篇5
引言
渭南市临渭区地处关中平原东部，渭河将其分为塬区、城区和渭北。由于渭北大部分地区属于苦咸水区，地下水及地表水都不宜饮用， 1987年，中、省、市对渭北饮改水工程进行了总体规划，并实施了渭北北移民安置区饮改水工程。渭北供水服务总面积728平方公里，辖10个镇、224个行政村，服务人口40.07万人，下辖辛市、官道、下吉、侯家、南师、等12个供水管理站及小什、什马等8个村级供水站，各供水管理站具体负责饮改水工程的供水及日常维护。其中，侯家站作为东、西两大干管的分界点，在肩负着东线供水任务的同时，兼顾给西线供水（正常情况下，西线由另一水源供水），在整个渭北饮改水工程中的地位十分重要。为了能够给渭北农村群众提供更好的供水服务，我局将变频恒压供水的原理应用于侯家站。
1 变频恒压供水原理概述
变频控制恒压供水系统是在管网的主管出口处安装压力变送器，变送器将主管出口处压力变换为4--20mA直流信号，作为调控参数送入恒压供水控制器，控制器上可以设定正常运行时系统工作压力，控制器将两个压力信号进行比较，其差值由控制器作PID运算，然后输出一个模拟量信号给变频器，控制变频器的输出频率，从而控制水泵转速，改变水泵的出水量，维持管网出口压力稳定在设定的压力值上，实现恒压供水。
近年来，随着交流变频技术的成熟，变频恒压供水控制系统以其节能、高效、安全的供水特点，在农村饮水安全工程中得到广泛应用。变频恒压供水系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。不论是设备的投资、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无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果，是当前最先进、合理的节能型供水系统。
2 候家站变频恒压供水原理
图1给出了侯家站供水管网示意图。侯家站管网有两个出水口，在实际运行过程中，需要实现两个出水口同时出水或单独出水，并要达到自动化控制。为满足这种供水需求，在实际中设置了阀门，利用控制设备和阀门的配合实现以上供水要求。
图1 侯家站供水管网示意图（注：从左到右依次为1至7号电机）
2.1 变频恒压供水一拖四
在阀门F1、F3关闭，阀门F2打开的情况下，实现恒压供水一拖四控制。运行时，四台电机由PLC实现恒压供水一拖四起停控制，其中一台电机由变频器控制，另外，三台电机分别由三台软启动器控制。
2.2 变频恒压供水一拖三
在阀门F1、F2关闭，阀门F3打开的情况下，此时实现恒压供水一拖三控制。运行时，三台电机由PLC实现恒压供水一拖三起停控制，其中一台电机由变频器控制，另外，两台电机分别由三台软启动器控制。
2.3 变频恒压供水一拖七
阀门F1、F2和F3全部打开的情况下，此时实现恒压供水一拖七控制。将一拖四和一拖三合并在一起控制将实现一拖七控制。
3 系统框图及工作过程
3.1 系统框图
3.2通过转换“手动/自动”开关实现手动、自动模式切换，选择自动模式时，有三种控制模式可选择，模式一是一拖四、模式二是一拖三、模式三是一拖七。
3.2.1手动控制模式。用户可以手动起动变频器和软起动，实现独立控制七台水泵的起停。并通过面板上的旋钮电位器手动调节变频器的输出频率，从而达到对水泵出水量的控制。手动方式一般在调试时使用，用来检查水泵运转情况。
3.2.2自动控制模式。选择模式一时，实现恒压供水一拖四控制。自动状态下，首先由变频器控制1#水泵起动，用户只需要更改触摸屏上的设定压力值，PLC就可以根据采集的实际压力调节变频器输出频率，从而控制1#水泵的实际转速。当实际用水量较大，管网压力降低，即反馈压力低于设定压力时，变频器输出频率增大，1#水泵转速增加，管网压力就增高;反之亦然，调节水量以保持管网压力恒定在设定值上。当用水量增加，变频器的输出频率保持上限（50HZ）一段时间，系统压力值仍然达不到压力设定值，即一台水泵不能满足当前用水量时，系统自动软起动2#水泵，起动完成后，2#水泵工频运行，同时实时调节1#水泵转速以维持总管网的压力恒定。当两台水泵满转运行仍旧不能满足供水需求，起动3#水泵，其它水泵控制原理相同。
当用水量降低时，如两台水泵同时运行，供水量大于用水量，管网压力增加，变频器的输出频率下降，如果输出频率保持下限频率一段时间，管网压力仍旧不能恢复到设定值，则系统自动停止2#水泵工作，从而维持管网压力恒定并达到节能的效果。
其它水泵的投切与上述原理相似。投切顺序先起先停。
选择模式二时，实现恒压供水一拖三控制。
选择模式三时，实现恒压供水一拖七控制。
4 系统性能及特点
4.1智能化程度高，操作简便。供水过程中可根据需要进行手动、自动操作，供水压力、压力上下限值、PID值等参数自行设定，能够满足多数供水场合的需要。供水运行可靠，操作简便，维护工作量极少;
4.2供水恒压控制精度高。机泵切换过程实现无极切换，供水压力波动小，对管网、电机、水泵等供水设施的冲击小，延长了设备寿命;
4.3保护功能完善，安全性能高。系统具有完善的电气安全保护功能，对过流、过压、过载、缺水等故障均能报警并保护;
4.4 系统适应性强，能耗低。系统能适应从0到最大用水量的工作状态，且系统都工作在最佳状态，最大限度的降低了能耗，节约了供水成本。
5 注意事项及措施
5.1 最大程度的减小外界电磁干扰。
解决办法：首先，在这些控制信号线的外层接屏蔽线，并在控制器的一边或者变频器的一边选取一点作为屏蔽的接地点，以提高系统的抗干扰能力，如果屏蔽线在两端都接地，会使屏蔽线上产生电势差，形成新的干扰。其次，将模拟信号线和动力线分别走线，也能提高系统的抗干扰能力。
5.2避免形成系统震荡。
解决办法：一是选择合理的压力采集点，尽可能的避免出口流速对管网压力的影响，一般选取在离水泵出水口较远的地方。二是根据电机功率合理设置控制器的加速时间，一般情况下，电机功率越大，其加减速时间也就越长。三是控制器和变频器的加减速时间要一致，控制器的加减速时间设定应大于或等于变频器加减速时间。
参考文献：
[1]康会峰，黄新春，王元.基于DSP的变频恒压供水模糊控制系统应用.《电机与控制应用》.2010年5期
篇6
关键词：PLC；变频恒压；供水系统
引言
在当今社会的各个领域中都离不开供水系统，实现高效、经济、稳定供水已经成为众多领域关注的焦点。随着科学技术的成熟，如何改善传统供水压力难以稳定、设备浪费、供水安全事故等不良F象已提上日程。所以，本文充分结合现代科学技术，设计了一套基于PLC的变频恒压供水系统。
1 控制系统的基本原理
该变频恒压供水系统设计主要是为了满足以下要求：
（1）保证供水时压力恒定，并且在进行换泵时水压波动要小。
（2）有2台运行，1台备用水泵，运行水泵与备用水泵每10天进行一次轮换。
（3）利用管网压力传感器实现变频器的速度以及工频运行、变频运行的控制。
（4）当水泵工频运行的时候，由热继电器对电动机的过载进行保护，注意要有报警信号指示。
该系统是利用压力变送器FR-E700三菱变频器、PIC、A/D模块以及水泵等共同形成的一个闭环控制系统。水泵的节能优化控制主要是通过PIC对水泵运行的台数及其运行速度进行调整实现的，不但可以稳定水压，还可以充分节约电能，其供水系统的原理如图1所示。
2 控制系统的整体设计
2.1 硬件设计
在本闭环系统中，采用图2所示的恒压供水系统主电路接线方式。
如图2所示，电动机M1由接触器KM2控制，其变频运行由接触器KM1控制；电动机M2由接触器KM4控制，其变频运行由接触器KM3控制；电动机M3由接触器KM6控制，其变频运行由接触器KM5控制。变频器的启动由PLC的输出端子Y0控制。热继电器FR1用于M1的过载保护；热继电器FR2用于M2的过载保护；热继电器FR3用于M3的过载保护。
图3给出了该变频恒压供水系统的PLC接线图。
接触器KM1的线圈由Y1控制；接触器KM2的线圈由Y2控制；接触器KM3的线圈由Y3控制；接触器KM4的线圈由Y4控制；接触器KM5的线圈由Y5控制；接触器KM6的线圈由Y6控制。考虑到电动机中可能出现短路现象，为应对这种情况的发生应当注意设计电气互锁，为此可以在接触器KM1、接触器KM2的线圈内串联对方的常闭触头。
2.2 软件设计
当变频恒压供水系统在启动运行时，1#泵的交流接触器就会进行吸合，从而使得电机和变频器之间互相连通，这时变频器的输出频率将会由0Hz逐渐上升至所设定的频率。假使在用水高峰时期，管网中的水压值过于偏低，但是变频器的频率值以已经设置至上限的时候，此时，变频器的OL端就会输出频率上限的信号，这样PLC就会按照信号让KM1断开而使KM2吸合。这样1#水泵的工况就会由变频转变为工频，而此时KM3也会发生吸合，2#水泵将会启动并处于变频运行状态。反之，假使是在用水低谷时期，这时变频器的运行频率通常偏低，管网中的水压值处于过高状态，变频器的OL端就会输出频率下限信号，这样PLC就会按照信号让变频泵停止运行，而另一台水泵的工况就会由工频运行转变为变频运行。
2.3 仿真与调试
欲达成恒压供水的目标，则应该充分利用过程控制，而PLC则应当作为控制的中心，对压力及流量变送器所反馈的信号进行实时检测，从而对水管中的压力进行有效控制。通过此方法还可以经计算得到水泵输出流量和每栋楼流量的关系，由此很容易检测出管道中是否存在水的泄漏，并可以将相应的处理结果在触摸屏上显示出来。在专家控制模式下，可以通过控制信号、水管压力、流量计算以及电流感应模块的输出信号对故障进行判断，如果有故障出现，那么有关故障点的报告将会显示在触摸屏上，同时系统会发出相应的警报。并且在这种情况下，系统通常会自动切断主线的电源，使工作的水泵停止运转。
3 结束语
本文充分利用现代变频技术，设计了一套基于PLC的变频恒压供水系统，该系统不仅能够保证稳定供水，提高系统安全性，还具备可靠的故障自诊断功能，实用性能良好。
参考文献
篇7
【关键词】变频器；PLC；恒压供水
1.引言
随着变频调速技术的发展和人们对生活用水质量的提高，变频恒压供水系统取代了传统的供水系统，已普遍用于居民用水系统。目前，国内大多数企业仍使用传统恒压泵进行切换加压的供水方式，水压不稳，而且造成能源浪费。所以，开发可靠性高，价格优廉、控制性能好的恒压供水系统具有很高的实用价值。变频恒压供水方式与过去水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，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无法比拟的优势，而且具有节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。本文采用PLC和变频器实现恒压供水控制系统的设计[2]。水压波动小，运行平稳。是当今先进合理的节能供水系统。
2.变频调速恒压供水系统结构及原理
系统采用两水泵进行供水，选用FRENIC 5000G11S变频器，PLC选用欧姆龙小型PLC[3]，变频调速控制是恒压供水系统的核心，系统由变频器控制水泵将水直接加压或减压送至管网出口，根据测得的管网出口处的压力，由压力传感器将压力信号送入PID调节器，PID调节器根据压力设定值与压力实际值的偏差，对压力进行PID调节，输出频率给定信号IRF（4～20mA）给变频器，变频器根据频率给定信号IRF控制水泵的转速，并在PID调节器上设定压力的上下限，PID将此信号送入PLC控制器，从而实现两台水泵之间的工频、变频的切换。其系统原理图如图1所示：
图1 恒压供水系统原理图
3.恒压供水系统设计
3.1 主电路设计
系统采用手动和自动两种控制方式，PLC首先使主水泵变频启动，压力传感器将母管压力反馈给PLC，与预先设定的给定压力比较，通过PID运算，调节变频器的输出频率[4]，以维持水压恒定。若用水量大到1台水泵全速运行也不能达到给定压力时，PLC将该水泵由变频运行投入到工频运行，同时将另一台水泵投入到变频运行，增加管网供水量以保证压力稳定。当用水量减少时，PLC首先将工频运行的泵停掉，减少供水量，整个系统保证变频运行时只有1台泵变频恒压供水。系统采用变频泵循环方式，以“先开先关”顺序关泵，既保证了系统有备用泵，又有效的防止备用泵长期不用出现“绣死”现象。系统主电路图如图2所示：
图2 系统回路图
3.2 控制电路设计
控制电路如下图3所示，SB1控制系统的启动，SB2控制系统的停止，当水泵出现过载时，A5灯亮。当变频器出现故障时，A6灯亮。A1、A2分别为泵1的变频、工频运行指示灯，A3、A4分别为泵2的变频、工频运行指示灯。其PLC控制器的I/O点数分配如表1所示：
表1 I/0点数分配
输入 输出
启动按钮 0002 泵1变频控制 0500
停止按钮 0003 泵1工频控制 0501
压力上限信号 0004 泵2变频控制 0502
压力下限信号 0005 泵2工频控制 0503
变频器故障信号 0006 泵过载指示灯 0504
变频器故障报警指示 0505
图3 系统控制回路图
4.PLC控制流程图设计
根据恒压供水操作要求，PLC控制系统要随时监控自来水以及供水口的情况来决定是否要起动水泵，PLC控制程序设计的主要任务是接收各种外部开关量信号的输入，判断当前的供水状态、输出信号去控制继电器、接触器、等的动作，进而调整水泵的运行。PLC和变频器是本系统的核心部分，系统稳定运行的关键取决于PLC程序的合理性和可行性以及变频器参数的设定。本系统采用手动或自动两种工作方式，系统启动后，泵1首先进人变频运行，当检测到压力上限信号时，变频泵切换为工频，启动另一台泵变频运行，当检测到压力下限信号时，工频泵切除，仅变为变频泵工作，系统设计程序流程图[5]如图4所示：
图4 变频恒压供水系统设计流程图
5.结论
由OMRON C系列小型PLC控制器结合富士FRENIC 5000G11S系列变频器和压力传感器组成的恒压供水系统，达到恒压供水的目的，实现真正意义上的无人值守的起闭、循环切换水泵。由于变频器具有软启动的功能，消除了启动大电流对电网的冲击，从而延长泵的使用寿命。该系统可广泛应用于工业供水、生活供水、消防供水、集中供热等供水系统。实际运行情况证明了本系统具有可靠性高、自动化程度高、便于维护和高节能性等特点，具有很大的应用价值。
参考文献
[1]魏景田.基于变频调速的恒压供水系统[J].科技资讯，2008（2）：48-49.
[2]李丽敏，叶洪海，张玲玉.PLC恒压供水系统的设计[J]自动化与仪器仪表，2008（01）：19-25.
[3]郑平，范学玲，赵振林.基于PLC与变频调速的恒压供水系统设计[J].硅谷，2010（12）：57.
[4]周雄，王浩.论变频控制节能技术及应用[J].贵州科学（增刊），2007，25：334-338.
篇8
关键词：PLC；恒压供水；自动控制系统；设计要点
引言：随着对住宅小区和企事业单位供水质量要求的不断提高，传统的水塔式供水方式和直接水泵加压等供水方式已经不能满足人们生产生活的需要。由于用户用水在高峰和低谷时用水量相差很大，不利于设备的经济运行，降低了供水设备尤其是电机的使用寿命，浪费了大量的电能。随着变频调速技术的不断发展，恒压变频供水设备开始应用到多层住宅小区及企事业单位的供水，提高了供水质量，节约了大量电能。下面以一个住宅小区的变频恒压供水设备为例，介绍变频调速技术的恒压供水自动控制系统。
一、工程案例分析
广东广州市某住宅小区共有住宅楼15 幢，最高为9层，每幢由两根DN50 水管并联供水，进入小区总管为一根DN100 水管。设计流量为40t/h，需增补扬程20m，以保证出水压力达到0.31MPa。
二、恒压供水系统的组成及工作原理
1、恒压供水系统
小区的恒压供水系统由2 台变频电机拖动的水泵机组、1 台泵类专用变频器、1 台可编程控制器PLC，再加上电磁阀、压力传感器等组成，如下图1 所示。
该系统的工作过程如下：蓄水池隔离市政的自来水网和小区供水系统，起到一定的缓冲作用。小区供水系统由2 台水泵机组加压供水。系统启动时，变频器控制1 台变频电机低转速启动，通过变频器逐步提高水泵转速，出水口压力传感器将水压信号反馈给PLC 从而调节变频器输出频率，如果第1 台电机传速调节到最高时出水口压力仍然达不到设定值，则需要增加另一台水泵。增加水泵时，首先将第1 台水泵从变频器供电通过接触器组转换到由电网直接供电，即由变频转换到工频。然后通过变频器控制第2 台变频电机软启动，逐步增加第2 台电机的转速，直到出水口的水压达到设定值。当用户的用水量较小时，1 台电机就可以满足水压的要求，用水高峰时，2 台电机同时投入运行。2 台电机互为备用，大大提高了系统的可靠性，而且在用水低谷时，还可以对电机进行必要的维护检修。
2、采用PLC 控制的变频调速恒压供水系统有以下优点：
⑴供水质量提高，水压稳定，得到了用户的肯定。
⑵操作控制简单。通过PLC 和变频器还可实现对系统的过流、过热、过压、短路等保护功能。减轻了设备维护人员的劳动强度，延长了设备的寿命。
⑶节约资源。变频器的容量小于系统的总容量，大大降低了电控系统的造价。同时由于采用了变频调速技术，电能消耗大为减少。
三、恒压供水自动控制系统的设计要点
1、启动阶段自动控制系统的设计
系统开始工作时，压力传感器将水压信号送到PLC控制器，开始时水压低于设定值，启动升速程序。把第1台电机接入变频器输出电路，变频器初始输出频率为35Hz，电机低转速启动，控制水泵电机逐渐升速，同时管网电压上升。当水压达到设定值时，变频电机在此频率下稳定运行，进入稳定运行状态，并保持水压恒定。若变频电机频率达到电网工频时，水压还未达到设定值，此时PLC 给出信号至接触器组。接触器组将第1 台电机切换至工频电网，同时发出指令使第2 台电机接入变频器，变频器输出频率为35Hz，第2 台水泵启动并调速至水压的设定值，达到稳定运行状态使水压保持恒定。
2、稳定运行状态的自动控制系统设计
进入稳定运行状态后，控制系统框图如下图2 所示。
为了防止各种扰动如用水负荷的波动对水压造成的影响，压力传感器将管网水压信号与给定水压比较后通过PID 环节送至变频器，调节变频器的输出频率从而保持水压的稳定。传统的PID 调节器算法为：
关于P 值，I 值，D 值的设定可采用在经验值指导下的测试法，力争短时间内完成参数设定，避免对外界和设备本身造成不良影响。设定的依据：增益P 值大，反应快，有利于减少静态误差（即供水管网的实际压力与恒压给定值的差值），但是P 值过大，系统将产生振荡，稳定性变坏。积分I 值越小振荡作用越强烈，应适当增大I 值，减少振荡，使系统更加稳定，但是积分时间太长又会发生当实际管网水压急剧变化时难以迅速恢复的情况，系统的动态响应变差。微分D 值时间愈短，微分作用愈弱，减少D 值，有利于减少调节时间，克服因积分时间太长而使系统恢复时间过长。P，I，D 经验值和参数设定依据，在测试过程中依照先比例后积分的原则对系统进行在线调试。依据笔者多年的经验，确定了参数的大致范围：当P 参数设定为1.4，I 参数设定为20，D 参数设定为0.5 时，效果较令人满意。应注意本文给出的仅是参考值，在PID 产生的控制作用中，某部分的减少往往可由其他部分的增大来补偿，因此不同的设定参数完全可得到同样令人满意的控制效果。
对于居民小区，用水高峰集中在早、中、晚3 个时段，而在深夜则用水量处于低谷。改变不同时段的压力给定值，则更能起到节能的作用。每个时段内的压力给定值是根据日用水量变化情况设定的。在PLC 控制程序中根据时段的不同，设定不同压力值，在深夜，给定值小些；在用水高峰期，给定值大些。工作时，控制程序按不同时段自动给出压力给定值，无需人工干预。
3、加泵、减泵控制
当变频器输出频率最高水压仍不能满足要求，则需要进行加泵操作。第1 台电机由变频到工频的转换，时间应尽可能短。因为电机脱离变频后，在水压的作用下，电机转速下降很快，转换时间过长，会导致电机启动电流增加。同时第2 台电机接入变频器启动。如果两台电机同时运行时，由于用水负荷减小，第2 台电机转速调到最低，实际管网压力仍然超出设定值，则进行减泵操作。将第1 台电机从电网断开。为了防止出现反复加泵、减泵的现象，在PLC 程序设计中，引入滞环控制。程序中加泵、减泵的切换设定值不是刚好等于设定值，加泵时设定值为“设定值-”，减泵时设定值为“设定值+”。的大小根据水压控制精度要求而进行相应设定。
4、人机交互界面的设计
人机交互界面应当提供相应的操作控制界面，提供相应故障报警信息等。系统应当提供自动控制模式和人工控制模式两种。在自动控制模式下，如果发生停电或其他意外情况使水泵停机，系统能够在下次供电时重新启动。这样，供水站平时就可无人值守，有利于减轻工作人员的劳动强度，节约劳动力资源。系统出现故障时，能够切换到手动控制方式，保证连续供水。
四、结束语
总之，变频恒压供水系统是值得大力推广的一项技术，不但可应用于新建小区的供水系统，也可应用到原有供水设备的改造中。实践运行表明，该系统投入使用后系统供水压力稳定，控制精度高，运行可靠，且具有良好的经济效益。
参考文献：
【1】乔维德. 模糊神经网络在PLC 恒压供水控制系统中的应用[J].电气传动自动化,2007,29(2).
【2】谢仕宏,朱晓聪,姜丽波,模糊PID 控制算法在恒压供水系统中的应用[J].陕西科技大学学报,2007,25(2).
篇9
关键词：PLC；住宅小区；变频恒压；供水系统
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）35-8168-04
党的十已经明确提出“节能、环保，推进生态文明建设，建设美丽中国”的主要精神，在我们这个水资源和电能短缺的国家，随着我国社会经济的不断发展，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，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。传统小区供水方式有：水塔高位水箱供水、恒速泵直接供水系统、恒速泵加气压罐的供水方式、变频调速供水等方式，这些供水方式普遍存在可靠性差、效率低、自动供水系统化程度不高等缺点，难以满足当前住宅小区生活的需要。经过变频技术的不断进步，现代变频恒压供水技术具有节能、环保和能够提供高质量水源等特点，广泛用于很多住宅小区及楼层较高的建筑的消防、生活供水系统中。
本文依据某住宅小区用户对供水系统的要求，确定工控设备西门子S7-200 PLC和西门子MM420变频器作为主要控制设备来设计变频恒压供水系统，并通过抄表系统实现用水量的计算，通过组态监控系统达到实时监控和远程操作的作用，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行效果。
1 控制系统的基本要求、组成和工作原理
变频恒压供水系统控制的基本要求如下：①供水压力基本恒定，换泵时的水压波动小；②共有4台水泵，3台主水泵，1台辅助泵；③变频器的速度以及工、变频运行由管网压力变送器来控制；④通过脉冲式水表可以完成用水量的计量；⑤通过组态监控系统实现稳定的住宅小区变频恒压供水控制过程。
本系统是通过闭环控制系统达到控制管道内水压的作用，也就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。变频恒压供水系统由变频器、水泵、PLC以及压力变送器等构成闭环控制系统。其系统框图如图1所示。
针对目前住宅小区供水系统存在的问题：主要表现在用水高峰期，特别是早、晚两个时间段，正是人们烧饭洗衣服的时候，这时管网中的水的需求量大大高于供给量，水泵提供的管道中水的压力不断降低，出现供不应求的现象。除了早、晚两个时间段以外的时间，即用水低峰期，这时用水量大大降低，管网中水的需求量远远低于供给量，水泵提供的管道中水的压力不断升高，出现供过于求的现象，这样有可能使水管爆裂，甚至损坏用水设备，造成能源的浪费。本系统主要通过西门子S7-200 PLC 对水泵进行节能优化控制，通过西门子MM420变频器调整水泵的运行状态和运行台数，达到稳定水压和节约电能的目的。系统通过压力变送器采集管道中水压信号，PLC采集到该信号后，由A/ D转换模块将采集信号值与设定值进行比较，西门子S7-200 PLC能够进行PID控制，PID是比例、积分、微分的缩写，比例调节的作用是能够加快调节速度，积分的作用是减小误差，从而消除静差，微分的作用是改善系统的动态性能。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。供水压力经PID调节后的输出量将通过交流接触器组切换后输出给水泵的电动机，最终由PLC根据频率变化来控制水泵的运行数量和工变频运行状态，以此来确保管道水压的稳定。变频恒压供水系统总体结构图如图2所示。
2 系统的硬件设计
利用西门子MM420变频器、西门子S7-200PLC、压力变送器等器件构成闭环控制系统，以调节水泵的工变频情况，实现变频恒压供水。
2.1 主电路电气原理图
变频恒压供水系统总电路图如图3所示，接触器KM1、KM3、KM5分别控制1#电机、2#电机、3#电机的变频运行，接触器KM2、KM4、KM6分别控制1#电机、2#电机、3#电机的工频运行，接触器KM7控制辅助泵的工频运行，PLC的模拟输出端子M、V控制变频器的运行。为了更好地保护电机的运行，在电路中加入热继电器，它的工作原理是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。FR1、FR2为1#电机、2#电机过载保护用的热继电器，FR3、FR4为3#电机、辅助泵过载保护用的热继电器。
2.2 PLC的I/O分配表、接线图和变频器设置
本系统PLC的I/O分配见表1，系统的PLC接线图如图4所示，PLC的输出端子Q0.0～Q0.6分别控制中间继电器KA1～KA7的线圈。系统管网压力值由外部设定，管网实际压力信号由压力变送器输入到PLC的模拟输入端A+，PLC控制变频器，变频器再通过接触器线圈实现电机工频运行或变频运行的切换，控制水泵的运行状态和运行数量。
本系统采用的是西门子变频器MM420，它可以设置电动机的额定电压、额定频率等参数，能够保证供水系统运行的稳定性和可靠性，具体参数设置见表2。
3 系统的软件设计
本供水系统主要用于住宅小区生活用水，其用水量主要集中在早、晚两个时间段，早上用水量主要集中在6点-9点这个时间段，晚上用水量主要集中在18点-22点这个时间段，除了这两个时间段以外，平时都处于低流量状态。与通常的工频气压给水设备相比，采用变频恒压供水系统实现低流量时的恒压供水节能效果可达30%。
系统启动运行时，首先启动辅助泵工频运行供水，当用水量增大，当前管网压力小于系统设定压力时，1分钟后，PLC通过变频器启动l#水泵变频运行，同时关闭辅助泵的运行。在l#水泵变频运行（从0Hz向上调整）中，PLC根据水压变化进行PID调节来控制流量，维持水压。当1#水泵变频运行到50Hz时，如果用水量继续增加，当前管网压力仍小于系统设定压力时，1分钟后，由PLC给出控制信号，将l#水泵与变频器断开，l#水泵由变频运行转为工频运行，同时变频器启动2#水泵变频运行。系统工作于l#水泵工频、2#水泵变频的两台水泵并联运行的供水状态。若用水量继续增加，两台水泵也不能满足水压要求时，将按上述过程继续增开水泵台数，直到满足设定压力。整个过程中只有一台水泵工作在变频状态。
当用水量减少，当前管网压力大于系统设定压力时，将当前供水状态中工作在工频方式的3#水泵转为变频运行，当3#水泵运行频率下降到0Hz，当前管网压力仍大于系统设定压力时，1分钟后，将3#水泵停止，2#水泵投入变频运行，当2#水泵运行频率下降到0Hz，当前管网压力仍大于系统设定压力时，1分钟后，将2#水泵停止，1#水泵投入变频运行（从高频率向下调整）直到满足设定压力。
当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量减少，当前管网压力仍大于系统设定压力时，1分钟后，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水，达到了节能的目的。
本系统采用了三台主水泵和一台辅助稳压泵供水，其中只有主水泵参与变频运行，共有10种有效供水状态，具体如表3所示。各供水状态之间的转换关系如图5所示。
设置运行和备用的转换时间以保证所有水泵的均衡使用。PLC程序流程见图6。
4.1抄表系统
脉冲水表是普通发讯水表加上电子采集模块而组成，电子模块完成信号采集、数据处理、存储并将数据通过通信线路上传给中继器、或手持式抄表器。表体采用一体设计，它可以实时地将用户用水量记录并保存，每块水表都有唯一的代码，当脉冲水表接收到抄表指令后可即时将水表数据上传给管理系统。本系统通过设计抄表程序，实现对水表脉冲的读取和累计，并实现用水量的计算。
4.2 组态监控系统设计
本系统采用力控组态软件进行组态设计，达到实时监控和远程操作的作用，主要实现以下功能：
1）通过上位机能检测 “当前工作状态”、“1#水泵”、“2#水泵”、“3#水泵”、“辅助泵”的工作状态；
2）通过上位机能检测“供水管道压力”、“水表数据”、PID“ 输出值”，其中“供水管道压力”能通过曲线反映出来；
3）在上位机上能通过“启动”和“停止”按钮控制PLC自动控制程序的启停；
4）通过上位机能修改和设定“供水管道压力”、“比例系数”、“积分时间”、“微分时间”，并实现稳定的变频恒压供水控制流程。
5 结束语
本文就某住宅小区恒压供水的实际要求，采用基于PLC的变频恒压供水系统，并通过抄表系统和组态监控系统对供水系统进行实时监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能。
参考文献：
[1] 朱玉堂.变频恒压供水系统的研究开发及应用[D].浙江大学，2005.
[2] 胡盘峰，陈慧敏.基于PLC的新型变频恒压供水系统设计[J].机械工程与自动化，2011（2）.
[3] 方桂笋.基于PLC的变频恒压供水系统的设计[D].兰州理工大学，2008.
篇10
关键词：供暖热网；自动控制；变频器；节能
中图分类号：TE44文献标识码： A 文章编号：
2 变频恒压补水系统的技术分析
在供暖热网中，供热系统正常供热运行的基本前提是维持系统恒压。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，而供水系统在实际使用中，大多电机拖动设备都存在裕量较大的问题，且运行中很多时间不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，但会造成电机用电损失。而变频恒压补水系统以变频调速为核心，集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体，对水泵电机实行无级调速，依据用水量及水压变化通过微机检测、运算，自动改变水泵转速保持水压恒定以满足用水要求，取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备。
它具有起动平稳、起动电流小的特点，并可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；采用补水泵变频调速定压后，通过改变补水泵转速来调节补水供应，使系统工作状态更加平缓稳定，并可通过降低转速节能收回投资，最终达到高效率的运行目的。由于补水泵的平均转速降低，还可延长泵和阀门等配件的使用寿命、消除起动和停机时的水锤效应。此外，采用改造后的系统为供热管网进行补水，可以方便地实现补水系统的集中管理与监控，提高供水效率。因此，设计变频调速的恒定水压补水系统后，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非常大的优势。
3 变频恒压补水的工作原理及控制过程
3.1 工作原理
在实际工作生产中，变频恒压补水的工作原理是根据锅炉水位的变化来控制补水泵的转速以实现调节补水量的目的。变频恒压补水控制系统主要采用变频器、可编程控制器、PID 调节器、低压电气、压力传感器及现场总线技术等，对水泵进行恒压调速。它通过压力传感器跟踪管网压力变化，压力传感器取出补水泵出口信号 （采暖系统恒压点的压力信号），反馈给微机控制器，与给定压力比较后，由调节器输出的电流调节信号，控制变频器调节电机转数，以改变补水泵流量，实现管网水压的闭环调节(PID)，使补水系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，补水量相应增大；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，补水量亦相应减小，这样就保证了供暖管路对水压和水量的要求，同时达到了提高供水效率的目的。
当系统循环泵停止时即静止状态时，补水泵按静态设定压力稳压，并保证系统最高位置的水位，防止出现局部无水。当循环泵启动后，系统补水泵按动态设定压力进行恒压补水。动态设定压力一般低于静态设定压力 0.1 MPa，当系统水温逐渐升高，系统水体积逐渐增大，其压也会逐渐提高，这时微机会控制水泵减速使水体积和膨胀体积相互抵消，完成补水压力的闭环控制，从而达到系统压力稳定和节约电能的目的。变频恒压自动补水泵调速构成框图见图 1。
调节过程：补水泵电机是输出环节，转速由变频器控制，实现变流量恒压控制。变频器接受 PID调节器的信号对水泵进行速度控制，压力传感器检测管网出水压力，把信号传给 PID 调节器，通过PID 调节器调节变频器的频率来控制水泵的转速，实现了一个闭环控制系统。
3.2 变频恒压补水系统控制回路
该系统具有手动和自动 2 种控制方式，操作简单，调整系统组态灵活方便，保证系统检修时和变频调速器故障时仍能正常补水。当将选择控制方式旋钮 SA1 旋至手动位置时，系统即进入手动运行方式 （此方式只在变频器损坏或水泵巡检时使用），此时可通过按动控制柜上的按钮 SB1 或 SB3 来实现直接工频启动补水泵电机。当将选择控制方式旋钮SA1 旋至自动位置时，系统即进入自动运行方式，此时通过按动控制柜上的按钮 SB5 启动变频器，变频器即可根据系统设定实现自动恒压补水控制。系统控制回路示意图见图 2。
4 系统控制设备的特点与节能效果分析
该系统控制设备由于采用触摸屏及 PLC 控制，其具有控制灵活方便、抗干扰能力强、应用范围广、运行稳定可靠等优点，通过在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时等操作指令，并由数字量、模拟量的输入输出，控制整个恒压供水工作过程。它还能够实现系统的在线监测和参数测量，当产品需要升级改型时，只需修改程序即可，操作非常方便。操作者可以通过显示屏及时了解水泵运行的状况，实现了智能化控制，降低了操作人员的工作强度，提高了补水及循环泵运行压力的平稳性能，保持了供热管网及供热设施压力的恒定，从而起到很好的保护作用。
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 3 次方成正比 （既水泵的轴功率与供电频率的 3 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 （1）
式中：Q 为流量；N 为转速；H 为扬程；P 为轴功率。
理论计算表明：当水泵转速降低 10%时，轴功率降低约 27.1%；当水泵转速降低 20%时，轴功率降低约 48.8%。当水泵运行时的平均流量为额定流量的 40%～50%时，变频调速泵的节能效果可达50%左右，能耗大大降低，因此节能效果十分明显。
5 结束语
随着人们对供暖质量和要求的不断提高，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、适应供暖复杂环境的恒压补水系统已成为必然趋势。对原供热补水系统进行改造，实现变频恒压自动补水系统，其节能效果显著，稳定性大大提高。在供水系统中采用变频调速运行方式，与通过调节阀门开度控制水泵出口压力的方式相比较。该系统不仅可以根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵，使供暖管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水、节资，并使系统处于可靠运行的状态，实现恒压供水。由于补水泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，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，水泵的使用寿命也大大提高。此外，因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作。系统正常运行时，通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。通过该系统的实际运行效果表明，采用这种设计方案后，不仅全面提升了工人村区域供暖补水系统的动态性能指标和经济技术指标，而且为整个供热管网能够更加平稳、有效的运行提供了可靠的保障。
参考文献
1.芮延年. 机电传动控制[M]. 北京：机械工业出版社，2006.
2.曾 毅. 变频调速控制系统的设计与维护[M]. 济南：山东科技出版社，1999.
3.吴中俊，黄永红. 可编程控制器原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2003.
4.王积伟，吴振顺. 控制工程基础[M]. 北京：高等教育出版社.，2001.
