发布时间 : 星期三 文章基于PLC居民社区恒压供水变频控制系统设计更新完毕开始阅读
1 前 言
1.1 研究此课题的目的和意义
就当今城市供水普遍现状来说，城市管网水压仅仅能满足6层以下楼房住户的用水，超过6层以上必须“升高”水压来维持住户的用水质量。早些年的供水靠的是水泵来升高水压，势必导致泵所提升的水压高出我们实际用水的压力值，导致水资源的浪费，而且控制精度我们很难掌握，也造成了能量的大量损耗和机械损耗。不但需要人力管理，还必须定期检查供水装置，既费时又费力，给工作人员也带来了许多困扰。
为了解决这个问题，变频技术应时而生。变频技术就是通过技术手段来改变用电设备的供电频率，从而达到控制设备输出功率的目的。当前电力电子技术在迅速发展，变频器的功能也得到了不断的开发和完善。变频器体积小，操作稳定可靠，并且有强大的保护功能，可以在许多行业中使用，特别是现在供水行业中备受青睐。由于供水行业中对运营的安全性和供水时的压力大小规范比较苛刻，所以变频调速技术才能够得以更深入全面的应用到供水的各个环节。变频调速恒压供水设备是一个高效率的节能供水系统，有着操作简便，节约电能，安全可靠的良好特性，所以我国自上世界90年代就开始将变频调速恒压供水设备大量引进和投产，中国的供水行业发生了大变革，不但节省了大量的人力管理和维修费用，还起到了绿色节能的良好效应。恒压供水系统可以让电机在转速的调节范围内的任意一点都可以平滑稳定的运行，我们称之为无级调速，并且它还可以根据居民用水情况对其实行操作系数的自动调节，满足各楼层居民的日常用水，改变了以往高层水压上不来的情况。
早期的水塔和高位水箱的供水方法已经被市场所淘汰，有设备体积大，资金投入高，自动控制程度低，电能损耗严重，并且运行十分不稳定等许多弊端。而新的供水方式则完全可以弥补传统供水的各个缺点，自恒压供水调速系统开广以来，国内外的工业厂家都时刻关注着新式供水系统的发展变化，并加以投产和研究。
新式供水未来的发展前景也极其可观，高度的智能化控制，简便的操作方式，数字微机控制，该系列的供水设备，是城市投产只能居民楼，供水调度和发展的必然趋势。最早的居民社区供水中选用的是单泵调速恒压系统，但是运营了一段时间，单泵调速系统的弊端也逐日出现，电机运行效率低是其一个很大的弊端之一，相对替代它的是多泵调速恒压系统，事实证明，多泵性系统效率高，供水快，可靠性强，收成效益也更加明显，很快发展为居民社区供水行业的主导产品[3]。 1.2 供水系统的概述
1.2.1 变频恒压供水系统主要特点以及传统定压方式弊病
变频恒压供水首先节能是最主要的特点，平均可以节电20%-40%，实现了绿色用电。体积小配置灵活，自动化程度高。自动化水平高，可以实现无人值守，节约人力物力等优点。而传统定压方式其管道易起腐蚀，系统操作频繁，多次的启停泵对电动机和开关器件大量磨损。供水和用水操作得不到良好配合，导致水泵工作效率低下。 1.2.2 恒压供水设备的主要应用场合 ①生活用水。
②需要恒压控制用水的工业场合，例如北方暖气供应的锅炉补水，为节约大量的工业用水的冷却水循环等。 ③中央空调系统。 ④自来水厂增压系统。 ⑤农田灌溉，污水处理。 ⑥各种流体恒压控制系。 1.2.3 恒压供水技术实现
将压力传感器配置在管网中，测量管网水压，转换成现场所需的模拟信号，控制系统中的PID会将其信号接收。经PID进行处理计算后输出控制信号，来对变频器的输出频率做出相应的调
整。当用水的用户数量增加时，管网压力低于设定的压力，输出频率会发生相应的增加，水泵转速加快，供水也就自然而然的加大了。当管网压力到达设定压力时，电动水泵转速不发生任何改变，管网压力就会维持在设定的压力上，反过来也是如此。
当今电子技术发展迅猛，变频器的功能与特性也得到了极大的提升，它能操控运行设备的软启动与软停止，很大程度降低了电耗，也极大的降低了设备出现故障的可能性，保证系统安全，稳定的工作以及有效运行。用传统的二次加压和水塔对小区居民供水方式曾持续了相当长的时间，虽然这种方式能够保障人们的用水，但是能耗损失的程度也是较大的。通过得到小区最不利水点的水压，并通过加压泵按最不利点水压要求选择合适的扬程设计方案，通过用水流量的变化，调整和配置泵组，最终选定水泵的运行方式。由于周围的天气和温度时刻发生改变，所以只能从水泵运作模式和出口阀开度进行相对应的改变，以满足水量水压的正常，能耗势必会在出口阀不断的损失，而且存在着水池“二次污染”的问题。自从变频调速技术得以在供水行业中得以应用，能耗和污染的情况得到了很大程度的改变。
2 系统总体设计方案 2.1 系统设计方案 2.1.1 系统控制要求
小区水厂的管网通常是封闭的，每天小区内的用水情况都各不相同，泵站水量提供会随着人们对用水需求的增大而升高，最不利点就是水最难到达的地方，如近几年大量出现的高层居民楼，通常6层越往上水压就越难到达，所以供水压力必须达到管网中最不利点的压力才能让高层的住户也能如愿用水。
设定最不利点的压力损失为ΔP，流量用Q表示，它们的关系为：ΔP=KQ2；PL视为最不利点的压力，P是泵站出口的总管压力，则有关系式为：P=PL+ΔP=PL+KQ2，以这种方式供水不但能满足高层住户用水量，还能最大程度避免多余能量的损耗，起到节能的良好效应。居民用水量无论是增加还是减少，系统的设定压力也立即正向的增加或减少，我们称之为变量恒压供水，泵站出口的总压力可以是连续并且可以调制的，但是最不利点的供水压力不发生任何变化典型的自动恒压供水系统的结构框图如下图所示：
2.1 自动恒压供水系统的结构框图
在出水总管上配置流量传感器和压力传感器，可以对总管中的水流量和压力时刻进行记录，对检测到的流量和压力等一些数据准换成电信号输入到PLC输入模块中，CPU对检测到的电信号进行精确处理，然后与设定值对比计算，得到较为精确的运行工况参数。根据系统输出模块指令和变频器频率的设定值，更改水泵工作数量和变量泵的运行工况，从而对每台水泵控制与调制，这种以PLC为控制核心的供水方式无论从智能化还是从节约能源都是传统供水方式所不能比拟的。 2.1.2 运行特征
假设供水泵的台数为四台，供水系统运行时，PLC作为整个系统的“大脑”，支配着变频器运行，1#泵被启动，其转速平滑地逐渐加快，处于变频模式转动。设定Q为供水量，当住户用水量较少，供水量不太大，在Q<1/3Qmax之内时(假设四台水泵的工频运行时的最大供水为Qmax），供水量的增减会受PLC中央处理器的控制[1]，此时会自动调节1#泵的运行速度，供水压力才可以得到保证。当满足用水量Q在1／3Qmax 所提供的用水量，此时PLC会发出指令，1#泵则转为工频运行状态，2#泵会被软启动，因为用户用水量的多少会发生变化，所以2#泵会受到可编程控制器CPU的控制处于变频运行状态，用水量的多少会决定2#泵的运行转速，所以最不利点所需的供水压力得以保证。当满足供水量Q为2／3Qmax 目前，变频恒压供水系统已经普及在各住宅小区得到广泛应用，主要采用两种设计方案：单泵控制系统和多泵控制系统，即“一拖一”和“一拖N”。方案“一拖N”缺点是节能不太理想，优点是减少投资成本，运行效果好，并且变频供水系统稳定，对电网冲击小，对泵阀门，管道有较少的损害，因此，“一拖N”的方案现在被广泛使用。 2.1.4 “一拖N”系统控制要求 （1）多泵循环运行程序控制 假设系统为“一拖三”的运行模式。系统得电后，1#水泵受到 变频器的控制启动，当水泵的工作频率超过变频器的上限（50HZ），压力没有超出规定值时，1#水泵做工频泵使用，这时需要启动2#水泵，系统则处于1#水泵工频运行，2#水泵变频运行的状态；若变频器仍然处在50HZ状态，压力也一样没有超过规定值时，和上述一样将1#泵和2#泵同时做工频泵使用，再由变频器启动3#水泵，系统则处于1#和2#水泵为工频运行 ，3#水泵变频运行的状态。反之，如果变频器工作频率下降，并且低于下限，压力和规定值相比较大时，则停止1#泵的运行，系统又处在一个工频运行一个变频运行的状态，如果变频器工作频率再次低于下限值，则停止2#泵的运行，这时仅仅有一台水泵处于变频运行状态，而其他使泵都停止运行。按照这种方式进行循环，其他一拖N程序控制控制均如此运行。 （2）操作过电压 操作过电压现象的产生是由于故障跳闸引起的过电压。为防止操作过电压对电器设备造成的损害，需要多预留时间，这是因为一般水泵电机由变频状态转至工频状态时，需要等待几秒电机定速运行后接触器才能自动闭合。通常延时2至3秒时间即可。 （3）确保触点相互联连锁 为了避免相关误操作，导致两台以上接触器同时吸合造成电气短路或者设备运行冲突造成设备损坏的事故，应采取电气联锁和机械联锁两个措施。电气联锁是利用接触器辅助触点、继电器触点等控制线路锁住对方电路。机械联锁是两个以上接触器之间的机械装置互锁各自接触器。所以为了保证水泵由工频到变频之间安全可靠的运行，避免变频器输出端与工频电源出现短路状况，控制水泵的两台接触器触点和PLC里面的触点必须加以互锁。 （4）水泵轮换启动控制 为了避免有一些水泵长期得不到使用而出现锈死和设备老化等情况的发生，水泵的运行顺序可设置随意化，有效合理的运用每一台水泵。 （5）合理安排水泵运行的时间。 可以设定切换水泵工作的时间，长时间工作的水泵应令其停止运行，确保所有水泵都能平均工作，避免一些水泵工作时间太长而造成机器磨损等情况。 （6）变频器或PLC带有PID调节器 为了改进控制系统的性能，通常采用PID调节器进行控制，确定积分环节I的长短，时间太短则加快系统动态响应，但是易产生振荡，导致执行器来回切换而损坏机械性能；时间太长，此时压力如果变化迅速，系统反应时间慢，会造成因输出有偏差而破坏输送管道。 2.1.5 常用的“一拖N”系统控制方式 （1）变频器和PLC组合可以轻松完成上面所述的各个环节，还能应用于更加全面和繁琐控制的场所。但是程序需要调试，耗时和投资很大，比较麻烦，既不省时也不省力。 （2）变频器和专业供水设备，由于上述设备有些环节过于繁琐，所以人们为了变频恒压供水专门研究相似的供水设备，无论是价格还是性能都与上述设备类似，而且操作与调试都很容易，操作与调试都很方便。 2.2 变频节能理论 交流电机变频调速原理： 交流电机转速特性：n=60f(1-s)/p，其中n为电机转速，f为交流电频率，s为转差率，p为极对数。电机选定之后便n=60f(1-s)/p决定了s、p值，电机转速n和交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。 在现场中各类工业都需要恒压控制的用水，恒压控水目的是为了间接控制水的流量，现场中多以水的流量为运行参数进行监视和控制。 其中流量、转矩、功率与转速的关系如下： 流量与转速成正比：Ｑ∝Ｎ 转矩与转速的平方成正比：Ｔ∝Ｎ2 功率与转速的三次方成正比：Ｐ∝Ｎ3 变频调速在工作中自身的能量损耗不到10%，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率。由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：Ｐ变＝Ｎ3Ｐ额＝Ｑ3Ｐ额。采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：Ｐ阀＝（0.4+0.6Ｑ）Ｐ额其中，Ｐ为功率Ｎ为转速Ｑ为流量例如设定当前流量为水泵额定流量的60％，则采用变频调速时Ｐ变＝Ｑ３Ｐ额＝0.216Ｐ额，而采用阀门控制时Ｐ阀＝（0.4+0.6Ｑ）Ｐ额＝0.76Ｐ额，节电＝（Ｐ阀-Ｐ变）／Ｐ阀*１００％＝71.6％。 表2-3 流量与变频调速系统节电量关系 流量 % 100 90 80 70 60 50 节电量% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1 由此可见，与阀门控制的相比，采用变频调速除了在全功率下运行时没有节电量，在随后流量降低的时候，采用变频调速系统的节电量明显将采用阀门的系统甩在身后，甚至在流量为50%的时候，变频调速系统几乎节电达到了82%，从理论计算结果可看到节能效果非常显著[14]。 2.3 变频恒压供水系统及控制参数选择 2.3.1 变频恒压供水系统组成 变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵（主泵+休眠泵）、压力传感器、PID调节器、变频器（主泵+休眠泵）、管网组成。系统利用布置在管网上的压力传感器上测得的结果将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化及时地用信号（4-20mA或0-10V）反馈到PID调节器，网管压力采用三个差压变送器分别放在现场的三个位置进行测量。它们的输出送经小值选择器→大值选择器，从而得到三个压力值的中间值。采用三个差压变送器的目的是为了防止变送器故障影响管网压力测量的可靠性。并且控制系统会将测量的中间值与差压变送器的输出进行比较，一旦偏差超出一定范围将会触发高报警或者低报警模块。 除了管网压力取样的设计外，对管网压力测点的分布也要重视。正确检测管网压力，并作出相应的处理。均匀的分散管网负压保护测点，可以减少误发风险，压力取样点根据实际情况合理安排。取样之后PID调节器将控制压力设定值与反馈值进行偏差运算输出给到相应的变频器，改变水