高层建筑PLC控制的恒压供水系统的设计

1 概论

随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。

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。

1.1变频恒压供水产生的背景和意义

众所周知，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。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式，以下就逐一分析。

1．一台恒速泵直接供水系统

这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。

2．恒速泵加水塔的供水方式

这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开停时间比、开停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大，水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所

需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。

3．恒速泵加高位水箱的供水方式

这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能耗增加。

4．恒速泵加气压罐供水方式

这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者做一比较。

5．变频调速供水方式

这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速水泵调速控制方式有三种：

水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。 (1) 出口恒压控制

水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。

(2) 出口变压控制

水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不只是一个。是将每日24小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天24小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水

泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。

(3) 最不利点恒压控制

最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处，使系统在运行过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。

变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗比较小。另外气压罐要消耗一定的钢量，这也是它的一个较大的缺点。而变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备，不存在消耗多少钢材的问题。同时由于气压罐体积大，占地面积一般为几十平米。而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米。由此可见变频调速供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积。在运行效果上，气压罐方式与调速式相比也存在着一定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由于气压罐的调节容量仅占其总容积的1/3-1/6，因而每个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的启动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备损坏很快。变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了饮用水水质可靠。

由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、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。

1.2 变频恒压供水系统的国内研究现状

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。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水

泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。

目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出子恒压供水专用变频器(5.5kw-22kw) ，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

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。

1.3 课题来源及本文的主要研究内容

1．课题来源

本课题来源于生产、生活供水的实际应用。 2．研究的主要内容

通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国己成为供水行业发展的主流趋势。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、各种

传感器等组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。该系统可以用于深井泵恒压供水系统、各类型的自来水厂、供热和空调循环用水系统、消防用水系统、工业锅炉补水系统，还可以广泛应用于化工、制冷空调和其他工业及民用领域。本文研究的主要内容如下：

（a）通过扬程特性曲线和管阻特性曲线分析供水系统的工作点，根据管网和水泵的运行曲线 ，说明供水系统的节能原理。

（b）分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨变频恒压供水系统的控制策略，并归纳实用性的控制方案。

（c）研究PID控制器的设计原理及方法。 （d）设计变频恒压供水系统的硬件和软件。

2 调速恒压供水系统能耗与安全性分析

在供水系统中，用水量处于动态变化过程之中，采取恒速泵供水方式，无法维持管压恒定，同时也影响设备寿命；若采取阀门控制调节流量来维持管压，必然造成大量的电能浪费；而且水泵电机直接工频起动与制动带来的水锤效应，对管网、阀门等也具有破坏性的影响。基于恒压、节能及安全性考虑，采取变频调速恒压供水方式是一种不错的选择。据统计采用变频调速技术调节流量实现恒压供水，可节20-50%，节能效果相当显著。在讨论变频调速恒压供水系统节能机理与安全性之前，有必要讨论分析供水系统的一些基本概念和特性。

2.1 供水系统的基本模型和主要参数

供水系统的基本模型如图2-1所示。

H3 摩擦损失 H2 全 实际扬程 扬程HT(m)水压 HB(m) 泵 H1 L0 水面 H0 吸入口 图2-1 供水系统的基本模型

a)全扬程的概念 b)基本模型

图中：

L0—— 水泵中心位置；h0—— 吸水口水位；h1—— 水平面水位；h2—— 管道最高处

水位；h3—— 在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真实的管道系统中，这个位置并不存在。只有在h3大于管道的实际最高位置的情况下，才能正常水。

主要参数有：

1．流量Q 单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位是m/min；

2．扬程H 也称水头，是供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差，常用单位是m；

3．实际扬程HB 供水系统中，实际的最高水位h2与最低水位h1之间的水位差，即供水系统

3

实际提高的水位。即：HB=h2-h1；

4．全扬程HT 水泵能够泵水上扬的最高水位h3与吸入口的水位h0之间的水位差。全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。即：HT=h3-h0；

5．损失扬程HL 全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。HB,HT,HL之间的关系是：

HT=HB+HL。供水系统为了保证供水，其全扬程必须大于实际扬程，这多余的扬程一方面用于

提高及控制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失；

6．管阻R 阀门和管道系统对水流的阻力和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述；

7．压力P 表明供水系统中某个位置水压大小的物理量。其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与流量与扬程之间的平衡情况有关。

2.2 供水系统的特性曲线和工作点

供水系统的参数表明了供水的性能。但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。这种联系和变化规律可用供水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管组特性曲线，如图2-2。通过特性曲线图可以掌握供水系统的性能，确定其工作点。

图2-2中：

曲线①——额定转速nN时的扬程特性曲线；

曲线②——转速n1时的扬程特性曲线；

曲线③——阀门开度100%时的管阻特性曲线；

曲线④——阀门开度不足100%时的管阻特性曲线。

HTH0④ HEHN A ③ N ① HC HB B ② O N QE Q

图2-2 供水系统特性曲线

1．扬程特性

以管路中的阀门开度不改变为前提，即截面积不变，水泵在某一转速下，全扬程与流量间 的关系曲线HT?f(Q)，称为扬程特性曲线。不同转速下，扬程特性曲线不同，图2-2中的曲线

①、②分别对应于转速nN、n1，且nN＞n1。

曲线表明转速一定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越大，供水系统的全扬程就越小，反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。在这里，流量的大小取决于用户，是用水流量，用QU表示。

用水量一定时，即QU不变，转速越低，水泵的供水能力越低，供水系统的全扬程就越小。 2．管阻特性

以水泵的转速不改变为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线HT?f(Q)，

称为管阻特性曲线。不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图2-2中的曲线③对应阀门开度大于曲线④对应的阀门开度。

管阻特性表明由阀门开度来控制供水能力的特性曲线。此时转速一定，表明水泵供水能力不变，流量的大小取决于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧来决定的，故管阻特性的流量可以认为是供水流量，用QG表示。

在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在供水流量与用水流量的差别。这里的QG和

QU是为了便于说明供水能力和用水需求之间的平衡关系而假设的量。

当供水流量QG接近于0时，所需的扬程等于实际扬程（HT?HB）。表明了如果全扬程小

于实际扬程的话，将不能供水。因此，实际扬程也就是能够供水的基本扬程。

3．供水系统的工作点

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。在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。

图2-2中的N点表示水泵工作于额定转速，阀门开度为100%时的供水状态，为系统的额定工作点。

4．供水功率

供水系统向用户供水时所消耗的功率PG（kW)称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比

PG?CPHrQ （2-1）

式中CP一一比例常数。

2.3 供水系统中恒压实现方式

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需求。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，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与供水能力(由流量QG表示)和用水需求(由用水流量QU表示)之间的平衡情况有关。

若供水能力QG＞用水需求QU，则压力P上升； 若供水能力QG＜用水需求QU，则压力P下降； 若供水能力QG= 用水需求QU，则压力P不变。

可见 ，流体压力P的变化反映了供水能力与用水需求QU之间的矛盾。从而，选择压力控制来调节管道流量大小。这说明，通过恒压供水就能保证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。

将来用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。

(1) 阀门控制法

转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。

实质是水泵本身的供水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。

(2) 转速控制法

阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。

实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。

2.4 异步电动机调速方法

通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。由三相异步电动机的转速公式

n?n1(1?s)?式中

60f(1?s) (2-2) pn1一一异步电动机的同步转速，r/min；

n一一 异步电动机转子转速，r/min； p一一 异步电动机磁极对数；

f一一 异步电动机定子电压频率，即电源频率；

s一一 转差率 ，s?n1?n×100%。 n1由式（2-2）可知调速方法有变极调速、变转差调速和变频调速。 1．变极调速

在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续调节。

2．变转差调速

通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。 三相异步电动机的转子铜损耗为

PCu2?3I2'2r2'?sPem (2-3)

该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率s很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但在供水系统中由转速控制法实现恒压供水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率s增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。

因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。

3．变频调速

通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式。

这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通基本不变，其关系为

u1=常数 f1式中

u1一一变频器输出电压，f1一一变频器输出频率。

变频调速方式时，电动机的机械特性表达式

m1pU12r2'/s （2-4） T?r2'2?f1[(r1?)?(x1?x2')2]s式中

m1一一电机相数；r1 一一定子电阻；x1一一定子漏电抗；x2'一一转子漏电抗折算值。

f1从额定值fN往下调时， 电机机械特性变化情况如图2-3所示。

频率图中

fN＞f1＞f2＞f3＞f4。

n 变频调速过程的特点：

静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果。

fNf1f2f4f3T 图2-3 变频调速机械特性

2.5 变频调速恒压供水系统能耗分析

2.5.1 转速控制调节流量实现节能

（1）转速控制法与阀门控制法供水能耗分析

在图2-2中，将阀门控制法和转速控制法的特性曲线画在了同一坐标系中。假设系统原工作于额定状态N点，当所需流量减少，从额定流量QN变为QE时，在恒压前提下，采用阀门控制法时供水系统工作点将移到A点，对应的供水功率PG与面积AHEOQE成正比；采用转速控制法时供水系统工作点将移到B点，对应的供水功率PG与面积BHCOQE成正比。

两种控制方式下的面积之差△可以实现节能。

（2）转速调节与恒速运行供水能耗分析

根据水泵比例定理，改变转速n，水泵流量Q、扬程H和轴功率P都随之相应变化，其关系式为

P=AHEHCB表明了采取转速控制方式相对于阀门控制方式

Q1n1? （2-5） Qn2H1n12?() （2-6） HnPn1?(1)3 （2-7） Pn式中

n1，Q1 ，H1，P1分别为调速后的水泵转速、流量、扬程和轴功率。从以上关系可知，当

转速n下降时，轴功率按转速变化的3次方关系下降，可见转速对功率的影响是最大的。

一般在设计中，水泵均考虑在最不利工况下供水，水泵在选型上也是按水泵额定工作点选型和安装使用，即按额定工作点设计。但在实际运行中，管网用水量常常低于最不利工况，这时，如降低转速相对于恒速泵供水运行，能使水泵的轴功率大大减少。

可见 ，在供水系统中根据用水量的大小，通过变频方式调节水泵转速的方式来实现供水具有很好的节能效果。而且这种方式在用水量较少时节能效果更为明显。

2.5.2 转速控制供水系统的工作效率高

(1) 工作效率的定义

供水系统的工作效率为水泵的供水功率P与轴功率Pp之比，即 G

?p?pGPP (2-8)

该效率是包含了水泵本身效率在内的整个供水系统的总效率。式(2-8)中 ，Pp是指水泵是在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即电动机的输出功率；P是供水系统的输出功率G也就是水获得的实际功率，由实际供水的扬程和流量计算。供水过程中的损耗主要来自于水泵本身的机械损耗、水力损失、容积损失，以及管路中的管阻损耗。

(2) 供水系统工作效率的近似计算公式 水泵工作效率相对值的近似计算公式如下

Q*Q*2?p?C1(*)?C2(*) (2-9)

nn*式(2-9) 中

?p*Q*n*——效率、流量和转速的相对值均小于

1。有以下关系，?p*???N、

Q*?nQ、n*? C1、C2为常数，遵循如下规律C1-C2=1。

nNQN(3) 不同控制方式时的工作效率

Q***阀门控制法方式，因转速不变，n=1，比值*=Q，随着流量的减小，Q减小，水泵工作

n*的效率?p降低十分明显。

*Q转速控制方式时，因阀门开度不变，由式(2-4)，流量Q和转速n是成正比的，比值*不变。n***即水泵的工作效率是不变的，总是处于最佳状态。

所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，供水系统的工作效率要大得多。这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面。

2.5.3 变频调速电机运行效率高

在设计供水系统时，额定扬程和额定流量通常留有裕量，而且，实际用水流量也往往达不到额定值，电动机也常常处于轻载状态，电机恒速运行时效率和功率因数很低。采用变频调速方式变频器能够根据负载轻重调整输入电压，从而提高了电动机的工作效率。这是变频调速供水系统

具有节能效果的第三个方面。

2.6供水系统安全性讨论

2.6.1 水锤效应

在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂；压强过低，又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。

2.6.2 产生水锤效应的原因及消除办法

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矩。

图2-4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2-4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。

?Tm?TL；Tm：是电动机的拖动转矩；TL：是供水系统的制动转

n nN② ① n fN TJO O 图2-4 水泵的直接起动和变频起动

a)全压起动 b)变频起动

T 2.6.3 变频调速对供水系统安全性的作用

采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处：

(1) 消除了水锤效应，减少了对水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命； (2) 降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长；

(3) 避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命；

(4) 减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。

3 变频调速恒压供水控制系统设计

3.1 供水系统总体方案的确定

1．用户需求 供水系统总体要求：

2．增加主泵的状态转换模块

增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时， PLC给出控制信号，PLC的Y0失电，变频器的FWD端子对CM短接，变频器的自由制动停车，切断变频器输出，延时500ms后，将主水泵与变频器断开，延时300ms(防止变频器输出对工频短路)，将其转为工频恒速运行，再延时200～300ms PLC的Y0得电，变频器以起始频率启动一台新的主水泵。这段程序设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁保护。

增加主泵的状态转换模块包括六种状态转换关系，三台主泵增开程序。下面以当前状态S20，增开2#主为例，用PLC的状态转移图(SFC)来说明泵增开过程，如图4-4。

3．减少主泵的状态转换模块

减少主泵是指在多台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，按“先起先停”原则，将当前运行状态中最先进入工频运行的水泵从电网断开。

4．故障处理模块

对水位过低、水压上下限报警、变频器故障等故障给出报警，并做出相应的故障处理。 (1) 欠水位故障

进入P0处理模块，停止全部的电机运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动执行以下程序。

(2) 压力上下限报警

输出报警信号，报警信号30s内未解除，则进入P0处理模块，停止全部的电机运行。信号解除则自动运行以下程序。

(2) 变频器故障

变频器出现故障时，对应PLC输入继电器X5动作，系统自动转入自动工频运行模块。此时变频器退出运行，三台主泵电机均工作于工频状态。该方式下的水泵的投入和切除顺序和自动变频恒压运行方式时的大致相同，只是原来运行在变频状态下的电机改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID调节，水压无法恒定。为防止出现停开一台水泵水压不足而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，通过增加延时的方法来解决。设定延时时间为20分钟。

4.2 PID调节原理在恒压供水系统中的应用

在供水系统的设计中，选用了具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制保证供水系统中的

压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。

4.2.1 PID控制及其控制算法

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。具有以下优点：理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。

1．模拟PID控制及算法

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)

e(t)?y(t)?r(t) （4-1）

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4-5。 图中U (t)为PID调节器输出的调节量。 PID控制规律为

y(t)?Kp[e(t)?d1t?0e(t)?TDe(t)] （4-2）

dtTi式(4-2)中，Kp——比例系数；Ti——积分时间常数；TD——微分时间常数。相应地传递函数形式

G(s)?U(s)1(1??TDs) （4-3） E(s)TisPID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。比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节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，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，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) 微分环节：对偏差信号的变化趋势(变化速率)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。但过大的TD对于干扰信号的抑制能力却将减弱。PID的三种作用是相互独立调节作用，不会影响其他的调节作用互不影响。改变一个调节参数，只影响一种调。然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。

2．数字PID控制算法

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。

用一系列的采样时刻点nT表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶向后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

TTnu(n)?Kp{e(n)??e(j)?D[e(n)?e(n?1]} (4-4)

Tij?0T式(4-4)中，T一一采样周期，n一一采样序号，e(n)一一第n时刻的偏差信号，e(n?1)一一第(n一1)时刻的偏差信号，y(n)一一第n时刻的控制量。

PID位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号e(n),

e(n?1)，而

且还要把历次的偏差信号e(j)相加，计算繁锁，占用内存大;另一方面计算机输出的控制量U(n)对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，U(n)可能出现大幅度变化，引起执行机构的大幅度变化，这是不允许的。为此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)?KP[e(n)?e(n?1)]?Ki[e(n)?2e(n?1)?e(n?2)] （4-5）

式(4-5)中，?U(n)一一调节器输出的控制增量，

Ki?KPTT，KD?KPD。

TiTi增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量?U(n)仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。

4.2.2 恒压供水PID调节过程分析

恒压供水的目的就是要保证供水能力QG适应用水需求QU变化。当供水能力QG和用水需求

QU之间不能平衡时，必然引起压力的变化。因此，可根据压力的变化，来实现对供水流量的调节，

维持供水能力QG和用水需求QU之间的平衡。

在供水系统中，变频器、PID调节器、压力变送器、电机、水泵等构成了一个闭环控制系统，可以对供水能力实现有效的自动调节，从而实现恒压供水。其实现方法是，首先据用户对水压的要求，给PID调节器预置一个目标压力值，管道中的实际水压，经压力变送器转换成4-20mA的模拟电流信号反馈给变频器内置的PID调节器，PID调节器根据目标压力值和实际压力值的偏差，给出调节量，自动调节变频器输出频率，调节电机转速，使供水量适应用水量的变化，取得动态平衡，维持水压不变。其具体调节过程如下：

(1) 稳态运行

当供水能力QG=用水需求QU，目标压力信号和压力反馈信号y相等，偏差e?y?r=0, PID

输出的控制增量?U=0，变频器输出频率不变，水泵转速不变，处于稳态运行。如图4-6中的0-t1 段。

(2) 用水量增加时

当用水量增加，用水需求QU?供水能力QG，水压下降，压力反馈信号

y减少，偏差

e?y?r?0，PID输出的控制增量?U?0，变频器输出频率上升，水泵转速升高，增加供水能

力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。

这是一个动态变化的过程，在达到新的平衡状态之前，压力反馈信号y、偏差e，控制增量?U均处于变化之中，其变化过程如图4-6中的tl-t3段，其中t2-t3段为增加用水量后新的平衡状态。

(3) 用水量减少时

?供水能力QG，水压上升，压力反馈信号y增大，偏差e?y?r?0, PID输出的控制增量?U?0，变频器输出频率下降，水泵转速降低，降低供水能力，

当用水量减少，用水需求QU最后达到一个新的平衡状态，使压力回复， 图4-6 恒压PID供水调节过程

维持供需平衡。这一动态变化过程，如图4-6中的t3-t4段，其中t4段以后为减少用水量后新的平衡状态。

4.2.3 变频器PID控制功能参数设置

本系统采用PI控制，功能代码有F60、F61，通过对功能代码的设定来保证合理的PID运行。

1. F51反馈极性预置

系统采取的是反馈电流正动作，设定F51为0。反馈信号减小时，引起电动机转速上升。见图4-7所示。

2. F48压力目标值预置压力

目标值F48设定是和允许的管道压力大小及选用的传感器有关。 实际设定值= F48%?实际传感器最大量程。

根据用户供水管网情况及水压需要，确定总出水口水压大小，经验数据：楼房供水压力P=(0.08+0.04?楼层数)。选用的远传压力表量程是0-1MPa，通过变频器键盘面板操作直接输入确定的压力目标值。

3. F49消防设定值

范围0.1%-100%，最小设定量：0.1%。

如果端子FA与GND短接，变频器以消防压力目标值供水。 实际设定值= F49%?实际传感器最大量程。

4. P、I参数预置

P、I参数通过F60，F61来设定。其中F60比例系数设定误差值的增益，此参数越大，比例调节越强，设定范围1-8000；F61用以设定积分时间，设定范围1.0-500.0s，由于 P、I的取值与系统的惯性大小有很大的关系，需经现场反复调试，可按以下总体原则来进行整定：

F60 (增益 P)，在不发生振荡条件下增大其值； F61 (积分时间I)，在不发生振荡条件下减小其值。

在P、I功能有效且完成参数预置后，变频器完全按设定的P、I调节规律运行，其工作特点是： (1) 变频器的输出频率只根据水压实际压力大小与设定的目标压力的偏差进行调整； (2) 变频器的升、降速时间完全取决于由P、I值所决定的动态响应时间； (3) 变频器的输出频率始终处于调整状态，因此，其显示的数值常不稳定。

4.3 系统可靠性措施

系统中采用的工控设备变频器和PLC均具有抗干扰能力强，可靠性好的特点。但作为一个完整的系统，应用于工业现场，还是有必要考虑加强抗干扰措施，保证运行的稳定性。

1．变频器和PLC应安装于专门的控制柜中，但一定要保证良好的通风环境和散热，PLC四

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