变频器恒压供水系统

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1 变频调速恒压供水系统

1.1 变频调速恒压供水的目的和意义

变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小

区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备，在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，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；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。 1.变频调速技术的特点及应用

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NKL-A系列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。 2.可编程序控制器的应用

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 （

1

）

开

关

量

的

逻

辑

控

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 （

2

）

模

拟

量

控

制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）

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和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 （

3

）

运

动

控

制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 3.

过

程

控

制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 4.

数

据

处

理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 5.

通

信

及

联

网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 6.可编程变频恒压供水控制系统的设计 (1) 变频器的节能、调速原理

变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还

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需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

一般使用的风机、水泵类它们额定风量、水量都超过实际需要，又因工艺的需要，往往运行中要改变风量、水量，而目前多数采用档板或阀门来调节的，虽然方法简单，但实质是人为增加阻力的办法。因此浪费大量电能，属不经济的调节方式。从流体力学原理可知，风机的风量、水泵的流量与电机转速及电机功率的

关

系

如

下

：

当风机转速下降时，电动机的功率迅速降低，例风量下降到80％，转速亦下降到80％时，则轴功率下降到额定的51％，若风量下降到50％，轴功率将下降到额定的13％，其节电潜力非常大，采用变频器调速方式有很强的节电效果，其节电可达30-40％效果十分明显。 (2) 变频器控制方式的选择

低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。 7.U/f=C

的

正

弦

脉

宽

调

制

（

SPWM

）

控

制

方

式

其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 (1) 电压空间矢量（SVPWM）控制方式

它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 (2)矢量控制（VC）方式

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、

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Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 (3) 直接转矩控制（DTC）方式

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 (4) 矩阵式交—交控制方式

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。因此，我们选用最后一种控制方式，矩阵式交-交控制方式。

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近年来我国中小城市发展迅速,集中用水量急剧增加。据统计,从1990年到1998年,我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升,增长了37.2%,与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期时供水量普遍不足,造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大,仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足,用水低峰期时供水压力过高,不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（

例

如

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高

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）。

供水厂希望通过对原有系统的技术改造,提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件,改变传统的落后管理方式,使管理工作规范化,提高水厂的业务管理水平。由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统,所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行,设计一套取水和供水的自动控制系统,克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题,降低能源消耗和资源浪费,提高设备的可维护性和运行的可靠性,以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。 在相当比较大规模的工业生产供水系统,变频调速恒压供水有它自身的特点：1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大,这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2.对供水压力的要求比较严格,供水的压力随供水的流量的变化而变化,甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3.一般情况下,供水系统的水流量受到水消耗量的控制,而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。 从上即可结论：以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要,也提高整个系统的效率,延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。

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1.2 变频调速及PLC在供水行业中的应用

1.2.1 变频调速技术的特点及应用

作为高性能的调速传动,直流发电机－电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦,价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多,例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。

70年代以后,由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展,促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点,而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点,其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末,交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术,它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流,再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源,以此电源拖动电机在变速状态下运行,并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式,从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中,较为传统的运行方式是可节电40％～60％,节水15％～30％。

由于变频调速具有调速的机械特性好,效率高,调速范围宽,精度高,调整特性曲线平滑,可以实现连续的、平稳的调速,体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时,可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器,变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类,目前国内大都使用交－直－交变频器。

自从通用变频器问世以来,变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点,使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速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,

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是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展,变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能,对合理设计变频调速恒压供水设备,降低成本,保证产品质量等方面有着非常重要的意义。

新型供水方式与过去的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,而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性,引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视,并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制,多品种系列化的方向发展。追求高度智能化,系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

在短短的几年内,变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程,早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠,但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低,而多泵调速系统投资更为节省,运行效率高,被实际证明是最优的系统设计,很快发展成为主导产品。

1.2.2 可编程序控制器的特点及应用

早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC),主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展,可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体,具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点,以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能,在工业生产中得到了广泛的应用。

1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成,主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期,体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC,使得PLC的功能大大增强。在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面,PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言,除了保持原有的逻辑运算等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入

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80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片,大大提高了PLC软、硬件功能。

在发达工业国家,PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称,1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元。随着电子技术和计算机技术的发展,PLC的功能得到大大的增强,具有以下特点：

(1)．可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。

(2)．具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号,有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能,它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块。

(3)．采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

(4)．编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

(5)．安装简单,维修方便。PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。

由于PLC强大功能和优点,使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以监测。

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2 变频恒压供水系统控制方案的确定

2.1 控制方案的选则和比较

恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：

(1) 有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器

这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。

(2) 通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。

(3) 通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器 这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。

通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本

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系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。

2.2 变频恒压供水系统的组成

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2.3所示：

管网压力信号报警信号水池水位信号PLC(含PID)变频器压力变送器M液位变送器用户水泵机组水池 图2.1 变频恒压供水系统控制流程图

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。

(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

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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。

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。变频恒压供水系统的结构框图如图2.4所示：

给定值 + - 压力 变频器 水泵 用户管网 压力变送器 图2.2 变频恒压供水系统框图

恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水.

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3 系统的硬件设计

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4.1所示：

图3.1 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：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。主要设备选型如表3.1所示：

表3.1 本系统主要硬件设备清单

主要设备 型号及其生产厂家 可编程控制器（PLC） Siemens CPU 226 模拟量扩展模块 变频器 水泵机组 Siemens EM 235 Siemens MM430 125H-13型号水泵一台 压力变送器及显示仪普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪 表 液位变送器

分体式液位变送器DS26 3.1 控制要求

（1）工艺参数: 水泵流量：295 m3/h 水泵出口压力： 0.08Mpa （2）水泵参数：型号：125H-13 额定流量：793 m3/h

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扬程：32.3 m 功率：80.3 KW 额定转速：1450 r/min 配用电机功率：100KW （3）电动机参数：型号：JD-L-39-4 功率：100KW 额定频率：50Hz 额定电压：380VAC； 额定转速：1470 r/min 额定电流：188.2 A

3.2 变频器选型

3.2.1 变频器的控制方式

控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。下表中参数供选用时参考。

表3.2 控制方式的比较

控制方式 反馈装置 速比I 起动转矩（在3Hz） U/f=C控制 不带PG <1:40 150% 带PG或PID调节器 1:60 150% 电压空间矢量控制 不要 1:100 150% 矢量控制 不带PG 1:100 150% 带PG或编码器 1:1000 零转速时为150% 直接转矩控制 1:100 零转速时为>150%~200% 静态速度精度±（0.2~0.3） ±（0.2~0.3） /% 适用场一般风机、泵较高精度调合 类等 速，控制 ±0.2 ±0.2 ±0.02 ±0.2 一般工业上的调所有调速速或控制 或控制 伺服拖动、高负荷起动、起重负载精传动、转矩转矩控制系统，恒转控制 矩波动大负载 故选择U/f=C控制

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3.2.2 变频器容量的选择

变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。 （1）.从电流的角度：

大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。

选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。 （2）从效率的角度：

系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：

1.变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。

2.在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。

3.当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。

4.经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。

5.当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。 （3）从计算功率的角度：

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对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式：

1.满足负载输出：Pcn≥Pm／η (3.1) 2.满足电动机容量：Pcn≥√3KUeIe cosφ ×10-3 (3.2) 3.满足电动机电流：Icn≥KIe (3.3)

式中Pcn为变频器容量（单位kW），PM--负载要求的电动机轴输出功率（单位kW），Ue为电动机额定电压（单位V），Ie为电动机额定电流（单位A），η为电动机效率（通常约为0．85），cosφ为电动机功率因数（通常约为0．75），k是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常K约为1．05～1．1）。

将本系统参数带入求得所取变频器容量最低为164.7KW故取200KW，额定电流197.2A，故取200A。

3.3 系统主电路外围设备选择

1、断路器

当变频器需要检修时，或者因某种原因而长时间不用时，将QF切断，使变频器与电源隔离。当变频器输入侧发生短路等故障时，进行保护。 选择原则

(1)变频器在刚接电源的瞬间，对电容器的充电电流可达额定电流的（2-3）倍； (2)变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流； (3)变频器允许的过载能力为150%，1min。

为了避免误动作，断路器的额定电流IQN应选：

IQN?(1.3~1.4)IN (3.4)

其中IN为变频器的额定电流。故选择断路器额定电流选择210A

根据上述数据可以选择断路器DW15—400断路器额定电压为380V，额定电流为300满足要求可以选择。 2、接触器

(1)主要作用：可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电；变频器发生故障时，可自动切断电源。 (2)选择原则：

由于接触器自身并无保护功能，不存在误动作的问题，故选择原则是主触点的额定电流IKN?IN，应该大于126.6A,可以选择主触点额定电流为130A的接触

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器。

根据上述数据施奈德的LC1—D150，满足参数要求，可以选择 3、主电路的线径

(1)电源和变频器之间的导线

一般说来，和同容量普通电动机的电线选择方法相同。考虑到其输入侧的功率因数往往较低，应本着宜大不宜小的原则来决定线径。 (2)变频器和电机之间的导线

因为频率下降时，电压也要下降，在电流相等的情况下，线路电压降?U在输出电压中的比例将上升，而电动机得到电压的比例则下降。这有可能导致电动机带不动负载并发热。所以，在决定变频器和电动机之间导线的线径时，最关键的因素便是线路电压降?U的影响。一般要求：

?U?(2~3)%UN (3.5)

?U的计算公式是：

3IMNR0l?U?(V) (3.6)

1000式中：UN——额定相电压，V ；

IMN——电动机额定电流，A ；

R0 ——单位长度（每米）导线的电阻，mΩ

/m ；

l ——导线的长度，m 。由上两式可直接求出R0的取值范围。根据Ro

值确定导线面积。

由公式（3.5）得：?U?(7.6～11.4）V

由公式（3.6）得：0.69 mΩ/m ?R0?1.04 mΩ/m

根据表3.1判断所需的导线截面积，为了满足控制系统的要求，应该选择截面积为16mm2的导线。

表3.3 常用电动机引出线的单位长度电阻值

标称截 面/mm2 R0/(mΩ/m) 1.0 17.8 1.5 11.9 2.5 6.92 4.0 4.40 6.0 2.92 10.0 1.73 16.0 1.10 25.0 0.69 35.0 0.49

4、制动电阻

准确计算制动电阻值十分麻烦，在实际工作中基本不用。许多变频器的使用说明书上给了一些计算方法，也有的直接提供了供用户选用的制动电阻的规格。

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但按说明书上选择电阻时须注意下面问题，变频器生产厂家为了减少制动电阻档次，常常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值和容量的制动电阻。选用时，应注意根据生产机械的具体情况进行调整。对同一挡中电动机容量较小者，制动转矩与额定转矩的比值偏大。为了减小能量的消耗，应根据制动过程的缓急程度以及飞轮力矩的大小，考虑能否选择阻值较大的制动电阻。对同一挡中电动机容量较大者，制动转矩与额定转矩的比值偏小。在一些飞轮力矩较大，又要求快速制动的场合，或者如起重机械那样，需要释放位能的场合，上述制动电阻有可能满足不了要求，靠考虑选择阻值较小的一挡制动电阻。

4 系统的软件设计

4.1 PLC程序设计

PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。

PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI 电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。

4.1.1 初始化子程序设计

首先初始化变频运行的上下限频率，在第二章水泵切换分析中已说明水泵变频运行的上下限频率分别为50HZ和20HZ。假设所选变频器的输出频率范围为0~100HZ，则上下限给定值分别为16000和6400。在初始化PID控制的各参数（Kc、Ts、Ti、Td），各参数的取值将在下一节中详细介绍。最后再设置定时中断和中

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断连接。具体程序梯形图如图4.1所示。

图4.1 初始化子程序SBR_0梯形图

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4.1.2 PID控制中断子程序

首先将由AIW0输入的采样数据进行标准化转换，经过PID运算后，再将标准值转化成输出值，由AQW0输出模拟信号。具体程序梯形图如图4.2所示。

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图4.2 PID控制中断子程序INT_0梯形图

4.2 变频器参数的设置

4.2.1 参数复位

1、P0003＝3(选择级别为专家级) 2、设定P0010＝30

3、设定P0970＝1（设定P0970＝1后变频器将自动进入参数恢复程序，大约要10～20秒钟后才能将所有参数恢复为出厂缺省值，恢复的过程中变频器显示P----字样并闪烁。） 4、显示P0970 则复位操作完成

4.2.2 电机参数设置

P0010=1 (快速调试)

P0100=0(功率单位为KW；f的缺省值为50Hz)

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P0304=380(电动机的额定电压) P0305=126.6(电动机的额定电) P0307=75（电动机的额定功率） P0310=50(电动机的额定频率) P0311=1470（电动机的额定转速）

P0700=2(变频器命令源选择为模入端子/数字输入) P1000=2(模拟设定值) P1080=5(电动机最小频率) P1082=50(电动机最大频率)

P1120=10（电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需时间） P1121=10（电动机从最大频率减速到静止停车所需的时间） P3900=1(结束快速调试)

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结束语

该次课设促使了我对电气原理知识、过程控制、系统安装和调试等方面的知识回顾，还使我的细心观察和实际操作动手能力得到提高，，对现实生活中的控制系统运用有了更深刻的了解，对恒压供水系统也有了大体的认知。静下心来回想这次实习真是感受颇深。通过这次课设，培养和锻炼了我的综合运用所学的基础理论、基本技能和专业知识，去独立分析和解决实际问题的能力，把理论和实践结合起来，提高了实际动手能力，为将来毕业后走上工作岗位打下一定的基础。通过这段时间的学习，从无知到认知，到深入了解，渐渐地我喜欢上这个专业，让我深刻的体会到学习的过程是最美的。

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参考文献

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