变频器恒压供水系统的整体设计

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1 绪论

1.1城市供水系统的要求

众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己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，同时有可能导致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。 ? 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，有的可能住夜间崩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，供水质量差极。 ? 恒速泵+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。水塔泣满后水泵停止，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，水泵处于高效能区。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，如采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。

? 射流泵+水箱的供水方式

这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用压差和来水管粗，出水管细的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量（流量）的现象，无法满足高层供水的需要。 ? 恒速泵+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

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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，将完全由人工操作，使系统的供水质量下降能耗增加。

? 恒速泵+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。但气压罐供水的方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者作一比较。 ? 变频调速供水力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 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：水泵出口变压控制、水泵出口恒压控制、给水系统最不利点恒压控制。 ? 水泵出口变压控制

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进行全同变压，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。

? 水泵出口恒压控制

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，出于管路能耗较大，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。

? 给水系统最不利点恒压控制

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

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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出罐供水方式将节省占地面积。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，因而每个缝的调节能力很小，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。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。

1.2变频调速系统的发展趋势

电机调速经历从静止的晶闸管整流器直流调选到交流感应电机变频调速的发展过程；变频调速又由VVVF的变压三变频控制的PWM变频调速发展到矢量控制变频调速，提高了变频器的恒定转矩输出范围和动静态特性，使得交流电机变频调运性能超过了直流电动机调压，调速性能；在矢量控制变频凋调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制变频调速。现代电力电子技术的进步和高压大功率开关器件的成功开发和应用，交流变频调速在技术与性价比上已优于直流调速系统。在中、高压（3kv，6kv，10kv）等调速范围的应用也越来越多。随着电力电子器件的发展，特别是具备有将单极型和双极型大功率管两种器件组成的混合气传动装置的控制由模拟控制转向数字控制，使信息处理能力大幅度地增强[1]，出现了许多高、中压的变频设备（像西门子、ABB、罗克韦尔），本设计介绍的变频调速电压等级是380V的低压变频器。

1.3变频恒压供水产生的背景和意义

泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率，降低能耗，对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水

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平相比，还有一定的差距。

目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是出于我国居民多，用水量大，造成用电量大；另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理。造成不必要的能量浪费。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。

掘统计，全国381个城市中的344个城市自来水厂，1987年的用电量合计为47亿千瓦时。计入其它城市和乡镇自来水以及工业给水设施用电，总计耗电约65亿千瓦时左右。若按90％为水泵机组用电，则水泵的总用电量约计60亿千瓦时。如果一半机组采用调速装置，则每年可节电4.5亿千瓦时。可见水泵调速的节电潜力很大，经济效益很高。目前全国绝大多数水泵机组都没有采用调速装置，在进行供水水量、供水压力控制调节时，多采用阀门控制（压水门）与开机台数控制，能源资源浪费严重。对于大多数电力供水泵站来说，日常运行费用太高，抽水成本居高不下，提抽的单位水量的能耗太大，是一个长期困扰供水泵站的问题。从泵站经济运行理论入手是解决这一难题的办法之一，也是一个比较有效的办法。目前给水泵站的设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。另外，电动机与水泵之间的大马拉小车问题也很严重。水泵机组的调速运行是泵站经济运行的重要手段。传统的定（恒）速水泵供水系统是指水泵在额定转速下为系统提供一定水量的供水系统这种传统而简单的给水方式，无反馈信号和压力控制。用水量小时，系统压力增高，泵效率降低，管路内漏增加，阀门损坏加剧。用水量增大时，系统压力则降低，易造成系统高位供水点断流。实际上，定（恒）速水泵给水系统不但存在供水质量差，压力波动大的缺陷，而且不易实现有效的经济运行。对于用水量变化大的给水系统，特别是用水量小于二分之一额定流量时，水泵工况点偏离高效能区之外运行，能量损失严重。

水泵机组变频调速运行的研究和运用，目前已经成为城镇供水行业的重要课题，各地区根掘本地不同情况，也逐步开始运用。特别是在二十世纪90年代开始，己逐渐在各地区城镇供水厂的二次加压泵站中（即二级送水泵站）使用。

变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出。变频调速给水系统是由作为核心部件的变频调速器以及压力传感器、控制器、泵和管路组成的给水系统。它根据用户用水量的实际需求，设定压力控制值，控制器按传感器送来的用户用水量信息，控制变频器的频率，自动改变水泵电机的转速，最终达到调速及调节水量的目的。这种调速供水系统既能保持管网压力恒定，又能随时调整供水量。尽管水泵时常偏离额定流量工况点工作，但水泵的效率仍然维持在高效能区。

水泵电机的变频调速技术应用具有其多个方面优越性能：一是节电显著；二是在开、停

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机时能够减小电流对电网及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。在众多供水行业中的许多实例表明：对水泵电机采用调速技术对企业降低能耗，提高管网和设备的使用寿命有着重大的经济意义，也是保障管网系统供水安全运行的方法之一。

PLC是一种专为工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方而有了质的飞跃。

以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。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。

1.4国内外研究概况

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、变压变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。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全球血大核心供应商之一）后，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，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德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，可构成最多七台电机（泵）的供水系统[4]。这类设备虽然说是微化了电路结构，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，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的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）

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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、抗干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（现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团（森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器（2.2kw-30kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循环。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的研究处是不够的。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、生产实践中。

目前，在给水泵站中水泵机组变频调速系统的主要控制方式是采集管网压力信号，采用闭环控制的方法，通过变频调速系统来控制水泵机组转速以改变水泵的出水扬程和电机的输出功率。采用变频调速控制改善了工艺，水泵阀门可在全开位置，其出口压力等于管网供水压力。阀门节流损失减小到零。由于变频器可以非常平滑稳定的调整，运行人员可以自如的调控，改善了供水质量，提高了效率。可以避免因通过阀门控制导致泵过多偏离额定工作区而引起的振动。通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了调节泵的转速来改变水泵的出水扬程，以满足不同条件时对水泵的性能要求。由于起动缓慢，相应地延长了许多零部件，特别是密封件、轴承的寿命。有效地延长检修维护周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。

采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。

变频调速是优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等），是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。它采用微机控制技术；电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。

1.5本设计主要内容

本设计的目标是通过变频恒压供水控制系统，达到相关工艺的标准要求。本设计的主要内容如下：

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（1）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。

（2）变频恒压供水系统的构成及工作原理。

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

（4）在介绍PID调节原理的基础上，分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程，给出PID参数设置方法。

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2 变频恒压供水系统简介

2.1供水系统的基本特性

供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开启度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量之间的关系曲线f(Q)，如图2-1所示。由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。出于在阀门开启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Q之间的关系。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H=f(Qu)。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。出图可知，在同一阀门开启度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开启度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特住所反映的是扬程与供水流量Qx之间的关系H=f(Qx)。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2-1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Qx处于平衡状念，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。

H(m)AHAQAQ

图2-1供水系统的主要特性

2.2变频调速原理

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的（具体原理将在下一章阐述）。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为：

（n/n1） S?1? （2-1）

异步电机的同步速度为：

n1?60f/p （2-2） 异步电机的转速为：

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n?60f(1?s)/p （2-3） 其中：n1为异步电机的同步转速；n为异步电机转子转速； f是异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。

从上式可知，当电机电极对数P不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调书异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高，机械恃性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的。调速方法，它被广泛地应用于对水泵（风机）电机的调速。

2.3水泵调速运行的节能原理

在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀f门开启度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻的特性将随着阀门开启度的改变而改变，但其扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门的开启度存一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开启度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻的特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q，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?3，移到?1，扬程特性曲线（图2-2）不变。而扬程则从H0上升到H1，运行的工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为（0，Q2，F，H1）围成矩形部分，其值为：

Pd?rH1Q2 （2-4） 10?2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?2，扬程特性变为曲线，n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率用图形表示为（0，Q2，D，H0）围成的矩形面积，其值为：

Pf?rH0Q2 （2-5） 102?可见，改变调速控制，节能量为（H0，D，F，H1）围成的矩形面积，其值为：

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H(m)H1FDH2σ10Q2图2-2 管网及水泵的运行特征曲线 En1σ2σ3Q1Q(m3/s) ?P?Pf?Pd?rH1Q2rH0Q2r(H1?H0)Q2 （2-6） ??102?102?102?所以，当用阀门控制流量时，有功率被浪费掉。并且随着阀门不断的关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻的特性曲线上移，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。

根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间的关系为：

23Q2n2H2?n2?P2?n2????;??;??????Q1n1H1?n1?P?n1?1 （2-7）

式中，Q1、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。

由公式（2-7）可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成艰比，损耗功率与流量成正比，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，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。

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水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，开启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。

综上所述，变频恒压供水的系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：

? 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，其中由变频泵和 附属小泵构成，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；附属小泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下（例如：夜间）对管网用水量进行少量的补充。在变频调速恒压供水系统中，这样构成水泵组有下几个原因：用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵，使水泵选型容易，同时这种结构更适合于大功率的供水系统；供水系统的增容和减容容易，无需更换水泵，只要再增加恒速泵即可；以小功率的变频器代替大功率的变频调速器，以降低系统成本，增加系统运行可靠性；附属小泵的加入，使系统在用水量很低时（如：夜间）可以停止所有的主泵，用小泵进行补水，降低系统的运行噪音：在用水量不太大时，系统中不是所有的水泵在运行，这样可以提高水泵的运行寿命，同时降低系统的功耗，达到节能的目的。

? 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信 号。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；液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。此信号来自在安装于水源处的液位传感器；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。

? 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）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。

根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用交频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机

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组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择，本文采用前者。

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。

现将系统控制流程说明如下：

1）系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动水泵M1，通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率，控制M1的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1工作在调速运行状态。

2）当用水量增加水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，增加水泵的转速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环和恒压控制器，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。

3）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件（在下文有详细的阐述）时，在变频循环式的控制方式下，系统将电机M1切换至工频电网供电后，M1恒速运行，同时使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，当M2投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。

4）当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将上次转换成工频运行的水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，直到剩下一台变频泵运行为止。

5）当系统中只有1台调速泵在工作，而调速泵的运行频率已降至下限频率时，且满足关泵条件，此时关闭调速泵。系统进入靠附属小泵进行少量补水的状态。在这种情况下，若实际压力低于设定压力，则延时后开启附属小泵进行补水，附属小泵开启后，若实际压力高于附属小泵的工作压力（设定压力+附属小泵启停压力误差），则关掉附属小泵。待实际压力再次低于设定压力后，重复上述过程。在附属小泵开启后，压力达不到设定压力，则经过一定的延时后，关掉附属小泵，开启调速泵进行控制，工作过程同2）、3）、4）步。

3.3.2供水系统中水泵切换条件分析

在上述的系统工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当调速水泵和工频运行水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频运行水泵来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，才

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能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢?

尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。当变频器的输出频率已经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降传到0Hz。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0Hz，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz左右。由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率阻引。

从上面的分析可以看出，当变频器的输出频率已经到达上限频率，而实际的供水压力仍然低于设定压力时，存在的实际供水压力差己经不能够使输出频率增大，实际供水压力也不会提高。当变频器的输出频率己经下降到下限频率，实际的供水压力却仍高于设定的供水压力时，存在的压力差不会使输出频率继续降低，实际的供水压力也不会降低。所以，选择这两个时刻作为水泵机组切换的时机是合理的，但要做以下考虑。

判别条件可简写如下：

f?fUPPS?Pf （3-12） f?fLOWPS?Pf （3-13）

对于第一个判别条件，可能出现这种情况：输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。在这种情况下，如果按照上面的判别条件，只要条件一满足就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力一下就超过了设定压力。并且使新投入运行的机组几乎在变频器输出频率的下限运行，对供水作用很小。在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力超过设定供水压力，而新增加的机组在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。假设这一段时间内用户的用水状况保持不变（其实在一个稳定的供水时段可以看作这种情况），那么按照要求停掉了一个工频状态下运行的机组之后，机组的整体运行情况与增加运行机组之前完全相同。可以预见，如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入→切出→再投入→再切出地循环下去，这增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中。同时，在切换过程和变频器从启动到稳定的过程中，系统的供水情况是不稳定的，

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实际供水压力也会在很大的压力范围内震荡。这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。

对于第二个判别条件，通过相同的讨论方法也能够得到类似的结论。所以，在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。

在恒压供水中，机组的切换为机组增加与机组减少两种情况，这两种情况由于变频器输出频率与供水压力的不同逻辑关系相对应。考虑到只有当变频器的输出频率在上下限频率时才可能发生切换，并且上限频率时不可能减泵，下限频率时不可能增泵，所以，可以采用回滞环思想进行判别如图3-4表示。

如果变频器的输出为上限频率，只有当实际的供水压力比设定压力小必?Pd/2的时候才允许进行机组增加；如果变频器的输出为下限频率，则只有当实际的供水压力比设定压力大

?Pd/2的时候才允许进行机组的增加。回滞环的应用提供了这样一个保障，即如果切换的判

别条件满足，那就说明此时实际供水压力在当前机组的运行状况下满足不了设定的要求。但这个判别条件的满足也不能够完全证明当前确实需要进行机组切换，因为有两种情况可能使判别条件的成立有问题：实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足，造成判断上的失误，引起机组切换的误操作。这两种情况有一个共同的特点，即它们维持的时间短，只能够使机组切换的判别条件在一个瞬间满足。根据这个特点，在判别条件中加入延时的判断就显得尤为必要了。

所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间，比如一、两分钟，如果在这段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作；如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。经过以上的分析，将实际的机组切换的条件优化为：

?PdP?P?S增泵条件：f?fUP f2且延时判断成立 ?P减泵条件：f?fLOW Pf?PS?d且延时判断成立

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增泵设定压力实际压力Δρd/2减泵设定压力实际压力(上线频率)图3-4用于压力判断的回滞环

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Δρd/2(下限频率)

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4变频恒压供水的控制

变频恒压供水系统的核心是恒压控制，它是根据水压给定值与供水管道中实际压力值的压差大小，控制变频器输出频率，使变频器实时调节水泵电机的转速以适应管路中压力的变化。

4.1 PID控制器的设计

PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。它的原理如图4-1所示：

给定值P驱动部分控制对象反馈值ID 图4-1 PID控制原理图

通过对被控制时象的传感器等检测控制量（反馈量），将其与目标值（温度、流量、压力等设定值）进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种：

? 硬件型。即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和PID参数及目标值的设

定。

? 软件型。使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器（或单片机）上做PID控制器。

4.1.1 PID控制算法及特点

（1）PID控制算法的一般形式

PID控制器根据目标值（设定值）r（t）与反馈值（测量值）c（t）构成的控制偏差：

（4-1）

将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为：

（4-2）

（4-3） 21

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式中，Kp：调节器的比例系数； Td：调节器的积分时间； Kd：调节器的微分时间； e(t)：调节器的偏差信号；

：比例带，它是惯用增益的倒数 U(t)：输出

简单束说，Pm控制器各校正环节的作用是这样的：

1）环节：即时成比例地反应控制系统的偏羞信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。

2）外节：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，反之则越强。

3）环节：能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，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，减小调节时间。PID调节器的传递函数是：

（4-4）

当上述控制算法公式只包含第一项时，称为比例（P）作用，只包含第二项时，称为积分（I）作用：但只包含第三项的单纯微分（D）作用是不采用的，因为它不能起到使被控变量接近设定值的效果，只包含第一、二项的是PI作用：只包含第一、三项的是PD作用：列时包含这三项的是PID作用。

仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的P+I控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。

对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。

利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统（实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节）效果比较好。 （2）离散PID控制算法

Pm控制算法

在用计算机、单片机、PLC等作为控制装置进行直接数字控制（DDC）时，列各个被控制变量的处理在时间上是离散进行的。DDC控制方式的特点是采样控制，每个被控制变量的测量值隔一定时间与设定值比较一次，按照预定的控制算法得到输出值，通常把它保留到下

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一采样时刻。

目前离散PID控制算法主要有两类，第一类叫做位置式算法，即对4-2式进行差分后直接给出u(k)，第二类叫做增量算法，给出： 位置算法如下：

（4-5）

上式可写成：

（4-6）

增量算法如下：

（4-7）

（4-8）

上面的各式中：

e(k)：第k次采样时的误差值； e(k-1)：第k-1次采样时的误差值；

：积分系数；

T：采样周期； 为方便编程，将(4-8)整理为：

（4-9）

：比例系数

：微分系数；

（4-10）

（4-11）

（3）离散PID控制特点

（4-12）

把离散的PID算法与模拟的PID算法相比较，它具有如下特点：

1）P，I，D三个作用是独立的，可以分别整定，没有调节器参数间的关联问题，不需要考虑干扰系数。

2）在用计算机、单片机或PLC实施时，等效的TI和Td可以在更大的范围内自由选择，

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但存模拟式调节器中，出于线路和元件性能上的限制，可调范围要小得多。 3）积分和微分控制作用的某些改进，较之常规调节器史为灵活多变。

考虑到离散的PID只有以上的优点，同时结合本文研究的恒压供水系统具有外放数据通讯功能、良好的人机界面以及高的性价比等特点，采用离散的PID对水压进行恒定控制。

4.1.2 PID参数整定的相关原则

针对一个具体的系统，设置和调整PID参数，使调节过程达到满意的品质，称为参数整定，不管是用常规调节器还是数字PID调节器，统称为调节器参数整定。下面简单列举一些的准则：

（1）如果广义对象的传递函数是

，调节器的比例增益是整个统的总的

开环增益是K0kc。在其他因素相同的情况下，当K0大的时候，kc应该小一些，K0小的时候，kc应该大一些。例如，变更了变送器的量程以后，调节器的kc应该成比例调整。若控制系统压力变送器的测量范围原为0-1.6MPa，如改为0-1.0MPa，kc应降为原来的3/5。

（2）在动态参数方面，可取

作为特征值。

越大，系统越不易稳定，因此kc。

左右，因此，如有

应该小一些。同时TI，和Td。也应取适当的数值。经验上常取TI，的估计值，TI和Td值就不难定出了。

（3）在P，I，D三个作用中，P作用往往是最基本的控制作用。由这一点出发，可从两条途径进行现场凑试：

? 先用单纯的P作用，选出合适的k值，作为基础，然后适当引入TI和Td，TI和Td值进

行挑选。

? 依据经验知识（如对r的了解），把TI和Td置于合适的数值，然后主要对kc，值进行凑

试，得出最合宜的数值。

以上两条途径表面上看来截然相反，但它们都是以承认P作用为主体作为前提的。 ? 积分（I）作用的引入既有利又有弊。必须尽量发挥它能消除静差的利，尽量缩小它不利

于稳定的弊。一般取

或

。（Tp是振荡周期）在以上情况下，由I

作用引起的相位滞后不超过40度，帽值比增加不超过20％。即使如此，在引入I作用后，kc应比单纯P作用时减小10％左右。

? 对于含有噪音的过程，不宜引入微分作用，否则高频分量放大得很厉害。

? 在控制品质方萌，稳定性的要求是前提。如果只有一个调节器参数可以调整，则只能满

足一个品质指示，通常就取衰减比作为指标。如果有两个参数可以调整，在可在衰减比之外，再添加一个指标。

4.2 PID调节现场使用结果及分析

（1）因为变频调速怕压供水系统的控制制对致是一个时变的、线性的、滞后的、模型稳定的对象，很难建立精确的数学模型，因而PID参数整定困难，并且最终整定的参数并不一定最优。

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（2）调节时间较长，超训量比较大。 （3）存在一定的动态超调。

在一些高要求的用水场所，为了使系统具有更好的控制性能，可以采用另一种现在比较流行的控制算法--模糊控制（本设计不涉及）对水压进行分析和控制。

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5变频恒压供水系统的硬件设计

5.1结构介绍及作用

根据第2章中所阐述的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图5-1所示： 由以上系统电气总框图（图5-1）可以看出，系统所需要的主要硬件包括：水泵机组、异步电动机、变频器、PLC及扩展模块、压力传感器、软启动器等。

电源故障、状态量输入上位机组态接触器接触器A/D转换模块可编程控制器PLC通信模块D/A转换模块变频器软启动器接触器报警、控制来给你输出接触器压力传感器离心泵异步电机 图5-1 变频恒供水系统结构图 各部分作用如下： 1.离心泵

离心泵是依靠旋转叶轮对液体的作用吧原动机的机械能传递给液体。由于离心泵的作用液体从叶轮进口流向出口的过程中，其速度能和压力能都得到增加，被叶轮排除的液体经过压出室，大部分速度能转换成压力能，然后沿排出管路输送出去，这是，叶轮进口处液体的排除而形成真空或低压，吸水池中的液体在液面压力的作用下，被压入叶轮的进口，于是，旋转着的叶轮就连续不断地西如何排除液体。

2.异步电动机

异步电动机主要用作电动机，拖动各种生产设备。其优点是结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高且适应性强。

3.接触器

交流接触器广泛用作电力的开断和控制电路。交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功

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能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。从而起到远程控制或弱电控制强电的功能。

4.变频器

变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。

电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。

5.PLC

可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。

6.传感器

能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

5.2系统主要配置的选型 5.2.1水泵的选型

水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化

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幅度相匹配。本设计以某小区的实际生活用水的数据进行选型，该小区生活用水具体要求为：

3（1）由多台水泵机组实现供水，流量400m/h范围，扬程60米左右，出水口水压大小

为0.4MPa；

（2）设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水；供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小；

（3）系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能，各主泵均能可靠地实观软启动；

（4）具有完善的保护和报警功能，系统要求较高的经济运行性能。

表5-1 水泵型号及参数

型 号 数 量 流量扬程m 效率% 主要性能参数 进电压 出口V 径mm 转速r/min 电机功率KW 气蚀余量m m3/h 主泵机组 辅助泵 150SFL160-20x4 50SFL12-15x5 2 112 160 192 8.4 12 14.4 88 80 66 80 75 60 66 73 68 48 56 51 1450 55 2.9 3.6 3.[8 2.1 2.6 2.9 150 380 1 1450 5.5 50 380 根据以上系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力

（水泵扬程），考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用2台上海熊猫机械（集团）有限公司生产的SFL系列主水泵机组和1台SFL辅助泵机组。型号及参数见表5-1所示。

SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5％以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低（室外噪音60分贝）、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。国外生活泵均采用此种形式，而不采用DL型泵，DL泵是60年代产品。SKL型低噪音生活给水泵的型号意义及工作范围如图5-3。

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150SFL160-20X4级数单级扬程（m）流量（m2/h）低转速、低噪音多级泵吸入、排出口径流量：1-360（m2/h）扬程：12-180（m)功率：0.75-132（Kw)

图5-3 SKL型低噪音生活给水泵的型号意义及工作范围

5.2.2变频器的选型

要对系统所用的变频器进行选型，首先得确定变频器的容量，方法是依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量（KVA）应同时满足下列三式：

PCN?kPM(kWA) （5-1）

?cos? PCN?k?3UMIM?10?3(kWA) （5-2） ICN?kIM(A) （5-3）

式中：PM—负载所要求的电动机的输出功率； ?—电动机的效率（通常在0.85以上）； cos?—电动机的功率因数（通常在0.8以上）； UM—电动机电压（V）；

IM—电动机工频电源时的电流（A）；

k—电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.0-1.05； PCN—变频器的额定容量（kWA）；

ICN—变频器的额定电流（A）。

这三个公式是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。

综合以上因素，我们选择西门子公司的MM430型变频器。其控制示意图如图5-4所示，主要技术数据如表5-2所示。

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表5-2 MM430变频器的主要技术数据

电源电压和功率范围 380V至480V±10%三相，交流7.5kW - 90.0kW (变转矩) 过载能力 可达1.4x额定输出电流(即允许过载 140%)，持续时间3s，重复周期时间300s；或1.1x额定输出电流(即允许过载110%)，持续时间60s，重复周期时间300s 0.98 96%至97% 3个，可编程，30V DC/5A(电阻性负载)，250V AC/2A (电感性负载) 2个，可编程，(0/4mA至20mA) 6个可自由编程的数字输入，带电位隔离，可以切换为PNP/NPN型接线 2个，可编程；0至10V，0mA至20mA，-10V至 +10V(AIN1)；??0至10V，和0mA至20mA(AIN2)；两个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入 变频器效率 变频器效率 继电器输出 模拟输出 数字输入 模拟输入 5.2.3 PLC配置

1.S7-200型PLC的特点

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信号的采集、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，以SIEMENS公司的S7-200PLC为例，该PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制。S7-200PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有丰富的通信指令，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控。PLC和上位机的通信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RS323的转换，通信传输率为9.6Kbaud或19.2Kbaud。用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU。CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222 CN具有8个输入点和6个输出点，CPU 224CN具有14个输入点和10个输出点，CPU 224 CN具有14个输入点和10个输出点，CPU226 CN具有24个输入点和16个输出点。S7-200系列 PLC主要有六种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数。数字量扩展模块：EM221具有8个输入点没有输出点，EM222具有8个输出点没有输入点，EM223输入输出都具有4/8/16三种。模拟量扩展模块：EM231具有3个输入点没有输出点，EM232具有2个输出点无输入点，EM235具有3个输入点2个输出点考虑到本设计需

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要，PLC选择CPU224 CN，扩展模块选择EM222和EM235。

380V(AC)B0L1L2+10V0VAIN1+4~20mAAIN1-34AIN2+AIN2-R12启动R22C20DIN2C10DIN15DC-101112+10V0VL3ACADADDCDC/R+DC+B+B-B/DC+B-DC-制动电阻DIN37DIN48DIN516DIN617PNP+24V90V28PTCPTCAB1415Opto isolation6DCACAOUT1+0~20mD12CPUADAAOUT1-Hz13AOUT2+2627RL1-C20RL1-A0102AL220V(AC)NAOUT2-频率表+24V0V1819RL1-B24V+PLV来至PLCRL3-CRL3-AI1.0RL2-C2221RL2-BP+29P-30RS4852523RL3-B24UVWC20C10 图5-4 MM430变频器控制示意图

5.2.4压力变送器及数显仪的选型

压力传感器和压力变送器是将水管中的压力信号变成1-5V或4-2mA“的模拟量信号，作为模拟输入模块（A／D模块）的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们 采用4-20mA输出压力变送器。在运行过程中，当压力传感器和压力变送器出现故障时，系统有可能开启所有的水泵，而此时的用水量又达不到，这就使水管中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏家中的用水设备，本文中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出口。

根据以上的分析，本文选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0-1MP，精度1.5；数显仪输出一路4-20mA电流信号，送给变频器作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。经过第2章对系统方案的分析和确定，再结合上述的系统硬件的选型，确定以可靠性高、使

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用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLC作为主控制设备来设计变频调速恒压供水系统。

R10R20R30LSMLSLPS1PS2PS31MR12P13R23R332M24+24-FU121#启停工频1#启动变频2#启停工频2#启动变频1#开阀1#关阀2#开阀1#关阀I0.0Q0.0I0.1I0.2Q0.1I0.3Q0.2I0.4I0.5Q0.3I0.62LI0.7Q0.41MQ0.51LSIEMENS PLC CPU2241#自动2#自动辅泵自动中液位低液位1#压力开关2#压力开关3#压力开关C10C11C20C21C11C10C21C20C31C30C41C40C11C50C50C50C50C21C30C31C40C41C50Q0.6I1.0变频器故障1#泵过载2#泵过载辅泵过载辅助泵启停Q0.7I1.13LI1.2Q1.0I1.3Q1.12M24+24-M2LL+C51至报警C61C60LNC60C61FU11LN辅助泵开阀辅助泵关阀24V(DC)EM222 DCEM2351LD-D+RDC-C+RCB-B+RBA-A+RAML+传感器输出信号4-20mAM0V0I0图5-5 PLC的接线图

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380V（AC）KVAB31B1B0B2B4B32变频器电气控PLC制系统C11C10C20C21C40B34B35B36HR1HR2HR3~电动机~电动机~调电动开关试阀电源备用控制系统。

图5-6 控制电路接线图

。

5.2.5系统的控制电路接线图与总体结构如图

系统的控制电路接线图如图5-6所示，其总体结构如图5-7所示。

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380V（AC）K1LQ0.0I0.2Q0.1I0.3I0.4I0.5I0.6I0.71MR12P13R23R331MB0B1B2PS3PS2SIEMENS PLC CPU224I0.0I0.1R30LSMLSLPS1R20R101#启停工频C11C101#启动变频C20C21C202#启停工频Q0.2Q0.32LQ0.4Q0.5Q0.6Q0.73LI1.2I1.32M24+FU12C212#启动变频C31C301#开阀C30C41C31C40C411#自动2#自动辅泵自动中液位低液位1#压力开关2#压力开关3#压力开关VAB31B322#开阀C40I1.0I1.1变频器故障1#泵过载2#泵过载辅泵过载+10VDC/R+0VEM235输出B/DCAIN1+AIN1-AOUT1+R12C10DIN1AOUT1-启动C20DIN2MM4300-20mAR22DIN3DIN4变频器24+DIN5RL2-CDIN6RL2-B到I1.0PNP+24V0VB4沈阳理工大学课程设计

1#关阀C11C51PLC辅助泵启停Q1.0Q1.1LLNM24V(DC)EM222 DC图5-7 恒压供水系统总体结构图

1#关阀电气控制系统

C10C11C50C50C50C50C50C212M24+24-FU11220V(AC)(B32)N24-C61C60C61B34B35B36辅助泵开阀C60辅助泵关阀1LD-D+RDC-C+RCB-B+RBA-A+RA2LL+ML+C10C11C20C21C50HR1EM235HR2HR3电动阀控制系统M04-20mAV0I0开关电源调试备用传感器输出信号~电动机~电动机~电动机24V(DC)

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6变频恒压供水系统的软件设计

程序采用结构化的设计方法，分为故障检测、数字PID控制、泵的切换控制、系统对外通讯控制、定时修改压力设定值等几部分。下面对逐一他们进行阐述。

6.1系统运行主程序

系统运行主程序首先要进行一系列的初始化工作，并使扩展模块、触摸屏、变频器等设备的数据传输正常。在系统运行过程中要及时进行故障检测，防止设备的损坏和意外发生；当出现故障时，要在触摸屏上及时进行报警输出，方便工作人员确认和维修，有利于系统恢复正常工作。无故障情况下，在触摸屏上显示设定压力和实际压力，系统自动启动后进行恒压控制。流程框图（见图6-1）。

6.2故障检测子程序

故障检测是保证系统安全、可靠运行的一个重要环节，在本文的自控系统中，检测的量主要有：变频器故障、压力传感器故障故障，其流程框图（见图6-2）。

该子程序与模糊控制子程序的功能一样的，只是控制算法不一样。在系统中，只需选择一个，它同样通过定时中断来调用，通过对水泵转速的调节，实现系统输出压力的恒定。利用第四章第一节的（4-9），（4-10），（4-11），（4-12）式，在主程序仞始化时计算Q0、Q1、Q2，在子程序中直接读取A／D模块的输出，得到当前的实际水压，将此压力值与压力设定值相减，得到当前误差量e（k），计算控制增量?u(k)，将该增量通过PLC与变频器的通讯去控制变频器的频率，实现恒压供水。其流程框图（见图6-3）。

6.3泵切换程序

以下五种情况，将调用泵切换程序： （1）增加水泵条件成立； （2）减少水泵条件成立； （3）切换辅助小泵条件成立； （4）辅助小泵切换主泵条件成立；

（5）系统只有一台主泵在运行且该泵连续运行时间已到达8小时，进行主泵间交换。电机增减主程序流程图（见图6-4）。

6.4定时修改压力设定值

为了提供更好的供水效果，将每日24小时按用水曲线分成几个时段，不同的时段采用不同的压力设定值，程序根据PLC提供的实时时钟，自动修改设定值。

6.5对外通讯子程序

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对外通讯子程序不是每个变频恒压供水系统所必须的。当该系统作为另一个控制系统的子系统时，它需要和上一级系统建立通讯，进行数据交换，以便上一级系统对它进行监控和管理，这是需要编写对外通讯子程序。通讯时，可以采用有线方式，也可以采用无线方式。该子程序采用定时中断的方式来调用。

开始系统初始化数据传输状态检测调用故障检测子程序调用数字PID子程序调用泵切换子程序调用对外通讯子程序返回

图6-1 主程序流程图

开始变频故障检测压力传感器故障检测显示检测结果，报警输出返回

图6-2 故障检测子程序

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开始读A/D输出及压力设定值将A/D结果给y(k),讲设定值给r(k)求e(k)=r(k)-y(k)计算控制量Δu(k)Δu(k)控制变频器频率e(k-2)=r(k-1),e(k-1)=e(k)返回图6-3 PID程序流程框图

开始初始化子程序频率达到上线，压力小于设定值N变频切换开机子程序变频泵切换工频运行，变频泵染软启动另一台泵频率达到上限，压力小于设定值N停机子程序：停止工频运行的机子运行结果输出到PLC继电器控制水泵和阀门控制器结束 图6-4电机增减主程序流程图

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总 结

本次设计设计了一套由PLC、变频器、多台水泵机组、计算机等主要设备构成的全自动变频恒压供水系统及其远程监控系统，克服了传统供水方式普遍存在的效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，可实现高效节能、自动可靠、维护简单、管理方便的恒压供水。

本系统具有以下的特点：

（1）采用了可靠性高、使用简单、编程灵活的工控设备PLC和内置PID调节模块的变频器作为主要控制设备，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，确保恒压供水；

（2）系统具有完备的故障处理能力，可通过自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等方式确保供水，具有故障实时的现场报警和远程电话自动报警功能，具有故障电机锁定功能；

（3）系统采取变频调速方式实现恒压供水，节能效果明显； （4）用了PID调节方式，水压波动小，响应快。

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参考文献

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附录 主程序梯形图

变频恒压供水系统主程序梯形图如图所示。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gdq6.html