基于PLC和变频器的恒压供水自动控制系统设计

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电机从零速开始启动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了软启动的任务。变频软启动的优点是，由于采用电压/频率按比例控制方法，所以不会产生过电流，并可提供等于额定转矩的启动力矩，故特别适合于需重载或满载启动的大功率水泵电机。

多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去启动其他的电动机。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作。

变频器的输出切换问题，大概有两种看法:一种是将变频器当作一般的交流电源，或者象软启动器一样，因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意切换；另一种看法则认为由于变频器自身的设计原理，是不允许变频器在运行中进行切换的。这两种看法都不免有失偏颇，但未找到详细资料。

目前，变频器和工频电源之间的切换，的控制方式多为同步锁相控制。当电机功率较大时，切换过程不仅要求变频器输出的电压和频率与电网一致，而且两者的相位也必须相同。如果相位差较大，会造成对电网和变频器双方的电流冲击，还会影响电网上其他设备的正常工作，并损坏变频器。最严重的情况是出现在变频器输出电压与电网电压的相位差为l80o时，电机的反电势将与电网电压叠加，造成很大的电压冲击和过电流。据文献介绍，Ross Hill公司的VFD变频装置通过对电动机的端电压进行采样、适当的控制，在变频器内部对转矩进行微调，可以实现在电机电压和主线电压相位相同的瞬间，先接通工频电源后断开变频器输出，保证了在电机不丢转的情况下无任何过电流。国内目前在变频与工频切换控制方面，大多采用延时、降压启动的控制方式，但是这种控制方式易导致水压波动过大。采用锁相同步切换方式，可以有效减小切换时的冲击电流。即采用鉴频鉴相技术对变频器的输出电压进行跟踪，当变频器输出电压的频率、幅值和

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相位均保持与电网电压一致时，实现变频器与电网之间的同步平稳切换，是多泵恒压供水系统中的关键问题。

可见，多泵并联变频恒压供水系统有许多值得注意的地方， 如我们掌握好它的客观规律， 就能做到以更少的投入换来更大的效益。

2.6 变频恒压供水系统的特点

本文研究的变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水，该系统具有以下特点：

1.滞后性

供水系统的控制变量是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量（如温度、流量、浓度等）一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。

2.非线性

用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。

3.多变性

变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

4.时变性

在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（包括定量泵的停止和运行）是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参

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数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。

5.容错性

当出现意外的情况（如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

6.可扩充性

水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等。

7.节能性

系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，减少启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

2.7 本章小结

本章分析了供水系统的基本特性。根据扬程特性曲线和管阻特性曲线可以看出用水流量和供水流量处于平衡状态时系统稳定运行。在水系统中采用变频调速是由于水泵的功率与转速的立方成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式节能效果显著。并且对水泵的运行方式做出分析，以及在恒压供水系统中应当重视的关键问题做出总结，最后列举变频调速恒压供水系统的主要特点。

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第三章 变频恒压供水自动控制系统的总体方案设计

变频调速恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器、工控机以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动多台电动机的启动、运行与调速，采用循环使用的方式运行。通过压力传感器采样管网压力信号，这个信号反馈给变频器的PID模块，经PID运算，将信号输出给PLC，PLC发出控制信号，控制水泵电机进行切换。PLC上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒压供水系统进行监测控制。总体方案的确定是整个系统开发中最关键的部分，它的开发好坏直接决定了整个系统的性能。它包括总体方案设计、工作原理、主要设备选取和工作流程规划四部分。

3.1 变频恒压供水自动控制系统工作原理简述

由自来水管网或其它水源提供的水进入蓄水池,经加压水泵进入用户管网，通过压力变送器检测管网的压力信号，传送给变频器的PID模块，经运算后输出信号送给PLC，从而控制变频器的输出频率，进而保持供水管道的压力恒定。用户用水量大时，管网压力下降，变频器频率就升高，水泵转速加快，反之频率下降，水泵减速运行，从而维持恒压供水[4]。自动控制原理图见图3.1。

1#水泵切换电路变频器PLC压力变送器液位传感器2#3#4#工控机

图3.1 变频调速恒压供水系统图

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