基于PLC控制的变频恒压供水系统设计【文献综述】

文献综述

电气工程及其自动化

基于PLC控制的变频恒压供水系统设计

1．前言

水是万物之源，是生活和生产中不可缺少的组成部分，我国是水资源和电能短缺的国家，节水节能是现如今迫在眉睫的大事。变频恒压供水设备是一种新型的节能供水设备。变频恒压供水设备系运用当今最先进的微电脑控制技术，将变频调速器与电机水泵组合而成的机电一体化高科技节能供水装置。变频恒压供水设备以水泵出水端水压（或用户用水流量）为设定参数，通过微机自动控制变频器的输出频率从而调节水泵电机的转速，实现用户管网水压的闭环调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率提高，水泵转速加快；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢。这样就保证了整个用户管网随时都有充足的水压（与用户设定的压力一致）和水量（随用户的用水情况变化而变化）。变频恒压供水系统在工业和生活中有很广阔的应用前景，除了有明显的节能效果外还具有操作方便、容易、维护量小的特点，变频器的软启动功能也减少了对电网的冲击，使设备运行方式更趋于合理，设备的自动化水平得到提高。随着社会主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势[1]。

2.1 变频器在恒压供水方面的应用

2.1.1 变频恒压供水系统组成

变频器就是利用电力半导体器件的通、断作用将固定频率、电压的交流电变换为

频率、电压都连续可调的交流电的装置[2]。变频恒压供水系统通常是由水源、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。工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压

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力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。

2.2.2变频恒压供水系统的必要性

用户用水量一般是动态的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和

供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。

恒压供水系统对于用户是非常重要的。在生产生活供水时，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响生活质量，严重时会影响生存安全，如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，用水区域采用恒压供水系统，能产生较大的经济效益和社会效益。

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。

2.2.3 恒压供水的变频应用方式

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。 2.2.4 PID控制原理

根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒

值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统[3]。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同

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时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。

要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。

2.2.5 变频控制原理

用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分

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显著（可根据具体情况计算出来）[5]。其优点是：

1、起动平衡，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；

2、由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命； 3、可以消除起动和停机时的水锤效应；

一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。 虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。

在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用PID调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有PID调节功能时，只要在预置时设定PID功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。

2.2.6 恒压供水系统特点

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1、节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行，节能量通常10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；

2、节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；

3、控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。

4、自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。

5、运行可靠：变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。

6、延长设备寿命、保护电网稳定：使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。

2.2.7 系统应用范围 1、自来水厂、加压泵房 2、居民生活区、宾馆及其它建筑 3、企业生产用水 4、锅炉循环水系统 5、农田灌溉系统

3 变频恒压供水设备选型依据

选择一套自动给水设备的基本依据是设计的供水流量和供水压力（水的扬程），另外还需考虑到用途的流量变化类型。

连续型：一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量，例如，大型宾馆，饭店工矿企业的加压系统等。

间歇型：用水低谷时间较长且流量很小或为零，例：小型办公楼、写字楼、商住

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楼、各类住宅，及生产用水等。

同时还应考虑在供水的某一段时间内流量的变化，以及不同季节流量的变化、不同地区用水的不同等多方面的因素。

消防给水设备以及喷淋给水设备一般应选择气压式给水设备，因其长期处于系统保压状态，无流量的变化，气压式给水设备可以应付一般的管内的泄漏，并增加一台小流量的副泵，平时就无需启动主泵，节省能源。

生活给水设备选择变频给水设备或气压式给水设备都可，两者各有优点。 变频给水设备的优点：可以恒压给水并且恒压值在一定范围内可调整恒压精度一般小于0.02MPa，变频调速是一种高效节能降耗的方法与通常的气压给水设备相比平均节能20%，此外，变频启动的冲击电流小以及泵的盍冲击也小，在低速运转时噪声小。

4 总结

变频供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于居民生活和工业生产中。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现在控制技术于一体。变频恒压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你的优势，而且具有显著的节能效果。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效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、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、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

参考文献

[1] 孙洪程,李大宇.过程控制工程.高等教育出版社.2006. [2] 薛晓明.变频器技术与应用.北京理工大学出版社.2009.

[3] 张春霞.变频调速及PLC技术在恒压供水系统中的应用.矿业快报，2004. [4] 汪志锋.可编程序控制器原理与应用.西安电子科技大学出版社.2004. [5] 刘洪涛.PLC应用开发从基础到实践.电子工业出版社.2007.

[6] 梁锡鸿.可编程控制器在供水系统中的应用.广东自动化与信息工程,2001.

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