基于PLC的恒压供水系统设计方案

鉴于 PLC的恒压供水系统设计方案
第1章绪论
1.1城市供水系统的要求
尽人皆知，水是生产生活中不行缺乏的重要构成部分，在节水节能己成为时代特色
的现实条件下，我们这个水资源和电能欠缺的国家，长久以来在市政供水、高层建筑供
水、工业生产循环供水等方面技术向来比较落伍，自动化程度低。

主要表此刻用水顶峰
期，水的供应量常常低于需求量，出现水压降低求过于供的现象，而在用水低峰期，水
的供应量常常高于需求量，出现水压高升供过于求的状况，此时将会造成能量的浪费，
同时有可能以致水管爆破和用水设施的破坏。

在恒压供水技术出现从前，出现过很多供
水方式。

以下就逐个剖析。

(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固。

这种供水方式，水泵
整天不断运行，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 +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，水塔水位低于某一地点时再
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。

这种方式明显比前种节电，其节电率与水塔容量、水泵额
定流量、用水不平均系数、水泵的开、停时间比、开 / 停频次等有关。

供水压力比较
稳固。

但这种供水方式基建设施投资最大，占地面积也最大 ; 水压不行调，不可以兼备近
期与远期的需要；并且系统水压不可以随系统所需流量和系统所需要压力降落而降落，故
还存在一些能量损失和二次污染问题。

并且在使用过程中，假如该系统水塔的水位监控装
置破坏的话，水泵不可以进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完好由人操作，这
时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重降落。

(3)射流泵十水箱的供水方式
这种方式是利用射流泵自己的独到结构进行工作，利用压差和来水管粗，出水管细
的变径工艺来实现供水，可是因为其技术和工艺的不完美，加之该方式会出现有压无量
( 流量 ) 的现象，没法知足高层供水的需要。

(4)恒速泵十高位水箱的供水方式
这种方式原理与水塔是相同的，不过水箱设在建筑物的顶层。

高层建筑还可分层设
立水箱。

占地面积与设施投资都有所减少，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，容积不可以过大，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简单破坏，这样系统的开、停，将完好由人工
操作，使系统的供水质量降落能耗增添。

(5)恒速泵十气压罐供水方式
这种方式是利用封闭的气压罐取代高位水箱蓄水，经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对比较小，并且能够放在地上，设施的成本
比水塔要低得多。

并且气压罐是密封的，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很多弊端，在介绍完变频调速供水方式后，再将二
者作一比较。

(6)变频调速供水方式
这种系统的原理是经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，再经过控制器调理变频器的输出，无级调理水泵转速。

使系统水压不论流量如
何变化一直稳固在必定的范围内 . 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。

这种方式合用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比率较小，整个给水系统的
压力能够看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，因为管路
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
可以获取最正确的节能成效。

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，但其压力设定值不不过一个。

是将每天 24小时按用水曲线分红若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行整
日变压，各时段恒压控制。

这种控制方式实质上是水泵出口恒压控制的特别形式。

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小时分红的时段数及所需水
泵出口压力计算的精准程度。

所需水泵出口压力计算得越切合实质状况越节能，将全天赋
得越细越节能，自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。

这种方式的节能成效是最正确的，但因为最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实质应用中遇到诸多限制，所以工程中极少采纳。

变频调速的方式在节能成效上明显优于气压罐方式。

气压罐方式依赖压力罐中的压
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 . 当系统所需水量降落时，供水压力将高出系统所需要的压力进而造成能量的浪费。

同时水泵是工频次启动，且启动屡次，又会造成必定的能耗。

而变频恒压供水在系统用水量降落
时可无级调理水泵转速，使供水鸭梨与系统所需水压大概相等，这样就节俭了很多电能，同时变频器对水泵采纳软启动，启动时冲击电流小，启动能耗比较小。

此外气压罐要消
耗必定的钢量，这也是它的一个较大的弊端。

而变频调速供水系统的变频器是一台由微
机控制的电气设施，不存在耗费多少钢材的问题。

同时因为气压罐体积大，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。

因而可知变频调速供
水方式比气压罐供水方式将节俭大量占地面积。

在运行成效上，气压罐方式与调速式对
比也存在着必定差距。

气压罐方式的运行不稳固，突出表此刻它的屡次启动。

因为气压
罐的调理容量仅占其总容积的 1/3-1/6 ，因此每个罐的调理能力很小，只得依赖屡次的启
动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时因为启动过于屡次，压力不稳，加之硬启
动，电气和机械冲击较大，设施破坏很快。

变频调速式的运行十分稳固靠谱，没有屡次
的启动现象，加之启动方式为软启动，设施运行十分安稳，防止了电气、机械冲击。

在
小区供水中，并且因为调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防备了的水质二次污染，保证了饮用水水质靠谱。

因而可知，变频调速式供水系统拥有节俭能源、节俭钢材、节俭占地、节俭投资、调
理能力大、运行稳固靠谱的优势，拥有广阔的应用远景和明显的经济效益与社会效益。

跟着社会经济的快速发展，水对人民生活与工业生产的影响日趋增强，人民对供水的质量
和供水系统靠谱性的要求不断提升。

把先进的自动化技术、控制技术、通信及网络技术等
应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。

因为城市供水量不断加大，对城市管网的及
时监测提出了更高的要求。

1.2 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，运行中需大量耗费能量，提升泵站效率 :降低能耗，对公民经济有重要意义。

我国泵站的特色是数目大、范围广、种类多、发展
速度快，在工程规模上也有必定水平，但因为设计中忽略动能经济看法以及机电产品种
类和质量上存在的一些问题等等原由，以致在技术水平、工程标准以及经济效益指标等
方面与外国先进水平对比，还有必定的差距。

目前，大量的电能耗费在水泵、风机负载
上，城乡居民用水设施所耗费的电量在这种负载中占了相当的比率。

这一方面是因为我
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施工作效率低，控制方
式不够科学合理。

造成不用要的能量浪费。

所以，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，保障供水的一个很存心义的工
作。

以变频器为中心联合PLC构成的控制系统拥有高靠谱性、强抗扰乱能力、组合灵巧、编程简单、维修方便和低成本等诸多特色，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。

采纳该系统进行供水能够提升供水系
统的稳固性和靠谱性，方便地实现供水系统的集中管理与监控; 同时系统拥有优异节能
性，这在能量日趋紧缺的今日尤其重要，所以研究设计该系统，关于提升公司效率以及
人民的生活水平、降低能耗等方面拥有重要的现实意义。

1.3 国内外研究概略
变频恒压供水是在变频调速技术的发展以后渐渐发展起来的。

在初期，因为外国生产
的变频器的功能主要限制在频次控制、起落速控制、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，变频器仅作为履行机构，为了知足
供水量大小需求不一样时，保证管网压力恒定，需在变频器外面供应压力控制器和压力传
感器，对压力进行闭环控制。

从查阅的资料的状况来看，外国的恒压供水工程在设计时都
采纳一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没实用一台变频器拖动多台水泵机组运行的状况，因此投资成本高。

即 1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器 ( 丹佛
斯是传动产品全世界五大中心供应商之一 ) 后，跟着变频技术的发展和变频恒压供水系统
的稳固性、靠谱性以及自动化程度高等方面的长处以及明显的节能成效被大家发现和认同后，外国很多生产变频器的厂家开始重视并推出拥有恒压供水功能的变频
器，像瑞典、瑞士的ABB公司推出了 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”，“变频泵循坏方式”两种模式。

它将PID调理器和
PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，经过设置指令代码实现 PLC和PID等电控系统的功能，只需搭载配套的恒压供水单元，即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。

这种设施固然说是微化了电路结构，降低
了设施成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵巧性，系统的动向性能和稳固性不高，与
其余监控系统 ( 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，
所以在实质使用时其范围将会遇到限制。

目前国内有许多公司在做变频恒压供水的工程，大多采纳外国品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调理及多台水泵的循环控制，有的采纳可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现 ; 有的采纳单片机及相应的软件予以实现。

但在系统的动向性能、稳固性能、抗扰乱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
到所实用户的要求。

原深圳华为 ( 现己更名为艾默生 ) 电气公司和成都希望公司〔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调理器，可达成最多四台水泵的循坏切换、准时起动、停止和准时循环 ( 月麦丹佛斯公司的 VLT系列变
频器可实现七台水泵机组的切换 ) 。

该变频器将压力闭环调理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拥有数据通
信功能，所以只合用于小容量，控制要求不高的供水场所。

能够看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，关于能适应不
同的用水场合，联合现代控制技术、网络和通信技术同时兼备系统的电磁兼容性 (EMC) 的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究仍是不够的。

所以，有待于进一步研究改良
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。

采纳变频调理此后，系统实现了软起动，电机起动电流从零渐渐增至额定电流，起
动时间相应延伸，对电网没有较大的冲击，减少了起动机械转矩关于电机的机械损害，
有效的延伸了电机的使用寿命。

这种调控方式以稳固水压为目的，各种优化方案都是以
母管 ( 市政来水管 ) 入口压力保持恒定为条件。

实质上，给水泵站的出口压力同意在必
定范围内变化。

所以这种调控方式减小了优化范围，所获取的解为局部最优解，不可以
完好保证泵站一直工作在最优状态 .
变频调速是优于过去任何一种调速方式( 如调压调速、变极调速、串级调速等) ，是此刻国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前程的电机调速技术 . 它采纳微机控制技术 ; 电力电子技术和电机传动技术实现了工业沟通电动机的无级调速，具
有高效率、宽范围和高精度等特色。

以变频器为中心联合PLC构成的控制系统拥有高可靠性、强抗扰乱能力、组合灵巧、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特色。

1.4 设计任务及要求
本系统以一个供水系统作为被控对象，研究鉴于 MCGS组态软件的供水监控系统设计，使系统获取较好的性能指标。

主要设计内容为：认识供水系统的运行工艺状况，设
计恒压供水控制系统的硬件电路；研究恒压变频供水的控制方法，开发鉴于MCGS组态软件的监控界面，达成系统监控调试，实现对系统的高性能控制。

第 2 章恒压供水系统
2.1 变频恒压供水系统
跟着变频技术的发展和人们对生活饮用水质量要求的不断提升，变频恒压供水系统以其环保、节能和高质量的供水质量等特色，宽泛应用于多层住所小区及高层建筑的生
活、消防供水中。

变频恒压供水的调速系统能够实现水泵电机无级调速，依照用水量的
变化自动调理系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以知足用水要求，是
此刻最初进、合理的节能型供水系统。

在实质应用中怎样充足利用专用变频器内置的各
种功能，对合理设计变频恒压供水设施、降低成本、保证产质量量等有侧重要意义。

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对比，不管是设施的投资，
运行的经济性，仍是系统的稳固性、靠谱性、自动化程度等方面都拥有没法比较的优势，并且拥有明显的节能成效。

目前变频恒压供水系统正向着高靠谱性、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，是将来供水设施适应城
镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调动和整体规划要求的必定趋向。

变频恒压供水系统能合用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，
该系统拥有以下特色 :
(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其余一些过程
控制量 ( 如: 温度、流量、浓度等 ) 相同，对控制作用的响应拥有滞后性。

同时用于水泵
转速控制的变频器也存在必定的滞后效应。

(2)用户管网中因为有管阻、水锤等要素的影响，同时又因为水泵自己的一些固有
特征，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，所以变频调速恒压供水系统是一个
线性系统。

(3)变频调速恒压供水系统要拥有宽泛的通用性，面向各种各种的供水系统，而不
一样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别，所以其控制对象的
模型拥有很强的多变性。

(4)在变频调速恒压供水系统中，因为有定量泵的加入控制，而定量泵的控制 ( 包含定量泉的停止和运行 ) 是不时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型
参数，使其不确立性地发生变化，所以能够认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是
不时变化的。

(5)当出现不测的状况 ( 如忽然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等 ) 时，系统能依据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动
进行切换，保证管网内压力恒定。

在故障发生时，履行特意的故障程序，保证在紧迫状
况下的还能进行供水。

(6)水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通信接口，能与控制信
号或控制软件相连，能对供水的有关数据进行及时传递，以便显示和监控以及报表打印
等功能。

(7)用变频器进行调速，用调理泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能成效明显，
对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲
击同时减少了启动惯性对设施的大惯量的转速冲击，延伸了设施的使用寿命。

2.2 课题研究的对象
图 2.1供水流程简图
刺次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。

这栋楼有10 层，因为高层楼对水压
的要求高，在水压低时，高层用户将没法正常用水甚至出现无水的状况，水压高时将造
成能源的浪费。

如图 2.1 所示，是这栋小楼的供水流程。

自来水厂送来的水先储藏的水
池中再经过水泵加压送给用户。

经过水泵加压后，一定恒压供应每一个用户。

2.3 变频恒压供水控制方式的选择
目前国内变频恒压供水设施电控柜的控制方式有：
1．逻辑电子电路控制方式
这种控制电路难以实现水泵机组所有软启动、全流量变频调理，常常采纳一台泵固
定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。

所以，控制精度较低、水泵切换时水压颠
簸大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗扰乱能力较弱，但其成本较低。

2．单片微机电路控制方式
这种控制电路优于逻辑电路，但在对付不一样管网、不一样供水状况时，调试较麻烦；
追加功能时常常要对电路进行改正，不灵巧也不方便。

电路的靠谱性和抗扰乱能力都不
太好。

3．带 PID回路调理器或可编程序控制器(PLC)的控制方式
该方式变频器的作用是为电机供应可变频次的电源。

实现电机的无级调速，进而使管
网水压连续变化。

传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统供应知足用户
需要的水压希望值。

压力设定信号和压力反应信号在输入可编程控后，经可编程控制器内
部 PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。

还有一种方法是将压力设定
信号和压力反应信号送入PID回路调理器，由PID回路调理器在调理器内部进行运算后，
输入给变频器一个转速调理信号。

因为变频器的转速控制信号是由可编程控制器或 PID回路调理器给出的，所以对可编程控制器来讲。

既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。

因为带模拟量输入，输
出接口的可编程控制器价钱很高，这无形中就增添了供水设施的成本。

若采纳带有模
拟量输入，数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变成模拟量。

这样，可编程控制器的成
本没有降低，还增添了连线和附带设施，降低了整套设施的靠谱性。

假如采纳一个开关量
输入，输出的可编程控制器和一个 PID回路调理器，其成本也和带模拟量输入，
输出的可编程控制器差不多。

所以，在变频调速恒压给水控制设施中， PID控制信号的产生
和输出就成为降低给水设施成本的一个重点环节。

4．新式变频调速供水设施
针对传统的变频调速供水设施的不足之处，国内外许多生产厂家近来几年来纷繁推出了
一系列新式产品，如华为的TD2100；施耐德公司的 Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO
— I 系列； ABB公司的 ACS600、 ACS400系列产品；富士公司的 GIIS ／ PIIS 系列产品；等等。

这些产品将 PID调理器以及简略可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带
有各种应用的新式变频器。

因为 PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容
量的要乞降对 PID算法的编程，并且 PID参数的在线调试特别简单，这不单降低了生产成本，
并且大大提升了生产效率。

因为变频器内部自带的 PID调理器采纳了优化算法，所以使水压
的调理十分光滑，稳固。

同时，为了保证水压反应信号值的正确、不失值，
可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反应信号进行换算，使系统的调试特别简单、
方便。

考虑以上四种方案后，此次设计采纳第四种方案。

如图 2.2 所示。

图 2.2供水系统方案图
2.4 变频构成恒压供水系统的及工作原理
系统的构成
图2.3系统原理图
如图 2.3 所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台 PLC和一个压力传感器及若干协助零件构成。

三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调理水量
之用，三台泵协调工作以知足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，
一般采纳电阻式传感器 ( 反应 0～5V电压信号 ) 或压力变送器 ( 反应 4～20mA电流 ) ；变频器是供水系统的中心，经过改变电机的频次实现电机的无极调速、无颠簸稳压的成效和各项功能。