PLC全自动变频恒压供水

PLC全自动变频恒压供水
它主要由水泵、气压罐、智能控制（变频控制柜由断路器、变频器、接触器、中间继电器、PLC）系统等组成。

一、变频恒压供水特点:
1、恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。

2、起动平滑，减少电机水泵的冲击，延长了电机及水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象。

3、采用变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过压、过流、过热等保护功能。

4、系统配置可实现全自动定时供水,彻底实现无人值守自动供水。

控制系统具有故障报警和显示功能,并可进行工变频转换,应急供水。

5、系统根据用水量的变化来调节水泵转速，使水泵始终工作在高效区，当系统零流量时,机组进入休眠状态,水泵停止，流量增加后才进行工作,节电效果明显，比恒速水泵可节电23%-55%。

6、整套设备只需一组控制柜和水泵机组，安装非常方便，占地面积少。

7、本设备采用全自动控制，操作人员只需转换电控柜开关，就可以实现所需工况，操作简单。

8、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；
9、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；
10、外部接线简单:只需通过菜单设置，即可使控制器适用于不同的供水控制系统；无需改变复杂的外部接线。

11、可靠性:由于控制器已将各种功能模块集成于内部，外部配件少，进一步降低了整个系统出现故障的机会。

12、调试简单方便:丰富而完美的汉字提示。

13、系统功能完善:在设备工作现场，工程人员可根据泵组的实际情况在显示下，随时改变各种控制参数，保证泵组处于最优化的运行状态。

14、控制精度高：控制程序中所有的模拟量均为数码处理。

改良的PID数字控制系统能够避免一般PID死区（对水泵控制而言）所带来的控制误差,使系统的供水压力更加稳定。

15、睡眠功能的最新应用，可使机组在每天的零流量的区域中自动启、停，间歇型的供水方式,使节电效果更佳。

16、控制功能先进：控制系统可在汉字显示屏上明确显示其工频、变频、转换的运行工况。

17、维修简单方便：独有的系统故障检测、明确的故障部位（中文）提示,使工程人员能够清楚地了解故障所在,帮助维修人员检查故障发生的部位的部位和原因。

二、设备选型说明
1. 供水系统选用原则
(1)蓄水池容量应大于每小时最大供水量。

(2)水泵扬程应大于实际供水高度。

(3)水泵流量总和应大于实际最大供水量。

(4)变频控制柜选型：
根据供水量和供水高度确定水泵型号及台数，然后对控制柜进行选型。

该设备通过安装在水泵出水总管上的远传压力表（内为一滑动电阻），将出口压力转换成0-5V电压信号，经
A/D转换模块将模拟电压信号转换成数字量并送入可编程序控制器，经可编程内部PID运算，得出一调节参量，并将该参量送入D/A转换模块，经数摸转换后将得出模拟量传送变频器，进而控制其输出频率的变化。

设备采用多泵并联的供水方式，用水量的大小决定了投入运行的水泵的数量，当用水量较小时，单台泵变频工作，当用水量增加，水泵运行频率随之增加，如达到水泵额定输出功率仍无法满足用户供水要求时，该泵自动转换成工频运行状态，并变频启动下一台水泵。

反之，当用水量减少，则降低水泵运行频率直至设定下限运行频率，如供水量仍大于用水量，则自动停止工频运行泵同时变频泵转速增加。

当用水量降至某一程度时（如夜间用水很少时），变频主泵停止工作，改由小型气压罐供水。

三、变频节能理论
１、交流电机变频调速原理
交流电机转速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 为电机转速，f为交流电频率，s 为转差率，p 为极对数。

电机选定之后s 、p则为定值，电机转速n和交流电频率f 成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。

２、根据离心泵的负载工作原理可知：
流量与转速成正比：Ｑ∝Ｎ
转矩与转速的平方成正比：Ｔ∝Ｎ２
功率与转速的三次方成正比：Ｐ∝Ｎ３
而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：
Ｐ变＝Ｎ３Ｐ额＝Ｑ３Ｐ额
采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：Ｐ阀＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ额
其中，Ｐ为功率
Ｎ为转速
例如设定当前流量为水泵额定流量的６０％，则采用变频调速时Ｐ变＝Ｑ３Ｐ额＝０.２１６Ｐ额，而采用阀门控制时Ｐ阀＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ额＝０.７６Ｐ额，节电＝（Ｐ阀-Ｐ变）／Ｐ阀＊１００％＝７１.６％。

流量% 100 90 80 70 60 50
节电率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1
四、变频恒压供水系统及控制参数选择
1、变频恒压供水系统的参数选取
（1）、合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水。

通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管网最不利点压力恒压控制，另一个就是泵出口压力恒压控制。

（2）、变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。

变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。

对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。

五、变频调速系统的抗干扰对策
具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。

1 屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。

通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏;输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外
部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短(一般为20m以内)，且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路线(AC380v)及控制线AC220v)完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。

为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。

2、正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。

在实际应用系统中，由于系统电源零线(中线)、地线(保护接地、系统接地)不分、控制系统屏蔽地(控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地)的混乱连接，大大降低了系统的稳定性和可靠性。

对于变频器，主回路端子PE(e、g)的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段，因此在实际应用中一定要非常重视。

变频器接地导线的截面积一般应不小于2.5mm2，长度控制在20m以内。

变频器的接地与其它动力设备接地点分开，不能共地。

3、采用电抗器在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量（5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波等所）所占的比重是很高的，它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外，还因为它们消耗了大量的无功功率，使线路的功率因数大为下降。

在输入电路内串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法。

根据接线位置的不同，主要有以下两种：
（1）交流电抗器串联在电源与变频器的输入侧之间。

其主要功能有：
a、通过抑制谐波电流，将功率因数提高至（0.75-0.85）；
b、削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击；
c、削弱电源电压不平衡的影响。

（2）直流电抗器串联在整流桥和滤波电容器之间。

它的功能比较单一，就是削弱输入电流中的高次谐波成分。

但在提高功率因数方面比交流电抗器
有效，可达0.95，并具有结构简单、体积小
等优点。

4、合理布线对于通过感应方式传播的干扰
信号，可以通过合理布线的方式来削弱。

具
体方法有：
（1）设备的电源线和信号线应量远离变频
器的输入、输出线；
（2）其他设备的电源线和信号线应避免和
变频器的输入、输出线平行；
六、变频恒压供水系统的设计
⒈变频恒压供水技术概述
水泵的输出特性既决定于水泵的种类，
也随供水管网系统的阻力特性曲线不同而不
同。

离心式水泵的特性公式如下：
η/
P=(1)
kHQ
式中，P为水泵的功耗(kW)；Q为使用工况
点的水泵流量(m3/s)；H为使用工况点的扬程
(m)；k为输出介质常数(kg/m3)；η为使用工
况点的泵效率(%)。

图1 离心水泵的H-Q曲线
图1给出了离心式水泵的H-Q 曲线，可见，在水泵的工作过程中，在等于原设计工况(点
A)时效率最高，偏离这个工况(点在B 、C 两点间)效率就会降低。

根据水泵理论的相似定律，当水泵的转速发生变化时，它的扬程H 、流量Q 及水泵功率P 也随之变化，它们之间的关系可以表示为：
1212n n Q Q = （2）
（3）
3
1212⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n n P P （4）
流量Q 与转速n 的一次方成正比；扬程H 与转速n 的平方成正比；水泵功率P 与转速n 的立方成正比。

图2 供水管网的H-Q 曲线
供水管网的H-Q 曲线如图2所
示。

管网装置特性(H-Q)可根据闸阀
全开时测得的各种数据由式
j H Q H +=21α求得。

其中H j 为水泵
的进出口水位高度差(m)，其大小与
流量Q 无关；α为供水管路的阻力
系数。

管网特性曲线与泵特性曲线之
交点即为泵的正常使用工况点。

⒉变频恒压供水系统的设计与
实现
变频恒压供水系统的核心在于
使用一台或几台变频器对供水系统
的水泵进行变频控制，使供水水泵尽
量工作在最佳效率状态。

⑴ 变频恒压供水系统的节能原理 图3 供水流量变化时的H-Q 曲线
在图3中，水泵额定运行时的工况点D 是泵的特性曲线Nn 与管路阻力曲线R1的交点。

传统的利用阀门控制的水泵，由于要减小流量，关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从R 1转移到R’1，扬程则从H 0升到H 1，流量从Q n 减小到Q 1，运行工况点从D 点转移到A 点。

而调速控制水泵时，阀门没有开关变化，因此阻力曲线R 1不变。

为使流量改变，需要改变水泵的转速。

如果把速度从N n 降到N 1，特性曲线也从N n 转移到N 1。

此时，运行工况点从D 点转移到C 点，扬程从H 0下降到H 3，流量从Q n 减小到Q 1。

根据公式(1)求出，运行时，在A 点水泵的功耗为η/11Q kH P A =，C 点水泵的功耗为
η
/13Q kH P C =，两者的差值为：()η/113Q H H k P P P C A -=-=∆。

也就是说，用阀门控制水
泵流量时，有ΔP 功率被浪费掉了，并且这个损耗随着阀门的关小而增加。

⑵系统构成与控制方式选择
针对给定的条件进行系统设计，由于各泵容量相等，可只用一个变频器，额定功率稍大于或等于泵的额定功率。

由于变频器的价格较高，因此不建议使用变频器的双余度备份，但可在保护和故障容错中做一定投资，以更好地保证系统安全稳定运行。

控制器件与控制方案选择如下：
现阶段使用较多的控制器件为：微处理器（单片机或DSP）、PLC或专用变频器。

专用变频器的主要生产厂商有三菱、ABB等公司。

不同的控制装置在控制的原理上基本是一样的，主要有PID调节器、变频/工频自动切换、水网压力检测环节等，通过连接而组成供水系统。

为了保持供水管道的压力恒定，就必须实时检测管道压力并回馈给供水控制器，使其构成压力闭环控制系统。

现在最常用的控制器是以PID调节为主要手段，也有的采用了模糊控制等现代控制理论方法。

变频调速供水的恒压值一般选用最不利点（管端）恒压控制比较准确，但该压力信号传输距离太长，一方面容易受到干扰，另一方面也容易出现故障，因此在用户对供水精度要求不很高时，常以出水母管出口处压力作为恒压值进行控制。

对于专用变频器，由压力传感器检测到的管网压力直接送入变频器中的PID调节器输入口；对微处理器（包括PLC）控制的系统，压力设定值以及用户管网压力检测值则送入微处理器中，经内部PID控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号，当变频器频率达到最大时，若仍没有达到压力设定值，就进行变频/工频切换，同时重新给变频器输出一个转速控制信号。

压力检测值与压力给定值差距越大，该输出信号变化就越大。

一旦管网压力达到了设定值，该输出控制信号就恒定下来，系统稳定运行。

在专用变频器中，压力给定值可以通过变频器输入设定，也可以通过电位器送入；而微处理器控制系统的压力给定值也可通过相应的装置输入。

允许用户在现场设置PID参数，通过调试选出最佳参数，达到系统稳定。

一般情况下，PID方式的调节器就能够满足供水管压力的稳定调节。

然而，这种类型的闭环系统也存在着一些难以解决的问题，比如在系统的动态运行过程中，水泵电机会出现速度超调甚至不稳定的现象，对整个的供水设备具有很大的破坏性，还会减小整个系统的效率。

这些问题只能通过选定最优的PID参数或修改PID算法来解决。

⑶各条件下供水具体控制方式
恒压供水的起动与停机：
在水泵出口母管处装设压力变送器和流量变送器，将压力和流量信号送入控制器，控制器将接收到的信号进行比较、运算，并发出指令，对变频器进行控制。

如果检测得管网压力大于设定值，则系统不起动，当管网压力小于设定值时，系统起动。

变频器带1＃泵软起动,此时1＃泵处于变频调速运行状态，变频器根据收到的信号随时调整水泵的转速。

当1＃泵达到额定转速仍不能满足水压值要求时，则该水泵自动切换到工频状态下运行，变频器则控制2＃水泵，使之软起动并运行。

依此类推，直到管网压力满足压力设定要求。

在用水高峰过后，由于投入多台泵而使管网压力超过设定值，系统依据先投先停的原则，依次停止1＃泵，2＃泵，…。

先投先停可以实现对多台泵的平均使用，有利于延长泵的使用寿命。

对于所有泵的起停控制，完全由管网压力决定。

休眠控制：
在夜间用水量非常少的情况下，为了节能，可以设置可以使水泵暂停工作的休眠状态。

在管网压力允许的条件下，当变频器输出频率低于某下限频率时，变频器停止输出。

当管网压力小于下限设定时，再唤醒变频器使之重新开始工作。

⒊实际系统的设计
⑴实际系统中应考虑的其他因素
在选取水泵时，应考虑在几乎所有工况下都能使工作中的水泵处于高效率工作区间，因此，在夜间或需水量非常少的工况下工作的水泵可选一个比其他容量都小的。

由于绝大多数城市都不允许直接从市政管网吸水，因此采用变频调速恒压供水方式时仍然需要设置调节水池。

⑵管网水压控制点的选择
为了减少成本及增加可靠性而采用泵口恒压方式，只能对由水量变化而引起的水泵剩余扬程进行监控，它不包含管网阻力下降而产生的剩余扬程；若采用最不利点恒压控制方法，则水泵的调速幅度同时决定于上述两个变化因素，使水泵调速后的扬程与管网阻力特性曲线更好地符合，以获得最佳的节能效果。

在实际工程中，较现实的做法是在条件允许的情况下，尽可能将压力控制点靠近最不利点。

在运行过程中，若变频器出现突然故障时，当前运行的变频泵应自动切换至工频状态继续运行，同时发出故障报警信号；若水泵电机出现故障，应及时切除有故障的水泵并发出报警信号，同时将闲置的水泵投入系统中运行。

材设部。