物業能源管控方案范文

導語：如何才能寫好一篇物業能源管控方案，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵字：軟啟動，節電，路燈控制器

1概述

一個發展中國家，能源是國民經濟的基礎，節能環保是社會經濟發展的前提。電能是能源中具有安全性、環保性、經濟性、廣泛性重要商品之一，是國民經濟脊梁。為此節約電能，科學利用電能，同時保護生態環境。

在石化城市，各類照明類消耗的電能比例很大，對其進行科學的管理，最佳實用效果、并節能環保。不但降低了企業電能成本及維修成本的支出，而且是利國、利企、利民的大事。在長期供電運行管理工作中，深知能源的不可再生性。而石化轄區道路照明及亮化工程的各種型號光源5602盞，在線容量820KW，每年能源費和維修費支出均在420.6萬元以上。所以必須盡快進行節能改造意義之重大。

2 論述

城市道路照明及建筑亮化工程系統的技術節能，不是取消或減少照明數量或縮短供電時間以求節電，而是要以功率小效率高電光源和有效控制方式來滿足建筑物的照明效果，滿足人體視覺所需的環境照度。就是要以最小的電能進一步提高照度效率。為此必須努力減少無效照度和減少照明系統中光能的損失，努力尋求光能的有效綜合利用和科學控制程序。眾所周知，照明設備的耗電量是照明消耗的電能與照明時間的乘積。因此，要使照明設備節能，就要從減少設備消耗的電能和縮短照明時間兩方面著手。

3 技術分析重點考慮照度標準及照度分區

光照標準越高，對肉眼觀察越有利，但是，實際上受經濟效益的限制，無限增加照度標準是不可取的。因此，我國根據作業種類和場所，在勞動安全衛生條例中規定了最低照度。

在采用一般照明的同一照明區域中，照明目的和可視作業內容完全相同的場合是不多的。如果在照明區中，有通道和倉庫，就要把精密作業區分出來。在這種場合，把所有作業區都按最高照度作為必要的視作業照明是不經濟的。在視作業地點固定的工廠和事務所，對照度標準進行極仔細的分區是很容易的，特別是需要高照度部分，可以在一般照明基礎上，增加局部照明；照度要求不高的部分，可以和其他部分分開，進行單獨配線，采用相間點燈或調光。

在視野內，如果亮度相差很大，作業者眼睛極易疲勞，要引起注意。一般來說，一般照明和局部照明照度之比為1：10以下。

4 改善照明設備的效率

提高照明設備效率可以從光源、照明燈具、控制設備等硬件解決，如何把不同時段的所需照度自動完成，用軟件控制硬件既滿足工作所需同時又節能，組成一個系統加以有效利用。

4.1 采用高效光源

光源效率包括燈具效率和綜合效率兩種，都可用1m/W表示。除白熾燈外，放電式燈在工作時需要鎮流器，燈的效率就是指燈管本身的發光效率（燈光通量/燈功率）。綜合效率可用光通量和包括鎮流器損耗在內的實際消耗功率之比（燈光通量/消耗電功率）來表示。從節能觀點出發，比較各種光源的綜合效率比討論燈本身效率要合適。

從節電觀點對各種光源的特性及原有設備的適用性分析上述光源的具體節能方法歸納如下：

1）用高效熒光燈和HID燈（水銀燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈等高亮度放電燈）代替低效率的白熾燈（例如：住宅白熾燈—熒光燈；體育館、燈光球場的白熾燈—金屬鹵化物燈或高壓鈉燈）。

2）即使用同種燈，也可采用高效率的節電燈代替（例如：白熾燈100W—節電型65W或氪燈60W；快速起動熒光燈40W—節電型30W或20W）。

3）在諸如眩光和照度均勻性等照明質量允許范圍內，盡可能使用燈數量少的高瓦數燈。因為光源功率越大，效率越高。

4）采用混光照明，不會降低顯色性，改善了綜合效率。

4.2 提高照明率

所謂照明率就是射到被照面上的光通量與燈泡總光通量之比，此值決定于燈具效率（燈具反射的光通量與燈光通量之比）、照明燈具的配光、房間形狀、房間內的表面反射率。要提高照明率，可采取以下措施：

1）采用效率高的照明燈具；

2）房間裝修要明亮；

3）使用適合房間形狀的配光照明燈具。

5 妥善維護保養，減少設備負荷

照明設備隨工作時間的增長，原有照度逐漸下降，其主要原因有兩個：

1）燈體本身工作時間長了，有效光通量會減小。

2）由于照明燈具和燈的污臟，使效率降低。

6 進行開閉控制，縮短用電時間

只在必要時間、必要場所，根據使用目的以適當亮度開燈就足夠了。因此要對照明設備進行極細致的開閉管理。

最簡單的方法是根據時間、場所、目的、有無自然光等操縱手動開關控制不必要的人工光。自動開閉控制由順序定時器，根據場所、目的及時間段的照明圖進行自動開閉，稱照明控制式和用光敏元件測知自然光采光狀態，根據自然光射入狀態自動開閉射入區內的電源光。兩種控制都需要根據使用狀況和使用目的、自然光射入狀態，對照明設備按照明圖配線。白熾燈和熒光燈照明，采用上述方式是容易控制，但HID燈（水銀燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈等高亮度放電燈）因瞬時點燃有困難，故采用上述控制方式會產生一些困難和限制。

現在推薦軟啟動節能系列智能調壓照明調控裝置，來對氣體放電光源進行調控。

中國國際GB50034-92及行業標準CJJ45-91在針對城市道路及工業企業戶外道路照明的條款中指出：

對于供電與控制，要求穩定的電壓并實現自動時鐘控制及光控。

對于深夜照明，要求有節能措施。針對氣體放電光源制定出了最佳調控方案，開發了軟啟動節能系列智能調壓照明調控裝置。該智能照明調控裝置已成功地應用于化工廠區各重要照明場所，并取得了良好的經濟回報。

智能照明調控裝置以電源系統控制為中心，在對氣體放電光源實現自動調控滿足不同廠所照度的同時，切實現節電達20%--40%，并使光源及附件的壽命延長一至二倍，它具有以下十大基礎功能：

1）可編程的智能控制器，可以根據設備使用地的經度、緯度準確地編程本地區每天日升日落時間，控制供電的開閉時間。這項功能特別適用于廠礦及城市不同轄區。

2）獨立的節能時段設定，適用于不同場所照明節能控制。

3）對于特定場合的照度按所需時間自動控制。

4）控制功能可用面板按鍵進行設定，亦可以用微機WINDOWS平臺上的專用軟件設定。

5）最多兩次單擊操作鍵盤或平臺窗口標識，即可實現各種功能的手動插入控制。

6）卓越的軟啟動點亮功能保證光源不受冷啟大電流沖擊，大幅度減少光源毀損率，延長了光源及附件的工作壽命。

7）高速電子檢測及穩壓執行系統，絕對保證負載在設定工作電壓值工作，電源側的電壓變化與負載隔離。

8）降壓限流節能功能。是在夜深時段在不影響日體視覺的情況下，適當降低輸出工作電壓、限制輸出工作電流實現達到節能的目的。

9）控制設備不論工作在哪一時段，均能輸出精度+2%的穩定電壓。

10）完善的保護功能。當檢測到運行故障時，將自動轉到熱備支路工作，以保護對光源的連續供電；可由智能控制器儲存故障時段記錄，便于維修和故障處理。

其設備控制過程如下：在線設備每日正常的循環工作過程，開啟設備軟啟動程序工作時，首先經0-10分鐘加0-100V設定電壓預熱后，再經設定0-5分鐘進入點亮模式電壓階段后，緩慢上升到設定電壓值工作。運行中根據照度需要設定多時段的降壓或升壓限流運行，作到照度按需編程值自動調節控制，實現節電目的。

在啟動過程當中，輸出電壓穩定在與之相應的編程控制值上，啟動過程完成，設備將會給所供負荷提供穩定的電壓，直至設備收到降低供電電壓的指令。

該指令由外部設備發出（如智能控制器、遙控裝置等），這個外部設備可作為遙控裝置與設備的接線端子相連接。電壓處于“慢斜坡”升壓或降壓模式并持續10分鐘，直至電壓降至節電編程控制值。

這個過程是通過設定為多次重復自動循環過程。

軟啟動節能路燈控制器自動控制過程簡述如下（見附圖）：

第一步 啟動開燈（編程預設經緯儀等）

第二步 預熱系統啟動（0-10分鐘預設）

第三步 點亮系統啟動（0-3分鐘預設）

第四步 自動穩壓運行（預先設定電壓186-220V）

第五步 自動降壓后穩壓運行（預先設定電壓186-200V）

第六步 停止關燈（編程預設經緯儀等）

7應用實例

大慶石化公司物業管理中心龍鳳機電車間

路燈節電改造方案

投資與收益分析

根據龍鳳機電車間轄區路燈的實踐調研，發現路燈存在著使用壽命短、耗電量大、維護費用高等原因，建議公司對龍鳳機電車間轄區臥龍路路燈做如下節能試驗：

路燈用電現況

龍鳳機電車間臥龍路段路燈采用三相電源供電，有97根路燈桿，每根路燈桿有2盞，每盞路燈均為400W的高壓鈉燈，全年平均日運行約11小時，平均電價約為0.374元。

節電產品選擇

根據該路段的路燈負載特性為高壓鈉燈，擬選用LDJD型高性能控制柜：其規格為：LDJD型 -200A

節電柜

名稱 型號 電流 價格 節電率

路燈節能控制柜 LDJD-200 3×200A 44000.00 33.3%

投資回報分析

我們針對臥龍路段路燈做運行測試進行節電效果分析，以實測節電率33.3%計算投資回報期如下：

1、路燈年用電量：

=總功率（KW）×年運行天數（D）×每天運行小時數（h）

=（0.8KW×97）×365×11

=31.1564萬（KW）

2、系統年節電效益=系統年用電量×節電率×電價

=31.1564×33.3%×0.374=3.8802（萬元）

3、投資成本：一臺LDJD-200型的節電控制柜的價格是44000.00元人民幣.

4、投資回報期=投資成本/年節電效益=4.4÷3.8802=約1.133（年）

按節電率33.3%計算，投資回報期1.133年。若節電率上升則投資回報期更短。根據臥龍路段的路況，在夜間人流、車輛稀少的情況下可以提前進入節能狀態。經過綜合布控后，節電率可穩步上升到40%以上，則會在更短的時間內收回投資成本。

大慶石化公司物業管理中心龍鳳機電車間所管轄的龍鳳區路燈控制有掛式控制箱與柜式控制箱共有76個，年用電費為165萬元。

以節電率為33.3%計算，年節約費用165萬元×33.3%=55萬元。

76臺智能照明控制柜，平均價格為3.4萬元，分期投資如下表：

備注：投資回報期=投資成本/年節約費用×12月

節能就是創造效益：

經過投資回收計算，綜合的節電效果，路燈的節電改造投資回收期不到一年的時間，節能效果顯著，一次投資，長期受益，這項節能改造在減少電費的同時，節電控制柜也起到優良的安全保護作用，延長燈具使用壽命，降低維護費用，減少維修工作量。

采用智能照明控制器可節能、且節省人工維護費用；程序化調控器的軟啟動、穩壓、減壓減流，還可延長照明光源及附屬器具壽命，節省更換照明器具所需的人力物力，是一種較好的照明方案。

參考消息

篇2

【關鍵詞】變頻調速；恒壓供水；節能；理論模型

一、緒論

1.課題的提出。水和電是人類生活、生產中不可缺少的重要物質，在節水節能已成為時代特征的現實條件下，我們這個水資源和電能源短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業生產循環供水等方面技術一直比較落后，自動化程度較低，而隨著我國社會經濟的發展，人們生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的不斷深入，城市中各類小區建設發展十分迅速，同時對小區的基礎設施建設提出了更高的要求。小區供水系統的建設是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩定性、經濟性直接影響到小區住戶的正常工作和生活，也直接體現了小區物業管理水平的高低。傳統的小區供水方式有：恒速泵加壓供水、氣壓罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和電池滑差離合器調速的供水方式、單片機變頻調速供水系統等方式，其優、缺點如下：（1）恒速泵加壓供水方式無法對供水管網的壓力做出及時的反應，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負荷運行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網長期處于超壓運行狀態，供水管路爆、損的現象嚴重，電機硬起動易產生水錘效應，破壞性大，目前新建項目較少采用。（2）氣壓罐供水具有體積小、技術簡單、不受高度限制等特點，但此方式調節量小、水泵電機為硬起動且起動頻繁，對電器設備要求較高、系統維護工作量大，而且為減少水泵起動次數，管路無需水的情況下連續工作，致使水泵在低效段工作，浪費能源大，從而限制了其發展。（3）水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經濟合理、短時間維修或停電可不停水等優點，但存在基建投資大，占地面積大，維護不方便，水泵電機為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯軸器，目前主要應用于高層建筑。（4）液力耦合器和電池滑差離合器調速的供水方式易漏油，發熱需冷卻，效率低，只能是一對一驅動，需經常檢修；優點是價格低廉，結構簡單明了，維修方便。（5）單片機變頻調速供水系統也能做到變頻調速，自動化程度要優于上面四種供水方式，但是系統開發周期比較長，對操作員的素質要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業環境。綜上所述，傳統的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度低等缺點。目前的供水方式朝向高效節能、自動可靠的方向發展，變頻調速技術以其顯著的節能效果和穩定可靠的控制方式，有效的改善耗能；尤其在開、停機時減少電流對電網的沖擊以及水壓對管網系統的反作用力；減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗十分突出。對于提高企業效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。

2.PLC概述。（1）可編程控制器的定義?？删幊炭刂破?，簡稱PLC（Programmable logic Controller），是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。在1987年國際電工委員會（Inter

national Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！保?）PLC的發展和應用。世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數字設備公司（DEC）研制的。限于當時的元器件條件及計算機發展水平，早期的PLC主要由分立組件和中小規模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數功能。20世紀70年代初出現了微處理器，人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言 ，實現了體積超小型、運算速度更高、更可靠控制系統。加之抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比，在現今的工業生產、民用設施中奠定了它在現代工業中凸顯的的地位。

3.本課題的主要研究內容。本設計是以小區供水系統為控制對象，采用PLC和變頻技術相結合技術，設計一套城市小區恒壓供水系統，并引用計算機對供水系統進行遠程監控和管理，從而保證了整個系統運行可靠，安全節能，并具備最佳的運行工況。PLC控制變頻恒壓供水系統主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現場的水泵機組共同組成一個完整的閉環調節系統，本設計中有3個貯水池，3臺水泵，采用部分流量調節方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。PLC根據管網壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調節流量，使供水管網壓力恒定。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。根據以上控制要求，進行系統總體控制方案設計。硬件設備選型、PLC選型，估算所需I/O點數，進行I/O模塊選型，繪制系統硬件連接圖：包括系統硬件配置圖、I/O連接圖，分配I/O點數，列出I/O分配表，熟練使用相關軟件，設計梯形圖控制程序，對程序進行調試和修改并設計監控系統。

二、系統的理論分析及控制方案確定

1.變頻恒壓供水系統的理論分析。（1）電動機的調速原理。水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉速公式為： n=（1-s）式中：f表示電源頻率，p表示電動機極對數，s表示轉差率。從上式可知，三相異步電動機的調速方法有：改變電源頻率；改變電機極對數；改變轉差率。改變電機極對數調速的調控方式控制簡單，投資省，節能效果顯著，效率高，但需要使用專門的變極電機有級調速，而且級差比較大，即在變速時轉速變化率、轉矩變化也大，因此此類調速只適用于特定轉速的生產機器。根據公式可知，當轉差率變化不大時，異步電動機的轉速n基本上與電源頻率f成正比。連續調節電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉速。但是，單一地調節電源頻率，將導致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術的發展及PLC的應用，一種性能良好、工作可靠的變頻調速電源裝置誕生，其優越的性能促進了變頻調速器在節能、降耗的工業范圍中的廣泛應用。（2）變頻恒壓供水系統的節能原理。供水系統的揚程特性是以供水系統管路中的閥門開度不變為前提，表明水泵在某一轉速下揚程H與流量Q之間的關系曲線，如圖1所示。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Qu間的關系H=f（Qu）。而管阻特性是以水泵的轉速不變為前提，表明閥門在某一開度下揚程H與流量Q之間的關系曲線。管阻特性反映了水泵的能量用來克服水泵系統的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規律。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的關系H=f（Qc）。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統的工作點，如圖1中A點。在這一點，用戶的用水流量Qu和供水系統的供水流量Qc處于平衡狀態，供水系統既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統穩定運行。

圖1 管網及水泵的運行特性曲線

當用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在A點，流量為Q1，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到b1，揚程特性曲線不變。而揚程則從H0上升到H1，運行工況點從A點移到F點，此時水泵的輸出功率正比于H1×Q2。當用調速控制時，若采用恒壓（H0），變速泵（n2）供水，管阻特性曲線為b2，揚程特性變為曲線n2，工作點從A點移到D點。此時水泵輸出功率正比于

H0×Q2，由于H1>H0，所以當用閥門控制流量時，有正比于（H1-H0）×Q2的功率被浪費掉，并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是H1增大，而被浪費的功率要隨之增加。所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節能效果顯著。（3）變頻恒壓供水系統的組成及原理圖。PLC控制變頻恒壓供水系統主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現場的水泵機組一起組成一個完整的閉環調節系統，該系統的控制流程圖如圖2所示：

圖2 變頻恒壓供水系統控制流程圖

2.控制方案的確定。從圖中可看出，系統可分為：執行機構、信號檢測機構、控制機構三大部分，具體為：（l）執行機構。執行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構成，變頻泵是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態，用以在用水量很大（變頻水泵達到工頻運行狀態都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。（2）信號檢測機構。在系統控制過程中，需要檢測的信號包括管網水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網水壓信號反映的是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進行A/D轉換。另外為加強系統的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測，檢測結果可以送給PLC，作為數字量輸入；水池水位信號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統要對系統實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。（3）控制機構。供水控制系統一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系統）、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統的核心。供水控制器直接對系統中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執行機構（即水泵機組）進行控制；變頻器是對水泵進行轉速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。

三、系統的硬件設計

1.系統主要設備的選型。根據基于PLC的變頻恒壓供水系統的原理，系統的電氣控制總框圖如圖3所示：

圖3 系統的電氣控制總框圖

由以上系統電氣總框圖可以看出，該系統的主要硬件設備應包括以下幾部分：PLC及其擴展模塊、變頻器、水泵機組、壓力變送器、液位變送器。主要設備選型如表1所示：

表1 本系統主要硬件設備清單

PLC及其擴展模塊的選型。PLC是整個變頻恒壓供水控制系統的核心，它要完成對系統中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現以及對外的數據交換。因此我們在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執行速度、指令豐富程度、內存空間、通訊接口及協議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統控制設備相對較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協議簡單等優點；PLC可以上接工控計算機，對自動控制系統進行監測控制。PLC和上位機的通信采用PC/PPI電纜，支持點對點接口（PPI）協議，PC/PPI電纜可以方便實現PLC的通信接口RS485到PC機的通信接口RS232的轉換，用戶程序有三級口令保護，可以對程序實施安全保護。根據控制系統實際所需端子數目，考慮PLC端子數目要有一定的預留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226，其開關量輸出為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入CPU226為24點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個模擬輸入（AIW），1個模擬輸出（AQW）信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長（16bit）的數字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉換，一個字長（16bit）的數字信號能夠轉換成標準輸出信號。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。

2.系統主電路分析及其設計?；赑LC的變頻恒壓供水系統主電路圖如圖4所示：三臺電機分別為M1、M2、M3，它們分別帶動水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關；FU為主電路的熔斷器。本系統采用三泵循環變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵在工頻下做恒速運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內三臺水泵都可輪流做變頻泵。

圖4 變頻恒壓供水系統主電路圖

三相電源經低壓熔斷器、隔離開關接至變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點接至電機。當電機工頻運行時，連接至變頻器的隔離開關及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現短路保護，每臺電動機的過載保護由相應的熱繼電器FR實現。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經過接觸器的觸點，當電動機接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開。同樣從工頻轉為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6絕對不能同時動作，相互之間必須設計可靠的互鎖。為監控電機負載運行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將4mA～

20mA電流信號送至上位機來顯示。同時可以通過轉換開關接電壓表顯示線電壓。并通過轉換開關利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運行時，必須觀察電動機的轉向，使之符合要求。如果轉向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉向。系統啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主電路（如直接使熔斷器或隔離開關斷開），而必須通過變頻器實現軟啟動和軟停。為提高變頻器的功率因數，必須接電抗器。當采用手動控制時，必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流，本系統采用軟啟動器。

3.系統控制電路分析及其設計。系統實現恒壓供水的主體控制設備是PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關系到整個系統的運行性能。本系統采用西門子公司S7-200系列PLC，它體積小，執行速度快，抗干擾能力強，性能優越。PLC主要是用于實現變頻恒壓供水系統的自動控制，要完成以下功能：自動控制三臺水泵的投入運行；能在三臺水泵之間實現變頻泵的切換；三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用；系統要有完善的報警功能并能顯示運行狀況。

圖5 變頻恒壓供水系統控制電路圖

注：PLC各I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節I/O端口分配中將詳細介紹。

如圖5為電控系統控制電路圖。圖中SA為手動/自動轉換開關，SA打在1的位置為手動控制狀態；打在2的狀態為自動控制狀態。手動運行時，可用按鈕SB1～SB6控制三臺水泵的啟/停；自動運行時，系統在PLC程序控制下運行。本系統在手動/自動控制下的運行過程如下：（1）手動控制。手動控制只在檢查故障原因時才會用到，便于電機故障的檢測與維修。單刀雙擲開關SA打至1端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關分別控制三臺水泵電機在工頻下的運行和停止。SB1按下時由于KM2常閉觸點接通電路使得KM1的線圈得電，KM1的常開觸點閉合從而實現自鎖功能，電機M1可以穩定的運行在工頻下。只有當SB2按下時才會切斷電路，KM1線圈失電，電機M1停止運行。同理，可以通過按下SB3、SB5啟動電機M2、M3，通過按下SB4、SB6來使電機M2、M3停機。（2）自動控制。在正常情況下變頻恒壓供水系統工作在自動狀態下。單刀雙擲開關SA打至2端時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由PLC程序控制。Q0.0輸出1#水泵工頻運行信號，Q0.1輸出1#水泵變頻運行信號，當Q0.0輸出1時，KM1線圈得電，1#水泵工頻運行指示燈HL1點亮，同時KM1的常閉觸點斷開，實現KM1、KM2的電氣互鎖。當Q0.1輸出1時，KM2線圈得電，1#水泵變頻運行指示燈HL2點亮，同時KM2的常閉觸點斷開，實現KM2、KM1的電氣互鎖。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。當Q1.1輸出1時，水池水位上下限報警指示燈HL7點亮；當Q1.2輸出1時，變頻器故障報警指示燈HL8點亮；當Q1.3輸出1時，白天供水模式指示燈HL9點亮；當Q1.4輸出1時，報警電鈴HA響起；當Q1.5輸出1時，中間繼電器KA的線圈得電，常開觸點KA閉合使得變頻器的頻率復位；處于自動控制狀態下，自動運行狀態電源指示燈HL10一直點亮。

4.PLC的I/O端口分配及接線圖?；赑LC的變頻恒壓供水系統設計的基本要求如下：（1）由于白天和夜間小區用水量明顯不同，本設計采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設定的給定水壓值不同。白天，小區的用水量大，系統高恒壓值運行；夜間，小區用水量小，系統低恒壓值運行。（2）在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。倒泵只用于系統只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。（3）考慮節能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。（4）三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能，對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用。（5）系統要有完善的報警功能。根據以上控制要求統計控制系統的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表2所示。

表2 輸入輸出點代碼及地址編號

結合系統控制電路圖5和PLC的I/O端口分配表2，畫出

PLC及擴展模塊接線圖，如圖6所示：

圖6 PLC及擴展模塊接線圖

本變頻恒壓供水系統有五個輸入量，其中包括4個數字量和1個模擬量。壓力變送器將測得的管網壓力輸入PLC的擴展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關量輸入I0.

0；液位變送器把測得的水池水位轉換成標準電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設定水池水位的上下限，當超出上下限時，窗口比較其輸出高電平1，送入I0.1；變頻器的故障輸出端與PLC的I0.2相連，作為變頻器故障報警信號；開關SB7與I0.3相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。本變頻恒壓供水系統有11個數字量輸出信號和1個模擬量輸出信號。Q0.0～Q0.5分別輸出三臺水泵電機的工頻/變頻運行信號；Q1.1輸出水位超限報警信號；Q1.2輸出變頻器故障報警信號；Q1.3輸出白天模式運行信號；Q1.4輸出報警電鈴信號；Q1.5輸出變頻器復位控制信號；AQW0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。圖6只是簡單的表明PLC及擴展模塊的接線情況，并不是嚴格意義上的接線情況。它忽略了以下因素：直流電源的容量；電源方面的抗干擾措施；輸出方面的保護措施；系統的保護措施等。

四、PID控制器參數整定

1.PID控制及其控制算法。在供水系統的設計中，選用了含PID調節的PLC來實現閉環控制保證供水系統中的壓力恒定。在連續控制系統中，常采用Proportional（比例）、Integral（積分）、Derivative（微分）控制方式，稱之為PID控制。PID控制是連續控制系統中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優點。PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值r（t）和實際輸出值y（t）之間的偏差e（t）[15]：e（t）=y（t）-r（t）。經比例（P）、積分（I）和微分（D）運算后通過線性組合構成控制量u（t），對被控對象進行控制，故稱PID控制器。系統由模擬PID控制器和被控對象組成，其控制系統原理框圖如圖7所示，圖中u（t）為PID調節器輸出的調節量。

圖7 PID控制原理框圖

PID控制規律為：y（t）=Ke（t）+e（t）dt+T，式中：Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。相應的傳遞函數形式：G（s）==K（1++Ts），PID控制器各環節的作用及調節規律如下：（1）比例環節：成比例地反映控制系統偏差信號的作用，偏差e（t）一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差，但不能徹底消除系統偏差，系統偏差隨比例系數Kp的增大而減少，比例系數過大將導致系統不穩定。（2）積分環節：表明控制器的輸出與偏差持續的時間有關。只要偏差存在，控制就要發生改變，直到系統偏差為零。積分環節主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，易引起系統超調量加大，反之則越強，易引起系統振蕩。（3）微分環對偏差信號的變化趨勢做出反應，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。微分環節主要用來控制被調量的振蕩，減小超調量，加快系統響應時間，改善系統的動態特性。自從計算機進入控制領域以來，用數字計算機代替模擬調節器來實現PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數字PID控制算法是通過對式（4.2）離散化來實現的。以一階后向差分近似代替連續系統的微分，得到PID位置控制算法表達式：u（n）=Ke（n）+e（j）+e（n）+e（n-1），式中：T為采樣周期；n為采樣序號；e（n）為第n時刻的偏差信號；e（n-l）為第n-1時刻的偏差信號。實際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達式為：u（n）=u（n）-u（n-1）=Ke（n）+e（n-1）

+Ke（n）+Ke（n）-2e（n-1）+e（n-2），式中：u（n）為調節器輸出的控制增量：K=K。

2.監控系統界面。在本系統中，根據需要界面，包括啟動界面（包含系統所有菜單）、系統運行主界面、歷史和實時趨勢曲線、數據報表、報警界面。為了加強系統的安全性，系統還為不同的用戶設置了相應的權限。通過主菜單界面可以調用不同的界面，也可根據需要在系統運行主界面中改變壓力給定值。

本文針對城市小區供水的特點，設計開發了一套基于PLC的變頻恒壓供水自動控制系統。該系統利用單臺變頻器實現多臺水泵電機的軟起動和調速，摒棄了原有的自耦降壓起動裝置，同時把水泵電機控制納入自動控制系統。壓力變送器采樣管網壓力信號經PID處理傳送給變頻器，變頻器根據壓力大小調節電機轉速，通過改變水泵性能曲線來實現水泵的流量調節，保證管網壓力恒定。該系統不僅有效地保證了供水系統管網壓力恒定，而且具有工作可靠、施工簡單、節能效果顯著、全自動控制、無二次污染等優點。

參 考 文 獻

[1]張宏建，蒙建波.自動檢測技術與裝置[M].化學工業出版社，2006：183～184

[2]張燕賓.SPWM變頻調速應用技術（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2002：86～87

[3]深圳康沃電氣技術有限公司.康沃變頻調速器使用手冊1126.深圳.2006：48～49