變頻供水系統范文
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篇1
社會經濟的快速發展推動了我國工業建設的不斷進步，而工業建設水平的全面提升使人們對于生活質量的要求標準越來越高。因此，城市供水系統也必須針對社會發展以及人們盛會水平的提升來進行適當的調整與改善，以滿足社會生產與人們日常生活的要求。水是城市發展的基礎性自然資源和戰略性經濟資源，而水環境則是城市發展所依托的生態基礎之一。水在城市系統中具有五大主要功能角色：水是城市生存和發展的必需品和最大消費品，是污染物傳輸和轉化的基本載體，是維持城市區域生態平衡的物質基礎，是城市景觀和文化的組成部分。
傳統供水方式占地面積大，基建投資多，水質易污染，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。變頻調速技術是一種成熟的新型交流電機無級調速技術。它以其獨特優良的控制性能被廣泛應用于供水行業中。由于安全生產和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格的要求，因而變頻調速技術得到了更加深入的應用。恒壓供水方式技術先進、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節約電能、自動化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：
1.維持水壓恒定；
2.控制系統可手動/自動運行；
3.多臺泵自動切換運行；
4.系統睡眠與喚醒，當外界停止用水時，系統處于睡眠狀態，直至有用水需求時自動喚醒；
5.在線調整PID參數；
6.泵組及線路保護檢測報警，信號顯示等。
一、變頻調速的特點及分析
城市中各各時段的用水量一般是動態變化的，因此供水過?；蚬┧蛔愕那闆r時而發生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上。當用水量大而供水量小時，則壓力低；當用水量小而供水大，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水量多時供水量也多，用水量少時供水量也少，從而提高了供水的質量。
恒壓供水系統對于用戶是非常重要的。在生產生活供水時，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響生活質量，嚴重時會影響生存安全，如發生火災時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。所以，用水區域采用正藝恒壓供水系統，能產生較大的經濟效益和社會效益。
二、恒壓供水的變頻應用方式
通常在同一路供水系統中，設置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻調速進行恒壓供水時，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據壓力反饋信號，通過PID運算自動調整變頻器輸出頻率，改變電動機轉速，最終達到管網恒壓的目的，就一個閉環回路，較簡單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，但控制程序較復雜，是未來的發展方向，比如上海正藝信息科技的恒壓供水控制系統就可實現一變頻器控制任意數馬達的功能。下面講到的原理都是一變頻器拖動多馬達的系統。
三、PID控制原理
根據反饋原理：要想維持一個物理量不變或基本不變，就應該引這個物理量與恒值比較，形成閉環系統。我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環系統。但被控制的系統特點是非線性、大慣性的系統，在壓力波動較大時使用模糊控制，以加快響應速度；在壓力范圍較小時采用PID來保持靜態精度。這通過PLC加智能儀表可實現該算法，同時對PLC的編程來實現泵的工頻與變頻之間的切換。實踐證明，使用這種方法是可行的，而且造價也不高。
要想維持供水網的壓力不變，根據反饋定理在管網系統的管理上安裝了壓力變送器作為反饋元件，由于供水系統管道長、管徑大，管網的充壓都較慢，故系統是一個大滯后系統，不易直接采用PID調節器進行控制，而采用PLC參與控制的方式來實現對控制系統調節作用。
四、變頻控制原理
用變頻調速來實現恒壓供水，與用調節閥門來實現恒壓供水相比，其優點主要表現為：
1.起動平衡，起動電流可限制在額定電流以內，從而避免了起動時對電網的沖擊
2.由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命
3.可以消除起動和停機時的水錘效應
五、恒壓供水系統特點
1.節電
優化的節能控制軟件，使水泵實現最大限度地節能運行；
2.節水
根據實際用水情況設定管網壓力，自動控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現象；
3.運行可靠
由變頻器實現泵的軟起動，使水泵實現由工頻到變頻的無沖擊切換，防止管網沖擊、避免管網壓力超限，管道破裂。
4.聯網功能
采用全中文工控組態軟件，實時監控各個站點，如電機的電壓、電流、工作頻率、管網壓力及流量等。并且能夠累積每個站點的用電量，累積每臺泵的出水量，同時提供各種形式的打印報表，以便分析統計。
5.控制靈活
分段供水，定時供水，手動選擇工作方式。
6.自我保護功能完善
如某臺泵出現故障，主動向上位機發出報警信息，同時啟動備用泵，以維持供水平衡。萬一自控系統出現故障，用戶可以直接操作手動系統，以保護供水。
參考文獻
[1] 劉平；給排水驗收工程的幾點思考[J]；中小企業管理與科技（下旬刊）；2011（06）.
[2] 高陽.馬青.胡蔚蔚 恒壓變頻供水系統的Matlab仿真模型研究 [J] -工業控制計算機2011（11） .
篇2
【關鍵詞】水廠；變頻供水系統；節能
一、前言
由于地理分布、經濟條件和相關技術人才的原因，我國水廠自動化的總體發展水平還不高，發展也不平衡。大中城市水廠，特別是發達地區大型水廠的自動化程度很高，而小城市和城鎮水廠，特別是落后地區小型水廠的自動化程度較低，甚至還是空白。在一些已實現自動化的水廠中，雖然自動化系統和設備與其他行業，如化工、電力等相比并不差，甚至更先進，但是，其功能并未充分發揮出來。有的自控系統從未運行過，一直處于閑置狀態；有的運行一段時間后變為了手動，甚至處于癱瘓狀態，造成了自動化系統和設備的極大浪費。
國內實現水廠自動化控制的方法主要是新建和擴建工程。大型水廠建設項目依靠引進外資和全套技術設備，水廠工藝自動化水平高，但設備和控制系統投資很大。中小水廠自動化的設計、工程服務以國內為主，但系統中關鍵技術和設備仍以引進國外產品為主，在設備選型及工程服務上采取國內與國外相結合的辦法。這種辦法不但大大降低了水廠在自控系統中的投資，而且實現了工程售后服務的本地化，有利于該行業的長遠發展。
我國水廠自動化控制系統的發展過程可分為三個階段：第一階段是分散控制階段，該階段水廠各部分分別進行自動控制，各獨立系統互不相關；第二階段是水廠綜合自動化階段，在該階段整個水廠作為一個綜合自動化控制系統進行生產，同時各個獨立子系統又可以獨立工作，該系統共享整個水廠的信息，同時又有分散控制的可靠性?，F階段大部分水廠處于此階段；第三階段是供水系統的綜合自動化階段，該階段要求在一個區域的供水企業共享信息，實現整個城市或地區供水系統的自動控制。目前我國的中小型水廠大部分處于第一或第二階段，只有很少大型水廠達到了第三階段。在國外，如加拿大、美國等發達國家基本實現了供水系統的全自動化，而且開始進行分質供水，把自來水中生活用水和直接飲用水分開，另設管網，直通住戶，實現飲用水和生活用水分質、分流，達到直飲的目的，并滿足優質優用、低質低用的要求，同時對水廠內部的自控系統也在不斷地進行改進和提高。
二、變頻節能技術在水廠中應用的重要性
在水處理行業中，普遍存在著用水量變化較大的問題，在不同的季節、不同的時段，用戶用水的需求量有很大的差別，存在著明顯的用水高峰特征，因此水處理廠供水系統的給水壓力需要隨用戶的用水需求量變化而變化。在低峰時，如果水泵機組按高峰期的用水量運行，雖可通過調節閥門來滿足用水需求，但供水能量損耗大，而且還會影響機組的正常運行。因此，根據用水需求自動控制水泵機組運行，且實現節能，是水廠自動化技術的一項重要內容，因此變頻調速的恒壓供水系統孕育而生。
變頻調速是一項有效的節能降耗技術，其節電效率很高，幾乎能將因設計冗余和用水量變化而浪費的電能全部節省下來。變頻調速控制技術，是指以變頻調速原理為基礎，在保證供水可靠性的前提下，根據供水系統用水量的變化情況，自動調整水泵工況，使之始終盡可能地在高效區間內運行，以達到降低能耗、提高效率的目的。這一技術是比較科學，可靠性較高的一種調節水泵工況的方式。它具有調速精度高、功率因數高等特點，使用它可以提高產品質量、產量，并降低物料和設備的損耗，同時也能減少機械磨損和噪音，改善車間勞動條件，滿足生產工藝要求。
變頻器是一種以變頻調速技術為基礎通過改變頻率來調整電機轉速的工業裝置。作為一種先進的調速裝置，變頻器不但調速范圍廣、可靠性高、操作與維護方便，而且節電效果明顯。在水處理行業變頻器具有廣闊的發展前景，有關其應用研究也一直得到相關工程領域的重視。應用變頻器來實現變頻節能供水，可以采用恒壓變量或變壓變量兩種方式來實現。恒壓變量供水系統通過調整變頻器轉速（即供水流量）來保證供水壓力不變，該系統技術比較成熟，應用廣泛。變壓變量供水系統則根據用戶用水量的變化同時調整變頻器轉速（即供水流量）和供水壓力，很明顯該方案節能效果更好。但是由于水頭損失等受各種因素影響，難以準確確定，實際應用的很少。
三、水廠變頻供水系統供水裝置設計
1、邏輯電子電路控制方式
這類控制電路難以實現水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調節。往往采用一臺泵固定于變頻狀態，其余泵均為工頻狀態的方式。因此控制精度較低、水泵切換時水壓波動大、調試較麻煩、工頻泵起動有沖擊、抗干擾能力較弱，但成本較低。
2、單片微機電路控制方式
這類控制電路優于邏輯電路，但在應付不同管網、不同供水情況時調試較麻煩，追加功能時往往要對電路進行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不是很高。
3、帶 PID 回路調節器和/或可編程序控制器（PLC）的控制方式
該方式下變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現電機的無級調速，從而使管網水壓連續變化。傳感器的任務是檢測管網水壓。壓力設定單元為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經可編程控制器內部 PID 控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入 PID 回路調節器，由 PID 回路調節器在調節器內部進行運算后，輸入給變頻器一個轉速調節信號。
由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或 PID 回路調節器給出的，所以對可編程控制器來講，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口處另接一塊 PWM 調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為控制器的輸入信號，這樣不但成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/輸出的可編程控制器和一個PID 回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID 控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。
4、新型變頻調速供水設備
針對傳統的變頻調供水設備的不足之處，不少生產廠家近年來紛紛推出了一系列新型產品。這些產品將 PID 調節器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于 PID 運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對 PID 算法的編程，而且 PID 參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID 調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略微高一點，但功能卻強很多，所以采用帶有內置 PID 功能的變頻器生產出的恒壓供水設備，降低了設備成本，提高了生產效率，節省了安裝調試時間。在滿足工藝要求的情況下應優先采用。
總之，變頻供水方式從運行原理及運行過程分析方面探討，可以看出此供水方式具有節能的優點，但具體問題需要具體分析，在變頻恒壓供水系統的設計過程中需要注意許多設計要點，否則無法取得預期的節能效果。
參考文獻：
[1]黃立培， 張學. 變頻器應用技術及電動機調速. 北京：人民郵電出版社，2007.
篇3
1引言
隨著城鎮化建設的不斷發展，我國城市規模不斷擴大，對相關的配套設施提出了更高的要求。供水行業是各項生產和生活用水的基本保障，不斷優化和完善供水系統成為供水企業的重要研究課題。從目前情況分析，一些在運行的供水泵的自動化水平較低，供水效率也比較低，同時存在較大的能耗，在一些供水企業或者社區存在著水資源浪費現象，進一步造成了經濟損失。而變頻技術是一種高效調速技術，通過調整電流實現對電動機運行速度的調節，具有高頻化、數控化、集成化的應用功能特點，在供水系統中能夠發揮良好的節能降耗效果，有利于供水行業經濟效益和社會效益的最大化。
2變頻調速技術簡介
2.1變頻器
變頻器根據需要將工頻電源轉為不同頻率的交流電源，從而實現對電動機的變頻調速。變頻器的組成主要包括整流器、中間電路、逆變器以及周圍的電路等幾部分，如圖1所示，其中整流器能夠對電網中的交流電源進行整流，實現交流變直流，中間電路則是對整流器輸出的電源進行平滑濾波，并傳輸給逆變器，逆變器作為變頻器的核心部件，需要完成直流變交流的逆變工作，為電動機提供所需頻率的交流電源[1]。目前，新型變頻器都配置了通信接口，對各種檢測到的信號和參數進行采集，實現上位機與變頻器之間的通信功能，可以實現對輸入信號的處理以及運行指令的下達，在需要高精度控制時，可將反饋信號反饋到變頻器，構成閉環系統。以變頻器為基礎的變頻技術在各個行業得到推廣，充分發揮了其節能降耗、自動化控制、質量提高、減小維修、提高適應性等優勢。
2.2變頻技術
變頻技術的基本原理就是通過調整電源的頻率實現對電動機轉速的控制。交流電動機主要包括同步電動機和異步電動機，其轉速表達式為：n=60fp（1-s）；其中s=n0-nn0，式中n表示轉子速度，n0表示電機同步轉速，s表示轉差率，f表示電源頻率，p表示電機極對數，通過公式我們可以發現，電源頻率、極對數、轉差率三個方面的改變可以實現電機的轉速改變，其中變頻調速是最穩定和簡單的調速技術，這就需要發揮變頻器的變頻技術，實現對電動機的調速。在水泵等設備中，變頻器主要采用VVVF控制方式，即保持電壓和頻率的比例系數不變，即改變電源頻率的同時，對輸出電壓進行有效控制，從而保障電動機的磁通不變，這種變頻調速技術叫作恒U/f控制。
3變頻技術在供水系統中的應用
3.1水泵調速方案的選擇
供水系統中的水泵運行過程中，輸出揚程H和電機轉速的平方形成正比例關系，在水流量為零的情況下，供水管道內部也要保持一定的水壓。供水系統中的水流量隨著用戶用水量而產生變化，具有一定的隨機性，因此，針對水泵電機主要通過控制水壓實現供水控制。水泵也是一種減轉矩負載，轉矩與轉速的平方成比例，轉速降低，轉矩也會減小，因此變頻器可以通過SF模式實現對水泵轉矩的調節。供水系統往往應用變頻技術實現恒壓控制，在這個過程中要求水壓連續可調，可以通過PID調節器建立壓力閉環控制結構，但是在保持電機動靜態品質方面存在不足。這時候還可以采用內環為速度閉環的SF控制系統，改善恒壓供水系統的整體性能[2]。
3.2變頻恒壓供水系統設計
基于變頻技術的恒壓供水系統結構如圖2所示，應用PID調節器和變頻器形成一個閉環控制系統，對系統的動態響應進行優化和改善，進一步提高供水系統的控制準確度。在變頻恒壓供水系統中，SF變頻器調速控制系統為一種內環控制，在系統運行過程中，首先要啟動主泵，供水管網中的水壓需要達到設定數值，同時變頻器的輸出穩定在特定范圍。當用戶的用水量增加時，管道內的水壓就會降低，壓力變送器采集該信號，并傳送給比較器，比較器將該壓力數值與給定的壓力數值做比較，將差值輸入到PID控制器，經PID處理的數值再傳入SF控制變頻器，作為轉差給定值，進而調整電動機的轉速，實現對管道水壓的調節，使其回復給定數值，系統穩定持續運行。在用水量增加過多的情況下，主泵的供水量難以實現閉環控制效果，則需要啟動備用泵，如果用水量減少，也可以實現備用泵的自動切除。因此，在供水系統中應用變頻器可以根據水壓信號實現雙位控制，進而保證供水質量。
4變頻技術在供水系統中的應用效益
利用變頻技術對供水系統進行全流量恒壓控制，能夠取得良好的運行效益，主要包括以下幾點：第一，高效節能，變頻恒壓供水系統可以根據水壓設定值，在水壓發生變化時對水泵轉速進行自動調節，從而保障供水效率，進一步減少電能損失；第二，供水壓力穩定，系統采用的是閉環控制方式，能夠根據系統水壓和壓力設定值差值進行自動調節，使得系統壓力保持恒定，流量連續可調；第三，PID調節功能實現自動運行，通過壓力傳感器反饋的信號，進行相應的調節，并利用PLC技術進行壓力值和PID相關參數的設定，通過PLC運算功能實現相關數據分析和處理，并且程序可以根據用戶需求靈活調整；第四，“休眠”功能，系統運行時經常遇到用戶用水量較小或不用水的情況，為了節能，系統具備可以使水泵具有暫停工作的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于下限時，變頻器停止工作，當變頻器頻率達到設定啟動值后啟動水泵運行；第五，延長電機、水泵使用壽命，各泵均為軟啟動，消除了全壓啟動時的沖擊電流，延長了設備的使用壽命，采用各泵循環軟啟動，促使各泵不會因長久不用而生銹或頻繁使用而磨損[3]。
5結語
總而言之，變頻技術是一種高新節能調速技術，應用在供水系統中，表現出良好的調速性能和節能效果，并且控制操作安全可靠，還能夠根據用水量實時調節供水系統。各大水廠或供水企業需要根據具體區域的供水需求，積極應用變頻技術實現供水系統控制功能的優化和完善，同時要做好變頻器的維護和保養，使得變頻技術能夠在供水行業發揮更大的應用價值。
【參考文獻】
【1】易亞軍.變頻技術在供水系統中的應用[J].城鎮供水,2010(03):95-97.
【2】侯?？?朱雷.變頻技術在二次供水系統中的應用[J].數字技術與應用,2012(05):102.
篇4
關鍵詞：變頻調速 供水系統 變頻恒壓
1 概述
變頻調速恒壓供水控制裝置能夠極大地改善給水管網的供水環境，該系統可根據管網瞬間壓力變化，自動調節水泵電機的轉速和多臺水泵電機的投入及退出，使管網主干出口端保持在恒定的設定壓力值，整個供水系統始終保持高效節能和運行在最佳狀態。
河北省節能技術服務中心應用微機控制變頻調速恒壓供水控制系統，為很多家企事業單位安裝了變頻恒壓供水控制裝置。收到了較好的節能效果。
2 水泵變頻調速節電原理
異步電動機采用變頻器調速的原理是：通過整流橋將工頻交流電壓變為直流電壓，再由逆變橋變換為頻率可調的交流，作為交流異步電動機的驅動電源，使電動機獲得無級調速所需的電壓、電流和頻率。
水泵供水系統具有管網特性曲線，即通道管網的流量與所消耗的能量之間的關系曲線，它同時表明水泵的能量用來克服泵系統的水位及壓力差，液體在管道中流動的阻力。
水泵運行工作點位置與水泵負載有關，在水泵負載經常變化的情況下，水泵不能總處在高效區域里工作。為使水泵適應外界負載變化的要求。我們可采用變速調節，即在管網特性曲線基本不變時，采用改變水泵轉速來改變泵的q—h特性曲線。從而改變它的工作點，達到即改變流量又能保證水泵恒定和輸入功率減少的目的。如圖1。
圖1 水泵變速運行圖
根據水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉速之間關系為：
式中p1、h1、q1為轉速n1時的功率、揚程、流量；p2、h2、q2為轉速n2時的功率、揚程、流量。由此可見，當水泵在變負荷工作情況下，采用變頻器調節水泵電機轉速時，軸功率隨轉速比的三次方關系進行變化，節電效果明顯。
3 白樓賓館供水泵組工作的現狀與問題
石家莊市白樓賓館水泵房現有供水水泵三臺，型號為65dl-4，額定揚程64m，流量30m3/h，轉速1450r/min，電機功率11kw，沈陽馬二家水泵廠生產。
由于賓館用水水量極不穩定，早、晚用水高峰常常是平時用量的二倍，而后半夜用水水量僅為平時用量的三分之一，而且用水流量變化快，穩壓時間短。
目前，采期電接點壓力表控制各泵的啟停，但當用水負荷變化較大的，水泵電機啟停頻繁，造成電動機及控制開關故障頻繁，而且供水壓力不穩定。
根據以上情況，我們給三臺水泵采用一套變頻調速恒壓供水控制裝置。在保證供水管網壓力恒定的情況下，根據水流量的大小實現三臺水泵的循環軟啟動，圓滿地解決了白樓賓館供水系統不穩定的大問題。
4 變頻恒壓供水系統的設計
針對白樓賓館供水泵組存在的問題和用水負荷的實際情況，我們設計采用11kw富士變頻器，壓力傳感器，微電腦控制器(包括pid調節)等組成閉環調節垣壓控制系統， 使水泵恒壓供水，其供水壓力可調。
4.1 供水控制系統組成方框圖
圖2 系統框圖
4.2 工作原理
如圖2所示，控制器給定水泵管網一供水壓力值，變頻器根據此值輸出一定頻率的交流電源至水泵電機，拖動水泵穩定運行，并輸出與壓力對應的供水流量，保證水泵管網的壓力與控制器的給定壓力平衡。壓力傳感器時刻檢測管網壓力，并反饋至控制器，控制器根據反饋壓力與給定壓力的差值，控制變頻器的輸出頻率，實現電機的速度調節，改變水泵流量，保證供水管網壓力始終穩定在給定值附近，實現了變頻調速恒壓供水系統的閉環調節。3臺泵在控制器控制下，均由變頻器實現軟起動。
5 變頻調速后的節能效果及分析
白樓賓館采用變頻調速恒壓供水系統后，解決了目前 存在的供水管網系統水壓不穩定，設備故障頻出等問題， 取得了良好的節能效果和經濟效益。
5.1 直接經濟效益
目前的控制方式下,三臺泵平均輸入功率20kw,供水壓力3.7～5.8kg/cm2,年耗電175200kwh,按0.5元/kwh計算,每年電費9.6萬元。采用變頻恒壓供水控制裝置后,三臺泵平均輸入功率16kw,供水壓力4.5kg/cm2,年耗電140160kwh,電費7.7萬元,年節約電費開支1.9萬元。該項目改造投資3.2萬元。
由此可知，采用變頻恒壓供水控制裝置后，每年節約電能35040kwh，節電率20％，投資回收期1.7年。
5.2 間接經濟效益
5.2.1 按用水實際需要定壓供水，可以自動保證賓館的正常用水需要，即不會發生因瞬間用水量增加而引起的供水不足，也不會因瞬間用水量減少，管網出現超壓引起設備損壞，并且克服了原有控制方式下水壓在3.7～5.8kg之間的較大波動。
5.2.2 電機循環軟啟動，避免了在頻繁啟動時，較大的啟動電流對供電系統、配電設備和電機的沖擊，延長了電氣設備、水泵及管網的使用壽命，減少了檢修維護費用及工作量，提高了供水安全。
5.2.3 實現閉環自動控制后，提高了供水質量，減輕了勞動強度，可實現無人值班，節約管理費用。
6 結論
篇5
引言
渭南市臨渭區地處關中平原東部，渭河將其分為塬區、城區和渭北。由于渭北大部分地區屬于苦咸水區，地下水及地表水都不宜飲用， 1987年，中、省、市對渭北飲改水工程進行了總體規劃，并實施了渭北北移民安置區飲改水工程。渭北供水服務總面積728平方公里，轄10個鎮、224個行政村，服務人口40.07萬人，下轄辛市、官道、下吉、侯家、南師、等12個供水管理站及小什、什馬等8個村級供水站，各供水管理站具體負責飲改水工程的供水及日常維護。其中，侯家站作為東、西兩大干管的分界點，在肩負著東線供水任務的同時，兼顧給西線供水（正常情況下，西線由另一水源供水），在整個渭北飲改水工程中的地位十分重要。為了能夠給渭北農村群眾提供更好的供水服務，我局將變頻恒壓供水的原理應用于侯家站。
1 變頻恒壓供水原理概述
變頻控制恒壓供水系統是在管網的主管出口處安裝壓力變送器，變送器將主管出口處壓力變換為4--20mA直流信號，作為調控參數送入恒壓供水控制器，控制器上可以設定正常運行時系統工作壓力，控制器將兩個壓力信號進行比較，其差值由控制器作PID運算，然后輸出一個模擬量信號給變頻器，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵轉速，改變水泵的出水量，維持管網出口壓力穩定在設定的壓力值上，實現恒壓供水。
近年來，隨著交流變頻技術的成熟，變頻恒壓供水控制系統以其節能、高效、安全的供水特點，在農村飲水安全工程中得到廣泛應用。變頻恒壓供水系統實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。不論是設備的投資、運行的經濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢，而且具有顯著的節能效果，是當前最先進、合理的節能型供水系統。
2 候家站變頻恒壓供水原理
圖1給出了侯家站供水管網示意圖。侯家站管網有兩個出水口，在實際運行過程中，需要實現兩個出水口同時出水或單獨出水，并要達到自動化控制。為滿足這種供水需求，在實際中設置了閥門，利用控制設備和閥門的配合實現以上供水要求。
圖1 侯家站供水管網示意圖（注：從左到右依次為1至7號電機）
2.1 變頻恒壓供水一拖四
在閥門F1、F3關閉，閥門F2打開的情況下，實現恒壓供水一拖四控制。運行時，四臺電機由PLC實現恒壓供水一拖四起停控制，其中一臺電機由變頻器控制，另外，三臺電機分別由三臺軟啟動器控制。
2.2 變頻恒壓供水一拖三
在閥門F1、F2關閉，閥門F3打開的情況下，此時實現恒壓供水一拖三控制。運行時，三臺電機由PLC實現恒壓供水一拖三起停控制，其中一臺電機由變頻器控制，另外，兩臺電機分別由三臺軟啟動器控制。
2.3 變頻恒壓供水一拖七
閥門F1、F2和F3全部打開的情況下，此時實現恒壓供水一拖七控制。將一拖四和一拖三合并在一起控制將實現一拖七控制。
3 系統框圖及工作過程
3.1 系統框圖
3.2通過轉換“手動/自動”開關實現手動、自動模式切換，選擇自動模式時，有三種控制模式可選擇，模式一是一拖四、模式二是一拖三、模式三是一拖七。
3.2.1手動控制模式。用戶可以手動起動變頻器和軟起動，實現獨立控制七臺水泵的起停。并通過面板上的旋鈕電位器手動調節變頻器的輸出頻率，從而達到對水泵出水量的控制。手動方式一般在調試時使用，用來檢查水泵運轉情況。
3.2.2自動控制模式。選擇模式一時，實現恒壓供水一拖四控制。自動狀態下，首先由變頻器控制1#水泵起動，用戶只需要更改觸摸屏上的設定壓力值，PLC就可以根據采集的實際壓力調節變頻器輸出頻率，從而控制1#水泵的實際轉速。當實際用水量較大，管網壓力降低，即反饋壓力低于設定壓力時，變頻器輸出頻率增大，1#水泵轉速增加，管網壓力就增高;反之亦然，調節水量以保持管網壓力恒定在設定值上。當用水量增加，變頻器的輸出頻率保持上限（50HZ）一段時間，系統壓力值仍然達不到壓力設定值，即一臺水泵不能滿足當前用水量時，系統自動軟起動2#水泵，起動完成后，2#水泵工頻運行，同時實時調節1#水泵轉速以維持總管網的壓力恒定。當兩臺水泵滿轉運行仍舊不能滿足供水需求，起動3#水泵，其它水泵控制原理相同。
當用水量降低時，如兩臺水泵同時運行，供水量大于用水量，管網壓力增加，變頻器的輸出頻率下降，如果輸出頻率保持下限頻率一段時間，管網壓力仍舊不能恢復到設定值，則系統自動停止2#水泵工作，從而維持管網壓力恒定并達到節能的效果。
其它水泵的投切與上述原理相似。投切順序先起先停。
選擇模式二時，實現恒壓供水一拖三控制。
選擇模式三時，實現恒壓供水一拖七控制。
4 系統性能及特點
4.1智能化程度高，操作簡便。供水過程中可根據需要進行手動、自動操作，供水壓力、壓力上下限值、PID值等參數自行設定，能夠滿足多數供水場合的需要。供水運行可靠，操作簡便，維護工作量極少;
4.2供水恒壓控制精度高。機泵切換過程實現無極切換，供水壓力波動小，對管網、電機、水泵等供水設施的沖擊小，延長了設備壽命;
4.3保護功能完善，安全性能高。系統具有完善的電氣安全保護功能，對過流、過壓、過載、缺水等故障均能報警并保護;
4.4 系統適應性強，能耗低。系統能適應從0到最大用水量的工作狀態，且系統都工作在最佳狀態，最大限度的降低了能耗，節約了供水成本。
5 注意事項及措施
5.1 最大程度的減小外界電磁干擾。
解決辦法：首先，在這些控制信號線的外層接屏蔽線，并在控制器的一邊或者變頻器的一邊選取一點作為屏蔽的接地點，以提高系統的抗干擾能力，如果屏蔽線在兩端都接地，會使屏蔽線上產生電勢差，形成新的干擾。其次，將模擬信號線和動力線分別走線，也能提高系統的抗干擾能力。
5.2避免形成系統震蕩。
解決辦法：一是選擇合理的壓力采集點，盡可能的避免出口流速對管網壓力的影響，一般選取在離水泵出水口較遠的地方。二是根據電機功率合理設置控制器的加速時間，一般情況下，電機功率越大，其加減速時間也就越長。三是控制器和變頻器的加減速時間要一致，控制器的加減速時間設定應大于或等于變頻器加減速時間。
參考文獻：
[1]康會峰，黃新春，王元.基于DSP的變頻恒壓供水模糊控制系統應用.《電機與控制應用》.2010年5期
篇6
關鍵詞：PLC；變頻恒壓；供水系統
引言
在當今社會的各個領域中都離不開供水系統，實現高效、經濟、穩定供水已經成為眾多領域關注的焦點。隨著科學技術的成熟，如何改善傳統供水壓力難以穩定、設備浪費、供水安全事故等不良F象已提上日程。所以，本文充分結合現代科學技術，設計了一套基于PLC的變頻恒壓供水系統。
1 控制系統的基本原理
該變頻恒壓供水系統設計主要是為了滿足以下要求：
（1）保證供水時壓力恒定，并且在進行換泵時水壓波動要小。
（2）有2臺運行，1臺備用水泵，運行水泵與備用水泵每10天進行一次輪換。
（3）利用管網壓力傳感器實現變頻器的速度以及工頻運行、變頻運行的控制。
（4）當水泵工頻運行的時候，由熱繼電器對電動機的過載進行保護，注意要有報警信號指示。
該系統是利用壓力變送器FR-E700三菱變頻器、PIC、A/D模塊以及水泵等共同形成的一個閉環控制系統。水泵的節能優化控制主要是通過PIC對水泵運行的臺數及其運行速度進行調整實現的，不但可以穩定水壓，還可以充分節約電能，其供水系統的原理如圖1所示。
2 控制系統的整體設計
2.1 硬件設計
在本閉環系統中，采用圖2所示的恒壓供水系統主電路接線方式。
如圖2所示，電動機M1由接觸器KM2控制，其變頻運行由接觸器KM1控制；電動機M2由接觸器KM4控制，其變頻運行由接觸器KM3控制；電動機M3由接觸器KM6控制，其變頻運行由接觸器KM5控制。變頻器的啟動由PLC的輸出端子Y0控制。熱繼電器FR1用于M1的過載保護；熱繼電器FR2用于M2的過載保護；熱繼電器FR3用于M3的過載保護。
圖3給出了該變頻恒壓供水系統的PLC接線圖。
接觸器KM1的線圈由Y1控制；接觸器KM2的線圈由Y2控制；接觸器KM3的線圈由Y3控制；接觸器KM4的線圈由Y4控制；接觸器KM5的線圈由Y5控制；接觸器KM6的線圈由Y6控制?？紤]到電動機中可能出現短路現象，為應對這種情況的發生應當注意設計電氣互鎖，為此可以在接觸器KM1、接觸器KM2的線圈內串聯對方的常閉觸頭。
2.2 軟件設計
當變頻恒壓供水系統在啟動運行時，1#泵的交流接觸器就會進行吸合，從而使得電機和變頻器之間互相連通，這時變頻器的輸出頻率將會由0Hz逐漸上升至所設定的頻率。假使在用水高峰時期，管網中的水壓值過于偏低，但是變頻器的頻率值以已經設置至上限的時候，此時，變頻器的OL端就會輸出頻率上限的信號，這樣PLC就會按照信號讓KM1斷開而使KM2吸合。這樣1#水泵的工況就會由變頻轉變為工頻，而此時KM3也會發生吸合，2#水泵將會啟動并處于變頻運行狀態。反之，假使是在用水低谷時期，這時變頻器的運行頻率通常偏低，管網中的水壓值處于過高狀態，變頻器的OL端就會輸出頻率下限信號，這樣PLC就會按照信號讓變頻泵停止運行，而另一臺水泵的工況就會由工頻運行轉變為變頻運行。
2.3 仿真與調試
欲達成恒壓供水的目標，則應該充分利用過程控制，而PLC則應當作為控制的中心，對壓力及流量變送器所反饋的信號進行實時檢測，從而對水管中的壓力進行有效控制。通過此方法還可以經計算得到水泵輸出流量和每棟樓流量的關系，由此很容易檢測出管道中是否存在水的泄漏，并可以將相應的處理結果在觸摸屏上顯示出來。在專家控制模式下，可以通過控制信號、水管壓力、流量計算以及電流感應模塊的輸出信號對故障進行判斷，如果有故障出現，那么有關故障點的報告將會顯示在觸摸屏上，同時系統會發出相應的警報。并且在這種情況下，系統通常會自動切斷主線的電源，使工作的水泵停止運轉。
3 結束語
本文充分利用現代變頻技術，設計了一套基于PLC的變頻恒壓供水系統，該系統不僅能夠保證穩定供水，提高系統安全性，還具備可靠的故障自診斷功能，實用性能良好。
參考文獻
篇7
【關鍵詞】變頻器；PLC；恒壓供水
1.引言
隨著變頻調速技術的發展和人們對生活用水質量的提高，變頻恒壓供水系統取代了傳統的供水系統，已普遍用于居民用水系統。目前，國內大多數企業仍使用傳統恒壓泵進行切換加壓的供水方式，水壓不穩，而且造成能源浪費。所以，開發可靠性高，價格優廉、控制性能好的恒壓供水系統具有很高的實用價值。變頻恒壓供水方式與過去水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢，而且具有節能效果。目前變頻恒壓供水系統正向著高可靠性、全數字化微機控制、多品種系列化的方向發展。本文采用PLC和變頻器實現恒壓供水控制系統的設計[2]。水壓波動小，運行平穩。是當今先進合理的節能供水系統。
2.變頻調速恒壓供水系統結構及原理
系統采用兩水泵進行供水，選用FRENIC 5000G11S變頻器，PLC選用歐姆龍小型PLC[3]，變頻調速控制是恒壓供水系統的核心，系統由變頻器控制水泵將水直接加壓或減壓送至管網出口，根據測得的管網出口處的壓力，由壓力傳感器將壓力信號送入PID調節器，PID調節器根據壓力設定值與壓力實際值的偏差，對壓力進行PID調節，輸出頻率給定信號IRF（4～20mA）給變頻器，變頻器根據頻率給定信號IRF控制水泵的轉速，并在PID調節器上設定壓力的上下限，PID將此信號送入PLC控制器，從而實現兩臺水泵之間的工頻、變頻的切換。其系統原理圖如圖1所示：
圖1 恒壓供水系統原理圖
3.恒壓供水系統設計
3.1 主電路設計
系統采用手動和自動兩種控制方式，PLC首先使主水泵變頻啟動，壓力傳感器將母管壓力反饋給PLC，與預先設定的給定壓力比較，通過PID運算，調節變頻器的輸出頻率[4]，以維持水壓恒定。若用水量大到1臺水泵全速運行也不能達到給定壓力時，PLC將該水泵由變頻運行投入到工頻運行，同時將另一臺水泵投入到變頻運行，增加管網供水量以保證壓力穩定。當用水量減少時，PLC首先將工頻運行的泵停掉，減少供水量，整個系統保證變頻運行時只有1臺泵變頻恒壓供水。系統采用變頻泵循環方式，以“先開先關”順序關泵，既保證了系統有備用泵，又有效的防止備用泵長期不用出現“繡死”現象。系統主電路圖如圖2所示：
圖2 系統回路圖
3.2 控制電路設計
控制電路如下圖3所示，SB1控制系統的啟動，SB2控制系統的停止，當水泵出現過載時，A5燈亮。當變頻器出現故障時，A6燈亮。A1、A2分別為泵1的變頻、工頻運行指示燈，A3、A4分別為泵2的變頻、工頻運行指示燈。其PLC控制器的I/O點數分配如表1所示：
表1 I/0點數分配
輸入 輸出
啟動按鈕 0002 泵1變頻控制 0500
停止按鈕 0003 泵1工頻控制 0501
壓力上限信號 0004 泵2變頻控制 0502
壓力下限信號 0005 泵2工頻控制 0503
變頻器故障信號 0006 泵過載指示燈 0504
變頻器故障報警指示 0505
圖3 系統控制回路圖
4.PLC控制流程圖設計
根據恒壓供水操作要求，PLC控制系統要隨時監控自來水以及供水口的情況來決定是否要起動水泵，PLC控制程序設計的主要任務是接收各種外部開關量信號的輸入，判斷當前的供水狀態、輸出信號去控制繼電器、接觸器、等的動作，進而調整水泵的運行。PLC和變頻器是本系統的核心部分，系統穩定運行的關鍵取決于PLC程序的合理性和可行性以及變頻器參數的設定。本系統采用手動或自動兩種工作方式，系統啟動后，泵1首先進人變頻運行，當檢測到壓力上限信號時，變頻泵切換為工頻，啟動另一臺泵變頻運行，當檢測到壓力下限信號時，工頻泵切除，僅變為變頻泵工作，系統設計程序流程圖[5]如圖4所示：
圖4 變頻恒壓供水系統設計流程圖
5.結論
由OMRON C系列小型PLC控制器結合富士FRENIC 5000G11S系列變頻器和壓力傳感器組成的恒壓供水系統，達到恒壓供水的目的，實現真正意義上的無人值守的起閉、循環切換水泵。由于變頻器具有軟啟動的功能，消除了啟動大電流對電網的沖擊，從而延長泵的使用壽命。該系統可廣泛應用于工業供水、生活供水、消防供水、集中供熱等供水系統。實際運行情況證明了本系統具有可靠性高、自動化程度高、便于維護和高節能性等特點，具有很大的應用價值。
參考文獻
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篇8
關鍵詞：PLC；恒壓供水；自動控制系統；設計要點
引言：隨著對住宅小區和企事業單位供水質量要求的不斷提高，傳統的水塔式供水方式和直接水泵加壓等供水方式已經不能滿足人們生產生活的需要。由于用戶用水在高峰和低谷時用水量相差很大，不利于設備的經濟運行，降低了供水設備尤其是電機的使用壽命，浪費了大量的電能。隨著變頻調速技術的不斷發展，恒壓變頻供水設備開始應用到多層住宅小區及企事業單位的供水，提高了供水質量，節約了大量電能。下面以一個住宅小區的變頻恒壓供水設備為例，介紹變頻調速技術的恒壓供水自動控制系統。
一、工程案例分析
廣東廣州市某住宅小區共有住宅樓15 幢，最高為9層，每幢由兩根DN50 水管并聯供水，進入小區總管為一根DN100 水管。設計流量為40t/h，需增補揚程20m，以保證出水壓力達到0.31MPa。
二、恒壓供水系統的組成及工作原理
1、恒壓供水系統
小區的恒壓供水系統由2 臺變頻電機拖動的水泵機組、1 臺泵類專用變頻器、1 臺可編程控制器PLC，再加上電磁閥、壓力傳感器等組成，如下圖1 所示。
該系統的工作過程如下：蓄水池隔離市政的自來水網和小區供水系統，起到一定的緩沖作用。小區供水系統由2 臺水泵機組加壓供水。系統啟動時，變頻器控制1 臺變頻電機低轉速啟動，通過變頻器逐步提高水泵轉速，出水口壓力傳感器將水壓信號反饋給PLC 從而調節變頻器輸出頻率，如果第1 臺電機傳速調節到最高時出水口壓力仍然達不到設定值，則需要增加另一臺水泵。增加水泵時，首先將第1 臺水泵從變頻器供電通過接觸器組轉換到由電網直接供電，即由變頻轉換到工頻。然后通過變頻器控制第2 臺變頻電機軟啟動，逐步增加第2 臺電機的轉速，直到出水口的水壓達到設定值。當用戶的用水量較小時，1 臺電機就可以滿足水壓的要求，用水高峰時，2 臺電機同時投入運行。2 臺電機互為備用，大大提高了系統的可靠性，而且在用水低谷時，還可以對電機進行必要的維護檢修。
2、采用PLC 控制的變頻調速恒壓供水系統有以下優點：
⑴供水質量提高，水壓穩定，得到了用戶的肯定。
⑵操作控制簡單。通過PLC 和變頻器還可實現對系統的過流、過熱、過壓、短路等保護功能。減輕了設備維護人員的勞動強度，延長了設備的壽命。
⑶節約資源。變頻器的容量小于系統的總容量，大大降低了電控系統的造價。同時由于采用了變頻調速技術，電能消耗大為減少。
三、恒壓供水自動控制系統的設計要點
1、啟動階段自動控制系統的設計
系統開始工作時，壓力傳感器將水壓信號送到PLC控制器，開始時水壓低于設定值，啟動升速程序。把第1臺電機接入變頻器輸出電路，變頻器初始輸出頻率為35Hz，電機低轉速啟動，控制水泵電機逐漸升速，同時管網電壓上升。當水壓達到設定值時，變頻電機在此頻率下穩定運行，進入穩定運行狀態，并保持水壓恒定。若變頻電機頻率達到電網工頻時，水壓還未達到設定值，此時PLC 給出信號至接觸器組。接觸器組將第1 臺電機切換至工頻電網，同時發出指令使第2 臺電機接入變頻器，變頻器輸出頻率為35Hz，第2 臺水泵啟動并調速至水壓的設定值，達到穩定運行狀態使水壓保持恒定。
2、穩定運行狀態的自動控制系統設計
進入穩定運行狀態后，控制系統框圖如下圖2 所示。
為了防止各種擾動如用水負荷的波動對水壓造成的影響，壓力傳感器將管網水壓信號與給定水壓比較后通過PID 環節送至變頻器，調節變頻器的輸出頻率從而保持水壓的穩定。傳統的PID 調節器算法為：
關于P 值，I 值，D 值的設定可采用在經驗值指導下的測試法，力爭短時間內完成參數設定，避免對外界和設備本身造成不良影響。設定的依據：增益P 值大，反應快，有利于減少靜態誤差（即供水管網的實際壓力與恒壓給定值的差值），但是P 值過大，系統將產生振蕩，穩定性變壞。積分I 值越小振蕩作用越強烈，應適當增大I 值，減少振蕩，使系統更加穩定，但是積分時間太長又會發生當實際管網水壓急劇變化時難以迅速恢復的情況，系統的動態響應變差。微分D 值時間愈短，微分作用愈弱，減少D 值，有利于減少調節時間，克服因積分時間太長而使系統恢復時間過長。P，I，D 經驗值和參數設定依據，在測試過程中依照先比例后積分的原則對系統進行在線調試。依據筆者多年的經驗，確定了參數的大致范圍：當P 參數設定為1.4，I 參數設定為20，D 參數設定為0.5 時，效果較令人滿意。應注意本文給出的僅是參考值，在PID 產生的控制作用中，某部分的減少往往可由其他部分的增大來補償，因此不同的設定參數完全可得到同樣令人滿意的控制效果。
對于居民小區，用水高峰集中在早、中、晚3 個時段，而在深夜則用水量處于低谷。改變不同時段的壓力給定值，則更能起到節能的作用。每個時段內的壓力給定值是根據日用水量變化情況設定的。在PLC 控制程序中根據時段的不同，設定不同壓力值，在深夜，給定值小些；在用水高峰期，給定值大些。工作時，控制程序按不同時段自動給出壓力給定值，無需人工干預。
3、加泵、減泵控制
當變頻器輸出頻率最高水壓仍不能滿足要求，則需要進行加泵操作。第1 臺電機由變頻到工頻的轉換，時間應盡可能短。因為電機脫離變頻后，在水壓的作用下，電機轉速下降很快，轉換時間過長，會導致電機啟動電流增加。同時第2 臺電機接入變頻器啟動。如果兩臺電機同時運行時，由于用水負荷減小，第2 臺電機轉速調到最低，實際管網壓力仍然超出設定值，則進行減泵操作。將第1 臺電機從電網斷開。為了防止出現反復加泵、減泵的現象，在PLC 程序設計中，引入滯環控制。程序中加泵、減泵的切換設定值不是剛好等于設定值，加泵時設定值為“設定值-”，減泵時設定值為“設定值+”。的大小根據水壓控制精度要求而進行相應設定。
4、人機交互界面的設計
人機交互界面應當提供相應的操作控制界面，提供相應故障報警信息等。系統應當提供自動控制模式和人工控制模式兩種。在自動控制模式下，如果發生停電或其他意外情況使水泵停機，系統能夠在下次供電時重新啟動。這樣，供水站平時就可無人值守，有利于減輕工作人員的勞動強度，節約勞動力資源。系統出現故障時，能夠切換到手動控制方式，保證連續供水。
四、結束語
總之，變頻恒壓供水系統是值得大力推廣的一項技術，不但可應用于新建小區的供水系統，也可應用到原有供水設備的改造中。實踐運行表明，該系統投入使用后系統供水壓力穩定，控制精度高，運行可靠，且具有良好的經濟效益。
參考文獻：
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【2】謝仕宏,朱曉聰,姜麗波,模糊PID 控制算法在恒壓供水系統中的應用[J].陜西科技大學學報,2007,25(2).
篇9
關鍵詞：PLC；住宅小區；變頻恒壓；供水系統
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）35-8168-04
黨的十已經明確提出“節能、環保，推進生態文明建設，建設美麗中國”的主要精神，在我們這個水資源和電能短缺的國家，隨著我國社會經濟的不斷發展，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，同時也對小區的基礎設施建設提出了更高的要求。傳統小區供水方式有：水塔高位水箱供水、恒速泵直接供水系統、恒速泵加氣壓罐的供水方式、變頻調速供水等方式，這些供水方式普遍存在可靠性差、效率低、自動供水系統化程度不高等缺點，難以滿足當前住宅小區生活的需要。經過變頻技術的不斷進步，現代變頻恒壓供水技術具有節能、環保和能夠提供高質量水源等特點，廣泛用于很多住宅小區及樓層較高的建筑的消防、生活供水系統中。
本文依據某住宅小區用戶對供水系統的要求，確定工控設備西門子S7-200 PLC和西門子MM420變頻器作為主要控制設備來設計變頻恒壓供水系統，并通過抄表系統實現用水量的計算，通過組態監控系統達到實時監控和遠程操作的作用，保證整個系統運行可靠，安全節能，獲得最佳的運行效果。
1 控制系統的基本要求、組成和工作原理
變頻恒壓供水系統控制的基本要求如下：①供水壓力基本恒定，換泵時的水壓波動?。虎诠灿?臺水泵，3臺主水泵，1臺輔助泵；③變頻器的速度以及工、變頻運行由管網壓力變送器來控制；④通過脈沖式水表可以完成用水量的計量；⑤通過組態監控系統實現穩定的住宅小區變頻恒壓供水控制過程。
本系統是通過閉環控制系統達到控制管道內水壓的作用，也就是根據系統輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統行為與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預期的系統性能。變頻恒壓供水系統由變頻器、水泵、PLC以及壓力變送器等構成閉環控制系統。其系統框圖如圖1所示。
針對目前住宅小區供水系統存在的問題：主要表現在用水高峰期，特別是早、晚兩個時間段，正是人們燒飯洗衣服的時候，這時管網中的水的需求量大大高于供給量，水泵提供的管道中水的壓力不斷降低，出現供不應求的現象。除了早、晚兩個時間段以外的時間，即用水低峰期，這時用水量大大降低，管網中水的需求量遠遠低于供給量，水泵提供的管道中水的壓力不斷升高，出現供過于求的現象，這樣有可能使水管爆裂，甚至損壞用水設備，造成能源的浪費。本系統主要通過西門子S7-200 PLC 對水泵進行節能優化控制，通過西門子MM420變頻器調整水泵的運行狀態和運行臺數，達到穩定水壓和節約電能的目的。系統通過壓力變送器采集管道中水壓信號，PLC采集到該信號后，由A/ D轉換模塊將采集信號值與設定值進行比較，西門子S7-200 PLC能夠進行PID控制，PID是比例、積分、微分的縮寫，比例調節的作用是能夠加快調節速度，積分的作用是減小誤差，從而消除靜差，微分的作用是改善系統的動態性能。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。供水壓力經PID調節后的輸出量將通過交流接觸器組切換后輸出給水泵的電動機，最終由PLC根據頻率變化來控制水泵的運行數量和工變頻運行狀態，以此來確保管道水壓的穩定。變頻恒壓供水系統總體結構圖如圖2所示。
2 系統的硬件設計
利用西門子MM420變頻器、西門子S7-200PLC、壓力變送器等器件構成閉環控制系統，以調節水泵的工變頻情況，實現變頻恒壓供水。
2.1 主電路電氣原理圖
變頻恒壓供水系統總電路圖如圖3所示，接觸器KM1、KM3、KM5分別控制1#電機、2#電機、3#電機的變頻運行，接觸器KM2、KM4、KM6分別控制1#電機、2#電機、3#電機的工頻運行，接觸器KM7控制輔助泵的工頻運行，PLC的模擬輸出端子M、V控制變頻器的運行。為了更好地保護電機的運行，在電路中加入熱繼電器，它的工作原理是過載電流通過熱元件后，使雙金屬片加熱彎曲去推動動作機構來帶動觸點動作，從而將電動機控制電路斷開實現電動機斷電停車，起到過載保護的作用。FR1、FR2為1#電機、2#電機過載保護用的熱繼電器，FR3、FR4為3#電機、輔助泵過載保護用的熱繼電器。
2.2 PLC的I/O分配表、接線圖和變頻器設置
本系統PLC的I/O分配見表1，系統的PLC接線圖如圖4所示，PLC的輸出端子Q0.0～Q0.6分別控制中間繼電器KA1～KA7的線圈。系統管網壓力值由外部設定，管網實際壓力信號由壓力變送器輸入到PLC的模擬輸入端A+，PLC控制變頻器，變頻器再通過接觸器線圈實現電機工頻運行或變頻運行的切換，控制水泵的運行狀態和運行數量。
本系統采用的是西門子變頻器MM420，它可以設置電動機的額定電壓、額定頻率等參數，能夠保證供水系統運行的穩定性和可靠性，具體參數設置見表2。
3 系統的軟件設計
本供水系統主要用于住宅小區生活用水，其用水量主要集中在早、晚兩個時間段，早上用水量主要集中在6點-9點這個時間段，晚上用水量主要集中在18點-22點這個時間段，除了這兩個時間段以外，平時都處于低流量狀態。與通常的工頻氣壓給水設備相比，采用變頻恒壓供水系統實現低流量時的恒壓供水節能效果可達30%。
系統啟動運行時，首先啟動輔助泵工頻運行供水，當用水量增大，當前管網壓力小于系統設定壓力時，1分鐘后，PLC通過變頻器啟動l#水泵變頻運行，同時關閉輔助泵的運行。在l#水泵變頻運行（從0Hz向上調整）中，PLC根據水壓變化進行PID調節來控制流量，維持水壓。當1#水泵變頻運行到50Hz時，如果用水量繼續增加，當前管網壓力仍小于系統設定壓力時，1分鐘后，由PLC給出控制信號，將l#水泵與變頻器斷開，l#水泵由變頻運行轉為工頻運行，同時變頻器啟動2#水泵變頻運行。系統工作于l#水泵工頻、2#水泵變頻的兩臺水泵并聯運行的供水狀態。若用水量繼續增加，兩臺水泵也不能滿足水壓要求時，將按上述過程繼續增開水泵臺數，直到滿足設定壓力。整個過程中只有一臺水泵工作在變頻狀態。
當用水量減少，當前管網壓力大于系統設定壓力時，將當前供水狀態中工作在工頻方式的3#水泵轉為變頻運行，當3#水泵運行頻率下降到0Hz，當前管網壓力仍大于系統設定壓力時，1分鐘后，將3#水泵停止，2#水泵投入變頻運行，當2#水泵運行頻率下降到0Hz，當前管網壓力仍大于系統設定壓力時，1分鐘后，將2#水泵停止，1#水泵投入變頻運行（從高頻率向下調整）直到滿足設定壓力。
當系統處于單臺主水泵變頻供水狀態時，若用水量減少，當前管網壓力仍大于系統設定壓力時，1分鐘后，關閉變頻器運行，啟動輔助泵維持供水，達到了節能的目的。
本系統采用了三臺主水泵和一臺輔助穩壓泵供水，其中只有主水泵參與變頻運行，共有10種有效供水狀態，具體如表3所示。各供水狀態之間的轉換關系如圖5所示。
設置運行和備用的轉換時間以保證所有水泵的均衡使用。PLC程序流程見圖6。
4.1抄表系統
脈沖水表是普通發訊水表加上電子采集模塊而組成，電子模塊完成信號采集、數據處理、存儲并將數據通過通信線路上傳給中繼器、或手持式抄表器。表體采用一體設計，它可以實時地將用戶用水量記錄并保存，每塊水表都有唯一的代碼，當脈沖水表接收到抄表指令后可即時將水表數據上傳給管理系統。本系統通過設計抄表程序，實現對水表脈沖的讀取和累計，并實現用水量的計算。
4.2 組態監控系統設計
本系統采用力控組態軟件進行組態設計，達到實時監控和遠程操作的作用，主要實現以下功能：
1）通過上位機能檢測 “當前工作狀態”、“1#水泵”、“2#水泵”、“3#水泵”、“輔助泵”的工作狀態；
2）通過上位機能檢測“供水管道壓力”、“水表數據”、PID“ 輸出值”，其中“供水管道壓力”能通過曲線反映出來；
3）在上位機上能通過“啟動”和“停止”按鈕控制PLC自動控制程序的啟停；
4）通過上位機能修改和設定“供水管道壓力”、“比例系數”、“積分時間”、“微分時間”，并實現穩定的變頻恒壓供水控制流程。
5 結束語
本文就某住宅小區恒壓供水的實際要求，采用基于PLC的變頻恒壓供水系統，并通過抄表系統和組態監控系統對供水系統進行實時監控與管理，保證整個系統運行可靠，安全節能。
參考文獻：
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篇10
關鍵詞：供暖熱網；自動控制；變頻器；節能
中圖分類號：TE44文獻標識碼： A 文章編號：
2 變頻恒壓補水系統的技術分析
在供暖熱網中，供熱系統正常供熱運行的基本前提是維持系統恒壓。水泵一般是按供水系統在設計時的最大工況需求來考慮的，而供水系統在實際使用中，大多電機拖動設備都存在裕量較大的問題，且運行中很多時間不能達到用水的最大量。一般用閥門調節增大系統的阻力來節流，但會造成電機用電損失。而變頻恒壓補水系統以變頻調速為核心，集變頻技術、電氣傳動技術、現代控制技術于一體，對水泵電機實行無級調速，依據用水量及水壓變化通過微機檢測、運算，自動改變水泵轉速保持水壓恒定以滿足用水要求，取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備。
它具有起動平穩、起動電流小的特點，并可限制在額定電流以內，從而避免了起動時對電網的沖擊；采用補水泵變頻調速定壓后，通過改變補水泵轉速來調節補水供應，使系統工作狀態更加平緩穩定，并可通過降低轉速節能收回投資，最終達到高效率的運行目的。由于補水泵的平均轉速降低，還可延長泵和閥門等配件的使用壽命、消除起動和停機時的水錘效應。此外，采用改造后的系統為供熱管網進行補水，可以方便地實現補水系統的集中管理與監控，提高供水效率。因此，設計變頻調速的恒定水壓補水系統后，不論是投資、運行的經濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有非常大的優勢。
3 變頻恒壓補水的工作原理及控制過程
3.1 工作原理
在實際工作生產中，變頻恒壓補水的工作原理是根據鍋爐水位的變化來控制補水泵的轉速以實現調節補水量的目的。變頻恒壓補水控制系統主要采用變頻器、可編程控制器、PID 調節器、低壓電氣、壓力傳感器及現場總線技術等，對水泵進行恒壓調速。它通過壓力傳感器跟蹤管網壓力變化，壓力傳感器取出補水泵出口信號 （采暖系統恒壓點的壓力信號），反饋給微機控制器，與給定壓力比較后，由調節器輸出的電流調節信號，控制變頻器調節電機轉數，以改變補水泵流量，實現管網水壓的閉環調節(PID)，使補水系統自動恒穩于設定的壓力值：即用水量增加時，頻率升高，水泵轉速加快，補水量相應增大；用水量減少時，頻率降低，水泵轉速減慢，補水量亦相應減小，這樣就保證了供暖管路對水壓和水量的要求，同時達到了提高供水效率的目的。
當系統循環泵停止時即靜止狀態時，補水泵按靜態設定壓力穩壓，并保證系統最高位置的水位，防止出現局部無水。當循環泵啟動后，系統補水泵按動態設定壓力進行恒壓補水。動態設定壓力一般低于靜態設定壓力 0.1 MPa，當系統水溫逐漸升高，系統水體積逐漸增大，其壓也會逐漸提高，這時微機會控制水泵減速使水體積和膨脹體積相互抵消，完成補水壓力的閉環控制，從而達到系統壓力穩定和節約電能的目的。變頻恒壓自動補水泵調速構成框圖見圖 1。
調節過程：補水泵電機是輸出環節，轉速由變頻器控制，實現變流量恒壓控制。變頻器接受 PID調節器的信號對水泵進行速度控制，壓力傳感器檢測管網出水壓力，把信號傳給 PID 調節器，通過PID 調節器調節變頻器的頻率來控制水泵的轉速，實現了一個閉環控制系統。
3.2 變頻恒壓補水系統控制回路
該系統具有手動和自動 2 種控制方式，操作簡單，調整系統組態靈活方便，保證系統檢修時和變頻調速器故障時仍能正常補水。當將選擇控制方式旋鈕 SA1 旋至手動位置時，系統即進入手動運行方式 （此方式只在變頻器損壞或水泵巡檢時使用），此時可通過按動控制柜上的按鈕 SB1 或 SB3 來實現直接工頻啟動補水泵電機。當將選擇控制方式旋鈕SA1 旋至自動位置時，系統即進入自動運行方式，此時通過按動控制柜上的按鈕 SB5 啟動變頻器，變頻器即可根據系統設定實現自動恒壓補水控制。系統控制回路示意圖見圖 2。
4 系統控制設備的特點與節能效果分析
該系統控制設備由于采用觸摸屏及 PLC 控制，其具有控制靈活方便、抗干擾能力強、應用范圍廣、運行穩定可靠等優點，通過在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時等操作指令，并由數字量、模擬量的輸入輸出，控制整個恒壓供水工作過程。它還能夠實現系統的在線監測和參數測量，當產品需要升級改型時，只需修改程序即可，操作非常方便。操作者可以通過顯示屏及時了解水泵運行的狀況，實現了智能化控制，降低了操作人員的工作強度，提高了補水及循環泵運行壓力的平穩性能，保持了供熱管網及供熱設施壓力的恒定，從而起到很好的保護作用。
由水泵的工作原理可知：水泵的流量與水泵（電機） 的轉速成正比，水泵的揚程與水泵 （電機）的轉速的平方成正比，水泵的軸功率等于流量與揚程的乘積，故水泵的軸功率與水泵的轉速的 3 次方成正比 （既水泵的軸功率與供電頻率的 3 次方成正比）。根據上述原理可知改變水泵的轉速就可改變水泵的功率。流量基本公式：
Q∝N （1）
式中：Q 為流量；N 為轉速；H 為揚程；P 為軸功率。
理論計算表明：當水泵轉速降低 10%時，軸功率降低約 27.1%；當水泵轉速降低 20%時，軸功率降低約 48.8%。當水泵運行時的平均流量為額定流量的 40%～50%時，變頻調速泵的節能效果可達50%左右，能耗大大降低，因此節能效果十分明顯。
5 結束語
隨著人們對供暖質量和要求的不斷提高，利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，設計出高性能、高節能、適應供暖復雜環境的恒壓補水系統已成為必然趨勢。對原供熱補水系統進行改造，實現變頻恒壓自動補水系統，其節能效果顯著，穩定性大大提高。在供水系統中采用變頻調速運行方式，與通過調節閥門開度控制水泵出口壓力的方式相比較。該系統不僅可以根據實際設定水壓自動調節水泵電機的轉速或加減泵，使供暖管網中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節能、節水、節資，并使系統處于可靠運行的狀態，實現恒壓供水。由于補水泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費用，水泵的使用壽命也大大提高。此外，因實現恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作。系統正常運行時，通過通信控制，可以實現無人值守，節約了人力物力。通過該系統的實際運行效果表明，采用這種設計方案后，不僅全面提升了工人村區域供暖補水系統的動態性能指標和經濟技術指標，而且為整個供熱管網能夠更加平穩、有效的運行提供了可靠的保障。
參考文獻
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