基于PLC的变频恒压供水设计(3)

常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文

第3章 系统的理论分析及控制方案确定

3.1 变频恒压供水系统控制方案的选择

传统的供水方式(包括水箱、水塔供水和气压供水)。 1) 水箱/水塔供水：

供水系统采用水箱/水塔，称为重力供水。供水压力比例恒定，且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶上。即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求，难以满足不断增加的用水需求。同时由于在屋顶上形成很大的负重，增加了结构面积，也妨碍了美观。此外，屋顶水箱必须高出水面几米，建筑方面较难处理，而且投资周期长。

2) 气压供水：

气压给水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在地下室或某些空旷之处加压送到管网中去。其优点是灵活性大，建设快，少受污染，不妨碍美观，有利于扩展与消除管道中的水锤与噪声，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。缺点是需要压力罐，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需要使用张力膜或设置空气压缩机冲气。因此，电能消耗大，运行费用高。

给水方式的选择应以经济合理，技术先进，供水安全可靠为原则。随着交流电机变频调速技术的日益成熟，为实现恒压供水提供了可靠的技术条件。利用变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统调节水泵的输出流量，取代了水塔、水箱、气压罐等实现了恒压供水。其配置日趋合理，成为供水网系的替代产品。

3) 变频调速恒压供水：

变频调速恒压供水器由电动机、泵组和变频调速系统、压力仪表、管路系统等组成。电动机泵组多由同型号的水泵2～4台并联而成(以四台为例)。由变频器和工频电网供电，根据供水系统的运行状况自动调节和切换。

主要优点：

对电网冲击小，保护功能完善。消除了水泵电机直接启动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。

当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。突然停电后再来电，设备能够自动启动运行。

因为实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。

由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中，其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其

节电效果明显，所以系统具有收回投资快、长期受益的特点，其产生的社会效 益也是非常巨大的。

水泵电动机采用软启动方式，避免了电动机启动时的电流冲击，也避免了电动机突然加速造成泵组系统的喘振。

无塔供水系统不需要水塔、高位水箱和气罐，设备简单，控制实时性好，且能满足不断增加的供水需求。

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建筑高度增加时，无塔供水器只需要改变水压设定值和修正流量参数就能满足要求，而无需改变供水需求。

变频调速恒压供水控制系统的主要应用场合： 高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。 1) 各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。 2) 中央空调系统。 3) 自来水场增压系统。

4) 农田灌溉，污水处理，人造喷泉。 5) 各种流体恒压控制系统。

变频调速恒压供水控制系统的应用，为人民生活带来极大的方便，也为企业带来巨大的经济效益。并同时得到了科教工作者、企业家与广大民众的认可。将来的趋势必定是全面取代传统供水方式，成为供水系统的主流。所以在此我们选用变频调速恒压供水系统。

3.2 PLC概述

1、 可编程控制器（PLC）的产生

1968年美国通用汽车公司（General Motors Corporation GM）公开招标，要求用新的控制装置取代生产线上的继电器——接触器控制系统，其具体要求如下：1、编程简单，可在现场修改和调试程序2、维护方便，采用插入式模块结构 3、可靠性高于继电器4、与继电器——接触器控制系统相比体积小，能耗低 5、能与管理中心计算机系统进行通信6、购买安装成本可与继电器控制柜竞争 7、采用市电输入，可接受现场的开关信号8、采用市电输出，具有驱动接触器线圈、电磁阀和小功率电动机的能力 9、系统扩展时，原系统只需做很少的改动 10、用户程序存储器容量至少4KB

1969年美国数字设备公司根据上述要求，首先研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在通用汽车公司的自动生产线上试用获得成功。从此以后，这项研究技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全世界。

因为这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案，且专门用于逻辑控制，所以人们称这种新型工业控制装置为可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller，PLC）。 2、PLC的基本工作原理

PLC是按照集中采样、集中扫描的工作方式工作的。整个工作过程可分为5个阶段：自诊断，通信处理，读取输入，执行程序，改写输出。这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。

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3、西门子S7-200PLC简介

西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。S7系列是传统意义的PLC，S7-200属于小型PLC，S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品。它是整体式PLC，它将输入/输出模块、CPU模块、电源模块均装在一个机壳内，当系统需要扩展时，可选用需要的扩展模块与基本单元（主机）连接。其特点如下：

(1) 编程方法简单易学；

(2) 功能强，性能价格比高：S7-200有5种CPU模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间；

(3) 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强； (4) 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面； （5）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强；

(6) 系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量小，维修方便； （7）体积小，能耗低；

3.3 变频恒压供水系统的理论分析

3.3.1电动机的调速原理

变频供水系统是通过变频器控制泵的异步电机的转速，通过异步电动机驱动水泵供水来改变水泵的实时供水量，完成恒压供水的目标。

水泵电机多采用三相异步电动机，其交流电动机的同步转速公式为： n=60f(1-s)/p (3.1)

式中：f表示异步电动机频率，s表示电动机转差率，p表示电动机极对数。 从（3.1）公式可知，三相异步电动机的调速方法有： （1） 改变电源频率 （2） 改变转差率 （3） 改变电机极对数 改变转差率调速即转子电路串接电阻调速、改变定子电压调速、滑差电机等。其最大优点是可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好。但由于线路过于复杂在调速过程中均产生大量的转差功率，消耗在转子电路，使转子发热，调速的经济性较差，会使效率降低，而且调速范围也受到限制。改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。

从（3.1）公式可知，当极对数p不变时，电机转速n与电源频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0-50HZ的范围内变化时，电动机的转速调节范围非常宽。所以，通过连续调节异步电动机供电源频率，就可以平滑的调节电动机的转速。单相电机调速器就是通过改变电动机电源频率实现调速调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

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3.3.2变频恒压供水系统的节能原理

在变频恒压供水系统中，主要控制对象是流量。所以，在研究节能问题上就可以从调节流量的方法入手。常用的控制方法有阀门控制法和转速控制法（也称恒压控制法）两种。

（1）阀门控制法：通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，当阀门开度在一段时间内保持不变，就会造成超压或欠压现象的出现。

如图3-1所示。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f(Qc)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图3-1中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。

图3-1 恒压供水系统的基本特征

由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比；水泵的转速n与出水流量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率P与转速n三次方成正比，即：

P=K1HQ （3.2）

n=k2Q （3.3）

H=K3Q2 （3.4） P=kn3 （3.5） 式中k、k1、k2、k3为比例常数。

（2）转速控制法：通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不

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变，实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

如图3-2当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从b3移到b1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵的输出功率正比于H1×Q2。当用调速控制时，若采用恒压(H0)，变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为b2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率正比于H0×Q2，由于H1>H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于(H1－H0)×Q2的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。

HH2H1H0b1b2b30Q2Q1Qn2DEn1F

图3-2 管网及水泵的运行特性曲线

1、水泵工作点的确定和调节

1) 水泵工作点的确定

水泵工作点是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数

水泵在实际运行时的工况点取决于水泵性能管路性能以及所需实际扬程。这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。如果把某一水泵的扬程特性曲线（H～Q）和管阻特性曲线（HX-Q）画在同一坐标系中，如图3-3所示，则这两条曲线的交点A就是水泵的理想工作点。若把水泵的效率曲线（η-Q）也画在同一坐标系中，可以找出A点的扬程HA、流量QA以及效率ηA。

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