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1、基于PLC与变频器的小区恒压供水控制应用摘要本论文在分析了供水自动控制系统的发展现状和特点的基础上，结合我国城市供水的现状，设计了一套以变频调速技术为基础的恒压供水系统。本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，采用了PLC进行逻辑控制，采用变频器进行压力调节，变频器、可编程控制器作为系统的核心部件，时刻跟踪管网与给定压力的偏差变化，经变频器内部PID运算通过PLC控制变频与工频切换，自动控制水泵投入的台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压供水，在保持恒压下达到控制流量目的。以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。本文从系统的整体设计方案和实际需求进行分析，紧密的
2、联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。关键词：恒压供水；变频器；PLC。第一章 绪论变频恒压供水技术是80年代后期发展起来的，自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中也得到了很大的发展。1.
3、1 变频恒压供水的目的和意义小区用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社
4、会意义。随着电力电子技术的高速发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，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；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等零件的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。图1恒压立式变频供水设备 1.2 恒压供水系统特点相对与传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出的体现在以下几个方面：1.高效节能：变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能
5、量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。2.恒压供水：变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力都不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。3.安全卫生：系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取代了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。4.自动运行、管理简便：新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。5.
6、延长设备寿命、保护电网稳定：使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。6.占地少、投资回收期短：新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小可以节省投资。另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点
7、，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。1.3系统应用范围1、自来水厂、加压泵房。2、居民生活区、宾馆及其它建筑。3、企业生产用水。4、锅炉循环水系统。5、农田灌溉系统。1.4恒压供水控制系统的基本控制策略采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总
8、管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(420mA)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大于实际最大供水量。1.5节能原理水泵为平方转矩负载，即水泵的负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率和负载转矩与转速的乘积成正比，因此，水泵的轴功率与电机转速的立方成正比。由此可知，当要求出水量减少时，可使电机转速降低，而电机转速微量减少，将使功率大幅下
9、降，节能效果十分明显。本变频调速系统经过优化设计，精心的设备选型，合理的编程，配合正确的信号给定，使得电机始终处于最佳运行状态，节能潜力得到了最大的发挥。1.6投资回报及效益分析1. 直接效益水泵恒压供水避免了开关阀门造成的节流损失和关闭阀门运行时电机所做的无用功，按每年运行300天阀门平均开度80%计算，22kW电机年节电量可做如下计算:W221-(0.8)324300=7.79万kWh电费单价按0.40元/kWh计算,全年可节约电费：M=7.790.40=3.116万元2. 间接效益(1) 水泵进行变频调速改造以后，由于系统采用软启动连续变速运行，减少了对水泵的磨损，大大延长了设备使用寿命
10、和维修周期，减少了维修费用和由此带来的直接经济损失。(2) 系统采取过流、过压、瞬时断电、短路、欠压、缺相等多种保护，避免了因电机烧损而影生产所带来的直接和间接经济损失。第二章 变频调速技术概述2.1变频调速技术的特点及应用近几年来电机调速技术发展很快，应用范围亦非常广泛，变频调速器（以下简称“变频器”）就是其中的一种，它不仅操作方便，故障率低，且节能效果明显，优于调压调速、变级调速、滑差调速、串级调速、整流子调速和液力偶合调速等。变频调速的主要特点如下：(1)体积小，重量轻，可挂墙安装，不占地面；(2)可手控、遥控，亦可与可编程可控制器、计算机等联结，实现自控；(3)启动电流约为电机额定电流
11、的1到1.5倍（电机启动电流为5倍6倍额定电流），对电网设备冲击小；(4)具有许多种保护功能（如过压、欠压、过流、短路、瞬间停电等）；(5)可减振降噪，延长设备使用寿命正是由于变频器具有上述特点，不少企业把变频器的应用作为一种重要的节能手段，立窑水泥企业也不例外，在风机、磨机、泵、计量等诸多系统得到应用2.2变频器工作原理目前，通用型变频器绝大多数是交直交型变频器，通常尤以电压器变频器为通用，它是变频器的核心电路，由整流回路（交直交换），直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直交变换）组成，当然还包括有限流电路、制动电路、控制电路等组成部分。 1)整流电路 通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥
12、组成。它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为12001600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。2）滤波电路变频器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减小直流
13、电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。 通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们瞬时的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值相等的均压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的使用寿命。3）逆变电路 逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开
14、关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的功率开关器件的导通与关断，就可以得到一定范围内任意频率的三相交流输出。通常的中小容量的变频器主回路器件一般采用集成模块或智能模块。智能模块的内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。如三菱公司生产的IPMPM50RSA120，富士公司生产的7MBP50RA060，西门子公司生产的BSM50GD120等，内部集成了整流模块、功率因数校正电路、IGBT逆变模块及各种检测保护功能。模块的典型开关频率为20KHz，保护功能为欠电压、过电压和过热故障时输出故障信号灯。逆变电路中都设置有续流电路。续流
15、电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同步转速也随之下降。为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中，寄生电感释放能量提供通道。另外，当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保护。2.3 ACS510-01系列变频器概述 ACS510 传动应用于广泛的工业领域，适用各类型负载。 ACS510还针对风机、水泵应用做了特别的优化，典型的应用包括恒压供水，冷却风机，地铁和隧道通风机等等。 2.3.1特点 完美匹配风机水泵 高级控制盘 用于降低谐波的专利技术：变感式电抗器 循环软起 用户自定义U/F曲线 超越模式 内置RFI滤波器作为标准配置，适用于第一和第二环境 图2 ABB变频器型号说明 型号代码一栏清楚地表明了变频器的功率容量和外形尺寸。对应你选中的类型代码，外形尺寸可以用来确定变频器尺寸。 电压 ACS510 -01提供的电压范围： 380 - 480 V 结构 类型代码中“01”代表变频器的安装方式及功率范围。图3 ABB变频器型号说明2.3.2综合技术特性
