楼宇恒压供水控制系统设计
楼宇恒压供水操纵系统设计
学生姓名：闫忠全
专业班级： 09电气2班
指导教师：袁勇
完稿日期： 2012年3月20日
目录
内容摘要 (3)
一、传统供水系统的概况 (4)
二、PLC、变频恒压供水系统方案分析及论证 (4)
1．变频调速恒压供水系统操纵原理 (5)
2．变频调速恒压供水系统特点及适用范围 (6)
3．传统供水系统异步电动机的调速 (7)
4．PLC、变频恒压供水系统异步电动机的调速 (8)
三、PLC、变频恒压供水系统方案的设计 (9)
1．恒压供水系统的差不多构成 (9)
2．恒压供水的原理 (11)
3．系统功能 (12)
4．恒压供水系统操纵分析 (12)
5．水泵的转速与其扬程H、流量Q及功率的关系 (13)
6．变频技术参数及调试参数 (14)
7．设备的选择 (16)
8．模拟供水系统拟定 (21)
9．电气操纵系统设计 (21)
10．PLC输入输出接线图及程序 (26)
四、故障处理的程序设计 (29)
五、结束语 (30)
参考文献 (31)
楼宇恒压供水操纵系统设计
闫忠全
【内容摘要】随着我国改革开放的不断深入,我国的经济、文化、教育等各方面都在日新月异地向前进展。科学技术更是突飞猛进。在高压供水技术上，从80年代以来，我国变频调速恒压供水设备开发成功后，通过多年的应用，技术上差不多成熟，目前在消防用水、生活用水、工业用水、园林景观用水等，以及各行生产企业运用相当广泛！70、80年代建设的水塔-水泵联合供水或气压罐供水方式，在节能、环保和维护方面存在一些比较突出的问题，尤其是生活用水二次污染的操纵难度专门大。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向进展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采纳交流变频技术，而系统的操纵装置采纳PLC操纵器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑操纵，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、操纵点的实时监控，并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能。自动恒压供水系统具有标准的
通讯接口，可与都市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化操纵，为都市供水系统提供了现代化的调度、治理、监控及经济运行的手段。改造原有供水设备，充分发挥其社会效益的同时，最大限度的提高供水设备的经济效益。不但治理单位或部门比较重视，作为现代化企业更应该为此努力！
【关键词】楼宇自控系统生活给水楼宇自动化恒压供水
一、传统供水系统的概况
随着社会的迅速进展，人们对生活用水需求的不断提高，而目前世界水资源紧缺，传统的供水方式离不开蓄水池、水箱等储水设施，而蓄水池中的水一般由自来水管网供给，如此，原来有压力的水进入水池后就变成了零压力，然后再从零压力开始加压，造成大量电力资源的白费；另外还须建筑面积比较大的专用泵房；电机运行存在噪音污染和振动，给住宅小区的居民生活带来专门大的不便；而且当供电线路停电时无法保持供水；特不是在用水高峰期间产生自来水水压低、水流小的不稳定现象使得住宅小区、宾馆、办公楼的生活用水无法得到保证；关于离市区较偏、自来水压较低的工矿企业生活、生产用水也无法得到相应的供应。
图1-1 传统供水系统原理图
二、PLC、变频恒压供水系统方案分析及论证
传统的供水方式普遍存在不同程度的白费且效率低、可靠性差、自动化程度低等缺点，严峻阻碍了居民用水和工业用水。随着变频技术的进展和人们对生活饮用水要求的不断提高，变频调速恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水特点被广泛应用于住宅小区及高层建筑的生活、消防中。变频调速恒压供水系统能够实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足不同的用水要求，是比较合理的节能型供水系统之一。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备、降低成本、保证供水质量等有着重要的意义。变频调速恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投入，运行的经济合理性，依旧系统的稳定性、自动化程度等方面都具有专门大的优势，而且具有显著的节能效果。
1 变频调速恒压供水系统操纵原理
设备投入运行前，首先应设定设备的工作压力等相关参数，设备运行时，由压力传感器连续采集供水管网中的水压及水压变化信号，并将其转换为电信号传送至变频器操纵系统，操纵系统
将反馈回来的信号与设定压力进行比较和运算，假如实际压力比设定压力低，则发出指令操纵水泵加速运行，假如实际压力比设定压力高，则操纵水泵减速运行，当达到设定压力时，水泵就维持在该运行频率上。当用水量不是专门大时，一台泵在变频器的操纵下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，操纵器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，变频器自动将原工作在变频状态下的水泵，投入到工频运行，以加大管网的供水量，保证压力稳定。若两台泵运行仍不能保证管网的压力稳定，则依次将变频工作状态下的水泵投入到工频运行，而将下一台泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号假如仍出现，PLC首先将工频运行的水泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停下一台工频运行的水泵，直到最后一台水泵用主变频器恒压供水。假如一台水泵连续运行时刻超过3小时，则切换下一台水泵，如此能够幸免某一台水泵因长期工作时刻过长而降低寿命，同时也进一步提高了工作效率，节约了能源。
变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、(智能PID调节器)、压力变送器、PLC操纵单元等部分组
成，操纵系统原理图如图2-1所示。其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。智能PID调节器实现管网水压的PLC调节。PLC操纵单元则是泵组治理的执行设备，同时依旧变频器的驱动操纵，依照用水量的实际变化，自动调整其它工频泵的运行台数。变频器和PLC的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。水泵电机实现变频软启动, 消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击，延长电机设备的使用寿命。如图2-1所示：
图2-1 恒压供水系统操纵原理框图一
智能PID调节器属于PLC扩展模块，能够与AD\DA模块一起使用，起到过程操纵模块的效果，同时它的功能能够被变频器的
某些功能代替，达到同样的操纵效果，其操纵原理图如图2-2所示。
图2-2 恒压供水系统操纵原理框图二
2 变频调速恒压供水系统特点及适用范围
（1）系统特点:
高效节能。按需要设定供水压力，依照管网用水量来变频调节水泵转速，使水泵始终保持高效运行，同一般的水塔供水设备相比，节能效果明显。
对电网冲击小，爱护功能完善。消除了水泵电机直接起动时对电网的冲击和干扰，同时设备操纵系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、过热等多种爱护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。
人机界面触摸面板操作，设计参数灵活方便。可灵活设定频
率下限、加速时刻、减速时刻、换泵时刻等各种工作参数，能够显示系统运行时刻，查找各种故障缘故。
定时唤醒功能。由于系统是依照管网用水量的多少来决定投入运行水泵的台数，因此当用水量长期在某一范围内变化时就会使得某台水泵因长期运行而磨损严峻，而其它水泵因长期不使用而造成生锈，设定本功能后则可解决该问题。关于同流量的多台水泵，为使各泵平均工作时刻相同，须设置定时换泵功能。在设定了定时换泵功能后，当一台变量泵连续工作时刻超过设定值后，且有变量泵处于“休息”状态，则变频器自动切换启动“休息”时刻最长的变量泵，并停止原变量泵，以保证各台水泵运行时刻均等，延长水泵使用寿命。换泵时刻可任意设定。
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。
（2）适用范围:
广泛应用于居民区、宾馆及其它公共建筑的生活用水、锅炉补给水，加压泵站、各类工矿企业的生产用水、消防用水、锅炉恒压补水、输油管道增压、注水系统、农田灌溉等。
综合以上讲述，选择变频恒压供水是可行的。
3 传统供水系统异步电动机的调速
生产和生活中的供水方式有多种，常见的供水方式通常会设一台或多台水泵。用多台水泵时会依照不同的用水量启动不同数量的水泵运行，供水水压是波动的，要保证供水质量，稳定供水出口（或管网）的压力，变频恒压供水是最好的方式之一，而传统供水与变频恒压供水最要紧的区不就在于调速系统的不同，调速系统分为直流调速系统和交流调速系统，在本设计中选择交流水泵电机用变频器调速来改变水泵电机的转速达到恒压供水的要求，因此在此对两种供水系统中的交流调速系统进行比较选择：
(1)异步电动机变极调速
异步电动机的同步转速遵循电机学的差不多关系：
n0=60f/p
式中 f：电源交变频，为50HZ；
p：电机定子磁极对数。
转差率s参量，其公式为
s=（n0-n）/ n0
电机实际转速为
n=（60f/p）（1-s）
设定频率f不变，调节电机极对数p，即可使同步转速n0
得到调节，这确实是变极调速的方法。该方法有以下特点；它是调变式调速，要实施变极调速，必须通过外接定子绕组操纵线路的切换来完成，这种调速方式适用于笼型异步电动机。
(2)异步电动机改变转子电阻调速
实现改变转子电阻调速的方法是：转子电路中，转子绕组电动势与外加电动势迭加，由因此正弦电动势，因此要求附加电动势也是正弦电动势并有相同的频率，通过大功率整流元件将正弦电动势变为直流，而附加电动势也是直流电动势，而附加电动势是由可控硅可控整流通过操纵可操纵硅开通关断时刻来调整附加电动势的平均值即操纵转子电路中的总电动势，如此通过调节总电动势来调节转子电流进而操纵电动机的转速，这种调速方式适用于绕线式异步电机。
改变转子电阻调速的优点：调速性能好。当电动机减速时，转子电路中的电能将通过逆变器反馈回电网，使减速过程中机械能转化成电能，无损失地送回电网。因此，这种调速方式节能效果显著。
改变转子电阻调速的缺点：由于改变转子电阻调速系统使用了较多的开关元件与电网耦合连接，系统中高次谐波窜入电网严峻；另外，系统功率因数低。因此改变转子电阻调速系统仅适用
于绕线式异步电机。
4 PLC、变频恒压供水系统异步电动机的调速
依照方案一的公式，式中电动机定子绕组的磁极对数p一定，改变电源频率f，即可改变电动机同步转速。异步电动机的实际转速总低于同步转速，而且随着同步转速而变化。电源频率增加，同步转速n0增加，实际转速也增加；电源频率下降，电机转速也下降，这种通过改变电源频率实现的速度调节过程称为变频调速。
采纳变频电源供电构成的变频调速系统是具有高效率和高性能的调速系统。通过改变定子供电频率，电机转速可得到较大范围的无级调节。对定子电压（或电源）以及频率按一定规律进行协调操纵，可提高传动系统的运行特性。通过操纵转差率（n0-n）/n0，电机可获得较理想的快速响应特性，一旦采纳闭环操纵系统，整个拖动及传动系统可获得高精度及优良的传动特性。变频调速技术的实质：使用变频调节器（简称变频器）去拖动电动机。要紧运行特点：实现电动机的无级调速，电动机的启动电流小，即实现软启动，方便地进行加减速操纵。
要紧用途：较大幅度地节约电能；使操纵传动系统自动化、高性能化；提高生产效率，增加产量；改进产品质量等。
综上所述，确定方案采纳PLC、变频恒压供水系统异步电动机的调速。
三、PLC、变频恒压供水系统方案的设计
1恒压供水系统的差不多构成
恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机确信是白费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。而恒压供水的要紧目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这确实是要用变频器为水泵电机供电。在此那个地点有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案那个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，然而从经费的角度来看的话如此比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间能够切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。如图3-1供水系统方案图。
图3-1 供水系统方案图
图中，水泵电机是输出环节，转速由变频器操纵，实现变流量恒压操纵。压力传感器检测管网出水压力，并将其转变为变频器可同意的模拟量信号。变频器同意反馈信号后，依照给定信号和反馈信号的比值，进行PID调节来操纵自身的输出频率，从而对水泵进行速度操纵。操纵系统的工作原理：变频调速恒压供水操纵最终是通过调节水泵转速来实现的，水泵是供水的执行单元。通过调速能实现水压恒定是由水泵特性决定的。如图3-2：
图3-2 供水系统原理框图
（1）压力变送器
图中在管道中装压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低;用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给变频器，压力变送器输出信号是随着压力而变的电压或电流信号。当距离较远时，应取电流信号以消除因线路压降而引起的误差。通常取4～20mA，以利于区不零信号（信号系统工作正常，信号值为零）和无信号（信号系统因断路或未工作而没有信号）。压力变送器一般选取在离出水口较远的地点，否则容易引起系统振荡。
（2）远传压力表
远传压力表的差不多结构是在压力表的指针轴上附加了一个能够带动电位器滑动触点的装置。因此，从电路器件的角度看，实际上是一个电阻值随压力而变的电位器。使用时可将远传压力表与变频器直接连接。图中P为远传压力表。
电机功率较大时，系统可为每台电机配备电机爱护器，在变频器的操纵下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，操纵器的压力下限信号与变频器的高速信
号同时被 PLC检测到，变频器通过操纵基板自动将原工作在变频状态下泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若两台泵运转仍不能满足水压要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。
当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到最后一台泵用主频器恒压供水。
2 恒压供水的原理
变频器操纵1#变量泵与管道压力变送器构成闭环操纵系统，当变频器运行到全速而反馈压力仍达不到设定值时，变频器首先降速到频率设定值，同时内部1#继电器动作触发2#泵软启动器开始运行工频泵，投入2#工频泵运行。这时变频提速，查找恒压点完成第一级无扰动切换。当变频器运行到低速而监测达到压力设定时，在切除工频泵之前，变频首先提速后，再将先投入的工频泵切除。工频泵的投切分级循环方式可定义。
（1）手动工频操纵方式
当转换开关打到手动位置时，现在为工频运行，按下启动按
钮1SB（绿），接触器KM1闭合，水泵电机将工频运行，工频运行信号灯HL0将亮，按下停止按钮4SB（红），水泵电机将停止运行。该操纵方式一般用于当变频器出现问题时使用。
（2）自动变频操纵方式
当转换开关打到自动位置时，现在将投入自动变频操纵方式，变频器依照远传压力表的反馈信号，自动调节输出频率，从而改变水泵的转速，达到恒压供水的目的，当压力增大时，将减小输出频率，使电机转速降低，减小供水量，当压力减小时，将增大输出频率，使电机转速增高，增大供水量。
3 系统功能
（1） PID的调节功能
由压力传感器反馈的水压信号(4-20MA或-5V)直接送入变频器，设定给定压力值，PID参数值，并通过计算比较以切换泵的操作完成系统操纵，系统参数在实际运行中调整，使系统操纵响应趋于完整。
（2）“休眠”功能
系统运行时经常会遇到用户用水量较小或不用水(如夜晚)情况，为了节能，该系统专用设置了能够使水泵暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于其下限时，变频器停止工作，
2＃泵不工作，水泵停止(处于休眠状态)。当水压接着升高时将停止1泵，当水压下降到一定值时将先启动变频器运转2＃泵，当频率到达一定值后将启动1＃泵调节2＃泵的转速。
“休眠值”变频器输出的下限频率参数设置。
“休眠确认时刻”用参数设置，当变频器的输出频率低于休眠值的时刻如小于休眠时刻td时，即td＜tn时变频器接着工作，当td＞tn时变频器将进入休眠状态。“唤醒值”由供水压力下限启动，当供水压力低于下限值时由变频器向PLC发出唤醒指令。
经测试“休眠值”为10HZ。
“休眠确认时刻”td:20s
“唤醒值”70%
（3）通讯功能
该系统具有计算机的通讯功能，PLC变频器均提供有RS232或485接口，PLC可选用三菱的FX0n，计算机能够与一套或多套系统进行通讯.利用计算机同时能够监测：电流、电压、频率、转速、压力等也能够操纵变频器的各类参数。
4 恒压供水系统操纵分析
水泵出口压力恒定操纵，它适用于管网系统阻力损失占总扬
程比例较小的情况。
管网末端压力恒定操纵，适用于小区管网线路长，流量变化产生的阻力损失占总扬程比例较大时，以管网末端不利点，所需压力进行恒压操纵，达到最节能的要求。操纵方式的选择，要结合供水规模，供水对象，设备费用，长期运转费及我国现有电器产品性能等进行综合考虑比较后确定。水泵出口恒压操纵，由于电控系统比较简单，便于查出故障和维护，故在我国建筑小区供水系统采纳广泛。
水泵转速变化幅度一般调在（80%~100%）n，n为水泵每分钟转数，单位r/min，因为那个范围内机组和电控设备的总效率比较高。
当启信号输入时变频器启动第一台泵当该泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成立时，先停止最先启动的泵。
4.1 过程操纵
以两台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，变频器操纵可编程操纵器软启动1#泵，现在1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量Q<1/3Qmax时（Qmax为两台水泵全部工频运行时的最大流量），可编程操纵器CPU依照依照