变频恒压供水系统的能耗分析

　摘 要

在当今城镇化逐渐增高的新形势下，大量人口涌入城市，城市人口数量逐年递增，截止到目前为止，我国的城镇化率已超过60%，然而当前的城市生活供水系统在供水的质量和稳定性方面还存在一些问题。我国一些欠发达地区的水厂自动化程度低，相应操作还要依靠人工来完成，这样就会导致供水系统的控制比较麻烦。在这样的情况下，本文将基于PLC对变频恒压供水系统进行设计。

本设计基于城市小区的生活用水，设计了一套由PLC、变频器、压力传感器、电机、水泵、通信模块等设备构成的变频恒压供水系统，可以通过PLC实现对系统系统运行的控制功能。

另外，我们还通过通信模块实现供水系统与上位机的通信，能够对系统的运行参数与运行状况进行实时监控，实现了运行数据实时显示及查询功能。

关键词：恒压供水；变频器；PLC；PID

　第1章 绪论

　　1.1 课题研究背景及意义

现如今大量人口从外地转入人口相对密集的城镇，导致城市人口数量不断扩大，高层建筑也随之越来越多，某些大城市出现了典型的大城市病，在出行交通和生活质量上都收到了极大影响。与之形成对比的是，居民对生活品质的期望却越来越高。以城市供水系统为例，据国家调查统计显示，2013年至2018年5年间，我国城镇居民人均日用水量显著增加，从过期的240升迅速上升到现在的320升。增长了近30%，与此同时，我国居民平均每天用水量也在逐年递增。遇这种情况形成对比的是，在我国的600多个大中型城市中，由近半数存在生活用水短缺的情况。特别是在一些内陆地区，缺水情况尤其明显。在32个特大城市中，有30个城市长期受到水资源短缺的影响，尤其是在西部一些水资源比较短缺的地区[2][3][4]。水资源短缺已经成为影响城市发展的一个相当重要的问题，供水系统不合理，已成为我国城市社会发展的潜在的隐患。

到目前为止，我国许多水厂的供应系统相对落后，更多的工作是通过交流接触器与外部电源连接来完成的，而对所有机组的控制工作大多需要人工操作来完成，由于供水系统的控制过程和相关原理相当复杂，人工很难对系统管网作出及时准确的响应。另一方面，多数情况下为了保证供水的连续性，系统多数情况下都处于过负荷状态，长此以往不仅浪费了大量的电能和水资源，而且使管网水压不稳定，影响用户用水质量。这种工作方式效率非常低，这在很大程度上导致城市管网长期保持超压运行[7][8][9] 。

因此，为了能够实现增强中小城市供水系统的性能，科学合理降低供水系统水能源消耗，最终可以有效地满足城市供水的要求，为了实现这一目标，应着手优化从前的供水系统，把从前供水和取水系统优化为变频调速系统，使其能对供水系统进行完全的自动控制和调节[10][11][12]。

本设计课题源于当前国内高层小区生活供水系统技术存在的问题，即供水系统自动化程度不高，供水效率低的现状。本设计的核心部分为PLC和变频器的相互配合来开发一款基于PLC控制变频器的变频供水系统，改善供水模式 、供水泵房相关系统，在充分保留了原手动控制系统的前提下，将PLC，控制单元、变频器，压力传感器等相关元件组合起来。然后，通过上位机的数据通信，数据可以传送到上位机，这样使数据处理和状态监测得以顺利实现，最终能够动态的按照提前设定的水压以及水位稳定将水提供给居民，使水厂的持续供应得以保证[13][14][15]。

这一项目的研究和应用，不仅节省了水资源和大量电能，提高了供水效率，而且大大解放了人工劳动强度，节约了生产力。提高城市供水系统的管理调度水平，降低工人的劳动强度，提高生产效率。因此，针对我国中小型自来水厂的优化升级具有很大的市场潜力，鉴于此原因，本系统的设计开发具有非常广阔的前景和推广价值[16][17]。

　1.2 国内外变频供水系统现状

进入电气时代以来，随着人们对电能的认识，变频调速技术也兴起了起来，变频恒压供水技术即是在这种技术的基础上产生并发展了起来。在最初的供水系统中，我国研发的变频器大多数只局限于对电能频率的控制上，根据频率与电机转速成正比的这一原理，来控制电机的转速进而影响水泵抽水量。然而，这样的变频器还没能达到城市管网系统智能供水的需求，也就是说仅仅单纯地将变频器用于供水系统还远远不能实现变频恒压供水的要求，仅仅是改变水泵的抽水量来改变系统的水压。 因此，为了实现用户对供水系统水压的要求——当用水需求量改变时，供水系统仍然能够维持水压恒定。我们就需要对供水侧管网水压进行实时监测，使用压力传感器可以对供水的水压进行监控，并可以将压力信号传给PLC进行处理，这样就可以实现对供水系统的闭环控制。通过阅读大量文献和查找资料我们发现，目前世界上几乎所有的恒压供水系统中，其设计思路都是一台变频器控制一台水泵，而不能使用一台变频器控制多台水泵的情况，这样无疑使供水系统的投入和运行成本增加。

经过在这些年对变频技术的相关研究和改进，变频技术在现在的科技领域已经比较成熟，因此像德国的西门子公司、日本的三菱公司这样的大型公司开始着手于生产一种智能恒压供水的变频器，可以改善原来供水系统中存在的种种问题。例如日本SAMC公司，设计出了一个具有两种控制模式功能的基板，使用者可以通过将具有控制能力的硬件安装其中，再利用PLC代码与PID代码最终达到电气系统控制的目的。若将恒压供水设备与上述变频器连接在一起，就可以控制更多的电磁接触器设备，达到供水系统更加优化的目的。该系统可以最多控制7台水泵机组同时运行。这样的设备不仅简化了控制电路、而且投入的成本也大为降低，但是该系统也对输入输出接口提出了更高要求，需要更多的扩展功能模块，而且对系统的灵敏性和动态稳定性要求也较高，否则很难对压力传感器检测到的压力值及时作出响应，这样的系统对设备的投入功率也有较高要求，不能同时带过多负载，不然系统的灵敏性会受到影响。目前我国也有许多专家和学者从事与变频恒压供水系统的研究工作中，但是仍然不能自主研发的变频器。不能实现自主生产，这与某些发达国家仍然存在很大差距。在实现系统的自动控制中，可以用多种编程语言来实现，比如向我们之前所学过的PLC编程语言和单片机编程软语言等。接下来我们主要采用PLC编程软件来实现相关操作的编程，因为该编程语言灵活，功能强大，自动化程度高，便于快速入门。 但是不论从综合技术指标还是系统的稳定性、节能性、抗干扰性以及简洁性来看，不能满足用户的所有要求，仍然有很大改进空间，相关研究有待于进一步优化。

通过对目前供水系统的调查结果表明，使用变频调压技术来改变电动机的转速从而控制系统水压方面，可以有效地节约能源，降低损耗，减少供水管网压力。由于这项技术精度高、响应快、功率因数高、感应灵敏，从长远的角度来看，运行过程中节省的电能可以补偿一次投资大的不足。这项技术的使用不仅可以改善水质量问题，还可以节省材料，降低设备的损耗，而且可以减少人工控制中产生的噪音，改善车间的生产环境，使供水更加绿色化、环保化。同时也保证了工人对健康的要求。

因此，近年来，以计算机和PLC为主要设备的变频恒压调速技术来实现自动恒压供水方面得到了跨越式发展。基于目前的国情，采用PLC控制供水系统的水压主要有以下两种方法：恒压控制法和恒流量控制法。恒压控制法通过对水泵出水口水压进行采样和控制，以维持水压在恒定状态。恒流量控制法是根据用户的不同需要，检查泵输出流量的大小来进行控制，恒定压力的方法具有相对良好的供水质量的优点，能够同时满足不同区域所有用户不同的水需求。恒流量控制讲的是对出水总流量的把握，就水的压力而言，这是比较放松的。这样做的好处是可以保证用户的供水量，而且节约了能源。然而，这样的供水方式也有其不足之处，首先，它只能控制供水的数量，而水流去向无法分配，这必然造成水流分布不均的现象，尤其是当低层用户用水量增加时，会导致高层不能正常供水问题的发生。然而，当高层的用水量增加时，低层的水压也随之增加。二是流量大小检测相对困难，难以实现闭环控制。

自20世纪70年代以来，许多国内专家和学者尝试将计算机技术用于供水系统的仿真、优化、设计和控制等方面。目前许多城市的高层小区的供水系统采用了智能化供水系统的控制形式，通过加入PLC，可以实现自动控制和手动控制水泵的启停来实现恒压供水目的，还可以通过调节水泵出口的阀度从而改变水压，满足不同时段对水压的要求。但是这个设计系统的构成线路过于复杂，安装维护成本比较高，不能完成所有的动作自动化的目标。以及设备庞大，占用空间过大，因而注定不能普及应用。之后，相关研究人员在此基础上进行了改进升级，增加了PLC控制基板。虽然这种方法提高了自动化控制效果，但驱动水泵的电机以恒定速度运行，只能通过调节泵的出口阀开度调节水流量，因此不仅消耗大量能源，而且影响发展前景[18][19]。

变频率技术的基本思想就是通过使用变频器控制发动机旋转速度进而调控水泵输出的流量，从而改变水压电动机的工作功率与其旋转转速的三次方成正比，水泵可以根据不同的需求量改变抽水量，从而节省了大量的电能和水资源。为此，出现了由PLC和变频器以及相关辅助设备构成的变频恒压供水系统。

近年来，国内还在发展一种基于变频器技术的超限水压系统，其运行方式是与用户供水系统和供水系统相结合，根据用户用水需求控制系统的运行方式，但它由于系统研究不成熟还不足广泛应用于我国的主流供水系统中。国内一些专家也生产了一种专门用于供水系统特殊的变频调速器，它具有调频和调压的功能，它不需要再连接PLC，将PID控制嵌入变频器中，这个设备可以控制水泵的循环运行、启动或停止，以及内部循环工作功能。这样的变频器可以将控制部分和变频部分组合在一个芯片上来执行相应的控制功能。但是这样的变频器在输出接口和带负载能力上有所限制，另外，这种变频器不便于操作，不具有数据传输功能，不能对系统进行实时数据监控。 所以这种类型的变频器只对小容量负载以及控制要求不算高的供水场所有所适用。变频供水系统的发展方向是操作简洁化、运行高效化、维护简单化。这样的系统还有待于我们进一步研究。

现在，在国外和国外，用于供水的变频器越来越多，其自动化程度也越来越高。许多用于供水的专用变频器嵌入了PLC和PID控制模块。在操作过程中，程序步骤也变得更加简单，但后期的维护成本也变得更加高昂，普遍高于我国自己生产的小型变频器。然而，国内生产的变频器在小负荷、不需要过多控制要求的水供应领域发展得更快，而且由于其产品造价低，在小容量的水供应系统中发挥了重要作用。 在国内外变频恒压供水控制系统的研究和设计中，在关于能够满足不同的用水场合，并通过融合现代控制技术、网络技术、通讯技术，还要考虑到系统的电磁兼容性来实现水压的闭环控制方面研究的还不够深入[20][21]。变频恒压供水系统还有待于进一步改进，以便更好的应用于生产生活领域。

1.3 变频恒压供水系统主要应用场合及特点

变频恒压供水系统主要用于生活用水、工业生产和消防用水等多种场合，本文主要适用于住宅综合体中的用水，其特点如下:

滞后性:供水系统控制对象是用户端供水管网的水压，它是一个过程控制量，和其他一些具有滞后反应受控对象一样。同时控制电机旋转的频率变换器也有滞后性，供水管网性质与电机巡行特性也非一阶正比关系，因为它有这些因素的作用：水管壁阻力、水锤效应和其他因素等。同时考虑到水泵的一些本身性质，使得水泵旋转速度的变化与管道压力的变化不具有严格的比例关系。从以上的研究分析可知，该供水系统不是一个标准的正比关系。因此我们课题的研究是有意义的。时变性：由于水泵的启动和停止是一个过程量，由于惯性的存在，它不可能总是维持在理想转速中，而且由于备用泵的加入，备用泵的启动和停止是随时可能发生的，不同时间的加入系统中都会对系统产生影响，影响系统稳定性。因此可以把恒压供水控制系统视为一个时变系统。容错性：系统的运行状态不可能一直保持正常情况，当水泵或者变频器故障时，要能够根据当时的具体情况调整运行状态，保证系统持续供水，因此需要设置专门的故障程序，满足容错性的要求可扩充性:系统带有远程和当地控制以及数据传输和通讯功能，接口可以与上位机相连，可以将系统运行情况实时监控并上传到监控系统以显示和记录有关的数据。节能性：系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动频率可以从0到电源工频，减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命[22]。水锤效应是破坏系统稳定性的一个主要原因，同时也影响着系统的安全性。水锤效应即是在极端的时间里，因水流量急剧变化，导致管道压强过高或过低的冲击，并产生空化的现象。水锤效应对供水管网具有极大的破坏性，能够导致过度高压或太低压力以及空压状况的发生，产生噪音，犹如用锤子敲打水管的声音。水锤效应对系统的破坏性极大，压力突然增大会导致管道破裂，压力突然减小又会导致管道的塌瘪，另外，水锤效应还会对系统的阀门造成破坏。然而，使用变频模块对系统的安全性有几个好处。水锤效应的根本原因是供水过程中水泵突然启动或停运过程中动量变化过大，导致在极短的时间内水流量发生极大变化。频率调制器可以通过减少扭矩，减少对泵和管道的影响，大大提高泵和管道的寿命。降低泵的平均转速，降低小生产流的平均转速，从而减少小叶片承受的压力，减少轴承磨损，大大提高泵的寿命。频率调节模块的软起动避免了电动机和泵的硬起动，这可能大大提高离合器的寿命。降低起动电流也会减少系统对电网的影响，并提高其自身系统的可靠性。

　1.4 课题研究的主要内容

本设计主要通过对现有供水系统存在的不足，以及对未来供水发展方向的掌握，并结合用户的用水需求，确定了通过使用PLC来控制变频器来实现恒压供水系统的控制方案。系统使用控制灵活、运行简单、便于掌握的工业控制用PLC为主要设备，来控制变频器的运行，并结合压力传感器检测管网水压，实现供水系统的闭环控制。进而保证了系统的安全可靠运行，实现了节能的目的。论文将从以下几个部分进行设计：

通过阅读的大量的文献，结合当今供水系统发展方向，确定了本设计的基本构成原件和供水控制方式对供水系统的数学模型进行了整体学习和分析，通过数学建模思想将复杂的供水系统简化为我们可以理解并且控制的数学模型。为后面的PID控制提供了理论依据。对供水系统整体进行了分析评估，确定各部分的工作原件及实现相应功能需要的设备及其选型，然后画出系统的整体硬件来连接图，最后通过对系统的可行性进行评估，改进相关不合理部分，最终确定系统整体连接方案根据任务书的要求，分析PLC软件编程方法和执行特点，对设备进行编程，满足系统运行要求。并根据用户实际需求设置PID参数，实现变频恒压供水目的，保证系统稳定可靠运行。最后我们通过设备的扩展模块对系统进行监控，使设备与上位机的连接来对数据进行传输记录，并能够在远程控制设备的运行和在线监控，保证运行人员可以随时掌握系统运行情况。

第2章 变频恒压供水系统的能耗分析

　　2.1 供水系统的工作特性与工作点

影响供水系统水流量和水压的因素，主要有扬程特性和管阻特性，扬程特性是系统本身固有特性，只要水泵的运行参数不发生变化，其值一般是固定的。管阻力特性则取决于水管壁对水流的阻碍作用，对于二者的定量分析，都应以流量Q为自变量，扬程H为因变量，通过对大量数据的分析以及查找的相关书籍，找到他们之间的函数关系，并通过仿真软件画出他们的函数图像。再具体研究这两个参数对系统的影响。

　2.1.1扬程特性

我们通过Matlab仿真软件绘制了扬程特性曲线，图2-1则给出了在不同供水量的条件下系统的扬程特性。如图所示，当系统的工作点从原点变化到A1点时，此时系统的流量为Q1，扬程为HA1。当工作点从A1转移到A2点时，这时系统的流量为Q2，此时系统的全扬程为HA2。根据曲线的这种的变化关系，分析得出，当供水量变大时，由于管道对水流的阻力和维持本身流速所消耗的能量也比流量小时大得多，使系统的扬程下降。因此，扬程与用户的用水量有着密切的关系。通过改变供水量可以控制系统的扬程。

　　图2-1 供水系统的扬程特性曲线

　2.1.2 管阻特性

对保证供水系统最终要求是保证水压的恒定，而水压的恒定条件时当用户的用水需求量变化时，通过对阀门开度的调整来改变管阻特性，这样使水流在管道中消耗的能量的改变，来维持恒定的流量。因为管阻特性是通过阀门开度来控制的，不同的阀门开度对应不同的管阻。然而在进行实验时，研究流量大小与杨程的关系，我们一般都是采用控制变量法，即维持系统中阀门开度不变的情况下，通过对扬程的控制观察流量的大小。以此得出系统的管阻特性。为了确保供水系统在不同运行条件下的稳定性，我们需要保证供水量与用水量保持动态稳定，以适应用户不同时段对用水量的需求，这时我们就需要对管网的阀门开度进行随时改变，这样一来系统中水流的阻力就会发生变化，水流需要消耗一部分能量在阻力的增加上，剩下的用来保持正常的供水，这一现象就是管阻特性的具体体现。管阻特性就是管道对水流量的阻力，并通过对阀门开度的控制来实现。在对阀门开度特性进行测试时，需要保持固定的阀门开度，这样来观察不同水流量的情况下的扬程大小。得到的结论如图2-2所示，我们将对用户端的供水量用QG表示，根据供水的实际需要，满足正常供水的条件是实际扬程不得小于全扬程。其中，实际扬程就是满足供水的最低要求。而系统的流量在某个具体时刻是一个确定值，因此我们不能直接将供水量与用水量一起得出，而所谓的QG、QU只是为了方便我们分析假想的两个量，根据图2-2我们可以看到，当供水量由0上升到Q1时，扬程上升到了HA1点，当管阻特性变化到B2点时，这时供水量QG等于Q2，相对应的扬程为HA2。

　　图2-2 供水系统的管阻特性曲线

图2-3是将管阻特性与扬程特性统一到一个坐标系下得出的流量与扬程之间的关系。 正如图中所表示的那样，流量为QA时，两个曲线在A点相交，这时A点为供水系统的均衡状态，也就是正常工作点。对供应水系统的选择，我们可以以两曲线的交点为依据。

　　图2-3 供水系统的工作点

依据上面的分析我们不难发现，本设计中的供水系统之所以可以根据用户的需求调整供水量，得益于电机转速不同而导致水泵抽水量的变化。以上的分析主要依据是下面的公式：

式中，S——异步电机的转差率；

n0——异步电机的同步转速；

N——异步电动机的转子转速；

f1——异步电机的定子供电电源频率；

P——异步电动机的磁极对数[23][24]。

根据式(2-3)，当电机的磁极对数P不变时，电机的转速与输入的频率f成正比关系，根据这一关系，我们就可以通过对输入频率f的调整来控制电机的转速。相比于过去的变极调速、阻尼调速方式而言，这种调速方式具有调速范围广、节能性好、对电机的冲击小的优点。并且随着现在变频器的性能越来越好，对异步电机的调速性能也越来越好。而且现在的变频器可以对多个电机进行控制，这样就可以以较少的投资实现更加稳定可靠的性能。

特别是近年来随着更加先进的频率变换器的出现，变频调速的性能也大大改进，甚至可以达到和直流调速性能形同的性能。在相同的性能条件下，变频调速的投资比其他调速方式合一节省约一半，可以节约大量资本。并且异步电机更青睐于使用交流变频方式，这意味着变频调速与交流异步电机配合更加完美。因此，这种变频调速控制方式广泛应用于工业控制中，同一变频器可以控制多个泵同时工作，从而实现了系统的正常运行。

根据变频恒压供水系统的工作原理，当压力传感器检测到管网水压发生变化时，将其以模拟信号的形式传递给PLC的PID控制模块，然后通过PID模块预置程序对压力值进行加工计算，将计算结果以模拟信号（4-20mA）再传递给变频器，变频器通过对电源频率的改变实现水泵抽水量大小的控制，最终实现恒压供水。当检测到的压力值低于设定值时，电机转速增加从而控制水泵抽水量使其增加。相反，当压力值大于预设值时，电机的转速又会下降控制水泵的抽水量使其减少。从以上原理我们可以得出：对供水系统压力的控制实质上就是对供水量QG的控制，而根据扬程特性曲线，QG的变化又会引起扬程的变化（上升或下降）。这样我们就把不容易控制的扬程特性转化为易于控制的流量控制。如果我们把供水量用QG表示，用水量用QU表示，那么管道中的压力是与QG和QU相互关联的。当QG>QU时，系统水压上升，当QG<QU时，系统水压下降，当QG=QU时，系统水压维持恒定不变。于是我们不难发现，当用户的用水需求量改变时，QG与QU的关系就会发生变化，与此同时管网的压力也会随之变化。这时就需要我们对供水量进行控制，以达到水压恒定的目的。通俗地讲，只要我们保证供水量QG与用水量QU之间的平衡关系，就能够维持系统水压恒定的状态，满足用户对供水质量的要求，维持管网的压力平衡，并实现节能环保的最终目的。

　2.2变频恒压控制的理论模型

根据上节的分析我们可以得出，变频恒压供水的实质就是通过对用户管网的压力检测，改变水泵的抽水量最终满足用户的需求。对供水压力的改变，我们可以通过PID模块来实现，根据不同的用水量，通过实际分析与理论计算，设定不同的压力值。当然，基于用水量在时间上呈现出一定的规律性，比如白天的用水量多于晚上，也可以在不同的时间段内设定不同的压力值，在该时段内维持水压在设定值附近。所以，变频恒压的作用机理就是使出口管网的实际压力维持在预置压力值上。

图2-4 变频恒压供水系统模型

变频恒压供水系统的理论模型如图2-4所示，在系统工作过程中，如果供水量大于用水量，那么压力传感器会检测到一个负的压差，在通过压力调节器的调节作用，将该压力值传递给PLC的PID模块，与预设值进行比较后得出一个负的调节值，并将此调节值以模拟信号的形式传递给变频器使其输出频率降低，通过这样的方式减少水泵进水量。如此往复直至实际压力与预设值相等为止。同样，打那个供水量小于用水量时，变频器的输出频率又会增加，加大水泵抽水量，最终的作用结果仍然是实际压力等于预设值。

　2.3 恒压供水系统的能耗分析

恒压供水的目的是实现供水系统的压力恒定，但是基于技术水平高的限制，我们的控制手段都是通过流量大小的改变来调节水压。在目前的发展阶段来看，我们对流量的控制主要有阀门控制法和电机转速控制法两种方法。其中阀门控制法主要应用于过去自动化程度低，设备简单的系统中，这种方法虽然原理简单，但是却存在能源浪费的现象。而转速控制法则是根据电机的输出功率与转速的三次方成正比，当电机转速改变时便可以改变抽水功率，这种控制方式灵敏度高，快捷方便，最大的特点就是可以调节输出功率，大大节省了电能。并且随着现在变频技术的不断发展，变频器用于供水系统的实例越来越多。

　1.阀门控制法

所谓的阀门控制阀，顾名思义就是通过对阀门开度的控制来实现对供水量进行调节的目的。而电机转速维持在一个固定值上，一般为额定值。这样就可以保证供水量即水泵的功率在一定值下保持不变，通过对阀门开度的调节来改变系统的供水量，供水系统正常运行时水泵的转速不变，代拟稿阀门开度变化后，相应的系统管阻特性就会发生改变，以此来满足用户需求量不断变化的需求。由于阀门开度与管阻特性成正比，而扬程特性却为水泵的固有性质，一般情况下，只要水泵的运行参数不发生变化，其扬程特性就不会改变。在实际运行过程中，用户的用水需求量并不是始终不变的，而是随时变化的，这样就需要我们不断调整阀门开度来保持恒定水压，防止过压和欠压现象的发生。

　2.转速控制法

所谓的转速控制法，就是通过调节电机的转速对水泵的抽水量进行控制，而在这一过程中阀门开度却维持在恒定状态，一般情况下我们都将阀门开度调到最大，目的是在供水过程中减小管道阻力，提高供水效率。转速控制法的基本原理是当用户的用水量发生改变时，通过对水泵的抽水量进行控制，从而控制系统的全扬程特性。在这一过程中，系统的管阻特性却保持不变

下面我们将以用水量QG下降到0.6QN为例，对转速控制法进行定量分析。当用户的用水需求量为额定供水量的60%时，首先要降低电机的转速来减少抽水量，此时扬程特性也将发生变化，由原来的n1下降为现在的n4，而阀门开度却没有改变，所以管阻特性将继续维持在n2状态下。由图2-5可知，此时系统的运行工作点将从N点转移到C点，这时对应的扬程为Hk，供水功率为OQECK所围成图形的面积。

根据上述分析以及对参考文献的查阅，我们可以得出以下结论：①流量与转速成正比，②扬程与转速的平方成正比，③功率与转速的三次方成正比。

　　图2-5 调节流量的方法与比较

通过以上将阀门控制法与转速控制法进行比较，从两者的作用效果上来说，在采用阀门控制法时，当用水量降低时，工作点由额定状态下的N点转移到了E点，这时对应的扬程为HJ，相较于转速控制法中的HK更大。从图中可以看出，当采用阀门控制法时，在相同的供水量的前提下，消耗的功率即为OQEEJ的面积，相比较于转速控制法的OQECK增大了∆S(KCEJ)，而∆S即为采用转速控制法较阀门控制法节省的功率。因此我们可以得出结论：采用转速控制法时系统的效率要明显高于阀门控制阀。而从电机的角度看来讲，采用阀门控制法也比转速控制法拥有更高的功率因数。这就是转速控制法节能的机理[25]-[28]。

　2.4 变频器的工作原理

变频装置简介

异步电机若要实现变频调速的要求，必须改变输入电源的电压和频率，因为我们从电网获得的电源都是工频恒压的交流电。所以供水系统必须安装变频调速装置才可以实现对电源电压和频率的调整。变频装置根据变频方式的不同可分为间接变频和直接变频两类。间接变频就是将工频交流电源先转化为直流电源，然后再通过逆变装置将直流电转变为频率可以改变的交流电，完成调频的目的。一般我们称这种变频方式为交——直——交变频方式。直接变频装置则是将工频交流电源直接变为频率可以调整的交流电。我们一般称这种变频方式为交——交变频方式。本设计中我们选用的变频器为间接变频方式，这也是目前大多数系统采用的变频方式[29]。

图2-6是变频器的一个简单原理图，其构成为一个用来完成整流任务的整流器和一个用来完成逆变任务的逆变器。调压和调频工作分别在这两个部分单独完成。变频器的主要器件分两部分：一个是将50Hz的工频交流电转化直流电，另一个是将直流逆变为频率可控的交流电。电路中还包括串联电感和并联电抗组成的滤波器，吸收变频过程中的脉冲成分。

图2-6 变频装置的结构形式

　　第3章 变频恒压供水系统硬件设计

　　3.1 变频恒压供水系统结构方案设计

变频恒压供水系统的核心部件为PLC,其可以完成信号处理、过程控制以及数据传输等功能。结合本供水系统将要实现的功能及对接口数量和形式的要求，我们采用Siemens S7-200系列PLC，其中，S7-226CN可完成最多128输入，128输出的数字信号，32输入，28输出的模拟信号。同时还具有数据传输功能，可满足该系统的要求。变频装置我们打算采用交——直——交变频方式，因此我们打算采用三菱公司生产的变变频器，与其他变频器相比，它具有功能更加齐全、价格实惠、操作方便等优点。相关辅助设备有交流接触器、热继电器、熔断器等。其中交流接触器的作用是控制设备的运行，当输入相关操作信号时能保证设备的正常启停。热继电器与熔断器的作用是保证系统的安全可靠运行，当系统发生非正常运行时起到过电流保护的作用。压力传感器作为用户端水压监控机构，用户管网水压进行采样并传送到PLC，以便能够根据用户的需求及时对抽水量做出调整。PLC的数字输入端分别接按钮和电磁继电器，以便控制设备的运行状态和启动/停止。而数字输出端接到交流接触器，用来控制系统中有关设备的开关。另一部分则连接到变频器与变频器进行数据的传输。由于本设备中含有模拟量传输信号，因此我们要对PLC进行扩展，加入模拟量输入输出功能。这里我们采用EM-235扩展模块，最多可实现4模拟量输入/输出功能。其输入端接压力传感器，输出端接变频器和上位机，分别用来将模拟信号传输给变频器和上位机，实现变频和通讯功能。变频器的输入端接三相交流电源，在变频器中将工频电源转变成系统需要的频率后输入到异步电机，然后异步电机实现转速的调整后进而控制水泵的抽水量。压力传感器用来监控压力值，并将该信号以模拟量（4-20mA）的形式传送到PLC的模拟量输入模块EM-235，经PLC内置PID模块与预设值进行比较，计算出当前的频率输出值，再将该值传递给变频器从而控制电源输出频率，以此来实现对系统水压的控制。相关原理图见上图2-4。

　3.2变频恒压供水系统方案设计

其系统设定方案为：在自动变频控制方式下，当用户的需求量发生改变，压力传感器能够立刻感知，并以模拟电信号的形式传递给PLC，由PLC内部的PID模块经过计算，得出一个频率值，再将此信号值传递到变频器内部从而保证系统压力的恒定。在此系统中压力传感器与PLC、变频器组成一个闭环控制系统，这样才能对压力传感器的检测信号及时作出响应，不断调整直至满足当前用水需求。由于实际供水情况复杂多变，不同地区，不同系统设计方案，都会使压力值有所区别，因此本系统中的压力值是通过实际亲自测量得出的。另外，本设计中的通讯模块可以完成数据的传输功能，这样就可以对系统进行远程监控和控制，当设备发生故障时，运行人员能够及时发现并排除故障。本设计中另一个特色之处是配置了备用泵，当运行中的水泵发生故障后，备用泵能及时通努如运行，保证了供水的连续性，提高了供水质量。

　3.3 变频恒压供水系统构成

根据以上对供水系统结构的分析，我们在结合相关功能的实现，我们接下来总结一下系统所需硬件，控制部分为西门子S7-226CN型号PLC，用来实现相关动作并对压力信号进行分析。另外，本系统中含有模拟信号的传递，需要配备模拟量扩展模块，这里我们选择EM-235扩展模块。变频部分为三菱系列变频器，用来将工频信号电源为所需频率的电源。以上两个设备是供水系统的核心部分。此外，我们还需要压力传感器、电机、功率为160kW的水泵两台、热继电器以及熔断器、还有电磁继电器若干。

　3.3.1 PLC及扩展模块

PLC在该系统中起到了至关重要的作用，合理地选择PLC型号是该系统能够完成设计要求的关键。因为在该系统中，所有的控制指令以及信号处理指令、上位机检测指令都要通过PLC才能实现相应功能。对PLC的选型主要考虑I/O接口的数量是否满足要求，存储容量是否能够满足要求，扩展方式的选择等。基于当下市场上销售的各种PLC品牌型号，西门子在现场使用比较广泛，指令通俗易懂，编程较容易，本系统选用西门子型号PLC。西门子S7-200系列是西门子经典系列产品之一，指令丰富，速度快，具有较强的通信能力。扩展单元及特殊功能模块较多，扩展灵活，属于小型机。

　3.3.2 变频器的选型

系统中另外一个比较重要的设备是变频器，对它的选择要求也十分重要，关系到设备能否达到我们所需目的。变频器的确定首先是看其容量是否满足系统额定容量的要求。对变频器容量的计算，要根据电机的容量为基础，变频器在运行过程中要满足下列三个公式[30]：

式中: PM——负载要求电动机的输出功率；

η——电动机的效率（通常在0.85以上）；

cosψ——电动机的功率因数（通常在0.8以上）；

UM——电动机电压（V）；

IM——电动机工频电源时的电流（A）；

K——电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.0-1.5；

PCN——变频器的额定容量（kVA）；

ICN——变频器的额定电流（A）。

对于变频器的选取原则，必须同时满足上述三个公式。其额定容量和额定电流必须同时达到系统的要求时才可以选择。基于本设计中的变频器属于泵类负载，其功率相对来说不大，因此我们可以选择则日本三菱公司生产的 FR-E700型变频器，其不仅满足设备要求，还可以节省投资，简化系统复杂程度。

　3.3.3 其他电器的选择

　1. 熔断器的选择

熔断器是对工频状态下运行的电机进行过电流保护，而电流大小又会因负载和启动过程中的冲击电流而发生变化，因此对熔断器的选择，可以以额定工作时的电流的1.5-2.5倍来进行选择。

热继电器的选择对于热继电器，应该根据系统中的具体工作情况来确定，要同时考虑电机的额定电流、电机种类以及冲击电流的影响。通常热继电器的选取原则是其额定电流等于电机的额定电流，同时还要兼顾电机种类、具体工作情况、以及负荷种类等因素的影响。但是首先要考虑的仍按是其额定电流，并且其值等于电机的额定电流。如果在连续工作的情况下，要确保热继电器以正确的启动动作启动，因此可以让热继电器的电流等于电动机的额定电流，设计中电机的额定电流为240A，因此选择额定电流为300A的热继电器[31]。

　3.4 系统主电路分析及设计

该系统的自动变频恒压功能由PLC指令控制来实现，要实现的相关功能如下：能够同时控制两台泵的启停任务并实现24H后轮换工作；当其中一台水泵发生僧故障停止运行后，备用泵能够及时投入运行维持供水稳定性；PLC要能够对压力变送器传来的模拟信号进行处理，通过PID模块与预设值进行比较后计算出当前压力下的频率值传输给变频器，从而控制电源输出频率调节水泵抽水量；当变频器故障时，能够实现电机工频启动，保证供水不中断。

系统的相关结构如一号图所示，SB1为变频器启动按钮，SB2-SB5为两台水泵的变频/工频启停按钮，继电器KM1控制变频器启动，KM2和KM3控制两台水泵的变频启动，KM4和KM5控制水泵的工频启动。当PLC接收到一个信号后，相应输出一个信号，因此控制系统启动与停止。

3.5 PLC的I/O端口分配及外围接线图

表3-1 输入点代码及地址编号

表3-2 输出点代码及地址编号

结合本系统的连接图，以及相关元件的连接方式和指令要求，系统的输入输出信号名称、代码以及指令编号见上表3-1和表3-2。

根据系统的控制电路图和输入输出接口，我们就可以通过做图工具作出PLC及其扩展模块的接线图，如图3-4所示。

　　图3-4 PLC及扩展模块外围接线图

　第4章 变频恒压供水系统软件设计

变频恒压供水系统的软件部分是控制整个系统按我们的需要运行最主要的部分。要实现相应功能，我们需要设计以下程序：系统正常运行程序、换机程序、工频/变频转换程序、PLC与上位机通讯程序、故障检测程序等。才能形成一个完整的恒压供水系统，接下来我们将以PLC的编程软件为基础设计相关程序，完成系统运行控制功能。

STEP 7-Micro/WIN32编程软件是S7-200系列PLC使用的编程软件，运行在32位Windows操作系统下。是开发S7-200系列PLC重要的工具，本设计正是中采用STEP 7-Micro/WIN32编程软件进行软件部分的编程的[32]。

　4.1 系统软件设计分析

本系统是在硬件连接完成的基础上，通过对PLC软件编程实现自动供水目的的。系统的控制功能主要由软件部分实现，因此，对软件部分的分析如下：

本系统要实现恒压自动供水，其中恒压部分由PLC的PID控制来对压力传感器收集来的数据进行计算，将运算结果传送给变频器来调节供电频率以实现由于不同时段用水量不同而导致的水压不恒定问题；自动供水环节由PLC编程完成，通过控制面板的按钮来控制电机的自动启停。由于电机的转动惯量的存在，会导致电机突然额定启动时电流突然增大，容易对电机造成破坏，并对电网造成冲击。因此我们要尽量控制电机的启动电流，减小电机突然启动造成的损坏。采用电机软启动方法能有效减小转动惯量对电机的破坏。目前软启动的常规方法有Y/△转换法、减压启动法、串联电阻法、变频启动法。本例我们通过PLC编程控制变频器的输出频率来实现电机软启动。我们研究的供水系统由两台水泵组成，其中一台工作，另一台备用。当工作中的水泵发生故障时，能够启动备用泵来保证不间断供水。另外，考虑到备用泵长期不工作会引起生锈、老化、损坏的问题，我们要尽量保证两台水泵使用时间大体相等。因此，我们可以应用时间继电器来控制水泵的工作时间，当其中一台水泵工作24小时后，自动转换到另外一台水泵继续工作24小时，如此循环，保证两台水泵工作时间相等。我们不仅要考虑电机的故障问题，还要考虑到变频器发生故障导致系统无法正常工作的问题。当变频器故障时，要能够通过工频运行保证电机正常供水。因此，实物连接图中还要有工频运行模块，并且也要保证两台水泵启动次数大体相等。我们通过一个递增指令来记录两台水泵工频启动次数，在通过比较指令来决定那台水泵工作。程序中使用的PLC元件及其功能如表4-1所示。

表4-1 程序中使用的PLC元件及其功能

通过以上分析，我们大体了解了供水系统的过程，下面我们来具体叙述每个部分的软件编程。

　4.2 PLC程序设计

整个系统的程序主要分成以下几个部分：系统启动程序，水泵换机程序、变频启动程序、故障换机程序、工频启动程序、和逻辑比较程序等几部分构成。下面我们将结合梯形图具体说明每部分程序的工作情况。

水泵变频启动程序水泵的启动我们要求使用PLC进行软启动。下面以1#泵的启动运行为例进行论述。当合上断路器开关，设备处于带电状态，按下SB1按钮，输入继电器常开触点I0.0置1，即常开触点I0.0闭合，输出继电器Q0.0线圈得电，自锁常开触点Q0.0闭合实现自锁功能。控制变频器接触器KM1线圈得电吸合，变频器处于带电状态。这时按下SB2按钮，将PLC程序中的输入及继电器常开触点I0.1置1，常开触点I0.1闭合，输出继电器Q0.1线圈得电，控制电动机启动的线圈KM1得电吸合，1#泵在软启动程序的驱动下变频启动，之后进入正常工作状态。相关程序如下：

　　水泵换机程序当某一台水泵运行一段时间后，为保证两台水泵工作时间大体相等，程序中要实现轮换工作功能，即当其中一台水泵工作24小时后，要自动切换到另一台水泵继续运行。我们用一个时间继电器加计数器来实现24小时计时功能，因为只通过时间继电器无法实现24个小时的计时。下面以1#泵的计时为例说明：当1#泵运行时，Q0.1一直保持通电状态，M0.0为常闭触点，故T37计时器开始30分钟的计时功能，30分钟后，T37接通，M0.0线圈得电，时间继电器复位，计数器加一，当时间继电器计时48次，也就是24小时后，计数器输出一个脉冲信号，使1#泵停止工作，2#泵开始运行，24小时后，再转换到1#泵运行。如此往复，实现电机的轮换工作目的。

　　故障换机程序的实现当正在运行的水泵由于短路、断线等原因停转时，要保证不间断供水，此时备用泵要及时投入运行。其逻辑如下：假如运行中的1#泵发生故障停转，这时热继电器FR1由于受热使常闭触点断开，I0.5失电闭合，Q0.2线圈得电，2#泵启动运行。同理，当2#泵发生故障时，Q0.1线圈得电，1#泵投入运行。相关程序如下：

　　变频器故障，工频运行程序变频恒压供水系统的正常运行，需要PLC对水压信号分析计算后通过变频器改变供电频率来实现恒压目的，当变频器发生故障停止工作时，为了保证供水，我们仍然需要水泵工频工作。下面我们以1#泵为例，设计一套工频运行程序。

当按下工频启动按钮I0.3或接收到中间寄存器M1.2信号时，输出继电器Q0.3线圈得电闭合，主电路中触点KM4闭合，1#电机工频运行启动；自锁常开触点Q0.3闭合自锁；控制2#泵的输出继电器Q0.4的常闭触点断开，防止2#泵得电闭合。

另外，我们还通过加一指令来实现两台水泵工频启动次数的记录，目的是保证两台水泵工频启动次数的大致相等，避免总是启动一台水泵情况的发生。加一指令的实现过程为：当水泵接收到Q0.3指令时，通过一个上升沿指令给递增指令一个脉冲，加一指令加一，保存在VB0中。同样2#泵也有一个递增指令来记录工频启动次数，保存在VB1中。当PLC接收到变频器故障指令M1.0后，由比较指令来决定哪台水泵工作。如果VB0>VB1，那么2#泵工频启动，否则1#泵工频启动。相关指令如下：

　　PID算法程序PLC中PID模块的参数使我们根据实际情况测量得出的，但是如何根据压力传感器检测到的压力值转换成我们所需的供电频率，需要我们自己编写相关程序才能实现。压力传感器将当前系统压力值传给PID模块，将该压力值与预置的进行比较，得出一个压力差，通过微分处理得到一个偏差变化量，再通过将这两个量的信号转化，乘上相关比例因子，得到一个信号值，将此值送到变频器，控制电机转速，以达到控制水压的目的。

监控系统设计通过上述对PLC的编程，我们实现了变频恒压供水目的，但是此系统都为自动控制，工作人员不在现场，无法及时了解到机器的运行情况。为了改善这一状况，我们设计了一套远程监控程序，通过PLC的扩展模块与上位机进行连接，可以对系统进行远程的指令控制以及故障监控，大大提高了系统的运行性能，节省了人力，并且保障了系统的可靠运行。

监控系统采用上位机与PLC连接的方式，上位机用来对现场的运行数据实时采集与记录，当系统发生故障后能及时发出报警信号，并完成换机操作。必要时还可以对数据进行表格生成和打印。

我们采用的西门子S7-200系列PLC有一个RS-232接口，通过电缆与计算机连接可以实现数据通讯功能，当距离较远时，也可以增加RS-232/485扩展通讯变换接口来增加传输距离。

　结论

本设计是基于传统高层供水存在的不足，通过变频器、可编程控制器、压力变送器、水泵等组成的一个闭环控制系统，并且通过与上位机的连接实现运行数据的通讯，保证了工作人员及时了解到现场的工作情况。解决了过去供水系统中自动化程度低、响应不灵敏、工人劳动强度大、系统运行效率低的缺陷，实现了运行可靠、自动化、高效化、节能化的要求。该系统与传统供水系统相比具有如下特点：

与传统供水系统相比，采用PLC与变频器之间的配合，可以根据用户的不同需求调节供水量，实现恒压控制。变频器通过对工频恒压电源的转换，可以实现电机的软启动和对水泵抽水量的控制。采用PID算法对压力传感器检测到的水压进行处理，通过数字/模拟量转换功能将压力值转换为变频器应该输出的电源频率值，从而改变水泵的工作功率，改变抽水量。通过通讯模块实现可系统与上位机之间的通讯，通过电脑的存储功能，对运行数据进行了记录，而且还可以对PLC实现远程控制，大大解放了人力，提高了工作效率。系统具有一定的容错性，当运行中的水泵发生故障时，备用泵能及时投入到系统中来，当变频器故障时，能够启动工频运行方式。这样大大提高了供水系统的可靠性。系统可以实现科学的工作时间调节，当一台水泵连续工作24小时后，自动转入另一台水泵运行，避免备用泵长时间不运行而导致的生锈、故障等隐患。工频启动过程中也能通过计数器来控制电机工频启动泵的选择，保证两台水泵间隔启动，避免总是启动其中一台。通过变频器的调节能够实现电机的软启动，在电机启动过程中，电压频率逐渐上升到工频，从而避免了电机启动时的过电压和过电流，降低了启动过程中对电网的冲击。经过一个学期的设计，本人在变频恒压供水的研究中取得了一些成绩，改变了以往供水的不足，但是由于时间及知识水平有限，本设计还有待于进一步的完善与改进。

本设计只针对小型供水系统，当用水需求量过大时不能保证供水可靠性，未来我们还可以通过多台水泵的共同作用满足用水需求量过大的问题。

由于我国现有供水系统仍然处于初级水平，我们还有很大提升空间，未来我们将通过硬件与编程的进一步完善，改进供水结构，使供水系统更加高效、节能。以上问题我们将在以后的学习中进一步完善。

致谢

首先我要感谢我的论文指导老师，老师工作态度严谨，学识广博，勤奋敬业，对学生要求严格，使我于无形中获益匪浅，半年来，导师对我付出了大量心血，无论是学习中还是生活中，都给了我无数指导性建议。老师也从未对我的疑问感到厌烦，总是细心解答我的疑惑，不断鼓励我独立思考，提出独立性的见解。这所有的一切都将会对我未来人生道路产生重要影响。特此在本论文完成之际，对导师的耐心指点和谆谆教诲表示衷心的感谢和崇高的敬意。

在本人四年的学习 、生活中，电气专业全体老师给予了诸多的指导和帮助，在此一并表示感谢。最后，还要感谢所有关心、帮助过我的同学和朋友。

　参考文献

[1]韩相争.西门子S7-200SMART PLC 编程技巧与案例[M].北京：化学工业出版社，2017：186~190

[2]宋序彤.我国城市供水发展有关问题分析[J].城镇供水.2001, 2: 22~27.

[3]崔玉川，傅涛.我国城市给水发展现状与特点[J].中国给水排水.1999, (2): 52~54.

[4]刘黎成，孙伟.离心泵压力自控调速系统的节能[J].中国给水排水.1993, (5): 58~61.

变频恒压供水系统的能耗分析

价格 ¥5.50 发布时间 2023年10月2日

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