变频恒压供水系统的设计[1]

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目录

摘 要 ................................................ 1

1 绪论 ............................................... 2

1.1引言 ...................................................................... 5

1.2变频恒压供水产生的背景和意义 .............................................. 7

1.3变频恒压供水的现况 ........................................................ 8

1.3.1国内外变频供水系统现状 ............................................ .8

1.3.2变频供水系统应用范围 .............................................. 10

1.3.3变频供水系统的发展趋势 ............................................ 10

2 变频恒压供水的理论分析 ............................ 10

2.1水泵的工作原理 ........................................................... 11

2.2供水压力和变频器输出频率的关系 ........................................... 11

3 变频恒压供水系统的构成及控制原理 .................. 11

3.1 通用变频器+PLC ........................................................... 12

3.2变频恒压供水系统的结构 ................................................... 10

3.2.1执行机构 .......................................................... 10

3.2.2信号检测 .......................................................... 11

3.2.3控制系统 .......................................................... 11

3.2.4人机界面 .......................................................... 13

3.2.5通讯接口 .......................................................... 13

3.2.6报警装置 .......................................................... 13

3.3变频恒压供水系统的控制方案 .............................................. 136

3.4变频恒压供水系统的水压恒定控制 ........................................... 17

3.5变频供水水泵加减的控制 ................................................... 18

4 变频恒压供水系统的设计 ............................ 19

4.1理论可行性 ............................................................... 20

4.2技术可行性 ............................................................... 21

4.3硬件设计 ................................................................. 21

4.3.1变频供水主电路设计 ................................................ 22

4.3.2控制系统硬件设计 .................................................. 20

4.4软件设计 ................................................................. 24

4.4.1系统初始化程序设计 ................................................ 22

4.4.3电机增减控制程序设计 .............................................. 23

4.5本章小节 ............................................................ 27

参考文献 ............................................ 26

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摘 要

随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活，也直接体现了供水管理水平的高低。传统供水厂，特别是中小供水厂所普遍采用的恒速泵加压供水方式存在效率较低、可靠性不高、自动化程度低等缺点，难以满足当前经济生活的需要。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，需要利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，要求设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。

本文首先阐明了供水系统的变频调速节能原理;从具体分析了变频恒水压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究得出结论:变频调速方式，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它集微机控制技术、电力电子技术和电机传动技术于一体，实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点的结论。因此本文以采用变频器和PLC 组合构成系统的方式，逐步实现水压恒定供水和数据传输的.

最后，从分析该恒压变频供水的可行性，改造的理论、技术、经济可

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行性等方面进行多次实验分析:其次，分别从确定变频器的参数，设计变频主电路、变频电机的运行模式、控制模式及流程。在此基础上，对中小供水厂变频电机的选型、安装、调试和运行各步骤加以详细地阐述。然后归纳和分析了安装运行中的问题和注意事项。通过变频恒压供水系统的试运行，对该系统在实际供水中所取得的节约电耗、恒定压力、保护管网等实际效果进行了总结，指出变频技术在中小供水厂供水领域所取得的成果及应用中的局限性。

1 绪论

1.1引言

水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。

随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠

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性要求不断提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上:用水多而供水少，则供水压力低;用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。

对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题(如图 1.1)。因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水解水企业关心的焦点问题之一。

变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行.

变频恒水压供水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技

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术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以研究设计基于变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水，如图1.2)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.2变频恒压供水产生的背景和意义

我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象;而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。且由于是二

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次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调

节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

1.3变频恒压供水的现况

1.3.1国内外变频供水系统现状

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。

国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大

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容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。

1.3.2变频供水系统应用范围

变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:

(1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统

这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在 135kw以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式.如希望集团 (森兰变频器)推出的恒压供水专用变频器。

(2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统

这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机功率在135kV沐320kw之间，电网电压通常为ZooV或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。

(3)大型供水厂的变频恒压供水系统

这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器 在本文中，研究和设计的变频器是以第二种应用范围为基础。

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目前国内，除了高压变频供水系统，多数恒压供水变频系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。以中小水厂供水环境来说，由于其包括了自来水生产系统，其温湿度及腐蚀程度都大于常见小区和加压泵站，在水泵组搭配上、需要处理的信号(如水质信号停机管理)也多于小区供水系统，所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善.

1.3.3变频供水系统的发展趋势

变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展

在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的

优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。

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2 变频恒压供水的理论分析

2.1水泵的工作原理

供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2.1所示:叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。

在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

2.2供水压力和变频器输出频率的关系

在变频恒压供水系统中，供水压力是通过对变频器输出频率的控制来实现的。确定供水压力和输出频率的关系是设计控制环节控制策略

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的基础，是确定控制算法的依据。

送水泵站所采用的水泵是离心泵，它是通过装有叶片的叶轮高速旋转来完成对水流的输送，也就是通过叶轮高速旋转带动水流高速旋转，靠水流产生的离心力将水流甩出去。离心泵也因此而得名。在给水排水工程中，从使用水泵的角度来看，水泵的工作必然要和管路系统以及许多外界条件联系在一起.在给水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系统称为 “装置”，在控制系统的设计中，真正对系统的分析和设计有价值的也是这种成为系统的装置，而不是单单的孤立水泵。

3 变频恒压供水系统的构成及控制原理

3通用变频器+PLC

这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换;通用性强，.1 由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定P比 的硬件配置和拍 的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于P比 的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。

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3.2变频恒压供水系统的结构

通过变频恒压供水系统我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信

号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。如图3.1所不

.

3.2.1执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网.

通常这些水泵包括:

(1)调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用

水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。

(2)恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水

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量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充.

此外，通常一些变频系统还会增设附属小泵，它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下(例如:夜间)对管网用水量进行少量的补充.

3.2.2信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号:

(l)水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行 冉刃 转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测结果可以送给PLC，作为数字量输入。

(2)液位信号:它反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时。控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处(在乐山第一水厂设计中，为清水池水位)的液位传感器。

(3)报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。

3.2.3控制系统

供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(P比 系

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统)、变频器和电控设备三个部分:

(1)供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵成行控制.

(2)变频器:它是对水泵进行转速控制的单元.变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有如下两种工作方式:

1)变频循环式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。

2)变频固定式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。

变频器的电控设备它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成.用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中等工作。

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3.2.4人机界面

人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监视，对报警进行显示。

3.2.5通讯接口

通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换;同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。

3.2.6报警装置

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由P比 判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

3.3变频恒压供水系统的控制方案

变频恒压供水系统的控制方案有多种，有1台变频器控制1台水

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泵的简单控制方案，也有1台变频器控制几台水泵的方案，本文简单介绍单台变频器控制单台水泵：

单台变频器控制单台水泵的控制方案在国内通常是指是一台变频器控制一台水泵。由于全部变频系统中，变频器、控制器、电机均无备份设备，出现问题无法切换，故目前多适用于用水量不大，对供水的可靠性要求不高的场合。该控制方案的控制原理框图见图3.2，

电路见图。

值得一提的是，在国外或国内少数大企业，也有一种每台变频器只带一台水泵的运行方式，但它的控制方式与上面是不同的，这些泵站往往是同时配备了多台变频器配多台水泵，采用集中控制的办法，这种变频系统与国内水泵站常用的一台变频器控制单台水泵的工作方式是完

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全不一样的。在这种系统中，由于有多台变频器，各水泵既可以同时变频运行，也可以分别工频运行，使其可靠性、安全性、可调节性大大优于国内常见的各种控制方式，不过在成本上，也远远高于目前国内的常用的变频恒压供水系统。

3.4变频恒压供水系统的水压恒定控制

在变频恒压供水中，整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态，按照系统的控制流程，通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水的目的。这个控制过程是一个闭环过程，它的反馈信号是由压力传感器产生的供水压力，执行机构是变频器，通过控制系统将控制结果传输到变频器中，改造变频器的输出频率，从而使供水压力发生改变，完成整个控制过程。其中需要完成的控制流程如图