PLC、变频恒压供水系统方案分析及论证

　一、传统供水系统的概况 
随着社会的迅速发展，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，这样，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浪费；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很大的不便；而且当供电线路停电时无法保持供水；特别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；对于离市区较偏、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浪费且效率低、可靠性差、自动化程度低等缺点，严重影响了居民用水和工业用水。随着变频技术的发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可以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，还是系统的稳定性、自动化程度等方面都具有很大的优势，而且具有显著的节能效果。
1 变频调速恒压供水系统控制原理
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控制系统，控制系统将反馈回来的信号与设定压力进行比较和运算，如果实际压力比设定压力低，则发出指令控制水泵加速运行，如果实际压力比设定压力高，则控制水泵减速运行，当达到设定压力时，水泵就维持在该运行频率上。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；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，控制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，这时压力上限信号如果仍出现，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。如果一台水泵连续运行时间超过3小时，则切换下一台水泵，这样可以避免某一台水泵因长期工作时间过长而降低寿命，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控制单元等部分组成，控制系统原理图如图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控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，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　恒压供水系统控制原理框图一
智能PID调节器属于PLC扩展模块，可以与AD\DA模块一起使用，起到过程控制模块的效果，同时它的功能可以被变频器的某些功能代替，达到同样的控制效果，其控制原理图如图2-2所示。

图2-2　恒压供水系统控制原理框图二
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，根据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，同普通的水塔供水设备相比，节能效果明显。
对电网冲击小，保护功能完善。消除了水泵电机直接起动时对电网的冲击和干扰，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。
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、加速时间、减速时间、换泵时间等各种工作参数，能够显示系统运行时间，查找各种故障原因。
定时唤醒功能。由于系统是根据管网用水量的多少来决定投入运行水泵的台数，所以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重，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。对于同流量的多台水泵，为使各泵平均工作时间相同，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间超过设定值后，且有变量泵处于“休息”状态，则变频器自动切换启动“休息”时间最长的变量泵，并停止原变量泵，以保证各台水泵运行时间均等，延长水泵使用寿命。换泵时间可任意设定。
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。
综合以上说述，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。用多台水泵时会根据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主要的区别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，所以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基本关系：
       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，这就是变极调速的方法。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控制线路的切换来完成，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，由于是正弦电动势，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控制可控制硅开通关断时间来调整附加电动势的平均值即控制转子电路中的总电动势，这样通过调节总电动势来调节转子电流进而控制电动机的转速，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重；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
根据方案一的公式，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。
采用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控制，可提高传动系统的运行特性。通过控制转差率（n0-n）/n0，电机可获得较理想的快速响应特性，一旦采用闭环控制系统，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。主要运行特点：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，方便地进行加减速控制。
主要用途：较大幅度地节约电能；使控制传动系统自动化、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，确定方案采用PLC、变频恒压供水系统异步电动机的调速。