基于PLC的变频恒压供水系统(3)

第二章 技术基础

第二章 系统的理论分析及控制方案确定

2.1水泵的工作原理

水泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。衡量水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。供水所用水泵主要是离心泵。

离心泵水泵开动前，先将泵和进水管灌满水，水泵运转后，在叶轮高速旋转而产生的离心力的作用下，叶轮流道里的水被甩向四周，压入蜗壳，叶轮入口形成真空，水池的水在外界大气压力下沿吸水管被吸入补充了这个空间。继而吸入的水又被叶轮甩出经蜗壳而进入出水管。由此可见，若离心泵叶轮不断旋转，则可连续吸水、压水，水便可源源不断地从低处扬到高处或远方。普通离心泵如图2.1所示，叶轮安装在泵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。

104598123761-叶轮 2-泵壳 3-泵轴4-吸入口 5-吸入管6-单顶底阀 7-滤网8-排出口 9-输出管10-调节阀

图2.1 离心泵

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2.2 电动机的调速原理

水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：

n?60f(1?s)p (2.1)

式中：f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。 从上式可知，三相异步电动机的调速方法有： 1改变电源频率 2 改变电机极对数 3改变转差率

改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。

根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。

2.3变频恒压供水的能耗分析

在供水系统中，通常以流量为控制目的。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。

1、阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而水泵电机转速保持不变。 阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。

如图 2.2所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%(即QX=60%QN)。当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至E点，这时，流量减小为QE(=Qx)；扬程增加为HE；供水功率PC与面积

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第二章 技术基础

ODEJ成正比。

阀门关小H③ENC②阀门全开JGK①稳定转速④转速下降DAQNQOQE

图2.2 调节流量的方法与比较

2、恒压控制法：即通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，也称为转速控制法。

转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。

以用户所需流量等于60%Qn为例，当通过降低转速使得Qx=60%Qn时，扬程特性仍为曲线②，故工作点移向C点。这时流量减小为QE（=Qx），扬程减小为Hc，供水功率PC与面积0DCK成正比。

比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量(Qx<100%QN)的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制方式小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差△P便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果最基本的方面。

对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但是扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量QG表示）和用水要求（由流水量QU表示）之间的平衡情况有关。

如：供水能力QG>用水需求QU，则压力上升（P↑）； 如：供水能力QG<用水需求QU，则压力下降（P↓）； 如：供水能力QG=用水需求QU，则压力不变（P不变）。

可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处的压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。

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随着世界范围内的Internet/Intranet环境的形成，以及各式各样新的工具的出现，数据库的访问接口向通用化、模块化、开放化的方向发展，满足了人们方便、动态地访问数据库这一基本需求。下面介绍当前主流的数据库访问接口技术。

2.4变频恒压供水系统控制方案的确定

2.4.1控制方案的比较和确定

恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：

1、 有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器

这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。

２、通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。

３、通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面（PID控制器）+压力传感器

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；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PLC的硬件配置和I/O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PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。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。

通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控

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第二章 技术基础

制精度的要求。

2.4.2变频恒压供水系统的组成及原理图

为了更好的利用资源，本系统采用无负压变频恒压供水方式，系统主要由稳流补偿器、水泵、智能控制系统等组成。无负压供水是供水设备在工作时,通过设备的控制方式、稳流补偿器与真空抑制器的联合作用,能够消除水泵工作时产生的吸程,并且利用了市政管网原有的压力,实现压力差多少补多少的供水方式。管网叠压供水设备采用全密闭的结构,隔绝了与空气的接触。（无负压供水系统原理图 如图2.3所示）

图2.3 无负压供水系统原理图

无负压设备的系统设定一个恒定的供水压力值（一般为满足服务范围内最不利点用水压力值）作为水泵启动标准，如果市政管网压力高于设定的压力值时，电接点压力表将管网压力反馈给微机控制柜，使水泵机组处于停机状态，此时由市政管网直接向用户供水；当市政管网压力发生变化或用户管网用水量变化使管网压力下降，则另一电接点压力表将管网压力反馈给微机控制柜，通过微机控制柜启动水泵机组，并调整变频器的输出频率，稳定水泵转速，保持恒压供水。

当水泵机组的供水小于或等于市政管网进水时，既供水和进水达到平衡，稳流平衡

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