PLC、变频恒压楼宇供水系统方案的设计

1恒压供水系统的基本构成
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肯定是浪费的，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。而恒压供水的主要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，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，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，转速由变频器控制，实现变流量恒压控制。压力传感器检测管网出水压力，并将其转变为变频器可接受的模拟量信号。变频器接受反馈信号后，根据给定信号和反馈信号的比值，进行PID调节来控制自身的输出频率，从而对水泵进行速度控制。控制系统的工作原理：变频调速恒压供水控制zui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，以利于区别零信号（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方，否则容易引起系统振荡。
（2）远传压力表
远传压力表的基本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保护器，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，变频器通过控制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zui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zui后一台泵用主频器恒压供水。
2 恒压供水的原理
变频器控制1#变量泵与管道压力变送器构成闭环控制系统，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，寻找恒压点完成*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）手动工频控制方式
当转换开关打到手动位置时，此时为工频运行，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。该控制方式一般用于当变频器出现问题时使用。
（2）自动变频控制方式
当转换开关打到自动位置时，此时将投入自动变频控制方式，变频器根据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控制，系统参数在实际运行中调整，使系统控制响应趋于完整。
（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，该系统设置了可以使水泵暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于其下*，变频器停止工作，2＃泵不工作，水泵停止(处于休眠状态)。当水压继续升高时将停止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。
 “休眠确认时间”用参数设置，当变频器的输出频率低于休眠值的时间如小于休眠时间td时，即td＜tn时变频器继续工作，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。
“休眠确认时间”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，计算机可以与一套或多套系统进行通讯.利用计算机同时可以监测：电流、电压、频率、转速、压力等也可以控制变频器的各类参数。
4 恒压供水系统控制分析
水泵出口压力恒定控制，它适用于管网系统阻力损失占总扬程比例较小的情况。
管网末端压力恒定控制，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，所需压力进行恒压控制，达到zui节能的要求。控制方式的选择，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。水泵出口恒压控制，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用广泛。
 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，因为这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*台泵当该泵达到zui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zui先启动的泵。
4.1 过程控制
以两台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，变频器控制可编程控制器软启动1#泵，此时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zui大流量），可编程控制器CPU根据根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力。当用水量Q在1/3Qmax<Q<Q<Qmax时，可编程控制器发出指令再将2#泵置于工频运行状态，同时软启动2#泵进入变频运行工况，此时2#泵的运行转速由用户的用水量确定，以保证供水系统zui不利点的供水压力恒定。
4.2 控制系统保证
（1）工频/变频控制方式的转换操作
为保证系统的可靠性，必须提供工频/变频两种操作方式，以减少因变频器故障或设备检修维护等原因而造成无法供水的现象，要求控制系统必须设立手动工频操作方式，一般采用转换开关或组合开关作为选择操作设备。
（2）自动运行
即每一台泵具有变频自动恒压控制功能，当用水量不够时，可自动投入另外一台或几台工频泵运行。
（3）手动运行
当压力传感器故障或变频器故障时，为确保用水，每台泵可分别以手动工频方式运行。将转换开关打到“工频”档位，操作人员可以根据需要自己决定起动或停止任意一台泵的运行。由于在该操作方式下， PID、变频器等均不参加控制，因此，从技术角度上来说，该方式无法保障出水管网压力值的恒定，所以必须有人监守。该方式主要供设备故障检修时使用。
5 水泵的转速与其扬程H、流量Q及功率的关系
（扬程：是指水泵单位质量的液体通过泵后所获得的能量，通常称之为扬程。用H表示。
流量：流量是水泵在单位时间内所抽送液体的数量，常用的流量是体积流量，用Q表示，其单位是m3 /h。
根据流体力学原理可知，当水泵的转速发生变化时，其扬程H、流量Q及水泵功率P也随之变化，他们之间有以下关系：
Q2/Q1=(n2/n1)
 H2/H1=(n2/n1)2
 P2/P1=(n2/n1)3
即流量Q与转速n的一次方成正比；扬程H与转速n的平方成正比；水泵功率P与转速n的立方成正比。下面表3-1可较为直观的理解。
表3-1离心水泵的参数