一 摘要变频调速是一种新兴的技术，将变频调速技术用于供水控制系统中,具有高效节能、水压恒定等优点。随着社会经济的发展，绿色、节能、环保已成为社会建设的主题。对于一个城市的建设，供水系统的建设是其中重要的一部分，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到居民的生活质量。近年来，随着自动化技术、控制技术的发展，以及这些技术在供水系统的应用，高性能、高节能的变频恒压控制的供水系统已成为现在城市供水管理的必然趋势。本次课程设计采用CPM1A PLC控制器结合富士变频器控制两台水泵的各种转换，实现变频恒压供水系统的功能，并且实现故障转换与报警等保护功能，使得系统控制可靠，操作方便。二 设计要求一楼宇供水系统，正常供水量为30m3/小时，最大供水量40m3/小时，扬程24米。采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。要求设计实现： 设二台水泵。一台工作，一台备用。正常工作时，始终由一台水泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。 二台泵可以互换。 给定压力可调。压力控制点设在水泵出口处。 具有自动、手动工作方式，各种保护、报警装置。采用OMRON CPM1A PLC、富士变频器完成设计。三 方案的论证分析传统的小区供水方式有： 恒速泵加压供水方式该方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，目前较少采用。 气压罐供水方式气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，也使浪费加大，从而限制了其发展。 水塔高位水箱供水方式水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。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，同时系统具有良好的节能性，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。四 变频恒压的理论分析及控制方案的确定1. 系统原理分析水泵电机多采用三相异步电动机，其转速公式为： 从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：变极对数调速 变转差率调速 变频调速三种方式。a. 变极调速的调控方式控制简单，只需要改变鼠笼型异步电机的定子绕组的连接组别，便能达到变极的目的。这种方式节能效果显著，效率高，但是有级调速，因此转速变化较大，转矩也变化大，在实际中适用范围小。b. 改变转差率调速一般采用串级调速的方式，该种方式属于转差功率回馈型调速，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，故实用性不好。c. 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。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. 变频恒压供水的控制方案的确定 图1 变频恒压供水系统框图变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是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，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。整个系统由一台PLC，一台变频器，水泵机组，一个远程压力表，低压电器及一些辅助部件构成。各部分功能如下：（1）水泵用来提高水压以实现向高处供水；（2）安装于供水管道上的压力表将管网水压力转换成电信号；（3）变频调速器用于调节水泵转速以调节管网中水流量；（4）PLC用于水泵的逻辑切换、控制等。五 系统的设计原理说明1. 系统主电路的设计系统工作原理：通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。通过PLC实现变频器的启停、故障报警和备用泵自投。在手动状态下，不再使用变频器，直接手动启停水泵。 图2 变频恒压供水主电路图2. 系统控制电路的设计根据图2所示的主电路图设计控制电路。系统控制过程分析：（1）自动控制将旋钮开关SA1旋到自动档位，此时按下起动按钮SB5，触点00006接通， 输出继电器01002得电，接触器KM2接通了1号泵的控制；按下起动按钮SB6，触点00007接通，输出继电器01003得电，接通了2号泵的控制接触器KM3； KM2或KM3接通后，再接通链接变频器与电源的接触器KM1，此时输出继电器01000得电，KA常开触点闭合，变频器的正传启停按钮闭合，水泵开始变频运行。一旦出现故障，将通过中间继电器进行切换。（2）手动控制手动启动1号泵：将旋钮开关SA1旋到手动档位，此时按下开关按钮SB1，触点00002闭合，输出继电器01004得电，KM4常开触点闭合，启动1号泵工频工作。手动停止1号泵：按下SB3，触电00004断开，输出继电器01004失电，KM4常开触点断开， 1号泵停止工作。手动启动2号泵：按下SB2启动2号泵工作，触点00003闭合，输出继电器01005得电，KM5常开触点闭合，启动2号泵工频工作。手动停止2号泵：按下SB4，触点00005断开，输出继电器01005失电，KM5常开触点断开，2号泵停止工作。（3）故障报警控制1号泵过载时 ，FR1常开触点00010闭合，输出继电器01006得电，点亮L3。2号泵过载时 ， FR2常开触点00011闭合，输出继电器01007得电，点亮L4。当变频器出现故障时，输入端子KA动作，触点00008闭合，使输出继电器01006和01007同时接通，L3、L4同时点亮。当低水箱达到水位下限的时候，水位开关S自动断开，对应的常闭触点00009断开，自动控制系统断电停止工作。同时，1、2号泵故障使输出继电器01008得电，警铃接通报警，从而实现了声光报警。详细控制原理参见梯形图图3 系统梯形图 图4 PLC外部接线图3. PLC的I/O口分配及其外围接线图表一 I/O分配表输入输出手动/自动切换旋钮SA100000VVVF启动信号继电器KA01000工作/备用选择旋钮SA200001接触器KM101001手动1号泵启动SB1000021号泵接触器KM4010042号泵启动SB200003工频运行指示灯L1 1号泵停车SB3000042号泵接触器KM5010052号泵停车SB400005工频运行指示灯L2 自动1、2号泵启动SB5000061号泵接触器KM2010021、2号泵停止SB6000072号泵接触器KM301003变频器报警30A、30C000081号泵故障报警指示灯L301006水位下线报警信号000092号泵故障报警指示灯L4010071号泵热保护触电FR100010故障报警铃HA010082号泵热保护触电FR200011六主要设备选型1. 水泵的容量选择已知该系统正常供水量为30m3/小时，最大供水量40m3/小时，扬程24米。查得求水泵容量的公式：N=Q(m3/h)*H(m)/367/g(0.60.85)N：轴功率，单位是千瓦（kW）Q：流量，单位是立方米每小时（m3/h）H：扬程，单位是米(m)367：常数，是一个固定值0.60.85：水泵的效率，一般流量大的取大值，流量小的取小值；所以，本系统选g=0.6，N=40*24/367/0.6=4.水泵功率=轴功率*安全系数（通常取1.1-1.2）所以初选水泵功率=1.2*4.=5.2316kw一般水泵的功率有一些模数，从小到大有：1.1kW，2.2kW，3kW，4kW，5.5kW，7.5kW，11kW，15kW，18.5kW，22kW，30kW，37kW，45kW，55kW，75kW，90kW，110kW，132kW故选择的水泵电机功率为5.5kw.查水泵电机型号如下：因为该系统的最大供水量40m3/小时，扬程24米，且电机的功率初选为5.5kw，所以水泵型号为65SG40-40，其流量为40m3/小时，扬程40m，符合要求。其额定电流为： I=S/3U=7.5*1000/3*380=11.4A2. 变频器选型此系统中对于流量和扬程的需求均很小，而且对供水系统无任何特殊要求，因此选择通用型变频器富士FRENIC7.5G11S4，此变频器为380 AC供电。部分端子功能如下：（1）其中R、S、T为变频器输入端子；U、V、W为变频器输出端子；（2）本系统中PID调节模块输出的调节信号为420mA的电流信号，故此变频器采用电流信号进行频率设定。（3）设定开关量输入端子FWD为电动机的启停信号（本次系统中电动机选择正转或反转，用FWD或REV端子作为启停控制信号；如果设为正转，水泵电机抽不出水，则换用REV端子进行控制，实现水泵反转运行）。（4）30A、30B、30C为变频器的报警输出信号，系统中使用30A、30C(即选用常开触点)，将此触点接入PLC，当变频器故障时，故障信号进入信号PLC，通过继电器断开主电路，使得变频器停止运行，同时进行声光报警。（5）FMA为模拟量输出端子。从FMA和公共端11输出DC010V的模拟监视信号，可监视输出频率、输出电压，输出电流等内容。此系统中在FMA和公共端11接频