恒压供水自动控制系统的设计
《装备制造技术》2009年第6期
恒压供水自动控制系统的设计
龙成忠1，龙先超2
（1. 桂林电器科学研究所，广西桂林541004；2. 湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082）
摘要：根据广西合山电厂供水站的实际情况，提出采用电机软启动器和变频调速及ＰＬＣ（可编程控制器）控制的恒压供水自动控制方案；与其他控制方案比较，既保持了控制系统功能齐备、运行稳定可靠、节能效果显著的特点，又能合理地节省了资金投入。关键词：恒压供水；软启动器；变频调速；ＰＬＣ控制；节能中图分类号：TP273
文献标识码：B
文章编号：1672-545X （2009）06-0081-03
结合广西合山电厂供水站对厂区和生活区的供水现状，设计了一个基于PLC 和变频调速恒压供水自动控制系统。由于水厂供水站原来5台水泵的供水控制系统，是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，每天不同时段的用水，对供水压力的要求变化较大，仅靠供水站值班人员根据经验进行人工手动调节，很难及时有效地达到目的。使得在用水高峰期时，供水压力不足；用水低峰期时，供水压力又过高。这样不仅浪费能源，而且还存在诸多事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故），对电厂的安全生产影响很大。为彻底解决原供水系统的缺陷，又要合理节约设备改造资金，必须在原供水系统的基础上进行改造，重新设计一套取水和供水的自动恒压供水控制系统。
图1主电路图
U V W M 3~
K1M 3~
K2
K3
K4K5K6
K2
软启动器
软启动器
K1
K0
Q
Q
M 3~M 3~
图2一拖三方案图
设计采用了一拖三方案（见图2），即1台软启动器带3台水泵，可以依次启动、停止3台水泵。一拖三方案主要特点，是节约2台软启动器，减少了投资，充分体现了方案的经济性、实用性。
(1)启动过程。首先选择一台电动机在软启动器拖动下，按所选定的启动方式逐渐提升输出电压，达到工频电压后，旁路接触器接通。然后，软启动器从该回路中切除，去启动下一台电机。
(2)停止过程。先启动软启动器与旁路接触器并联运行，然后切除旁路，最后软启动器按所选定的停车方式，逐渐降低输出电压直到停止。
软启动器的优点，是输出给电动机的电压是逐渐增加的，降低了启动电流，使电动机平滑逐渐加速，避免产生大的启动电流对电机及设备的损害；缺点是软启动器没有调速功能。所以它适合应用在电机不需调速的场合。1.3
变频器的优缺点及应用
(1)变频器调速。交流电动机的同步转速表达式为
n =60f (1－s ) /p
式中，n ———异步电动机的转速；
f ———异步电动机的频率；s ———电动机转差率；p ———电动机极对数。
(1)
1电机启停和调速控制基本方式的比较
1.1星/三角启动电机的优缺点及应用
优点是线路简单，成本低；电动机采用星/三角启动控制，
缺点是电机启动电流太大，电机和设备易受损害，对大功率电机损害更为严重。所以星/三角启动电机的方式，一般应用在启动小功率电机的场合。1.2
软启动器启动电机的优缺点及应用
软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间（主电路图见图1）。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转速时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器K2取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转速逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击以及缺相保护、短路保护、过载保护、逆序保护、过压保护、欠压保护等功能。
收稿日期：2009-03-29
作者简介：龙成忠（1955—），男，广西桂林人，一直从事电气自动化方面的研究工作；龙先超（1987—）男，广西桂林人，湖南大学电气与信息工程
学院学生，从事专业：电子与信息系统。
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Equipment Manufactring Technology No.6，2009
由式（1）可知，转速n 与频率f 成正比，只要变频器改变频率f ，即可改变电动机的转速，所以当频率f 在0～50Hz 的范围内变化时，变频器对电动机的转速调节范围是非常宽的。
(2)变频器节能。由于水泵类负载属于二次方转矩负载，T ∝n 2，而电动机轴上的即转矩T 与转速n 的二次方成正比，
所以P ∝n 3，即电动机轴上的输出功率与转输出功率P ∝Tn ，
速的三次方成正比。当电动机的转速稍有下降时，电动机功率损耗就会大幅度下降，耗电量也就大为减少。
从式（1）可知，若将电动机的运行频率由原来的50Hz 下调到40Hz ，则电动机的实际转速降为额定转速的80%，即n r =0.8n n ，由于电动机的额定功率为P n =Kn n
因此，电动机运行在40Hz 时的实际功率为：
P r =Kn r =k （0.8n n ）=0.512Kn n =0.512p n
节电率=（电动机额定功率-电动机实际功率）/电动机
额定功率
=（P n –P r ）/P n =（P n –0.512P n ）/P n =48.8%。
由此可见，若水泵的电动机运行在40Hz 时，理论上，电动机实际消耗的功率只有额定功率的一半左右，节电率为48.8%，节电效果十分显著。
变频器的优点是：它既有软启动器的功能，又能改变输出电源的频率而对交流电机调速，节能效果显著；缺点是价格稍高。所以它适合在电机需要调速的场合使用。
3
3
3
3
压力给定值
变频器（PID ）
频率
水泵
转速
管网
水管压力
压力给定/反馈之和PLC
压力反馈值
压力传感器
图3恒压供水自动控制系统工作原理图
由于电机采用星/三角启动时，启动电流等于4～7倍额定电流以上，对机电设备和供电电网造成严重的冲击，对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利，所以不适用于本控制系统。
而软启动器或变频器的软启动功能，能使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的所以，控制系统采用软启动器和变频器作为电机启维护费用。
停和调速的控制器件。
控制系统选用西门子430系列变频器和西门子S7-300系列PLC 以及西门子触摸屏，并通过RS485接口和PROFIBUS 总线将他们连接起来，构成一个完整的控制系统。自动恒压供水控制系统的网络图如图4所示, 结构框图如图5所示。
调度室上位机
2恒压供水系统自动控制方案
针对供水站的实际工况，采用变频器调速进行恒压供水
以太网交换机
PLC
使用1台时，存在着用1台变频器还是用2台变频器的问题。变频器，这是应用得较为普遍的方案，其控制过程是：用水量少时，由变频器控制1号泵，进行恒压供水控制；当用水量逐渐增加，1号泵的工作频率达到接近50Hz 时，将其电动机切换成工频电源供电．同时将变频器切换到2号泵上，由2号泵进行补充供水，以此类推。反之，当用水量逐渐减少，即使2号泵的工作频率已降为下限频率，而供水压力仍偏大时，则关同时迅速升高2号泵的工作频率．并进行恒压控掉1号泵，
制。此方案的主要特点是：只用一台变频器，故设备投资少，但如果用水量恰巧在一台泵全速供水量上下变动时，将会出现为了避免供水系统来回切换的状态，这对供水设备危害很大。这种现象的发生，提高供水质量和节能效果，以及又使设备投资增加不多，经测算比较，采用两台变频器分别控制两台泵的控制方式较好。
在供水站管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的。所以恒压供水控制系统的控制目标，是泵站总管的出水压力。系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU 运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水控制系统工作原理如图3所示。
（1#泵）
压力变送器
4~20mA\1~5V流量变送器4~20mA\1~5V
触摸屏1#变频器2#变频器软启动器
系统I /O
压力信号变送器4~20mA或1~5V流量信号变送器4~20mA或0~5V
图4控制系统网络结构图
Q3
Q1R S T 1#变频器
RS485U V W K2
K1
Q2
K0
R S T 2#变频器RS485U V W K4
K3
R S T 软启动器RS485U V W
K5
K6
K7
K8
K9
K10
（2#泵）（3#泵）（4#泵）（5#泵）
RS485PLC
K0K1K2K8K9K10
图5恒压供水自动控制系统结构图
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《装备制造技术》2009年第6期
系统具有控制水泵出口总管压力恒定的供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器，实时将压力非电量信）的输入模块，信号转换为电信号，输入至可编程控制器（PLC 号经CPU 运算处理后，与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及变量泵的软运行工况，并实现对每台水泵根据CPU 指令实施软启动、切换及变频运行。系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。
3.4通讯功能
该系统具有计算机的通讯功能，PLC 通过RS485接口与变频器和触摸屏连接，监控和显示各变频器、软启动器的运行电压、频率、转速、故障报警、运行状态及供水压力等各电流、类参数。
3.5故障报警及打印报表等功能
恒压自动供水系统具有标准的通讯接口，可与工厂调度、管理、监控部门的上位机联网，或与城市供水系统的上位机联网，利于实现工厂调度、管理、监控的现代化或实现城区供水系统的优化控制，为工厂、城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。
3系统的功能
3.1自动切换软启动运行功能
当启动信号输入时，1#变频器启动1#泵，2#变频器启动2#泵，软启动器启动3#泵，当3#泵达到最高频率时，PLC 将3#泵切换到工频运行，并同时将控制3#泵的软启动器关闭停机，PLC 再切换软启动器去启动4#泵运行，当4#泵达到最高PLC 再将4#泵切换到工频运行，并同时将软启动器频率时，
关闭停机，以此类推。相反，当泵停止条件成立时，先停止最先启动的3#泵，最后停止变频器控制的1#、2#泵。3.2
PID 的调节功能
设定给定压力值，PID 参数值，由压力传感器反馈的水压信号(4～20mA 或0～5V) 直接送入PLC 的A/D口，并通过PLC 计算何时需切换泵的操作，完成系统控制，系统参数在实际运行中调整，使系统控制响应迅速、稳定。3.3“休眠”功能
为了节系统运行时，当遇到用水量较小(如夜晚) 的情况，能，PLC 专门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设定的下限值时，PLC 发出指令，使变频器停止工作，所有的水泵都停止工作(处于休眠状态) 。当水压下降到一定值时，PLC 发出指令唤醒变频器工作，即先启动1#变频器运转1＃泵，当频率到达一定值后，再启动2#变频器运转2＃泵。
4结束语
恒压供水控制系统形式有多种多样：有控制简单，但电流
冲击大的星三角启动方式；有无调速功能和节电效果，但能抑制启动电流使电机平滑启动的电机软启动方式；另有控制系统先进，且节能效果明显，但资金投入大的全部变频调速及计算机控制方式。
本恒压供水自动控制系统，则采用电动机变频调速器与PLC （可编程控制器）构成的控制系统，根据供水流量和供水压力与泵的转速成正比关系，用变频调速器控制水泵的转速，从而改变供水的压力和流量；因PLC 不仅可实现优化控制泵组的调速运行，还可自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能阀门的逻辑控制，并可完成系统的目的；而且还能进行泵组、的数字PID 调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工况的CRT 画面显示、
参考文献:
[1]满永奎, 等. 通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社, 1995.
[2]张福恩, 等. 交流调速电梯原理、设计及安装维修[M].北京：机械工业出版社, 1991.
[3]王兆义. 可编程控制器教程[M].北京：机械工业出版社, 1992.
Designs of Constant Pressure Water Supply Automatic Control System
LONG Cheng-zhong 1，LONG Xian-chao 2
（1. Guilin Electrical Equipment Scientific Research Institute ，Guilin Guangxi 541004,China; 2.Electrical &Information Engineering College ，Hunan University ,Changsha 410082, China ）
Abstracts ：This paper refers a Constant pressure water supply control system based on the actual situation of Guangxi Heshan Power water supply Plant , the system consists of soft-start motor and VVVF and PLC (ProgrammableLogic Controller) control constant pressure water supply automatic control program. Compared with other control systems to maintain control functions, operation stable and reliable, energy-saving results are obvious and can save a reasonable investment.
Key words ：constant pressure water supply; soft starters; frequency control; PLC; energy-saving
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