PLC和变频器在城市节能供水系统中的应用

xx职业技术学院

机电工程系

毕业综合实践

课题名称：PLC和变频器在城市节能供水系统中的应用专业：应用电子技术

学生姓名： xxx学号： xxxx

指导老师： xxx 专业技术职务：讲师

xx年 xx月

PLC和变频器在城市节能供水系统中的应用

机电工程系应用电子技术刘世峰

摘要：随着中国的发展，乡村向城市发展，乡村楼房兴起。一般小区管网水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提高”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，但他们都必须由水泵以高出实际用水高度压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。

设计小区PLC控制无塔恒压供水设备由PLC、变频器、传感器、低压电气控制柜和水泵等组成。通过PLC、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒压变流量供水要求。设备运行时,压力传感器不断将管网水压信号变换成电信号送入PLC,经PLC运算处理后,获得最佳控制参数,通过变频器和继电器控制元件自动调整水泵机组高效率地运行。供水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、供水压力的测量与调节、系统主管道水压的；系统水处理设备运转的监视、控制；故障及异常状况的报警等。现场监控站内的控制器按预先编制的软件程序来满足自动控制的要求，即根据供水管的高/低水压信号来控制水泵的启/停及进水控制阀的开关，并且进行溢水和枯水的预警等。

关键词：可编程控制器；变频器；传感器

1.2.1变频恒压供水系统主要特点：

1.节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。

2.占地面积小，投入少，效率高。

3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

4.运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。

5.由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。

6.通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。

1.2.2 传统定压方式的弊病：

1．管理不便、因与大气连通易引起的管道腐蚀。

2.由于水箱内微生物、藻类孳生，还可能对系统造成二次污染，所以每年定压水箱都需定期维护，并由卫生防疫部门检验。

3.定压水箱需占用较大空间，需要专门的地点来放置。

4.高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种调节方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵长期偏离高效区工作，效率低下。

5.系统频繁的起停泵，对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命。

6.使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户资用压头不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。

7.在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小或低区采用减压阀、节流孔板等来调节剩余水头时，大量的能量消耗在阀上，都造成电能的浪费。

1.2.3 恒压供水设备的主要应用场合：

1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。

2.各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

3.中央空调系统。

4.自来水厂增压系统。

5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。

6.各种流体恒压控制系统。

2.1可编程控制器（PLC）

2.1.1可编程控制器的选型

1.本设计的主要控制过程是利用可编程控制器的A/D,D/A模块和可编程控制器内置的控制模块来控制水泵电机的切换从而调节供水管中水的压力。

整个控制系统除了用到PLC逻辑控制、定时控制和计数控制等基本控制功能外，关键是要用到PLC的高级控制单元，主要包括A/D、D/A单元等。

现代大中型的PLC一般都配备了专门的A/D和D/A转换模块，可以将现场需要控制的模拟量通过A/D模块转换为数字量，经微处理器运算处理后，再通过D/A模块转换，变成模拟量去控制被控对象。但现在考虑到系统的安装以及成本问题，故本系统供水泵的自动控制采用的是日本欧姆龙公司的PLC，机器型号为CPM2A-30CDR-A和模拟量控制模块CPM1A-MAD02。其特性简介如下：

2.CPM2A为系统提供了众多的功能

?高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。

?同步脉冲控制可方便地调整时间。

?带高速扫描和高速中断的高速处理。

?可方便地与OMRON的PT相连接，为机器操作提供一个可视化界面。

小机壳内汇集了先进的功能和优异的表现。为食品包装行业，传送设备和紧凑型设备的制造商提供更优越的性能和更高的附加值。

?通过脉冲输出可实现许多基本的位置控制。

?可进行分散控制和模拟量控制。

3.价格低廉

?CPM2A的价值在于它具有非常卓越的性能价格比。

4.紧凑型设计能安装在任何地方

?机器设备的小型化对安装在控制板或机器内的PLC也提出了节省空间的要求。PLC规格介绍

项目30点CPU单元

电源电压

交流

电源

AC100~240V，50/60Hz 直流

电源

DC24V

允许电源电压

交流

电源

AC85~264V

直流

电源

DC20.4V~26.4V

消耗

电力

交流

电源

60VA以下直流

电源

20W以下

浪涌

电流

交流

电源

60A以下直流

电源

20A以下

外部供给电源（仅交流型号）

供电

电压

24VDC

供输

出

容量

300mA

绝缘阻抗

20MΩ以上（DC500V）外部电源AC端子与所有端子之间

耐压

AC2300V，50/60Hz，1分钟,外部电源AC端子和所有端子之间，

漏电六：10mA以下

抗干扰性

抗干扰性：1500Vp-p:脉冲宽度：0.1~1μs;上升延1ns(通过模拟干扰）

抗振

抗振：10~57Hz;振幅0.075mm;57~150Hz,加速度9.8m/s2,在X,Y,Z方向各80分钟（每次振动8分钟×实验次数10次=合计80分钟）

耐冲击147m/s2,在X,Y,Z方向各3次

环境温度使用：0℃~55℃保存：-20℃~75℃

环境湿度10%~90%（不结露）

气体环境无腐蚀性气体

端子螺丝尺寸M3

电源保持交流电源：最小10ma直流电源：最小2ms

CP U单元重量交流

形式

800g以下直流

形式

700g以下

扩展I/O单元重量20点单元：300g以下

8点输入单元：250g以下

8点输出单元：200g以下

模拟量I/O单元：200g以下CompoBus/SI/O链接单元：200g以下

项目规格

控制方式存储程序方法

I/O控制方式循环扫描直接输出(通过IORF(97)即时刷新处理) 编程语言梯形图

指令长度1步/1指令,1~5字/1指令

指令

基本指令:14种

特殊指令:105种,185条

执行时间基本指令:0.64μs(LD指令）

特殊指令:7.8μs(MOV指令）程序容量4096字

最大I/O点数

CPU

单元

30点

带扩

展I/O单

元

最大100点

输入位IR00000~IR00915(不使用的输入位可用作工作位) 输出位IR00000~IR01915(不使用的输出位可用作工作位)

工作位

928位:IR02000~IR04915和IR200000~IR22715(IR200~227CH)

特殊位(SR区) 448位:SR22800~SR25515(IR228~225CH) 暂存位(TR区) 8位:(TR0~TR7)

保持位(HR区) 320位:HR0000~HR1915(HR00~19CH)

辅助位(AR区) 384位:HR0000~HR2315(AR00~23CH)

链接位(LR区) 256位:HR0000~HR1515(HR00~15CH)

定时器/计数器256位定时器/计数器(TIM/CNT000~CNT255) 1ms定时器：TMHH（—）

10ms定时器：TMHH（15）

100ms定时器：TIM

1s/10s定时器：TIML（—）

减法记数：CNT

可逆记数：CNT（12）

数据内存读写：2048字（DM0000~DM2047）只读：456字（DM6144~DM6599）PC设定：56字（DM6600~DM6655）出错标志存储于DM2000~DM2021

基本中断

中断

处理

外部中断：4（分为外部中断输入（计数模式）和快速响应输入）

内部

定时器中

断

1（单触发模式或定时中断模式）

高速计数器

高速

计数器

一个高速计数器：20KHz单相或5KHz双相（线性计数模式）

计数器中断：1（设定值比较或设定值范围比较）中断

输入(计

数器模

式)

4点输入（分为外接中断输入（计数器模式）和快速响应输入）

计数器中断：4（分为外部中断输入和快速响应输入）

脉冲输出

2点没有加速/减速，每个10~10KHz，并且没有方向控制

1点带有波形加速/减速，每个10~10KHz，并且有方向控制

2点带有PWM（-）的可调脉宽比

（仅晶体管输出型具有此功能，继电器输出型无该功能）

同步脉冲控制

1点：可通过合并高速计数器和脉冲输出并将输入脉冲的频率乘以一个特殊的系数，得到一个输出脉冲/（仅晶体管输出型具有此功能，继电器输出型无该功能）

快速响应输入4点（最小输入脉冲宽幅0.05ms) 模拟控制2点，设定范围（0~200）

输入时间常数

可为所有输入点数进行设定

(1ms,2ms,3ms,5ms,10ms,20ms,40ms,80ms,默认设置

10ms)

时钟功能

显示年，月，日，星期，小时，分钟和秒（电池后备）

通信功能

内置外设端口：支持上位链接，外设总线，无协议链结和编程器连接。内置RS-232C端口:支持上位链接，无协议链接，1：1NT链接。

扩展单元所附带的功能

模拟量I/O单元：提供2路模拟量输入，1路模拟量输出。CompoBus/SI/O链接单元：作为一个CompoBus/S 从单元提供8点输入和8点输出。

断电保持功能

断电时，AR区域，程序内容，CNT,读写DM区域中的内容能保存

存储器后备

快闪存储器，用户程序，只读DM区和PC设置，电池后备，读/写DM区，HR区，AR区和记数器值由电池提供后备（电池寿命约为5年）

自我诊断功能

CPU异常（watchdogtimer),I/O总线异常，存储器异常，电池异常

程序检查在运转开始时检查无END指令和程序错误

2.2 变频器选型及特点

变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，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用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。

2.2.1 ABB产品信息：

ACS400变频器在2.2-37KW的功率范围内，节约能源，控制准确,安全可靠,铸铝件和塑料件的使用,保证了足够的加工精度,ACS400预置了九种应用宏.主电源：230—500V50/60HZ控制电源：115—230V.在励磁部分中采用了最新的IGBT控制技术，不再需要磁场电压匹配变压器，磁场进线熔断器和电抗器也已集成在DCS400模块中。由于磁场部分采用了三相进线供电方式，且直接取自为电枢供电的三相电源，因而DCS400不再需要单独的磁场电源进线。DCS400拥有多种调试工具。在调试向导的引导下进行参数设定，加上全部的自优化调试过程，DCS400的典型调试时间为15分钟。

2.2.2 变频节能理论：

a.交流电机变频调速原理：

交流电机转速特性：n=60f(1-s)/p，其中n为电机转速，f为交流电频率，s为转差率，p为极对数。电机选定之后s、p则为定值，电机转速n和交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。

b.各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

流量与转速成正比：Ｑ∝Ｎ

转矩与转速的平方成正比：Ｔ∝2

N

功率与转速的三次方成正比：Ｐ∝3

N

而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：Ｐ变＝Ｎ3Ｐ额＝Ｑ3Ｐ额采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：Ｐ阀＝（0.4+0.6Ｑ）Ｐ额其中，Ｐ为功率Ｎ为转速Ｑ为流量例如设定当前流量为水泵额定流量的６０％，则采用变频调速时Ｐ变＝Ｑ３Ｐ额＝0.216Ｐ额，而采用阀门控制时Ｐ阀＝（0.4+0.6Ｑ）Ｐ额＝0.76Ｐ额，节电＝（Ｐ阀-Ｐ变）／Ｐ阀*１００％＝71.6％。

流量％10

90 80 70 60 50

节电量％0 22.

5

41.

8

61.

5

71.

6

82.

1

由此可见从理论计算结果可以看到节能效果非常显著，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。而且新型的小区变频恒压供水系统能自动地控制一至多台主泵和一台休眠泵的运行。在管网用水量减少到单台主泵流量的约1/6-1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率的休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。

2.2.3 变频恒压供水系统及控制参数选择：

a.变频恒压供水系统组成

小区变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵（主泵+休眠泵）、压力传感器、PID调节器、变频器（主泵+休眠泵）、管网组成。工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。

b.变频恒压供水系统的参数选取

（1）合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水。这个目的的实现关键就在于压力控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管网最不利点压力恒压控制，另一个就是泵出口压力恒压控制。两者如何选择，我们来简单分

析一下（如变频器控制原理图示）管网最不利点压力恒定时，管网用水量由QMAX减少到Q1，水泵降低转速，与用水管路特性曲线A（不变）相交于点C，水泵特性曲线下移，管网最不利点压力H0。而泵出口压力恒压控制时，则Ha不变，用水量由QMAX减少到Q1与Ha交于B点，用水管路特性曲线A上移并通过B点，管网最不利点压力变为Hb，Hb-H0的扬程差即为能量浪费，所以选择管网最不利点的最小水头为压力控制参数，形成闭环压力自控系统，使得水泵的转速与PID调节器设定压力相匹配，可以达到最大节能效果，而且实现了恒压供水的目的。

（2）变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。

为了变频器跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖，但是变频器达不到最佳运行状态。所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。

2.2.4 变频恒压供水系统的优点及体现

a.高效节能

变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。

b.恒压供水

变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。

c.安全卫生

系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。

d.自动运行、管理简便

新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。

e.延长设备寿命、保护电网稳定

使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。

f.占地少、投资回收期短

新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。

3.1.4 系统方案

目前，住宅小区变频恒压供水系统设计方案主要采用“一台变频器控制一台水泵”(即“一拖一”)的单泵控制系统和“一台变频器控制多台水泵”(即“一拖N”)的多泵控制系统。随着经济的发展，现在也有采用“二拖三”、“二拖四”、“三拖五”的发展趋势。“一拖N”方案虽然节能效果略差，但独有投资节省，运行效率高的优势;具有变频供水系统启动平稳，对电网冲击小，降低水泵平均转速，消除“水锤效应”，延长水泵阀门、管道寿命，节约能源等优点，因此目前仍被普遍采用。

A.“一拖N”多泵系统的一般控制要求

（1）多泵循环运行程序控制

以“一拖三”为例:先由变频器启动1#水泵运行，若工作频率已达到变频器的上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将1#水泵切换成工频运行，此时变频器的输出频率迅速下降为0，然后启动2#水泵，供水系统处于“1工1变”的动行状态;若变频器再次达到上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将2#水泵也切换成工频运行，再由变频器去启动3#水泵，供水系统处于“2工1变”的运行状态。反之，若变频器工作频率已下降至下限值(一般设定为25~35Hz)而压力仍高于规定值时，令1#水泵停机，供水系统又处于“1工1变”的运行状态;若变频器工作频率又降至下限值而压力仍高于规定值时，令2#水泵停机，系统回复到1台水泵变频运行状态。如此循环不已。其他的“一拖N”程序控制，依此类推。

（2）设置换机间隙时间当水泵电机由变频切换至工频电网运行时，必须延时几秒进行定速运行后接触器才能自动合闸，以防止操作过电压;而当水泵电机由工频切换至变频器供电运行时，也必须延时几秒后接触器再闭合，以防止电动机高速运转产

生的感应电动势损坏变频器。延时时间根据水泵电机的功率而定:功率越大，时间越长，一般取值2~3s 。

（3）确保触点相互联连锁

在电路设计和PLC(可编程控制器)程序设计中，控制每台水泵“工频-变频”切换的两台接触器的辅助触点或者PLC 内部“软触点”必须相互联锁，以保证可靠切换，防止变频器UVW 输出端与工频电源发生短路而损坏。为杜绝切换时接触器主触点意外熔焊、辅助触点误动作而损坏变频器的事故，最好采用两台连体、机械和电气双重联锁的接触器。

（4）水泵轮换启动控制

可以自由设置水泵启动顺序:可设置成1#水泵先启动，也可设置2#、3#或N#水泵先启动。所有水泵平均使用，能有效防止个别水泵可能长期不用时发生的锈死现象。

（5）设置定时换机时间在水泵群中，定时切换运行时间最长的水泵，以保证所有水泵的均衡使用。

（6）变频器或PLC 带有PID 调节器

PID(比例-积分-微分)调节器的积分环节I(即积分时间)调整应合理:时间太短，则系统动态响应快，反应灵敏，但易产生振荡，水泵来回切换;时间太长，则当压力发生急剧变化时，系统反应过慢，容易产生压力过高，导致管道爆裂。

B.常用的“一拖N ”多泵系统控制方式

（1）变频器+PLC

这种配置不仅可以灵活地实现上述控制，而且可以实现更多复杂的控制。缺点是需要专业技术人员编制并现场调试PLC 程序，安装调试费工、费时，设备投资也较大。

（2）变频器+专业供水控制器

最近，有的厂家专门为变频恒压供水研制了能实现上述控制要求的专业供水控制

器，操作简单，调试方便，功能齐全，产品价格也与“变频器+PLC ”接近。

PLC 低压电气控制柜 变频器 1 2 4

3

传感器

结论

该系统逻辑控制采用PLC,工作可靠，稳定性好，压力调节采用带PID控制的变频器，使用方便，变频器调度自由，系统压力稳定，具有较好的控制效果。如果在小区供水系统中采用PLC和变频器恒压供水措施之后，将具有以下明显优点：

一、节省能源。通过调整变频率来改变泵的转速，使泵处于最佳运动状态。

二、操作方便，自动化程度高。系统能自动控制泵的起停，不需要有专门人员启动及调节阀门的开度，工作效率大为提高，节约了人力资源成本。

三、有可靠的保护措施。高可靠性是PLC最突出的特点之一。由于变频器自身设置过流，过压，欠压保护，消除了电机因过载或单相运动而烧坏电机的现象。

四、延长电机的使用寿命，减少设备的磨损。变频启动是一种软启动方式，可避免对电机的机械冲击，并且保护了管路系统，使泵及管路的磨损程度大大减少。该系统能长期稳定工作，性能可靠，安全高效，较好地解决了小区供水系统中用户用于和工业用水的诸多难题和传统供水系统的不足之处，满足现代小区供水的需要。

致谢

本研究及学位论文是在我的老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。两年多来，老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，向我的父亲、母亲、指导老师致谢，感谢他们对我的理解与关怀。

最后我还要感谢机电工程系和我的母校——衡水职业技术学院三年来对我的栽培。

参考文献

[1]《S7-200PLC应用基础与实例》王曙光，人民邮电出版社，2007.6

[2]《西门子S7-200PLC入门》严盈富，人民邮电出版社，2007.3

[3]《S7-200PLC原理及应用》龙志文，机械工业出版社，2007.4

[4]《电气控制与PLC》刘永华，北京航空航天大学出版社，2007.12

[5]《流行PLC实用程序及设计》罗宇航，西安电子科技出版社，2007.9

[6]《PLC可编程控制器教程》伊宏业，航空工业出版社，1997.10

[7]《PLC应用开发从基础到实践》刘洪涛，电子工业出版社，2007.11

[8]《PLC应用开发技术与工程实践》电子工业出版社,2004

[9]《可编程控制器原理应用与实例解析.晁阳，胡军，熊伟.清华大学出版社，2007.11

[10]《可编程控制器入门与应用实例》张万忠,中国电力出版社,2004

[11]《PLC、触摸屏及变频器综合应用》陈浩案例解说，中国电力出版社，2007