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最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最低速信号有效，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，直到最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，寻找恒压点完成第一级无扰动切换。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，该系统专用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限时，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，达到最节能的要求。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第一台泵当该泵达到最高频率时，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，先停止最先启动的泵。
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最大流量），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，以保证供水系统最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

离心水泵在不同转速（频率）下的流量、扬程及轴功率
频率f（Hz）	转速n%	流量Q%	扬程H%	轴功率P%
50	100	100	100	100
45	90	90	81	72.9
40	80	80	64	51.2
35	70	70	49	34.3
30	60	60	36	21.6
25	50	50	25	12.5

根据水泵的扬程H、流量Q及功率与水泵转速（频率）的关系式及表4-2可知改变水泵的转速就可改变水泵的功率。
6 变频技术参数及调试参数
（1）技术参数
①主要技术参数：
主回路电源：三相五线制。380V+10%。
控制回路电压：220V
②系统性能特点：
具备1#/2#泵运行方式选择开关：实现由变频器联动控制，或单独用手动方式软启运行。
1#泵在变频器控制下，进行软启动，当供水压力不足时增大转速，达到工频时切换2#变频启动，当供水压力继续不足达到工频时切换变频启动运行于自动恒压供水方式下。两台定量泵工作循环方式通过变频器相应的参数进行定义。无扰动切换方式使工频泵投/切过程中对系统水压冲击最小。
（2） 变频器的主要调试参数
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。为了变频器不跳闸保护，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。如表3-2所示：
表3-2 变频器的参数表

序号	功能代码	功能名称	设置值	备注
1	071	选择电动机控制模式	3	内置PID调节
2	160	选择贡税选购件的模式	11	一控三
3	161-167	使用电动机的设定	161=1，162=1，163=1	根据系统所带电动机
4	001	选择运转指令	2	停电时自动再启动
5	007	上限频率/Hz	50
6	008	下限频率/Hz	20
7	003	U/F图形	2	根据水泵设定
8	175	压力指令	0.36	根据实际需要
9	177	模拟反馈增益压力	0.6	远程压力表量程值
10	178	上限压力/MPa	0.38	根据实际
11	179	下限压力/MPa	0.34	根据实际
12	002	选择1速频率的设定方法	1	使指令与反馈不冲突
13	630	输入端子D11定义选择	1	正转指令“FR”
14	631	输入端子D12定义选择	5	空转指令“MBS”

使用说明：
当转换开关打到手动位置时候，按下SB1，SB2,SB3水泵开始工频运行，按下SB4,SB5,SB6水泵停止运行
当开关打到自动运行时候，自动运行HL6指示灯亮，按下启动按钮SB7，一号水泵开始变频运行，当压力升高时一号泵自动切换到工频，同时二号泵变频启动开始运行，当压力继续升高，二号泵改为工频运行。
HL0  HL2  HL4和HL1 HL3 HL5分别为两台水泵工频和变频运行的指示灯，当水泵过载时，热继电器能保护电机不被烧坏，同时过载报警指示灯亮，水泵停止运行，当蓄水池的水位低时，浮子开关SB9闭合，同时缺水信号指示灯HL7亮，SA3断开，水泵停止，当水充满时，系统复位。同时电流互感器和电压表能监视出系统电流和电压。同时为该系统配备了ABB得电磁流量计，既能检测出瞬时流量，又能检测累计流量，该流量计还可以与上位机组态进行远程抄表。
7 设备的选择
7.1 设备选择原则
在恒压供水设计时应先选择水泵和电动机，选择的依据是供水规模（供水流量）。而供水规模和住宅类型以及用户数有关。选择依据原则使用如表3-3如下：
表3-3不同住宅类型用水标准

住宅类型	给水卫生器具	用水标准/（m3/人日）	小时变化系数
1	仅有给水龙头	0.04～0.08	2.5～2.0
2	有给水卫生器具，但无淋浴设备	0.085～0.13	2.5～2.0
3	有给水卫生器具，并有淋浴设备	0.13～0.19	2.5～1.8
4	有给水卫生器具，并有淋浴设备和集中热水供应	0.17～0.25	2.0～1.6

表3-4供水规模换算表

户数	用水标准/（m3/人日）
	0.10	0.15	0.20	0.25
20	1.80	2.60	3.50	4.40
30	2.60	3.90	5.30	6.60
40	3.50	5.30	7.00	8.80
55	4.80	7.20	9.60	12.00
75	6.60	9.80	13.10	16.40
100	8.80	13.10	17.50	21.90
150	13.10	19.70	26.30	32.80
200	17.60	26.30	35.00	43.80
250	21.90	32.80	43.80	54.70
350	26.30	39.40	52.50	65.60
400	35.00	52.50	70.00	87.50
450	39.40	59.00	78.70	98.40
500	43.80	65.60	87.50	109.40
600	52.50	78.80	105.00	131.30
700	61.30	91.90	122.50	153.10
800	70.00	105.00	140.00	175.00
1000	87.50	131.30	175.00	218.80

表3-5 水泵、电动机和变频器选型表

用水量/(m/h)	扬程/m	水泵型号	电动机功率/kW	配用变频器/kW
12 X N	24	50DL12-12 x 2	3	3.7
	30	40DL12-12 x 2	2.2	2.2
	36	50DL12-12 x 2	3	3
	45	40DL12-12 x 2	3	3
	60	40DL12-12 x 2	4	4
24 X N	40	50DL12-12 x 2	5.5	5.5
	60	50DL12-12 x 2	7.5	7.5
	80	50DL12-12 x 2	11	11
	100	50DL12-12 x 2	11	11
32 X N	30	65DL12-12 x 2	5.5	5.5
	45	65DL12-12 x 2	7.5	7.5
	60	65DL12-12 x 2	11	11
	75	65DL12-12 x 2	15	15
	90	65DL12-12 x 2	15	15
	105	65DL12-12 x 2	18.5	18.5
36 X N	40	65DL12-12 x 2	7.5	7.5
	60	65DL12-12 x 2	11	11
	80	65DL12-12 x 2	15	15
	100	65DL12-12 x 2	18.5	18.5
	120	65DL12-12 x 2	22	22
50 X N	40	80DL12-12 x 2	11	11
	60	80DL12-12 x 2	15	15
	80	80DL12-12 x 2	18.5	18.5
	100	80DL12-12 x 2	22	22
	120	80DL12-12 x 2	30	30
100 X N	40	100DL2	18.5	18.5
	60	100DL3	30	30
	80	100DL4	37	37
	100	100DL5	45	45
	120	100DL6	55	55

设定供水压力经验数据：平房供水压力p=0.12Pa；楼房供水压力p=（0.08+0.04x楼层数）MPa
系统设计还应遵循以下原则：
（1）蓄水池容量应大于每小时最大供水量
（2）水泵扬程应大于供水高度
（3）水泵流量总和应大于实际最大供水量
7.2 水泵的选择
（1）根据表3-3 确定用水量标准为0.19m³/人日。
（2）根据表3-4确定没小时最大用水量为43.8m³/h。
（3）根据7层楼高度可确定设置供水压力值为0.36MPa。
（4）根据表3-5确定水泵型号为50LG24-20x2共2台，水泵自带电动机功率为5.5KW
7.3 PLC的选择
当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作，因此该系统采用的是三菱可编程序控制器FX0n系列，I/O点数为40点，FX0n系列PLC是一种卡片大小的PLC，适合在小型环境中进行控制。它具有卓越的性能、串行通讯功能以及紧凑的尺寸，这使得它们能用在以前常规PLC无法安装的地方。三菱PLC编程采用FXGPWIN软件,提供三种编程语言，分别为梯形图、指令表、SFC状态流程图，提供完整的编程环境，PLC程序上载,可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。为了提高整个系统的性价比，系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由变频器来控制。
其硬件配置如下

型号	I/0点数	基本指令执行时间	功能指令	模拟模块量	通信
FX0N	24～128	1.6～3.6μs	55	有	较强

7.4 变频器的选择
变频器选用三菱 SAMCO-vm05 系列变频器。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值（14端），压力传感器反馈来的压力信号（4～20mA）接至变频器端子的IRF端，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。SWS控制基板，该信号进PLC，作为工频切换的控制信息，由PLC控制水泵的工频或变频运行。变频控制系统主回路如图二所示。变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。
7.5 压力传感器的选择
压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力－电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。
该传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60 ℃，供电电源为28±3V（DC）。
7.6 电气元件表
其他元器件的选择如表3-6所示：
表3-6 电气元件表

序号	符号	名称	单位	数量	技术参数
1	QF1、QF2	空气开关	个	2
2	RNB	变频器	台	1	三菱SAMCO-vm05
3	VF	交流接触器	个	6
4	FR	热继电器	个	3
5	KA	中间继电器	个	2
6	TA	电流互感器	个	1
7	PA	电流表	块	1
8	PV	电压表	块	1
9	PLC	PLC	台	1	FX0n-40ER
10	SA	转换开关	个	1
11	SB	按钮	个	8	红、绿各4
12	HR、HW	信号灯	个	3	红1，绿6白1
11		电磁流量计	个	1
14	FU	熔断器	个	1
15	SP	压力传感器	块	1

8 模拟供水系统拟定
一居民小区4幢7层楼，居住224户，住宅类型为3型，保证日夜供水。
要求：
（1）系统采用变频恒压供水方案；
（2）变频器及水泵选择；
（3）控制电路设计；
（4）安装调试说明。
9 电气控制系统设计
9.1 主电路图的设计
在硬件系统设计中，采用一台变频器连接2台电动机，每台水泵电机都有变频／工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联如图（3-3）。变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据大机的额定电流来确定。对于有变频／工频两种状态的电动机，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量依据小机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。

图 3-3 主电路
电气控制系统接线原理图及说明
1.端子SD、SE和5为输出信号公共端，这些端子不要接地（见图3-4）。
2.控制回路端子的接线应使用屏蔽线或双绞线，而且必须与主回路，弱电回路（含200V继电器程序回路）分开布线。
3.由于控制回路的频率信号是微小信号，所以在接点输入场合，为了防止接触不良，微小信号接点应使用两个并联接点或合用双生接点。
4.控制回路的接线建议选用0.3mm²-0.75mm²的电缆。

图3-4  电气控制系统接线原理图
9.2 控制电路控制
PLC主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：自动控制两台水泵的投入运行；能在两台水泵之间实现变频泵的切换；两台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。
如图4-5为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1~SB6控制两台水泵的启/停；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
如图3-5所示：

图3-5 控制电路图
9.3 其他设备的外围接线图
（1）PLC外围接线图

图3-6 PLC外围接线图
（2）变频器的外围接线图

图3-7 变频器接线图
（3）压力传感器接线图

图3-8 压力传感器的接线图
10 PLC输入输出接线图及程序
（1）PLC I/O 表
根据设计任务列出PLC的输入输出表，如表3-7所示：
表3-7 PLC输入输出分配表

现场器件与接线端子		I/O地址	功能备注
输入	变频器Y2端子	X0	变频器输出频率极限信号
	远传压力表压力上限接点	X1	压力下限到达信号
	远传压力表压力下限接点	X2	压力上限到达信号
	中间继电器KA常开触点	X3	自动/手动切换
	水池水位下限信号	X4	水池缺水信号
	FR1常开触点	X5	1#电机过载信号
	FR2常开触点	X6	2#电机过载信号
	FR4常开触点	X10	辅助泵过载信号
输出	变频器的FWD端子	Y0	实现变频运行/停止
	KA1线圈	Y1	1#电机变频运行控制和指示
	KA2线圈	Y2	1#电机工频运行控制和指示
	KA3线圈	Y3	2#电机变频运行控制和指示
	KA4线圈	Y4	2#电机工频运行控制和指示
	KA5线圈	Y5	辅助泵工频运行控制和指示
	KA6线圈	Y6	变频器X1端子功能有效

（2）PLC程序设计
根据PLC输入输出分配表和任务要求写出PLC程序，如图3-9所示：



图3-9 PLC 程序设计
四、故障处理的程序设计
恒压供水系统的故障主要有欠水位故障和电机过载故障。
1.欠水位故障
发生欠水位故障时，欠水位信号有效，此时停止全部水泵的运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动进入S0状态。这个程序可以用常用的报警处理模块。
2.电机过载故障
用热继电器和空气开关可以进行电机保护。发生此类故障时可以用热继电器的常闭触点停止故障电机的运行。
故障处理程序如图4-1所示。

图4-1 故障处理程序