变频器与PLC在微机控制变频调速给水设备供水中的应用

1.微机控制变频调速给水设备概述

      微机控制变频调速给水设备恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并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的目的。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。

      随着电力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字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、故障报警及打印报表等功能。自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为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。

2.微机控制变频调速给水设备控制方案

      在住宅小区水厂的管网系统中，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，泵站供水的压力以满足管网中压力 不利点的压力损失ΔP和流量Q之间存在着如下关系：

      ΔP=KQ2；

      式中K—为系数

      设PL为压力 不利点所需的压力下限，则泵站出口总管压力P应按下式关系供水，则可满足用户用水的要求压力值，又有  节能效果。

      P=PL+ΔP=PL+ KQ2；

      因此微机控制变频调速给水设备供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统 不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调。

      典型的自动恒压供水系统的结构框图如图1所示；系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器、流量传感器，实时将压力、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器（PLC）的输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出 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运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。

3.微机控制变频调速给水设备系统功能

      该系统选用国产中源变频器。该系统中具有功能：

     3.1自动切换变频/工频运行功能

      变频器提供三种不同的工作方式供用户选择：

     方式0：基本工作方式。变频器始终固定驱动一台泵并实时根据其输出频率：控制其他辅助泵启停。即当变频器的输出频率达到额定频率时启动一台辅助泵工频运行、当变频器的输出频率达到 停机频率时则停止 然后启动的辅助泵。由此控制增减工频运行泵的台数。

     方式1：交替方式，变频器通常固定驱动某台泵，并实时根据其输出频率，使辅助泵工频运行，此方式与方式0不同之处在于若前一次泵启动的顺序是泵1→泵2，当变频器输出停止时，下一次启动顺序变为泵2→泵1。

     方式2：直接方式。当启信号输入时变频器启动一号台泵当该泵达到 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 先启动的泵。

     3.2 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PLC的A/D口（可以通过手持编程器），设定给定压力值，PID参数值，并通过PLC计算何以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，使系统控制响应趋于完整。

      3.3“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＃、3＃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，当水压下降到设定值时将先启动变频器运转2＃泵或3＃泵，当频率到达设定值后将启动1＃泵调节2＃或3＃泵的转速。

     “休眠值”变频器输出的下限频率F507设置。

  “休眠确认时间”用参数F506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PLC发出指令唤醒变频器工作。

   经测试“休眠值”为10HZ。

     “休眠确认时间”td:20s   

     “唤醒值”70%  

      3.4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可选用西门子的S7-200PLC或三菱FX可编程控制器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。  

      此外该系统还具有手动/自动操作，故障报警，运行状态，电流，电压、频率状态显示缺水保护等功能。

4.微机控制变频调速给水设备运行特征

      以三台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，可编程控制器控制变频器软启动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为三台水泵全部工频运行时的 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

      当外供水量减少至1/3Qmax

5.微机控制变频调速给水设备系统经济效益分析及系统优点

      5.1经济效益分析

      变量泵的功率N1、供水量Q1与泵转速n 1三者的关系如下式： 

      N1/Q1=（n 1/n）3     Q1/Q= n 1/n     

      式中Q—额定流量，Q1

      因额定流量Q=99%时，n=99%，N=99%，若n 1=90%n时Q1=90%Q，N1=72.9%N，即可节电27.1%。若n 1=80%n时Q1=80%Q，N1=51.2%N，即可节电48.8%。 

      5.2系统优点 

      5.2.1恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。

      5.2.2由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。

      5.2.3因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。

      5.2.4水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。

      5.2.5由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。

中赢微机控制变频调速给水设备产品功能介绍

稳压、保压小流量停机功能：

      供水根据用户设备需要增设小流量停机保压系统，设备在正常工作时，在小流量状态可实现设备保压停机，以保证设备 大限度的节能。设备还可以配备气压罐，充分利用气压体的缓冲能力，有效的对于停机水锤进行缓冲， 大限度的减少了停机水锤对用户管网的破坏。

微机控制变频调速给水设备专业厂家与非专业厂家产品对比

中赢供水是怎么做产品的：

1、首先有一套产品质量控制流程体系（附1）：

    从生产原材料，生产过程记录，备案，存档到出厂进得严格测试，试验平台都是在一整套体系下进行的。

2、以节能为目的：运用了效率提升技术，小流量保压技术，低阻力止回蝶阀组。流道扩大，阻力减小一倍。

3、稳定：出水压力的稳定（三项压力 稳定措施），产品的稳定（工业级管阀，国准法兰，内外双重焊接工艺，稳流补偿罐环缝焊抛光处外加加强条保护。控制柜内主要元器件与供应商有着战略合作伙伴关系。软件设计上重要功能双保护设计，更运用了故障自诊断，容错及应急方式等设计），保证产品在使用寿命期的 稳定。

噪音方面：是否融合了降噪技术，使水泵噪音及控制柜内噪音降到很低

出厂检验方面：出厂检验全部通过中赢自主开发设计的 为数不多的大型实验平台(总流量在300方以下进行产品功能性实验)进行测试 

一般厂家是怎么做的：

1、只能保证产品能用。

2、简单拼装。

3、无核心技术。

4、出厂小流量进行带负载试验，大流量的无法进行，因为无大型实验平台

5、不会考率噪音及节能方面的问题，以至于设备到现场，噪音大，耗能高。

不锈钢微机控制变频调速给水设备

　　不锈钢微机控制变频调速给水设备一般由缓冲罐、水泵机组、气压罐控制柜及控制仪表组成，各部分说明如下：

　　a、缓冲罐：是接在设备入口处的气压罐，简称缓冲罐，给水运行时罐内部分容积为压缩空气，靠压缩空气的贮能，对各种突变冲击具有很好的减缓消除作用，同时对市政供水具有一些动态补偿作用。

　　有两种不同结构的缓冲罐，隔膜缓冲罐采用 橡胶隔膜材料，因 全密闭更有利于保持水质标准，普通钢制缓冲罐内壁涂有符合卫生标准的防腐涂料，但补气时会与外界空气接触。

　　缓冲罐即可串接使用　(如图2-1所示)，也可并接使用(进出水为同一管道，作为分支与市政管路相接，如图2-2所示)

　　b、水泵机组：选用中赢公司具有非过载特性的水泵，其工作特性可以适应水源的较大范围内的压力变化，不会产生过载现象。

　　c、气压罐：其作用与通常2次增压供水设备中的气压罐相同，本系列标准产品采用的隔膜式微型气压罐，主要利用其保压功能，有利于设备的智能化自动节能控制。

　　d、变频控制柜：可采用全变频控制系统，即所有水泵均采用变频调速拖动，也可采用部分变频控制系统(样本标准产品只有1台泵为变频调速拖动)。

　　e、旁通管路：如果市政供水平时能够满足水压要求，仅在供水高峰时压力不足，可加载旁通管路，可使市政下拉供水与增压供水实现自动切换运行。

　　(1)当市政管网高压时，设备处于停机状态，市政水源过缓冲罐、旁通管路直接向用户管网供水。

　　(2)当市政管网欠压时，设备自动启动，在原不水压基础上变频调速增压(恒压)供水，由于是按“差多少，补多少”的原则增压，所以在全流量范围即满足了用户恒压供水的需求，同时又实现了高度有效节能运行。运行过程中密闭的缓冲罐相当一段管路，新鲜卫生的自来水不断流过水源罐，不会遭受外界污染。

　　(3)供水设备运行中，缓冲罐部分容积为压缩空气(其压力与市政水压相同)，因而贮存了一些压力势能，靠此贮能可大大减缓各种冲击对市政水源的影响，同时对市政供水具有动态的削峰补偿作用。当市政服务压力从P2降至P1时，缓冲罐提供的 大补偿水量与缓冲罐总容积关系为：

　　V#=(1-P1/P2)　V总=KV总

　　V#-供水高峰市政压力从P2降至P1期间水源罐给出的补偿水量(m3)

　　P1-市政供水高峰期 压力下限( 压力)

　　P2-市政供水高峰期前的压力( 压力)

　　V总-水源罐的总容积(m3)

　　例：供水高峰期，市政水源压力从20mH2O降至mH2O，则在该期间水源罐给出的补偿水量为

　　V#=(1-15/30)　V总=0.5V总(m3)，占总容积的50%。显然这是一种切实有效的动态补偿作用，如果所有供水设备用户的增压设备均具有这种补偿作用，则总体上对市政供水可起到一些削峰填谷的效果，高峰期间管网服务压力不至于下降得太低。

　　(4)缓冲罐上配有控制仪表，当市政管网压力低于设定下限值时可自动停机(禁止运行)，防止过度抽吸市政水源及防止抽水运行。

主要技术点—三项压力 恒定措施

 一项：压力防过冲设计。

  技术点的起因：当用户用水流量加大时，系统必然要将一台泵转换到两台泵运行，在这个转换过程中，变频频率要上升到50HZ，经过加泵延长时间（一般是10-15S）后转两台运行。一般产家是这样的设计。但会有两个问题：

问题1：当用水流量远远大于一台泵的供水流量时，是否能满足及时的转换到两台泵运行，也就是说怎么能保证在10-15S内压力不掉太快？

问题2：当用户流量在切换泵过程中突然减小的情况下怎能保证压力的不超调及稳定？也就是说当1台泵满足不了由系统切换到两台运行时，而此时1台泵又能满足出水流量，如果不采取措施，必将发生压力超调及振荡。这些问题对出水压力稳定性和管网的安，，，全性是很不利的。

中赢解决方案:

    为防止出现压力过冲的现象发生，程序上做保护设计措施，程序自动根据出水压力与设定压力的差值来决定加泵延长时间， 大化的避免了加泵产生的振荡。

    程序上设计防过冲抑制系数，在超出防过冲压力时，自动降速运行， 大限度的保证出水管网压力的恒定及保护管网的安，，，全性

微机控制变频调速给水设备成本回收核算

　　根据已知泵类在不同控制方式下的流量-负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。 以三台30kW型离心泵为例。根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天3小时运行在90%负荷(用水高峰)，11小时运行在50%负荷(正常用水);8小时运行在20%负荷(夜间用水);全年运行时间在365天。

　　则每年的节电量为：W1=30X3×3×(99%-90%)×365=36135kW·h

　　W2=30X3×11×(99%-50%)×365 =180675kW·h

　　W3=30X3×8×(99%-20%)×365 =210240kW·h

　　W = W1+W2+W3=36135+180675+210240=427050kW·h

　　每度电按0.5元计算，则每年可节约电费213525万元。

　　恒压供水设备投资回收:按设备运行每天节省的费用=213525/365=585(元)

 无水检测双重保护；

　　当市政管网停水时，稳流罐内的水位下降，液位传感器检测到无水信号时，马上给信号给变频器，让水泵停止工作，保护水泵，以防电机烧毁，来水时水泵自动恢复供水。另一种保护：当液位传感器故障时，由无负压稳流罐下面的电接点压力表工作；当压力表检测到水泵进口压力下降设定压力时；压力信号反馈给变频器，让水泵马上降频工作，直至停机以防电机烧毁，保护水泵，来水时水泵自动恢复供水。

 液位传感器换代产品：

　　目前国内的无负压设备生产厂.家，无负压罐上的液位传感器都是采用不锈钢304或316材料做成的产品，多年来事实证明，很多用户都发现安装在不锈钢稳流罐上液位传感器，在有时会停水的地方用不了多久就有故障了，原因是不锈钢和不锈钢之间在液体中相互产生化学反应，（如材质：303~304~316等），直接引影响到设备的安，，，，全，和用户的生活用水，祥帮技术人员通过多次的现场检验和技术攻关， 终选取卫生级的四佛材料， 而成的液位传感器，解决了所有难题，产品性能非常可靠，经济实用，而且安装、调试都很方便。

微机控制变频调速给水设备贴近客户——详细运行记录查询

      系统运行时间，各泵运行时间，故障次数，起停次数查询，详细参数查询。为故障的排除及设备运行情况做诊断前的依据。

中赢供水微机控制变频调速给水设备关于售后服务的及时性和连续性：

　　为用户提供全天候(24小时)售.后服务，接到用户报修电话后立即作出答复并派出专职售.后人员于6小时内赶到现场，轻微故障在1小时内解决，一般问题在2小时内处理完毕，重大故障在24小内处理完毕。故障排除后，清理现场完毕方可离开。

　　微机控制变频调速给水设备变频控制原理

　　用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著(可根据具体情况计算出来)。其优点是：

　　1、可以消除起动和停机时的水锤效应;

　　一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。

　　虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。

　　在主要功能预置方面， 频率应以电动机的额定频率为变频器的  工作频率。升、降速时间在采用PID调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有PID调节功能时，只要在预置时设定PID功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。

　　2、起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;

　　3、由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命;

　　如果您对微机控制变频调速给水设备有什么问题或者有需求。请选中赢牌!水压稳定，给水稳定!变频给水设备让您生活品质提高，解决您高楼水压不足问题!