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煜柯
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1 保护环境倡导绿色微机变频恒压给水控制系统方案沈阳博斯特科技有限公司 SHENYANG BEST TECHNOLOGY CO., LTD

2 1 引言供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的随着人们生活水平的提高和现代工业的发展, 人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高变频恒压供水系统能够很好的满足现代供水系统的要求在变频恒压供水系统出现以前, 有以下供水方式 : (1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户, 严重影响了城市公用水管管网压力的稳定, 水泵整日不停运转这种系统简单造价最低, 但耗电严重, 水压不稳, 供水质量极差 (2) 恒定转速泵加水塔 ( 或高位水箱 ) 的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水, 再由水塔向用户供水水塔注满水后水泵停止工作, 水塔水位低于某一高度时水泵启动, 水泵处于断续工作状态中这种方式比前一种省电, 供水压力比较稳定, 但基建设备投资大, 占地面积大, 水压不可调, 供水质量差 (3) 恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水, 通过检测罐内压力来控制水泵的开与停当罐中压力降到压力下限时, 水泵启动 ; 当罐中压力升到压力上限时, 水泵停止这种方式, 设备的成本比水塔要 2

3 低很多但是电机起动频繁, 易造成电机的损坏, 能耗大变频恒压供水系统不仅克服了过去供水系统的缺点, 而且有其自身的优点此系统采用了先进的 s7-200plc 和变频器 mm440,s7-200 具有低廉的价格和强大的指令, 可以满足多种多样的小规模的控制要求, 变频器 mm440 具有很高的运行可靠性功能的多样性和全面而完善的控制功能这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性, 而且实现水泵的无级调速, 使供水压力能够跟踪系统所需水压, 提高了供水质量同时变频器对水泵采取软启动, 启动时冲击电流很小, 启动能耗小 2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程 h 与流量 q 之间的关系曲线 f (q), 前提是供水系统管路中的阀门开度不变扬程特性所反映的是扬程 h 与用水流量 q 之间的关系由图 1 的扬程特性表明, 流量 q 越大, 扬程 h 越小在阀门开度和水泵转速都不变的情况下, 流量 q 的大小主要取决于用户的用水情况管阻特性是以水泵的转速不变为前提, 阀门在某一开度下, 扬程 h 与流量 q 之间的关系 h=f (q) 管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差液体在管道中流动阻力的变化规律由图 1 可知, 在同一阀门开度下, 扬程 h 越大, 流量 q 也越大, 流量 3

4 q 的大小反映了系统的供水能力扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点, 称为供水系统的平衡工作点, 如图 1 中 a 点在这一点, 用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态, 供水系统既满足了扬程特性, 也符合了管阻特性, 系统稳定运行当用水流量和供水流量达到平衡时, 扬程 ha 稳定, 供水系统的压力也保持恒定图 1 供水系统的基本特性 3 变频恒压供水系统的构成及工作原理 3.1 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的 s7-200 plc 作为控制器, 变频器 mm 440 是频率调节器, 交流接触器和电动机作为执行机构, 压力传感器作为控制的反馈元件 s7-200 plc 选用内部控制模块 cpu224, 模拟量 2 路输入通用模块模拟量 2 路输出通用模块和 pid 模块 cpu22 4 有 14 路输入 /10 路输出, 对于小型的控制系统而言够用 pid 模块 4

使用方便, 在软件中只需要配置 pid 的每个参数三相交流电与 mm440 的电源输入口连接, 经过变频器变频后的交流电接异步电动机, 异步电动机带动水泵转动 s7-200 数字输出口输出控制信号到交流接触器, 交流接触器两端连接的是工频或变频的三相交流电, 主要起接通或断开三相交流电与异步电动机

5 使用方便, 在软件中只需要配置 pid 的每个参数三相交流电与 mm440 的电源输入口连接, 经过变频器变频后的交流电接异步电动机, 异步电动机带动水泵转动 s7-200 数字输出口输出控制信号到交流接触器, 交流接触器两端连接的是工频或变频的三相交流电, 主要起接通或断开三相交流电与异步电动机 s7-200 的模拟输出口输出控制电压信号给 mm440 的模拟电压输入口 ain1+ 和 ain 1-, 该控制电压主要调节交流电的频率压力传感器从供水网络中反馈压力信号, 压力信号经过滤波放大后输入给 s7-200 的模拟输入口系统的结构如图 2 所示图 2 变频恒压供水系统的总体框图 5

6 3.2 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水, 通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速, 从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力因此, 供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速, 通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的异步电机的转速为 : 其中 : n0 为异步电机同步转速 ; n 为异步电机转子转速 ; f 为异步电机的定子输入交流电的频率 ; s 为异步电机的转差率 ; p 为异步电机的极对数由上式可知, 当异步电机的极对数 p 不变时, 电机转子转速 n 与定子输入交流电频率 f 成正比当系统启动, 运行在自动模式时, 此时手动模式无效系统按照给定 6

7 的水压进行设定,plc 根据给定的水压自动调节交流电的频率, 精确跟踪给定的供水压力在用水量高峰时期, 系统的用水量猛增, 扬程降低, 供水量不足, 供水水压下降,1# 电机输入交流电的频率会升高, 以提高供水水压当交流电的频率达到最大频率, 供水水压仍然小于设定的水压时,1# 电机会自动切换到工频状态下, 同时 2# 电机启动并工作在变频状态在夜间, 系统的用水量递减, 扬程升高, 供水量过大,2# 电机会退出变频状态,1# 电机由工频切换到变频状态, 并不断调节交流电频率, 系统最终要维持供水的设定压力当系统运行在手动模式时, 自动模式无效在自动模式出现问题或系统在维护期间时, 系统才会采用手动模式用户根据需要, 可以从 plc 的输入开关输入信号, 选择 1# 电机或 2# 电机运行在工频状态变频恒压供水系统的功能要求 : 系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力 ( 稳态误差在 5% 内 ); 可以自动进行自动模式 / 手动模式切换系统的控制原理框图如图 3 所示压力传感器从供水管网反馈电压信号, 电压信号经过滤波放大后送到 s7-200 的模拟输入口, 与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号, 经过 plc(s7-200)pid 模块 pi 调节后发出控制电压信号, 送到变频器 mm440 的模拟输入调节端口送到变频器 mm440 的模拟电压信号与连接到变频器 mm440 的三相 7

8 交流电的频率一一对应, 调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的闭环控制系统, 其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求图 3 变频恒压供水系统的控制原理框图 4 硬件电路设计 4.1 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的系统的主电路由电源开关 q 熔断器 fu 交流接触器 km 热继电器 kr 等组成, 采用了一台变频器切换控制两台电机,1# 电机和 2# 电机可以在工频和变频状态下进行切换, 交流接触器的通断由 s7-200 的输出口控制主电路如图 4 所示 8

图 4 系统主电路图 4.2 控制电路控制电路主要由 plc(s7-200) 变频器 mm440 等组成,plc 外围电路接线图如图 5 所示总电源开关为 q,sb0 为 plc 的程序启动按钮, 与 plc 的 i0.0 输入口相连接, 当按下 sb0 时,i0.0 为 1,plc 程序启动 k1 为系统的自动模式开关, 当 k1 接通时,i0.

9 图 4 系统主电路图 4.2 控制电路控制电路主要由 plc(s7-200) 变频器 mm440 等组成,plc 外围电路接线图如图 5 所示总电源开关为 q,sb0 为 plc 的程序启动按钮, 与 plc 的 i0.0 输入口相连接, 当按下 sb0 时,i0.0 为 1,plc 程序启动 k1 为系统的自动模式开关, 当 k1 接通时,i0.1 为 1, 交流接触器 km1 闭合, 系统自动运行当变频器的频率达到上限频率时,i0.5 为 1,1# 泵和电机切换到工频状态下,2# 泵和电机变频启动当变频器的频率达到下限频率时,i0.6 为 1,2# 电机停止运行,1# 电机由工频切换到变频状态下 i0.5 和 i0.6 的状态由变频器输入 k2 为系统的手动模式开关, 当 k2 接通时,i0.2 为 1, 9

10 交流接触器 km1 断开, 系统不能自动运行, 用户可以根据需要接通 k 3 或 k4 来选取 1# 电机或 2# 电机工频运行 km1 为控制 1# 电机和 2# 电机在自动模式下运行的交流接触器,km2 为控制 1# 电机在变频下运行的交流接触器,km3 为控制 1# 电机在工频下运行的交流接触器,k m4 为控制 2# 电机在变频下运行的交流接触器,km5 为控制 2# 电机在工频下运行的交流接触器图 5 plc 外围接线图 5 程序设计 5.1 plc 程序设计 plc 程序设计的主要流程如图 6 所示合上开关 q, 按下起动按钮 sb 10

11 0,plc 程序复位当合上开关 k1,i0.1 为 1, 系统在自动模式下运行, 交流接触器 km1 接通, 系统将根据程序跟踪设定供水压力图 6 主程序流程图 11

12 当用户用水量递增, 变频器达到频率 50hz, 供水压力还没有达到设定的供水压力时,mm440 输出高电平到 i0.5 此时,q0.1 为 0, q0.2 为 1, 交流接触器 km2 断开,km3 接通,1# 电机由变频切换到工频定时器计时 3s, 变频器停止, 变频器的频率由最高频率 50 hz 逐渐下降,3s 后 q0.3 为 1,2# 电机接到变频器开始变频运行设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降, 软启动静止的 2# 电机, 减小电机启动电流, 避免电机烧毁当用户用水量减小, 变频器达到下限频率 30hz, 供水压力还是高于设定的供水压力时,mm440 输出高电平到 i0.6 此时,q0.4 为 0, km2 断开,2# 电机退出变频并逐渐停止同时 q0.1 为 1,q0.2 为 0, 交流接触器 km2 接通,km3 断开,1# 电机由工频切换到变频下限频率设定在 30hz 主要原因 : 在供水系统中, 转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程 ( 实际扬程 ) 形成水泵空转的现象在多数情况下, 下限频率应定为 30hz~35hz 当合上开关 k2, 系统在手动模式下运行, 交流接触器 km1 断开用户可以根据需要, 合上开关 k3, 交流接触器 km3 接通, 选择 1# 电机在工频下运行合上开关 k4, 交流接触器 km5 接通, 选择 2# 电机在工频下运行 5.2 变频器 mm440 的参数配置 12

变频器 mm440 主要使用的是模拟输入口 ain1+ 和 ain1-, 模拟电压信号输入后通过 a/d 转换器得到数字信号由 plc 模拟输出口输出模拟控制电压信号, 输入到变频器的模拟口, 变频器的频率和控制电压一一对应系统使用变频器的模拟端口, 最高频率应该设置为 50hz, 最低频率为 30hz mm440 的参数配置如附表所示附表 mm440 的参数配置 6 结束语应用西门子

13 变频器 mm440 主要使用的是模拟输入口 ain1+ 和 ain1-, 模拟电压信号输入后通过 a/d 转换器得到数字信号由 plc 模拟输出口输出模拟控制电压信号, 输入到变频器的模拟口, 变频器的频率和控制电压一一对应系统使用变频器的模拟端口, 最高频率应该设置为 50hz, 最低频率为 30hz mm440 的参数配置如附表所示附表 mm440 的参数配置 6 结束语应用西门子 plc(s7-200) 内部的 pid 模块和变频器 mm440 的无极调速控制恒压供水系统, 高效节能, 调速供水效果突出, 抗干扰能力强同时采用变频器对电机实行软起动, 减少了设备损耗, 延长了水泵电机设备的使用寿命以供水水压为控制对象的闭环控制, 稳态误差小, 动态响应快, 运行稳定实验效果表明, 采用 plc(s7-20 0) 和变频器 mm440 构成的变频恒压供水系统, 具有很强的实用性, 体现了变频调速恒压供水的技术优势, 为供水领域开辟了切实有效的途径 13

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控制器 EtherCAT EtherCAT EtherCAT 接下一个电机驱动模块 (X4) 接下一个电机驱动模块 (X5) X11 IN X4 IN X3 OUT X5 IN X6 OUT X2 X1 X4 IN X3 OUT X5 IN X6 OUT X2 X1 SYS STA DC BUS D

控制器 EtherCAT EtherCAT EtherCAT 接下一个电机驱动模块 (X4) 接下一个电机驱动模块 (X5) X11 IN X4 IN X3 OUT X5 IN X6 OUT X2 X1 X4 IN X3 OUT X5 IN X6 OUT X2 X1 SYS STA DC BUS D 控制器 thert thert thert 接下一个电机驱动模块 () 接下一个电机驱动模块 () 电机驱动模块电机驱动模块电源模块接下一个电机驱动模块 () 接下一个电机驱动模块 () 接下一个电机驱动模块 () 接下一个电机驱动模块 () X 0 X 0 4 /RK /RK 注注制动电阻阻值 Ω Φ 80: 适用电机驱动模块型号 8-M-XXXX--XX Φ : 适用电机驱动模块型号