基于PLC和变频器的住宅小区恒压供水系统设计.docx

论 文 题 目：基于PLC和变频器的住宅小区
恒压供水系统设计
摘 要
随着我国经济的飞速发展，人们日常生活水平的不断提高，城市中的小区建设发展十分迅速，也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。其中小区供水系统的建设就是一个重要方面，因为供水的稳定性、可靠性、经济性直接影响到小区住户的正常生活。
本论文针对某住宅小区的供水要求，设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组等主要设备构成的全自动变频恒压供水系统，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行和现场手动控制等功能。
论文分析了变频恒压供水系统相对于传统恒压供水系统的优势。该系统利用变频器内置PID功能与远传压力表反馈的实际压力信号形成系统的闭环控制，再结合电机水泵和PLC等执行机构组成整个变频恒压供水系统，进而实现系统的高效节能的目的，同时给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。
该供水系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并具有一定的辅助功能，增强了系统的可靠性。

关键词：恒压供水；PLC；变频调速；住宅小区

ABSTRCT
Along with the rapid development of China's economy, the People's daily life level inceasing enhancement, the city in the village is developing very rapidly, and also the construction of community infrastructure construction put forward higher request. One area the water supply system construction is an important aspect, because the stability，the reliability and the economy of the water supply directly affect the village resident's normal life.
This paper aims to a residential area water supply requirement, design a set of by PLC, frequency converter, far easton pressure gauge, many sets of pump unit and other major equipment structure of automatic frequency constant pressure water supply system, with automatic frequency constant pressure operation, automatic started running and field manual frequency control etc.
This paper analyzes the advantage of frequency control the constant pressure water supply compared to traditional way has. Based on PID module parameters of inverter built-in preset, using remote transmission gauge pressure feedback quantity, constitute closed loop system, according to the change of water, take PID automatic adjustment way, in flow to the extent permitted use of variable frequency pump and industrial frequency pump combination, realize adjust constant pressure water supply and effective energy saving, and gives realize effective control of the state circulation convert electrical design scheme and PLC control program design.
The water supply system to effectively solve the problem in the traditional way of water and has certain the auxiliary function in order to make the system more reliability.

Key words: Constant Pressure water一supply; PLC; Variable velocity variable frequency；Abiding place

目 录
摘 要 I
ABSTRCT II

1.绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 1
1.2 恒压供水的现状和发展 1
1.3 课题研究的内容 2
2 控制系统总体方案设计 3
2.1 系统的一般设计原则 3
2.2 系统研究对象及功能 3
2.3 基于PLC和变频器恒压供水系统的工作原理 5
2.4 系统的总体设计框图 7
3.系统硬件电路设计 9
3.1 PLC 9
3.2 变频器 12
3.3 电机水泵 19
3.4 传感器 22
3.5 其它配套设备 24
3.6 总的电路图 24
4.系统的软件设计 31
4.1 PLC的工作流程图 31
4.2 PLC的程序设计 32
5．结论 36
附 录1 37
附 录2 38
致 谢 43
参考文献 44

1.绪论
1.1课题的研究背景及意义
随着社会科学与技术的迅速发展，人民的生活水平不断的提高，社会对供水的质量和安全可靠性有了更高的要求。在我国提倡的建设节约环保型社会的前提下，将先进的自动化、控制、通讯及网络技术应用到供水的领域，是顺应时代的首选，而具备这样技术的现代恒压供水系统也就成了现代发展的重点。
在日常生活中，用户的用水量是时刻变化的，特别是在住宅小区中经常发生供水不足或过剩的现象。由上可以知道供水压力的大小决定着用户用水量和供水量，即水量的供大于求，则供水压力大；供小于求，则供水压力小。一般所说的恒压供水就是用户的用水和供水保持平衡，这样在很大程度上提高了供水质量。在大力提倡节约能源的今天，研究高性能、经济型的恒压供水监控系统，对于某些用水单位提高劳动生产率、降低能耗、信息共享，采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
1.2 恒压供水的现状和发展
住宅小区传统的供水方式有:恒速泵加压供水、高位水箱水塔供水、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下[1]:
（1）恒速泵加压供水方式对供水管网的压力无法做出及时的反应，增减水泵的工作都依赖手工操作，自动化程度很低，而且为了保证供水，水泵机组常常处于满负荷运行，其结果就是不但运行效率低、消耗电量大，而且在用用户水量较少时，供水管网会长期处于高压运行状态，损坏现象严重，电机的硬起动会产生水锤效应，有很大的破坏性，现在已经很少应用了。
（2）高位水箱水塔供水控制方法简单、短时间的维修或在停电情况下可以不停水，但它的基础建设投资大，占地面积大，维护不方便，电机水泵的启动为硬起动，频繁的起动极易损坏电机轴，目前其主要应用于高层建筑。
（3）单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面几种，但是该系统的开发周期比较长，对设计员的要求比较高，而且可靠性比较低，维修不方便，不适用于恶劣的工业环境。
由以上几种方法可以看出，传统的恒压供水方式存在不同程度的浪费能源的现象；运行效率低下；系统的可靠性差；自动化程度不高等现象，这些缺点对人们的生活造成很大的影响。现代的供水方式的发展方向为高效率、可观节能、自动控制、运行可靠等。以现代科技支持的变频调速技术的控制方式具有以上的技术要求，其应用广泛在需要消耗很高能源的设备上，特别是在工业用水，居民生活用水等，变频调速技术的节能性能突出，根据实际应用总结表现出的优越性有：一、高效节能；二、在电机的启动、停止时能降低电流对电网，以及供水压力对供水管网的冲击；三、降低电机、水泵的机械磨损。
基于PLC和变频器的恒压供水系统是集变频、电气、现代控制和其他现代科技于一身的较为先进的系统设计。使用该系统系统供水的稳定性和可靠性可以显著的提高,在我国大力提倡资源节约的今天，具有优良节能效率的特点的恒压供水系统会有更大的发展空间 。为了提高企业效率和人民生活水平、降低能耗的分析,利用现代技术而设计的变频恒压供水系统具有重要的现实意义。
1.3 课题研究的内容
本文主要通过对现有供水系统分析，依据用户对供水系统的要求，确定以变频器和PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统以保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行情况。具体来说，这篇论文包括以下内容：
（1）在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计思路和方案，确定论文主要的研究内容和研究方法；
（2）分析变频恒压供水系统工作的原理；确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程。
（3）从用户的需求入手确定合适的设备选型；详细分析自动变频恒压运行方式水泵运行的各种工况及其转换过程，讨论PLC的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案。
（4）在总体的设计方案定下来之后，对各个硬件连接和软件设计做出理论预测，并对整个系统运行的稳定做出相应调整。

2 控制系统总体方案设计
2.1 系统的一般设计原则
结合地面上诸如水厂、泵站的变频恒压供水系统的设计以及工程建设，总结出的基于变频调速的恒压供水系统的一般设计原则[2]：
采用国内比较先进的恒压控制方式，将通过用户的用水管网中的压力变化经过压力传感器的数据采集送给变频器，再通过变频器与变频中的设定值比较，根据变频器的内置PID功能进行数据处理。当供水压力低于设定时，控制交流接触器，切换水泵由变频转向工频。当供水压力高于设定值时，继续控制系统的交流接触器，增减运行的电机水泵的台数和工变频的切换，准确进行恒压供水控制运行。
2.2 系统研究对象及功能
2.2.1、研究对象
电机水泵的参数值设定可以通过以下模拟住宅小区的设置的来确定电机水泵参数以及整个小区的性能。
售楼处
小区的基础设施中的有整体设计的特点，用户集中，对其供水供电都是网络化管理。而且对不同楼层的控制不同，即时调控的功能可以实现。选用的DL系列水泵立于高层建筑之上，根据先前的设计思路可以实现整个水网的自动循环，同时减少了传统水塔出现的二次污染的情况。所以整个小区的供水系统就可以在有效的自动控制和高效节能的情况下运行。
（2）用户的供水量的确定[3]
用户用水量的确定主要从最高层得用户来考虑，即小区中的最高层28层用户的用水情况来设计的。以水龙头的流量 来算，则单位时间内住户需要的的供水流量：
（2-1）
（3）供水扬程计算
在扬程计算中，一般把最远最高建筑作为依据，理论上若0.1MPa的压力可获得10m扬程。公寓高度为100m，则供水压力需要1.0MPa。
（4）水泵驱动电机功率计算
（2-2）
式中：P—电动机功率（kw）;k—裕量系数，常取1.05~1.7，这里取1.6；--流体密度（kg/）;Q—泵的流量（/s）,取（/s）(高于实际10%)；H-扬程(m),取98m；--主管损失扬程，取3m；--泵的效率，一般取0.6~0.84，这里取0.7；--传动装置效率，与电动机直接连接=1.0；
= （2-3）
要设计需要的高层小区的变频恒压供水系统，高近百米的建筑，需要选取30kw,转速1480r/min的电机水泵。
2.2.2、系统功能及性能
（1） 整套的控制系统拥有手动、自动两种工作方式, 前者主要用来调试检修设备及其应对特别情况；一般情况下, 设备被置于自动位,以实现设备的自动运行。
（2）当工作方式为自动时, 可以根据压力的设定内部进行自动控制,可以保证正常的供水。
（3）当工作方式为手动时,水泵转速由人工在电气柜上通过电位器调节。
（4）水泵有三台，两台常用，一台备用, 由PLC和变频器来控制各个水泵的运转和启停。
（5）系统具有运行、报警故障等信号。
（6）住宅小区的在最高层的供水在1.0Mpa压力下的电机水泵在建筑顶层从建筑地下往上吸水，形成无二次污染的变频调速恒压供水系统。
2.3 基于PLC和变频器恒压供水系统的工作原理
基于PLC和变频器的恒压供水系统主要由PLC、变频器、压力传感器、管网和电机水泵组成。一般是通过控制台上的按钮和指示灯，以及手动/自动的转换开关来运行和控制整个供水系统的。首先是将压力传感器安装在用户端的出水管网上，把测得的出水口的压力信号转变成4-20mA标准电信号，并将这个信号与初始设定于变频器上已经设置好的的压力参数进行比较，再将计算的差值送入变频器的内置的PID调节器，内置的PID调节器将差值的运算结果转换成4-20mA电流信号再送至变频器。系统最终的执行系统是由变频器控制单个水泵电机，控制其转速来调节总的供水量。根据用水量的不同，水泵电机的转速在变频器调节下是不同的，当然变频器的工作频率也就不同。同时在变频器中设定上限和下限频率检测，当用水量大的时候，变频器迅速上升到上限频率。此时，变频器会根据其内部功能宏的设定给PLC输出一个开关信号；当用水量低时，变频器内部控制会达到下限频率，变频器也输出一个开关信号给PLC。根据设定的内部值可以得到，上限和下限频率的两个信号不会同时产生。不论产生哪一种信号，该信号会立刻返回给PLC，到达后通过PLC设定的内部程序驱动I/O端口的输出来控制交流接触器的吸合与断开，以此来协调投入工作的水泵电机台数，同时完成水泵电机的启停、变频与工频的切换等功能。通过调整投入工作的水泵电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，与几台其他电机的工频运行使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的[4]。
下图为变频恒压供水系统框图：

图 2-1 变频恒压供水系统框图
由图2-1可以看出，电机水泵是输出环节，由变频器控制电机的转速，实现恒压供水控制。变频器在接受PID控制器的信号之后控制水泵电机的运行速度，同时在压力传感器检测出管网出水压力后，把压力转换的电信号与给定的压力值进行比较，将比较完之后的差值传给PID控制器，通过PID控制器调节变频器的频率来控制水泵的转速，实现了整个供水系统的闭环控制。
综上所述，可依据用水量的变化而自动进行调节系统的运行参数的变频恒压供水系统，可以保持恒定供水压力来满足用水要求，被看作是现代比较合理、先进的节能高效的供水系统。
变频恒压供水系统主要的设计任务是利用PLC和变频器控制一台或循环控制多台水泵电机，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及水泵变频与工频的切换，同时还要能传输运行的数据。
根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可供选择[2]：
（1）有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这是一种结构简单的控制系统，PID调节器和PLC可编程控制器等硬件被集中合成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求。在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此，仅适用于要求不高的小容量场合。
（2）通用变频器+单片机+压力传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量变频恒压供水中。
（3）通用变频器+PLC+压力传感器
这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他系统进行数据交换；通用性强，由于PLC 产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC 的硬件配置和I/O 的外部接线，控制要求发生改变时，可以方便地通过PC 机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC 的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此，该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“变频器主电路十PLC+压力传感器”的控制方式更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
2.4 系统的总体设计框图
住宅小区的高层供水系统主要包括一台PLC控制柜、一台变频器、一个压力感应器、三个水泵。三台电机拖动水泵，两台自动，自动的两台一台常用一台备用。一台手动备用，它在自动方式不能正常工作的情况下启用。自动方式可以实现无人值班，无须人为干预。控制系统结构图如下图所示：

图 2-2 控制系统结构框图
由上述控制图结合变频恒压的控制原理可以看出，经由管道出口的压力传感器测出的压力值经过与变频器相连的线路，与变频器的设定值进行比较之后得到的差值，在变频器内置的PID功能的计算下，对电机水泵的一系列调速以及工频变频之间的切换，最终达到变频恒压供水的目的。这就是整个系统的设计理念。
3.系统硬件电路设计
3.1 PLC
3.1.1 PLC功能[5]
PLC系统一般由以下基本功能构成：（1）多种控制功能；（2）数据采集、存储与处理功能；（3）通信联网功能；（4）输入/输出接口调理功能；（5）人机界面功能；（6）编程、调试功能。
1）控制功能
逻辑控制：PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，能代替继电器进行开关量控制。
定时控制：它为用户提供若干电子定时器，用户可自行设定接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。
计数控制：用脉冲控制可实现加、减计数模式，可连接码盘进行位置检测。
顺序控制：在前道工序完成后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。
2）数据采集、存储与处理功能
数学运算功能包括：a)基本算术：加、减、乘、除；b)扩展算术：平方根、三角函数和浮点运算；c)比较：大于、小于和等于；d)数据处理:选择、组织、规格化、移动和先入先出；e)模拟数据处理：PID、积分和滤波。
3)通信、联网功能
现代PLC多数都采用通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，可以实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。
在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模复杂控制。
4）输入/输出接口调理功能
具有A/D，D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节精度可根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。
5）人机界面功能
提供操作者监视机器/过程工作必需的信息；允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便做出决策和调整。
实现人机界面功能的手段：从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的CRT显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机以及工业计算机的分散和集中操作与监视系统。
6）编程、调试功能
使用复杂程度不同的手持式、便携式和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。
3.1.2 PLC的工作原理[6]
PLC是一种工业计算机，所以它的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，也就是说，PLC是在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务，实现控制目的。但是PC与PLC又有所不同：前者一般是采用等待命令式的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。当有键按下或I/O口有信号输入时，则中断转入相应的子程序。而PLC采用的是循环扫描的方式，即顺序的逐条地扫描用户的程序的操作，根据程序运行的结果，一个输出的逻辑线圈应安通或断开，但该线圈的触点并不立即动作，而必须等用户程序全部扫描结束后，才能输出动作信息全部送出执行。也就是说，PLC系统的工作任务管理和应用程序执行都是循环扫描的方式完成的。
3.1.3 PLC的选型[5]
FX系列PLC是继F1、F2系列之后，三菱公司新推出的小型（超小型）机，主要有FXON、FX2、FX2N、FX2C等几种机型。
FX系列PLC是整体结构PLC，他的基本单元由电源、CPU、存储器、I/O器件组成。PLC的电源和输入的组合方式主要有AC电源/DC输入型、AC电源/AC输入型、DC电源/DC输入型3种。输出方式有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种。
FX系列PLC配有许多扩展单元和扩展模块，这些扩展模块、扩展单元和基本单元连接配合使用，可方便地增加PLC的输入点数或输出点数，以改变系统的I/O点数的比例，满足实际的需求。
FX系列PLC还有许多特殊单元、特殊模块。这些特殊单元、特殊模块和基本单元连接配合使用后，PLC可实现模拟控制、定位控制、高速计数、数字通信等功能。
FX系列PLC的基本单元可独立运行，构成控制系统；而扩展单元、扩展模块、特殊模块、特殊单元需要与基本单元连接配合使用，不能单独构成系统。
FX2N系列PLC是超小型机，I/O点数最大扩展可达到256点。它有内置的8K步的RAM，使用存储卡盒后，最大容量可扩大到16K步，编程指令达327条。PLC运行时，对一条基本的指令的处理时间只要0.008μS。它不仅能完成逻辑控制、顺序控制、模拟量控制、位置控制、高速计算控制等功能，还能做到数据检测、数据排列、三角函数运算、平方根以及浮点数运算、PID运算等更为复杂的数据处理。所以FX2N系列PLC具有大容量、高速度、指令功能完善等特点。
3.1.4 PLC的I/O端子确定
由上述系统的硬件分析可以得到PLC的硬件设计时候的功能设定，通过PLC的输入输出端口的设定，可以知道PLC和变频器连接的时候PLC具体到什么样的功能。在于变频器合作的时候直接负责最后继电器的动作已达到期望的效果。所以，PLC的端口的设定在整个系统的工作中有重要的地位。三菱PLC的输入输出端口的设定如下表所示：
表3.1 PLC I/O端口分布
输入
输出
功能
端口
功能
端口
减泵信号
X0
运行指令
Y0
增泵信号
X1
手动/自动设置
Y1
手动/自动信号
X2
1#泵工频启动
Y2
变频运转启动
X3
2#泵工频输出
Y3
自动运转停止
X4
1#泵变频输出
Y4
1#泵变频启动
X5
2#泵变频输出
Y5
2#泵变频启动
X6
3#泵工频运行
Y6
1#泵手动启停
X7
自动控制运行
Y7
2#泵手动启停
X10

3#泵手动启停
X11

故障指示
X12

3.2 变频器
3.2.1 变频器基本工作原理[7]
变频调速系统把电网提供的恒压、恒频交流电源转换成频率和电压都可以调节的电源，用它来驱动电动机，以获得更灵活、更高效的电动机特性。所以，简单的把变频调速系统成为变频电源，它提供市电与电动机的接口。
从转化方式上来说，可以分为交-交变频和交-直-交变频两大类转换方式。交-交变频方式一般在特大功率的交流调速系统中应用。交-直-交变频方式是通用的交流电机调速系统中应用最广泛的频率交换方式，是要重点讨论的频率变换方式。
交-直-交频率变换方式和交-交频率变换方式相比，在工作状态上多了一个直流的存在状态，因此它是一种间接频率交换方式，故它有更大的灵活性。交-直-交频率交换方式可以分为电压源型和电流源型两大类。
（1）电压源型的特点是在直流中间回路中采用大容量的电容进行滤波，直流回路电压波形平直，输出阻抗小，电压不易变化，相当于直流恒压源。逆变部分的电力电子开关将直流电压变成交流电压，驱动电动机可靠运行。这种交换方式在中、小功率变频调速系统中有广泛的应用。
（2）电流源型的特点是在直流中间回路中采用较大的电感的电抗器进行滤波，直流回路电流波形平直，输出电抗很大，电流不易变化，相当于一个直流恒压源。逆变部分的电力电子开关将直流电流变成交流电流电，驱动电动机可靠运行。这种变换方式在大功率变频调速系统中有很大优势。
在早期的变频调速系统中，大多采用六拍阶梯波的逆变方式，这种逆变方式只能实现对频率的控制，它能输出可调频率的电源驱动电动机运行，但是根据变频调速的要求，还对电压进行控制，只能通过在整流部分使用可控元件，实现对电压调节。虽然实现了变频调速的基本要求，但是它控制复杂、控制特性差、系统响应速度慢、电动机动态性能差。
随着调速理论的发展和电力电子的元件特性的提高，现代的交流调速系统大多采用PWM逆变方式。这种控制方式首先对整流部分做了简化，采用的是不可控元件，整流输出的直流中间电路后，直接加在逆变器上，通过对逆变元件的高速通/断控制输出矩形脉冲波。这种决定开关元件动作顺序和时间分配规律的控制方法叫做PWM方法。该方法通过改变输出矩形脉冲的宽度来控制输出交流基波电压幅值，通过改变输出调制周期控制输出频率。PWM控制方法在逆变器上同时实现了变频和调压，简化了控制方法，提高了控制特性，系统响应速度更快，电动机的动态特性得到显著的提高。
3.2.2变频调速的优点
与传统供水系统比较,变频恒压供水能全天候维持恒定供水压力, 并根据压力信号自动启动备用泵,利用无级调速来供水，进行调整压力,从而使供水质量变好,而且不会造成管网破裂。以变频调速为核心恒压供水系统取代了传统的高层水塔和压力罐等供水设备, 这在建设的投资方面节省了大量的资金和占地面积,另一方面避免了电机水泵的频繁启停,电机在变频技术的控制下起动平滑,这样电机的起动电流就可限制在额定电流范围内,从而避免了电机起动时对电网的冲击;降低了电机水泵的启动时产生的冲击而造成的电机的机械磨损,增加了电机水泵的使用寿命；同时也避免了在传统方式下供水在电机起动和停机时产生的的水锤效应以及水压不稳定的现象,使得供水的水质存在污染,而不符合卫生标准等问题。采用变频恒压供水的方式, 系统可以根据用户的实际用水量,对供水压力自动进行检测,进而控制电机转速, 达到高效节能的目的。避免了像高层建筑水塔在供水无人值班时, 总是有水泵运行的现象,节省了财力、人力。变频恒压供水可以根据内部设定值，自动实现多泵循环运动功能, 延长了电机水泵的使用寿命。而且变频恒压供水系统,具有欠压保护、过流保护、缺相保护、过热保护、过载保护、短路保护等功能,保护功能齐全,运行安全可靠[1]。
3.2.3变频器的选型
变频器选型时要确定以下几点[7]:
（1）采用变频技术的目的：应用于恒压控制或恒流控制等。
（2）选用变频器的负载类型：如叶片泵或容积泵等，应当特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
（3）变频器与负载的匹配问题：
1）电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
2）电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
3）转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
（4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
（5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地祸合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况一下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
（6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡
根据工艺要求，配用ABB系列变频器，具体型号为具备内置PID功能的ACS510-01-060A-4变频器。

图 3-1 ACS510变频器外观图
ACS510系列变频器是ABB公司采用直接转矩控制技术，结合多种先进生产制造工艺而推出的高性能变频器。它具有很宽的功率调节范围，优良的速度控制和转矩控制特性，完整的保护功能以及灵活的编程能力，较高的可靠性和较小的体积。该变频器共有6种控制方式：工厂、手动/自动、PID控制、恒转矩、顺序控制、风机水泵控制（PFC）。一般住宅小区的恒压供水系统采用的多是是手动/自动控制宏和PID控制宏，以及PFC控制宏等。当操作台选择开关处于“自动”时，变频器与PLC相结合对整个恒压供水系统进行自动控制。变频器基本参数表如下表所示：
表 3.2 ACS-510变频器基本参数表
主电源连接
可编程控制连接
电压
3相，380~480V
2路模拟输入AI1,AI2
频率
48~63HZ
电压信号
0~10V,RIN>312K,单端
功率范围
1.1~110KW
电流信号
0~20mA，RIN =100k，单端
功率因素
0.98
给定电位器电源
10V+/-2%，最大10mA
电机连接
最大延时
12~32ms
电压
3相，0~220V输入电压
2路模拟输入AO1,AO2
0~20mA，负载<500
频率
0~500HZ
直流辅助电压源
24VDC+/-10%,最大250mA
开关频率
6路数字输入DI1~DI6
12V~24V,由外部或内部供电
标准
缺省4HZ
3路继电输入RO1~RO3
可选
1HZ,4HZ,8HZ,12HZ
最大开关电压
250VAV/30VDC
加速时间
0.1~1800s，可调
最大开关电流
6A/30VDC,1500VA/230VAC
减速时间
0.1~1800s,可调

传统的变频恒压供水系统通常采用的基本原理是通过安装在供水管网出口处的压力传感器检测管网供水压力，将检测到的压力信号反馈到PLC后，与在PLC中设定的压力设定值进行比较后，经PLC内部的PID的计算后，输出给变频器一个转速控制的信号，在用户用水量大时，增加电机的运转频率，当水量变小时，降低运转频率，使管网维持恒压。还有一种方法是单独设置一个PID控制调节器，将压力传感器反馈的值和原本设定的压力值送入PID控制器中，由PID控制器计算后送出信号给变频器，对电机水泵进行控制。
由于带模拟量输人输出接口的PLC的价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。如果采用一个带有开关量输人输出的PLC和一个PID调节器组成的设备，其成本也和模拟量输人输出的PLC差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出环节就成为降低给水设备成本的一个关键环节[12]。
针对以上论述中提到的变频调速供水不足，国内外不少厂家近来纷纷推出新的产品。这些产品都是将PID调节器和简易PLC的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器，这类变频器的价格比通用变频器价格略高一点，但是功能却强的多。由于PID运算在变频器的内部，这就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对PID算法的编程，而且参数调整，非常容易，这不仅降低了成本，而且大大提高了生产效率。为了保证水压反馈信号的准确，可对该信号设置滤波时间常数，还可以对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。
3.2.4 变频器相关参数的设置
在变频器的众多功能里面PID控制宏是值得与PLC控制器连接的功能之一，由于不同的变频器拥有不同的不同的控制宏功能，那么对其参数的确定就成了区别各种不同的变频器运行的依据。对ABB公司的ACS510型的参数设定是本系统硬件控制的又一个重点，对最终的功能实现有不可估量的作用。
对于变频器来说，PID控制宏的设置是参与整个系统的关键布置[8]：
（1）预置PID功能 预置的内容是：变频器的PID功能是否有效。当变频器的PID调节功能有效后，其升、降速过程将完全取决于由P、I、D数据所决定的动态响应过程，而原来预置的“升速时间”和“降速时间”将不再起作用。
（2）目标值的预置 PID调节的根本依据是反馈量与目标值之间进行比较的结果。因此，准确地预置目标值是十分重要的。主要有以下两种方法：
1）面板输入式 只需通过键盘输入目标值。其确定方法通常是：目标压力与传感器量程之比的百分数。
2）外接给定式 由外接电位器进行预置，但显示屏上仍显示目标值的百分数。在此例中选用第一种方法，此法易懂、操作简单、直观。结合ABB变频说明书PID参数设置如表一所示,其实际设定值应根据工艺要求以实际为依据。
表3.3启动数据设定
9901
语言选择
1（中文）
9902
宏设置
6（PID控制宏）
9905
电机额定电压
380V
9906
电机额定电流
要与实际相符
9907
电机额定频率
要与实际相符
9908
电机额定转速
要与实际相符
9909
电机额定功率
要与实际相符
表 3.4 过程PID设置
参数代码
内容
设定参数代码
4006
单位
11（mA）
4007
显示格式
1
4010
给定值选择
19（内部给定）
4011
内部给定值
恒压目标值
4018
实际值1下限
0%

对变频器参数的预置，首先要把调速对象泵铭牌上的基本参数（如电压、电流、功率、转速等）对照选用变频器的参数表输入到变频器中去，其次要对模拟输入进行设置，模拟量有0-20mA的，有4-20mA的，以实际为准。以ABB变频ACS510系列为例，参数见下表：
表 3.5给定选择设定
1102
外部控制选择
2
1103
给定值1选择
1
1104
给定值1下限
0Hz / 0rpm
1105
给定值1上限
50Hz / 额定转速rpm
1106
给定值2选择
19（内部PID给定）
1107
给定值2下限
20%
1108
给定值2上限
100%
表 3.6 模拟输入设定
1301
AI1下限
0%
1302
AI1上限
100%
1304
AI2下限
20%
1305
AI2上限
100%
表 3.7 限幅设定
2001
最小转速
0
2002
最大转速
电机额定转速
2003
最大电流
1.5In

3.3 电机水泵
3.3.1 异步电机的调速问题
变极调速、串级调速和变频调速都属于高效调速方式，而低效调速方式主要有滑差