单泵变频恒压供水系统论文
供水系统在人们的生活和工业应用中是必不可少的。随着人民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要求越来越高。变频恒压供水系统能够满足现代供水系统的要求。
在变频恒压供水系统出现之前，有以下几种供水方式:
(1)单定速泵供水系统
这种供水模式是水泵从蓄水池抽水加压后直接送到用户手中，严重影响城市公共水管网的压力稳定，水泵整天不停运转。这种系统简单，成本最低，但是耗电量大，水压不稳定，供水质量极差。
(2)恒速泵加水塔(或高位水箱)供水系统
这种供水方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后，水泵停止工作，当水塔水位低于一定高度时，水泵启动，间歇性工作。与前一种方法相比，这种方法省电，供水压力相对稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。
(3)配有恒速泵和气压罐的供水系统
这种供水方式是用密闭的气压罐代替水塔储水，通过检测罐内压力来控制水泵的启停。当罐内压力降至压力下限时，水泵启动；当水箱中的压力上升到压力上限时，水泵停止。这样设备成本比水塔低很多。但电机启动频繁，容易损坏电机，消耗大量能量。
变频恒压供水系统不仅克服了以往供水系统的缺点，而且有其自身的优点。该系统采用先进的s7-200 PLC和变频器mm440。S7-200价格低廉，指令功能强大，可以满足多种小型控制要求。变频器mm440运行可靠性高，功能多样，控制功能全面完善。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现了水泵的无级调速，使供水压力跟踪系统所需的水压，提高了供水质量。同时，变频器对水泵采用软启动，所以冲击电流很小，启动能耗小。
2供水系统的基本特征
供水系统的基本特性是在供水系统管路中阀门开度保持不变的情况下，某一转速下水泵扬程H与流量Q的关系曲线f (q)。水头特性反映了水头H和水流Q之间的关系。图1的水头特性表明，水流Q越大，水头H越小..在阀门开度和泵速不变的情况下，流量Q主要取决于用户的用水量。
管道阻力特性是以水泵转速不变为前提的。在阀门开度一定的情况下，升程H与流量Q的关系为h=f (q)。管道阻力特性反映了利用水泵的旋转能量克服水泵系统的水位和压差以及管道内液体流动阻力的变化规律。根据图1可知，在阀门开度相同的情况下，扬程H越大，流量Q越大，流量Q反映了系统的供水能力。
水头特性曲线与管道阻力特性曲线的交点称为给水系统的平衡工作点，如图1，a点，此时用户的水流量与给水系统的供水流量达到平衡状态，给水系统既满足水头特性，又符合管道阻力特性，系统运行稳定。当水流量和供水流量达到平衡时，电梯h a稳定，供水系统压力恒定。
图1供水系统的基本特征
变频恒压供水系统的组成及工作原理
3.1系统的组成
变频恒压供水系统采用西门子s7-200 plc作为控制器，变频器mm440作为频率调节器，交流接触器和电机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。S7-200 plc使用内部控制模块cpu224、模拟2路输入通用模块、模拟2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14个输入/10个输出，对于小型控制系统来说足够了。pid模块简单易用，只需要在软件中配置pid的各个参数。
三相交流电接mm440的电源输入口，经变频器变频后的交流电接异步电机，带动水泵转动。S7-200数字输出端口向交流接触器输出控制信号。交流接触器两端接工频或变频三相交流电，主要用于接通或断开三相交流电和异步电动机。s7-200的模拟输出端口向mm440的模拟电压输入端口ain1+和ain1-输出控制电压信号，控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器反馈来自供水管网的压力信号，压力信号经过滤波放大后输入到s7-200的模拟输入口。该系统的结构如图2所示。
图2变频恒压供水系统总体框图
3.2系统的工作原理
变频恒压供水系统是通过三相异步电动机驱动水泵旋转来供水。通过变频器调节输入交流电的频率来调节异步电机的转速，从而改变水泵的水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的本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来实现调速。
异步电动机的速度是:
其中包括:
N0为异步电机的同步速度；
n是异步电动机的转子速度；
f是异步电动机定子的交流输入频率；
s是异步电机的转差率；
p是异步电动机的极对数。
从上式可以看出，当异步电动机的极数p一定时，电动机的转子转速n与输入定子的交流频率f成正比。
当系统启动并以自动模式运行时，此时手动模式无效。系统根据给定的水压进行设定，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。在用水高峰期，系统用水量急剧增加，扬程降低，供水不足，供水压力下降，增加1#电机交流输入频率，提高供水压力。当交流电频率达到最大频率，供水压力仍小于设定水压时，1#电机自动切换到工频状态，2#电机启动，工作在变频状态。夜间系统用水量减少，扬程增加，供水量过大，2#电机将退出变频状态，1#电机从工频切换到变频状态，不断调整交流频率，系统最终维持设定的供水压力。当系统以手动模式运行时，自动模式无效。只有当自动模式出现问题或系统处于维护状态时，系统才会采用手动模式。用户可根据需要从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机在工频状态下运行。
变频恒压供水系统功能要求:系统供水压力能准确跟踪给定供水压力(稳态误差在5%以内)；可以自动执行自动模式/手动模式切换。
系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器反馈来自供水管网的电压信号，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相比较，形成压力偏差信号，由PLC (S7-200)的piD模块PI进行调节，并将控制电压信号送到变频器mm440的模拟输入调节口。发送到变频器mm440的模拟电压信号对应于连接到变频器mm440的三相交流电的频率，并且可以通过调节控制电压信号来调节三相交流电的频率。该系统是以供水管网的供水压力为控制对象的闭环控制系统，其设计是两台电机完全可以满足供水要求。
图3变频恒压供水系统控制原理框图
4硬件电路设计
4.1主电路
变频恒压供水系统采用异步电动机驱动水泵。系统主电路由电源开关Q、熔断器fu、交流接触器km、热继电器kr等组成。变频器用于切换和控制两台电机。1#电机和2#电机可以工频和变频切换，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。
图4系统主电路图
4.2控制电路
控制电路主要由plc (S7-200)和变频器mm440组成。PLC外围电路接线图如图5所示。主电源开关为Q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的i0.0输入口相连。按下sb0，i0.0为“1”，plc程序启动。K1是系统的自动模式开关。k1接通时，i0.1为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器频率达到上限频率时，i0.5为“1”。当1#泵和电机切换到工频状态时，2#泵和电机变频启动。当变频器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。i0.5和i0.6的状态由变频器输入。K2是系统的手动模式开关。k2接通时，i0.2为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行。用户可根据需要打开k3或k4，选择1#电机或2#电机进行工频运行。Km1是控制1#电机和2#电机自动运行的交流接触器，km2是控制1#电机变频运行的交流接触器，km3是控制1#电机工频运行的交流接触器，km4是控制2#电机变频运行的交流接触器，km5是控制2#电机工频运行的交流接触器。
图5 plc外围接线图
5编程
5.1 plc编程
plc编程的主要过程如图6所示。合上开关Q，按下启动按钮sb0，plc程序将被复位。当开关k1闭合，i0.1为“1”时，系统运行在自动模式，交流接触器km1接通，系统将根据程序设定供水压力。
图6主程序流程图
当用户用水量增加，变频器达到50hz，供水压力未达到设定供水压力时，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。当计时器计时到3s时，变频器停止，变频器的频率从最高频率50hz开始逐渐降低。3s后，q0.3为“1”，2#电机接入变频器开始变频运行。设置延时时间的主要原因是为了降低变频器的频率，软启动静止的2#电机，降低电机的启动电流，避免电机烧毁。
当用户用水量减少，变频器达到下限频率30hz，供水压力仍高于设定供水压力时，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，逐渐停止。同时，q0.1为“1”，q0.2为“0”，交流接触器km2打开，km3关闭，1#电机由工频切换到变频。之所以把下限频率定为30hz，主要是因为供水系统中转速过低时，泵的总扬程小于基本扬程(实际扬程)，造成泵的“空转”现象。大多数情况下，下限频率应设定在30 Hz ~ 35 Hz。
当开关k2闭合时，系统以手动模式运行，交流接触器km1断开。用户可以打开开关k3，打开交流接触器km3，选择1#电机在工频下运行。打开开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机以工频运行。
5.2变频器mm440的参数配置
变频器mm440主要使用模拟输入端口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。模拟控制电压信号从plc的模拟输出口输出，输入到变频器的模拟口，变频器的频率与控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应设置为50hz，最低频率应设置为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)中的pid模块和变频器mm440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进行软启动，减少了设备损耗，延长了水泵和电机设备的使用寿命。以水压为控制对象的闭环控制具有稳态误差小、动态响应快、运行稳定等优点。实验结果表明，由PLC (S7-200)和变频器mm440组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，为供水领域开辟了一条实用有效的途径。
参考
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