内容摘要随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。

城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。

随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。

本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理；具体分析了变频恒水压供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，得出结论:变频调速是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。

因此本文以采用变频器和PLC 组合构成系统的方式，以某居民小区水泵电动机控制系统为对象，逐步阐明如何实现水压恒定供水。

进行了控制系统的主电路设计，控制电路设计。

对输入输出点进行了统计，共有13个输入输出点，根据PLC的选型原则，设备选用了在生产中应用最为广泛的西门子公司生产的S7-200系列(CPU222)的PLC和MM430泵类专用的变频器，利用变频器的本身自有的软启动功能实现水泵电机的启动。

在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器的内置PID控制方式完成，根据控制系统软硬件设计和控制要求，结合变频器的功能参数表预置了相关的参数，设计了梯形图，实现了高楼供水的恒压变频控制。

关键词：恒压供水变频调速 PLC设计目录内容摘要和关键词 (1)一绪论 (1)（一）引言 (1)(二)供水系统的现况及本人的主要工作 (1)1、国内外变频恒压供水系统的现况 (1)2、本人的主要工作 (1)二变频恒压供水的理论分析 (1)(一)水泵的工作原理 (2)(二)供水电机的搭配 (2)(三)水泵的调节方式 (3)（四）恒压供水系统的能耗分析 (3)（五）水锤效应的产生与消除 (4)1、水锤现象的产生 (4)2、水锤现象的消除 (5)(六) 延长水泵寿命的其他因素 (5)三、变频恒压供水控制系统硬件的设计 (5)（一）变频恒压供水控制系统的构成方案 (6)（二）变频恒压供水系统的控制方案 (6)（三）供水设备选择原则 (7)1、设定供水压力经验数据 (7)（四）变频器的选择 (7)（五）压力传感器的选择 (8)（六）水位传感器的选择 (8)（七）其他低压电器的选择 (8)1、断路器的选择 (8)2、接触器的选择 (9)3、PLC选型的基本原则 (9)(八)I／O的分配 (10)（九）系统硬件线路设计 (10)四、变频恒压供水控制系统软件的设计 (11)（一）恒压供水系统梯形图的设计 (11)五、总结与展望 (15)参考文献 (15)致谢 (16)变频恒压供水系统设计一、绪论(一)引言随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。

衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。

保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。

变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行.（二）供水系统现况及本人的主要工作1、国内外变频恒压供水系统现况变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。

目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。

国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。

这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。

此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。

2、本人的主要工作本课题主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水，进行了控制系统的主电路设计、控制电路设计，系统的控制设备选用S7-200系列的PLC（CPU222），变频器选用西门子泵类专用的变频器MM430。

进行了控制程序（梯形图）的设计。

在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器完成。

最后，对变频恒压供水系统进行调试，对该系统在供水中所取得的节约电耗、恒定压力、保护管网等进行了总结，指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性。

二、变频恒压供水的理论分析（一）水泵的工作原理供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图1所示，叶轮安装在泵2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。

在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。

在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。

在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。

液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。

可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

图1 离心泵结构示意图（二）供水电机的搭配供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。

电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。

选择时应注意以下两点:(1) 如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。

(2) 如果电动机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。

因此，要正确选择电动机的功率， 对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(生产机械轴上的功率)1p （kW ），可按式(2.1)计算所需电动机的功率P (kW)：()112/p p ηη= (2.1)式中，1η为生产机械的效率，2η为电动机的效率，即传动效率。

按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。

因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。

(三)水泵的调节方式水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。

水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。

大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。

因此，研究并设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。

水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。

详细划分如下：水泵的调节方式调压调速异步电机转子串电阻调速异步电机的变极调速异步电机的串极调速变频调速液力耦合器的变速调节油膜转差离合器的变速调节改变传动装置改变原动机的转速节流调节混流式，轴流式泵的动叶调节改变泵的运行台数调节恒速调节变速调节(四) 恒压供水系统的能耗分析在供水系统中，最根本的控制对象是流量。

因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。

常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。

供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。

由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。

闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。

对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。

所以，流量是供水系统的基本控制对象。

而流量的大小又取决于扬程，但是扬程难以进行具体测量和控制。

考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量Q G 表示）和用水要求（由流水量Q U 表示）之间的平衡情况有关。

如：供水能力Q G >用水需求Q U ，则压力上升（P ↑）； 如：供水能力Q G <用水需求Q U ，则压力上升（P ↓）； 如：供水能力Q G =用水需求Q U ，则压力上升（P 不变）。

可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。

从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。

就是说，保持供水系统中某处的压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。

（五）水锤效应的产生和消除 1、水锤效应的产生异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有在0.25S 。

这意味着在0.25S 的时间里，水的流量从零增到额定流量。

由于水具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。

压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。

水锤效应具有极大的破坏性，压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。

此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。

在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。

这也同样会引起压力冲击和水锤效应。

产生水锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大.在启动过程中，异步电动机和水泵的机械特性如图2a 所示，图中曲线1是异步电动机的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩T J (即两者之差)。

nnN N （a ）全压启动 （b ）变频启动图2 水泵的全压启动与变频启动在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩JTJ M LT T T =-由图2.a 可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影部分所示，是很大的。

所以，加速过程很快。

２、水锤效应的消除采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为减小，如图2.b 命所示。

图中，曲线簇1是异步电动机在不同频率下的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩(即不同频率时电动机机械特性与水泵机械特性之差)。

在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长从而延长停机过程，使动态转矩大为减小，彻底消除了水锤效应。

（六）延长水泵寿命的其他因素水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。