净水厂送水泵房控制系统设计及应用
4．实际扬程
通过水泵提高水位所需的能量。在不计损失和流速的情况下，其主体部分正比于实际的最高水位与水池水面之间的水位差。
5．损失扬程
全扬程与实际扬程之差。全扬程=实际扬程+损失扬程 6．管阻
表示管道系统对水流阻力的物理量。管阻不是常数，不能以简单的公式定量计算，通常用扬程与流量间的关系曲线来描述。
7．压力
表明供水系统中某个位置水压，其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，在动态情况下，还与供水流量和用水流量之间的平衡情况有关。
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第3章 恒压供水控制系统设计
3.1恒压供水系统控制
对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是系统的基本控制对象。如前所述，流量的大小取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关，供水能力>用水需求，则压力上升；供水能力<用水需求，则压力下降；供水能力=用水需求，则压力不变。
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，满足了用户所需的用水流量。
3.2恒压供水系统方案设计与选择
从恒压供水的原理分析可知，系统主要有变频器、压力传感器、压力变送器等。 前面已介绍了目前常用的恒压供水控制系统。鉴于专用变频器系统的不足之处，本文采用通用变频器加PLC控制系统。水压反馈值送入PLC进行PID运算，运算结果经D／A转换输出送给变频器的反馈信号输入端，从而调整变频器频率，改变电动机的转速，调整管网水压，保障水压恒定。上位机与PLC进行通信，对压力数值进行显示并实现系统启停控制、压力设定值的修改。且由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种要求和规格不同的控制系统。由于PLC和上位机具有良好的通信功能，此系统方便与其他系统进行通
信和数据交换。当控制要求改变时，利用编程软件很容易进行程序的修改和下载。因此，该系统能适用于不同控制要求的场合，与机组容量大小无关。且由于良好的人机界面，使得操作更加简单，系统运行状态更直观。因此本系统采用“变频器+PLC+上位监控计算机\的模式。
3.3 恒压供水系统框图
根据系统控制方案可得系统框图如下：
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图3.1 恒压供水系统框图
图中水池水位经液位计检测送入电气控制柜，经PLC程序处理，决定水泵的运行与停止。安装在总水管上的压力变送器将压力值转换为标准电信号送至PLC的A/D转换模块，经PLC内部PID处理，由D／A模块输出模拟量信号送至变频器频率控制端，从而影响变频器的输出频率，改变水泵电动机转速。上位机与PLC进行通讯，显示系统运行状态及历史数据。
3.4系统工作原理
3.4.1系统控制示意图
图3.2系统控制示意图
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此系统由信号检测、水泵拖动机组、电气控制、上位机等组成，各部分的作用及工作原理如下。
a：信号检测
主要包括蓄水池液位检测、管网压力检测与反馈。液位检测通过安装在蓄水池的浮球液位传感器实现。当液位正常时，水泵机组处于工作状态。当水压不足，液面过低时，系统实施保护，以防止电机空转而损坏。管网压力检测通过安装在用户总管的压力传感器实现，实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4-20mA的电信号。此检测信号是实现恒压供水的关键参数。
b：水泵拖动机组
系统由一个机组3台水泵电机组成。MI、M2、M3既可以变频运行又可以工频恒速运行，组成变频循环运行方式。系统首先启动一台水泵作为变速泵，当水压发生变化，变频器输出频率达到50Hz时，若供水量仍不能达到用水要求，则该泵退出变频状态，转入工频，启动另外一台泵变频运行。以此循环。另一台小泵电机采用恒速运行方式，使系统在用水量很低(如夜间)时，可以停止所有的主泵，用小泵补水，减小系统功耗及噪音。
c：电气控制系统
电气控制系统一般安装在控制柜中，由PLC、变频器和电控设备组成。 ①PLC：是整个控制系统的核心部分。它采集系统的压力、液位、报警等信号，进行处理、运算和输出。并接收人机接口和通讯接口的数据信息进行分析，通过变频调速器和接触器等电气元件实现控制。
②变频器：实现电机转速控制的单元，接受PLC运算处理后数据，实现输出频率的改变，从而完成调速泵的转速控制。
③电控设备：主要由空气断路器、接触器、保护继电器和转换开关、按钮等组成。空气断路器用于接通电源；接触器用于实现变频运行与工频运行；转换开关用于实现手自动的控制。
d：上位监控计算机
用于操作者与系统进行信息交流，实现控制和显示系统运行状态。通过监控计算机，操作者可以很方便地根据系统需求对压力设定值进行修改，对控制方式进行改变，并可以方便地控制系统的启停和控制方式的转换。 3.4.2系统工作原理
1 系统自动变频循环运行
系统变频全自动运行时，当用户用水量发生变化，水压变送器反馈的电信号将发
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生变化，此时将进行水泵的增减。电机切换过程如下：
①若原为1号电机变频运行，用户用水量增加，则管网压力下降，反馈到A／D转换模块输入端的模拟量减小，通过PLC内部的PID运算，D／A转换模块输出量增加，即变频器频率给定端的电信号值增加，使变频器输出频率增加，电机转速增加，从而增大供水量直到与用水量平衡，管网水压随之上升，最后必须达到设定值。若在第一台电机的频率达到50Hz之前，管网水压已经达到设定值，此系统依然只运行第一台电机，只是运行于较高的频率。若第一台电机的频率达到50Hz时，管网水压仍然低于设定值，则进行水泵切换，此时第一台电机退出变频状态，转入工频；第二台电机变频启动，直到管网水压上升到设定值。若第二台电机频率达到50Hz，管网水压仍未达到设定值，则第二台电机也转为工频，而变频启动第三台电机。若此时用水量又减小，则管网压力将上升，如果第三台变频泵电机频率下降至下限值，管网压力仍不能达到设定值，则系统将根据“先开先停\的原则减泵。即系统将首先使第一台泵停止运行。系统进入水压的闭环控制，使压力重新达到设定值。若仅停掉一台水泵，压力仍不能达到设定值，将关掉第二台水泵，再次进入水压的闭环控制。
②以上分析的是一个循环的用水增加又减小，电机的切换过程。第二个过程将仍然根据“先开先停”的原则，即用水增加时将按三号泵变频一一三号泵工频、二号泵变频一一三号、二号泵工频，一号泵变频的顺序进行切换。
2 系统自动工频运行控制
如果变频器不能正常工作，系统采用自动工频运行方式，此时电动机采用软启动器启动，系统不能实现恒压，水压保持在一个规定的区间内。设泵l先工作在工频状态，压力变送器采样后送给PLC，如果压力在控制区间内，系统状态不变，若水压不在设定区间内，则改变状态，超过区间上限则切除一个泵，超过下限则工频启动一个泵，系统继续压力信号采样，重新建立监控区间。如此循环扫描，直至达到控制目的。该运行方式下，水泵只有工频运行和停止两种工作状态。如果系统发生故障，则转入故障处理程序。
3.4.3 PID调节恒压控制原理
系统实现水压的恒定是通过水压的闭环控制。当用水量增加时，水压减小，使控制变频器频率输出的电流增大，电机提速，使水压达到设定的恒定值。本系统使用的是PLC内部PID调节，原理框图如下：
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