变频恒压供水系统工作原理电路设计及实训装置的原理研究

变频恒压供水系统是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水管网的出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高水位箱、气压罐等设施实现的。
一、变频恒压供水系统的特点
1.采用可编程控制器，程序灵活多变，精度高，可靠性强，功能多，反映速度快。
2.均配有稳压泵或稳压罐稳压，在用水量小到一定值时，主泵可停止运转，减少水泵电机的机械磨损并且节约电能。
3.对水泵均为软启动，延长设备寿命，消除了启动电流对电网的冲击。
4.根据用水量的变化，水泵循环变频运行，先启的先停，使水泵均衡工作。当一台泵运转六小时或二十四小时，自动切换到另一台。
5.最大的特点为双恒压控制，生活消防可公用的一套设备，为用户节约投资。而且一机两用，大大的提高了使用效率。
6.结构紧凑，占地面积小 ，安装快，投资省，运行稳定。无污染。
二、变频恒压供水系统的工作原理

变频恒压供水系统以管网水压 (或用户用水流量)为设定参数，通过微机控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节 (PID)，使供水系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，这样就保证了供水效率用户对水压和水量的要求，同时达到了提高供水品质和供水效率的目的，“用多少水，供多少水”；采用该设备不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水设备。
三、变频恒压供水系统的适用范围
1.各种类型的自来水厂，供水站。
2.工业与民用建筑的生活、生产、消防用水系统。
3.公共设施宾馆，饭店的生活热水，空调供水系统。
4.油田的输油管道，油泵站恒压输送系统和工厂、矿山通风机风压调节系统。
5.热水锅炉定压及热水管道的定压系统。
四、恒压供水系统的原理设计
1.主电路设计
系统采用手动和自动两种控制方式，PLC首先使主水泵变频启动，压力传感器将母管压力反馈给PLC，与预先设定的给定压力比较，通过PID运算，调节变频器的输出频率，以维持水压恒定。若用水量大到1台水泵全速运行也不能达到给定压力时，PLC将该水泵由变频运行投入到工频运行，同时将另一台水泵投入到变频运行，增加管网供水量以保证压力稳定。当用水量减少时，PLC首先将工频运行的泵停掉，减少供水量，整个系统保证变频运行时只有1台泵变频恒压供水。系统采用变频泵循环方式，以“先开先关”顺序关泵，既保证了系统有备用泵，又有效的防止备用泵长期不用出现“绣死”现象。系统主电路图如图2所示。

2.控制电路设计
控制电路如下图3所示，SB1控制系统的启动，SB2控制系统的停止，当水泵出现过载时，A5灯亮。当变频器出现故障时，A6灯亮。A1、A2分别为泵1的变频、工频运行指示灯，A3、A4分别为泵2的变频、工频运行指示灯。

3.PLC控制流程图设计
根据恒压供水操作要求，PLC控制系统要随时监控自来水以及供水口的情况来决定是否要起动水泵，PLC控制程序设计的主要任务是接收各种外部开关量信号的输入，判断当前的供水状态、输出信号去控制继电器、接触器、等的动作，进而调整水泵的运行。PLC和变频器是本系统的核心部分，系统稳定运行的关键取决于PLC程序的合理性和可行性以及变频器参数的设定。本系统采用手动或自动两种工作方式，系统启动后，泵1首先进人变频运行，当检测到压力上限信号时，变频泵切换为工频，启动另一台泵变频运行，当检测到压力下限信号时，工频泵切除，仅变为变频泵工作，系统设计程序流程图如图4所示。

五、变频恒压供水系统实训装置的原理设计

本装置集PLC、变频调速、过程控制、工程组态技术于一体。它由六层住宅消防、生活供水系统（实物模型），控制平台两大部分组成，包含了可编程控制器、变频器、变频磁力驱动泵、休眠泵、消防泵、压力变送器、压力仪表、输水管道、消防栓、家用水龙头、蓄水池等工程设备。控制平台采用PLC+变频器的开放式控制结构，可以完成多种模式下的楼层恒压供水实训实训，为教学研究变频恒压供水技术提供一个开放的操作平台。它是一款适合于大学及中、高职院校电气自动化、楼宇自动化、建筑电气、智能建筑等专业的综合型实训设备。
1.系统特点：
1)控制平台采用PLC+变频器的开放式控制结构，提供组态软件和PLC开发环境，可以让学生自行设计控制方案，灵活性强。
2)控制平台有热过载保护、过流保护、漏电保护、接地保护、工频和变频联锁控制等多重保护机制。
3)控制系统能模拟真实的给水系统，有自动控制和手动控制两种控制方式，当自动控制失效时，系统由手动控制方式运行。
4)控制对象全部使用不锈钢和有机玻璃器件，保证不生锈、不易老化；模拟六层大楼给水系统，具有有生活水系统和消防水系统两种水路模型；动力系统由四台水泵构成，其中两台常规变频循环泵，一台休眠小泵，一台消防泵，能够模拟常规生活供水系统、消防供水系统和夜间小流量供水系统，能够生动模拟大楼给排水系统的典型结构。
2.技术参数：
1)输入电源：三相四线～380V±10%  50Hz
2)环境温度：+4℃～+45℃
3)装置容量：＜5kVA
4)外形尺寸：控制对象模型1200mm×805mm×1590mm，控制柜800mm×600mm×2000mm
5)安全保护：具有漏电自动保护装置
3.实训项目：
1)控制屏结构认识与调试
2)单泵控制变频恒压供水
3)双泵切换变频恒压供水
4)生活水系统静态压力控制
5)生活水系统动态压力控制
6)生活水系统的分时控制
7)夜间休眠模式下的供水
8)消防状态控制
9)综合控制系统
4.基本配置：
1)电源控制柜（标准机柜）
(1)交流电源（带有过流保护）：单相交流电  220V  50Hz
三相交流电  380V  50Hz
(2)三相电源指示灯
(3)三相电源指示仪表
2)PLC
PLC采用欧姆龙CP系列控制器，采用HostLink通讯协议，提供了PLC开发环境，可以让学生自行设计控制方案。
(1)生活供水管网的恒压供水
(2)可实现以天为周期的定时控制压力控制，以适应供水压力变化的需求
(3)夜间可启动休眠小泵运行实现最大限度节能，实现小流量下的生活供水
(4)火警状态，可自动启动消防泵，完成消防模式下的恒压供水
(5)可实现带上位机系统的PID控制
3)手动控制装置
控制系统采用手动控制和自动控制两种控制方式，手动控制器在实际工程应用中具有十分的重要性，在该装置当中加入该装置具有如下作用：
(1)在自动控制器失效的状态下，手动控制系统可以保证系统的可靠运行
(2)在系统投入自动控制前，可用手动控制器检验动力线路和动力设备的运行工况，可靠保护PLC和变频器设备
4)恒压供水模型
供水模型全部使用不锈钢和有机玻璃器件，保证不生锈、不易老化；模拟六层大楼给水系统，具有有生活水系统和消防水系统两种水路模型；动力系统由四台水泵构成，其中两台常规变频循环泵，一台休眠小泵，一台消防泵，能够模拟常规生活供水系统、消防供水系统和夜间小流量供水系统，能生动模拟大楼给排水系统的典型结构
5)监控软件
配备监控系统软件,可以实现对供水过程的全监控。实现控制系统的参数整定和状态分析。提供组态软件，可以让学生自行设计监控界面。
六、总结
变频器和压力传感器组成的恒压供水系统，达到恒压供水的目的，实现真正意义上的无人值守的起闭、循环切换水泵。由于变频器具有软启动的功能，消除了启动大电流对电网的冲击，从而延长泵的使用寿命。实际运行情况证明了本系统具有可靠性高、自动化程度高、便于维护和高节能性等特点，具有很大的应用价值，可广泛应用于工业供水、生活供水、消防供水、集中供热等供水系统。