CN204327464U - 一种恒压供水变频控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机电领域。一种恒压供水变频控制系统，包括一水泵控制系统，水泵控制系统包括一信号检测系统、一控制系统、一执行机构，信号检测系统连接控制系统，控制系统连接执行机构；信号检测系统包括一用以检测管网水压的压力传感器，控制系统包括一PLC系统、一变频器，执行机构包括至少三个水泵，水泵包括调速泵、恒速泵；压力传感器连接控制系统的变频器；PLC系统通过变频器连接调速泵。本实用新型由变频器为水泵的电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。压力设定信号和压力反馈信号送入PLC控制回路，输入给变频器一个转速调节信号，从而对水泵恒压的控制。

Description

一种恒压供水变频控制系统

技术领域

本实用新型涉及机电领域，尤其涉及变频控制系统。

背景技术

随着变频技术的发展生活及工业的供水需求不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于工业，生活、消防供水中。如若在供水系统中，采用变频控制系统，可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。如若采用变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种恒压供水变频控制系统，以解决上述技术问题。

本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种恒压供水变频控制系统，包括一水泵控制系统，其特征在于，所述水泵控制系统包括一信号检测系统、一控制系统、一执行机构，所述信号检测系统连接所述控制系统，所述控制系统连接所述执行机构；

所述信号检测系统包括一用以检测管网水压的压力传感器，所述控制系统包括一PLC系统、一变频器，所述执行机构包括至少三个水泵，所述水泵包括调速泵、恒速泵；

所述压力传感器连接所述控制系统的变频器；

所述PLC系统通过所述变频器连接所述调速泵。

本实用新型由变频器为水泵的电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。压力传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号送入PLC控制回路，经过数据编程数模转换，再由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号，从而对水泵恒压的控制。

用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比。因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。

调速泵是由变频器控制，进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。采用恒速泵的水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。

所述压力传感器是电阻式压力传感器，所述电阻式压力传感器的反馈电压为0～5V。

所述压力传感器是压力变送器，所述压力变送器的反馈电流为4～20mA。

所述水泵控制系统还包括一显示屏，所述显示屏连接所述控制系统的PLC系统。

本实用新型通过显示屏作为人机界面。人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。

所述压力传感器包括一压力传感元件、一信号处理模块、一无线通讯模块，所述传感元件连接所述信号处理模块，所述信号处理模块连接所述无线通讯模块；

所述压力传感器通过所述无线通讯模块连接所述控制系统。

防止布线的繁琐性。

所述无线通讯模块可以是一以超声波为传输介质的无线通讯模块，所述无线通讯模块包括一超声波发射装置。

本实用新型通过采用超声波为信号传输的通讯介质，延长了信号的传输距离，提高了信号传输的稳定性。

所述水泵控制系统还包括一报警装置，所述报警装置连接连接所述控制系统的PLC系统。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC系统判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

所述报警装置设有2G或者3G网络通讯模块，所述报警装置通过所述网络通讯模块连接一终端设备；

所述终端设备是手机、笔记本。

便于通过网络形式将报警信号发送给工作人员使用的终端设备。

所述压力传感器设置处的管路包括一出水管基材，所述出水管基材的内壁设有一压电陶瓷膜层，所述压电陶瓷膜层的内壁涂覆有一绝缘防水涂层，所述压电陶瓷膜层设有电能输出端，所述压电陶瓷膜层的电能输出端连接所述压力传感器的电能输入端。

本实用新型对水管的结构进行了改良增设有一压电陶瓷膜层，通过压电陶瓷膜层与水流的接触情况，从而自生电给压力传感器进行供电。通过绝缘防水涂层保护压电陶瓷膜层的能量吸收面。

所述变频器包括一驱动板、一控制板，控制板连接驱动板，驱动板连接一第一三相整流电路，所述第一三相整流电路，所述第一三相整流电路是一由6个整流二极管组成的不可控全波整流桥；

所述第一三相整流电路后方并联有一第一吸收电容，所述第一吸收电容的后方串联有一个充电电阻，所述充电电阻的后方串联有一保险管，所述保险管的后方并联有一电解电容滤波电路，所述电解电容滤波电路的后方并联有一第二吸收电容，所述第二吸收电容的后方并联有一第二三相整流电路；

所述第二三相整流电路是一由六个整流模块组成的整流桥，所述六个整流模块均由一个绝缘栅双极型晶体管和一个续流二极管构成。

所述第二三相整流电路与一功率输出电路连接，所述第二三相整流电路与所述功率输出电路之间仅设有一霍尔电流传感器，没有电解电容滤波电路；

所述变频器，还包括一外壳；所述霍尔电流传感器连接一无线信号发射器，所述外壳上设有一内凹部，所述无线信号发射器嵌入所述内凹部。

本实用新型在降低了生产成本的基础上，还取得了耐高温，体积小，功率因素高，并且可以保证输出电压的稳定的有益效果。另外，充电电阻的设置，可以有效防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为0V；所以在上电(开机)的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。所述充电电阻优选阻值选择范围为10Ω到300Ω的充电电阻。第二吸收电容的设置可有效吸收IGBT的过流与过压能量。将所述无线信号发射器嵌入所述内凹部，可以使变频器的调速装置的整体外轮廓均匀，方便在被控装置上固定。

附图说明

图1为本实用新型的一种恒压控制变频系统结构示意图；

图2为本实用新型的一种变频系统的主电路框图；

图3为本实用新型的一种PLC控制回路示意图；

图4为本实用新型一种PID控制框图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本实用新型。

参见图1、图2、图3、图4，一种恒压供水变频控制系统，包括一水泵6控制系统，水泵6控制系统包括一信号检测系统、一控制系统、一执行机构，信号检测系统连接控制系统，控制系统连接执行机构；信号检测系统包括一用以检测管网5水压的压力传感器1，控制系统包括一PLC系统3、一变频器2，执行机构包括至少三个水泵6，水泵6包括调速泵、恒速泵；压力传感器1连接控制系统的变频器2；PLC系统3通过变频器2连接调速泵。水泵控制系统还包括一显示屏7，显示屏7连接控制系统的PLC系统3。

参见图1，一种恒压供水变频控制系统由水泵6，变频器2，PLC系统3和压力传感器1及若干辅助部件构成。水泵6中的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，水泵6协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器1，一般采用电阻式传感器(反馈0～5V电压信号)或压力变送器(反馈4～20mA电流)；变频器2是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。若干辅助部件可以包括一逻辑模块4。变频器2通过逻辑模块4连接调速泵。PLC系统3通过通过逻辑模块4连接恒速泵。

变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。

(1)执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，水泵分为二种类型:

调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。

恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。

(2)信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:

①水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。

②报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。

(3)控制系统

控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。

①供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。

②变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。

③电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。

(4)人机界面

水泵控制系统还包括一显示屏，显示屏连接控制系统的PLC系统。本实用新型通过显示屏作为人机界面。人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。

(5)通讯接口

水泵控制系统还包括通讯接口。水泵控制系统包括一壳体，壳体上设有显示屏、通讯接口，壳体内设有PLC系统。通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。

(6)报警装置

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

压力传感器包括一压力传感元件、一信号处理模块、一无线通讯模块，传感元件连接信号处理模块，信号处理模块连接无线通讯模块；压力传感器通过无线通讯模块连接控制系统。防止布线的繁琐性。水泵控制系统还包括一报警装置，报警装置连接连接控制系统的PLC系统。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC系统判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

无线通讯模块可以是一以超声波为传输介质的无线通讯模块，无线通讯模块包括一超声波发射装置。本实用新型通过采用超声波为信号传输的通讯介质，延长了信号的传输距离，提高了信号传输的稳定性。

压力传感器设置处的管路包括一出水管基材，出水管基材的内壁设有一压电陶瓷膜层，压电陶瓷膜层的内壁涂覆有一绝缘防水涂层，压电陶瓷膜层设有电能输出端，压电陶瓷膜层的电能输出端连接压力传感器的电能输入端。本实用新型对水管的结构进行了改良增设有一压电陶瓷膜层，通过压电陶瓷膜层与水流的接触情况，从而自生电给压力传感器进行供电。通过绝缘防水涂层保护压电陶瓷膜层的能量吸收面。

如图2所示，电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。熔断器(FU)是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。

PLC系统的控制回路参见图3。开始后，选择是否要自动运行，自动运行时，起动变频器/保持现有的运行状态，如若收到频率下限，供水压力过高需要减少水泵的工作数量；如若收到频率上限，供水压力过低需要增加水泵的工作数量；自动运行闭合时，手动执行相应操作。PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频—变频的切换和水泵工作数量的调整，系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。手动模式主要是解决系统出错或器件出问题，在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态。

手动运行

当系统压力不够需要增加泵时，按下按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行，再起动下一台电机。为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵.该方式仅供自动故障时使用.

自动运行

由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制。升压控制：系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态.系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1处在调速运行状态.当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速；反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速.当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行；同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行.当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警.

降压控制：当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值.当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。

如图4所示，控制系统包括PID控制器，PID控制器通过对被控制对象的传感器等检测控制量(反馈值)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定点)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。

PID控制器仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统(即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节)效果比较好

在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种:

(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。(2)软件型：使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器(或单片机)上做PID控制器。

变频器包括一驱动板、一控制板，控制板连接驱动板，驱动板连接一第一三相整流电路，第一三相整流电路，第一三相整流电路是一由6个整流二极管组成的不可控全波整流桥；第一三相整流电路后方并联有一第一吸收电容，第一吸收电容的后方串联有一个充电电阻，充电电阻的后方串联有一保险管，保险管的后方并联有一电解电容滤波电路，电解电容滤波电路的后方并联有一第二吸收电容，第二吸收电容的后方并联有一第二三相整流电路；第二三相整流电路是一由六个整流模块组成的整流桥，六个整流模块均由一个绝缘栅双极型晶体管和一个续流二极管构成；第二三相整流电路与一功率输出电路连接，第二三相整流电路与功率输出电路之间仅设有一霍尔电流传感器，没有电解电容滤波电路；变频器，还包括一外壳；霍尔电流传感器连接一无线信号发射器，外壳上设有一内凹部，无线信号发射器嵌入内凹部。本实用新型在降低了生产成本的基础上，还取得了耐高温，体积小，功率因素高，并且可以保证输出电压的稳定的有益效果。另外，充电电阻的设置，可以有效防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为0V；所以在上电(开机)的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。充电电阻优选阻值选择范围为10Ω到300Ω的充电电阻。第二吸收电容的设置可有效吸收IGBT的过流与过压能量。将无线信号发射器嵌入内凹部，可以使变频器的调速装置的整体外轮廓均匀，方便在被控装置上固定。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种恒压供水变频控制系统，包括一水泵控制系统，其特征在于，所述水泵控制系统包括一信号检测系统、一控制系统、一执行机构，所述信号检测系统连接所述控制系统，所述控制系统连接所述执行机构；

所述信号检测系统包括一用以检测管网水压的压力传感器，所述控制系统包括一PLC系统、一变频器，所述执行机构包括至少三个水泵，所述水泵包括调速泵、恒速泵；

所述压力传感器连接所述控制系统的变频器；

所述PLC系统通过所述变频器连接所述调速泵。

2.根据权利要求1所述的一种恒压供水变频控制系统，其特征在于，所述压力传感器包括一压力传感元件、一信号处理模块、一无线通讯模块，所述传感元件连接所述信号处理模块，所述信号处理模块连接所述无线通讯模块；

所述压力传感器通过所述无线通讯模块连接所述控制系统；

所述无线通讯模块是一以超声波为传输介质的无线通讯模块，所述无线通讯模块包括一超声波发射装置。

3.根据权利要求1所述的一种恒压供水变频控制系统，其特征在于，所述变频器包括一驱动板、一控制板，控制板连接驱动板，驱动板连接一第一三相整流电路，所述第一三相整流电路，所述第一三相整流电路是一由6个整流二极管组成的不可控全波整流桥；

所述第一三相整流电路后方并联有一第一吸收电容，所述第一吸收电容的后方串联有一个充电电阻，所述充电电阻的后方串联有一保险管，所述保险管的后方并联有一电解电容滤波电路，所述电解电容滤波电路的后方并联有一第二吸收电容，所述第二吸收电容的后方并联有一第二三相整流电路；

所述第二三相整流电路是一由六个整流模块组成的整流桥，所述六个整流模块均由一个绝缘栅双极型晶体管和一个续流二极管构成。