此文檔收集于網絡，如有侵權，請聯系網站刪除科類： 工科 學號： 20091447 本科生畢業設計某企業恒壓供水系統的設計A establishment design of constant pressure water supply system付忠林指導教師： 黃兆波 職稱 副教授 云南農業大學 昆明 黑龍潭 650201 學 院： 工程技術學院 專 業： 電氣工程及其自動化 年 級： 2009 設計提交日期： 2013.4.26 答辯日期： 2013.5.11 答辯委員會主任： 張汝坤 云南農業大學2013年5月25日此文檔僅供學習與交流某企業恒壓供水系統的設計付忠林（云南農業大學工程技術學院，昆明 黑龍潭 650201）摘 要隨著社會主義市場經濟的發展，人們對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提高；再加上目前能源緊缺，因此設計高性能、高節能、能適應不同領域的恒壓供水系統對社會的發展有較強的促進作用。本論文首先分析目前的各種供水方式的特點，綜合考慮最終選擇了變頻恒壓供水，然后再分析變頻恒壓供水的原理及系統的組成結構，提出不同的控制方案，通過研究和比較，采用變頻器和PLC實現恒壓供水，用變頻器的內置PID對系統中的恒壓控制進行設計。其次對系統的主要設備做相應的選型和介紹，最后對系統的軟硬件設計進行了詳細的介紹。本論文的變頻恒壓供水系統已在國內許多實際的供水控制系統中得到應用，并取得穩定可靠的運行效果和良好的節能效果。從理論的角度來看，該系統能夠實現恒壓供水，具有一定的經濟效益和社會效益。關鍵字：恒壓供水；變頻調速器；PLC；PID。AbstractWith the rapid development of socialistic marketing economy, there is a growing demand for better quality of water supply and higher reliability of supply system. Coupled with the current energy shortage, so the design high-performance, high energy, able to adapt to the different areas of constant pressure water supply system has a strong role in promoting the development of society.This paper first analyzes the characteristics of each water supply mode, now considering eventually opted for frequency conversion constant pressure water supply, and then analysis the principle of frequency conversion constant pressure water supply system of institutions. and proposes several control methods. By careful study and comparison, PLC and inverters method fits water supply system and datatransmission very well. Finally the paper shows the design of constant pressure supply water controller according to built-in PID fretroller conwerter introduction of its software. secondly and selection of mian equipment of the systerm and introduces，finally the systerms hard software design is introduced.The system, which has initially been completed with reliable performance and excellent energy-saving effect. From a theoretical point of view, the system is able to achieve constant pressure water supply, with a certain degree of economic and social benefits.Key Words: constant pressure water supply; frequency control of motors; PLC; PID.目 錄某企業恒壓供水系統的設計IAbstractI目 錄III圖 目 錄VI表 目 錄VII符號及其計量單位說明VIII第1章 前言11.1 該企業的供水背景介紹11.2 供水系統選擇分析11.3 變頻恒壓供水產生的背景和意義3第2章 變頻恒壓供水系統42.1 變頻恒壓供水系統理論分析42.1.1 變頻恒壓供水系統的節能原理42.1.2 變頻恒壓供水系統的控制理論模型52.2 變頻恒壓供水系統的特點52.3 變頻恒壓供水系統控制方式的選擇62.4 變頻恒壓供水系統的構成及工作原理82.4.1 變頻恒壓供水系統構成82.4.2 變頻恒壓供水系統的工作原理9第3章 系統設備的選擇及介紹113.1 PLC的選擇113.1.1 PLC的簡介113.1.2 PLC的選型123.2 變頻器的選擇133.2.1 變頻器的簡介133.2.2 變頻器選型143.2.3 三棱FR-F740-37K-CHT1變頻器的介紹153.3 軟啟動器的選擇183.3.1 軟啟動器的簡介183.3.2 軟啟動器的選型183.3.3 西普STR系列L型軟起動器的介紹193.4 其他主要器件的選擇213.4.1 壓力傳感器的選擇17213.4.2 離心泵、電動機的選擇213.4.3 導線的選擇213.4.4 空氣開關的選擇223.4.5 熔斷器的選擇233.4.6 交流接觸器的選擇233.4.7 熱繼電器的選擇23第4章 系統軟硬件的設計及變頻器參數設定244.1 系統硬件設計244.1.1 系統的強電回路244.1.2 PLC的I/O端口分配254.1.3 控制面板設計264.2 軟件設計264.2.1 PLC的語言介紹274.2.2 系統中所用PLC的基本指令介紹284.2.3 程序的初始化設計284.2.4 手動運行程序設計314.2.5 自動運行程序設計334.2.6 報警程序的設計334.3 變頻器參數的設計34結 論38參考文獻39致 謝40附 錄41附錄一41附錄二41圖 目 錄圖1 供水系統的基本特征4圖2 變頻恒壓控制原理5圖3 供水系統方案圖8圖4 系統PID調節原理9圖5 PLC硬件結構框圖12圖6 變頻器的工作原理20圖7 系統的主電路24表 目 錄表1 導線的分類22Table 1 The classification of wires22表2 接觸器型號及具體參數23Table 2 Each contact number and specific pattern23表3 PLC的I/O端口分配25Table 3 The I/O interface PLC distribution25表4 本設計所用到的基本指令28Table 4 This design USES the basic instructions28表5 初始化程序表30Table 5 Initialize program30表6 FNC66的功能31Table 6 FNC 66 function instruction moves31表7 手動運行程序表32Table 7 The manual part of the program32表8 自動運行程序表33Table 8 Programme for automatic part33表9 報警程序表34Table 9 The starting and stopping one-touch instructions34表10 變頻器PID功能參數表35Table 10 The inverter PID funcion parammeter list35符號及其計量單位說明P30：有功計算負荷，單位kW。Kd：需要系數。Pe：額定有功功率，單位kW。Q30：無功計算負荷，單位kVar。S30：視在計算負荷，單位kVA。I30：計算電流，單位A。Un：額定電壓，單位kV。cos：功率因數。Igmax：導體所在電路的最大持續工作電流，單位A。Ial：相應于導體額定環境溫度條件下導體的長期允許電流，單位A。A0：三相四線制線路的中性線截面積，單位mm。A：相線截面積，單位mm。IRTR：熔斷器的額定電流，單位A。第1章 前言1.1 該企業的供水背景介紹該企業地處山坡，企業面積較大，人口較多，日用水量較大，而自來水公司所提供的水管不管是壓力還是在流量，都不能滿足企業員工生活的需要，因此該企業決定在山腳下建造了一個蓄水池，其供水方式是先對自來水進行存儲，再利用兩臺水泵進行供水。經計算在一般情況下，用一臺30kW水泵以基頻恒速就可以保持水管恒壓供給員的工生活用水，在特殊情況下，再加一臺30kW水泵以變頻調速運行來保持水管恒壓供水。要求能實現手動和自動供水，以減少人的勞動強度、水資源和電能的浪費。1.2 供水系統選擇分析眾所周知，水是生產生活中不可缺少的重要組成部分，在節水節能己成為時代要求的條件下，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業生產循環供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低。主要表現在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現水壓降低供不應求的現象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現水壓升高供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能導致水管爆破和用水設備的損壞。在恒壓供水技術出現以前，出現過許多供水方式。（1） 一臺恒速泵直接供水系統這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網中抽水，嚴重影響城市公用管網壓力的穩定。這種供水方式，水泵整日不停運轉，有的可能在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩，供水質量極差。（2） 恒速泵+水塔的供水方式這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時再啟動水泵。水泵處于斷續工作狀態中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚程的條件下，水泵處于高效能區。這種方式顯然比前種節電，其節電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數、水泵的開、停時間比、開/停頻率等有關。供水壓力比較穩定。但這種供水方式基建設備投資最大，占地面積也最大；水壓不可調，不能兼顧近期與遠期的需要；而且系統水壓不能隨系統所需流量和系統所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統水塔的水位監控裝置損壞的話，水泵不能進行自動的開、停，這樣水泵的開、停，將完全由人操作，這時將會出現能量的嚴重浪費和供水質量的嚴重下降。（3） 射流泵+水箱的供水方式這種方式是利用射流泵本身的獨特結構進行工作，利用壓差和來水管粗，出水管細的變徑工藝來實現供水，但是由于其技術和工藝的不完善，加之該方式會出現有壓無量（流量）的現象，無法滿足高層供水的需要。（4） 恒速泵+高位水箱的供水方式這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設立水箱。占地面積與設備投資都有所減少，但這對建筑物的造價與設計都有影響，同時水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。水箱的水位監控裝置也容易損壞，這樣系統的開、停，將完全由人工操作，使系統的供水質量下降能耗增加。（5） 恒速泵+氣壓罐供水方式這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監測罐內壓力來控制泵的開、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質因異物進入而被污染的可能性。氣壓罐供水具有體積小、技術簡單、不受高度限制等特點，但此方式調節量小、水泵電機為硬起動且起動頻繁，對電器設備要求較高、系統維護工作量大，而且為減少水泵起動次數，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了其發展。（6） 變頻調速恒壓供水方式這種系統的原理是通過安裝在系統中的壓力傳感器將系統壓力信號與設定壓力值作比較，再通過控制器調節變頻器的輸出，無級調節水泵轉速。使系統水壓無論流量如何變化始終穩定在一定的范圍內。綜上所述，傳統的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源、效率較低、可靠性差，自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民用水和工業用水。目前的供水方式朝向高效節能、自動可靠的方向發展，變頻調速技術以其顯著的節能效果和穩定可靠的控制方式，在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設備上廣泛應用，特別是在城鄉工業用水的各級加壓系統，居民生活用水的恒壓供水系統中，變頻調速水泵節能效果尤為突出，其優越性表現在：一是節能顯著；二是在開、停機時能減小電流對電網的沖擊以及供水水壓對管網系統的沖擊。隨著社會經濟的迅速發展，水對人民生活與工業生產的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統的新要求。1.3 變頻恒壓供水產生的背景和意義泵站擔負著工農業和生活用水的重要任務，運行中需大量消耗能量，提高泵站效率，降低能耗，對國民經濟有重大意義。我國泵站的特點是數量大、范圍廣、類型多、發展速度快，在工程規模上也有一定水平，但由于設計中忽視動能經濟觀點以及機電產品類型和質量上存在的一些問題等等原因，致使在技術水平、工程標準以及經濟效益指標等方面與國外先進水平相比，還有一定的差距。目前，大量的電能浪費在水泵、風機負載上，城鄉居民用水設備所消耗的電量在這類負載中占了相當的比例。這一方面是由于我國居民多，用水量大，造成用電量大；另一方面是因為我國供水設備工作效率低，控制方式不夠科學合理，造成不必要的能量浪費。因此，研究提水系統的能量模型，找出能夠節能的控制策略方法，這里大有潛力可挖，是減少能耗，保障供水的一個很有意義的工作。以變頻器為核心結合PLC組成的控制系統具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，變頻恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、防雷避雷技術、現代控制、遠程監控技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控；同時系統具有良好節能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。第2章 變頻恒壓供水系統2.1 變頻恒壓供水系統理論分析本節主要分析變頻恒壓供水系統節能原理和變頻恒壓控制理論模型兩方面的內容。2.1.1 變頻恒壓供水系統的節能原理供水系統的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統管路中的閥門開度不變為前提，表明水泵在某一轉速下揚程H與流量Q之間的關系曲線f（Q），如圖1所示。圖1 供水系統的基本特征由圖可以看出，流量Q越大，揚程H越小。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Q（u）間的關系。而管阻特性是以水泵的轉速不變為前提，表明閥門在某一開度下，揚程H與流量Q之間的關系H J（Qu）。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的關系H f（Qc）。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統的工作點，如圖中A點。在這一點，用戶的用水流量Qu和供水系統的供水流量Qc處于平衡狀態，供水系統既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統穩定運行。2.1.2 變頻恒壓供水系統的控制理論模型變頻恒壓供水系統以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力的設定值。從圖2中可以看出，在系統運行過程中，如果實際供水壓力低于設定壓力，控制系統將得到正的壓力差，這個差值經過計算和轉換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵的轉速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調節的結果是實際供水壓力和設定壓力相等。圖2 變頻恒壓控制原理2.2 變頻恒壓供水系統的特點隨著變頻技術的發展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統以其環保、節能和高品質的供水質量等特點，廣泛應用于多層住宅小區及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調速系統可以實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節能型供水系統。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產品質量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢，而且具有顯著的節能效果。目前變頻恒壓供水系統正向著高可靠性、全數字化微機控制、多品種系列化的方向發展。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設備適應城鎮建設中成片開發、智能樓宇、網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。變頻恒壓供水系統能適用生活水、工業用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統具有以下特點：（1） 供水系統的控制對象是用戶管網的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量（如：溫度、流量、濃度等）一樣，對控制作用的響應具有滯后性。（2） 用戶管網中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網壓力的變化近似成正比，因此變頻調速恒壓供水系統可以等效為一個線性系統。（3） 變頻調速恒壓供水系統要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統，而不同的供水系統管網結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。（4） 當出現意外的情況（如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等）時，系統能根據泵及變頻器或軟啟動器的狀態，電網狀況及水源水位，管網壓力等工況點自動進行切換，保證管網內壓力恒定。在故障發生時，執行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。（5） 用變頻器進行調速，用調速泵（變頻泵）和恒速泵（工頻泵）的組合進行恒壓供水，節能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。2.3 變頻恒壓供水系統控制方式的選擇目前國內變頻恒壓供水設備的控制方式主要有：（1） 邏輯電子電路控制方式這類控制電路難以實現水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調節，往往采用一臺泵固定于變頻狀態，其余泵均為工頻狀態的方式。因此，控制精度較低、水泵切換時水壓波動大、調試較麻煩、工頻泵起動時有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。（2） 單片微機電路控制方式這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數調整方便，具有較高的性能價格比。但開發周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產生干擾，變頻器的功率越大，產生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統的可靠性。該系統適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。這類控制電路優于邏輯電路，但在應付不同管網、不同供水情況時，調試較麻煩；追加功能時往往要對電路進行修改，不靈活也不方便。（3） 可編程序控制器（PLC）+PID調節擴展模塊（帶PID回路調節器）的控制方式該方式變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源。實現電機的無級調速，從而使管網水壓連續變化。傳感器的任務是檢測管網水壓，壓力設定單元為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控后，經可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入PID回路調節器，由PID回路調節器在調節器內部進行運算后，輸入給變頻器一個轉速調節信號。由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID回路調節器給出的，所以對可編程控制器來講。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入，數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口端另接一塊PWM調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為模擬量。這樣，可編程控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入，輸出的可編程控制器和一個PID回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入，輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。（4） 可編程序控制器（PLC）+帶PID調節的變頻器的控制方式由于這類變頻器將PID調節器集成在變頻器內部，因此PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑、穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。考慮以上四種方案后，本企業的供水系統的設計采用可編程序控制器（PLC）+帶PID調節的變頻器的控制方式。如圖3所示。圖3 供水系統方案圖2.4 變頻恒壓供水系統的構成及工作原理2.4.1 變頻恒壓供水系統構成由圖3可知，該變頻恒壓供水系統的主要由PLC、帶內置PID的變頻器、軟啟動器、壓力傳感器和供水部分組成，供水部分主要有水泵組、電動機、管道和閥門等。水泵組包括一臺恒速泵和一臺調速泵。恒速泵：水泵運行只在工頻狀態，轉速恒定；用在一般情況下，供員工生活用水。調速泵：是由變頻器控制，變頻器根據實際水壓的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定；用在特殊情況下，來保持水管恒壓供水。PLC主要用于控制水泵組的啟停、系統能實現手動和自動運行以及系統運行情況的監視和報警。帶內置PID的變頻器用于對水泵進行轉速控制，變頻器跟蹤壓力傳感器送來的實際壓力信號實施PID調節后，改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。軟啟動器用于恒速泵的啟動，降低電動機起動的起動電流，減少配電容量，避免增容投資；減少起動應力，延長電動機及相關設備的使用壽命。壓力傳感器用于對出水管壓力的實時監測并把實際水壓傳送給變頻器。2.4.2 變頻恒壓供水系統的工作原理本系統的控制方式：控制面板控制PLC的輸入，PLC的輸出控制恒速泵和調速泵的啟停，用變頻器的內置PID進行PID調節實現恒壓供水。合上空氣開關，供水系統投入運行。將手動、自動開關打到自動上，系統進入全自動運行狀態，PLC中程序接通KM2（變頻器接觸器），并起動變頻器。根據壓力給定值（根據管網壓力要求設定）與實際值壓力值（來自于壓力傳感器）的偏差進行PID調節，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據頻率給定信號及預先設定好的加速時間控制水泵的轉速以保證水壓保持在壓力設定值的上、下限范圍之內，實現恒壓控制。PID調節的具體過程見下圖4，給定值用表示，反饋值用表示，頻率用f表示，轉速用n表示，壓力偏差用表示。圖4 系統PID的調節原理（1） ，即，經PID調節器進行比例、積分和微分計算后輸出一個增大的頻率f給變頻器，調速泵的轉速n增加，出水管壓力增大。（2） ，即，經PID調節器進行比例、積分和微分計算后輸出一個減小的頻率f給變頻器，調速泵的轉速n降低，出水管壓力減小。第3章 系統設備的選擇及介紹設備的選擇在系統中是非常重要，合理的選擇設備，能使系統的性能更好。本控制系統主要圍繞PLC、帶內置PID的變頻器來設計的，因此PLC、帶內置PID的變頻器的講述較多，其他設備講述較少。注：各設備的詳細介紹請參考相應的使用說明書。3.1 PLC的選擇本設計中PLC主要用于控制恒速泵和調速泵的啟停、系統能實現手動和自動運行以及系統運行情況的監視和報警，因此PLC的選擇非常重要。3.1.1 PLC的簡介可編程控制器是60年代末在繼電器系統上發展起來的，采用的是計算機的設計思想，最初主要用于順序控制，只能進行邏輯運算。隨著微電子技術計算機技術和通信技術的發展，以及工業自動化控制愈來愈高的需求，PLC無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯網通信上，都有很大的提高。現在的PLC已不只是開關量控制，其功能遠遠超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控制、過程控制以及遠程通信等強大功能。美國電氣制造商協會（NEMA）將其正式命名為可編程控制器（Programmable Controller），簡稱PC，但是為了和個人計算機（Persona1 Computer）的簡稱PC相區別，人們常常把可編程控制器仍簡稱為PLC。可編程控制器的產生和發展與繼電器控制系統有很大的關系，繼電器是一種用弱電信號控制強電信號的電磁開關，但在復雜的控制系統中，故障的查找和排除非常困難，不適應于工藝要求發生變化的場合。由此，產生了可編程控制器，它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術，用面向控制過程、面向用戶的簡單編程語句，適應各種工業環境，其簡單易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工業控制器，是當代工業自動化的主要支柱之一。可編程控制器具有豐富的輸入、輸出接口，并具有較強的驅動能力，但它的產品并不針對某一具體工業應用，其靈活標準的配置能夠適應工業上的各種控制。在實際應用中，其硬件可根據實際需要選用配置，其軟件則需要根據要求進行設計。其硬件結構圖見下圖5所示。圖5 PLC硬件結構框圖PLC由于具有可靠性高、抗干擾能力強、配套齊全、功能完善，適用性強、易學易用、維護方便、容易改造、體積小、重量輕、能耗低、系統的設計和建造工作量小等這些優點。目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業。PLC的選擇主要應從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯網能力等方面加以綜合考慮。3.1.2 PLC的選型PLC選擇是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點：（1） 選擇合理的結構型式，PLC主要有整體式和模塊式兩種結構型式。整體式PLC的每一個I/O點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小，一般用于系統工藝過程較為固定的小型控制系統中；而模塊式PLC的功能擴展靈活方便，在I/O點數、輸入點數與輸出點數的比例、I/O模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復雜的控制系統。（2） 安裝方式的選擇，PLC系統的安裝方式分為集中式、遠程I/O式以及多臺PLC聯網的分布式。集中式不需要設置驅動遠程I/O硬件，系統反應快、成本低；遠程I/O式適用于大型系統，系統的裝置分布范圍很廣，遠程I/O可以分散安裝在現場裝置附近，連線短，但需要增設驅動器和遠程I/O電源；多臺PLC聯網的分布式適用于多臺設備分別獨立控制，又要相互聯系的場合，可以選用小型PLC，但必須要附加通訊模塊。（3） 相應的功能要求，一般小型（低檔）PLC具有邏輯運算、定時、計數等功能，對于只需要開關量控制的設備都可滿足。對于以開關量控制為主，帶少量模擬量控制的系統，可選用能帶A/D和D/A轉換單元，具有加減算術運算、數據傳送功能的增強型低檔PLC。對于控制較復雜，要求實現PID運算、閉環控制、通信聯網等功能，可視控制規模大小及復雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價格較貴，一般用于大規模過程控制和集散控制系統等場合。（4） 響應速度要求，PLC是為工業自動化設計的通用控制器，不同檔次PLC的響應速度一般都能滿足其應用范圍內的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應該慎重考慮PLC的響應速度，可選用具有高速I/O處理功能的PLC，或選用具有快速響應模塊和中斷輸入模塊的PLC等。根據其控制的需要、PLC的選用要求和原則，本系統選用的是三菱FX2N系列的型號為FX2N-32MR的可編程控制器。該可編程控制器的I/O端口為32點，其輸入端口和輸出端口各為16點。由于FX2N系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊；FX2N系列是功能較強大的微PLC，I/O端口可擴展到多達128點，本設計選用32點。3.2 變頻器的選擇本設計主要圍繞變頻器內置PID的功能進行設計的，是實現恒壓供水最主要的器件，因此變頻器的選擇非常重要。3.2.1 變頻器的簡介變頻器是把工頻電源（50Hz或60Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備。我們現在使用的變頻器主要采用交-直-交方式，為了產生可變的電壓和頻率，該設備首先要把交流電源通過整流器轉換成直流電源（DC），再把直流電源（DC）變換為頻率、電壓均可控制的交流電源（AC）以供給電動機。變頻器的分類：按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。變頻器的控制方式主要有非智能控制方式和智能控制方式。在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協調控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。智能控制方式主要有神經網絡控制、模糊控制、專家系統、學習控制等。變頻器主要作用：可調的運行速度、控制電機的啟動電流、啟動時需要的功率更低、可控的加速功能、可調的轉矩極限、可逆運行控制等。3.2.2 變頻器選型變頻器的選擇是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點：（1） 根據負載特性選擇變頻器。如負載為恒轉矩負載可選擇西門子MMV/MDV變頻器，ABB公司ACS400系列變頻器等；如負載為風機、泵類負載可選擇西門子ECO、MM430變頻器，ABB公司ACS800系列變頻器、三菱FR-F740系列變頻器等。（2） 選擇變頻器時應以實際電機電流值作為變頻器選擇的依據，電機的額定功率只能作為參考。另外，應充分考慮變頻器的輸出的高次諧波，高次諧波會使電動機的功率因數和效率變差。因此，用變頻器給電動機供電與用工頻電網供電相比較，電動機的電流會增加10而溫升會增加20左右。所以在選擇電動機和變頻器時，應考慮到這種情況，適當留有余量，以防止溫升過高，影響電動機的使用壽命。（3） 變頻器若要長電纜運行時，此時應該采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不夠。所以變頻器應放大一、兩檔選擇或在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。（4） 當變頻器用于控制并聯的幾臺電機時，一定要考慮變頻器到電動機的電纜的長度總和在變頻器的容許范圍內。如果超過規定值，要放大一檔或兩檔來選擇變頻器。另外在此種情況下，變頻器的控制方式只能為V/F控制方式，并且變頻器無法實現電動機的過流、過載保護，此時需在每臺電動機側加熔斷器來實現保護。（5） 對于一些特殊的應用場合，如高環境溫度、高開關頻率、高海拔高度等，此時會引起變頻器的降容，變頻器需放大一檔選擇。（6） 使用變頻器控制高速電機時，由于高速電動機的電抗小，會產生較多的高次諧波。而這些高次諧波會使變頻器的輸出電流值增加。因此，選擇用于高速電動機的變頻器時，應比普通電動機的變頻器稍大一些。（7） 變頻器驅動繞線式異步電動機時，由于繞線電動機與普通的鼠籠電動機相比，繞線電動機繞組的阻抗小，因此，容易發生由于紋波電流而引起的過電流跳閘現象，所以應選擇比通常容量稍大的變頻器。（8） 選擇變頻器時，一定要注意其防護等級是否與現場的情況相匹配。否則現場的灰塵、水汽會影響變頻器的長久運行。居于以上考慮，本設計選用三棱FR-F740-37K-CHT1變頻器。3.2.3 三棱FR-F740-37K-CHT1變頻器的介紹三棱FR-F740-37K-CHT1型變頻器在初始設定參數下：額定容量53.3kVA，3相額定電壓380480V，額定頻率50Hz/60Hz，額定電流6577A，過載能力110%、60s，120%、3s，40（反時限特性），允許的交流電壓波動323528V（50Hz/60Hz），允許的頻率波動5%、強制風冷卻方式，開放型（IPOO）保護結構（JEM 1030）*8，大約23kg重。一般情況下，適用于37kW的異步電動機的變頻調速，并且帶有PID功能。詳細介紹請參考該變頻器的使用說明書。（1） 主回路端子介紹（2） 控制回路端子介紹改變Pr.178Pr.196（輸入輸出端子功能選擇）參數值，可以選擇端子的功能。 輸入信號端子 輸出信號端子（3）通訊端子本設計用到該變頻器的控制回路端子：接入點輸入的RT、RES、AU、SD；頻率設定：2、4、5、10（10E）；輸出信號：A1、B1、C1。3.3 軟啟動器的選擇軟啟動器用于恒速泵的啟動，降低電動機起動的起動電流，減少配電容量，避免增容投資；減少起動應力，延長電動機及相關設備的使用壽命。3.3.1 軟啟動器的簡介軟起動器是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為Soft Starter。它的主要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯閘管及其電子控制電路運用不同的方法，控制三相反并聯閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現不同的功能軟起動器特別適用于各種泵類負載或風機類負載，需要軟起動與軟停車的場合。同樣對于變負載工況、電動機長期處于輕載運行，只有短時或瞬間處于重載場合，應用軟起動器則具有輕載節能的效果。軟啟動的限流特性可有效限制浪涌電流，避免不必要的沖擊力矩以及對配電網絡的電流沖擊，有效地減少線路刀閘和接觸器的誤觸發動作；對頻繁啟停的電動機，可有效控制電動機的溫升，大大延長電動機的壽命。目前應用較為廣泛、工程中常見軟啟動器時晶閘管（SCR）軟啟動。3.3.2 軟啟動器的選型選用軟啟動器應注意以下幾點：（1） 軟起動器的選型首先要根據電動機的額定電流和額定電壓。（2） 充分了解負載情況，按照正常負載、重載和超重載三種情況選擇和計算合適容量的軟起動器。（3） 選擇軟起動器不但要考慮負載狀況和負載類別，還需要考慮負載的連續性，起停頻率。負載較大或者起停頻率增加，必須選擇較大額定值產品。（4） 充分考慮環境因素對設備容量的影響，比如濕度、溫度、海拔、灰塵等等客觀因素。（5） 根據工藝設備情況選擇合理的運行方案和參數調整，比如主回路接觸器，熱過載繼電器，快速熔斷器的配置等等。（6） 電網供電質量好壞以及周圍是否并列運行變頻器和無功功率補償裝置，這種情況都會造成軟起動器的不正常運行，甚至損壞，在設計選型布置時需要注意。基于以上的基本原則，本設計選用西普STR系列L型軟起動器。3.3.3 西普STR系列L型軟起動器的介紹STR系列L型數字式交流電動機軟起動器是采用電力電子技術、微處理器技術及現代控制理論設計生產的具有當今國際先進水平的新型起動設備。該產品能有效地限制異步電動機起動時的起動電流，可廣泛應用于風機、水泵、輸送類及壓縮機等負載，是傳統的星/三角轉換、自耦降壓、磁控降壓等降壓起動設備的理想換代產品。其作用：降低電動機的起動電流，減少配電容量，避免增容投資；減少起動應力，延長電動機及相關設備的使用壽命；多種起動模式及寬范圍的電流、電壓等設定，可適應多種負載情況。其特點有以下幾點：（1） 起動方式：根據負載特點選擇不同的起動模式及參數設置，可最大程度的使電動機實現最佳的起動效果。（2） 高技術性能：由于采用了高性能微處理器及強大的軟件支持功能使控制電路得以簡化，無需對電路參數進行調整。即可獲得一致、準確及快速的執行速度。（3） 高可靠信：STR系列型軟起動器所有電器元件均經過嚴格篩選，主控板經過72小時高溫循環試驗和振動試驗，從而保證了出廠產品的高可靠性。（4） 優化的結構：獨特緊湊的模塊化結構及上進線下出線的連接方式，控制板采用先進的SMT貼片技術，體積更小，方便用戶的集成、成套。（5） 保護功能：STR系列型軟起動器對電動機的起動過程有缺相、過載、過流及起動時間超限等保護功能。（6） 額定輸出電流（功率設置）：當軟起動器標稱功率比實際負載功率大時，可在一定范圍內修改軟起動器的實際輸出電流，使其和實際負載電流匹配，以保證軟起動器的輸出功率和實際負載功率相匹配。STR系列的L型交流電動機變頻器工作原理：STR系列電動機變頻器采用三對反并聯的晶閘管連接到交流電機的定子回路上，利用晶閘管的電子開關作用，通過微處理器控制其觸發角的變化來改變晶閘管的通斷程度，由此來改變電動機的輸入電壓的大小，以到達控制電機軟起動的目的，當起動完成后，變頻器輸出達到進線電壓，這時將通過旁路控制信號，自動控制旁路接觸器KM吸合，將電機并入電網運行，如下圖6所示：圖6 變頻器的工作原理STR系列型軟起動器注意事項14：主電路接線注意事項：（1）STR系列型軟起動器在起動完成后無在線運行功能，因此使用時必須配接旁路接觸器KM。（2）STR系列型軟起動器在起動完成并旁路接觸器投入運行后，僅具備輸入電壓缺相保護功能，所以在使用時，電機側必須加裝熱繼電器或電機保護器來實現對電機的保護。控制電路接線注意事項：（1）用戶在使用STR系列型軟起動器時，如需遠控操作或利用故障輸出端子作為報警信號可直接從外控端子上連接相應的接線，用戶只需采用本機鍵盤操作，而不需采用外部信號控制電機的運行，則相應的外部端子不用接線。（2）STR系列型軟起動器外部起動、停車控制有兩種接，控制方式有三線控制和兩線控制兩種。該系統的軟啟動器的接線（見附圖二）。系統采用三線控制，軟啟動器的控制回路輸入RUN端口與PLC的恒速泵啟動輸出端口相連，用于控制電動機的啟動；軟啟動器的控制回路輸入STOP端口與PLC的恒速泵停止輸出端口相連，用于控制電動機的停止；軟啟動器故障輸出K12、K14端口分別PLC的故障輸入端口，用于恒速泵的故障監視；接觸器KM1，當電機的啟動完成后，KM1的線圈得電，KM1主觸頭閉合，電機的啟動完成并工頻運行。3.4 其他主要器件的選擇3.4.1 壓力傳感器的選擇17根據本設計的原理和查閱電氣技師手冊，本設計選擇BS-604型壓力傳感器，其參數：測量形式及范圍：標準0-10Mpa，（0300Mpa內用戶可指定）；接口尺寸：M201.5外螺紋（用戶可指定）；精度等級：0.1%、0.5%、0.2%；長期穩定性：小于0.25%FS/年，小于0.5%FS/年；供電電源：1536 VDC（標定電壓24VDC）；輸出信號：420mA、05V；接線方式：三線制。3.4.2 離心泵、電動機的選擇離心泵選用森淼三峰（SMSF）-DL型立式多級離心泵，型號100DL72-20，數量為2臺；參數：流量72m/h，揚程80m，額定轉速為1450r/min，效率為72%。電動機選用無錫銳龍電機有限公司的Y系列的Y200L-4，數量為2臺；參數：額定功率為30kW，額定轉速為1470r/min，額定電流為57A，工作電壓3/AC/380，三角形接線；滿載時效率=