1、吉林化工學院畢業設計說明書吉林化工學院畢業設計凈水廠送水泵站控制系統設計及應用design and application ofwaterworks water supply pump station control system摘 要本課題設計主要設計了一種變頻調速恒壓供水系統，它主要包括了三個部分既下位機plc控制部分；上位機wincc監控部分；和plc仿真部分組成的。它的原理是以西門子s7-300系列作為下位機，由變頻器、plc及pid調節器組成控制系統來調節水泵的輸出流量。電動機泵組由三臺水泵并聯而成，由變頻器或工頻電網供電，根據供水系統出口水壓和流量來控制變頻器電動機泵組之間的切換及

2、速度，使系統運行在最合理的狀態，保證按需供水，上位機采用wincc為監控軟件,實時監控系統工作狀態。經調試和仿真運行表明，該系統能夠對供水過程進行自動控制，能夠有效地降低能耗，保證了供水系統維持在最佳運行狀況，提高生產管理水平。該監控系統安裝維護方便，運行穩定可靠,監控軟件功能齊全，人機界面友好，使用方便。關鍵詞：變頻調速；恒壓供水；plc；wincc- i -abstractthe project design is mainly designed a constant pressure water supply system.it mainly consists of three part

3、s both lower machine plc control section; pc wincc monitoring section; and the plc simulation part. it principle is based on siemens s7-300 series as the next crew.by the inverter, plc and pid regulator integral control system to adjust the pump output flow.motor pump group of three pumps parallel a

4、nd become, by inverter or industrial frequency power supply, according to the water supply system to control the pressure and flow export of frequency switching between motor pump group, so the system and speed in the most reasonable position, make sure on-demand water supply. in this paper, wincc a

5、s pc monitoring software. commissioning and operation shows that the system can be automatic control of water supply process can effectively reduce the energy consumption and ensure the water supply system to maintain in the best operation condition, improve production management level. monitoring s

6、ystems easy installation and maintenance, operation is stable, reliable; monitoring software function is well-found, friendly man-machine interface, easy to use.key words：variable frequency speed-regulating;constant-pressure watersupply;plc;wincc- 33 -目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 變頻調速恒壓

7、供水的發展11.3 變頻恒壓供水系統的國內外研究現狀11.4 本文主要研究內容2第2章 恒壓供水基本原理32.1 恒壓供水工藝簡介32.2 變頻調速供水原理32.3 變頻恒壓供水系統的節能原理52.4 變頻恒壓供水系統的組成及原理圖5第3章 變頻調速恒壓供水控制系統設計83.1 變頻恒壓供水系統控制原理83.2 恒壓供水系統方案設計與選擇83.3 系統工作原理93.3.1 系統控制組成93.3.2 系統工作原理103.3.3 pid調節恒壓控制原理113.4 硬件選擇113.4.1 plc及模塊123.4.2 變頻器123.4.3 水泵機組133.4.4 液位變送器133.4.5 壓力變送器1

8、33.5 電氣設備選型143.5.1 用電設備負荷計算143.5.2 用電設備尖峰電流的計算143.5.3 熔斷器選擇與校驗153.5.4 低壓斷路器選擇與校驗163.6.5 低壓隔離開關選擇16第4章 程序設計184.1 系統主電路設計184.2 系統控制電路分析及其設計194.3 plc i/o分配214.4 plc程序設計21第5章 監控程序設計255.1 wincc軟件簡介255.2 恒壓供水系統監控界面255.2.1 恒壓供水系統登錄畫面255.2.2 恒壓供水系統主畫面265.2.3 恒壓供水系統pid畫面275.2.4 恒壓供水系統報警畫面275.2.5 恒壓供水系統歷史曲線畫面

9、28結束語29參考文獻30致 謝31第1章 緒論1.1 課題研究背景及意義水是生命之源，是人類賴以生存和發展的不可替代的重要資源之一。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。我國家是一個在水資源和電能方面都很短缺的國家，在大力提倡節約能源的今天，人們也更加重視有關降低供水系統能耗的問題。據統計，風機和泵類負載約占我國總耗電量的80%，這主要是由于我國供水設備工作效率低，控制方式不合理，據統計，水泵的效率大多不足60%，存在著很大的能源浪費，

10、因此運用水泵供水節能技術，設計可靠性高，運行效率高的供水系統具有重大的經濟意義。變頻調速恒壓供水系統是集變頻技術，電氣傳動技術，現代控制技術于一體先進的供水控制系統。它可以根據用水管網瞬間用水量的不同所引起的壓力變化，自動地改變水泵的轉速，自動調節峰谷供水量，保證管網供水壓力恒定，以滿足用水的要求。變頻恒壓供水系統自80年代世界各國將其投入工業應用以來，它顯示出了強勁的競爭力，采用該系統供水可以取得非常顯著的節能效果，從而提高企業的經濟效益和社會效益。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。1.2 變頻調速恒壓供

11、水的發展變頻調速被認為是一種理想的交流調速供水方法。20世紀60年代中期，隨著普通晶閘管、小功率管的實用化，出現了靜止變頻裝置。這個時期的變頻裝置，多為分立元件，體積大，造價高，大多為特定的控制對象而研制。調速后的電動機靜、動態性能較差，因此應用場合較少。20世紀70年代以后，電力電子和微電子技術以驚人的速度向前發展，變頻調速供水技術也隨之取得了日新月異的進步，石油危機以后以節能為目的的變頻器供水開始出現并得到了廣泛應用。由于變頻器供水具有的高效率性能和良好的控制特性，使之在供水系統中較多采用。1.3 變頻恒壓供水系統的國內外研究現狀變頻恒壓供水是在變頻調速技術的基礎上發展起來的。早期，由于變

12、頻器功能較簡單，在恒壓供水系統中僅作為執行機構，為滿足用戶需求的變化，保證管網壓力恒定，需通過壓力變送器和pid控制器對壓力進行閉環控制。水壓由壓力傳感器的信號4-20ma送入變頻器內部的pid模塊，與用戶設定的壓力值進行比較，并通過變頻器內置pid運算將結果轉換為頻率調節信號，以調整水泵電機的電源頻率，從而實現控制水泵轉速。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，使系統的調試更為簡單、方便。1.4 本文主要研究內容 本課題通過前面對傳統供水現狀和變頻恒壓

13、供水系統的應用前景分析可知，變頻調速恒壓供水系統在我國已成為供水行業發展的主流趨勢。變頻恒壓供水系統主要由變頻器、可編程控制器、人機界面、各種傳感器等組成。本文研究的目標是對恒壓控制技術給予提升，使系統的穩定性和節能效果進一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數據傳輸。本設計的主要內容如下:1.分析變頻恒壓供水系統的組成及特點，探討變頻恒壓供水系統的控制策略，并歸納實用性的控制方案。2.研究pid控制器的設計原理及方法。3.設計變頻恒壓供水系統的硬件和軟件。4.對變頻調速技術及可編程序控制器(plc)進行簡單介紹。5.以組態軟件wincc設計工控機監控程序。第2章 恒壓供水基

14、本原理2.1 恒壓供水工藝簡介供水系統是國民生產生活中不可缺少的重要一環。傳統供水方式占地面積大，水質易污染，基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。變頻調速技術是一種新型成熟的交流電機無極調速技術，它以其獨特優良的控制性能被廣泛應用于速度控制領域，特別是供水行業中。由于安全生產和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格的要求，因而變頻調速技術得到了更加深入的應用。恒壓供水方式技術先進、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節約電能、自動化程度高，在泵站供水中可完成以下功能： 1.維持水壓恒定； 2.控制系統可手動/自動運行；3.多臺泵自動切換運行； 4.在線調整pi

15、d參數； 5.泵組及線路保護檢測報警，信號顯示等。 將管網的實際壓力經反饋后與給定壓力進行比較，當管網壓力不足時，變頻器增大輸出頻率，水泵轉速加快，供水量增加，迫使管網壓力上升。反之水泵轉速減慢，供水量減小，管網壓力下降，保持恒壓供水。2.2 變頻調速供水原理1.異步電動機的調速方法變頻供水系統是通過變頻器控制泵的異步電機的轉速，通過異步電動機驅動水泵供水來改變水泵的實時供水量，完成恒壓供水的目標。因此，供水系統變頻調速的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。異步電動機的同步轉速為: （2-1）其中n0是異步電動機的同步轉速，f1是異

16、步電動機的電源頻率，p為異步電動機的極對數。異步電動機的轉差率為： （2-2）其中n為異步電動機的轉子轉速。根據公式 (2-1)和公式 (2-2)，得三相異步電動機的轉速為: （2-3）式中f1是電源頻率，p是電動機極對數，s是轉差率。從上式可知，三相異步電動機的調速方法有：1.改變電源頻率2.改變電機極對數3.改變轉差率改變電機極對數調速的調控方式控制簡單，投資省，節能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調速，而且級差比較大，即變速時轉速變化大，轉矩變化大，因此只適用于特定轉速的生產機器。改變轉差率調速為了保證其較大的調速范圍一般采用串級調速的方式，其最大優點是它可以回收轉差功率，

17、節能效果好，且調速性能也好，但由于線路過于復雜，增加了中間環節的電能損耗，且成本高而影響它的推廣價值。根據公式可知，當轉差率變化不大時，異步電動機的轉速n基本上與電源頻率廠成正比。連續調節電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉速。但是，單一地調節電源頻率，將導致電機運行性能惡化。因為當電源電壓不變時，若頻率減小，主磁通將增加，這將導致磁路過分飽和，勵磁電流增大，功率因數降低，鐵心損耗增加；而當頻率增加時，磁通減小，電磁轉矩及最大轉矩下降，過載能力降低，電動機的容量也得不到充分利用。因此，為了使電動機能保持較好的調速性能，要求在調節頻率的同時，改變定子電壓，以維持主磁通不變，或者保持電動機的過載能

18、力不變。電源電壓隨頻率按什么樣的規律變化最為合適呢?一般認為，在任何類型負載下變頻調速時，若能保持電動機的過載能力不變，則電動機的運行性能較為理想。2.變頻裝置簡介變頻器由整流電路、中間電路、逆變電路、控制電路、操作面板等組成。交流電源首先經過整流電路，將工頻交流電源整流成直流，通過中間電路中的電感或者電容濾波作用，使整流后的直流紋波降低，同時中間電路可以降低逆變電路反饋到工頻電源的諧波電流。逆變電路是變頻器的功率輸出部分，一般由多刀t等大功率開關器件及其驅動、保護電路構成。逆變電路接受來自控制板的控制信號，將直流電進行逆變成交流電，而逆變得到的交流電的頻率、電壓是可變的?？刂齐娐肥亲冾l器的控

19、制中心，它可以根據外部接線端子、操作面板或者由上位機來的通訊指令控制變頻器中的逆變電路輸出一個頻率和電壓可變的交流電壓。一般在控制電路中還集成了其它功能，如pid調節器等。操作面板是變頻器人-機對話的界面，通過操作面板可以觀察變頻器的運行狀態，或者修改變頻器的運行參數。綜上所述，通過改變電源頻率的方法，可以從高速到低速保持高效率、寬范圍和高精度的調速性能。2.3 變頻恒壓供水系統的節能原理變頻恒壓供水系統的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調節異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水的。因此，供水系

20、統變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。在供水系統中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。閥門控制法是通過調節閥門開度來調節流量，水泵電機轉速保持不變。其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內保持不變，必然要造成超壓或欠壓現象的出現。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方

21、式屬于轉速控制。其工作原理是根據用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節能效果顯著。2.4 變頻恒壓供水系統的組成及原理圖plc控制變頻恒壓供水系統主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現場的水泵機組一起組成一個完整的閉環調節系統，該系統的控制流程圖如圖2.1所示：plc(含pid)液位變送器器變頻器壓力變送器用戶m水池水池水位信號報警信號水泵機組圖2.1 變頻恒壓供水系統控制流程圖從圖中可看出，系統可分為：執行機構、信號檢測機構、控制機構三大部分，具體為：執行機構：執

22、行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構成，變頻泵是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態，用以在用水量很大（變頻泵達到工頻運行狀態都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。信號檢測機構：在系統控制過程中，需要檢測的信號包括管網水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網水壓信號反映的是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入plc時，需進行a/d轉換。另外為加強系統的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測，檢測結果

23、可以送給plc，作為數字量輸入；水池水位信號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統要對系統實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號?？刂茩C構：供水控制系統一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(plc系統)、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統的核心。供水控制器直接對系統中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執行機構(即水泵機組)進

24、行控制；變頻器是對水泵進行轉速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。作為一個控制系統，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統能適用于不同的供水領域，所以為了保證系統安全、可靠、平穩的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統必須要對各種報警量進行監測，由plc判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。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

25、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上。恒壓供水系統通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實時地測量參考點的水壓，檢測管網出水壓力，并將其轉換為420ma的電信號，此檢測信號是實現恒壓供水的關鍵參數。由于電信號為模擬量，故必須通過plc的a/d轉換模塊才能讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行pid運算，再將運算后的數字信號通過d/a轉換模塊轉換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉速，進而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現變頻恒壓供水。第3章 變頻調速恒壓供水控制系統設計3.1 變頻恒壓供

26、水系統控制原理恒壓供水控制原理圖如3.1所示：pid變頻器管道壓力壓力變送器u* +-uf圖3.1 閉環恒壓供水原理圖用戶用水的多少是經常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低;用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質量。如圖3.1所示，變頻器是電機變頻調速的執行者，只要改變f就可實現n的變化，從而達到無級調速的目的。測量元件用壓力變送器，u*為恒定壓力供水設定值。供水壓力p作為輸出量，構成閉環控制系統。在運行中，當用水量增

27、大的時候，水管道內壓力值變低，反饋值uf變小，即u*大于uf時，變頻器通過內置pid進行調速，使電機的轉速加快，增加水流量，提高管道壓力，直到管道壓力p與設定壓力u*對應的期望壓力值相等。當用水量減少時，水管道內壓力值p變大，反饋值uf變大，即u*小于uf時，變頻器通過內置pid進行調速，使電機的轉速降低，減小水流量，降低管道壓力，直到管道壓力p與期望壓力設定值u*相等?？傊鶕答伩刂圃恚罱K達到的平衡狀態使實際供水壓力和設定期望壓力相等。3.2 恒壓供水系統方案設計與選擇從恒壓供水的原理分析可知，系統主要有變頻器、壓力傳感器、壓力變送器等。 前面已介紹了目前常用的恒壓供水控制系統。鑒于

28、專用變頻器系統的不足之處，本文采用通用變頻器加plc控制系統。水壓反饋值送入plc進行pid運算，運算結果經da轉換輸出送給變頻器的反饋信號輸入端，從而調整變頻器頻率，改變電動機的轉速，調整管網水壓，保障水壓恒定。上位機與plc進行通信，對壓力數值進行顯示并實現系統啟?？刂?、壓力設定值的修改。且由于plc產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種要求和規格不同的控制系統。由于plc和上位機具有良好的通信功能，此系統方便與其他系統進行通信和數據交換。當控制要求改變時，利用編程軟件很容易進行程序的修改和下載。因此，該系統能適用于不同控制要求的場合，與機組容量大小無關。且由于良好的人機界面，使得操作更

29、加簡單，系統運行狀態更直觀。因此本系統采用“變頻器+plc+上位監控計算機的模式。3.3 系統工作原理3.3.1 系統控制組成此系統由信號檢測、水泵拖動機組、電氣控制、上位機等組成，各部分的作用及工作原理如下。1.信號檢測主要包括蓄水池液位檢測、管網壓力檢測與反饋。液位檢測通過安裝在蓄水池的浮球液位傳感器實現。當液位正常時，水泵機組處于工作狀態。當水壓不足，液面過低時，系統實施保護，以防止電機空轉而損壞。管網壓力檢測通過安裝在用戶總管的壓力傳感器實現，實時地測量參考點的水壓，檢測管網出水壓力，并將其轉換為4-20ma的電信號。此檢測信號是實現恒壓供水的關鍵參數。2.水泵拖動機組系統由一個機組3

30、臺水泵電機組成。mi、m2、m3既可以變頻運行又可以工頻恒速運行，組成變頻循環運行方式。系統首先啟動一臺水泵作為變速泵，當水壓發生變化，變頻器輸出頻率達到50hz時，若供水量仍不能達到用水要求，則該泵退出變頻狀態，轉入工頻，啟動另外一臺泵變頻運行。以此循環。另一臺小泵電機采用恒速運行方式，使系統在用水量很低(如夜間)時，可以停止所有的主泵，用小泵補水，減小系統功耗及噪音。3.電氣控制系統電氣控制系統一般安裝在控制柜中，由plc、變頻器和電控設備組成。(1)plc：是整個控制系統的核心部分。它采集系統的壓力、液位、報警等信號，進行處理、運算和輸出。并接收人機接口和通訊接口的數據信息進行分析，通過

31、變頻調速器和接觸器等電氣元件實現控制。(2)變頻器：實現電機轉速控制的單元，接受plc運算處理后數據，實現輸出頻率的改變，從而完成調速泵的轉速控制。(3)電控設備：主要由空氣斷路器、接觸器、保護繼電器和轉換開關、按鈕等組成?？諝鈹嗦菲饔糜诮油娫?；接觸器用于實現變頻運行與工頻運行；轉換開關用于實現手自動的控制。4.上位監控計算機用于操作者與系統進行信息交流，實現控制和顯示系統運行狀態。通過監控計算機，操作者可以很方便地根據系統需求對壓力設定值進行修改，對控制方式進行改變，并可以方便地控制系統的啟停和控制方式的轉換。3.3.2 系統工作原理1.系統自動變頻循環運行系統變頻全自動運行時，當用戶用水

32、量發生變化，水壓變送器反饋的電信號將發生變化，此時將進行水泵的增減。電機切換過程如下：(1)若原為1號電機變頻運行，用戶用水量增加，則管網壓力下降，反饋到ad轉換模塊輸入端的模擬量減小，通過plc內部的pid運算，da轉換模塊輸出量增加，即變頻器頻率給定端的電信號值增加，使變頻器輸出頻率增加，電機轉速增加，從而增大供水量直到與用水量平衡，管網水壓隨之上升，最后必須達到設定值。若在第一臺電機的頻率達到50hz之前，管網水壓已經達到設定值，此系統依然只運行第一臺電機，只是運行于較高的頻率。若第一臺電機的頻率達到50hz時，管網水壓仍然低于設定值，則進行水泵切換，此時第一臺電機退出變頻狀態，轉入工頻

33、；第二臺電機變頻啟動，直到管網水壓上升到設定值。若第二臺電機頻率達到50hz，管網水壓仍未達到設定值，則第二臺電機也轉為工頻，而變頻啟動第三臺電機。若此時用水量又減小，則管網壓力將上升，如果第三臺變頻泵電機頻率下降至下限值，管網壓力仍不能達到設定值，則系統將根據“先開先停的原則減泵。即系統將首先使第一臺泵停止運行。系統進入水壓的閉環控制，使壓力重新達到設定值。若僅停掉一臺水泵，壓力仍不能達到設定值，將關掉第二臺水泵，再次進入水壓的閉環控制。(2)以上分析的是一個循環的用水增加又減小，電機的切換過程。第二個過程將仍然根據“先開先?！钡脑瓌t，即用水增加時將按三號泵變頻一一三號泵工頻、二號泵變頻一一

34、三號、二號泵工頻，一號泵變頻的順序進行切換。2.系統自動工頻運行控制如果變頻器不能正常工作，系統采用自動工頻運行方式，此時電動機采用軟啟動器啟動，系統不能實現恒壓，水壓保持在一個規定的區間內。設泵l先工作在工頻狀態，壓力變送器采樣后送給plc，如果壓力在控制區間內，系統狀態不變，若水壓不在設定區間內，則改變狀態，超過區間上限則切除一個泵，超過下限則工頻啟動一個泵，系統繼續壓力信號采樣，重新建立監控區間。如此循環掃描，直至達到控制目的。該運行方式下，水泵只有工頻運行和停止兩種工作狀態。如果系統發生故障，則轉入故障處理程序。3.3.3 pid調節恒壓控制原理在供水系統的設計中，選用了含pid調節的

35、plc來實現閉環控制保證供水系統中的壓力恒定。在連續控制系統中，常采用proportional(比例)、integral(積分)、derivative(微分)控制方式，稱之為pid控制。pid控制是連續控制系統中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優點。pid控制器是一種線性控制器，它是對給定值r(t)和實際輸出值y(t)之間的偏差e(t)： （3-1）經比例(p)、積分(i)和微分(d)運算后通過線性組合構成控制量u(t)，對被控對象進行控制，故稱pid控制器。系統由模擬pid控制器和被控對象組成，其控制系統原理框圖如圖3.2所示，圖中

36、u(t)為pid調節器輸出的調節量。 積分變頻器管道壓力壓力變送器給定 -微分比例水泵圖3.2 pid控制原理框圖3.4 硬件選擇前面已經闡述了恒壓供水系統框圖，根據系統框圖可得知本系統所需硬件如下：1 plc，含特殊功能模塊ad，da2 水池液位傳感器、管網壓力表3 控制所需低壓電器及電氣控制柜4 變頻器5 水泵機組6 監視、控制上位機3.4.1 plc及模塊plc是系統控制核心器件。它采集系統所有輸入信號，包含啟?？刂菩盘柤跋到y自動反饋的控制信號，如報警，壓力等，并實現對所有動作器件如中間繼電器、電磁閻線圈，變頻器的控制，同時完成和上位機的數據通訊。表3-1 plc的選型序號名稱訂貨號數量

37、1480mm導軌(模塊安裝用)6es7 390-1ae80-0aa012電源模塊(5a)6es7 307-1ea01-0aa013cpu315-2dp,256內存6es7 315-2ah14-0ab014simatic micro內存卡128kbyte(mmc)6es7 953-8lg10-0aa015開入模塊(16點，24vdc)6es7 321-1bh02-0ab016開出模塊(16點，24vdc)6es7 322-1bh01-0ab017模擬量輸入模塊(8路,13位精度)6es7 331-1kf02-0ab018模擬量輸出模塊(8路)6es7 332-5hf00-0ab019cp5611

38、通訊卡(上位機isa插槽)6gk1 562-1aa0110研華工控機ipc5601合理選擇適當的plc是使整個系統性能可靠，控制方便的關鍵。選擇plc時，首先要選擇的是plc的型號。不同生產廠商的plc具有不同的技術參數，指令系統也不同。3.4.2 變頻器變頻器是本系統控制執行機構的硬件，通過頻率的改變實現對電機轉速的調節，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據水泵電機的功率和電流進行選擇。本系統中要實現監控，所以變頻器還應具有通訊功能。由于設計中plc選擇的西門子s7-300型號，為了方便plc和變頻器之間的通信，選擇西門子的micromaster440變頻器。它是三相交流電動機調速的系列產品

39、，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和很強的功能。它采用模塊化結構，內置的rs-485/232c接口和pi閉環控制器。快速電流限制實現了無跳閘運行，磁通電流控制改善了動態響應特性。micromaster440變頻器的輸出功率為0.75-90kw，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為75kw的水泵電機的輸入信號。另外選擇西門子的變頻器可以通過rs-485通信協議和接口直接與西門子plc相連，更便于設備之間的通信。3.4.3 水泵機組水泵機組的選型基本原則，一是要確保平穩運行；二是要經常處于高效區運行，以求取得較好的節能效果。要使泵組常處于高效

40、區運行，則所選用的泵型必須與系統用水量的變化幅度相匹配。本設計的要求為：電動機額定功率75kw，供水壓力控制在0.30.01mpa。根據本設計要求并結合實際中小區生活用水情況，最終確定確定采用3臺上海熊貓機械有限公司生產的sfl系列水泵機組（電機功率75kw）。sfl型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質，葉輪、導葉采用鑄造件，經過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機，機械密封，前端配有泄壓保護裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進低出的結構設計，水力模型先進，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質類似于水的無顆粒

41、、無雜質不揮發、弱腐蝕介質，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調冷卻系統、消防給水等。因此本設計中選擇電機功率為75kw的上海熊貓機械有限公司生產的sfl系列水泵3臺。3.4.4 液位變送器考慮到水泵電機空載時會影響電機壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設計要求貯水池水位：2m-5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉換成標準電信號（4-20ma電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入plc。綜合以上因素：本設計選擇淄博丹佛斯公司生產的型號為ds26分體式液位變送器，其量程為：0m-200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點和

42、滿量程外部可調；供電電源：24vdc；輸出信號：兩線制4-20madc精度等級：0.25級。3.4.5 壓力變送器壓力變送器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉變為1-5v或4-20ma的模擬量信號，作為模擬輸入模塊(a/d模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的損耗，我們采用4-20ma輸出壓力變送器。運行過程中，當壓力傳感器和壓力變送器出現故障時，系統有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設備，本文中的供水系統使用電極點壓力表的壓力上限輸出，作為plc的一個數字量輸入

43、，當壓力超出上限時，關閉所有水泵并進行報警輸出。根據以上的分析，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉變為1-5v或4-20ma的模擬量信號，因此本設計中選用普通壓力表y-100和xmt-1270數顯儀實現壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0-1mpa，精度1.0；數顯儀輸出一路4-20ma電流信號，送給與cpu226連接模擬量模塊em235，作為pid調節的反饋電信號，可設定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。3.5 電氣設備選型3.5.1 用電設備負荷計算 計算負荷是通過負荷的統計求出的、用來按發熱條件選擇供電系統中各元件的負荷值。根據計算負荷選擇電氣設備和導線電纜

44、，如果以計算負荷連續運行，其發熱溫度不超過允許值。計算負荷實際上與從負荷曲線上查得的半小時最大負荷p30是基本相當，有功計算負荷、無功計算負荷、視在計算符合和計算電流相應地表示為p30、q30、s30和i30。我國目前普遍采用的確定用電設備計算負荷的方法，有需要系數法和二項式法。本系統采用系數法計算，其有功計算負荷基本公式為p30=kd pe，視在計算負荷為s30=p30 / cos,計算負荷為i30=s30 / ( 0.38),其中kd 稱為需要系數，tan為正切值，cos為平均功率因數，pe為設備容量。系數kd =0.8，cos=0.8，tan=0.75。1. 水泵（1臺運行）有功計算負荷

45、：p30=kd pe= 0.87.5=6kw 視在計算負荷：s30=p30 / cos=6/0.8=7.5kva計算電流：i30=s30 / ( 0.38)=7.5/( 0.38)=11.4a2. 變頻泵運行有功計算負荷：p30=kd pe= 0.87.5=6kw 視在計算負荷：s30=p30 / cos=6/0.8=7.5kva 計算電流：i30=s30 / ( 0.38)=7.5/( 0.38)=11.4a3. 動力系統 有功計算負荷：p30=kd pe= 0.8（7.53+7.5）=24kw 視在計算負荷：s30=p30 / cos=24/0.8=30kva 計算電流：i30=s30 /

46、 ( 0.38)=30/( 0.38)=45.6a3.5.2 用電設備尖峰電流的計算尖峰電流是指持續時間1-2s的短時最大電流。尖峰電流主要用來選擇熔斷器和低壓斷路器、整定繼電保護裝置及減壓電動機自啟動條件等。多臺用電設備尖峰電流的計算 （3-2）或 （3-3）其中為起動電流，為用電設備的起動電流倍數。單臺用電設備尖峰電流的計算 （3-4）動力柜的尖峰電流 ipk=45.6+（50.5-7.5）=88.6a變頻泵的尖峰電流 ipk=1.5 11.4=17.1a水泵的尖峰電流 ipk=1.5 11.4=17.1a3.5.3 熔斷器選擇與校驗熔斷器在供配電系統中的配置，應符合選擇性保護的原則，也就

47、是熔斷器要配置得能使故障范圍縮小到最低限度。供電系統中配置的熔斷器數量要盡量少。低壓配電系統中熔斷器起安全保護作用，當電流超過規定值一定時間后以它本身產生的熱量使用熔體融化而分斷電流。本系統采用rm10型低壓密閉管式熔斷器，rm10型熔斷器由纖維管、變截面鋅溶片和觸頭底座等部分組成，這種熔斷器的滅弧能力很強，屬限流熔斷器。1動力柜熔斷器選擇熔體及熔斷器的額定電流：熔體額定電流in.fe應不小于線路計算電流i30，即in.fe i30 =45.6 a，又熔體額定電流in.fe還應躲過線路的尖峰電流ipk,即in.fe ipk=88.6 a,選型rm10-100型低壓熔斷器，其熔體電流in.fe為

48、100 a, 最大電流為150a，熔管額定電壓交流500v，直流440v，最大分斷電流10ka，滿足設計需求。2變頻柜熔斷器選擇熔體及熔斷器的額定電流：in.fe i30 =11.4a，in.fe kipk=17.1a,選型rm10-60型低壓熔斷器，其熔體電流為15a, 最大電流為60a滿足設計需求。3水泵熔斷器選擇熔體及熔斷器的額定電流：in.fe i30 =11.4a，in.fe kipk= 17.1 a,選型rm10-60型低壓熔斷器，其熔體電流為15, 最大電流為60a滿足設計需求。 4室內照明和控制柜熔斷器選擇rm10-15，其熔體電流為10a。最大電流為15a，滿足設計要求。 3

49、.5.4 低壓斷路器選擇與校驗低壓斷路器，又稱低壓自動開關，它既能帶負荷通斷電路，又能在短路、過負荷和低電壓下自動跳閘，當線路上出現短路故障時，其過電流脫扣器動作，使開關跳閘，如果出現過負荷時，其串聯在一次線路的加熱電阻絲加熱，是雙金屬片彎曲，也使開關跳閘。當線路電壓嚴重下降或失壓時，其失壓脫扣器動作，同樣使開關跳閘。低壓斷路器有配電斷路器、電動機保護用斷路器、照明用斷路器和漏電斷路器等。1動力柜斷路器選擇低壓斷路器及其過電流脫扣器規格：選擇dz47-63型低壓斷路器的過電流脫扣器額定電流in.or=63i30=45.6a,故初步選dz47-63型低壓斷路器，其in.or= 63a。設瞬時脫扣

50、電流整定為3倍，即iop=633=189a。而krelipk=1. 588.6=132.9a（其中krel為可靠系數，dz系列斷路器可取1.5），滿足iopkrelipk的要求，即滿足脫扣電流躲過尖峰電流的要求。2變頻柜斷路器選擇小型斷路器，其額定電流（ln）為in=40a i30=22.8a，額定絕緣電壓（ui）為600v，額定沖擊耐受電壓(uimp)為 4kv，額定短路分斷能力（icn）均能滿足要求。3水泵斷路器選擇小型斷路器，其額定電流（ln）為in=16a i30=8.4a，額定絕緣電壓（ui）為600v，額定沖擊耐受電壓(uimp)為 4kv，額定短路分斷能力（icn）均能滿足要求。

51、4室內照明和控制柜斷路器選擇額定電流（ln）in=16a額定絕緣電壓（ui）為600v，額定沖擊耐受電壓(uimp)為 4kv，額定短路分斷能力（icn）均能滿足要求。3.6.5 低壓隔離開關選擇低壓隔離開關主要功能是保證電氣設備及裝置在檢修工作時的安全，不能用于切斷、投入負荷電流或開斷短路電流，僅可允許用于不產生強大電弧的某些切換操作。本系統只有動力柜和粗格柵機、輸送機、水泵控制柜需要安裝低壓隔離開關，需滿足un usn，即電氣設備的額定電壓un不低于裝置地點電網額定電壓usn的條件選擇，滿足in應不小于該回路在各種合理運行方式下的最大持續工作電流imax，即in imax，滿足動穩定及熱穩

52、定校驗即可。電氣設備控制選型統計表如表3-2所示：表3-2 電氣設備控制選型序號設備名稱型號額定電流熔體電流/脫扣電流備注1動力柜熔斷器rm10-100100a150a2水泵熔斷器rm10-6015a25a3變頻柜熔斷器rm10-6015a25a4動力柜斷路器dz47-6363a50a5水泵熔斷器dz47-6325a20a6變頻柜熔斷器dz47-6325a20a第4章 控制程序設計4.1 系統主電路設計基于plc的變頻恒壓供水系統主電路圖如圖4.1所示：三臺電機分別為m1、m2、m3，它們分別帶動水泵1#、2#、3#。接觸器km1、km3、km5分別控制m1、m2、m3的工頻運行；接觸器km2

53、、km4、km6分別控制m1、m2、m3的變頻運行；fr1、fr2、fr3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；qs1、qs2、qs3、qs4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關；fu為主電路的熔斷器。本系統采用三泵循環變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵在工頻下做恒速運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內三臺水泵都可輪流做變頻泵。圖4.1 變頻恒壓供水系統主電路圖三相電源經低壓熔斷器、隔離開關接至變頻

54、器的r、s、t端，變頻器的輸出端u、v、w通過接觸器的觸點接至電機。當電機工頻運行時，連接至變頻器的隔離開關及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現短路保護，每臺電動機的過載保護由相應的熱繼電器fr實現。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經過接觸器的觸點，當電動機接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開。同樣從工頻轉為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以km1和km2、km3和km4、km5和km6絕對不能同時動作，相互之間必須設計可靠的互鎖。為監

55、控電機負載運行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將4-20ma電流信號送至上位機來顯示。同時可以通過通過轉換開關接電壓表顯示線電壓。并通過轉換開關利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運行時，必須觀察電動機的轉向，使之符合要求。如果轉向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉向。系統啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主電路(如直接使熔斷器或隔離開關斷開)，而必須通過變頻器實現軟啟動和軟停。為提高變頻器的功率因數，必須接電抗器。當采用手動控制時，必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流，本系統采用軟啟動器。4.2 系統控制電路分析及其設計系統實現恒壓供水的主體控制設備是plc，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關系到整個系統的運行性能。本系統采用西門子公司s7-300系列plc，它體積小，執行速度快，抗干擾能力強，性能優越。plc主要是用于實現變頻恒壓供水系統的自動控制，要完成以下功能：自