1、 學科分類號：_湖南人文科技學院湖南人文科技學院本科生畢業設計題 目：基于 plc 的變頻調速恒壓供水系統 學生姓名：學號系 部： 通信與控制工程系 專業年級： 自動化2007級 指導教師： 職 稱： 講 師 湖南人文科技學院教務處制湖南人文科技學院本科畢業設計誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業設計，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議，除文中已經注明引用的內容外，本設計不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 作者簽名：（手寫） 二

2、年 月 日（手寫）i基于基于 plcplc 的變頻調速恒壓供水系統的變頻調速恒壓供水系統摘 要：隨社會經濟的迅速發展，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，利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，設計高性能、高節能、能適應不同領域的恒壓供水系統成為必然趨勢。本設計是針對居民生活用水/消防用水而設計的。由變頻器、plc、pid 調節器組成控制系統，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的速度和切換，使系統運行在最合理狀態，保證按需供水。論文分析了采取變頻調速方式實現恒壓供水相對于傳

3、統的閥門控制恒壓供水方式的節能機理，由plc 進行邏輯控制，由變頻器進行壓力調節。再經過 pid 運算，通過 plc 控制變頻與工頻切換，實現閉環自動調節恒壓變量供水。運行結果表明，該系統具有壓力穩定，結構簡單，工作可靠等特點，實現恒壓供水且有效節能。關鍵詞：變頻調速；變頻調速； plcplc；恒壓供水；恒壓供水；pidpid 調節調節iithe water supply system of frequency control ofconstant voltage based on plcabstract: with the rapid development of social econom

4、y, it demands the better of water supply s quality and reliability of water supply system. meanwhile energy resources are seriously lack. so it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with help of advanced technique of automation, contro

5、l and communication. at the same time this system can adapt different water supply fields.it is very important of the water supply system in constant pressure for the water supply in industrial and citizen existence. it is consist of the variable frequency and speed regulation, plc, pid control syst

6、em for the control system. it controls the outcome of the pumps. the generator pumps are consist of parallel three pumps, and the power come from variable frequency and speed regulation or power grid. according to the water supply of constant pressures outcome water press and flux, the control syste

7、m control the variable frequency and speed regulation, parallel pumps speed and cut over, cause the system move in the best rational situation, assure according to wants supply water. the paper analyses the mechanism of energy saving that the way of water supply by suing the method of variable veloc

8、ity variable frequency is superior to the traditional way of constant pressure water supply controlled by valve, we use plc to carry on logic control and use inverter to modulate pressure. through pid control principle. we realize closed-loop control in vvvf providing-water system. the result indica

9、tes that system has the stable pressure , simple structure, and reliable work, the system of closed circuit can realize the constant pressure water supply and save energy efficiently. keywords : variable frequency and speed regulation; plc; water supply of constant pressure；pid control system 目目 錄錄第

10、 1 章 緒 論.11.1 變頻恒壓供水產生的背景和意義.11.2 變頻恒壓供水系統的國內外研究現狀.21.2.1 變頻調速技術的國內外發展與現狀.21.2.2 變頻恒壓供水系統的國內外研究與現狀.21.3 本課題的主要工作.31.3.1 課題來源.31.3.2 研究的主要內容.31.3.3 工藝要求.4第 2 章 系統的理論分析及控制方案確定.52.1 變頻恒壓供水系統的理論分析.52.1.1 電動機的調速原理.52.1.2 變頻恒壓供水系統的節能原理.52.2 供水系統的設計方案確定.62.3 變頻恒壓控制的理論模型.82.4 變頻恒壓供水系統的特點.82.5 變頻恒壓供水系統的基本構成.

11、92.6 變頻恒壓供水系統工作原理及加減水泵的條件分析.10第 3 章 供水系統的硬件設計.133.1 系統水泵機組的選型.133.2 可編程控制器的選型.143.2.1 可編程控制器的特點.143.2.2 控制系統的 i/o 及地址分配 .163.2.3 plc 及其擴展模塊的選型 .163.3 變頻器的選型.173.4 壓力變送器的選型.203.5 液位變送器選型.21第 4 章 系統總體設計.224.1 電氣控制系統原理圖.224.1.1 主電路圖.224.1.2 控制電路圖.224.2 系統運行分析與設計.234.2.1 系統運行方式.234.2.2 供水系統軟啟動工作原理.254.2

12、.3 系統流程圖設計.264.2.4 程序的結構及功能實現.264.3 系統運行及安全分析.284.3.1 設備控制 3 臺水泵電機.284.3.2 安全問題.28第 5 章 總 結.29致 謝.30參考文獻.31附錄.32附錄 a 系統流程圖 .32附錄 b 梯形圖.35 1第 1 章 緒 論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。變頻恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可能性

13、，方便地實現供水系統的集中管理與監控；同時系統具有良好的節能性，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。 1.1 變頻恒壓供水產生的背景和意義我國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，工業自動化程度低。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，此時會造成能量的浪費，同時還有可能造成水管爆裂和用水設備的損壞。傳統調節供水壓力的方式，多采用頻繁啟/停電機控制和水塔二次供水調節的方

14、式，前者產生大量能耗的，而且對電網中其他負荷造成影響，設備不斷啟停會影響設備壽命；后者則需要大量的占地與投資。且由于是二次供水，不能保證供水的安全與可靠性。而變頻調速式的運行十分穩定可靠，沒有頻繁的啟動現象，啟動方式為軟啟動，設備運行十分平穩，避免了電氣、機械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險。由此可見，變頻調速恒壓供水系統具有供水安全、節約能源、節省鋼材、節省占地、節省投資、調節能力大、運行穩定可靠的優勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益與社會效益。21.2 變頻恒壓供水系統的國內外研究現狀1.2.1 變頻調速技術的國內外發展與現狀變頻器的快速發展得益于電力電子技術、計算機技術和自

15、動控制技術及電機控制理論的發展。1964 年，最先提出把通信技術中的脈寬調制 pwm 技術應用到交流傳動中的是德國人。20 世紀 80 年代初，日本學者提出了基于磁通軌跡的磁通控制方法。從 20 世紀 80 年代后半期開始，美、日、德、英等發達國家的基于 vvvf 技術的通用變頻器已商品化并廣泛應用。在我國，60%的發電量是通過電動機消耗掉的，因此如何利用電機調速技術進行電機運行方式的改造以節約電能，一直受到國家和業界人土的重視。現在，我國約有 200 家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調速技術的工作，但自行開發生產的變頻調速產品和國際市場上的同類產品相比，還有比較大的技術差距。隨著改革開放和

16、經濟的調速發展，我國采取要么直接從發達國家進口現成的變頻調速設備，要么內外結合，即在自行設計制造的成套裝置中采用外國進口或合資企業的先進變頻調速設備，然后自己開發應用軟件的辦法，很好地為國內重大工程項目提供了電氣傳動控制系統的解決辦法，適應了社會的需要。總之，雖然國內變頻調速技術取得了較好的成績，但是總體上來說國內自行開發、生產相關設備的能力還比較弱，對國外公司的依賴還很嚴重。1.2.2 變頻恒壓供水系統的國內外研究與現狀變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。在早期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起動控制以及制動控制、壓頻比控制以及各種保

17、護功能。應用在變頻恒壓供水系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環控制。隨著變頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現和認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本 samco 公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式” 、 “變頻泵循環方式”兩種模3式它將 pid 調節器和 plc 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現 plc 和 pid 等電控系統的功能，只要搭載配套的

18、恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多 7 臺電機（泵）的供水系統。這類設備雖微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動態性能和穩定性不高，與別的監控系統（如 ba 系統）和組態軟件難以實現數據通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制1。目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速，水管管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制，有的采用可編程控制器（plc）及相應的軟件予以實現；有的采用單片機及相應軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來

19、說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出了恒壓供水專用變頻器（5.5kw-22kw） ，無需外接 plc 和 pid 調節器，可完成最多 4 臺水泵的循環切換、定時起、停和定時循環。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系統的電磁兼容性（emc）的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制研究得不夠。因此，有待于進一步研究

20、改善變頻恒壓供水系統的性能，使其被更好的應用于生活，生產實踐2。1.3 本課題的主要工作1.3.1 課題來源本課題來源于生產、生活供水的實際應用1.3.2 研究的主要內容本系統是三泵生活/消防雙恒壓供水系統，變頻恒壓供水系統主要由變頻器、可編程控制器、壓力傳感器組成。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，4同時具有開放的數據傳輸。該系統可以生活供水和消防供水的雙用供水系統。1.3.3 工藝要求對三泵生活/消防雙恒壓供水系統的基本要求是：（1）生活供水時，系統應低恒壓值運行，消防供水時系統應高恒壓值運行；（2）三臺泵根據恒壓的

21、需要，采用“先開先停”的原則介入和退出；（3）在用水量小的情況下，如果一臺泵連續運行的時間超過 3 小時，則要切換到下一臺泵，即系統具有“倒泵功能” ，避免某一臺泵工作時間過行；（4）三臺泵在啟動時要有軟啟動功能。5第 2 章 系統的理論分析及控制方案確定2.1 變頻恒壓供水系統的理論分析2.1.1 電動機的調速原理水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉速公式為： （2.1） )1 (p60sfn式中： 表示電源頻率，p 表示電動機極對數，s 表示轉差率。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

22、，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，即變速時轉速變化較大，轉矩也變化大，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，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3，且成本高而影響它的推廣價值。下面重點分析改變電源頻率的調速的方法及特點。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 f 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。隨著電力電子技術的發展，已出現了

23、各種性能良好、工作可靠的變頻調速電源裝置，它們促進了變頻調速的廣泛應用。62.1.2 變頻恒壓供水系統的節能原理供水系統的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，如圖 2.1 所示。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 qu 間的關系 h=f(qu)。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 之間的關系曲線如圖 2.1 所示。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。

24、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 2.1 中 a 點。在這一點，用戶的用水量 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4。quqca q/(m3s-1)h圖 2.1 恒壓供水系統的基本特征揚程特性 管阻特性 qaha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

25、機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現恒壓水的。因此，供水系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。72.2 供水系統的設計方案確定從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。系統主要的設計任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還能對運行數據進行傳輸。根據系統的設計任務要求結合系統的使用場所，有以下方案供選擇5：1.有供水基板的變頻器+水泵機組+壓力傳感器這種控制系統

26、結構簡單，它將 pid 調節器和 plc 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現 plc 和 pid 等電控系統的功能。它雖然微化了電路結構，降低了設備成本，但壓力設定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現不同時段的不同恒壓要求，在調試時，pid 調節參數尋優困難，調節范圍小，系統的穩態、動態性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。2.通用變頻器+單片機（包括變頻控制、調節器控制）+人機界面+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數調速方便，具有較高的性價比。但開發周期長，程序一

27、旦固化，修改較為麻煩，因此現在調試的靈活性差，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。3.通用變頻器+plc（包括變頻控制、調節器控制）+人機界面+壓力傳感器這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統進行數據交換。通用性強，由于 plc 產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規模和要求不同的控制系統。在硬件設計上，只需確定 plc 的硬件配置和i/o 的外部接線，當控制要求發生改變時，可以方便地通過 pc 機來改變存貯器中的控制程序，所以現在調試方

28、便。同時由于 plc 的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統的可靠性大大提高。因此該系統能適用于各類不同要求的恒壓供水場8合，并且與供水機組的容量大小無關。通過對以上這幾種方案的比較分析，可以看出“變頻器+plc（包括變頻控制、調節控制）+人機界面+壓力傳感器”的控制方式更適合于本系統。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數據傳輸的優點，又能達到系統穩定性及控制精度的要求。此系統主要分析變頻器，plc 及壓力傳感器的工作情況。2.3 變頻恒壓控制的理論模型變頻恒壓控制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著設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數，也可以是

29、一個時間分段函數，在第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上。從圖 2.2 中可看出，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

30、，水泵機組的轉速減小，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。 pid 變頻器 水泵 管網壓 力 傳 感 器給定參數頻率轉速反饋參數圖 2.2 變頻恒壓理論模型92.4 變頻恒壓供水系統的特點變頻恒壓供水系統主要有以下幾個特點：1. 節能，可實現節電 20%40%；2. 占地面積小，投入少，效率高；3. 配置靈活，功能齊全，自動化程度高；4. 運行合理，由于是軟起和軟停，不僅可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，水泵的使用壽命大大提高，減小了紀維修量和維修費用；5. 由于變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染；6. 通過通信控制

31、，可以實現無人值守，節約了人力物力；2.5 變頻恒壓供水系統的基本構成恒壓供水泵站一般需設多臺水泵及電機，這比設單臺水泵及電機節能而可靠。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時開一臺大電機肯定是浪費的。電機選小了用水量大時供水會不足。而且水泵與電機都有維修的時候，備用泵是必要的。恒壓供水的主要目標是保持管網水壓的恒定，水泵電機的轉速要跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵電機供電。這也有兩種配置方案，一是為每臺水泵電機配一臺變頻器，這當然方便，電機與變頻器間不需切換，但購變頻器的費用較高。另一種方案是數臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換，供水運行時，一臺水泵變頻

32、運行。其余水泵工頻運行，以滿足不同用水量的需求。圖 2.3 為恒壓供水系統構成示意圖。圖中壓力傳感器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵 2 的出水口。當用水量大時，水壓降低；用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉變為電流或電壓的變化送給調節器。調節器是一種電子裝置，在系統中完成以下幾種功能：（1）設定水管壓力的給定值。恒壓供水水壓的高低需要設定。供水距離越遠，用水地點越高，系統所需供水壓力越大。給定值即是系統正常10工作時的恒壓值。另外有些供水系統可能有多種用水目的，如將生活用水與消防用水共用一個泵站，水壓的設定值可能不止一個，一般消防用水的水壓要高一些。（2）接收傳感器送來的管網水壓的

33、實測值。管網實測水壓回送到泵站控制裝置成為反饋，調節器是反饋的接收點。（3）根據給定值與實測值的綜合，依一定的調節規律發出系統調節信號。調節器接收了水壓的實測反饋信號后，將它與給定值比較，得到給定值與實測值之差。如給定值大于實際值，說明系統水壓低于理想水壓，要加大水泵電機的轉 m壓力傳感器pid變頻器工頻/變頻切換電路市網自來水開關開關開關圖 2.3 恒壓供水水站示意圖速，如水壓高于理想水壓，要降低水泵電機的轉速。這些都是由調節器的輸出信號控制。為了實現調節的快速性與系統的穩定性，調節器工作中還有個調節規律問題，傳統調節器的調節規律多是比例-積分-微分調節，俗稱 pid 調節器。調節器的內部構

34、成有數字式調節及模擬量調節兩類，以微計算機為核心的調節器多為數字式調節。調節器的輸出信號一般是模擬信號，420ma 變化的電流信號或 010v 間變化的電壓信號。信號的量值與前邊提到的差值成比例，用于驅動執行設備工作。在變頻恒壓供水系統中，執行設備就是變頻器。112.6 變頻恒壓供水系統工作原理及加減水泵的條件分析合上空氣開頭，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 中程序首先接通 km2，并起動變頻器。根據壓力設定值（根據管網壓力要求設定）與壓力實際值（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

35、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。同時變頻器在運行頻率到達上限，會將頻率到達信號送給 plc，plc 則根據管網壓力的上、下限信號和變頻器的運行頻率是否到達上限的信號，由程序判斷是否要起動第 2 臺泵（或第 3 臺泵） 。當變頻器運行頻率達到上限值，并保持一段時間，則 plc 會將當前變頻運行切換為工頻運行，并迅速起動下 1 臺泵變頻運行。此時 pid 會繼續通過由遠傳壓力表送來的檢測信號進行分析、計算、判斷，進一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設定值的上、下限偏差范圍之內。系統增泵工作過程：假定增泵順序為 1、2、3 泵。開始時，

36、1 泵電機在plc 控制下先投入調速運行，其運行速度由變頻器調節。當供水壓力小于壓力預置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉速上升，反之下降。當變頻器的輸出頻率達到上限，并穩定運行后，如果供水壓力仍沒達到預置值，則需進入增泵過程。在 plc 的邏輯控制下將 1 泵電機與變頻器連接的電磁開關斷開，1 泵電機切換到工頻運行，同時變頻器與 2 泵電機連接，控制 2 泵投入調速運行。如果還沒到達設定值，則繼續按照以上步驟將 2 泵切換到工頻運行，控制 3 泵投入變頻運行。減泵工作過程：假定減泵順序依次為 3、2、1 泵。當供水壓力大于預置值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率到達下限，并

37、穩定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于預置值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻調速運行，并繼減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當最后一臺正在運行的主泵處于低速運行時，如果供水壓力仍大于設定值，則停機并啟動輔泵投入調速運行，從而達到節能效果6。在上面的工作流程中，我們提到當一臺調速水泵已運行在上限頻率，此時管網的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達12到恒壓的目的。當調速水泵和恒速水泵都在運行且調速水泵已運行在下限頻率，此時管網的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少恒速水泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，才能使系統提供穩定可

38、靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換。盡管通用變頻器的頻率都可以在 0-400hz 范圍內進行調節，但當它用在供水系統中，其頻率調節的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當正在變頻狀態下運行的水泵電機要切換到工頻狀態下運行時，只能在 50hz 時進行。由于電網的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50hz 成為頻率調節的上限頻率。當變頻器的輸出頻率已經到達 50hz 時，即使實際供水壓力仍然低于設定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機組切換，增加運行機組數量來實現。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0hz。其實，在

39、實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到 0hz。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網供水時，由于管網中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就已經抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于 0hz，具體數值水泵特性及系統所使用的場所有關，一般在 20hz 左右。由于在變頻運行狀態下，水泵機組中電機的運行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調節的下限頻率。在實際應用中，應當在確實需要機組進

40、行切換的時候才進行機組切換。所謂延時判別，是指系統僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時間（比如 1-2 分鐘） ，如果在這一段延時的時間內切換條件仍然成立，則進行實際的機組切換操作；如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。13第 3 章 供水系統的硬件設計3.1 系統水泵機組的選型根據第二章中所闡述的基于 plc 的變頻恒壓供水系統的原理，系統的電氣控制總框圖如圖 3.1 所示：a/d 模塊可編程控制器 plc通訊模塊變頻器水泵機組軟啟動

41、、自耦變壓器人機界面壓力流量等傳感器故障、狀態等量輸入報警、故障等量輸出上位機、組態等圖 3.1 系統的電器總框圖由以上系統電氣總框圖可以看出，系統所需要的主要硬件包括：（1）水泵機組、變頻器 （2） plc 及擴展模塊14（3）壓力變送器及數顯儀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區運行，則所選用的泵型必須與系統的用水量的變化幅度相匹配。本文以某小區的實際生活用水的數據進行選型，該小區生活用水具體要求為：（1）由多臺水泵機組實現供水，流量范圍 600m3/h，揚程 60 米左右，出水口水壓大小為 0.4mpa；（2）

42、設置一臺小泵作為輔助泵，用于小流量時的供水；供水壓力要求恒定，尤其在換泵時波動要小；（3）系統能自動可靠運行，為方便檢修和應急，應具備手動功能，各主泵均能可靠地實現軟啟動；（4）具有完善的保護和報警功能，系統要求較高的經濟運行性能。根據以上系統要求的總流量范圍、揚程大小，確定供水系統設計秒流量和設計供水壓力（水泵揚程） ，考慮到用水量類型為連續型低流量變化型，確定采用 3 臺上海熊貓機械有限公司生產的 sfl 系列主水泵機組，型號及參數見表3.1.表表 3.13.1 泵組型號泵組型號型號數量流量m3/h揚程m效率%轉速r/min電機功率kw氣蝕余量m進出口徑mm泵組150sfl160-20 x

43、431121601928880666673681450552.93.63.8150sfl 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，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、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。國外生活泵均采用此種形式，而不采用 dl 型泵，dl 泵是 60 年代產品。153.2 可編

44、程控制器的選型3.2.1 可編程控制器的特點可編程序控制器（programmable logic controller） ，簡稱 plc，是一種專為在工業環境應用而設計的數字運算電子系統，它是以微處理機為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術等現代科技而發展起來的一種新型工業自動控制裝置，是當今工業發達國家自動控制的標準設備之一。它具有以下特點7：（1）可靠性高。plc 的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環掃描工作方式。表表 3.23.2 輸入輸出點代碼及地址編號輸入輸出點代碼及地址編號名 稱代 碼地址編號手動和自動消防信號sa110.0水池水位下限信號sll

45、10.1水池水位上限信號slh10.2變頻器報警信號su10.3消鈴按鈕sb910.4試燈按鈕sb1010.5變頻器輸出頻率極限信號sfl10.6輸入信號遠程壓力表模擬量電壓值upaiw01#泵工頻運行接觸器及指示燈km1,hl1q0.01#泵變頻運行接觸器及指示燈km2,hl2q0.12#泵工頻運行接觸器及指示燈km3,hl3q0.22#泵變頻運行接觸器及指示燈km4,hl4q0.33#泵工頻運行接觸器及指示燈km5,hl5q0.43#泵變頻運行接觸器及指示燈km6,hl6q0.5輸出信號生活消防供水轉換電磁閥yv2q1.016（2）具有豐富的 i/o 接口模塊。plc 針對不同的工業現場信

46、號，有相應的i/o 模塊與工業現場的器件或設備直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人機對話的接口模塊；為了組成工業局部網絡，它還有多種通訊聯網的接口模塊。 （3）采用模塊化結構。為了適應各種工業控制需要，除單元式的小型plc 以外，絕大多數 plc 均采用模塊化結構。plc 的各個部件，包括 cpu、電源、i/o 等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊和功能可根據用戶的需要自行組合。 （4）編程簡單易學。plc 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。（5）安裝簡單，維修方便。plc 不需要專門

47、的機房，可以在各種工業環境下直接運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統迅速恢復運行。由于 plc 強大功能和優點，使得其在我國的水工業自動化中得到廣泛的應用。3.2.2 控制系統的 i/o 及地址分配將系統所有的輸入信號和輸出信號統一進行編址，該系統有 8 個輸入信號和 13 個輸出信號，表 3.2 是將控制系統的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號。3.2.3 plc 及其擴展模塊的選型plc 是整個變頻恒壓供水控制系統的核心，它要完成對系統中所有輸入號水池水位下限報警指示燈hl7q

48、1.1變頻器故障報警指示燈hl8q1.2火警報警指示燈hl9q1.3報警電鈴haq1.4變頻器頻率復位控制kaq1.5控制變頻器頻率用電壓信號ufaqwo17的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現以及對外的數據交換。因此我們在選擇 plc 時，要考慮 plc 的指令所選速度、指令豐富程度、內存空間、通訊接口及協議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水系統控制設備相對較少，因此 plc 選用德國 siemens 公司的 s7-200 型。s7-200 型 plc 的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統。siemens 公司的 plc 具有可靠

49、性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協議簡單等優點；plc 可以上接工控計算機，對自動控制系統進行監測控制。plc 和上位機的通信采用 pc/ppi 電纜，支持點對點接口（ppi）協議，pc/ppi 電纜可以方便實現 plc 的通信接口 rs485 到 pc 機的通信接口 rs232 的轉換，用戶程序有三級口令保護，可以對程序實施安全保護8。根據控制系統實際所需端子數目，考慮 plc 端子數目要有一定的預留量，因此選用的 s7-200 型 plc 的主模塊為 cpu226，其開關量輸出為 16 點，輸出形式為 ac220v 繼電輸出；開關量輸入為 24 點，輸入形式為+24v 直流輸

50、入。由于實際中需要模擬量輸入點 1 個，模擬量輸出點 1 個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是 em235，該模塊有 4 個模擬輸入（aiw） ，1 個模擬輸出（aqw）信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 a/d 的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長（16bit）的數字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成 d/a 的轉換，一個字長（16bit）的數字信號能夠轉換成標準輸出信號。em235 模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過 dip 開關進行設置。3.3 變頻器的選型要對系統所用的變頻器進行選型，首先得確定變頻器的容量，方法是依據所配電動機的額定功率和額定電流來確定變頻器容量。在一臺

51、變頻器驅動一臺電機連續運轉時，變頻器容量（kva）應同時滿足下列三式9： (3.1)）（kvacoskppmcn (3.2)）（kva10iu3kp3mmcn18 (3.3)）（akiimcn式中：pm：負載所需要的電動機的輸出功率； ：電動機的效率（通常在 0.85 以上） ； cos：電動機的功率因數（通常在 0.8 以上） ； um：電動機電壓（v） ； im：電動機工頻電源時的電流（a） ； k：電流波形的修正系數，對 pwm 方式，取 1.0-1.05； icn：變頻器的額定電流（a） 。這三個公式是統一的，選擇變頻器容量時，應同時滿足三個算式的關系，尤其變頻器電流是一個較關鍵的量。

52、根據控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型；普通功能型 u/f 控制變頻器、具有轉矩控制功能的高功能型 u/f 控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。供水系統屬泵類負載，低速運行時的轉矩小，可選用價格相對便宜的 u/f 控制變頻器。綜合以上因素，系統先用專為風機、泵用負載設計的普通功能型 u/f 控制方式的富士變頻器 frn55p11s-4cx，此為富士變頻器低噪聲高性能多功能變頻器，為風機、泵用的 p11s 系列，功率范圍為 7.5-500kw，該系列有自帶操作面板。功率大于 75kw 以上的，有自帶直流電器。可以使用延伸電纜選件，可簡單地實現遠方操作。高性能和多功能的理想結合，動態轉矩控制

53、，能在各種運行條件下實現對電動機的最佳控制，具有 pg 反饋更高性能的控制系統，新方式在線自整系統，能使電機低轉速時脈動大大減小，更方便了使用的鍵盤面板，適應了各種環境的結構。其特點為：采用富士電機獨自開發的動態轉矩矢量控制方式，在 0.5hz 時的起動轉矩可達到 200%；具有包括自整定功能在內的許多方便功能；小型、全封閉防護結構（22kw） ，容量范圍 0.2-400kw，機種規格齊全。p11s 系列有它內在的性能以及功能，即動態轉矩矢量控制、帶 pg 反饋更高的性能的控制系統、電動機低轉速時脈動大大減小、新方式在線自整定系統、優良的環境兼容性。具有各種通信功能，豐富的實用功能，保護功能。

54、變頻器內置 pid 控制模塊，也可用于閉環控制系統，實現恒壓供水。富士 frn55p11s-4cx 變頻器的主要性能及參數為：額定容量： 85（kva）19額定輸出電流： 112（a）過載容量： 110%額定輸出電流/1 分鐘啟動轉矩： 50%以上適配電機容量： 55（kw）表表 3.33.3 變頻器功能碼設定變頻器功能碼設定變頻器端子現場器件與端子連線功能代碼參數預置注釋fwdplc 的 q1.5復位/運行變頻器y2plc 的 i0.6e211變頻器極限信號輸出30aplc 的 i0.3變頻故障總報警信號30cplc 公共端公共端 cmplc 公共端控制面板f1549.5上限頻率f1635下

55、限頻率c1plc 的 aqwqh211端子 c1（4-20mand）輸入系統中變頻器的輸入信號有兩種，一種是控制信號，它包括 plc 輸給變頻器的 fwd 信號和 plc 經過 pid 數字運算后輸出給變頻器的信號；另一種是輸入電源信號。盡量不要用主電路電源 on/off 的方法控制變頻器的停止和運行，應該用該控制電路端子 fwd、rev 或者鍵盤面板上 rev、fwd 和 stop 鍵控制變頻器的停止和運行。變頻器的輸出信號也有兩種，一是送 plc 的變頻器故障信號和變頻器nuvwmn（-）rstpp1p（-）+db改善功率因素的直流電抗器l1l2l3主電源ac380v三相空氣斷路器輔助電源

56、ac380vgg30a變頻器總故障報警信號3030b30c131211頻率設定電位器a控制變頻器頻率用電壓信號模擬頻率計060hz模擬量輸入c1fmay5ay5c可選信號繼電器輸出plcfwdrevhldbxthrrstx1x2x3x4x5x6x7x8x9cm控制變頻器的復位/運行的信號自由停車外部報警信號故障復位信號控制輸入dx（-）dx+sdrs458通信cmey1y2y3y4晶體管輸出變頻器極限輸出制動單元制動電阻pdb圖 3.2 變頻器的接線圖 極限輸出信號這三個輸出控制信號，變頻器的極限上下限信號可通過其控制面板設定。另一種是送水泵的變頻器輸出電源信號。變頻器運行時，當需要進行頻繁制

57、動或高轉矩制動時，應按照規定連接制動單元和制動電阻。它們分別有其過熱保護裝置連接 1、2 端接至變頻器的 thr，cm 端子。另外電機也有它們的過載保護裝置也是接至變頻器的 thr 端。變頻器的各個端子可以通過功能碼設置20其輸出信號。表 3.2 為變頻器功能碼設定，圖 3.2 為變頻器連線圖。 變頻器的主電路輸出端子（u,v,w）經接觸器接至三相電動機上，當旋轉方向與工頻時電動機轉向不一致時，需要調換輸出端子（u，v，w）的相序，否則無法工作。變頻器和電動機之間的配線長度應控制在 100m 以內。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子fwd（rev）來操作

58、，不得以主電路空氣開關 qf2 的通斷來進行。為了改善變頻器的功率因素，還應在變頻器的（p1，p+）端子之間接入相應的 dc 電抗器。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。在電動機三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來觀察電機工作電流大小，設計三相電源信號指示。3.4 壓力變送器的選型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）輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用 4-20ma 輸出壓力變送器。在運行過程中，當壓力傳感器和壓

59、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（熱水器、抽水馬桶等） ，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 的一個數量輸入，當壓力超出上限時，關閉所有水泵進行報警輸出10。根據以上的分析，本設計中選用 ytz-150 型帶電接點式的壓力傳感器和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

60、繼電控制輸出壓力超限信號。3.5 液位變送器選型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21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。22第 4 章 系統總體設計