1、基于PLC的自動恒壓供水系統設計摘要在傳統的學校供水系統中,由于用水高峰比較集中,使得供水系統工作不穩定。因此,有必要對供水系統進行改造。采用西門子S7-300 PLC和MM440變頻器為主控單元,構建一個PLC自動控制的變頻恒壓供水系統,充分發揮PLC掃描精度高運算能力強等優點,為學校供水系統提供了一套全新的方案。 本設計在學校供水系統的改造中得到了成功的應用，不僅供水壓力穩定，滿足學校用水需要，而且很好地顯示出節能、節水的良好效果。另外該設計采用的MM440系列變頻器和S7-300系列可編程控制器具有很好的性能，而且使用方便，價格適中，所以極具推廣價值。關鍵詞: 變頻器 PLC控制 恒壓

2、轉速調節 PID控制AbstractIn the traditional water supply system in school, because the many users needs water during the rushing hour time, the efficiency of water supply system not stable, so it not be satisfied the demand of all students and teachers. Therefore, it is necessary to transform the water man

3、agement system. Idescribe the way to construct the follow-up pressure water supply system. Based on the PLC technology and frequency converter, it provides a new satisfactory pressure control solution for the water supply system by exerting the high scanning accuracy and the great operation capabili

4、ties of S7-300.This design is applied successfully in the reform of supplying water system in the school. The answer which satisfy the demands of water in the school; furthermore, it has effective in energy and doesnt waste the water. Those people who want to reform their supplying water system can

5、also use it. Moreover this design uses the MM440 series frequency changer and the S7-300 series programmable controller has the very good performance, moreover the easy to operate, the price is moderate, therefore has the promoted value extremely.Keywords: frequency converter, PLC control, follow-up

6、 pressure, variable-speed control，PID control目錄摘要IAbstractII目錄III前言11 變頻控制理論概述31.1變頻調速的概念3轉速和頻率的關系3保持的控制方式31.2 PID功能簡介41.3恒壓供水閉環系統的PID調節過程51.4變頻器的節能功能8降壓節能的原理8從機械特性看壓降節能的原理8變頻調速與二次方律負載91.5徹底消除供水系統中的水錘效應102 供水系統的總體方案設計112.1供水系統的具體要求112.2變頻恒壓供水系統原理112.3變頻恒壓供水系統供水特點122.4水壓控制信號算法處理132.5變頻恒壓供水控制方式比較和選擇13

7、2.6變頻調速恒壓供水系統工作方式163 供水系統硬件軟件設計183.1 系統硬件設計18供水系統主電路18 MM440變頻器簡介19 S7-300 PLC簡介20供水系統控制電路213.2系統軟件設計24 PLC梯形圖設計24變頻器容量計算25變頻器端口設置26變頻器主要功能的預置264 系統維護及注意事項284.1 PLC注意事項284.2變頻器注意事項314.2.1變頻器和電機的距離確定電纜和布線方法31變頻器的接地314.3變頻器與控制柜314.4變頻器接線規則324.5變頻器的維護33通電前檢查334.5.2 變頻器的試運行33變頻器的維護33總結35致謝36參考文獻37前言在現代工

8、業和經濟生活中，隨著電子技術微電子技術及現代控制理論的發展，交流變頻調速技術作為高新技術節能技術已經廣泛應用于各個領域。交流變頻調速技術是強弱電混合，機電一體化的綜合性技術，既要處理巨大電能的轉換問題，同時又要處理信息的收集交換和傳輸問題。在巨大電能轉換的功率部分要解決高電壓大電流的技術問題及新型電力電子器件的應用技術問題，而在信息的收集變換和傳輸的控制部分，則主要解決控制的硬件軟件問題。目前交流變頻調速主要發展方向為：1.高水平的控制。矢量控制磁場控制轉矩控制模糊控制等高水平的控制技術已應用在交流變頻調速中。2.開發清潔電能的交流器。隨著變頻技術的不斷發展和人們對環境問題的重視，不斷減少變頻

9、器對環境的影響已經是大勢所趨。盡可能降低網側和負載的諧波分量，減少對電網的公害和電動機轉矩的脈動，實現清潔電能變換。3.結構小型化。緊湊型的變頻系統要求功率和控制元件具有高的集成度。主電路中功率電路的模塊化，控制電路采用大規模集成電路和全數字控制技術。均促進了變頻裝置結構小型化。4.高集成化。提高集成電路技術及采用表面貼片技術，使裝置的容量體積比得到進一步提高。隨著變頻調速技術的發展，廣泛推廣變頻調速具有十分重要的現實意義。在工業生產中，能夠大大提高生產設備的工藝水平加工精度和工作效率，大大減小生產機械的體積和質量，減少金屬耗用量，從而提高產品的質量。在生活生產過程中對風機和水泵一類的負載，若

10、采用變頻調速技術則可以顯著的節約人力、物力和財力。變頻調速技術在國民經濟和日常生活中占有十分重要的地位。變頻技術使頻率為可充分利用的資源。近年來，變頻調速技術獲得了飛速發展，取得了明顯的社會效益和經濟效益。在看到變頻技術如此優越性后，讓我想到針對現實生活中用水高峰期出現高樓層供水困難這一問題，可以采用變頻調速技術改進現有的供水系統。用水量增加，就提高帶動水泵的電動機的轉速，提高流量；用水減少時，就減小電機的轉速，把流量降下來，又省電又省錢。在有這個基本想法后，通過查閱有關資料和請教老師后，可以確定這種方法是解決供水困難問題的有效途徑之一。構思中，設想采用了變頻器、電機壓力傳感器液面傳感器以及控

11、制線路組成了一個閉環控制系統，由變頻器控制電機的轉動。當工程人員人工開關驅動水泵的電機，這樣又耗時又耗力。在采納指導老師的意見后，決定接受可編程控制器代替人力，由可編程控制器自動控制電機的開/關。由此，我最終確定該畢業設計的結構：第一部分論述變頻器相關內容，分析恒壓供水系統的PID調節過程，并且在供水系統主要原理分析的基礎上,認識變頻器最主要的功能：節能功能,詳細論述變頻器工作過程,明確變頻器各個使用端子的功能。第二部分論述恒壓閉環供水系統。介紹系統原理和與系統相關聯的內容。第三部分論述軟件硬件部分相關內容, 介紹PLC的相關知識。詳細論述PLC設計語言。第四部分對整個系統實際使用過程中出現的

12、問題提出系統維護和解決方案，深入地了解供水系統在實際使用中出現的問題。1 變頻控制理論概述本設計由于采用到自動化專業知識，所以在此章先對變頻控制理論來一概述。1.1 變頻調速的概念 轉速和頻率的關系三相交流異步電動機的旋轉磁場轉速和轉子轉速分別為（1-1）（1-2）式（1-2）中，表示電動機轉速,表示定子交流電源的頻率，表示磁極對數，表示轉差率，表示旋轉磁場轉速。由式（1-2）可知，旋轉磁場的轉速和輸入電流的頻率成正比，當改變電流頻率時，可以改變旋轉磁場的轉速，因而轉子轉速也隨之改變，達到調速的目的。保持的控制方式電動機繞組中的感應電動勢的大小是無法從外部加以控制的。定子繞組的阻抗電壓為（1-

13、3）當電動勢值較高時，定子繞組阻抗壓降可以忽略不計，使定子相電壓與電動勢相平衡則有（1-4）在頻率較高時，只要保持電壓與頻率同步變化，就可以近似代替反電動勢與頻率同步變化，從而確保在調速過程中，主磁通和電磁力矩不變。所以，變頻的同時必須變壓，這種控制方式稱為恒壓頻比的控制方式。低頻時，由于和都比較小，定子阻抗壓降與和相比，不能再忽略了，為了保證與的比恒定，可以人為地稍微把抬高一些，來近似補償定子壓降。1.2 PID功能簡介PID調節屬于閉環控制，是過程控制中應用得十分普遍的一種控制方式。它是使控制系統的被控物理量能夠迅速而準確地無限接近于控制目標的一種手段。在實行PID調節時必須至少有兩種控制

14、信號：（1）目標信號 通常也稱給定信號，是與被控物理量的控制目標對應的信號，用表示。（2）反饋信號 是通過傳感器測得的與被控物理量的實際 值對應的信號，用表示。PID調節功能將隨時對與進行比較，以判斷是否已經達到預定的控制目的。具體地說，它將根據兩者的差值，利用比例（P）積分（I）微分（D）的手段對被控物理量進行調整，直至反饋信號與目標信號基本相等，達到預定的控制目標為止。為了滿足用戶的需求，保證供水質量，要求通過變頻器及其PID調節功能使供水管網的水壓保持恒定。具體地說：當用戶的用水量增大時，使供水管網的水壓力下降，變頻器應立即提高輸出頻率，使電動機加速，以增大水泵產生水壓的能力，保持供水管

15、網水壓的恒定。反之，當用戶的用水量減少時，使供水管網的水壓力上升，變頻器應立即降低輸出頻率，使電動機減速，以減少水泵產生水壓的能力，保持供水管網水壓的恒定。供水管網內壓力的大小由壓力傳感器進行測量。所以，在恒定控制系統中，的輸出信號XF應該始終無限接近于目標信號。為了是供水管網保持一定的壓力，將變頻器的輸出頻率及其頻率給定信號保持在一定范圍內是必要的。令 （1-5） 式（1-5）中，稱為頻率給定信號；稱為放大倍數，也叫比例增益。 就是說，將放大了倍后再作為頻率給定信號，越大，則越小，越接近于。顯然，因為能等于0，所以，能是無限接近于卻不能等于。這說明，和之間總會有一個差值，這個差值稱為靜差，靜

16、差值應該越小越好。為了減少靜差，應盡量增大比例增益，但由于系統有慣性，因此，太大了，當XF隨著用戶用水量的變化而變化時，有可能一下子增大（或減少）了許多，使變頻器的輸出頻率很容易超調，于是又反過來調整，引起被控量忽大忽小，形成振蕩。為了消除系統的振蕩，引入了積分環節，其目的是：使給定信號的變化與乘積對時間的積分成正比，只要偏差不消除，積分就不停止，從而能有效地消除靜差。但積分時間太長，又會發生當用水量急劇變化時，被控量難以迅速恢復的情況。解決這個問題就采取微分控制，微分控制是根據偏差變化率的大小，提前給出一個相應的調節動作，從而縮短了調節時間，克服了因積分時間太長而使恢復滯后的缺點。1.3 恒

17、壓供水閉環系統的PID調節過程圖1.1所示是變頻器調速恒壓供水系統在正常工況下的PID調節過程。圖1.1.a所示是用水量Q的變化情況；圖1.1.b所示是供水壓力P的變化情形，由于PID調節的結果，它的變化是很小的；圖1.1.c所示是PID的調節量, 只是在壓力反饋量與目標值之間有偏差時才出現。在無偏差的情況下，；圖1.1.d所示是變頻器輸出頻率的變化情況。系統的工作情形如下：0段： 流量Q無變化，壓力P也無變化，PID的調節量為0，變頻器的輸出頻率也無變化；段： 流量Q增加，壓力P有所下降，PID產生正的調節量（為“+”）,變頻器的輸出頻率上升；段： 流量Q不再增加，壓力P已經恢復到目標值，P

18、ID的調節量為0（=0）,變頻器的輸出頻率不再上升；段： 流量Q減少，壓力P有所增加，PID產生負的調節量（為“-”）,變頻器的輸出頻率下降；以后： 流量Q不再減少，壓力P又恢復到目標值，PID的調節量為0（=0）,變頻器的輸出頻率不再下降。圖1.1 恒壓供水的正常工況a)流量 b)壓力 c)調節量 d)頻率圖1.2所示是流量過大或過小時的系統工況。當用戶的用水流量過大或過小時，由于變頻器的輸出頻率要受到上限頻率和下限頻率的限制，使PID的調節功能受到制約，供水系統的壓力將無法保持恒定。1. 流量過大供水系統流量過大的工作情形如下：0段：用水流量Q增加，但變頻器的輸出頻率尚未到達上限頻率，系統

19、在正常狀態下運行，由于變頻器內PID功能的調節作用，變頻器的供水流量能夠隨時滿足用水流量的需求，供水系統始終處于平衡狀態，供水壓力也一直保持恒定；段：當用水流量Q繼續增加到一定程度以后，系統將具有如下的工作特點：（1） 變頻器的輸出頻率已經到達上限頻率，水泵的轉速不可能再升高；（2） 變頻器的供水流量滿足不了用水流量的需求，管網壓力P（從而）將降低到下限壓力之下；（3） 變頻器的PID功能力圖增加變頻泵的供水流量，調節量不斷增加，超過了上限值；段：用水流量Q不再增加，壓力P（從而）也不再下降，但由于和目標值之間始終存在偏差，PID中的積分環節將不斷地積分，從而調節量將繼續上升。圖1.2 流量過

20、大或過小時的工況a) 流量b) 壓力c) 調節量d) 頻率2. 流量減小用水流量減小后，系統又進入正常運行狀態，工作過程是：段：流量Q開始減少，壓力P也開始增加。在壓力（）上升至目標壓力（）之前，PID的調節量仍為“+”，變頻器的輸出頻率仍為上限頻率。而當壓力繼續上升時，PID的調節量開始變為負值，變頻器的輸出頻率開始下降；3. 流量過小當夜深人靜，用水量很小時的工作特點如以后所示：（1） 變頻器的輸出頻率下降到下限頻率后將不再繼續下降，水泵的轉速不可能再降低；（2） 供水流量超過了用戶的需求，管網壓力P將增大到超過上限值；（3） 變頻器的PID功能力圖減少變頻泵的供水流量，調節量不斷減小，超

21、過了下限值。1.4 變頻器的節能功能 降壓節能的原理異步電動機在輕載運行時，功率因數與效率都較低。兩者之間又有一定的關聯，如圖1.3所示，功率因數越低（越大），則在有功電流相等的情況下，定子電流越大。結果是電動機的銅損增加，效率降低。圖1.3 電流大小與功率因素 從機械特性看壓降節能的原理如圖1.4所示：圖1.4 降壓節能的原理a)額定電壓下運行 b)降壓運行（1）額定電壓下運行的特點 是電動機在額定電壓下運行時的情形：曲線是額定電壓下的機械特性曲線，同步轉速為，臨界轉矩為，臨界轉差為，啟動轉矩為。當負載轉矩等于電動機的額定轉矩時，額定工作點為N點，轉速為。當負載轉矩減輕為時，工作點轉移至Q點

22、，轉速升高為。如上述，這時的功率因數和效率都較低。（1） 降低電壓后的運行特點 異步電動機在降低電壓后，其機械特性的特點是：臨界轉差不變，但臨界轉矩減小為，起動轉矩減小為，如圖4.b中之曲線所示，負載轉矩為時的工作點轉移至點。這時：一方面，電動機的有效轉矩為，有效轉矩點為E點。如果負載轉矩與有效轉矩十分接近，則功率因數和效率趨于最佳狀態，減小了電流；另一方面，電壓也下降了。所以，輸入的電功率減小了，實現了節能的目的。 變頻調速與二次方律負載如圖1.5所示：圖1.5 變頻調速與二次方律負載a)低頻時的情形 b)低頻降壓時的情形（1）在額定轉速時，負載轉矩等于電動機的額定轉矩，拖動系統在額定工作點

23、N運行；（2）當電壓與頻率成正比地下降時，電動機的機械特性曲線如曲線所示。這時：同步轉速為；臨界轉矩為；有效轉矩點為點；有效轉矩為；比額定轉矩有所減小；另一方面，二次方律負載的機械特性如曲線所示，拖動系統的工作點移至D點，負載轉矩大幅下降為。由圖知，所以，功率因數和效率都很低。（3）如通過減小比而減小與對應的電壓，使電動機的機械特性如圖5.b 中的曲線所示，則電動機的有效轉矩點為點。與D點十分接近，從而提高了功率因數和效率，減小了運行電流，同時，電壓也下降了許多，可以較好地實現節能的目的。這時候，由于工作點下移至點，拖動系統的實際轉速將略下降為，負載轉矩也略減小為。1.5徹底消除供水系統中的水

24、錘效應在供水管路中，水錘效應具有很大的破壞作用，說明如下：（1）起動時的水錘效應：異步電動機在全壓起動時從靜止狀態加速到額定轉速，所需時間只有0.25s。這意味著在0.25s的時間里，水的流量從零猛增到額定流量。由于流體具有動量和一定程度的可壓縮性，因此，在極短時間內流量的巨大變化將引起對管道的壓強過高或過低的沖擊，并產生“空化現象”。 壓力沖擊將使管壁受力而產生噪音，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘效應。水錘效應具有極大的破壞性：壓強過高，將引起管子的破裂；反之，壓強過低，又會導致管子的癟塌。此外，水錘效應也可能損壞閥門和固定件。（2）停機時的水錘效應：如果讓水泵切斷電源，使之自由停機，供水系

25、統的水頭將克服電機的慣性而使水泵急劇地停止。這也同樣會引起壓力沖擊和水錘效應。（3）產生水錘效應的原因：產生水錘效應的根本原因，是在起動和制動過程中的動態轉矩太大。因為在拖動系統中，決定加速過程的是動態轉矩。水泵在直接起動過程中，拖動系統動態轉矩是很大的，所以，加速過程很快。（4）水錘效應的消除：采用了變頻調速后，可以通過對升速時間的預置來延長起動過程，使動態轉矩大為減小。在停機過程中，同樣可以通過對降速時間的預置來延長停機過程，使動態轉矩大為減小。從而徹底消除了水錘效應。水錘效應的消除，無疑可大大延長水泵及管道系統的壽命。2 供水系統的總體方案設計現在，國家日益強盛，人們生活生產過程中不免要

26、大量消耗能源，經濟的快速增長也加劇了能源的消耗量，隨著時光流逝，能源問題越來越突出。為此政府強調節能環保，要求盡量節約能源，為可持續發展奠定堅實的物質基礎。本人就為突出節能功效，設計了一種變頻調速恒壓供水系統。這一系統可以用于學校宿舍樓供水網絡。由于學校宿舍樓比較集中，學生用水量最大，常常在用水高峰期時宿舍樓高層出現斷水現象。系統通過調節供水量，保證管網壓力恒定，實現恒壓變量控制供水方式，從而達到節能節水的目的，滿足學校用水需要。2.1 供水系統的具體要求（1）水泵能自動變頻軟起動 4臺水泵自動變頻軟起動，并根據用水量大小自動調節開泵臺數。（2）電控自動狀態時，4臺水泵自動輪換變頻運行，工作泵

27、故障時備用泵自動投入，可轉換自動或人工手動開停機。（3）設備具有缺相欠壓過壓短路過載等多種電氣保護功能，具有缺水保護功能。（4）有設備工作停機報警指示。2.2 變頻恒壓供水系統原理變頻恒壓供水系統采用一個電位器設定壓力（也可采用面板內部設定壓力），采用一個壓力傳感器（反饋為420mA）檢測管網中壓力，壓力傳感器將信號送入變頻器PID回路，PID回路處理之后，送出一個水量增加或減少信號，控制馬達轉速。如果在一定的時間內，壓力還是不足或過大，則通過變頻器做工頻/變頻切換起動另一臺水泵，使實際管網壓力與設定壓力相一致，由此構成一個閉環控制系統。隨著用水量的減少，變頻器自動減少輸出頻率或切除水泵，達到

28、了節能的目的。變頻恒壓供水系統功能框圖如圖2.1所示。圖2.1 供水系統的功能框圖2.3 變頻恒壓供水系統供水特點1、恒壓供水能自動24小時維持恒定壓力，并根據壓力信號自動啟動備用泵，無級調整壓力，供水質量好，與傳統供水比較，不會造成管網破裂及水龍頭共振現象。2、動平滑，減少電機水泵的沖擊，延長了電機及水泵的使用壽命，避免了傳統供水中的水錘現象。3、采用變頻恒壓供水保護功能齊全，運行可靠，具有欠壓、過壓、過流、過熱等保護功能。4、系統配置可實現全自動定時供水,徹底實現無人值守自動供水.控制系統具有故障報警和顯示功能,并可進行工變頻轉換,應急供水。5、系統根據用戶用水量的變化來調節水泵轉速，使水

29、泵始終工作在高效區，當系統零流量時,機組進入休眠狀態,水泵停止，流量增加后才進行工作,節電效果明顯，比恒速水泵可節電23%-55%。6、變頻恒壓供水設備不設樓頂水池，既減少建筑物的造價，又克服了水源二次污染，氣壓波動大，水泵啟動頻繁和建造水塔一次性投資大，施工周期長，費用高等缺點。7、整套設備只需一組控制柜和水泵機組，安裝非常方便，占地面積少。8、本設備采用全自動控制，操作人員只需轉換電控柜開關，就可以實現用戶所需工況，操作簡單。2.4水壓控制信號算法處理在該控制系統中，壓力信號的檢測采用壓力變送器，變送器輸出信號為420mA電流或010V電壓，對應水壓為0；通常情況下供水管網允許最低壓力為某

30、一值P1，即管網最小設定值，不為0壓力，而正常工作條件下管網最大允許工作壓力為P2，假定兩者對應的模擬電流為I1I2，則有如下函數關系：（2-1）在上式中，P為某一時刻時管網壓力。類似地，變頻器控制信號電流函數關系為（2-2）2.5 變頻恒壓供水控制方式比較和選擇眾所周知，水泵消耗與轉速的三次方成正比。即：（2-3）N：為水泵消耗功率；K：為比例系數水泵設計是按工頻運行時設計的，但除用水高峰外，大部分時間流量較小，因此可以使水泵運行的轉速隨流量的變化而變化，最終達到節能的目的。實踐證明，使用變頻設備可使水泵運行平均轉速比工頻轉速降低20%，從而大大降低能耗，節能率可達20%40%。目前國內各廠

31、家的供水設備電控柜，除采用落后的繼電接觸器控制方式外，大致有以下四類：（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，其余泵均為工頻工作狀態的方式。因此控制精度比較低、水泵切換時水壓波動大、調試麻煩工頻泵啟動時有沖擊、抗干擾能力低，但成本比較低（2）單片機電路控制方式：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比較麻煩，追加功能時往往要對電路進行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不是很高。（3）帶PID回路調節器和/或可編程序控制器（PLC）的控制方式：此時變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，

32、實現無極調速，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制器后，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回路調節器內部進行運算后，輸入給變頻器一個調速信號。（4）新型變頻調速供水設備針對傳統的變頻調速供水設備的不足之處，國內外不少生產廠家紛紛推出了一系列新型產品。這些產品將PID調節器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器，形成了帶有各種應用宏的變頻器，由于PID運算在變頻器內部，這就省去對可編程控

33、制器存儲容量的要求和對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，為了保證水壓信號反饋信號值的準確不失信，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。從以上控制方式看，我發現新型變頻調速供水設備效率高，所以在本設計中我采用了這種方式。通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成420mA的標準信號送入PID調節器，經運算與給定的壓力進行比較，得出一比較參數，送給變頻器，由變頻器控制電機的轉速，調節系統的供水量，

34、使供水管網上的壓力保持在給定的壓力上，當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制切換器進行加泵。根據用水量的大小由PLC控制工作泵的數量增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨著變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環控制系統。此外，系統還設有多種保護功能，充分保證了水泵的及時維修和系統的正常供水。圖 2.2變頻恒壓供水系統圖2.2為變頻恒壓供水系統。該系統由MM440變頻器S7-300 PLC控制器空氣開關指示燈4臺異步電動機KEY-5m液位傳感器和YZT耐震遠傳壓力表等組成。其中變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現電機的無極調速，從而使管

35、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求的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后，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。供水設備控制4臺水泵，在這些水泵中，只有一臺變頻泵。當供水設備供電開始時，先啟動變頻泵，管網水壓達到設定值時，變頻器的輸出頻率則穩定在這一數值上。而當用水量增加，水壓降低時，傳感器將這一信號送入可編程控制器或PID回路調節器，可編程控制器或PID回路調節器則送出一個比用水量增大的信號，使變頻器的輸出頻率上升，水泵的轉速提高，水壓上升。如果用水量增加很多，使變頻器的輸出頻率達到最大值，仍不能

36、使管網水壓達到設定值，可編程控制器或PID回路調節器就發出控制信號，啟動一臺工頻泵，啟動一號備用泵作為變頻泵，如此類推。反之，當用水量減少，變頻器的頻率達到最小值時，則發出減少一臺工頻泵的信號，其他泵依次類推。液位傳感器提供蓄水池中水位超過最低限制時的停機信號，當這一信號可編程控制器時，可編程控制器發出指令斷開所以工作水泵，保護水泵。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，所以對可編程來講，要有模擬量輸入接口。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。若采用帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口另接一

37、塊PWM調制板，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接口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接口的可編程控制器差不多。所以，在變頻器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。就針對傳統的變頻調速供水的不足之處，該設計采用新型變頻器，這些變頻器將PID調節器都綜合進變頻器內。2.6 變頻調速恒壓供水系統工作方式該系統可以使用兩種控制方式：（1）手動控制將手動控制接通時，變頻器處于工作狀態中，燈HL1亮。接觸器線圈KM1控制電動機M1，接觸器線圈KM3控制電動機M2，接觸器線圈KM5控制

38、電動機M3，接觸器線圈KM7控制電動機M4。在變頻器控制面板上，根據實際需要，手動按相對應的起停按鈕，控制電動機起停。（2）變頻器控制將變頻控制接通時，說明變頻器處于變頻工作狀態，燈HL1亮。變頻器傳統的補泵操作采用“循環軟起動”控制模式,即當1號泵變頻滿頻時（50Hz），1號泵切換為工頻運行，再由變頻器起動2號泵運行。如果2號泵滿頻時（50Hz），2號泵切換為工頻運行，1號泵繼續工頻運行，再由變頻器軟起動3號泵，讓變頻器控制3號水泵變頻運行。依次類推，變頻器加泵就是以這種工作順序進行。供水高峰時若4臺泵同時運行，即4號泵變頻，1號、2號、3號泵工頻，隨著供水量逐漸減小，變頻泵頻率逐漸降低，若

39、頻率降至退泵頻率時，系統進行退泵操作，先停1號泵。當頻率繼續降至退泵頻率時，就停止2號泵。依次類推，最后由變頻器控制的變頻泵是4號泵。如果液位傳感器傳入一個最低水位限制信號，為了保護電機，則停止變頻器工作，線圈KA得電，斷開所有得電運行的電動機，故障指示燈HL3亮，工作狀態顯示停止的指示燈HL2亮。如果故障保護信號產生，故障指示燈HL3亮。3 供水系統硬件軟件設計3.1 系統硬件設計 供水系統主電路變頻恒壓供水系統主電路如圖3.1所示。圖3.1 變頻恒壓供水系統主電路本系統的硬件電路，它由4臺 15KW 離心水泵，一臺智能型電控柜（包括西門子變頻器PLC交流接觸器繼電器等）， 一套壓力傳感器

40、一套液位傳感器以及供電主回路等構成。該系統的核心是S7-300（CPU313C）和MM440變頻器。3.1.2 MM440變頻器簡介MM440變頻器由微處理器控制，采用具有現代先進技術水平的絕緣柵雙極晶體管作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調制的開關頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪音，具有全面而完善的保護功能，為變頻器和電動機提供了良好的保護。MM440變頻器具有默認的工廠設置參數，它是給數量眾多的簡單的電動機控制系統供電的理想變頻驅動裝置。由于MM440變頻器具有全面而完善的控制功能，在設置相關參數以后，它也可用于更高級的電動機控制系統。MM44

41、0變頻器有以下特性：（1）易于安裝，易于參數設置和調試；（2）具有牢固的EMC設計；（3）可由IT電源供電；（4）對控制信號的響應是快速和可重復的；（5）參數設置的范圍很廣，確保變頻器可對廣泛的應用對象進行配置；（6）電纜連接簡便；（7）具有多個繼電器輸出；（8）具有多個模擬量輸出（020mA）；（9）有六個帶隔離的數字輸入，并可切換為NPN/PNP接線；（10）有兩個模擬量輸入：AIN1010V,020mA和-10V至+10V,AIN2010V,020mA,兩個模擬輸入可以作為第7和第8個數字輸入；（11）BiCo 技術；（12）采用模塊化設計，配置非常靈活；（13）脈寬調制的頻率高，因而電

42、動機運行的噪聲低；（14）具有詳細的變頻器狀態信息和全面的信息功能；（15）有多種可選件供用戶選用，有用于與PC通信的通信模塊，基本操作面板，高級操作面板，用于進行現場總線通信的ProfiBUS 通信模塊；（16）具有矢量控制性能；（17）具有U-f特性；（18）具有快速電流限制功能，避免運行中不應有的跳閘；（19）具有內置的直流注入制動；（20）具有復合制動功能，改善了制動特性；（21）具有內置的制動單元；（22）加速/減速斜坡特性具有可編程的平滑功能；（23）具有PID控制功能的閉環控制；（24）各組參數的設定值可以相互切換；（25）自由功能模塊；（26）具有動力制動的緩沖功能；（27）具

43、有定位控制的斜坡下降曲線；（28）具有過電壓/欠電壓保護特性，具有變頻器過熱保護，具有接地故障保護，具有短路保護，具有電機過熱保護和PTC/KTY電動機保護。3.1.3 S7-300 PLC簡介PLC專為工業現場應用而設計，采用了典型的計算機結構，主要是由中央處理器（CPU）存儲器（RAM，ROM）輸入/輸出單元（I/O接口）電源及編程器幾大部分組成。S7-300是一種通用型的中型PLC，其具有模塊化，無風扇結構，易于實現分布式的配置以及易于掌握等特點，這使得它能適應自動化工程中的各種應用場合，執行各種控制任務，因此其在實踐中成為一種既經濟又可靠的控制裝置。S7-300PLC采用模塊化結構，各

44、種模塊能以不同的方式組合在一起，模塊式PLC由機架和模塊組成。品種繁多的CPU模塊，信號模塊和功能模塊能完成各種領域的自動控制任務，用戶可以根據系統的具體情況選擇，更換合適的模塊。當系統規模擴大和更為復雜時，可以增加模塊，對PLC進行擴展。簡單實用的分布式結構和強大的通信連網能力，使其應用十分靈活。S7-300有各種不同性能檔次的CPU模塊可供使用。標準CPU提供范圍廣泛的基本功能，如指令執行和CP模塊的通信，緊湊型CPU本機集成I/O，并帶有高速計數等技術功能。S7-300的CPU模塊集成了過程控制功能，用于執行用戶程序。每個CPU都有一個編程用的RS-485接口，有的還帶有集成的現場總線P

45、ROFIBUS-DP接口或PtP串行通信接口，S7-300不需要附加任何硬件軟件和編程，就可以建立一個MPI網絡；如果有PROFIBUS-DP接口，就可以建立一個DP網絡。S7-300有很高的電磁兼容性和抗振動抗沖擊能力。其標準型的環境溫度為0到60攝氏度。通過系統功能和系統功能塊的調用，用戶可以使用集成在操作系統內的程序，從而顯著地減少所需要的用戶存儲器容量，它們可以用于中斷處理等。3.1.4 供水系統控制電路Q0.0Q0.7為PLC輸出軟繼電器觸點，Q0.0Q0.2Q0.4Q0.6控制變頻運行電路；Q0.1Q0.3Q0.5Q0.7控制工頻運行電路。按鈕SB1為自動控制切換，按鈕SB2為手動

46、控制切換。當切換在自動模式時，由PLC控制水泵進行變頻或工頻狀態的起動切換停止運行；當切換在手動模式時，通過按鈕SB3SB4SB5SB6分別起動4臺水泵工頻運行。KA為缺水保護電路的中間繼電器觸點，當水池缺水或水位不足時，配合缺水保護斷開控制電路，切斷主電路，實現缺水保護作用。本系統PLC模塊內由一片CPU313C組成。CPU313C有24輸入/16輸出共40個數字量I/O點，具有9針MPI接口，擁有SIMATIC微型存儲卡。它擁有記數通道3條，最高可測頻率30kHz，有閉環控制功能，它的存儲器卡擴展存儲器的容量最大可達到4MB。PLC的I/O接線圖，如圖3.2所示。S7-300 PLC的I/

47、O分配圖如表3.1所示。表3.1 PLC的I/0分配圖輸入地址輸入設備輸出地址輸出設備I0.0自動控制按鈕SB1Q0.0變頻啟動電動機M1的接觸器KM0I0.1手動控制按鈕SB2Q0.1工頻啟動電動機M1的接觸器KM1I0.2電動機M1過載保護熱繼電器FR1Q0.2變頻啟動電動機M2的接觸器KM2I0.3電動機M2過載保護熱繼電器FR2Q0.3工頻啟動電動機M2的接觸器KM3I0.4電動機M3過載保護熱繼電器FR3Q0.4變頻啟動電動機M3的接觸器KM4I0.5電動機M4過載保護熱繼電器FR4Q0.5工頻啟動電動機M3的接觸器KM5I0.6急停按鈕SB3Q0.6變頻啟動電動機M4的接觸器KM6

48、I1.0來自變頻器的上限頻率信號輸入Q0.7工頻啟動電動機M4的接觸器KM7I1.1來自變頻器的下限頻率信號輸入Q1.0工作狀態運行指示燈HL1I1.2來自變頻器的缺水信號輸入Q1.1工作狀態停止指示燈HL2I1.3來自變頻器的故障保護輸入Q1.2故障指示燈HL3I2.0電動機M1啟動按鈕SB3Q1.3急停斷閘繼電器KAI2.1電動機M2啟動按鈕SB4I2.2電動機M3啟動按鈕SB5I2.3電動機M4啟動按鈕SB6I2.4電動機M1停止按鈕SB7I2.5電動機M2停止按鈕SB8I2.6電動機M3停止按鈕SB9I2.7電動機M4停止按鈕SB10圖3.2 PLC的I/O接線圖3.2 系統軟件設計

49、PLC梯形圖設計梯形圖設計如圖3.3所示，梯形圖分為三部分：變頻控制電機部分、斷水保護部分、手動控制部分。圖3.3 梯形圖設計 變頻器容量計算對于連續運轉的變頻器必須同時滿足下列三項要求：1）滿足負載輸出要求，即(3-1)2) 滿足電動機容量要求，即(3-2)3）滿足電動機電流要求，即(3-3) 變頻器端口設置端口設置如表3.2所示：表3.2 變頻器端口設置表端口功能說明端口功能說明9、28端24V直流電源端14、15端電動機過熱保護輸入端5端壓力傳感器輸入信號端24端上限頻率輸出端19端變頻器故障保護輸出端25端下限頻率輸出端22端缺水信號輸出端5、6、7、8端來自PLC控制信號輸入端 變頻

50、器主要功能的預置雖然水泵對系統調速的精度要求不高，但要使供水系統運行性能穩定，工作可靠，就必須正確設置變頻器的各種性能。變頻器功能的設定通過變頻器操作面板上的相關按鍵確認。（1）頻率功能的預置最高頻率 水泵屬于平方律負載，當轉速超過其額定轉速時，轉矩將按平方規律增加，導致電動機嚴重過載。因此，變頻器的工作頻率是不允許超過額定頻率的，其最高頻率只能與額定頻率相等，即max=N = 50HZ。上限頻率 一般來說，上限頻率以等于額定頻率為宜。但有時也可以預置得略低一些，原因有二：一是變頻器內部有轉差補償功能，同在50HZ的情況下，水泵在變頻運行時的實際轉速要高于工頻運行時的轉速，從而增大了水泵和電動

51、機的負載；二是變頻調速系統在50HZ下運行時，還不如直接在工頻下運行，可以減少變頻器本身的損失。因此，將上限頻率預置為49 HZ或49.5 HZ是適宜的。下限頻率 在供水系統中，轉速過低，會出現水泵的全揚程小于實際揚程，形成水泵“空轉”的現象。所以，下限頻率應定為2530 HZ。起動頻率 水泵在起動時，如果從0 HZ開始起動，水泵基本沒有壓力輸出，為減少調節時間，應預置起動頻率值為1520 HZ，即設置變頻器PID輸出值的下限為最大值的30%40%。升速降速時間 由于水泵電動機不需頻繁的起停，對于起停時間無嚴格要求。整定變頻器的升降速時間時主要考慮升降速時間過短，變頻器可能因過流或過壓而跳閘；

52、升降速時間過長，則會使變頻器調速系統反應遲緩，造成管路中欠壓或超壓時間過長，滿足不了恒壓供水要求。因此，升降速時間的確定，應根據現場的實際情況來決定。4 系統維護及注意事項4.1 PLC注意事項1. PLC系統正常工作的保證是要有一個良好的工作環境。通常應滿足以下條件：（1）環境溫度約在055攝氏度，環境溫度過高或過低，使PLC長期處于極限溫度下工作，會影響PLC工作的穩定性和可靠性。應而PLC安裝時應遠離熱源。PLC安裝在控制柜時，柜的上下有通風散熱的百葉窗，必要時應安裝電風扇降溫；注意不要把發熱量大的元器件如變壓器，穩壓電源等放在PLC下方。PLC四周應留有一定的空間供通風散熱用。（2）P

53、LC允許的相對濕度一般在35%-80%，溫度太高不僅使漏電流增大影響絕緣性能，而且直接影響模擬量輸入輸出裝置的精度，必要時可設置小加熱器或夜間不切斷電源。（3）周圍不應有導電塵埃，油性物或有機溶劑，腐蝕性氣體。以防銹蝕元器件，造成絕緣減低，嚴重漏電，局部短路等故障，甚至損壞設備。（4）PLC能承受的振動和沖擊有一定的規定，振動過大會引起插接件松動。為了減少振動和沖擊，可將PLC控制柜與振動和沖擊源分開，或用抗震墊來固定PLC控制柜。2. 電源輸入輸出接線是外部干擾入侵PLC的重要途徑，應采取相應的抗干擾措施。（1）抑制電源系統引入的干擾電源是PLC引入干擾的主要途徑之一。PLC應盡可能取用電壓

54、波動較小，波形畸變較小的電源，這對提高PLC的可靠性有很大的幫助。PLC的供電線路應與其他大功率用電設備或強干擾設備分開。在干擾較強或可靠性要求很高的場合，對PLC交流電源系統可采用的抗干擾措施有以下幾種方法：在PLC電源的輸入端加接隔離變壓器，由隔離變壓器的輸出端直接向PLC供電，這樣可抑制來自電網的干擾。隔離變壓器的電壓可取1：1，在一次和二次繞組之間采用雙屏蔽技術，一次屏蔽層用漆包線或銅線等非導磁材料繞一層，注意電氣上不能短路，并接到中性線；二次則采用雙絞線，雙絞線能減少電源線間的干擾。 在PLC電源的輸入端加接低通濾波器可濾去交流電源輸入的高頻干擾和高次諧波。在干擾嚴重場合，可同時使用

55、隔離變壓器和低通濾波器的方法，通常低通濾波器先與電源相接，低通濾波器輸出再接隔離變壓器；也可同時使用帶屏蔽層的電壓扼流圈和低通濾波器的方法。PLC的電源和PLC輸入/輸出模塊用電源應與被控系統的動力部分，控制部分分開配線，電源供電線的截面應有足夠的余量，并采用雙絞線。條件許可時，PLC可采用單獨的供電回路，以避免大容量設備的起停對PLC的干擾。系統的動力線應足夠粗，以降低大容量異步電動機起動時的線路電壓降，且動力線要遠離PLC裝置20CM以上。外部的輸入電路用的外接輸入電路用的外接直流電源最好采用穩壓電源。（2）抑制輸入輸出電路引入的干擾為了抑制輸入輸出信號傳輸線引入的干擾，一般應注意以下幾點

56、：開關量信號不易受外界干擾，可用普通單根導線傳輸。數字脈沖信號頻率較高，傳輸過程中易受外界干擾，應選用屏蔽電纜傳輸。模擬量信號是連續變化的信號，外界的各種干擾信號都會迭加在模擬信號上而造成干擾，因此要選用屏蔽電纜或帶防護的雙絞線。如果模擬量I/O信號距離PLC較遠，應采用420mA或010mA的電流傳輸方式，而不用易受干擾的電壓信號傳輸。對于功率較大的開關量輸入輸出線最好與模擬量輸入輸出線分開敷設。PLC的輸入輸出線要與動力線分開，距離應在20cm以上，如果不能保證上述最小距離，可將這部分動力線穿套管，并將管接地。絕對不允許把PLC的輸入輸出線與動力線高壓線捆扎在一起。應盡量減小動力線與信號線平行敷設的長度，否則應增大兩者的距離以減少噪音干擾。一般兩線間的距離為20cm。當兩線平行敷設的長度在100200m時，