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本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：高楼恒压供水系统设计学 院： 明 德 学 院 专 业： 机械电子技术工程 班 级： 机 电11151 学 号： 112003110735 学生姓名： 指导教师： 2015年 6 月 2 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。 论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科毕业论文（设计）目录摘要. . .i abstract. . .ii第一章 绪论11.1 课题提出的目的及意义11.2 研究或设计的国内外现状和发展趋势21.2.1现状21.2.2 发展趋势31.3本课题的主要研究内容3第二章 变频恒压供水系统及控制方案确定4 2.1 变频器.4 2.1.1变频器的够成42.1.2 变频器的特点42.1.3变频器的接线42.2 变频恒压供水系统的理论分析52.2.1 电动机的调速原理52.2.2 变频恒压供水系统的原理分析62.2.3 变频恒压供水系统的组成及原理图72.2.4 变频恒压供水系统控制流程92.2.5 水泵的切换条件102.3水泵管径的计算与选型102.3.1管径的确定102.3.2局部水头的损失112.3.3排水管道的沿程水头损失122.3.4 水泵的选型12第三章 主电路的设计及所用元器件153.1功率的计算153.2主电路分析设计及电路的保护153.3系统控制电路分析及其设计16贵州大学本科毕业论文（设计）3.4压力传感器的接线图203.5 元器件的选型及元件表20第四章 恒压供水系统的软件设计224.1软件的设计分析224.2 plc程序设计224.2.1控制系统主程序设计234.2.2 控制系统子程序设计264.3 pid控制器参数整定294.3.1 pid控制及其控制算法294.3.2 pid参数整定30第五章 系统的安装调试325.1水泵的安装325.1.1基础要求325.1.2 泵位置的要求及必要的减振325.2 接线的安装335.3 管道试压及联动试车335.3.1 管道试压335.3.2 联动试车335.4 系统调试345.4.1信号调试345.4.2 程序调试34第六章 监控系统的设计356.1 组态软件简介356.2 监控系统的设计356.2.1 组态王的通信参数设置35 6.2.2 新建工程与组态变量.35 6.2.3 组态画面及监控系统界面36结 束 语40致 谢41 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 15 页摘要 随着社会主义市场经济的不断发展，人们对供水质量和系统的要求越来越高，加之提倡节能环保，因此利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术来设计高性能、高节能的恒压供水系统成为必然所趋。本论文主要分析变频恒压供水的原理、系统的组成结构，水泵供水的相关计算，水泵供水的平面图，电路的设计，提出不同的控制方案，通过研究和比较，确定方案。采用变频器和plc实现恒压供水和数据传输之间的相互控制来实现变频调速供水的目的。该系统由变频器、plc和三台水泵构成。同时利用了pid等相关功能，和plc配合实施变频自动恒压力供水。具有自动/手动切换功能。变频故障时，可切换到手动控制水泵运行。本论文的变频恒压供水系统已在国内的供水控制系统中得到了广泛应用，并取得了良好的经济效果与大众口碑。实践证明该系统具有高度的可靠性和实用性，很大程度的提高了供水质量与效率，同时也节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。关键词：变频调速，恒压供水，plc，计算作图，设计abstract with the continuous development of the socialist market economy, people more and more high to the requirement of water quality and system, and promote energy conservation and environmental protection, so the use of advanced automation technology, control technology and communication technology to design high performance, high energy saving become the inevitable trend of constant pressure water supply system. this paper mainly analyzes the principle of variable frequency constant pressure water supply, the composition of system structure, the water pump water supply related calculation, the plan of the water supply pump, the design of the circuit, different control schemes is put forward, through research and comparison, the scheme is determined. using frequency converter and plc to realize constant pressure water supply and data transmission between control to achieve the purpose of the frequency conversion water supply to each other. the system consists of frequency converter, plc and three pumps. at the same time use the related functions such as pid, inverter and plc cooperate to implement yituo two automatic constant pressure water supply. with functions of automatic/manual switch. frequency conversion failure, can be switch to manual control pump operation. variable frequency constant pressure water supply system of this paper is in the domestic water supply control system has been widely applied, and achieved good economic results and public praise of the masses. practice shows that the system has high reliability and practicability, greatly improves the quality and efficiency of water supply, but also saves the manpower, has obvious economic benefits and social benefits.keywords: frequency control, constant pressure water supply, plc, drawing, design ii 第1章 绪论1.1 课题提出的目的及意义四年的大学生涯即将结束，这次设计也是我们众多设计中最重要，最全面，最关键的一次，它考察了我们这几年来对所学知识的积累和运用能力。同时也是对我们运用课外知识的一次检测。让我们能在实践中检验我们对基本知识和基本技能的掌握，并在设计的过程中逐渐发现自己的不足并及时改正。通过这样的设计可以加强对基本知识的掌握，还可以培养我们的查阅和搜集处理资料的能力，方案比较，理论分析，设计运算能力等。水和电是人类生活、生产中不可缺少的部分，在提倡节水节能的今天，我国长期以来在供水领域技术一直比较落后，自动化程度较低，而随着我国社会经济的迅猛发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市高楼建设如雨后春笋般迅速建设起来。然而，这也对高楼基础设施建设提出了更高的要求。高楼供水系统的建设就是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的供水方式有：气压罐供水、水塔高位水箱供水、：恒速泵加压供水、单片机变频调速供水系统、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式等方式，其优、缺点如下：(1) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。(2) 水塔高位水箱供水具有操作简单、运行合理、经济适用等优点，但存在基础要求高，投资成本与实际效用的性价比低，维护不方便及占地面积大等缺点，也限制了它不在适应当下的发展。 (3) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，其自动化程度相对较高，但由于操作要求高，开发程序繁琐，稳定性较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。(4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，驱动单一，检修频繁；优点是价格便宜，构造简单，修理方便。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费电力、水力资源，效率低、可靠性差、材料要求高、自动化程度不高等缺点，已满足不了当今社会人民生活的需求。在供水领域来说，供水方式的革新已迫在眉睫，新一代的供水系统必须以高效节能、自动可靠为前提进行发展。变频调速技术的诞生为我们供水系统的革新起到了良好的开端，它以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式正在蔓延整个市场，很多领域正在被慢慢引用，特别是供水系统的各级加压系统中，变频调速水泵以其显著的节能效果，良好的机械特性备受人们青睐。基于plc和变频技术的恒压供水系统集变频技术、现代控制技术、电气技术于一体的现代化新型系统。它的稳定性和可靠性带来的便利正走进千家万户。该系统的良好节能性彰显了提倡绿色节能节水的口号，所以研究设计该系统，对于国家、对于人民都具有非凡的意义。1.2 研究或设计的国内外现状和发展趋势 1.2.1现状由于变频技术具有机械性好、效率高、调速范围宽、精度高、调整特性曲线平滑，可以实现连续的平稳调速、体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出优点。尤其当它用于大容量负载时，调速方式的节能效果更为突出。变频调速系统的主要设备是变频器，目前国内基本使用交-直-交变频器。现在国内有很多公司在做变频恒压供水的技术工程，大多都采用外国的变频技术控制水泵的转速、水管管网压力的闭环调节以及多台水泵的循环控制，从系统的动态、稳定、抗干扰性以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到大面积的用户要求。该变频器技术是将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便而且不具有数据通信功能，因而只适用于小容量、控制要求不高的供水场所。由此看出，在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究与设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制、网络和通讯技术，变频恒压供水系统对水压闭环控制的研究还是不够的。因此，有待于我们进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。采用变频调节后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.1.2.2 发展趋势自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用，变频调速恒压供水系统以其节能，安全，高品质的供水量等优点。使我国的供水行业从90年代初开始经历了一次飞跃。新型供水方式与过去的水塔或高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，还是系统稳定性，可靠性，自动化程度节能等方面都具有无法比拟的优势。恒压供水系统的这些优越性，正在为各个厂商所高度重视。目前，变频调速技术正向着高可靠性，全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展，高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设开发，智能供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短几年内，变频恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程。早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所替代。虽然单泵设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵，电机运行效率低，而多泵则相反，它更为节省，运行效率高，被实际证明是最有设计系统，它将很快发展成为主导产品。1.3本课题的主要研究内容 （1）本设计主要是设计一个高楼恒压供水控制系统，系统中结合微机技术，变频技术和电机控制技术，掌握对工程控制，通信等的需求，提出综合自动化系统方案； （2）了解供水系统的运行工艺情况，设计恒压供水系统的硬件电路，研究恒压变频的控制方法，进行相应的软件 设计以及设备选型，完成系统监控调试实现对系统的高性能控制。 （3）水泵供水的相关计算，水泵平面图，电路图。 （4）解决如何选择恒压供水控制方式，如何用变频构成恒压供水系统及其工作原理。 （5）plc控制变频恒压供水系统的闭环调节，硬件设备选型、plc选型，进行i/o模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、i/o连接图，列出i/o分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。第2章 变频恒压供水系统及控制方案确定2.1 变频器2.1.1变频器的够成如图2-1所示，变频器主要由主电路和控制电路组成；主电路包括整流器、平波回路、逆变器、制动回路。控制电路包括运算电路、电压/电流、检测电、驱动电路、速度检测电路、保护电路。图2-1 变频器的构成2.1.2 变频器的特点变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。变频恒压供水系统主要有以下几个特点:a. 节能,同时降低了用水二次污染；b. 占地面积小，易于安装，投人少，效率高;c. 配置灵活，功能齐全，自动化程度高，易于使用;d.通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力根据设计的要求，本系统选用6sl3210-5be31-5uv0 15kw系列变频器，2.1.3变频器的接线 管脚stf接plc的y7管脚，控制电机的正转。x2接变频器的fu接口，x3接变频器的ol接口。频率检测的上/下限信号分别通过ol和fu输出至plc的x2与x3输入端作为plc增泵减泵控制信号。图2-2 变频器接线图2.2 变频恒压供水系统的理论分析2.2.1 电动机的调速原理水泵电机采用三相异步电动机，其转速公式为： 2-1式中：表示电动机转速，f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：(l) 改变电源频率f(2) 改变转差率s (3) 改变电机极对数p改变转差率调速能够无极调速，但当降低电压时，转矩按电压的二次方减小，所以调速范围不大，这种软机械特性的电动机出运行效率低外，低速工作时工作点还不稳定。要提高调压调速的机械特性硬度，就要采用速度闭环控制系统。因而就会造成线路复杂，能耗大，且成本高等缺点致使产品很难得到推广。改变电机极对数调速的启动性能要求低，结构简单，特性好，效率高且需要的附加设备少，但需要特定电机，只能有级调速，价格高，而且极差较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上随电源频率f的增大而增大。连续调节定子电源频率，就可以连续改变电动机的转速，是目前交流电动机主要的调速方法。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。（作重点介绍）2.2.2 变频恒压供水系统的原理分析提到供水系统，首先我们应该想到供水的扬程与流量间的关系，那么影响他的关键因素有哪些呢？下面来作介绍：扬程具有扬程特性，它与流量、阀门开度、水泵转速有关。在供水系统管路中，当阀门开度不变时，水泵转速一定，扬程h与流量q呈递减关系，反映曲线如下图2-1所示，在实际生活中，扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。而除这些外，由阀门开度带来的阻力特性，也叫管阻特性也影响着h/q之间的关系。当水泵的转速不变时，阀门开度一定，扬程h与流量q之间的递增关系，如下图2-1所示，它反映了水泵的机械能用来克服系统阻力所呈现的变化规律。阀门开度的变化与用户用水量之间存在必然联系，开度越大，说明用水量大。由此可得出，管阻特性反映的是扬程与供水流量之间的关系。扬程特性和管阻特性的交点就是供水系统的最佳工作点，如图2-4中a点，它有效地实现了供需平衡。图2-3 扬程特性与管阻特性图由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的转速n与出水流量q成正比；水泵的输出功率p与管网的水压h及出水流量q的乘积成正比；管网的水压h与出水流量q的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率p与转速n三次方成正比，即： 2-2 2-3 2-4 2-5式中k、k1、k2、k3为比例常数。图2-4 管网与水泵运行特性曲线图当用阀门控制时，如图2-5，若供水量高峰水泵工作在e点，流量为q1，扬程为h0，当供水量从q1减小到q2时，必须关小阀门，阻力变大，阻力曲线从b3移到b1，扬程特性曲线保持不变。而扬程则从h0上升到h1，运行工况点从e点移到f点，此时水泵的输出功率正比于h1q2。若采用恒压(h0)，变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为b2，扬程特性变为曲线n2，工作点从e点移到d点。此时水泵输出功率正比于h0q2，由于h1h0，所以当用阀门控制流量时，有正比于(h1h0)q2的功率被浪费，同时随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是h1增大，而被浪费的功率要随之增加。所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。2.2.3 变频恒压供水系统的组成及原理图plc控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2-6所示：图2-5变频恒压供水系统流程总图从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置组成。具体为：(l) 执行机构：调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调速的水泵，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:水泵工频状态下以恒定的速度运行。 (2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测自来水出水的水压信号和报警信号:水压信号:是整个控制系统中核心的反馈信号报警信号:它明示系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。(3) 控制机构：它是由plc系统、变频器和电控设备组成。plc系统是完成整个控制的核心所在，它是所有软设施的交流与控制中心，包括压力、液位、报警信号进行采集，对数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案。 （4）水泵经变频器运行的情况有两种：其一是变频循环式，其二是变频固定式。变频循环式即它拖动的某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在设定上限但仍然还不满足用户用水要求时，需要增加水泵来完成用水要求，这时它可以保证原水泵工频运行的同时又拖动另一台水泵运行。变频固定式则是拖动一台水泵作为调速泵，当它运行在设定上限仍然满足不了用水要求需要增加水泵时，变频器不做切换就启动下一台恒速泵。相比较而言，循环式由于固定式，故选用前者来设计的。作为一个控制系统，必然存在很多安全隐患，因此有必要安装报警装置，它可以实时的监测电机运行过程中的故障，尤其电路故障。这样来保证系统的安全平稳的运行。变频恒压供水系统是通过对管网中的供水压力控制来实现恒压的目的。实际是通过实际供水水压与设定压力同步来实现。在设定压力的每一个时段内必是一个常数，这样尽可能保持恒定。变频恒压供水系统的结构框图如图2-7所示：图2-6变频恒压供水系统运行框图恒压供水系统通过压力变送器实时地测量某一点的水压，把测得的压力值转换的电信号，反馈回电路中。因电信号为模拟输出量，因而需要将该信号通过plc的a/d转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行pid运算，再将运算后的数字信号通过d/a转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。2.2.4 变频恒压供水系统控制流程变频恒压供水系统控制流程如下:第一步 启动系统，按照接收有效启动反馈信号，启动1#泵进行变频工作，然后根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制ml的转速，当输出压力与设定值稳和且其供水量与用水量持衡时，转速保持在某一值不变，说明m1作调速运行。第二步 在用水过程中，用水量高峰时，水压将减小，导致水压信号变弱，由水压信号反馈回plc处理再经d/a转换后对电机进行调速，结果会使水泵转速增大，流量增加，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。第三步 当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频循环式的控制方式下，系统将在plc的控制下自动投入水泵m2作变频运行，同时变频泵m1做工频运行，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，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵m3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。第四步 当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵m2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，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵m3关掉。2.2.5 水泵的切换条件由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50hz成为频率调节的上限频率。另外，由于实际生活中，受到机器自身以及本身运行的影响，它的频率减低到某一个值时就不能工作了，因此它的最低频率不可能太低，这个频率远大于0hz，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20hz左右。所以选择50hz和20hz作为水泵机组切换的上下限频率。当输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。若出现时就进行机组切换，实际的机组切换判别条件如下：增加泵条件： 2-6且延时判别成立减少泵条件： 2-7且延时判别成立式中： ：上限频率 ：下限频率：设定压力 ：反馈压力2.3水泵管径的计算与选型2.3.1管径的确定已知扬程h=70m，流量q1=30m3/h,取1、2、3号泵q1=q2=q3=15m3/h。集中为1条管道供水，经换算q1=q2=q3=0.0042m3/s，则平均流量q=0.0042m3/s根据流量公式，即可确定管径 2-8 可得出： 由dn25dn40，u=0.81.2 m/s，dn5070，u 1.5m/s，dn80及以上的管径，u 1.8m/s. 取u1=1.5m/s,q1=0.0042m3/s计算有m满足上述条件要求的u1.5m/s.故可取公称直径d1=60mm ；同理可得d2=60，d3=60。因此为求得d总，s1=s2=s3=0.00283m2、；则有，所以d总=104，为方便取材，我们取d=1002.3.2局部水头的损失给水管道的损失： 2-9 式中：为管道局部水头损失总积；为局部阻力系数；为沿水流方向局部管件下游流速。 查文献【建筑给排水手册】，取d=100mm时，管道各处局部阻力系数如表1。 表2-1 局部阻力系数受阻力的局部局部阻力系数 个数无底阀滤水网2.51异径管渐缩管0.163闸阀（全开时）0.43水泵入口13升降式止回阀7.51合流三通管3.03弯头1.53电控阀0.21普通无缝钢管：ch=100,所以，由公式： 2-10 其中l=h=70m 由： 2-11 得： hi=700.106=7.42kpa,因为：（10kpa=1m） 管道的损失为0.742m局部损失系数； 2-12因为10kpa=1m, 故2.3.3排水管道的沿程水头损失 2-13式中：；h为总水头损失；为富余扬程，一般h为1030m，取h=10m,为局部阻力损失。选择水泵，由水泵的扬程： 2.3.4 水泵的选型 根据所需扬程=81.068m,流量为m3/h，查文献给水排水标准图集，选取is65-40-250型卧式离心泵，相关参数为：流量1530，扬程：8278m。与之匹配的电机型号为,相关参数为：转速为，额定功率为15；查手册，得出is65-40-250型卧式单级离心泵安装尺寸如下： ，。混凝土机座，型钢基座h=106mm，由此可画得该水泵图2-5，钢筋混凝土基座地脚螺栓平面位置图2-7，配筋图2-8 图2-7水泵 图2-8 配筋 贵州大学明德学院本科毕业论文（设计） 第 42 页第3章 主电路的设计及所用元器件3.1功率的计算根据电动机的型号,查表得出电机的相应参数，如表3-1所示表3-1 电机的相应参数电机型号额定功率（kw）额定电流(a)效率(%)功率因素堵转额定电流(a)堵转额定转矩(n.m)最大额定转矩（n.m）1529.488.20.88722.3电气负载计算:按功率计算公式 3-1得 计算得出： 电机的功率比较大，直接启动会对电网造成冲击，可能导致同一电网中其他正在工作的大功率电器因电压供应不足而停机。为了有效地减少启动电流，采用降压启动，减少启动电流，避免对电网的冲击。水泵启动前应当先关闭出口阀门，待水泵运转正常后开启。水泵停止前必须关闭出口阀门，再停止水泵，以免水泵发生反转而被损坏。电机直接启动时，启动电流一般为额定电流的5-7倍，取5倍计。直接启动电流很大，对电网造成的冲击也是很大，采用y-降压启动， 启动电流为直接启动的三分之一，所以降压启动电流为，启动电流下降，对电网的冲击相应的减少。 3.2主电路分析设计及电路的保护基于plc的变频恒压供水系统主电路图如图3-1所示：三台电机分别为m1、m2、m3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器km1、km3、km5分别控制m1、m2、m3的工频运行；接触器km2、km4、km6分别控制m1、m2、m3的变频运行；fr1、fr2、fr3为热继电器，起过载保护作用；qs1、qs2、qs3、qs4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；fu为主电路的熔断器。图3-1 变频恒压供水系统主电路图三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的r、s、t端，变频器的输出端u、v、w通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器fr实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以km1和km2、km3和km4、km5和km6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将420ma电流信号送至上位机来显示。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路，而必须通过变频器实现软启动和软停。3.3系统控制电路分析及其设计如图3-2为电控系统控制电路图。图中sa为手动/自动转换开关，sa打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮sb1sb6控制三台水泵的启/停；自动运行时，系统在plc程序控制下运行。图中的hl10为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器ka的触点对变频器进行复频控制。图中的q0.0q0.5及q1.1q1.5为plc的输出继电器触点，他们旁边的4、6、8等数字为接线编号。图3-2 变频恒压供水系统的电路控制图 本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：(1) 手动控制：单刀双掷开关sa打至1端时，开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。手动控制只在检查故障时才会用到，便于电机故障的检测与维修。按下sb1，由于km2常闭触点接通电路使得km1的线圈得电，km1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机m1可以稳定的运行在工频下。只有当sb2按下时才会切断电路，km1线圈失电，电机m1停止运行。同理，可以通过按下sb3、sb5启动电机m2、m3，通过按下sb4、sb6来使电机m2、m3停机。（2）自动控制：在正常情况下，变频恒压供水系统工作在自动状态。单刀双掷开关sa打至2端时，开启自动控制模式，自动控制的工作状况是由plc程序控制。q0.0输出1#水泵工频运行信号，q0.1输出1#水泵变频运行信号，当q0.0输出1时，km1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯hl1点亮，同时km1的常闭触点断开，实现km1、km2的电气互锁。当q0.1输出1时，km2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯hl2点亮，同时km2的常闭触点断开，实现km2、km1的电气互锁。同理，2#、3#水泵的控制方法也是如此。当q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯hl7点亮；当q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯hl8点亮；当q1.3输出1时，白天供水模式指示灯hl9点亮；当q1.4输出1时，报警电铃ha响起；当q1.5输出1时，中间继电器ka的线圈得电，常开触点ka闭合使得变频器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯hl10一直点亮。表3-2代码与地址编号结合系统控制电路图3-2和plc的i/o端口分配表3-2，画出plc接线图和扩展模块接线图，如图3-3所示：图3-3 plc和扩展模块接线图本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字量和1个模拟量。压力变送器将测得的管网压力输入plc的扩展模块em235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关sa1用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入i0.0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入窗口比较器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平1，送入i0.1；变频器的故障输出端与plc的i0.2相连，作为变频器故障报警信号；开关sb7与i0.3相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作。本变频恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。q0.0q0.5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；q1.1输出水位超限报警信号；q1.2输出变频器故障报警信号；q1.3输出白天模式运行信号；q1.4输出报警电铃信号；q1.5输出变频器复位控制信号；aqw0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。图3-3 只是简单的表明plc及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。它忽略了以下因素：(1) 直流电源的容量；(2) 电源方面的抗干扰措施；(3) 输出方面的保护措施；(4) 系统的保护措施等。3.4压力传感器的接线图压力传感器是采用硅压阻效应原理实现压力测量的力电转换。由敏感芯体和信号调理电路组成，当参考点压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上电桥的输出电压就会发生变化，此时得到的电压信号经放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。该传感器的量程为02.5mpa，工作温度为560 ，供电电源为283v（dc）。图3-4压力传感器的接线图3.5 元器件的选型及元件表 水泵：m1、m2、m3选用is65-40-250型，参数见表3-1所示。由电流i= 25.9a可得相应的器件选型热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器fr，fr1 fr2 fr3可选用规格其型号为jr36-63，整定电流为2032a。熔断器的选择：在控制回路中熔断器fu选用rt18系列。接触器的选择：对于接触器km选择的是规格lc1-d32,功率15kw按钮sb的选择：plc各输入点的回路的额定电压直流24v，各输入点的回路的额定电流均小于40ma，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用lay311型，其主要技术参数为：un=24vdc，in=0.3a，含1对常开和1对常闭触点。见下原件表:表3-3,表3-4,表3-5变频器适用电机容量（kw)输出额定容量(kva)输出额定电流（a）过载能力电源额定输入交流电压/频率冷却方式6sl3210-5be31-5uv0 15kw153125.8150%60s ,200% 0.5s (反时限特性)3相，380v至480v 50hz/60hz强制风冷表3-4 变频器的参数水泵符号型号流量(m3/h)扬程(m)转速(r/min)电机功率(kw)m1,m2，m3is65-40-2501582290015表3-5水泵的参数元件符号型号个数可编程控制器plccpu 226 cn1变频器6sl3210-5be31-5uv0 15kw1接触器kmlc1-d326水泵m1, m2，m3 is65-40-2503闸刀开关qshd11-100/184 熔断器fu1，fu2，fu3rt18 4a3 热继电器fr1 fr2 fr3jr36-633按钮sblay3116表3-3元件参数表 第四章 恒压供水系统的软件设计4.1软件的设计分析确定硬件连接之后，系统的控制功能主要通过软件实现，结合泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：(1) 由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理为了使水压恒定，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台水泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台水泵。依据是上限值，为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中应考虑采取时间滤波。(2) 多泵组泵站泵组管理规范由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，（软启动是通过采用降压、补偿或变频等技术手段，实现电动机的平滑启动，减少启动电流对电网的影响程度，使电网得到保护。）要求各台水泵必须更替使用，多泵组泵站泵组的投运需有个管理规范。具体的操作是：将现行运行的变频器从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。(3) 程序的结构和程序功能的实现由于模拟量单元及pid调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能实现pid控制的定时采样及输出控制。主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序。白天、夜间模式的设定压力值不同，两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。白天模式系统设定值为满量程的90%，夜间模式系统设定值为满量程的70%。4.2 plc程序设计plc控制程序采用西门子公司提供的step 7-microwin-v40编程软件开发。该软件的simatic指令集包含三种语言，即语句表(stl)语言、梯形图(lad)语言、功能块图(fwd)语言。plc控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过pc/ppi 电缆把程序下载到plc，控制任务的完成，是通过在run模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。4.2.1控制系统主程序设计plc主程序主要由以下程序构成：(1) 系统的初始化程序在系统开始启动时，先对系统各个部分的当前工作状态进行检测（如出错则报警），接着对变频器变频运行的上、下限频率、pid控制的各参数进行初始化处理，赋值，在初始化子程序后进行中断连接。系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。在初始化后紧接着要设定白天/夜间