给水控制系统的设计.docx

密级：公开 给水控制系统的设计design of the water supply control system学 院：专 业 班 级：学 号：学 生 姓 名：指 导 教 师：201 年 6 月摘 要随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理。接着分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，本文采用变频器和plc 实现恒压供水和数据传输。基于水泵供水流量和水泵转速的三次方成正比，论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。通过对变频器内置pid 模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取pid调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和plc控制程序设计方案。关键词：恒压供水； plc；变频调速iiiabstractwith the rapid development of social economy, it demands the better of water supplys quality and reliability of water supply system. meanwhile energy resource is 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, control and communication. at the same time this system can adapt different water supply fields.this paper explains water supply systems energy-saving principle of pump vf speed control according to characteristic curve of running pipelines and water pump, analyzes the structure of vf speed regulating constant pressure water supply and gives several control methods whose features are researched and compared in this paper.based on that the three side of the pump water deliver rate and the pump rotational speed become direct ratio, the paper analyses the mechanism of energy saving that the way of water supply by using the method of variable velocity variable frequency is superior to the traditional way of constant pressure water supple controlled by valve. setting up in advance the way of the parameter of pid modular built-in the transducer, a system of closed circuit using the feedback of hydraulic pressure of far biography pressure table has formed. according to the change of water consumption, with pid, in the sphere of whole rate of flow, combining the constant regulation of the pump of frequency conversion with the work frequency pump grade regulation, the system of closed circuit can realize the constant pressure water supply and save energy efficiently.this paper discusses the reasonability of water supply scheme with much pump parallel connection, and analyses the conversion condition and the various states of water supply of the much pump way of water supply as well as three switch process and the problem of a generator from variable frequency operation mode to work frequency operation mode. this paper has also given the electrical design scheme and plc controlling program scheme that realizes effective state circulating conversion control.key words: constant pressure water supply; plc; variable velocity variable frequency目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 课题国内外研究现状及趋势21.3 可编程控制器（plc）的特点及应用31.4 变频恒压供水系统的特点及安全性考虑51.5 毕业设计研究内容6第2章 系统的理论分析及方案确定82.1 系统的理论分析82.1.1 电动机的调速原理82.1.2 变频恒压系统的节能原理92.1.2 变频恒压系统的理论模型102.2 变频恒压供水系统控制方案的确定112.2.1控制方案的比较和确定112.2.2 变频恒压供水系统的组成132.2.3 变频恒压供水系统控制流程142.2.4 水泵的切换条件15第3章 系统硬件设计173.1 系统主要设备的选型173.1.1 水泵机组的选型173.1.2 变频器的选型183.1.3 plc及扩展模块的选型193.1.4 压力变送器的选型203.2 系统主电路分析及设计233.3 系统控制电路分析及设计243.4 可编程控制器i/o 端口的分配263.5 变频器接线及其功能设定27第4章 系统软件设计294.1 系统水泵运行状态及转换过程分析294.2 系统的程序设计324.3 变频器pid 控制功能参数的设置334.3.1 pid 控制及其控制算法334.3.2恒压供水pid调节过程分析364.3.3 变频器pid 控制参数的设置374.4 可靠性分析38第5章 结 论39参考文献40致 谢42附录一43附录二44iii第1章 绪论1.1 课题背景及意义水是生命之源，是人类生产、生活中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险1。变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的，变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展2。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的abb集团推出了hvac变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。它将pid调节器和plc可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现plc和pid等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。1.2 课题国内外研究现状及趋势在大功率交-交变频(循环变流器)调速技术方面，国外变频器品牌中法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kw的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利abb公司提供了单机容量为6万kw的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司simovert a电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10 2600 kva和simovert p gto pwm变频调速设备单机容量为100 900 kva，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术反面，日本富士bjt变频器最大单机容量可达700kva，igbt变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化3。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(plc)及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求5。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了厦压供水专用变频器，无需外接plc和pid调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器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，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(emc)，的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够4。因此，有待于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。变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合plc或pid调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。1.3 可编程控制器（plc）的特点及应用可编程序控制器(programmable logic controller)，简称plc，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于plc采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求；再加上plc 发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前，plc在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃5。早期的可编程序控制器(programmable logic controller，plc)继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。1969年，美国数字设备公司(dec)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于plc，使得plc的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程i/o模块和各种特殊功能模块。在软件方面，plc采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得plc所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高plc的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了plc软、硬件功能。在发达工业国家，plc己经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界plc以及软件市场报告称，1995年全球plc及其软件的市场经济规模约50亿美元，随着电子技术和计算机技术的发展，plc的功能得到大大的增强，具有以下特点：(1) 可靠性高。plc的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。(2) 具有丰富的i/o接口模块。plc针对不同的工业现场信号，有相应的i/o模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。(3) 采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型plc以外，绝大多数plc均采用模块化结构。plc的各个部件，包括cpu、电源、i/o等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。(4) 编程简单易学。plc的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。(5) 安装简单，维修方便。plc不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行6。由于plc强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。plc在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、scada系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等。plc的软件可分为系统软件和用户程序两大部分：(1) 系统软件：也称之为常驻的操作系统软件。它又包括基本控制单元软件和编程软件两部分。另外，一些特殊功能模块也带有自己的操作系统软件。通常，一个plc机架只能容纳一定数量的模块插件，这种包含主机模块和部分1/0模块的机架称为基本控制单元。基本控制单元软件固化在主机模块eprom中，其主要功能为：进行plc自身的管理和监督(如开机自检，运行中监督cpu、电池电压是否正常)；循环解释运行用户程序；集中进行输入信号的扫描和输出控制的更新编程器软件用来支持用户程序的输入，也可以用来监控用户程序的执行过程。当用户程序己装入plc的存储器，编程器就可以被分离，基本控制单元将自动进入执行用户程序状态。考虑到plc内部结构的复杂性，系统软件应有专业技术人员进行设计，一般用户不允许直接设计系统的内部操作。(2) 用户程序：这是用户应用plc进行控制所需要编制的程序。目前，在plc中普遍使用梯形图编程方法。这种编程方法是在传统继电器梯形图基础上进行一定演变而形成的，突出了各编程原件之间的逻辑关系。与硬接线的梯形图不同，plc梯形图逻辑是由软件实现的，因此既形象直观便于编写，又易于扩展和修改功能7。1.4 变频恒压供水系统的特点及安全性考虑变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合，在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点：(1) 滞后性：供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性，同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。(2) 非线形：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。(3) 多变性：变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。(4) 时变性：在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。(5) 容错性：当出现意外的情况(如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。(6) 节能性：系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能显著，对每台水泵进行软启动，启动电流从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样的现象8。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。而采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处：(1) 产生水锤效应的根本原因是：水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现消除水锤效应，减少了对水泵及管道系统所受的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。(2) 降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长。(3) 变频调速的软启动器避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。(4) 减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性9。1.5 毕业设计研究内容本文主要通过对现有的供水系统进行调研和分析，依据用户对供水系统的要求，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和plc作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，并引入计算机对供水系统进行远程监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。具体而言，论文包括以下内容：(l) 论文在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法；(2) 分析了变频恒压供水系统节能的原理，给出了恒压供水的理论模型及近似的数学模型;确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程及工作原理；最后分析了在变频恒压供水中，水泵切换的条件。(3) 论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用户的需求入手确定合适的设备选型；详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行的各种工况及其转换过程，讨论plc的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案；在介绍pid调节原理的基础上，分析利用pid调节原理实现恒压供水的调节过程，给出pid参数设置方法;最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。64第2章 系统的理论分析及方案确定2.1 系统的理论分析2.1.1 电动机的调速原理水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为： (2-1)式中，f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。从公式可以看出，改变转速的方法有三种：改变电动机定子绕组的磁极对数p，改变电动机的转差率s，改变电动机供电源的频率f，对于这三个途径的调速方法分别简称为：变极调速，变转差率调速，变频调速。变极调速。变极调速具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速。变转差率调速。分为四种：转子回路串电阻：用于交流绕线式异步电动机。调速范围小，电阻要消耗功率，电机效率低。一般用于起重机。改变电源电压调速，调速范围小，转矩随电压降大幅度下降，三相电机一般不用。用于单相电机调速，如风扇。串级调速，实质就是转子引入附加电动势，改变它大小来调速。也只用于绕线电动机，但效率得到提高。电磁调速。只用于滑差电机。通过改变励磁线圈的电流无极平滑调速，机构简单，但控制功率较小。不宜长期低速运行。其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。变频调速。当今广泛使用的变频调速器已全部采用了数字化技术，不仅具有显著的节电性能，而且还具有如下优良性能：高精度平滑无级调速；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；电动机直接在线起动，起动转矩大而起动电流小，减小对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置；功率因数高，节省电容补偿装置10。2.1.2 变频恒压系统的节能原理水泵转矩n与流量q、扬程h及泵的轴功率n的关系如下： (2-2) (2-3) (2-4)当电动机驱动泵时，电动机的轴功率p可按下式计算： (2-5)式中，为液体的密度，为传动装置效率，为泵的效率。泵的流量q与扬程h的关系曲线如图2-1所示。图2-1 泵的扬程一流量曲线图中，曲线为泵在转速n1下h-q的特性；曲线为泵在转速n2下h-q的特性；曲线为泵在转速n1下p-q的特性；曲线、为管阻特性，假设泵在标准工作点a点效率最高，输出流量q为100%，此辅功率p1与面积ah1oq1成正比，当流量需从q1减小q2时，如果采用调节阀门方法（相当于增加管网阻力）使管组特性从曲线变到曲线，系统由原来的标准点a变到新的工作点b运行。此时，泵扬程增加，轴功率p2与面积bhoq2成正比。如果采用变频器控制方式，泵转速由n1降到n2在满足同样流量q2的情况下，泵扬程h2大幅度降低，轴功率p3与面积ch3oq2成正比。轴功率p1， p2， p3相比较，将显著减小，节省的功率损耗与面积bh2h1c成正比，节能效果十分明显11。2.1.2 变频恒压系统的理论模型变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等12。图2-2 变频恒压控制原理图2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定2.2.1控制方案的比较和确定恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：(1) 有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器该控制系统结构简单，它将pid调节器和plc可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现plc和pid等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，pid调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。(2) 通用变频器+单片机(变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器该方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。(3) 通用变频器+plc(变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器该控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于plc产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定plc的硬件配置和i/o的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过pc机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于plc的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关13。确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点的用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性及其它技术要求。根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量;间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零14。本文的供水系统主要用于小区生活用水，其水量主要集中早、晚两个时间段，平时处于低流量状态，属连续型低流量变化型。这类型用水需求在较长时间段表现为低流量，相对于设计流量有较大的余量，采用变频调速方式来实现低流量时的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达30%。水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，平稳、噪声小。由于用水呈低流量变化型的特点，采用多台水泵并联供水，根据用水量大小调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的plc通过编程来实现。故本系统采用“变频器主电路+plc(变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器”的控制方式。这种控制方案既灵活方便、便于数据传输，又可达到控制精度和系统稳定性的要求。另外，供水系统的恒压是通过压力变送器、pid调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，开启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。2.2.2 变频恒压供水系统的组成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，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：(l) 执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，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；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入plc时，需进行a/d转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给plc，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。(3) 控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(plc系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制15。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。本文采用前者。作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由plc判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。 2.2.3 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：(l) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动水泵ml，通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率，控制ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间ml工作在调速运行状态。(2) 当用水量增加水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，增加水泵的转速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环和恒压控制器，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。(3) 当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50hz时，若此时用户管网实际压力还未达到设定压力，且满足增加水泵的条件(在下文有详细阐述)时，在变频循环式的控制方式下，系统将电机ml切换至工频电网供电后，ml恒速运行，同时使第二台水泵m2投入变频器并变速运行，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，并有新的水泵投入并联运行。当最后一台水泵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。(4) 当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件(在下文有详细的阐述)时，系统将上次转换成工频运行的水泵关掉，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，直到剩下一台变频泵运行为止。(5) 当系统中只有1台调速泵在工作，而调速泵的运行频率已降至下限频率时，且满足关泵条件，此时关闭调速泵。系统进入靠附属小泵进行少量补水的状态。在这种情况下，若实际压力低于设定压力，则延时后开启附属小泵进行补水，附属小泵开启后，若实际压力高于附属小泵的工作压力(设定压力+附属小泵启停压力误差)，则关掉附属小泵。待实际压力再次低于设定压力后，重复上述过程。附属小泵开启后，压力达不到设定压力，则经过一定的延时后，关掉附属小泵，开启调速泵进行控制，工作过程同2、3、4步。2.2.4 水泵的切换条件 在上述的系统工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当调速水泵和工频运行水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频运行水泵来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢？在恒压供水中，机组的切换为机组增加与机组减少两种情况，这两种情况由于变频器输出频率与供水压力的不同逻辑关系相对应。考虑到只有当变频器的输出频率在上下限频率时才可能发生切换，并且上限频率时不可能减泵，下限频率时不可能增泵，所以，可以采用回滞环思想进行判别如图2-3所示。图2-3 用于压力判断的回滞环如果变频器的输出为上限频率，只有当实际的供水压力比设定压力小的时候才允许进行机组增加；如果变频器的输出为下限频率，则只有当实际的供水压力比设定压力大；的时候才允许进行机组的增加。回滞环的应用提供了这样一个保障，即如果切换的判别条件满足，那就说明此时实际供水压力在当前机组的运行状况下满足不了设定的要求。但这个判别条件的满足也不能够完全证明当前确实需要进行机组切换，因为有两种情况可能使判别条件的成立有问题：实际供水压力超调的影响以及现场干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足，造成判断上的失误，引起机组切换的误操作。这两种情况有一个共同的特点，即它们维持的时间短，只能够使机组切换的判别条件在一个瞬间满足。根据这个特点，在判别条件中加入延时的判断就显得尤为必要了16。所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间，比如一、两分钟，如果在这段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作；如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。经过以上的分析，将实际的机组切换的条件优化为：加泵条件： 且延时判别成立；减泵条件： 且延时判别成立。式中，为上限频率，为下限频率，ps为设定压力，pf为反馈压力。第3章 系统硬件设计3.1 系统主要设备的选型3.1.1 水泵机组的选型根据基于plc变频恒压供水系统的原理，系统的总体框图如图3-1所示：图3-1 系统总体框由以上系统电气总框图可以看出，该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：水泵机组、变频器；plc及其扩展模块；压力变送器及数显仪。水泵机组选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。本系统采用3台上海熊猫机械有限公司生产的sfl系列水泵机组。型号及参数见表3-1所示17。 表3-1 水泵机组型号及参数型号数量流量扬程效率转速功率主泵机组150sfl160-20x4311288661450551926668辅助泵50sfl12-15x518.4804814505.514.460513.1.2 变频器的选型要对系统所用的变频器进行选型，首先得确定变频器的容量，方法是依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量(kva)应同时满足下列三式18： (3-1) (3-2) (3-3)式中：pm负载所要求的电动机的输出功率； 电动机的效率(通常在0.85以上)； 电动机的功率因数(通常在0.8以上)； u电动机电压； im电动机工频电源时的电流； k电流波形的修正系数，对pwm方式，取1.0-1.05； p变频器的额定容量； icn变频器的额定电流。 这三个公式是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，其变频器电流是一个较关键的量。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种型：普通功能型u/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型u/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器19。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的u/f控制变频器。综上所述，系统选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型u/f控制方式的西门子mm430变频器。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。西门子变频器有以下优点：(1) 风机水泵(hvac)节能型。采用micromaster eco变频器是最节省的方式，包括在购买、安装、调试和操作过程中节省的资金。它还可以确保一切事情都合乎环保的要求，即保护资源和限制能源消耗中的排放。(2) micromaster 430变频器可以节省高达60%的运行费用，无论是在泵工业，风机部门，还是在房屋建造中。它已经几乎在所有的应用中被优化。(3) 内置pid调节器，带rs232/485接口，与plc方便作uss通讯，可与楼宇自控相联系。(4) 目前价格比日本三菱，富士都便宜5-10%。西门子变频器的主要特征及控制功能：(1) 主要特征：380v-480v10%，三相，交流，7.5kw-250kw；风机和泵类变转矩负载专用；牢固的emc(电