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毕 业 设 计题目： 恒压变频供水系统设计 学 生： 学 号： 学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2017 年 6 月 10 日I恒压变频供水系统设计摘 要随着时代的进步和社会的发展，大家对于用水质量的要求越来越高，而我国又是一个水资源严重短缺的国家，所以对于供水系统设备的先进性、自动化程度和性能的要求都越来越高。恒压变频供水系统的应用已经成为了必然趋势。本论文设计根据陕西科技大学供水系统的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。本系统由可编程逻辑控制器、2台软启动器、2台变频器、7台水泵电机组成，其中1台是夜间低压状态时使用，剩下的6台水泵电机组成循环运行方式。设备运行时，压力传感器检测当前水压信号，将管网水压信号转变成电信号送入PLC，由PLC与设定值比较后进行PID运算，再由PLC控制着变频器输出不同频率的电源，从而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。论文详细介绍了各主要器件的选型，连接方式，运行原理，以及系统的软件设计。其中着重的分析了程序的主要设计方法，讲述了供水系统总体的设计思路。关键词：变频调速，恒压供水，变频器，PLCIIIDesign of Variable Frequency Constant Pressure Water Supply SystemABSTRACTWith the progress of the times and the development of the society,everyone for using the water quality requirements more and more high, furthermore China is a serious shortage of water resources in the country,so the water supply system equipment advanced, degree of automation and performances requirements are getting higher and higher. Variable frequency constant pressure water supply system has become an inevitable trend.This paper designs a set of PLC based variable frequency speed regulation constant pressure water supply system. The system consists of a programmable logic controller, 2 soft starters, 2 converters, 7 pump motors. One is the use of low voltage state at night, the rest of these are used to be cyclic operation mode. In the operation of the system by the pressure sensor measured the pipeline pressure, the pressure and expectation values are compared, after that by the PLC control converter output frequency of different power, and then change the speed of the pump motor to track the desired value of the water pressure. This paper introduces how to select the main components, connection mode, operation principle, and the software design of the system. The emphasis is on the analysis of the program design method, describes the overall design ideas.Key words: variable frequency speed regulation, constant pressure water supply, converter, PLC III目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 选题背景11.2 选题依据21.3 国内外发展概况21.4 设计内容及要求32 恒压变频供水系统的方案设计42.1 系统的基本工作原理42.2 本课题研究的对象42.3 控制方式的选择52.4 系统原理与组成52.4.1 系统的组成及原理图52.4.2 变频控制原理72.4.3 系统水泵切换控制分析83 恒压变频供水系统的硬件设计93.1 系统主要设备电路的设计93.1.1 PLC的设计93.1.2 变频器的设计123.1.3 软启动器的设计163.2 系统控制电路的设计204 恒压变频供水系统的软件设计224.1 主程序循环流程图224.1.1 系统上电步骤224.1.2 变频器选择224.1.3 软启动器选择234.1.4 故障检测244.1.5 夜间工作模式254.1.6 启动子程序264.2 系统整体的软件设计274.3 程序说明314.3.1 系统初始化31I4.3.2 软启动判断及软启动器启动334.3.3 工频泵计时364.3.4 工频泵电机投入和切除选择364.3.5 变频泵计时384.3.6 变频泵选择394.3.7 夜间泵控制404.3.8 变频泵超时414.3.9 工频泵故障424.3.10 电接点信号424.3.11 变频器的控制445 总结46致 谢47参考文献48恒压变频供水系统设计 531 绪论1.1 选题背景用水供水一直以来都是人们生产，生活中不可或缺的部分，对于当下社会能源的节约与利用率都是我们必须要考虑的问题，我国是一个水资源严重短缺的国家，长久以来在高层建筑供水、市政供水、工业生产中的循环供水等这些方面的技术与世界先进水平相比，差距不小，自动化程度低，随着我们国家社会经济的发展，人们生活水平的逐渐提高，以及住房制度改革的深入人心，对于住房的基础设施建设提出了更高的要求。现如今的城市居民住宅区供水系统就有用水高峰期和用水低峰期的区别，在高峰期时电动机负荷很大，甚至经常超负荷运行，使得电动机损耗非常大；而在低峰期时居民用水量降低，但是电动机不会减速任然在满负荷状态运行，导致能量很多都浪费了，而且一直满负荷运行会使用水设备损坏水管也容易爆破，所以应该在不同的用水状况下对电机的转速进行控制，使得达到恒压供水的目的。随着电力技术的发展，变频调速技术的日趋完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击。由于水泵的平均转速降低了，从而可延长水泵和阀门等设备的使用寿命，也可以消除起动和停机时的水锤效应1。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义，且运用恒压变频供水系统有如下特点：(a) 节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；(b) 节水：根据实际用水况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；(c) 运行可靠：由专用变频器实现泵的软起动，使水泵实现由变频到工频的最小冲击切换防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂；(d) 控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式；(e) 自我保护功能完善：假如水泵出现故障，系统会显示故障并同时启动备用泵，以维持供水平衡；(f) 万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水；(g) 夜间泵识别功能，实现最大限度节能。1.2 选题依据以往的水泵控制采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转，通过调节阀门的开度实现对流量的控制，这样造成能源的浪费和产生“水锤效应”，对设备不利。采用交流变频恒压供水方式组成系统可解决以上问题。本课题来源与实际工程项目，使用S7-200 PLC和ACS 510专用风机泵类变频器构成恒压供水系统，比较分析使用不同的控制方案的优缺点，综合实际、工艺状态来选择最优化的解决方法。通过此题目，使学生掌握作为一个现代电气工程师所应该掌握的基本技能，能独立分析问题并确立出合理的设计方案，从而进一步培养学生独立的思考问题及解决问题的能力，为今后走向工作岗位奠定一定的基础。水是生命之源，用水供水一直是人民的生活生产的基本条件，而供水设备泵站的功耗巨大，如果我们能提高泵站的效率，降低泵站的功耗，不仅对经济有重大的意义，而且也符合现在的绿色环保理念。而对于目前我国的情况来说，泵站的数量很大，但是由于设计中没有考虑到节能的问题，而且由于国内技术与国外先进的水平还是有一定的差距，所以我国电能很大一部分是消耗在这个上的而电能大部分又是由火力发电产生的。火力发电就会有一定的污染，如果不提高效率，节能减排会导致更多的污染破坏地球的大气层。因此设计节能减排的供水系统刻不容缓，恒压变频供水系统可以结合自动控制技术、现场总线技术、DCS技术、远程监控技术，综合多种技术的优点可以提高节能效率、系统稳定性，更加便于操作和管理。由于我国在这方面的研究比外国迟所以目前还达不到特别理想的目标，还需要我国技术人员慢慢努力研究，使技术渐渐提高，逐步改变目前我国泵站的控制系统，使其效率提高。变频调速是当今社会最先进的调速方式，它比调压调速、串级调速，变极调速性能都更好，可以实现电动机的无级调速，调速性能高、经济效益好、应用范围宽、是目前最有发展的电机调速技术。本套系统应用了变频调速，结合PLC组成的控制系统抗干扰能力强、编程简单、操作方便。1.3 国内外发展概况近年来，恒压变频供水系统的控制技术日趋成熟，这是因为变频调速的技术在世界上有了很大的发展。在变频技术研究的初期，变频器的应用也有一定的限制，因为技术不是很全面所以在恒压变频供水系统中只能当做执行器，如果要配合完成系统的各种功能，必须外加压力控制器和压力传感器才可以。1960年以后，电力电子器件普遍采用了晶闸管产品，但是因为调速性能不是很高，丹佛斯公司生产了第一台变频器，随后就有很多企业也纷纷效仿，开启了变频器的新时代。在国外的一些供水系统的设计中，一般都是比采取一台变频器拖动一个水泵机组去运行，导致成本过高很多企业不看好这种技术。随着变频技术的渐渐成熟，无论是在系统稳定性还是在自动化程度方面都有了长足的进步，逐渐人们认可了这种技术，所以就有厂商开始生产一些有这方面功能的变频器，比如ABB集团的HAVC变频技术、施耐德公司的恒压供水基板。现对此供水基板做下基本的介绍，其中具有两种模式，“变频泵固定方式”和“变频泵循环方式”它们的区别就是当需要增加水泵时是加入一台工频泵，然后调节变频泵的频率使其达到要求；还是将前一台变频泵切换为工频工作，再软启动一台泵来变频使用2。在基板上集成了像PID调节器和可编程控制器（PLC）等这样的硬件，通过指令代码实现PID、PLC等电控系统的控制，后续只要搭载配套的恒压供水单元就可以直接控制内置的电磁接触器去工作，其最多可以控制七台电机（泵）达成供水系统。这一类设备虽然简化了电路结构，使得费用减少，但是其可扩展性不高，接口固定，系统的动态性能和稳定性都一般，和别的监控系统组态软件不容易实现数据的传输与通信，而且其带负载的容量有限制，因此在实际应用中会有很多的限制条件，不容易用于各种场合。目前我国也有很多的公司在做恒压变频供水的工程，它们一般都会采用外国先进的变频器对水泵的转速进行控制，对水管的管网压力进行闭环调节和循环控制多台水泵平稳运行，它们采用可编程控制器（PLC）、单片机和它们相应的配套软件予以实现，但是在很多方面都达不到用户要求的指标，比如系统的动态性能、抗干扰性能、稳定性能和开放性扩展性都有一定的局限。深圳艾默生电气公司和成都的希望集团都推出过恒压供水专用的变频器，该变频器不需要外接PID调节器和PLC就可以完成最多四台水泵的循环利用，虽然不如丹麦丹佛斯公司的变频器可以实现七台水泵机组的循环切换，但是其有定时启动和停止、定时循环的优点，这是因为其内部集成了压力闭环调节与逻辑控制功能。其缺点是带负载容量低，而且操作复杂没有数据传输通信功能，因此只能用于容量和控制要求比较低的场所供水。就目前国内外对于此项技术的研究来说，还有很大的发展空间。变频调速技术与自动控制技术、现场总线技术、DCS技术相结合，同时兼具先进的计算机技术会使变频恒压供水系统的控制更具使用价值。因此，恒压变频供水系统的各方面技术还有待进一步改善，在改善的过程中应该注意与生产实际结合，使其更适应现在的实际需求。变频调速系统中还应该加入软启动器，软起动是使电动机的电压逐渐从零逐渐的增加到额定电压的过程，该过程使得对启动电流有了一定的控制，防止冲击电流对电网造成损害，减轻了电机启动的机械转矩对于电机的损伤，可以延长电机寿命。软启动器还有软停车功能：电机的输出电压由额定电压在设定的软停时间内逐步降至零，停车过程完成，能够有效的避免停机时产生的“水锤”现象。1.4 设计内容及要求本课题的设计应先满足工程技术要求及相应的控制精度，其次需要考虑其系统性、综合性以及可扩展性。有鉴于此，本课题的主要任务包含以下几个：(a) 设计恒压供水控制系统总体方案，满足工程技术要求； (b) 设计控制系统原理图、接线图、布局图等图纸，使工程人员能够从原理上理解设计思想，在施工上便于操作； (c) 参与设计控制系统程序，满足控制要求，并尽可能使控制程序完善可靠，具有一定的可扩展性； (d) 撰写相关的系统说明书，便于工程人员阅读操作。2 恒压变频供水系统的方案设计2.1 系统的基本工作原理变频器随着变频调速技术的发展，有了很多方面的进步，无论是调速性能还是稳定性，节能性都有了极大地提高。而变频器是恒压变频供水系统的核心器件，所以系统性能的好坏主要看变频器的性能。ABB 的变频器是现在国际上一个知名的品牌，其作用是控制和调节三相交流异步电动机的速度，并以其性能好、功能组合多样、工作稳定等特点一直被人们看好。恒压变频供水系统与过去的供水方式相比最大的区别就是可以实现水泵电机的无级调速，可以根据运行的反馈数据自动调节系统的控制参数达到自动调节的目的。恒压变频供水占地面积小、投入资金低、环保节能强、系统维护便捷、自动化程度高、维修周期长等，这些优点都是原来的供水方式无法媲美的。目前已广泛的应用于各种住宅小区和各种建筑供水中，其今后的发展趋势是更加的智能化、系列化、标准化，以到达未来城市建设智能化，网络化和整体规划的要求。在此系统中除了变频器之外最重要的东西就是 CPU,它相当于人的大脑，实现系统的自动控制基本都得靠它完成。在这里可利用的 CPU有很多种，在下节中我会介绍他们各自的优缺点以及本设计中用到的 CPU。恒压控制是控制管网的水压保持恒定，使得不论用水量多高都保证水流量足够大，满足用水要求。要想维持一个物理量不变，就得使这个物理量与恒值进行比较，求差后反馈给系统，形成闭环系统。所以如果要控制水压恒定，就要使管网水压反馈值与给定值进行比较，根据差值的正负改变电机转速，使得形成闭环控制系统。该系统是具有非线性、大惯性的特点，所以应该运用现代控制理论和 PID控制算法使得系统响应速度快、稳差小、超调量小。水泵机组的工频变频切换由变频器编程，PFC和 PID宏来控制；管网水压由压力变送器反馈给控制器；水泵电机的启动需要软启动器配合保证电机的寿命足够长。由于供水管道都比较长，所以其是一个大时滞的系统，对于时滞系统有许多处理方式：可以加史密斯预估器（PID控制器并接一个补偿环节）和运用大林算法等。2.2 本课题研究的对象通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，所有水泵配用一台变频器，变频器根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的。这种方案可以有两种实现方法：其一是采用PLC程序控制加变频器相位检测切换控制方式，其二可以采用专用变频器直接完成相位检测切换和夜间泵变频工作的方式。这样可以是系统简单而且可靠性增加。本方案就是采用ABB公司专为风机泵类负载专用型 ACS510系列变频器，通过可编程控制器加继电回路控制的方法实现恒压供水系统控制，同时达到泵的循环工作和夜间节能自动控制。2.3 控制方式的选择变频恒压供水系统一般是由变频器、控制单元、压力变送器、水泵机组和低压电器组成，但是对于不同的设计要求有几种控制方式可以选择，该系统的任务是利用控制单元使变频器控制多台水泵机组的循环启停，以完成管网压力的恒定，同时保证数据传输和监控的实时性3。目前有几种控制方式可以选择：(1) 逻辑电子电路控制方式该控制方式可以利用简单的电子元器件组成，投入资金较少，但是其稳定性、变频性能、控制精度都不高；水泵机组没有软启动装置，工频泵变频泵切换时容易产生较大的压力波动，一般采用一台变频泵其他都为工频泵，频繁的投切容易损坏系统各部分，维修调试都比较难。(2) 单片机控制方式这类控制方式比起逻辑电子电路控制方式的性能要好许多，但是由于单片机编程调试比较难，对于不同的现场条件需要的功能不同就需要调整整个电路，所以应用不灵活抗干扰能力也不高所以这类方式应用也不广泛4。(3) 带PID回路调节器或PLC的控制方式该控制方式一般由变频器、可编程控制器、PID回路调节器、压力变送器等组成。由于变频器功能比较少所以这里只提供一个可变频率的电源给电动机，使电动机实现无级调速，来控制管网的水压。压力变送器用来采集管网水压与设定值进行比较然后传送给可编程控制器经过其内部的计算，输出转速控制信号给变频器。这种方式是直接由可编程控制器内部PID控制程序来计算的，这样就需要带模拟量输入输出接口的可编程控制器，造价较高，如果采用模拟量输入，数字量输出的可编程控制器，则要DC/AC转换的装置使得可编程控制器的数字量装换为模拟量。所以这种方式有其优点和局限性。(4) 供水专用变频调速设备由于传统的变频器对于供水方面的功能不完整，许多厂商公司生产了一系列的专供水泵电机，供水方面使用的变频器，比如施耐德公司的的Altivar 58泵切换卡；ABB公司ACS 400、ACS 510、ACS 600等产品；华为公司的TD 2100。这些产品都有一个共通点就是将PID调节器和可编程控制器的功能综合了一下，放入变频器内。这样就省去了PID调节器，节约了可编程控制器的容量，从而降低了成本，提高了生产效率。而且变频器内部的对PID调节器有优化算法，使得水压的控制平稳、可靠，而且在设置时可以规定滤波时间常数，保证反馈信号的准确性5。通过对这几种方案的分析，本系统决定采用第四种控制方式，这种控制方案不仅投资价格合理而且控制系统的可扩展性高、数据传输方便、控制精度高等特点，符合本次任务的需求。2.4 系统原理与组成2.4.1 系统的组成及原理图 恒压变频供水系统主要由：变频器、可编程控制器、软启动器、水泵机组、压力变送器组成6。组成图可参看图2-1：图2-1 系统组成图(1) 执行机构：执行机构是由水泵机组构成，水泵可以将水供入用户管网，利用水泵电机的转速控制管网的水压。本系统有6台55 kw的水泵和一台22 kw的水泵，根据管网的需求用量循环投入和切出水泵机组。使用循环启动方式，如果第一次超过工频则将第一台经过延时接入电网再用变频器控制第2台水泵调节水压，依次顺序启动6台水泵；如果夜间用水量低可以用22 kw的水泵减少能耗。(2) 信号检测机构：对于恒压变频供水系统，被检测的信号有管网水压信号、供水池水位信号和报警信号。对于管网水压信号，它是本控制系统中的反馈信号，如果没有了它就不能形成完整的闭环控制，由压力变送器检测并送入PLC中，再由PLC发出控制信号给变频器，变频器改变电机转速调整水泵电机转速以控制管网水压达到期望值。供水池水位信号是用来判断水泵是否可以抽到水的，如果水位过低就无法正常抽到水，这时可能导致水泵和电机的损坏，所以必须在水池中安装液位传感器，使系统保证安全正常的运行；报警信号则是为了反映目前系统各部分工作是否正常，如：水泵空抽、电机过载、变频器工作不正常、软启动器不工作等。这些都是系统安全运行的保障，如果发现异常应及时检修。(3) 控制机构：控制机构一般都集中在控制柜中，主要包括PLC、变频器、软启动器和其他电控设备。控制机构是恒压变频供水系统的心脏，各项功能的实现都要依靠这个机构。PLC对系统各部分传输来的信息进行采集，然后分析从人机接口得来的数据信息，通过控制算法的运算，得到控制方案。传送指令给变频器，并带动接触器运作对水泵机组进行控制；变频器是直接控制水泵电机转速的装置，接收到PLC的控制信息，调节电源输出频率改变电机转速。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50 Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵电机时，经过延时将第一台水泵电机直接软启动接入电网即可，变频器控制另一台水泵电机，依次启动多台水泵电机完成循环；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50 Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵电机时，直接软启动另一台水泵电机接入电网，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，本次设计选择的是变频循环式。软启动器作为该控制系统的一个不可或缺的部分是因为其对于电机的启、停都有平滑稳定的作用，防止电机因为冲击而损坏，也可以防止“水锤效应”。而且软启动器还有许多保护功能，如过载保护、缺相保护、过热保护等。该系统还应该有专门的报警信号，信号传送给PLC后其作出判断和保护动作，以免造成损失。变频恒压供水系统的结构框图如下：图2-2 变频恒压供水系统框图恒压变频供水系统通过压力变送器测量管网水压，得到420 mA的电信号，经过A/D转换模块输入到PLC中，与设定值比较得到的差值通过PID运算，再将运算后的数字信号通过，D/A转换得到模拟信号作为变频器的输入信号，从而控制电机转速，进而控制水泵供水流量，最终使供水管网上的压力恒定，实现恒压变频供水系统。2.4.2 变频控制原理当该供水系统投入运行时，闭合空气开关，然后将手、自动开关打到自动控制上，此时系统进入自动控制状态，启动PLC和变频器，根据管网的压力需求设定水压期望值然后与水压实际值求差，得到偏差信号，由变频器的PID宏功能调节输出频率，然后根据设定好的启动时间控制水泵的转速使水压保持在水压期望值的附近，实现恒压控制的目的。当变频器运行到达工频时，PLC会根据管网压力需求判断是否需要启动其他水泵电机，如需启动则经过延时将这台水泵切换为工频工作，变频器带着下一台水泵电机工作7。通过变频器实现恒压供水循环切换工作描述：(1) 假设现在变频器控制的是1号泵的电机，通过控制电机转速调整泵的流通能力，而压力检测反映了当前管路流量变化的情况，变频器根据压力信号自动调节转速保持水压恒定。当压力值低于设定值且工作频率也已达到工频时，表明水量加大，需要增加泵来满足压力需求，这时变频器自动将1号泵切换至工频工作而变频器由启动2号泵，依次类推直至6号泵。由于水压是变化的所以通过这种压力检测切换同时也实现了5台水泵的循环工作，这种工作循环是随机的。(2) 变频器 PFC 调节器使用了两个信号:给定值和实际的反馈值。PFC自动调整着1号泵运行速度(频率)，使实际信号能跟随给定信号。需求量(由给定信号决定)超过了1号电机的能力(用户可以定义成频率限制)，PFC调节器自动起动辅泵。PFC调节器同时也降低1号泵的速度，这样两台泵输出的总量成为系统的总输出。然后PFC调节器和前述一样自动调整着1号泵运行速度(频率)，使实际信号能跟随给定信号。如果需求量依然持续增长，PFC按照相同的步骤再起动下一台辅泵。当需求量减少了，这样 1 号泵的速度降到了设定的下限以下 (用户可以定义成频率限制)，PFC调节器自动停止辅泵。PFC调节器同时增加1号泵的转速，以弥补因辅泵停止后的输出减少。(3) 互锁功能能够辨识出未激活（不使用）的电机，从而PFC调节器跳过这台电机，调用下一台可使用的电机。 (4) 自动切换功能（如果使用了并且相对应地使用了开关和接触器）能够使各台泵均摊负载时间。自动切换功能能周期性地调整各台电机调用的位置-例如调速电机成为最后被调用的辅助电机，而第一台辅助电机成为调速电机。(5) 变频器的循环软启功能使得可以作为一台软启动器加变频器联合工作。2.4.3 系统水泵切换控制分析循环软启功能的工作分析：(1) 当电机1频率到达电网工频时，电机脱离传动单元，经过一段时间延迟后，通过软启动器接入电网运行；(2) 电机2连接到传动单元。2号电机速度根据PID的给定值和实际值的运算结果逐步增加，直到满足泵的实际工况；(3) 电机36使用同样的步骤进行启动；(4) 停止电机的过程如同标准PFC控制（停止辅助电机，并继续调节正在控制的电机速度）。夜间泵的工作分析：实际上是采用当压力高于一定值和一定其他条件下，自动识别和切换夜间泵工作，同时实现变频节能。3 恒压变频供水系统的硬件设计3.1 系统主要设备电路的设计3.1.1 PLC的设计可编程控制器（PLC)作为恒压变频供水系统的主要控制器件，其作用非常重要。它作为系统的大脑，要完成信号的采集、各种输出单元的控制和恒压的实现。所以在选择的时候要考虑多方面的因素，本系统采用的是西门子公司的S7-200 PLC，因为S7-200型PLC的性价比较高，而且恒压变频供水系统的控制系统设备较少，控制相对容易实现，所以用S7-200型PLC最为合适。西门子公司的PLC系统可靠、扩展性强、通信方便、编程简单，再加上可以连接工控机对系统进行实时监测和控制8。下图为PLC的接口电路：图3-1 PLC接口电路S7-200型PLC的主模块为CPU 226，其开关量输出为16点，输出形式为AC 220V继电器输出；开关量输入CPU 226为24点，输入形式为+24V直流输入。由于本系统需要控制7台水泵电机、2台变频器、2台软启动器，所以需要扩展模块，本次选择的扩展模块有一个16输入/输出的EM 223扩展模块、1个16输入的EM 221扩展模块和一个8输入/输出的EM 223扩展模块，这几个扩展模块的开关量输入形式都为+24V直流，输出量形式为交流220V继电器输出。扩展模块的接口电路如下：图3-2 扩展模块接口电路(1)图3-3 扩展模块接口电路(2)3.1.2 变频器的设计变频器是恒压变频供水系统的核心器件，主要是用来输出不同频率的电源，通过改变频率实现对水泵电机转速的调节，调节出水量，完成稳定水压的目的。因为本系统属于泵类负载，所以选择专为风机泵类负载专用型ACS 510系列变频器，该变频器是一款杰出的低压交流传动系统，最多可以控制7个泵，内置PID调节器并具有循环软起功能，利用PID宏和PFC宏可以实现泵的工频切换9。PFC宏是风机泵类控制的专业宏，其接线图如下：图3-4 PFC宏接线图使用PFC宏功能时可以参看下表中的参数设置：表3-1 PFC宏参数设置表功能码名称设定值单位注释9902应用宏7PCF控制宏9905电机额定电压380V9906电机额定电流30.3A9907电机额定功率15KW1002外部2命令6DI6控制启停1101控制盘给定选择2百分比给定1102外部1/外部2选择7选择外部控制21106给定值2选择19给定值来源于PID1的输出续表3-1功能码名称设定值单位注释1601运行允许6DI6作为运行允许信号4006单位22公斤（bar）4007单位换算1一个小数点40080值0显示最小值为04009100160显示最大值为164010给定值选择1模拟量AI1做给定4011内部给定60给定值为604014反馈值选择1实际值ACT1作为反馈信号4016ACT1输入1取模拟信号AI1为ACT14027PID1参数组选择0使用PID参数组13201监控1参数103HZ监控器1监控高频率48Hz3202监控器1低限253203监控器1高限488109启动频率148Hz第一台辅机的启动频率8112停止频率125Hz第一台辅机的停止频率8115辅机启动延时0.1s8116辅机停止延时0.1s8117辅机数量1个工频泵个数8123PFC使能1PFC激活8127电机数量2个使用PFC宏控制5台辅泵的切换，继电器输出1接故障信号输出，继电器2和继电器3分别控制辅泵1和辅泵2。控制过程如下：在软启动器将一台辅泵启动起来后，经过短暂延时，PLC采集继电器输出2和继电器输出3的状态，如果RO2=1且RO3=1（继电器动作，1#辅泵和2#辅泵已启动），则继续启动3#辅泵，这时候如果反馈压力大于给定值，变频器输出频率将会下降，如果稳定在停止频率以上，此时RO2和RO3状态不变，在3#辅泵启动起来后，经过延时，PLC再次检测到RO2=1、RO3=1，于是又开启4#辅泵。如果变频器输出频率降至停止频率以下，RO3=0，2#辅泵切出，变频器输出频率上升，若升至启动频率，则启动2#辅泵，同时由于PLC检测到RO2=1、RO3=1，又会启动5#辅泵；如果变频器输出频率停留在停止频率和启动频率之间，在4#辅泵启动起来后，PLC检测到RO2=1、RO3=0，不再启动另一台辅泵。系统稳定时的状态是RO2=1、RO3=0时候出现的，此时继电器输出2动作，而继电器输出3复位。尽管PFC控宏控制可以实现预期目标，但是需要增加扩展模块，这样要增加开支，我们想能不能用PID宏代替PFC宏，同时在继电器动作时利用恒速功能实现频率升和频率降，尝试了一种和PFC控制并列的方案，并且实现起来较为容易，接线要稍作改动。PID宏的接线如下：图3-5 PID宏控制接线图使用PID宏进行参数设置是在PFC宏的基础上增加了12组参数和外部1/外部2切换，具体可以参看下表：表3-2 PID宏参数设置表功能码名称设定值单位注释3201监控1参数103监控输出频率3202监控器1低限48Hz监控器1监控高频率48Hz3203监控器1高限483204监控器2参数103监控输出频率3205监控器2低限25Hz监控器2监控低频率25Hz3206监控器2高限251102外部1/外部2选择-1DI1得电=外部1；DI1失电=外部29902应用宏6PID宏1201恒速选择9DI3、DI4定义3个恒速1202恒速126Hz恒速1（对应48Hz时继电器输出2）1203恒速245Hz恒速2（对应25Hz时继电器输出3）1402继电器输出28输出频率超过48Hz接通1403继电器输出311输出频率小于25Hz接通1407继电器2断延时20s26Hz对应的恒速时间1409继电器3断延时20s45Hz对应的恒速时间大致过程是样的：由于恒速功能不能使用PID控制或PFC控制，而外部2用到了PID控制，所以必须在恒速时切换到外部1。使用恒速实现频率升和频率降，恒速持续几秒钟后，再切回到外部2，进行PID控制。恒速的启动和断开靠DI1在适当的时刻接通继电器2或继电器3，从开始恒速到恒速保持结束的时间和继电器断延时的时间相同，继电器2和继电器3输出的时序图如下所示（继电器输出延迟时间设置为20s）：图3-6 继电器输出时序图3.1.3 软启动器的设计软启动器作为辅助电机启动和停止的器件，具有重要的作用。如果不使用软启动器，在电机切换至工频运行时需要直接接入电网，这时容易造成巨大的冲击，致使电机容易损坏；当电机切出时如果直接切断电源，容易产生“水锤效应”10。所以一个好的软启动器可以产生巨大的经济效益和提高系统稳定性能。本系统选择的软启动器是CTS 200，用于恒压供水系统中，由于恒压供水项目中采用二（一台备用）拖多的模式，所以对该型号软启动器进行了改造，拆除了该软启动器上的旁路端子B1，B2，B3，实际使用时，启动完成电机直接接到工频上即可，这样可减少软启动器的损耗。各个端子的功能可以参看下表：表3-4 软启动器端子功能符号端子名称说明主回路L1.L2.L3交流电源输入端子连接三相交流电源T1.T2.T3软启动器输出端子连接三相异步电动机B1.B2.B3旁路接触器专用端子用于连接旁路接触器控制回路输入端子RUN外控起动端子RUN与COM短接则启动STOP外控停止端子STOP与COM短接则停止JOG外控点动端子JOG与COM短接则点动+12V内部电源端子内部输出电源，DC12V/12mA输出端子OC起动完成输出端子起动完成后晶体管导通COM公共端子内部电位参考点K11故障输出端子故障时，K12.K14闭合K12.K11断开触点容量：AC250V/5AK12K12.K14常开接点K12.K11常闭接点K14K21起动完成端子K22.K24常开接点K22.K21常闭接点完成后，K22.K24闭合K21.K22断开触点容量：AC250V/5AK22K24当需要利用软启动器时闭合KA50，这时软启器带动电机进行启动，当启动完成后断开KA50就完成了一次软启。下图为软启动器的接线图：图3-7 软启动器接线图3.2 系统控制电路的设计恒压变频供水系统是由PLC作为控制器进行全局的控制，控制电路的设计影响到系统的性能。本系统利用S7-200型PLC及其扩展模块对7台水泵电机进行控制，使其可以完成6台水泵电机的投切以及循环启停，第7台水泵电机在夜间模式时开启。在启动和停止过程中应该有软启动功能，设计时必须包含手动、自动切换功能，当系统出现故障时可以利用手动功能对系统进行检查，另外系统必须包含报警功能。系统的控制电路如下：图3-8 系统控制电路（1）图3-9 系统控制电路（2）如图3-8和3-9所示，其最左边的指示灯点亮表示系统上电，接下来的16个常开触点分别连接16个指示灯，当对应的线圈得电后触电闭合指示灯得电、点亮，这些指示灯的功能是指示目前各电机的工作状态以及变频器工作是否正常，后边还有缺水信号如果缺水则立即断开常闭触点KA3使系统不再工作，最后一个是声音报警的常开触点，如果出现异常则闭合使扬声器得电，发出报警音。图中SA为手自动切换开关，如果电源与下边接通表示为手动控制状态，由按钮1SB17SB1和1SB27SB2分别控制7台水泵电机的启动和停止。如果电源与上边接通表示为自动控制状态，自动控制时由PLC控制各水泵电机的运行，图中包含1KM17KM1的常开触点，其作用是进行自锁。每个支路上都有各自xKM2和xKM3(x为1-7)的常闭触点，表示各种启动状态不能同时发生，有互锁的作用。（xKM1表示水泵电机的工频启动、xKM2表示水泵电机的变频启动、xKM3表示水泵电机的软启动。）1KM和KM1、2KM和KM2分别为2个变频器的控制线圈，控制由哪个变频器工作，电路中也有互锁功能。同理3KM和KM3、4KM和KM4分别为2个软启动器的控制线圈，控制软启动器的工作。4 恒压变频供水系统的软件设计4.1 主程序循环流程图 图4-1 主程序循环4.1.1 系统上电步骤系统上电分为以下几个部分：供电系统上电；变频器上电1QF、2QF手动闭合；软启动器上电3QF、4QF手动闭合；控制回路上电QF8上电；水泵上电QF1QF7。4.1.2 变频器选择上电后，如果电源检测无故障，则进行变频器选择。变频器选择是通过柜体上的旋钮来控制的。通过中间继电器KA22来进行两个变频器的选择，上电后，系统默认为1#变频器投入，若需要更换变频器，则调整旋钮位置。流程图如图4-2所示：图4-2 变频器选择流程图4.1.3 软启动器选择变频器选择后进行软启动器的选择。软启动器选择也是通过柜体上的旋钮来控制的。通过中间继电器KA23来进行两个变频器的选择，上电后，系统默认为1#软启动器投入，若需要更换软启动器，则调整旋钮位置。流程图如图4-3所示：图4-3 软启动器选择流程图4.1.4 故障检测系统上电后，PLC对接入的变频器、软启动器、电机进行故障信号进行检测，进入启动准备阶段。其具体程序流程图如图4-4所示：图4-4 故障检测子程序流程图程序说明：系统上电完成后，先进行电源检测：ZJ8；然后检测当前变频器、软启动器、白天/夜间时控开关状态。变频器具体状态如下表所示：表4-1 变频器状态1#变频器正常白天模式1#软启动器正常使用1#变频器，1#软启动器组合控制1#软启动器故障，2#软启动器正常使用1#变频器，2#软启动器组合控制1#软启动器故障，2#软启动器故障使用1#变频器控制，工频起动不经过软启动器夜间模式停止所有正在工作的55kw水泵，使用1#变频器起动22kw水泵 续表4-11#变频器故障，2#变频器正常白天模式1#软启动器正常使用2#变频器，1#软启动器组合控制1#软启动器故障，2#软启动器正常使用2#变频器，2#软启动器组合控制1#软启动器故障，2#软启动器故障使用2#变频器控制，工频起动不经过软启动器夜间模式停止所有正在工作的55kw水泵，使用2#变频器起动22kw水泵1、2#变频器故障手动操作4.1.5 夜间工作模式进行夜间工作模式判断，若为夜间工作模式，则中间继电器KA4线圈带电，同时进入PLC的DI端子Ix.x。夜间工作模式程序如图4-5所示。图4-5 夜间工作模式控制程序说明：（1）在程序中停止正在工频工作的55kw的电机的方法是将与其工频起动相对应的交流接触器对应的中间继电器线圈复位。（2）停止软启动器的方法是PLC直接停止软启动，即KA30复位。（3）在程序中停止正在变频工作的55kw的电机的方法是将与其变频起动相对应的交流接触器