机电一体化毕业设计（论文）-变频恒压供水控制系统设计.doc

变频恒压供水控制系统设计毕业设计论文任务书姓名 班号 秋机电一体化 院系 远程与继续教育学院 同组姓名 无 指导教导 一、 课题名称变频恒压供水控制系统设计二、 课题内容农村社会保障制度是社会保障体系的一个重要组成部分,而农村经济结构的调整,人口老龄化的到来,使中国农村社会保障面临严重的挑战,加快农村社会保障制度的建设是确保农村经济可持续发展的重要保证。本文针对我国目前农村社会保障面临的挑战进行了分析,就如何建立农村社会保障体系提出了对策建议。三、 课题任务要求1 观点正确，论证充分。2 结构合理，逻辑严密。3 满足一定的阅读量。四、 同组设计者 无五、主要参考文献 1 钱毅，韩涛. 微机控制的变频调速恒压供水系统J1996，6(2) 2 于庆之.可编程控制器原理及系统设计 北京：清华大学出版社,2004.4 ；3 廖常初编著可编程序控制器应用技术M重庆：重庆大学出版社，2001，74 李清泉，杜继宏编著计算机控制系统及应用M机械工业出版社，1988，125 黄立培.电动机控制 北京：清华大学出版社,2003.9；6 冯垛生等.变频器实用指南 北京：人民邮电出版社,2006.5；7 成都佳灵电气制造公司JP6C-T9系列PIM IGBT高性能数字式变频器使用手册2001，8 全继萍陈玩丰大涌水厂给水泵房改造节能总结J城镇供水2002，9 韩涛，钱毅变频调速供水系统控制特性的改进J供水排水1995，21(6)：313210 宋伯生.PLC编程实用指南 北京：机械工业出版社，2006.611 吴忠智，吴加林. 变频器应用手册（第2 版）M. 北京：机械工业出版社，200212 王兆义. 变频器应用及实训指导M.北京：高等教育出版社，2005.13 张锦荣. 风机变频调速节能的应用实例J. 风机技术,2001，2.14 姜兴忠、戴恒阳变频恒压供水系统的机理分析J电气传动自动化2004.24(4)15 陈伯时、陈敏逊交流调速系统M北京机械工业出版社 199816 吴小雨，恒压变量供水装置中PLC的应用J低压电器，2002.(1)；42-4517 张万忠，可编程控制器入门与应用M,北京：中国电力出版社，200418 西安西普电力电子有限公司.STR数字式交流电动机软启动器说明书.V5.3.西安:200619 毛允明.传统变频调速供水设备能耗问题分析及解决方法,山东水利. 2004.9:464720 J.R.Layne，K.M.Passino.Fuzzy Model Reference Learning Control for Cargo Ship SteeringJ. IEEE Control Systems Magazine. 1993，13(6):233421 M.EI belkacemi，A.Lachhab，M.Limouri，B.Dahhou.A，Essaid.Adaptive Control of a Water Supply SystemJ. Control Engineering Practice. 2001, 9(3): 34334922 Hiromitsu Kato，Hiromitsu Kurisu，Teruji Sekozawa. Interactive Multiple Objective Decision Method for Water Supply Scheduling in Hybrid Network ModelsM. Japan指导教师签字 教研室主任签字 年 月 日- 33 -摘 要建设节约型社会，合理开发、节能和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据高校用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了校园原供水系统存在成本高，可靠性低，水资源浪费，管网系统待完善的问题。提出以利用自来水水压供水与水泵提水相结合的方式，并配以变频器、软启动器、PLC、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能等传感器，根据管网的压力，通过变频调速控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。智能建筑内部有大量的电气设备，如：环境舒适所需要的空调设备、照明设备及绘排水系统的设备等，为了合理利用设备，节省能源，节省人力，确保设备的安全运行，自然地提出了如何加强设备的管理问题。自动控制技术经过简单的机械控制器控制、常规仪表控制，进入一个崭新的阶段计算机控制。 关键词：节能，变频调速，恒压供水，PLC控制 AbstractBuilding the conservation-oriented society, the reasonable development, saves and the effective protecting water resources is an arduous task. Be centralized according to the university water used time, the water consumption change major characteristic, analyzed the campus original water supply system existence cost to be high, the reliability was low, the water resources waste, the pipe network system treated the consummation the question. Proposed that draws water the way which using the running water hydraulic pressure water supply and the water pump unifies, and matches by the inverter, the soft starter, PLC, Micro reveals the compensator, the pressure transmitter, the fluid position sensor and so on. according to the network management pressure, controls water pumps rotational speed through the inverter, causes in water pipes pressure maintains at throughout the appropriate scope, thus may solve the problem which the floor high pressure is too insufficient when small current capacity the energy consumption is big.Intelligent Building of a large number of internal electrical equipment, such as : the environment needs comfort of air-conditioning, lighting and drainage systems painting equipment, In order to rationalize the use of equipment, energy saving, labor-saving, to ensure the safe operation of equipment. naturally the way to strengthen the management of equipment. Automatic control technology through simple mechanical controller, the conventional instrument control, entered a new stage-computer control.Key word: energy saving，frequency control，constant pressure water supply，PLC control目录摘要ABSTRACT目录引言11.变频恒压供水特点和控制系统原理分析21.1变频恒压供水系统主要优点21.2传统供水定压方式的弊病21.3变频恒压供水设备的主要应用场合31.4交流电机变频调速原理31.5水泵系统特性分析41.6管路水力损失及性能曲线41.7变频恒压供水系统原理分析51.8变频恒压供水系统的节能原理61.9调速范围的确定81.10变频恒压供水工况分析91.11各种条件下供水具体控制方式101.11.1恒压供水技术的实现101.11.2恒压供水的起动与停机111.11.3休眠控制112. 系统设计112.1系统原理及其控制要求122.2系统的工作原理122.2.1系统运行方式122.2.2系统故障处理123. 系统的总体设计133.1主电路简略图133.2控制电路图133.2.1控制系统电路图133.2.2控制流程分析143.2.3控制系统电路图143.3 PLC端口分配与接线图163.3.1 PLC端口分配表163.3.2 PLC接线图173.4抗干扰问题173.5故障时的问题183.6设备选型183.7系统程序设计194. PLC程序的设计204.1编程软件的简介204.2系统梯形图设计225. 运行结果分析305.1节约电能.305.2节约用水.305.3延长系统使用寿命.,.305.4系统管理维护方便.,.30结 论31致 谢32参 考 文 献.33引 言随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使给供水设计得到了发展的机遇，恒压供水在城市自来水管网系统、住宅小区生活消防用水系统、楼宇中央空调冷却循环水系统等众多领域均有应用，当前住宅建筑的小区规划趋向于更具人性化的多层次住宅组合，不再仅仅追求立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水网（系出口）压力值是根据用户需求确定的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。本论文介绍一种基于PLC控制的多台水泵循环变频恒压供水系统。系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、传感器、以及控制柜等构成。分析水泵工况的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能，这是变频恒压供水的突出优点之一。1. 变频恒压供水特点和控制系统原理分析1.1. 变频恒压供水系统主要优点1) 节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。2) 水质好、占地小、无高位水箱，投入少，效率高。3) 配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。4) 运行合理，由于是软起和软停，减小水泵起动时的冲击电流，使水泵的使用寿 命延长而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用。5) 由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。6) 通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。1.2. 传统供水定压方式的弊病1) 管理不便、因与大气连通易引起的管道腐蚀。2) 由于水箱内微生物、藻类孳生，还可能对系统造成二次污染，所以每年定压水箱都需定期维护，并由卫生防疫部门检验。3) 定压水箱需占用较大空间，需要专门的地点来放置。4) 高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种调节方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵长期偏离高效区工作，效率低下。5) 系统频繁的起停泵，对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命。6) 使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户资用压头不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。7) 在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小或低区采用减压阀、节流孔板等来调节剩余水头时，大量的能量消耗在阀上，都造成电能的浪费。1.3. 变频恒压供水设备的主要应用场合1) 高层建筑楼宇、城乡居民小区、企事业等生活用水。2) 各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。3) 中央空调系统。4) 自来水厂增压系统。5) 农田灌溉，污水处理，人造喷泉。6) 各种流体恒压控制系统。1.4. 交流电机变频调速原理交流电机转速特性：n=60f(1-s)/p，其中n为电机转速，f为交流电频率，s为转差率，p为极对数。电机选定之后s、p则为定值，电机转速n和交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。流量与转速成正比：转矩与转速的平方成正比：功率与转速的三次方成正比：而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：变额额采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：阀（.+.）额其中，为功率为转速为流量例如设定当前流量为水泵额定流量的，则采用变频调速时.，而采用阀门控制时（.+.）.，节电（-）*.。由此可见从理论计算结果可以看到节能效果非常显著，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。而且新型的小区变频恒压供水系统能自动地控制一至多台主泵和一台休眠泵的运行。在管网用水量减少到单台主泵流量的约1/6-1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率的休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。1.5. 水泵系统特性分析水泵的输出特性既决定于水泵的种类，也随供水管网系统的阻力特性曲线不同而不同。离心式水泵的特性公式如下： (1.1)式中，P为水泵的功耗(kW)；Q为使用工况点的水泵流量(m3/s)；H为使用工况点的扬程(m)；k为输出介质常数(kg/m3)；为使用工况点的泵效率(%)。图1-1 离心水泵的H-Q曲线图1-1给出了离心式水泵的H-Q曲线，可见，在水泵的工作过程中，在等于原设计工况(点A)时效率最高，偏离这个工况(点在B、C两点间)效率就会降低。根据水泵理论的相似定律，当水泵的转速发生变化时，它的扬程H、流量Q及水泵功率P也随之变化，它们之间的关系可以表示为： ， ， （1.2）流量Q与转速n的一次方成正比；扬程H与转速n的平方成正比；水泵功率P与转速n的立方成正比。1.6. 管路水力损失及性能曲线图1-2 供水管网的H-Q曲线管路水力损失分为沿程损失和局部损失两种，即 (2.1)沿程损失： (2.2)局部损失： (2.3)式中管路沿程摩擦损失系数；局部损失系数；L管路长度(m)；各局部损失的计算流速(m/s)；过水截面的面积()。将式(2.2)和(2.3)代人(2.1)可得 (2.4)式中S被称为管路阻力系数。当水泵管路系统确定后，相应的、L、A等参数都能确定，S也就确定了。由式(2.4)可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水头损失就等于上下水位差（即实际扬程）加上管路损失11。 (2.5)由式(5.5)可以得到如图1-2所示的管路性能曲线。1.7. 变频恒压供水系统的原理分析在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关。变频恒压供水系统的核心在于使用一台或几台变频器对供水系统的水泵进行变频控制，使供水水泵尽量工作在最佳效率状态。. 变频恒压供水系统的节能原理图1-3供水流量变化时的H-Q曲线水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，可以相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。如图1-3所示，n为水泵特性曲线,A为管路特性曲线,H0为管网末端的服务压力, 为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时,水泵全速运转,出口阀门全开,达到了满负荷运行,水泵的特性曲线n0和用水管路特性曲线A0汇交于b点,此时,水泵报出口压力为，末端服务压力刚好为H0。当用水量从Qmax减少到Q1的过程中,采用不同的控制方案,其水泵的能耗也不同。1) 水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制：此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样，c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。2) 水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制：此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点始终在上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性曲线为nx，面管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点。这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H1H0，则h1即为水泵的能量浪费。3) 水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制：此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线变为n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点始终沿A0滑动。管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1。 根据水泵的相似原理：Q1/Q2=n1/n2 （32） H1/H2=(n1/n2)*2 （33） P1/P2 =(n1/n2)*3 （34）式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴的功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。 根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术落后相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的。保证了居民用水压力的可靠。采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵机组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性，另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为: n =60 f(1-s)/p （35）式35中s为电机的滑差(s=0.02)，p为电机极对数，f为定子供电频率。当水泵电机选定后，p和s为定值，也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低。变频调速是根据这一公式来实现无级调速的。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为 N = PQ （36）又功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比基于流量控制可以大幅度降低轴功率。1.9. 调速范围的确定泵的出口压力与转速的平方成正比。实际最底扬程应当是流量为零时的值，这时的速度就是最底速度，如图1-4所示。图1-4 实际的调速范围最低速度可利用以下方式进行控制。 使管的末端压力恒定的控制方式 （4.3） 输出压力恒定控制方式 （4.4） 若速度再继续下降，如果未安装逆止阀门就有可能使水倒流入泵内，即使有逆止阀，但因电动机继续工作，此时除了浪费能量外，还会使泵发热，增大噪声、振动而使泵损坏。因此，在实际运转中，应增设最低速度（频率）限制的控制环节。1.10. 变频恒压供水工况分析为了保持供水管道的压力恒定，就必须实时检测管道压力并回馈给供水控制器，使其构成压力闭环控制系统。现在最常用的控制器是以PID调节为主要手段，也有的采用了模糊控制等现代控制理论方法。 变频调速供水的恒压值一般选用最不利点（管端）恒压控制比较准确，但该压力信号传输距离太长，一方面容易受到干扰，另一方面也容易出现故障，因此在用户对供水精度要求不很高时，常以出水母管出口处压力作为恒压值进行控制。对于专用变频器，由压力传感器检测到的管网压力直接送入变频器中的PID调节器输入口；对微处理器（包括PLC）控制的系统，压力设定值以及用户管网压力检测值则送入微处理器中，经内部PID控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号，当变频器频率达到最大时，若仍没有达到压力设定值，就进行变频/工频切换，同时重新给变频器输出一个转速控制信号。压力检测值与压力给定值差距越大，该输出信号变化就越大。一旦管网压力达到了设定值，该输出控制信号就恒定下来，系统稳定运行。在专用变频器中，压力给定值可以通过变频器输入设定，也可以通过电位器送入；而微处理器控制系统的压力给定值也可通过相应的装置输入。允许用户在现场设置PID参数，通过调试选出最佳参数，达到系统稳定。一般情况下，PID方式的调节器就能够满足供水管压力的稳定调节。然而，这种类型的闭环系统也存在着一些难以解决的问题，比如在系统的动态运行过程中，水泵电机会出现速度超调甚至不稳定的现象，对整个的供水设备具有很大的破坏性，还会减小整个系统的效率。这些问题只能通过选定最优的PID参数或修改PID算法来解决。在此不作详细的分析。1.11. 各种条件下供水具体控制方式1) 恒压供水技术的实现通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成420mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术。由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。2) 恒压供水的起动与停机：在水泵出口母管处装设压力变送器，将压力信号送入控制器，控制器将接收到的信号进行比较、运算，并发出指令，对变频器进行控制。如果检测得管网压力大于设定值，则系统不起动，当管网压力小于设定值时，系统起动。变频器带1泵软起动,此时1泵处于变频调速运行状态，变频器根据收到的信号随时调整水泵的转速。当1泵达到额定转速仍不能满足水压值要求时，则该水泵自动切换到工频状态下运行，变频器则控制2水泵，使之软起动并运行。依此类推，直到管网压力满足压力设定要求。在用水高峰过后，由于投入多台泵而使管网压力超过设定值，系统依据先投先停的原则，依次停止1泵，2泵，。先投先停可以实现对多台泵的平均使用，有利于延长泵的使用寿命。对于所有泵的起停控制，完全由管网压力决定。3) 休眠控制：在夜间用水量非常少的情况下，为了节能，可以设置可以使水泵暂停工作的休眠状态。在管网压力允许的条件下，当变频器输出频率低于某下限频率时，变频器停止输出。当管网压力小于下限设定时，再唤醒变频器使之重新开始工作。2. 系统设计2.1. 系统原理及其控制要求 本论文主要论述使用一台变频器对供水系统的水泵进行变频控制的情况。系统基本原理框图图2-1 系统基本原理框图变频恒压供水系统原理如图2-1所示，它主要是由PLC、变频器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成05V DC的标准信号经过模拟输入模块变换后送入PLC，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，通过模拟输出模块变换后送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。同时系统通过软件实现的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。 正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#，4#。2.2. 系统的工作原理1) 运行方式该系统有手动和自动两种运行方式： 手动运行按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-4#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。 自动运行合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PLC控制器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PLC控制器给的调节参数使系统平稳运行。若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。 变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。2) 故障处理 故障报警当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。 水泵检修为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用N泵具有周期定时切换功能，周期间隔由时间控制器设定：1小时每次96小时每次连续可调。3系统的总体设计与PLC编程3.1. 主电路简略图图3-1 主电路图3.2. 控制电路图1) 控制系统电路图图3-2 控制电路图2) 控制流程分析泵组的切换示意图如图3-2。开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上；若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上；若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。图3-3 泵组切换示意图同样，若3台泵（假设为1#、2#和3#）运行时，3#泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器频率从0Hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。 以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。水池水位控制方面，当水位下降到下限水位时，立即停止所有水泵；待水位上升到复位水位时，系统复位，恢复恒压供水；到深夜，用水需求下降，当水位上升到满水水位时，市政供水管道电控阀关闭，停止给水池补给自来水，待到水位回落到复位水位时，自动打开电控阀，给水池补给自来水。3.3. PLC端口分配接线图1) PLC端口分配表序号输 入 端 口输 出 端 口1启动X000变频器启动Y0012停止X001变频器停止Y0023手动/自动选择X002液位下限指示Y0034满水水位X0031#水泵工频Y0105复位水位X0041#水泵变频Y0116下限水位X0052#水泵工频Y01271#水泵备用X0102#水泵变频Y01382#水泵备用X0113#水泵工频Y01493#水泵备用X0123#水泵变频Y015104#水泵备用X0134#水泵工频Y01611压力设定X02005V4#水泵变频Y01712压力检测X02105V频率控制Y02005V2) PLC接线图图3-4 PLC接线图3.4. 抗干扰问题为保证系统可靠运行，在电气连接上应注意采取抗干扰措施：1) 交流电源侧可采用RC低通滤波，以防止来自电网的干扰。器件的直流电源输入端跨接电容滤波。2) 处理好一点/多点接地，数字地和模拟地分开等问题。3) 信号线选用带屏蔽的双绞线、电源线与信号线不平行布设，弱电强电分开。4) 模拟信号采样后，采用中值数字滤波，增加抗干扰能力。5) 在硬件设计中，增加看门狗电路；软件设计中采取了指令冗余，软件陷阱等保护措施。6) 当系统出现故障时，能自动声光报警，可转手动操作。3.5. 故障时的问题对整个系统来说，不仅需要实现自动调节水泵转速和软起动的功能，电机应有过载、短路、过压、缺相、欠压、过热等保护功能，对于供水管路出现的问题也应该有所识别，在故障不严重的情况下应能继续运行，并对故障作出报警。对于调节池缺水的情况，可通过液深传感器检测，立刻停止水泵运行。当水池水位达到运行水位时，自动恢复水泵运行。在管网出现漏水问题及管道阀门损坏、不出水、少出水问题时，水泵运行会出现不出水或水压达不到设定值的情况。在这种情况持续某个设定的时间之后，认定为管网缺水，系统发出故障报警信号，并提示及时进行系统检修。在运行过程中，若变频器出现突然故障时，当前运行的变频泵应自动切换至工频状态继续运行，同时发出故障报警信号；若水泵电机出现故障，应及时切除有故障的水泵并发出报警信号，同时将闲置的水泵投入系统中运行。综上所述，采用自动化程度较高的变频恒压供水系统，不仅能够最大程度地提高整个系统效率、延长系统寿命、节约能源，而且灵活性较好，能构成复杂的、功能强大的供水系统。3.6. 设备选型1). FR-A740型变频器注意，如果想供电后自动切换到外部运行模式而不用按PU/EXT键运行时，需要把Pr79运行模式选择设定为“2”（外部运行模式），这样以后一启动就是外部运行模式。2). PLC选型PLC选择三菱公司FX2N系列的FX2N-64MR；配接FX2N-2AD模拟输入模块，用于压力设定、压力测量信号输入；配接FX2N-2DA模拟输出模块，用于变频器频率控制信号的输出。输入输出信号统一选择05V DC信号。3). 压力传感器选用YTZ-150型电阻远传压力表电阻远传压力表适用于测量对铜及铜合金不起腐蚀作用的液体，蒸汽和气体等介质的压力。因为在仪表内部设置滑线电阻式发送器，故可把被测值以电量值传至远离测量点的二次仪表上，以实现集中检测和远距离控制。此外，本仪表并能就地指示压力，以便于现场工艺检查。本仪表由一个弹簧管压力表和一个滑线电阻式发送器等所组成。仪表机械部份的作用原理与一般弹簧管压力表相同。由于电阻发送器是设置在齿轮传动机构上，因此当齿轮传动机构中的扇形齿轮轴产生偏转时，电阻发送器的转臂（电刷）也相应地得以偏转，由于电刷在电阻器上滑行，使得被测压力值的变化变换为电阻值的变化，而传至二次仪表上，指示出一相应的读数值。同时，一次仪表也指示出相应的压力值。图3-5 压力表电阻仪表电阻满量程值依厂家而定的，本论文假设电阻量程为0300,对应输出电压为05V。3.7. 系统程序设计1) 工作过程流程图图3-6 主程序流程图图3-7 中断及计时器T2程序流程图2) 程序中使用的PLC内部器件及功能D000工频运行泵状态数据，D001变频运行泵状态数据，D002初始化标示数据4. PLC程序的设计4.1. 编程软件的简介GX Developer Ver 8是最新版的三菱PLC编程软件，GX Developer 具有以下特点：1) 软件的通用性GX Developer可以创建Q 系列、QnA 系列、A 系列(包括运动控制器(SCPU)、FX系列的数据，实现了设置操作共用化(简称为GPPA)。但是，A6GPP/A6PHP对应软件包除外。在转换为SW -GPPQ型GPP 功能软件包(以下简称为GPPQ)格式文件之后，可以在GPPA或GPPQ 中进行编辑。此外，在选择了FX系列的情况下，在转换为DOS 版编程软件(以下简称为XGP(DOS)、SW0PC-FXGP/WIN 编程软件(以下简称为FXGP(WIN)格式文件之后，可以在FXGP(DOS)或者FXGP(WIN)中进行编辑。2) 充分利用WindowsR 的优势使操作性能大幅度地提高通过对Excel、Word等所创建的注释数据等进行复制、粘贴，可以对现有的资源加以利用。3) 程序的标准化 标签编程通过标签编程创建顺控程序，可以使用标签代替软元件编号来创建标准程序。只要对标签编程所创建的程序进行编译，即可生成实际的执行程序。 功能块(以下简称为FB)FB是为了提高顺控程序的开发效率而开发的功能。在开发顺控程序时，将反复使用的顺控程序的梯形图块转化为FB部件，从而使顺控程序的开发变得简便易行。此外，通过部件化后的程序可以被引用到其它的顺控序中，也可以防止顺控程序的输入错误。 宏在任意的梯形图形式中附加名称(宏名)之后预先将其登记(宏登记)到文件中，此后只需通过输入简单的指令，就可以读出已登记的梯形图形式，或者改变软元件加以利用。4) 丰富的编程语言可以通过继电器符号语言、逻辑符号语言、MELSAP3(SFC)、MELSAP-L创建功能块，此外，还新增了结构化文本(以下简称为ST语言)。ST语言的特点： 可以进行等同于C语言等高级语言一样的编程ST语言与C语言等高级语言一样，可以用于描述选择分支的条件语句以及基于循环语法的循环语句。因此，可以写出简洁的易于阅读的程序。 运算处理描述简单由于ST语言可以把在列表及梯形图中描述复杂的运算