变频恒压供水的系统.docx

摘 要随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求.我国中小城市水厂尤其是老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作.控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。为了保证供水，机组通常处于超压状态运行，不但效率低、耗电量大，而且城市管网长期处于超压运行状态，曝损也十分严重。本论文结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。系统工作可靠，使用方便，压力稳定，无冲击等优越性。本设计恒压变频供水设备由PLC、变频器、传感器、电动机和水泵以及控制柜等构成等组成。通过PLC、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒压变流量供水要求。设备运行时,压力传感器不断将管网水压信号变换成电信号送入PLC,经PLC运算处理后,获得最佳控制参数,通过变频器和继电器控制元件自动调整水泵机组高效率地运行。文中详细介绍了所选PLC机、变频器、传感器及PID算法等的特点、各高级单元的使用及设定情况，给出了系统工作流程图、程序设计流程图等。关键词：可编程控制器；变频器；传感器；恒压供水系统。AbstractAlong with the social economy rapid development, the urban construction scale unceasing expansion, population increase as well as the people living standard unceasing enhancement, to the city water supply quantity, the quality, the stability set the more and more high request. Our country Small and medium-sized town and city Water works in particular old water works automatic control system disposition relative backwardness, units control main dependence attendants manual operation. The controlled process is tedious, moreover the hand control is unable to the water supply pipe network pressure and the water level change makes the appropriate response promptly.Therefore chooses one kind to conform to various aspects standard, the health safe and also theeconomical reasonable water supply way, gave the water supply design to us to bring the new challenge.In order to guarantee the water supply, the unit usually is at the overpressure condition movement, not only the efficiency low, the power consumption is big, moreover the city pipe network is at the overpressure running status for a long time, the insolation damages extremely is also serious. The present paper unifies our country small and medium-sized town and cities for the water works present situation, has designed a set based on the PLC frequency conversion velocity modulation constant pressure automatic control water supply system.The system work is reliable, the easy to operate, the pressure is stable, does not have superiority and so on impact. This design constant pressure frequencyconversion feedwater equipment by PLC, the frequency changer, the sensor, the electric motor and the water pump and so on is composed.Through PLC, the frequency changer, the relay, the contact device control water pump unit running status, realizes the pipe network constant pressure variable current quantity water supply request.When the equipment moves, the pressure transmitter transforms the pipe network hydraulic pressure signal the electrical signal to send in unceasingly PLC, after PLC operation processing, obtains the optimizing control parameter, through frequency changer and black-white control part automatic control water pump unit high efficiency movement. In the article introduced in detail chooses PLC machine, the frequencychanger, the sensor and the PID algorithm and so on the characteristic, each high-quality unit use and the hypothesis situation, has given the system work flow chart, the programming flow chart and so on. Key word: Programmable controller; Frequency changer; Sensor; Constant pressure water supply system.目录前 言41 选题背景52 系统的理论分析及控制方案确定82.1 变频恒压供水系统的理论分析82.1.1 电动机的调速原理82.1.2 变频恒压供水系统的节能原理92.2方案论证112.3、控制方案133恒压供水原理及工艺133.1.1系统的组成和基本工作原理133.1.2系统框图及工作模式153.1.3、变频调速恒压供水系统结构连线图163.2、系统原理说明173.3、系统方案183.3.1、系统工作过程183.3.2、三台电机顺序运行方框图183.3.3系统闭环控制结构图194系统硬件设计205软硬件的基本原理介绍265.1. PLC可编程控制器265.1.2可编程控制器的特点265.2变频器简介275.2.1变频与变压(VVVF)原理275.2.3变频调速的基本原理285.2.4变频调速的升速和启动295.2.5变频调速的降速和制动295.2.6变频后的电动机的机械特性295.3压力传感器简介305.4.3PID参数设置336系统的软件设计346.1 PLC程序346.1.1基本步骤346.1.3 PLC I/O表366.1.4程序流程366.2本程序分为四大部分介绍：376.2.1 PLC程序的运行和模拟调试427器件的选型437.1断路器的选择437.2接触器的选择437.3熔断器的选择447.4热继电器的选择447.4刀开关的选择457.5水泵控制阀的选择457.6压力变送器的选择467.3变频器的型号说明47704、变频器的基本配线图及其说明477.4.1变频器的型号说明487.5.1、PLC的选型48前 言据报道，目前国内在用的水泵和风机约5000万台，年消耗的电量可达约1000亿度。据有关国际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的4倍左右，消耗的水是他们的2倍左右。我国的大量用电设备中，风机和水泵类电机的耗电量占全国发电量50%左右，若推广新型电机调速技术，可节电40%左右，即可以节约全国发电量的1/5。由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多，因此，在我国一方面水电供应紧张，而另一方面，水电的浪费又十分惊人。节电节水，不仅潜力巨大，而且意义深远。恒压供水是指供水网系中用水量发生变化时，其出口压力保持不变的供水方式。供水系统的主要参数有：流量、扬程、管阻和压力。采用变频器后可以节能有三个方面：管阻特性曲线保持不变(阀门全开)，扬程特性曲线下降(转速下降)，使流量下降与用户需求量下降平衡，以保持水压大致恒定；转速控制方式使水泵的工作效率一直处于最佳状态；不处于满载状态的电动机因为输入电压的降低，它的效率也将相对于不采用变频降压有所提高。在本次设计中，主要设计基于PLC生活给水控制系统设计的实现，通过PLC 和ATV38(施耐德) 变频器进行对生活给水控制系统的手动、自动控制，达到变频恒压的理想状态。通过在西门子的PLC上进行编程，通过学校实验室提供的设备上进行一定的检查和调试。1 选题背景近年来随着我国城市建设的迅速发展，各住宅小区，高校以及企业等水用户对供水品质和安全可靠性的要求不断提高，为满足用户的要求，就需要高效、节能的自动调节供水系统。目前，国内大部分供水泵站采用的是传统供水工艺，利用恒速水泵，手工操作，人工监控、经验管理，管网供水量的变化靠大小水泵的搭配开停加上调节阀来满足。这种传统的供水系统存在漏失多、耗能高，技术水平低，综合效率低的缺点。随着人们生活质量的提高，在生活用水方面的质量要求也越来越高。同时，由于工厂工艺的要求，对供水质量也得出了更高的要求。变频恒压供水以其环保、节能和供水质量高等优点在供水行业中越来越得到认同。在城市小区化的发展中，采用以小区或社区为统一整体的供水方案，会使设备的利用率及节能比例大大提高，并减少初始投资和占地面积。用户用水量一般是动态的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。恒压供水系统对于用户是非常重要的。在生产生活供水时，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响生活质量，严重时会影响生存安全，如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，用水区域采用恒压供水系统，能产生较大的经济效益和社会效益。随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，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；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。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。一般住宅建筑供水可分为三种方式：传统方式，将水输送到水塔或水箱，依靠自流的方式供给用户，这种方式水压波动大且水质容易受到污染；又水塔占地面积大，高位水箱一般建于楼顶，它虽然避免了水塔占地面积大的缺点，但是又人为地增加了楼房的重量，使建筑设计及楼房造价提高。气压罐供水，将水输送到气压罐，依靠气压罐内气体的压力将水输送到用户，这种方式水压波动范围是气压罐的上限和下限，供水用户较多时应选用较大的气压罐，电机频繁启动，容易损坏电机。变频调速恒压供水，这种方式现在比较流行，系统具有节能、安全、高品质供水质量的特点，可以很好地解决传统供水方案所存在的问题，电机起（制）动平衡，占地少。但是从许多正在运行中的泵房来看，绝大部分都达不到理想效果，尤其是在夜间小流量供水时，系统不能切换到副泵及气压罐供水，部分泵房即使能够切换成功，但也因系统配置不当导致系统重新切换至主泵供水，这样就影响了整个系统的节能性。为了使变频调速恒压供水系统正常节能运行，本文主要利用通用变频器，PLC和PID调节器进行设计。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，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，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，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，本设计就是采用第一种方式进行控制。1.1、变频恒压供水代替传统恒压供水的优点1) 变频恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及开水笼头时的共振现象。2) 避免了泵的频繁启动及停止，而且启动平滑，减少了电机水泵的启动冲击，增加了电机水泵的使用寿命，也避免了传统供水中的水锤现象3) 传统供水中设计有水箱，不但浪费了资金，占用了较大的空间，而且水压不稳定，水质有污染，不符合卫生标准，而采用变频恒压供水，此类问题也就迎刃而解了。4) 采用变频恒压供水，系统可以根据用户实际用量，自动进行检测，控制马达转速，达到节能效果。避免了水塔供水无人值班时，总要开启一个泵运行的现象，节省了人力及物力5) 变频恒压供水可以自动实现多泵循环运动功能，延长了电机水泵的使用寿命。6) 变频恒压供水系统保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过流、过载、过热、缺相、短路保护等功能。一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用PID调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定的短一些，以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有PID调节功能时，只要在预置时设定PID功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。1.2、恒压供水系统特点1)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；2)运行可靠：由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。3)联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。4）控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。5）自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。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。6)节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；1.3、系统应用范围采用变频恒压供水，具有高效节能，压力稳定，运行可靠，操作简单，安装方便，占地少，噪音低，无污染，投资低，效益高等优点。特别适用于：1) 自来水厂、加压泵房；2) 居民生活区、宾馆及其它建筑；3) 企业生产用水；4) 锅炉循环水系统；5) 工矿生产企业；6) 农田灌溉系统。变频恒压供水系统采用一电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力），采用一个压力传感器（反馈为420mA）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制马达转速。如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过PLC作工频/变频切换，使实际管网压力与设定压力相一致。另外，随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率，达到了节能的目的。通过上面的论述，利用变频调速技术控制水泵站，成功地解决了能耗和污染的两大难题，且自动化程度高，可靠性好等优点。从而引出了本设计系统的内容和功能要求。2 系统的理论分析及控制方案确定2.1 变频恒压供水系统的理论分析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。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：(l) 改变电源频率(2) 改变电机极对数(3) 改变转差率改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，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。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，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7，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。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。2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2.1所示。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f(Qu)。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2.1所示。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f(Qc)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。图2.1 恒压供水系统的基本特征变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。由流体力学可知，水泵给管网供水时，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；水泵的转速n与出水流量Q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2.2 管网及水泵的运行特性曲线当用阀门控制时，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，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从b3移到b1，扬程特性曲线不变。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。当用调速控制时，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的功率被浪费掉，并且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方案论证系统的控制方案的确定是整个供水控制系统的关键，设计控制系统，首先必须确定系统的控制方案，所要控制的对象和目标是什么。在此前提下进行后面的设计，设计出一个满足性能指标和功能的系统。其实针对一个控制系统来说，有很多种控制方案，但是在确定系统方案时，必须从节能、环保、经济、可靠性等方面来考虑，综合各方面的因素才确定出系统方案。本系统中设计了四种控制方案，并进行了比较分析，最后确定出系统方案。方案1： 供水系统采用水塔供水。传统的水塔供水完全依赖值班人员的手动操作，值班人员定期的把水抽到高位蓄水池里，用浮子判断蓄水池的水位高低，当蓄水池的水位达到高位时，值班人员才停止抽水，这是利用水的势能供用户供水，这种控制过程无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当地反映，而且也很难保证供水的质量。优点是控制方式简单，短时维修和断电可不停水，当用水量小时，可以长时间不在开泵。方案2： 采用气压罐供水，为了减少水泵启动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵工作在低效段，因此出水压力无谓的增加，也使浪费加大，所以这种供水方式比水塔费电，因水泵为硬起动，联轴器冲击大，起动电流大，触电易烧，当用水量比较大时，将造成电机启停频繁，电机已烧坏。优点是：控制方式简单，便于维修，当罐内水满时，容许段时间不断水维修和断电可不停水，当用水量小时，可以长时间不在开泵，这种方式适合与用水量少的场所，如办公大楼以及加油站。 方案3：单片机变频调速供水系统，该系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面两种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求也比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适与恶劣的工业环境中。方案4：采用变频调速恒压供水系统，凡是在可变转速的拖动电机，采用变频调速技术节能效果显著，这种调速技术调速性能好，运行工艺安全等优点，节能型可靠性好、取代水塔，气压罐、高位水箱等恒压供水的自动控制系统。对以上所列举的四种方案相比较，方案1与方案2在供水的方式上有所不同，这两种供水方式的可靠性不是很高，都适合与用水量不高的场合。自动化程度也差，不适合与现代工业的控制系统。但是方案1和方案2都有相同的优点，就是便于维修，控制方式简单，经济性高，但是不能满足现代的供水系统。方案4与传统的交流拖动系统相比，变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。特别是对于工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以替代传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显对于方案1、方案2来说，远远不能满足现代工业的控制，也不能满足供水的要求，变频调速恒压供水系统，供水系统管道压力恒定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期水管道压力太小的情况。采用可编程控制器来实现本次变频恒压供水系统的控制，这种控制与单片机相比较,可编程控制器的优点要比单片机要好的多。首先，可编程控制器适应工业现场的恶劣环境，可靠性高。工业生产一般要求控制设备具有很强的抗干扰能力，能在恶劣的环境中可靠的工作。而PLC在这方面有它的独到之处；采用许多评比措施以防止空间电磁干扰；采用较多的滤波环节，以消除外部干扰和各模块之间的相互影响；还采用光电隔离、联锁控制、模块式结构、环境监测和诊断电路等措施，以提高硬件的可靠性；在软件上采用了故障检测、诊断等措施；在机械结构设计和加工工艺上都都作了精心的安排。PLC的可靠性高，主要是因为它在硬件及软件两方面都采取了严格的措施。在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再者是合理的系统结构，加固简化安装，使它具有较强的抗振动冲击性能；其次，抗电磁干扰性能好。使用方便。可编程控制器编程中有一种特殊的编程方法，即使用梯形图(Ladder diagram)编程。它类似于继电器控制线路图，只要具有继电器控制线路方面的知识，就可以很快学会编程与操作，特别适合于现场电气工作者学习和使用。最后，系统扩展灵活。PLC多采用积木式结构，具有各种各样的I/O模块，以供挑选组合，便于根据需要配置成不同规模的分散式分布系统。即便是紧凑式的PLC，也可以用几个箱体进行配置。易于实现网络化，虽然其已经在人们生活的方方面面都得到应用，但其适合用在各种专用、小型、省电、可移动的设备。而单片机只是具有超低功耗。它的工作电压一般为1.83.6V之间，工作电流视工作模式不同为：0.1400。有强大的处理能力。它具有丰富的寻址方式，采用汇编语言编写程序，简单易懂。外围模块多。在设计该系统时，可以选用合适的集中芯片来实现设计的要求。单片机还可应用于测控系统，控制系统特别是工业控制系统的工作环境恶劣，各种干扰很强，而且往往要求实时控制，因此要求控制系统工作稳定、可靠、抗干扰能力强。单片机是适宜于控制领域的。由此可见，单片机和可编程控制器都可应用于供水系统，但是，考虑到设计任务书的要求，本次设计采用可编程控制器来实现恒压供水系统的实现，有上述的可编程控制器的特点来看，可编程控制器更适应于来完成该系统的实现。所以，在设计该系统时，采用可编程控制器作为控制系统，变频调速作为调速系统，来完成恒压供水系统的设计。综上所述，四种方案的拟订都可以实现供水，但是，设计出来的东西要有实用性、经济性、可靠性，所以本次设计所选择的方案是方案4，即基于PLC的变频恒压系统。2.3、控制方案通过对比论证得出了系统的控制方案。本设计的题目就是小区变频恒压供水控制系统，顾名思义就知道利用变频调速的方式来保证供水压力的恒定。恒压供水是指在供水网管中，当用水量发生变化时出口压力保持不变的供水方式。所谓变频恒压供水系统的设计与实现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，使整个控制系统中供水水泵尽量工作在最佳效率状态。通过前面的综合分析得出系统的总体控制方案图。3恒压供水原理及工艺3.1.1系统的组成和基本工作原理变频恒压供水系统主要由供水控制系统、稳压泵组、稳压气压罐等组成。系统控制示意图如图2. 1：图2. 1 变频恒压供水系统控制示意图供水控制系统 主要由交流变频调速器、可编程控制器、外围操作执行机构及保护电路、压力传感器、蓄水池液位控制器（水源缺水保护用）等组成。稳压泵组 稳压泵组主要由三台主泵和一个变频泵构成，三台主泵按照“先启先停”、“备用自投”运行，其变频泵供水扬程大于或等于主泵的供水扬程。它只在管网用户流量需求变化时自动投入变频运行，维持管网的压力，补充小流量用水或管网的渗漏，同时使主泵在管网小流量和零流量时处于停机状态。气压罐 气压罐是一种密闭容器。大流量供水时，由水泵加压，罐内贮存的气体被压缩；在小流量或零流量供水时，被压缩气体泄压膨胀，将贮存在罐内的水压输入配水管网，补充用户的小流量用水或管网的渗漏，同时使主泵在小流量和零流量用水时处于停机状态。系统由水泵机组、变频柜、压力仪表、管路系统等构成。变频柜由变频器，PLC低压电器等构成。系统控制25KW水泵3台。变频恒压供水自动控制系统工作原理如下：PLC的数据寄存器给出供水压力设定值，由 FX2N-4DA转换为模拟量的形式送入变频器PID调节器输入口AI1+、 AI1-，压力传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口AI2+、AI2-，变频器根据PID调节器调整变频水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速3。系统正常运行时，用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，并将压力信号转换为电压信号，通过FX2N-4AD，PLC每秒钟从4AD采集5次数据，并把这5次数据的平均值求出，然后与用户设定的压力值的分界值进行比较运算，计算出工频泵启动台数信号。通过对工频泵的启动和停止台数及变频泵转速的调节，及变频器对变频泵转速的调节，将用户管网中的水压稳定于用户预先设定的压力值，使供水泵组“提升”的水量与用户管网不断变化的用水量保持一致，达到“变量恒压供水”的目的。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。3.1.2系统框图及工作模式如图2.2所示，有两种工作模式，其工作情况如下：手动模式：按工作人员的自由操作，可以只启动水泵电机组的任何水泵电机。自动模式：当无液位浮力开关信号（为OFF）时，此系统水泵电机处于停机状态。当液位浮力开关有信号（为ON）时，先启动变频水泵电机；如果供水不足时，再启动1台主泵，变频水泵电机起着对流量调节，在运行过程中水泵电机按照“先启先停”、“备用自投”运行；如果还是供水不足时，启动2台主泵，变频水泵电机起着对流量调节；在运行过程中水泵电机按照“先启先停”、“备用自投”运行；如果还是供水不足时，3台主泵都启动，变频水泵电机起着对流量调节。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后1台泵变频恒压4。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9，本设计中采用前者。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。变频恒压供水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10。变频恒压供水系统的结构框图如图2.4所示：图2.4变频恒压供水系统框图恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为420mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过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。3.1.3、变频调速恒压供水系统结构连线图见图2-1。 图2-1 变频调速恒压供水系统结构连线图3.2、系统原理说明按下启动按钮SB1后，1#电动机先以变频器软启动，然后每隔100ms读入一次传感器的采样值，然后进行PID运算，通过调节输入到变频器的电压，控制电动机的转速，若管内的压力小于所需压力的下限，则定时器开始定时，定时后产生一个对变频器复位的脉冲信号，将定时器复位，同时切断1#电动机的变频接触器，将1#电动机的工频接触器闭合。接着将2#电动机的变频接触器闭合，使2#电动机软启动，若定时器定时未到，管内压力满足所需要求，则定时器放弃定时，此时1#电动机为变频运行，2#，3#电动机处于待机状态。当1#电动机工频运行，2#电动机变频运行时，如果检测到输入的电压值依然小于管内压力的下限值，则定时器启动，定时完成后，将1#，2#电动机全部置于工频运行状态，切断2#电动机变频控制的触点，同时将3#电动机的变频接触器闭合，使3#电动机软启动；如果定时未到，管内压力满足所需要求，则定时器放弃定时，此时1#电动机为工频运行状态，2#电动机为变频运行状态，3#处于待机状态。当1#，2#电动机工频运行，3#电动机变频运行时，如果检测到输入的电压值依然小于管内压力的下限值，则定时器启动，定时完成后，将1#，2#,3#电动机全部置于工频运行状态，切断2#电动机变频控制的触点，同时将3#电动机的变频接触器闭合，使3#电动机软启动；如果定时未到，管内压力满足所需要求，则定时器放弃定时，此时1#电动机为工频运行状态，2#电动机为工频运行状态，3#处于变频运行状态。如果压力传感器反馈回来的电压值超过管内压力上限所对应的电压值，经过一个短暂的5s定时后，将1#电动机从电网切除，留下2#电动机变频运行，3#电动机工频运行。此时，如果压力传感器反馈的电压值仍然超过管内雅鹿上限所对丁的电压值，再经过一个短暂的5s定时后，将2#电动机从电网上切除，只留下3#电动机变频运行，从而满足恒压供水的要求。3.3、系统方案3.3.1、系统工作过程开始时假设系统用水量不大，只有1#电动机在变频运行，2#，3#电动机处于待机状态，当用水量增加时，系统压力随之增大，1#电动机转速增加，当频率增加到50HZ最高转速运行时，意味着只有1#电动机工作满足不了此时的用水需求，这是变频器就控制1#电动机从变频运行状态切换到工频运行状态，同时让2#电动机变频启动;若从远传压力表反馈回来的压力值仍然小于设定的下限值，则让2#电动机从变频工作状态切换至工频运行状态，同时3#电动机变频启动，不断将远传压力表采集的信号与设定值进行比较，若反馈的电压值小于设定的压力下限值，则将3#电动机切换至工频运行状态。若用水量减少，则官网压力下降，变频器首先将1#电动机从电网切除，2#电动机变频运行，3#电动机工频运行；若次时管网压力继续下降，则将2#电动机也从电网切除，留下3#电动机变频运行。当用水量再次增加时，首先将3#电动机从变频运行状态切换至工频运行状态，同时变频启动1#电动机，当两台电动同时运行满足不了供水需求时，接着启动2#电动机。当用水量再次下降时，首先将3#电动机从电网切除，如果官网压力还是不能满足要求，接着将2#电动机从电网切除，只留下1#电动机变频运行。如此往复循环。3.3.2、三台电机顺序运行方框图 见图2-2。图2-2 三台电机顺序运行方框图3.3.3系统闭环控制结构图见图2-3。4系统硬件设计4.1主电路的设计基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3.2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分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；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。本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。图3.2 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。同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须通过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。图3. 2 控制电路图当想手动启动1# 泵时，按下2SB，2SB接通1KM接通1#水泵电机启动；当想手动停止1# 泵时，按下1SB，1SB断开1KM断开1#水泵电机停止；当想手动启动2# 泵时，按下4SB，4SB接通2KM接通2#水泵电机启动；当想手动停止2# 泵时，按下3SB，3SB断开2KM断开2#水泵电机停止；当想手动启动3# 泵时，按下6SB，6SB接通3KM接通3#水泵电机启动；当想手动停止3# 泵时，按下5SB，5SB断开3KM断开3#水泵电机停止。表3.1 低压电器设备主要元件及其作用 元件名作用1SB手动模式 1# 泵 停止按钮2SB手动模式 1# 泵 启动按钮3SB手动模式 2# 泵 停止按钮4SB手动模式 2# 泵 启动按钮5SB手动模式 3# 泵 停止按钮6SB手动模式 3# 泵 启动按钮1HG1 # 泵工作模式 指示灯续表3.1 低压电器设备主要元件及其作用 元件名作用2HG2 # 泵工作模式 指示灯3HG3 # 泵工作模式 指示灯4HG4 # 变频泵工作模式