毕业设计（论文）基于plc的变频调速恒压供水系统

1、 学科分类号： _ 湖南人文科技学院湖南人文科技学院 本科生毕业设计 题 目：基于 plc 的变频调速恒压 供水系统 学生姓名：学号 系 部： 通信与控制工程系 专业年级： 自动化2007级 指导教师： 职 称： 讲 师 湖南人文科技学院教务处制 湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争 议，除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。

2、 作者签名：（手写） 二 年 月 日（手写） i 基于基于 plcplc 的变频调速恒压供水系统的变频调速恒压供水系统 摘 要：随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。 本设计是针对居民生活用水/消防用水而设计的。由变频器、plc、pid 调节器 组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变 频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组 的速度和切换，使系统运行在最合理状态，保证按需供水。论

3、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，由 plc 进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。再经过 pid 运算，通过 plc 控制 变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压变量供水。运行结果表明，该系统具 有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点，实现恒压供水且有效节能。 关键词：变频调速；变频调速； plcplc；恒压供水；恒压供水；pidpid 调节调节 ii the water supply system of frequency control of constant voltage based on plc abstract: with the rap

4、id development of social economy, it demands the better of water supply s quality and reliability of water supply system. meanwhile energy resources are 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

5、technique of automation, control and communication. at the same time this system can adapt different water supply fields.it is very important of the water supply system in constant pressure for the water supply in industrial and citizen existence. it is consist of the variable frequency and speed re

6、gulation, plc, pid control system for the control system. it controls the outcome of the pumps. the generator pumps are consist of parallel three pumps, and the power come from variable frequency and speed regulation or power grid. according to the water supply of constant pressures outcome water pr

7、ess and flux, the control system control the variable frequency and speed regulation, parallel pumps speed and cut over, cause the system move in the best rational situation, assure according to wants supply water. the paper analyses the mechanism of energy saving that the way of water supply by sui

8、ng the method of variable velocity variable frequency is superior to the traditional way of constant pressure water supply controlled by valve, we use plc to carry on logic control and use inverter to modulate pressure. through pid control principle. we realize closed-loop control in vvvf providing-

9、 water system. the result indicates that system has the stable pressure , simple structure, and reliable work, the system of closed circuit can realize the constant pressure water supply and save energy efficiently. keywords : variable frequency and speed regulation; plc; water supply of constant pr

10、essure；pid control system 目目 录录 第 1 章 绪 论.1 1.1 变频恒压供水产生的背景和意义.1 1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状.2 1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状.2 1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状.2 1.3 本课题的主要工作.3 1.3.1 课题来源.3 1.3.2 研究的主要内容.3 1.3.3 工艺要求.4 第 2 章 系统的理论分析及控制方案确定.5 2.1 变频恒压供水系统的理论分析.5 2.1.1 电动机的调速原理.5 2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理.5 2.2 供水系统的设计方案确定.6 2.3 变

11、频恒压控制的理论模型.8 2.4 变频恒压供水系统的特点.8 2.5 变频恒压供水系统的基本构成.9 2.6 变频恒压供水系统工作原理及加减水泵的条件分析.10 第 3 章 供水系统的硬件设计.13 3.1 系统水泵机组的选型.13 3.2 可编程控制器的选型.14 3.2.1 可编程控制器的特点.14 3.2.2 控制系统的 i/o 及地址分配 .16 3.2.3 plc 及其扩展模块的选型 .16 3.3 变频器的选型.17 3.4 压力变送器的选型.20 3.5 液位变送器选型.21 第 4 章 系统总体设计.22 4.1 电气控制系统原理图.22 4.1.1 主电路图.22 4.1.2

12、 控制电路图.22 4.2 系统运行分析与设计.23 4.2.1 系统运行方式.23 4.2.2 供水系统软启动工作原理.25 4.2.3 系统流程图设计.26 4.2.4 程序的结构及功能实现.26 4.3 系统运行及安全分析.28 4.3.1 设备控制 3 台水泵电机.28 4.3.2 安全问题.28 第 5 章 总 结.29 致 谢.30 参考文献.31 附录.32 附录 a 系统流程图 .32 附录 b 梯形图.35 1 第 1 章 绪 论 随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人 民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控 制技术、通

13、讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。 变频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能性，方便地实现供水系统的集 中管理与监控；同时系统具有良好的节能性，这在能量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。 1.1 变频恒压供水产生的背景和意义 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

14、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。 由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省 占地、节省投资、调节能力大、运行

15、稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和 明显的经济效益与社会效益。 2 1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状 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。1964 年，最先提出把通信技术中的脉宽调制 pwm 技术应用 到交流传动中的是德国人。20 世纪 80 年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹 的磁通控制方法。从 20 世纪 80 年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家 的基于 vvvf 技术的通用变频器已商品化并广泛应用。在我国，60%的发电量是 通过电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方

16、式的改造以 节约电能，一直受到国家和业界人土的重视。现在，我国约有 200 家左右的公 司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品 和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济 的调速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内 外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频 调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了 电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速 技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力 还比较弱，对国外公司的

17、依赖还很严重。 1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状 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。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、 起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。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。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，

18、像日本 samco 公司， 就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式” 、 “变频泵循环方式”两种模 3 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 7 台电机（泵）的 供水系统。这类设备虽微化了电路结构，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（如 ba 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。目前国内有不

19、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 单片机及相应软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以 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。原 深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器（5.5kw-22kw） ， 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

20、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。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系 统的性能，使其被更好的应用于生活，生产实践2。 1.3 本课题的主要工作 1.3.1 课题来源 本课题来源于生产、生活供水的实际应用 1.3.2 研究的主要内容 本系统是三泵生活/消防双恒压供水系统，变频恒压供水系统主要由变频器、 可编程控制器、压力传感器组成。本文研究的目标是对恒压控

21、制技术给予提升， 使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速， 4 同时具有开放的数据传输。该系统可以生活供水和消防供水的双用供水系统。 1.3.3 工艺要求 对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是： （1）生活供水时，系统应低恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行； （2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出； （3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过 3 小时，则要 切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能” ，避免某一台泵工作时间 过行； （4）三台泵在启动时要有软启动功能。 5 第 2 章 系统的理论分析及控制方案确定 2.1

22、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） )1 ( p 60 s f n 式中： 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： （1） 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

23、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3，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源 频率的调速的方法及特点。 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。 6 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

24、 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

25、的工作点，如图 2.1 中 a 点。在这一点，用户的用水量 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4。 qu qc a q/(m3s-1) h 图 2.1 恒压供水系统的基本特征 扬程特性 管阻特性 qa ha 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。

26、 7 2.2 供水系统的设计方案确定 从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、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。系统主要的设计任务是 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，同时还能对运行 数据进行传输。根据系统的设计任务要求结合系统的使用场所，有以下方案供 选择5： 1.有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器 这种控制系统结构简单，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。

27、 它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但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（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感 器 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调速方便，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，因此现在调试的灵活性差，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

28、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（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器 这种控制方式灵活方便。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的控制系统。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，所以现在调试方便。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。因此该系统能适用于各类不同要求的

29、恒压供水场 8 合，并且与供水机组的容量大小无关。 通过对以上这几种方案的比较分析，可以看出“变频器+plc（包括变频控 制、调节控制）+人机界面+压力传感器”的控制方式更适合于本系统。这种控 制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及 控制精度的要求。此系统主要分析变频器，plc 及压力传感器的工作情况。 2.3 变频恒压控制的理论模型 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着设定的供水压力。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，在第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

30、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。从图 2.2 中可看出，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 输出频率的增加值，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

31、实际供水压力 和设定压力相等。 pid 变频器 水泵 管网 压 力 传 感 器 给定参数频率转速 反馈参数 图 2.2 变频恒压理论模型 9 2.4 变频恒压供水系统的特点 变频恒压供水系统主要有以下几个特点： 1. 节能，可实现节电 20%40%； 2. 占地面积小，投入少，效率高； 3. 配置灵活，功能齐全，自动化程度高； 4. 运行合理，由于是软起和软停，不仅可以消除水锤效应，而且电机轴 上的平均扭矩和磨损减小，水泵的使用寿命大大提高，减小了纪维修量和维修 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； 6. 通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力；

32、 2.5 变频恒压供水系统的基本构成 恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可 靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大 电机肯定是浪费的。电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有 维修的时候，备用泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定， 水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。 这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机 与变频器间不需切换，但购变频器的费用较高。另一种方案是数台电机配一台 变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。其余水 泵工

33、频运行，以满足不同用水量的需求。 图 2.3 为恒压供水系统构成示意图。图中压力传感器用于检测管网中的水 压，常装设在泵 2 的出水口。当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升 高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。 调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能： （1）设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低需要设定。 供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常 10 工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消 防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高 一些。 （2）接收传感器送来的管网

34、水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制 装置成为反馈，调节器是反馈的接收点。 （3）根据给定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。 调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测 值之差。如给定值大于实际值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机 的转 m 压力传感器 pid变频器 工频/变频 切换电路 市网自 来水 开关 开关开关 图 2.3 恒压供水水站示意图 速，如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都是由调节器的输出 信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作中还有个调节 规律问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调

35、节，俗称 pid 调节器。 调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节 器多为数字式调节。 调节器的输出信号一般是模拟信号，420ma 变化的电流信号或 010v 间 变化的电压信号。信号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工 作。在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。 11 2.6 变频恒压供水系统工作原理及加减水泵的条件分析 合上空气开头，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统 进入全自动运行状态，plc 中程序首先接通 km2，并起动变频器。根据压力设 定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进 行 pid 调

36、节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先 设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范 围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号 送给 plc，plc 则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达 上限的信号，由程序判断是否要起动第 2 台泵（或第 3 台泵） 。当变频器运行频 率达到上限值，并保持一段时间，则 plc 会将当前变频运行切换为工频运行， 并迅速起动下 1 台泵变频运行。此时 pid 会继续通过由远传压力表送来的检测 信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压 力设定值的上

37、、下限偏差范围之内。 系统增泵工作过程：假定增泵顺序为 1、2、3 泵。开始时，1 泵电机在 plc 控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力 预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频 率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过 程。在 plc 的逻辑控制下将 1 泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1 泵电机 切换到工频运行，同时变频器与 2 泵电机连接，控制 2 泵投入调速运行。如果 还没到达设定值，则继续按照以上步骤将 2 泵切换到工频运行，控制 3 泵投入 变频运行。 减泵工作过程：假定减泵顺序依次为 3、2、

38、1 泵。当供水压力大于预置值 时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率到达下限，并 稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值， 则将下一台水泵由工频运行切换到变频调速运行，并继减泵工作过程。如果在 晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力 仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果6。 在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵已运行在上限频率，此时 管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达 12 到恒压的目的。当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵已运行在下限频率， 此时管网

39、的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速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。 尽管通用变频器的频率都可以在 0-400hz 范围内进行调节，但当它用在供 水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。当正在变 频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在 50hz 时进行。 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。当变频器的输出频率已经到达 50hz 时，即使实际供水压力仍然低于设 定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，

40、正如前 面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。另外， 变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是 0hz。其实，在实际应用中，变 频器的输出频率是不可能降低到 0hz。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向 管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向 的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当 电机运行频率下降到一个值时，水泵就已经抽不出水了，实际的供水压力也不 会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频 率。这个频率远大于 0hz，具体数值水泵特性及系统所使用的场所有关，一般 在 20hz 左右。

41、由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器 的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。 在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组切换。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 1-2 分钟） ，如果在这一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。 13 第 3 章 供水系统的硬件设计 3.1 系统水泵

42、机组的选型 根据第二章中所阐述的基于 plc 的变频恒压供水系统的原理，系统的电气 控制总框图如图 3.1 所示： a/d 模块可编程控制器 plc通讯模块变频器 水泵机组 软启动、自耦 变压器人机界面 压力流量 等传感器 故障、状态 等量输入 报警、故障 等量输出 上位机、组 态等 图 3.1 系统的电器总框图 由以上系统电气总框图可以看出，系统所需要的主要硬件包括： （1）水泵机组、变频器 （2） plc 及扩展模块 14 （3）压力变送器及数显仪 水泵机组的选型基本原则，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。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵 型必须

43、与系统的用水量的变化幅度相匹配。本文以某小区的实际生活用水的数 据进行选型，该小区生活用水具体要求为： （1）由多台水泵机组实现供水，流量范围 600m3/h，扬程 60 米左右，出水 口水压大小为 0.4mpa； （2）设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水；供水压力要求恒定， 尤其在换泵时波动要小； （3）系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能，各主泵 均能可靠地实现软启动； （4）具有完善的保护和报警功能，系统要求较高的经济运行性能。 根据以上系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和 设计供水压力（水泵扬程） ，考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定

44、采 用 3 台上海熊猫机械有限公司生产的 sfl 系列主水泵机组，型号及参数见表 3.1. 表表 3.13.1 泵组型号泵组型号 型号 数 量 流 量 m3/h 扬 程 m 效 率 % 转 速 r/min 电机 功率 kw 气蚀 余量 m 进出 口径 mm 泵 组 150sfl160-20 x43 112 160 192 88 80 66 66 73 68 145055 2.9 3.6 3.8 150 sfl 型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用 铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高 5%以上；采用低噪音电机，机械密封， 前端配有泄压保护装置，噪声更低（室外噪音 60

45、分贝） 、磨损小、寿命更长； 下轴承采用柔性耐磨，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型 先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不 挥发、弱腐蚀介质一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水 等。国外生活泵均采用此种形式，而不采用 dl 型泵，dl 泵是 60 年代产品。 15 3.2 可编程控制器的选型 3.2.1 可编程控制器的特点 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

46、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。它具有以下特 点7： （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。 表表 3.23.2 输入输出点代码及地址编号输入输出点代码及地址编号 名 称代 码地址编号 手动和自动消防信号sa110.0 水池水位下限信号sll10.1 水池水位上限信号slh10.2 变频器报警信号su10.3 消铃按钮sb910.4 试灯按钮sb1010.5 变频器输出频率极限信号sfl10.6 输 入 信 号 远程压力表模拟量电压值upaiw0 1#泵工频运行接触器及指示

47、灯km1,hl1q0.0 1#泵变频运行接触器及指示灯km2,hl2q0.1 2#泵工频运行接触器及指示灯km3,hl3q0.2 2#泵变频运行接触器及指示灯km4,hl4q0.3 3#泵工频运行接触器及指示灯km5,hl5q0.4 3#泵变频运行接触器及指示灯km6,hl6q0.5 输 出 信 号 生活消防供水转换电磁阀yv2q1.0 16 （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。

48、为了适应各种工业控制需要，除单元式的小型 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

49、模块的方法，使系统迅速恢复运行。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。 3.2.2 控制系统的 i/o 及地址分配 将系统所有的输入信号和输出信号统一进行编址，该系统有 8 个输入信号 和 13 个输出信号，表 3.2 是将控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编 号。 3.2.3 plc 及其扩展模块的选型 plc 是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号 水池水位下限报警指示灯hl7q1.1 变频器故障报警指示灯hl8q1.2 火警报警指示灯hl9q1.3 报警电铃haq1.4 变频器频率复位控制kaq1.5 控制变频器频率用电压

50、信号ufaqwo 17 的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在 选择 plc 时，要考虑 plc 的指令所选速度、指令丰富程度、内存空间、通讯 接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于恒 压供水系统控制设备相对较少，因此 plc 选用德国 siemens 公司的 s7-200 型。 s7-200 型 plc 的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小 型控制系统。siemens 公司的 plc 具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富 的通信指令，且通信协议简单等优点；plc 可以上接工控计算机，对自动控制 系统进行监测控制。p

51、lc 和上位机的通信采用 pc/ppi 电缆，支持点对点接口 （ppi）协议，pc/ppi 电缆可以方便实现 plc 的通信接口 rs485 到 pc 机的通 信接口 rs232 的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护8。 根据控制系统实际所需端子数目，考虑 plc 端子数目要有一定的预留量， 因此选用的 s7-200 型 plc 的主模块为 cpu226，其开关量输出为 16 点，输出 形式为 ac220v 继电输出；开关量输入为 24 点，输入形式为+24v 直流输入。 由于实际中需要模拟量输入点 1 个，模拟量输出点 1 个，所以需要扩展，扩展 模块选择的是 em235，

52、该模块有 4 个模拟输入（aiw） ，1 个模拟输出 （aqw）信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成 a/d 的转换，标 准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；输出信号接出端口时能 够自动完成 d/a 的转换，一个字长（16bit）的数字信号能够转换成标准输出信 号。em235 模块可以针对不同的标准输入信号，通过 dip 开关进行设置。 3.3 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9： (3.1)）（k

53、va cos kp p m cn (3.2)）（kva10iu3kp 3 mmcn 18 (3.3)）（akii mcn 式中：pm：负载所需要的电动机的输出功率； ：电动机的效率（通常在 0.85 以上） ； cos：电动机的功率因数（通常在 0.8 以上） ； um：电动机电压（v） ； im：电动机工频电源时的电流（a） ； k：电流波形的修正系数，对 pwm 方式，取 1.0-1.05； icn：变频器的额定电流（a） 。 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， 尤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 种类型；普通功能型 u/f

54、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。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。综合以上因素，系统先用专为 风机、泵用负载设计的普通功能型 u/f 控制方式的富士变频器 frn55p11s- 4cx，此为富士变频器低噪声高性能多功能变频器，为风机、泵用的 p11s 系列， 功率范围为 7.5-500kw，该系列有自带操作面板。功率大于 75kw 以上的，有自 带直流电器。可以使用延伸电缆选件，可简单地实现远方操作。高性能和多功 能的理想结合，动态转矩控制，能在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制， 具有

55、 pg 反馈更高性能的控制系统，新方式在线自整系统，能使电机低转速时脉 动大大减小，更方便了使用的键盘面板，适应了各种环境的结构。其特点为： 采用富士电机独自开发的动态转矩矢量控制方式，在 0.5hz 时的起动转矩可达 到 200%；具有包括自整定功能在内的许多方便功能；小型、全封闭防护结构 （22kw） ，容量范围 0.2-400kw，机种规格齐全。p11s 系列有它内在的性能以及 功能，即动态转矩矢量控制、带 pg 反馈更高的性能的控制系统、电动机低转速 时脉动大大减小、新方式在线自整定系统、优良的环境兼容性。具有各种通信 功能，丰富的实用功能，保护功能。变频器内置 pid 控制模块，也可

56、用于闭环 控制系统，实现恒压供水。 富士 frn55p11s-4cx 变频器的主要性能及参数为： 额定容量： 85（kva） 19 额定输出电流： 112（a） 过载容量： 110%额定输出电流/1 分钟 启动转矩： 50%以上 适配电机容量： 55（kw） 表表 3.33.3 变频器功能码设定变频器功能码设定 变频器 端子 现场器件与端子连线 功能代码参数预置注释 fwdplc 的 q1.5复位/运行变频器 y2plc 的 i0.6e21 1 变频器极限信号输出 30aplc 的 i0.3变频故障总报警信号 30cplc 公共端 公共端 cmplc 公共端 控制面板f1549.5上限频率 f

57、1635下限频率 c1plc 的 aqwqh211端子 c1（4-20mand）输入 系统中变频器的输入信号有两种，一种是控制信号，它包括 plc 输给变频 器的 fwd 信号和 plc 经过 pid 数字运算后输出给变频器的信号；另一种是输入 电源信号。尽量不要用主电路电源 on/off 的方法控制变频器的停止和运行，应 该用该控制电路端子 fwd、rev 或者键盘面板上 rev、fwd 和 stop 键控制变频器 的停止和运行。变频器的输出信号也有两种，一是送 plc 的变频器故障信号和 变频器 n u v w m n（-） r s t p p1 p（-） + db 改善功率因素的 直流电

58、抗器 l1 l2 l3 主电源 ac380v 三相 空气断路器 辅助电源 ac380v g g 30a 变频器总故障 报警信号 30 30b 30c 13 12 11 频率设定电位器 a 控制变频器频率 用电压信号 模拟频率计 060hz 模 拟 量 输 入 c1 fma y5a y5c 可选信号继 电器输出 plc fwd rev hld bx thr rst x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 cm 控制变频器的复位/运 行的信号 自由停车 外部报警信号 故障复位信号 控 制 输 入 dx（-）dx+ sd rs458通信 cme y1 y2 y3 y4 晶 体 管 输

59、出 变频器极限 输出 制动单元 制动电阻 p db 图 3.2 变频器的接线图 极限输出信号这三个输出控制信号，变频器的极限上下限信号可通过其控制面 板 设定。另一种是送水泵的变频器输出电源信号。变频器运行时，当需要进行频 繁制动或高转矩制动时，应按照规定连接制动单元和制动电阻。它们分别有其 过热保护装置连接 1、2 端接至变频器的 thr，cm 端子。另外电机也有它们的过 载保护装置也是接至变频器的 thr 端。变频器的各个端子可以通过功能码设置 20 其输出信号。表 3.2 为变频器功能码设定，图 3.2 为变频器连线图。 变频器的主电路输出端子（u,v,w）经接触器接至三相电动机上，当旋

60、转方 向与工频时电动机转向不一致时，需要调换输出端子（u，v，w）的相序，否则 无法工作。变频器和电动机之间的配线长度应控制在 100m 以内。在变频器起动、 运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子 fwd（rev）来操作，不得以主电路空气开关 qf2 的通断来进行。为了改善变频 器的功率因素，还应在变频器的（p1，p+）端子之间接入相应的 dc 电抗器。变 频器接地端子必须可靠接地，以保证安全，减少噪声。在电动机三相电源输入 端前接入电流互感器和电流表，用来观察电机工作电流大小，设计三相电源信 号指示。 3.4 压力变送器的选型 压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在