变频调速恒水位供水控制系统设计

1、第一章1.1变频调速恒水位供水的目的和究意义近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到 1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有 175.7 升增加到241.1升，增长了 37.2%1,与此同时我国城市家庭人均日生活用水量 也在逐年提高。钦州市是广西壮族自治区的港口城市， 随着城区的扩大和工农业 的发展，钦州市城区用水量急剧上升，城区居民生活用水和工业用水总量从 1994 年的1700多万吨激增到2000年的7500多万吨。在用水量高峰期时供水量普遍 不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水的水位要 求变化较大，仅仅靠

2、供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的 达到目的。这种情况造成用水高峰期时水位达不到要求，供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标，压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压 力过高容易造成爆管事故）。广西壮族自治区钦州市自来水公司第一供水厂是该市城区内的唯一的供水 厂，是在解放前的老水厂基础上改造扩建而成的。 供水厂以前虽然也进行过一些 技术改造，但是生产系统大部分仍然采用人工手动控制，生产过程中的重要参数仍然依靠人工定时记录，例如清水池水位、电机运行时间、耗电量等都是由值班 人员定时记录。随着地区经济的发展，城区居民生活用水和工业用水量大幅度上 开。经过改造和扩建，供水

3、厂目前的日供水能力在 7.5万立方米左右，仍然不能 完全满足用水需求。由于城区用水量中居民生活用水所占的比例比较大，用水量 的需求具有时变性。在用水高峰期时，清水池的水位达不到要求高度，管网压力达不到规定的标准压力，造成高层建筑断水。用水低峰期时，管网压力经常超过 规定的压力上限，极易造成爆管事故并且能源损耗严重。供水厂原有的生产设备 的控制方式比较落后，控制过程烦琐，大部分需要人工进行手动操作，能耗高，而且不能保证供水压力达到压力标准。 此外， 水厂作为城市供水系统的重要组成部分，其日常的生产、计划、运行和管理都直接影响到城市的安全供水。长期以来水厂各部门的管理人员采用传统的人工管理模式，

4、通过手工从事繁重的业务管理、各种日报表、月报表、年报表的统计汇总等工作。由于对大量的统计报表的基础数据缺乏科学的分析手段， 因此很难为运行管理以及调度提供强有力的决策支持。供水厂希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件， 改变传统的落后管理方式， 使管理工作规范化， 提高水厂的业务管理水平。 由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统， 所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行， 设计一套取水和供水的自动控制系统， 克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问

5、题， 降低能源消耗和资源浪费， 提高设备的可维护性和运行的可靠性， 以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理， 提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。系统对控制水位的模糊控制进行研究。本控制系统将模糊控制、 PLC 、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，发挥各自优势，并设计了配套的界面美观、操作方便的自动控制系统，使得系统调试和使用都十分方便， 而且大大简化了水厂在管理、 数据统计和分析等方面的工作量。 实践证明， 本系统不仅满足了生产的需要， 提高了整个水厂的整体管理水平， 而且仅节约用电一项就为

6、水厂创造了巨大的经济效益。 由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的前景， 本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。1.2 变频调速技术的特点及应用作为高性能的调速传动，直流发电机-电动机调速控制方法长期以来一直应 用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。 使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多，例如无极调速、有极调速、定子调压调速、用级调速、变频调速等。但是因为各种 各样的缺点没有得到广泛的应用。70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺

7、点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方 便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，具变频调速技术在小型化、低成本 和高可靠性方面占有明显的优势。到 80年代末，交流电机的变频调速技术迅速 发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变 成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源 拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电 机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变 频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电40%60%,节水 15%

8、 30%1。由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整 特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化 水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大 容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设 备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交 流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器 4 o自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。 变 频调速包水位供水设备以其节能、 安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历

9、了一次飞跃。包压、包水位供水调速 系统实现水泵电机无级调速，依据用水位的变化自动调节系统的运行参数， 在用 水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定和水位 恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得 到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充 分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本， 保证产品质量等方面有着非常重要的意义。新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有 无法比拟的优势，而且具有显著

10、的节能效果。包压、供水调速系统的这些优越性， 引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技 术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向 发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程， 早期的单泵调速包压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简 易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、 电机运行效率低，而多泵调速系统 投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计， 很快发展成为主导 产品。

11、1.3 可编程序控制器的特点及应用早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller, PLC),主要用来代 替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

12、、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

13、功能。在发达工业国家， PLC 已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 4 。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 4,5,6 ：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

14、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

15、，用户可以通过更换模块 的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得PLC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、自动加帆、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等7,8,9,10。 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。1.4毕业设计任务本次毕业设计课题是变频调速包水位供水系统，我的主要任务是应用软件设 计和模糊控制器的设计，大体为以下五项内容：1 .变频调速包水位供水系统现状和发展主要介绍其系统的目的和意义，变频器的发展史一直到广泛应用，

16、随着技术的发展，具优越性越来越多，主要是 节能、包压、综合技术的集成等，以后将朝大容量、小体积、高性能、易操作、 寿命高、可靠性强、无公害化发展；介绍了 SIEMENS公司的产品系列史，PLC 与其它工业装置的比较：PLC与继电器控制系统，与集散控制系统，与工业控制 计算机。以及其特点。2 . 变频调速恒水位供水系统的理论原理以及总体方按的设计主要是变频器的构成、控制方式和形式，控制方式有三种形式：V/F控制、转差频率控制、 矢量控制；变频器的节能、调速原理；变频器的工况点的确定和能耗机理分析， 以及系统调速范围的确定。变频调速包供水系统方案；控制系统的工作过程 系 统的工作过程分为以下三个工

17、作状态：1#电机变频启动；1#电机工频运行，2#电机变频运行；2#电机单独变频运行；变频工频切换技术解决方案。3 .系统硬件设计（主电路、控制电路）；P LC接线图设计，包括输出输入 上元件的分配及编号，PLC模块由CPU226,两块数字扩展模块，一块扩展模块 所构成。4 .应用软件设计（PLC程序设计） 主要介绍了编程软件的特点、语言和 梯形图其本绘制规则；控制系统程序设计主要包括七大程序，分别是初始化程序、 停机程序、阀门开关程序、水泵电机启动程序、小功率电机变频 /工频切换程序、 报警程序；整个系统程序的工作过程以及编程中应注意的细节。5 .恒水位供水系统的 Fuzzy控制器设计及 Si

18、mulink仿真研究 主要介绍模糊控制的概念和特点以及模糊控制器的设计，并且运用MATLAB!彳T Simulink仿真研究总之，在本次设计中，必须完成图表：论文说明书、主电路图、控制电路图、 PLC接线图、PLC程序结构框图、PLC程序设计梯形图。第二章变频调速恒水位控制系统的方案设计2.1 变频器的控制方式变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾经出现过多种类型的变频器，但目前成为市场主流的变频器基本上有着图21所示的基本结构。图21变频器的基本结构变频调速的控制方式经历了 V/F控制、转差频率控制、矢量控制的发展，前 者属于开环控制，后两者属于闭环控制，正在发展的是直接转矩

19、控制。1、V/F控制异步电动机的转速与定子电源频率f和极对数有关，改变f就可以平滑的调 节同步转速，但是频率f的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象， 所以在改变f的同时，还需要调节定子的电压，使气隙磁通保持不变，电动机的 效率不下降，这就是V/F控制。V/F控制简单，通用性优良。2、转差频率控制由电机学的基础知识可知，异步电动机转矩 M与气隙磁通、转差频率f2 的关系为：M 工中2 f 2 （2-1）只要保持气隙中磁通一定，控制转差频率f 2就可以控制电动机的转矩，这就 是转差频率控制。3、矢量控制矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电动机

20、的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电动机一样的优良的调速性能。2.2 变频调速的节能、调速原理一、水泵工况点的确定以及变化11,36水泵工作点（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。如果把某一水泵的性能曲线（即H-Q曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中（图2-2）,则这两条曲线的交点A,就是水泵的工作点。 工作点A是水泵运行 的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在 A点。若把水泵的效 率曲线4-Q也画在同一坐标系中，在图 2-2中可以找出A点的扬程Ha、流量 Qa以及效率&

21、quot;a。从图2-2中可以看出，水泵在工作点 A点提供的扬程和管路所需的水头相等， 水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是 有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时， 平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证水图2-2水泵工作点的确定工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重 要问题。在变频调速包水位供水过程中，水泵工况点的变化如图23所图23水泵工况点的变化当P1、P2高于P0时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线A1、A2向A0方向变化，此时水泵转速逐渐降低，管网口

22、压力也由P2、P1逐渐下降，当P'低于P0时，其工况点变化与上述相反即由 A1'逐渐向A0移动，使管网系统供水始终保持恒定图2-4水泵变速恒压工况当管网用水由Q2、Q1晌Q0移动时,根据2-4图水泵变速恒压工况分析: 通过改变水泵转速使P0保持恒定。二、变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程交流电动机的转速 n与电源频率f具有如下关系：n =60 f(1-s)/p(22)式22中：p-极对数,s-转差率因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n。改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线

23、改变，达到调节水泵工况目的。当管网负载减小时，通过 VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从 ni 降低到龛。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速n,可使供水泵流量Q、 扬程H和轴功率N以相应规律改变37。Q1/Q2=n1/n2(23)H1/H2=(n1/n2)2(24)3P1/P2 =(n1/n2)3(25)或H =KQ2(26)式26是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线在变频调速包水位供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电 源的频率f来改变电机的转速n,从而改变水泵性能曲线得以实现的。其工况调 节过程可由图2

24、-5来说明。图2-5变频调速恒压供水水泵工况调节图由图2-5可见，设定管网压力值（扬程）为 Ho,管网初始用水量为Qa,初始工 况点为A,水泵电机的转速为ni,工作点A的轴功率即为AHoOQa四点所围的 面积。当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成 4-20A电流信号送往模糊调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率降低 的信号，从而降低电机转速至 n2,水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线 下降的，也就是从点A移至B点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应 减小.。包压供水系统中压力值恒定在 Ho,因此水泵工作点又沿着转速n2所对应的 水泵性能曲线从点B移至C

25、点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵 运行在新的工作点C点，在图3中可以找出C点的扬程He、流量Qc以及效率 % ,工作点C的轴功率即为CHoOQe四点所围的面积。考察水泵的效率曲线九Q,水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内， 也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。三、变频调速包水位供水系统调速范围的确定考察水泵的效率曲线”-Q,水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内,也就是不要使变频器频率下降得过低， 避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范 围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水 泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调

26、速范围， 在实际配泵时扬 程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上, 也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在 50%-100%范围 内变化，电动机的效率基本上都在高效区。2.3 系统的方案设变频调速包水位供水系统构成如下图所示，由可编程控制器、变频器、水泵 电机组、水位传感器、工控机以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器拖 动4台电动机的起动、运行与调速，其中两台大机(220KW)和两台小机 (160KW,160KW分别采用循环使用的方式运行。PLC上接工控计算机，水位传感 器采样水池水位信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PL

27、C的模糊 模块,PLC根据这两个信号经模糊运算，发出指令，对水泵电机进行工频和变频 之间的切换。PLC上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒水位供水系统进 行监测控制。如图2-6所示：图2-6变频调速包水位供水自动控制系统组成匚2.4 系统工作过程根据现场生产的实际情况， 白天一般只需开动一台大泵和一台小泵， 就能满足生产需要， 小机工频运行作恒速泵使用， 大机变频运行作变量泵； 晚上用水低峰时， 只需开动一台大机就能满足供水需要。 因此可以采用一大一小搭配的分组方式进行设计，即把1#水泵电机（160KW ）和2#水泵电机（220KW ）为一组，3#水泵电机（160KW ）和4#水泵电机（2

28、20KW ）分为一组。两组采用循环使用的方式运行，自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。分析自动控制系统的机组I （ 1#、2#水泵电机）工作过程，可分为以下三个工作状态： 1） 1#电机变频起动；2）1#电机工频运行，2#电机变频运行；3） 2#电机单独变频运行。 一般情况下， 水泵电机都处于这三种工作状态之中， 当源水的水 位发生变化时， 管网压力也就随之变化， 三种工作状态就要发生相应转换， 因此 这三种工作状态对应着三个切换过程。1 .切换过程I1#电机变频起动，频率达到50HZ,1#电机工频运行，2#电机变频运行。系统 开始工作时，水池水位低于设定水位下限 hi

29、,按下相应的按钮，选择机组I运行， 在 PLC 可编程控制器控制下 , KM2 得电， 1#电机先接至变频器输出端，接着接通变频器 FWD 端， 变频器对拖动1#泵的电动机采用软起动，1#电机起动，运行一段时间后，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频f 0 （即50HZ ） ，可编程控制器发出指令，接通变频器BX 端，变频器FWD 端断开， KM2 失电，1#电机自变频器输出端断开， KM1 得电1#电机切换至工频运行。1#电机工频运行后 ,开启1#泵阀门，1#泵工作在工频状态。接着KM3 得电，2#电机接至变频器输出端,接通变频器FWD 端，变频器BX 端断开,2#电机开始软起动，运

30、行一段时间后，开启2#泵阀门，2#水泵电机工作在变频状态。从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到水池水位达到设定值为止。2 .切换过程H由1#电机工频运行，2#电机变频运行转变为2#电机单独变频运行状态。当晚上用水量大量减少时，水压增加，2#水泵电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机转速下降，水泵输出流量减少，当变频器输出频率下降到指 定值fmin ,电机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压上限Ph时(2#电机f = fmin,P >Ph ),在PLC可编程控制器控制下，1#水泵电机从工频断开，2#水 泵继

31、续在变频器拖动下变频运行。3 .切换过程出由2#电机变频运行转变为2#电机变频停止，1#电机变频运行状态。当早晨 用水量再次增加时，2#电动机工作在调速运行状态，当变频器输出频率增至工频fo (即50Hz),水池水位低于设定水位上限 H时，接通变频器BX端，变频器 FWD端断开，KM3断开，2#电机自变频器输出端断开； KM2得电,1#电机接 至变频器输出端；接通变频器 FWD端，与此同时变频器BX端断开,1#电机开始 软起动。控制系统又回到初始工作状态I ,开始新一轮循环。在PLC程序设计中，必须认真考虑这三个切换过程，才能保证系统在一个工作周期内实现正常切换与运行。1#和2删组工作过程流程

32、图如下：图2-7机组I工作过程流程图若选择机组H （ 3掰口 4#水泵电机）运行，其工作过程和上面类似第三章控制系统硬件设计3.1 主电路设计图3-1电流互感器的接线图在硬件系统设计中，采用一台变频器连接4台电 动机，其中1#、3#水泵电机是小机，具有变频/工频 两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频 电源和变频器输出电源相联；2#、4#水泵电机是大 机，只有变频工作状态，每台电机只通过一个接触器与变频输出电源连接。 变频器输入电源前面接入一个自动空气开关， 来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据大机的额定电流来确定。对于有变频/ 工频两种状态的1#和 3#电动机，还需

33、要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关， 来实现电机的过流过载保护接通， 空气开关的容量依据小机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前的工作电流，必须在每台电机三相输入电源前面都接入两个电流互感器， 电流互感器和热继电器、两个电流表连接，如图 3-1 所示。两个电流表一个安装在控制柜上，另一个安装在控制台上， 可以方便地观察电机的三相工作电流， 便于操作人员监测电机的工作状态。同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。变频器主电路电源输入端子（ R、 S、 T ）经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子（

34、 U、 V 、 W ）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子（U、V、W）的任意两相。特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性， 否则在变频工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。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，不得以主电路的通断来进行。 另外为了改善变频器的功率因素， 还需配置相应的 DC 电抗器， 变频器的P1,P+端子是连接DC 电抗器之用。水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反转， 实现阀门的开启

35、和关闭。对于系统中真空泵控制电路， 使用一台三相交流异步电动机和 4 个两位两通电磁换向气阀组成抽取真空的回路。 每次抽真空的时候， 需要预先决定需要抽真空的水泵， 然后先开启真空抽取电动机， 接着开启控制要抽真空的水泵的电磁换向气阀， 这样就能实现系统要求的抽取真空的功能。 如有必要， 在系统中这样还可以安装多台真空泵，实现同时抽取多台水泵真空，确保系统的正常工作。3.2 控制电路设计在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照 PLC 的程序逻辑来完成的。为了保护 PLC 设备， PLC 输出端口并不是直接和交流接触器

36、连接，而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。在PLC 输出端口和交流接触器之间引入中间继电器， 其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离， 保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。控制电路之中存在电路之间互锁的问题， 由于控制系统是实现分组的组内自动循环， 所以电路的自锁包括组内互锁和组间互锁。 组内互锁是指同一组中电动机的互锁，组间互锁是指不同机组之间电动机的互锁。在实现组内互锁的时候，严禁出现一台电动机同时接在工频电源和变频电源的情况， 同时要求变频器始终只与一台电动机相连， 而且当大容量电动机变频工作的时候， 小容量电动机要么是工频工作运行， 要么是停止工作。 所以

37、在大容量电动机变频工作的时候， 要自动切断小容量电动机的变频控制电路。 控制电路的组间互锁是通过输入按钮， 控制 PLC 的输入端口来实现的，当选择一组机组运行时，按下另一组起动按钮则为无效操作。控制电路中还必须考虑系统电机和阀门的当前工作状态指示灯的设计， 为了节省 PLC 的输出端口，在电路中可以采用 PLC 输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭， 指示当前系统电机和阀门的工作状态。3.3 PLC 配置1 S7-200型 PLC 的特点15由于恒压供水自动控制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-

38、200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性能/价格比，广泛适用于一些小型控制系统4 。 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。 PLC 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，通信传输速率为 9.6Kbaud 或19.2Kbaud。用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护 37。2 PLC 的开关量输入、输出点PLC 的输入、 输出点数的确

39、定根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。变频调速恒压供水自动控制系统采用分组运行的方式，把1#水泵电机（160KW）和2#水泵电机（220KW）分为机组I , 3#水泵电机（160KW） 和4#水泵电机（220KW）分为机组H。两组采用循环使用的方式运行，自动控 制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。 要求控制的现场设备有四台电机接触器的动作， 四个阀门正反转， 变频器的控制端子， 热继电器输入及报警等。 PLC 输入输出端口地址的分配如下表3-1 所示。（ 1）输入端口自动控制系统PLC的输入端口包括机组I启动按钮，阀门关闭按钮，电机 停止按钮，以及机组II启

40、动按钮，阀门关闭按钮，电机停止按钮。另外 PLC输 入端口还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。（ 2） 输出端口PLC的输出端口包括机组I内控制1#电机两个交流接触器的动作，分别对应变频/工频两个工作状态，1#水泵相应阀门的正反转，2#电机变频运行的交流接触器动作，2#水泵相应阀门的正反转。机组II内控制3#电机变频/工频运行的两个交流接触器,3#水泵相应阀门的正反转，4#电机变频运行的交流接触器动作，4#水泵相应阀门的正反转。PLC 与这些交流接触器的连接是通过中间继电器来实现的，可以实现控制系统中的强电和弱电之间的隔离，保护 PLC 设备，增强系 统工作的可靠性。

41、对于变频器，不仅需要一个中间继电器来控制变频器的 FWD和CM的通断,来实现变频器的运行和停止；而且需要一个中间继电器来控制变频器的BX和CM的通断，断开变频器输出，实现变频/工频的切换。此外，对于电动机的热保护继电器输入，报警指示输出既需要四个端口显示 哪一台电机故障，也需要一个输出端子进行蜂鸣器报警输出。表31可编程控制器输入、输出端口（ I/O）地址分配表名称端口地址I/O中间继电器备 注XSM1234I0.0SB1国几XCV1234I0.1SB2关阀X12I0.2SB3选择（1#和2#）水泵电机运行X34I0.3SB4选择（3#和4#）水泵电机运行XBJ1I0.4BJ11#电机报警开关

42、XBJ2I0.5BJ212#电机报警开关XBJ3I0.6BJ33#电机报警开关XBJ4I0.7BJ44#电机报警开关YFWDQ0.0FWD变频器的FWD CM端子YBXQ0.1BX变频器的BX CM端子YVF11Q0.2YVF11#变频运行YWF11Q0.3YWF111#工频运行YWF12Q0.5YWF2，#工频运行YKF11Q0.6YKF11#开阀YGF11Q0.7YGF11#关阀YKF12Q1.0YKF22#开阀YGF12Q1.2YGF22#关阀YBJ1Q1.3YBJ111#报警YBJ2Q1.4YBJ22#报警YBJ3Q1.5YBJ33#报警YBJ4Q1.6YBJ414#报警YFMQ1.7

43、YFM峰鸣报警器YVF21Q3.0YVF33#变频运行YWF21Q3.1YWF3r 3#工频运行YWF22Q3.3YWF44#工频运行YKF21Q3.4YKF33#开阀YGF21Q3.5YGF33#关阀YKF22Q3.6YKF44#开阀YGF22Q3.7YGF44#关阀3. PLC的模拟量输入、输出点自动控制系统PLC的模拟输入端口包括压力传感器检测的水位信号，水位 信号是以标准电流信号420mA进行传输的；变频器反馈的电机频率信号，电 机频率信号是010V的电压信号。4. PLC的选型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， 为以后新设备的介入或设备调整留有余地，

44、因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU266,其开关量输出（DQ）为16点，输出形式为 AC220V继电器输出； 开关量输入CPU266为24点，输入形式为+ 24V直流输入。由于实际的开关量 输出有22点，所以需要扩展，扩展模块选择的是两个EM222型模块，该模块有 8个开关量输出点，输出形式为 AC220V继电器输出。止匕外，为了方便的将水位信号、电机频率信号和同相比较信号传输给PLC,经比较计算后转换为相应的控制信号，选择了EM235模拟量扩展模块。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

45、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。系统中PLC的选型包括一个CPU266主模块，两个EM222扩展模块，一个 EM235模拟量扩展模块。如此PLC总共有24个数字信号输入，32个数字信号 输出，以及4个模拟输入信号，1个模拟输出信号。输入和输出均有余量，可以满 足日后系统扩充的要求。第四章 PLC 的设计PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP-7 MOCRO/WIN32 V3.1 编程 软件开发，该软

46、件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形 图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言38。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编 语言， 特别适合于来自计算机领域的工程人员， 它使用指令助记符创建用户程序， 属于面向机器硬件的语言。梯形图 (LAD) 语言最接近于继电器接触器控制系统中 的电气控制原理图， 是应用最多的一种编程语言， 与计算机语言相比， 梯形图可 以看作是PLC 的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此， 它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受， 是初学者理想的 编程工具。功能块图(FWD) 的图形结构与数字电路的结构极为相

47、似， 功能块图中 每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑 运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。PLC 控制程序由一个主程序、 若干子程序构成， 程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI电缆把程序下载到 PLC,控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。4.1 编程软件的简介和梯形图的基本绘制规则PLC控制程序采用SIEMEN於司提供的STEP-7MOCRO/WIN323.1编程软件 开发，基于WINDOWS应用软件，该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语 旬表（STL）语言、梯形图（LAD）语言、功

48、能块图（FWD语言。语句表（STL）语言类似 于计算机的汇编语言， 特别适合于来自计算机领域的工程人员， 它使用指令助记 符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图 （LAD） 语言最接近于继电器 接触器控制系统中的电气控制原理图， 是应用最多的一种编程语言， 与计算机语 言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原 理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受， 是初学者理想的编程工具。功能块图（FWD）B图形结构与数字电路的结构极为相 似， 功能块图中每个模块有输入和输出端， 输出和输入端的函数关系使用与、 或、 非、异或逻辑运算，模

49、块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。 梯形图的基本绘制规则：（ 1） 编程顺序梯形图按照从上到下， 从左到右的顺序控制。 每个逻辑行开始于左母线， 一 般来说， 触点要放在左侧， 线圈和指令盒放在右侧， 线圈和指令盒右侧不能有触 点，整个梯形图形成阶梯形结构。（ 2） 编号分配对于外接电路的各元件分配编号， 编号的分配必须是主机或者扩展模块本身 实际提供的，而且可以用来编程，两个设备不能共用一个输入输出点。（ 3） 触点的使用次数和线圈的使用次数 在 PLC 的梯形图中，触点的使用次数可能用无数次，而线圈的使用次数只 能是一次，否则，容易引发系统出现意外的事故。（ 4） 线圈的连接 使用

50、一个条件驱动多个线圈时，不能串联，只能并联。4.2 控制系统主程序设计在硬件系统设计中， 采用一台变频器连接4 台电动机， 其中1#、 3#水泵电机是小机，具有变频/ 工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联； 2#、 4#水泵电机是大机，只有变频工作状态，每台电机只通过一个接触器与变频输出电源连接。 变频器输入电源前面接入一个自动空气开关， 来实现电机、 变频器的过流过载保护接通， 空气开关的容量依据大机的额定电流来确定。 对于有变频/工频两种状态的1#和 3#电动机，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量

51、依据小机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。变频器主电路电源输入端子（R、S、T）经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子（U、V、W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向 预设定不一致时，需要调换输出端子（U、V、W）的任意两相。特别是对于有 变频 / 工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性， 否则在变频工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。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）e操作，不得以主电路的通断来进行。水泵阀门主电路用两个交流

52、接触器来控制电动机的正反转， 实现阀门的开启和关闭。PLC 主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、小功率水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、阀门开启关闭程序、模拟量（压力、水位、频率）比较计算程序、停机程序和报警程序等构成。1. 系统初始化程序在系统开始工作的时候， 先要对整个系统进行初始化， 即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测， 如出错则报警， 接着对模拟量 （管网压力、电机频率）数据处理的数据表进行初始化处理，赋予一定的初值。系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。2. 水泵电机起动程序由于自动控制系统采用分组方式运行，但选择不同机组

53、运行时， PLC 程序自动完成相应的电机起动。水泵电机起动前先要保证变频器三相电源输入端得电，PLC 发出指令， 使连接变频器三相电源输出端与电机的接触器闭合， 延时几秒后自动接通变频器的外控端子FWD-CM 之间的常开触点，同时要保证 BX-CM 之间断开。3. 小功率水泵电机变频 / 工频切换程序小功率水泵电机变频起动后，当变频器输出频率达到 50Hz 时，先由鉴频鉴相控制器检测工频电源和变频输出电源相位是否一致， 若相位一致， PLC 的扩展模块接受控制器3、 4 端子的 0V 电压信号，经由 PLC 比较计算， PLC 执行一系列动作,使 BX-CM 之间接通，切断变频器的输出，使变频

54、器的输出电流为零。经瞬间延时后， 迅速切断变频接触器和变频器控制端子FWD-CM ，在此状态下，切断变频接触器既保证了在切换时工频电源和变频电源相位一致， 也从根本上消除了接触器的触头间的电弧。然后再由 PLC 迅速发出命令，快速吸合工频接触器， 如此便实现了快速切换的目的。 若相位不一致, 控制器在 3、 4 端子输出 +5V的电压信号，送入 PLC 的 EM235 端口，经 PLC 比较计算，并不完成切换动作，从而保证变频器和水泵电机的安全运行。4. 水泵电机换机程序水泵电机换机程序设计包括组内切换和组间切换。 组内切换是根据不同时段管网压力大小和电机反馈频率大小来进行换机。 在变频调速恒

55、压供水系统中， 系统在一个工作周期内有三个工作状态， 即小功率电机变频起动； 小功率电机工频运行，大功率电机变频运行；大功率电机单独变频运行。一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态之中， 当管网压力突变时， 三种工作状态之间就要发生相应转换， 因此这三种工作状态也对应着三个切换过程。 在水泵电机换机程序设计中， 必须认真考虑这三个切换过程， 才能保证系统在一个工作周期内实现正常切换与运行。 由于电机切换涉及到不同时段管网压力大小和电机反馈频率大小比较计算，因此在组内切换程序设计中还应包含模拟量（压力、频率）比较计算和逻辑运算程序设计。组间切换是根据机组运行时间的长短来自动完成不同机组件的切换

56、。 当一组48 小时后，必须使该机组停下来，自动启动另一组水泵机组运行。5. 阀门开启关闭程序阀门开启关闭程序既包含水泵机组起动和停机时的阀门开启与关闭， 也包含水泵机组在自动切换过程中的阀门开启与关闭。 在阀门开启关闭程序设计中必须注意这条原则：开机时，保证先开机，再开阀；停机时先关阀，再停机。6. 停机程序水泵机组在停机之前必须保证对应的阀门关闭好以后，才能关闭水泵机组。停机程序设计时要考虑停机动作与阀门关闭之间的互锁。 当按下一组电机停止按钮时，该水泵机组的所有运行的电机都会停止运行。7. 报警程序报警程序是依据电动机的热继电器动作进行设计的， 当电动机过热时， 热继电器常开触点闭合，作为 PLC 的输入条件。对于电动机的热继电器输入，报警指示输出既需要四个端口显示哪一台电机故障