基于PLC的恒压供水系统设计和实现 机械制造专业

1、基于基于 PLCPLC 的恒压供水系统的恒压供水系统目录目录摘要摘要Abstract第第 1 章章 前言前言1第第 2 章章 系统的发展及其意义系统的发展及其意义22.1课题的背景和研究的意义22.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状2第第 3 章章 系统的理论分析及控制方案确定系统的理论分析及控制方案确定43.1 变频恒压供水系统控制方案的选择43.2PLC 概述53.3 变频恒压供水系统的理论分析63.3.1 电动机的调速原理63.3.2 变频恒压供水系统的节能原理7第第 4 章章 系统的整体设计方案系统的整体设计方案114.1变频调速恒压供水系统构成及原理114.2系统要求实现的功能12

2、第第 5 章章 系统的硬件设计系统的硬件设计145.1 系统主要设备的选型145.1.1 变频器的选型145.1.2 可编程序控制器选型155.1.3 水泵及其电动机的选择165.1.4 压力传感器的选择165.2 系统电路设计16 5.2.1 主电路图165.2.2 控制电路图175.2.3 PLC 与变频器的外部接线图18第第 6 章章 系统的软件设计系统的软件设计196.1 系统程序功能图196.2 系统程序设计分析206.3 系统程序梯形图设计21第第 7 章章 系统系统 PID 的调节的调节267.1 PID 调节过程分析267.2 PID 在系统实际中的应用27第第 8 章章 结束

3、语结束语28参考文献参考文献答谢辞答谢辞 摘摘 要要 随着我国社会经济的不断发展，人们的生活水平也在不断提高，其中人们对供水的质量和供水系统的可靠性要求比较高。由于目前的能源紧缺，所以利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术来设计一个能适应不同领域的变频恒压供水系统。 本论文通过对 PLC 200 的编程来实现恒压供水系统，从而取代了直接水泵加压和高位水塔供水方式。由变频器、压力传感器、PLC 及 PID 调节器组成控制系统。采用变频器实现对水泵电机的软启动和变频调速。压力传感器经管网压力信号通过 PID 处理传送给变频器，变频器通过压力大小调整电机转速来改变供水量，从而保证管网压力的恒定。

4、这样有益于保护环境、减少资源，而且操作简单，维护方便，同时也降低了电能的损耗和对电网的影响。所以用 PLC 来设计变频恒压供水系统不仅能够满足现实需要，也能提高整个系统的效率，延长系统的寿命、节约能源，是现代化城市和生活小区供水较为理想的供水方式。关键词：关键词：PLC ; ;变频器; ; PID ; ;压力传感器; ;供水系统Abstract With Chinas economic and social development,peoples living standard has beenimproved,the reliability of water quality and wate

5、r supply system requirement is relatively high. Because of the shortage of energy, so the use of automation technology,control technology and communication technology to design a can adapt to variable frequency constant pressure water supply system in different fields. This paper based on the progra

6、mming of PLC 200 to realize the constant pressure water supply system, thus replacing the direct water pump pressure and high water tower water supply mode.The control system consists of transducer, pressure sensor, PLC and PID regulator.Implementation of the water pump motor soft start and frequenc

7、y converter. Pressure sensor managerment net pressure signal to the inverter through the PID transmission, the converter to change the water supply pressure size by adjusting the rotation speed of the motor,thus ensuring a constant pressure of the pipe network.It is beneficial to protect environment

8、 ,reduce resource,and has the advantages of simple operation,convenient maintenance,but also reduces the power loss and the impact on the grid.So the use of PLC to design of variable frequency constant pressure water supply system can not only meet the needs of reality,but slao can improve the effic

9、iency of the whole system,extending the system lifetime,energy conservation,is a modern city and living in the area of water supply an ideal water supply mode. Key words: PLC; frequency changer; PID; preaaure pickup; water supply sys1第 1 章 前言 众所周知，水是生命之源，是人类生活和生产过程中不可缺少的重要资源之一。我国是一个水资源短缺的国家，所以我国长期以来

10、在供水方面的技术比较落后，自动化程度也比较低。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，人们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。 传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力资源和电力资源、效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。变频调速恒压供水系统是集变频技术，电气传动技术，现代控制技术于一体先进的供水控制系统。它可以根据用水管网瞬间用水量的不同所引起的压力变化，自动地改变水泵的转速，自动调节峰谷供水量，保证管网供水压力恒定，以满足用水的要求。其

11、优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。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。 2第 2 章 系统的发展及其意义2.12.1课题的背景和研究的意义课题的背景和研究的意义 水是我们赖以生存的资源，而我国是个水资源短缺的国家。随着社会的飞速发展，人口的不断增长，用水量也在急剧增加，从而出现供水不足的现象，同时造成管网水压浮动较大。而变频调速恒压供水系统是集变频技术，电气传动技术，现代控制技术于一体先进的供水控制系统。它可以根据用水管网瞬间用水量的不同所

12、引起的压力变化，自动地改变水泵的转速，自动调节峰谷供水量，保证管网供水压力恒定，以满足用水的要求。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

13、和提高生产管理水平的目的。在相当比较大规模的工业生产供水系统，以 PLC 控制的变频调速恒压供水有它自身的特点：（1） 供水量在短时间内(一天时间内)变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。（2） 对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。（3）一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。从上即可结论：以 PLC 为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。 2 2.2.2 变频恒压供水系统的国内

14、外研究现状变频恒压供水系统的国内外研究现状 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。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。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。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。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合 PLC 或 PID 调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以

15、其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，还有待完善。也有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的3变频器控制水泵的转速，水管的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的软件予以实现。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。同时在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，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)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够

16、的。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)，是当今国际上一项效益最高、性能

17、最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC 组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。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，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”两种模式它将PID 调节器和 PLC 可编程控

18、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。4 第第 3 章章 系统的理论分析及控制方案确定系统的理论分析及控制方案确定3.1 变频恒压供水系统控制方案的选择变频恒压供水系统控制方案的选择传统的供水方式(包括水箱、水塔供

19、水和气压供水)。1) 水箱/水塔供水：供水系统采用水箱/水塔，称为重力供水。供水压力比例恒定，且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶上。即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求，难以满足不断增加的用水需求。同时由于在屋顶上形成很大的负重，增加了结构面积，也妨碍了美观。此外，屋顶水箱必须高出水面几米，建筑方面较难处理，而且投资周期长。2) 气压供水：气压给水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在地下室或某些空旷之处加压送到管网中去。其优点是灵活性大，建设快，少受污染，不妨碍美观，有利于扩展与消除管道中的水锤与噪声，且可以通过改变

20、压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。缺点是需要压力罐，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需要使用张力膜或设置空气压缩机冲气。因此，电能消耗大，运行费用高。给水方式的选择应以经济合理，技术先进，供水安全可靠为原则。随着交流电机变频调速技术的日益成熟，为实现恒压供水提供了可靠的技术条件。利用变频器、PID 调节器、单片机、PLC 等器件的有机结合，构成控制系统调节水泵的输出流量，取代了水塔、水箱、气压罐等实现了恒压供水。其配置日趋合理，成为供水网系的替代产品。3) 变频调速恒压供水：变频调速恒压供水器由电动机、泵组和变频调速系统、压力仪表、管路系统等组成。电动机泵组多由同型号的水泵 24

21、 台并联而成(以四台为例)。由变频器和工频电网供电，根据供水系统的运行状况自动调节和切换。主要优点：对电网冲击小，保护功能完善。消除了水泵电机直接启动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。突然停电后再来电，设备能够自动启动运行。因为实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中，其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于

22、其节电效果明显，所以系统具有收回投资快、长期受益的特点，其产生的社会效 益也是非常巨大的。水泵电动机采用软启动方式，避免了电动机启动时的电流冲击，也避免了电动机突然加速造成泵组系统的喘振。无塔供水系统不需要水塔、高位水箱和气罐，设备简单，控制实时性好，且能满足不断增加的供水需求。5建筑高度增加时，无塔供水器只需要改变水压设定值和修正流量参数就能满足要求，而无需改变供水需求。变频调速恒压供水控制系统的主要应用场合：高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。1) 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。2) 中央空调系统。3) 自来水场增压系统。4) 农田灌溉，污水处理，

23、人造喷泉。5) 各种流体恒压控制系统。变频调速恒压供水控制系统的应用，为人民生活带来极大的方便，也为企业带来巨大的经济效益。并同时得到了科教工作者、企业家与广大民众的认可。将来的趋势必定是全面取代传统供水方式，成为供水系统的主流。所以在此我们选用变频调速恒压供水系统。3.2PLC 概述概述 1、 可编程控制器（PLC）的产生 1968 年美国通用汽车公司（General Motors Corporation GM）公开招标，要求用新的控制装置取代生产线上的继电器接触器控制系统，其具体要求如下：1、编程简单，可在现场修改和调试程序 2、维护方便，采用插入式模块结构3、可靠性高于继电器 4、与继电

24、器接触器控制系统相比体积小，能耗低5、能与管理中心计算机系统进行通信 6、购买安装成本可与继电器控制柜竞争7、采用市电输入，可接受现场的开关信号 8、采用市电输出，具有驱动接触器线圈、电磁阀和小功率电动机的能力 9、系统扩展时，原系统只需做很少的改动10、用户程序存储器容量至少 4KB 1969 年美国数字设备公司根据上述要求，首先研制出了世界上第一台可编程序控制器 PDP-14，并在通用汽车公司的自动生产线上试用获得成功。从此以后，这项研究技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全世界。 因为这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案，且专门用于逻辑控制，所以人们称这种新型工业控制装置为可编

25、程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller，PLC）。2、PLC 的基本工作原理 PLC 是按照集中采样、集中扫描的工作方式工作的。整个工作过程可分为 5 个阶段：自诊断，通信处理，读取输入，执行程序，改写输出。这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。63、西门子 S7-200PLC 简介西门子公司具有品种非常丰富的 PLC 产品。S7 系列是传统意义的 PLC，S7-200 属于小型 PLC，S7-200 系列 PLC 有 CPU21X 和 CPU22X 两代产品。它是整体式 PLC，它将输入/输出模块、CPU 模块、电源模块均装在一个机壳内，当系统需要扩

26、展时，可选用需要的扩展模块与基本单元（主机）连接。其特点如下：(1) 编程方法简单易学；(2) 功能强，性能价格比高：S7-200 有 5 种 CPU 模块，最多可扩展 7 个扩展模块，扩展到 248 点数字量 I/O 或 38 路模拟量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存储空间和数据存储空间；(3) 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；(4) 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面； （5）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强； (6) 系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量小，维修方便； （7）体积小，能耗低；3 3. .3 3 变频恒压供水系统的理论分析变频恒压供水系统的理论

27、分析 3.3.1 电动机的调速原理 变频供水系统是通过变频器控制泵的异步电机的转速，通过异步电动机驱动水泵供水来改变水泵的实时供水量，完成恒压供水的目标。 水泵电机多采用三相异步电动机，其交流电动机的同步转速公式为： n=60f(1-s)/p (3.1)式中：f 表示异步电动机频率，s 表示电动机转差率，p 表示电动机极对数。从（3.1）公式可知，三相异步电动机的调速方法有：（1） 改变电源频率（2） 改变转差率（3） 改变电机极对数 改变转差率调速即转子电路串接电阻调速、改变定子电压调速、滑差电机等。其最大优点是可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好。但由于线路过于复杂在调速过程中均产

28、生大量的转差功率，消耗在转子电路，使转子发热，调速的经济性较差，会使效率降低，而且调速范围也受到限制。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。 从（3.1）公式可知，当极对数 p 不变时，电机转速 n 与电源频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f 在 0-50HZ 的范围内变化时，电动机的转速调节范围非常宽。所以，通过连续调节异步电动机供电源频率，就可以平滑的调节电动机的转速。单相电机调速器就是通过改变电动机电源频率实现

29、调速调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。7 3.3.2 变频恒压供水系统的节能原理 在变频恒压供水系统中，主要控制对象是流量。所以，在研究节能问题上就可以从调节流量的方法入手。常用的控制方法有阀门控制法和转速控制法（也称恒压控制法）两种。（1）阀门控制法：通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，当阀门开度在一段时间内保持不变，就会造成超压或欠压现象的出现。如图 3-1 所示。管阻特性反映

30、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 3-1 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 3-1 恒压供水系统的基本特征由流体力学可知，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

31、 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： P=K1HQ （3.2） n=k2Q （3.3） H=K3Q2 （3.4） P=kn3 （3.5）式中 k、k1、k2、k3 为比例常数。（2）转速控制法：通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持8不变，实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。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。如图 3-2 当用阀门控制时

32、，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

33、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。HH2H1H00Q2Q1Qn1n2EFDb1b2b3图 3-2 管网及水泵的运行特性曲线1、水泵工作点的确定和调节1) 水泵工作点的确定 水泵工作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、功率等参数水泵在实际运行时的工况点取决于水泵性能管路性能以及所需实际扬程。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。如果把某一水泵的扬程特性曲线（HQ）和管阻特性曲线（HX-Q）画在同一坐标系中，如图 3-3 所示，则这两条曲线的交点 A 就是水泵的

34、理想工作点。若把水泵的效率曲线（-Q）也画在同一坐标系中，可以找出 A 点的扬程 HA、流量 QA以及效率 A。9AHAA1nAnAQQQHXQH Q图 3-3 水泵工作点的确定从图 3-3 中可以看出，水泵在工作点 A 点提供的扬程和管路所需的扬程相等，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。实际运行时水泵并非总是固定在 A 点。一旦当水泵或管阻特性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。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的一个重要问题。供水功率是供水系统向用户供水时所消耗的功率

35、 P(KW)称为供水功率，供水功率与流量 QA和扬程 HA的乘积成正比。2) 水泵工作点的调节交流电动机的转速 n 与电源频率 f 具有如下关系：n=60f(1-s)/p （3-6) 式中：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。变频器调速的工作原理就是通过选择电压频率比(V/F)曲线，设定加减速时间以及转矩补偿曲线，使电动机启动时转速从零开始逐渐升高，实现软启动，减少了启动电流。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 从而改变水泵的转速。由于水泵的流量、扬程和消耗的功率都可以随其转速的变化而变化，变频

36、调速技术可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况，大大扩展了水泵的高效运行范围。 当管网负载减小时，通过降低交流电的频率，电动机的转速从 n1 降低到n2。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。泵的运行效率会大大下降。因此，水泵转速调节要尽量使水泵在高效区之内运行，避免使变频器频率下降得过低，而造成水泵在低效率段运行。102、水泵变频调速节能分析水泵运行工况点 A 是水泵性能曲线 n1 和管路性能曲线 R1 的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量。需要减少流量时关小阀门，使管路性能曲线由 R1变为 R2。运行工况点沿着水

37、泵性能曲线从 A 点移到 D 点，扬程从 H0 上升到 H1，流量从 Q0 减少到 Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线 R1 保持不变，水泵的特性取决于转速。如果水泵转速从 n0 降到 n1，水泵性能曲线从 n0 平移到 n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从 A 点移到 C 点，扬程从 H0 下降到 H2，流量从 Q0减少到 Q1。在图 3-4 中，水泵运行在 B 点时消耗的轴功率与 H1、B、Q1、0 的面积成正比，运行在 C 点时消耗的轴功率与 H2、C、Q1、0 的面积成正比。从图上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果十分明显。求出运行在 B 点时泵的轴功

38、率：NB=KQ1H1 （3-7)求出运行在 C 点时泵的轴功率：NC=KQ1H2 (3-8)两者之差：N=NB-NC=(H1-H2)KQ1 (3-9)H1H0H2HsjH0Q1Q0Q1n0nABC图 3-4 水泵节能分析图也就是说，采用阀门控制流量时有N 的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果十分显著。11第 4 章 系统的整体设计方案4.14.1变频调速恒压供水系统构成及原理变频调速恒压供水系统构成及原理系统的组成整个系统由

39、四台水泵（1#、2#、3#为调速水泵、4#为辅助水泵）构成水泵组，一台变频调速器，一台 PLC 和一个压力传感器及若干辅助部件构成。如图 4-1 所示，各部分功能如下：（1）水泵组：用于将水供入用户管网，提高水压以实现向高处供水。其中调速水泵根据用水量的变化来改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。辅助水泵它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下(例如:夜间)对管网用水量进行少量的补充。（2）变频调速器：对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。（3）PLC：用于水泵的逻辑切换、控制及供水压力的 PID 控制等。（4）

40、压力传感器：安装于供水管道上，并且将管网水压力转换成 4-20mA 的电信号，是实现恒压供水的关键参数。（5）辅助部件：当自动控制系统出现故障时可以通过人工调节方式维持系统运行，以保障连续生产。变频器PLC用户 水 源远程压力表控制信号电源KM2 KM4 KM6 KM7KM1 KM3KM51#2#3#4#M3M3M3M3图 4-1 变频调速恒压供水系统构成图12系统原理：原理图如图 4-2 所示。当设备运行时，变频调速恒压供水系统中远传压力表将主水管网压力信号转换成电流信号再经 PLC 的扩展模块 PID 运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速和泵水量以使管网的压力稳定，由此构成压

41、力闭环控制系统。变频器的上、下限频率信号及其持续时间长短可作为 PLC 进行逻辑切换、起停泵的依据。图 4-2 变频调速恒压供水系统原理图当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，变频器的高速信号(即变频器的频率上限信号)被 PLC 检测到，如果频率上限信号持续出现一定时间，PLC 自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，同时将另一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证系统压力稳定。若两台泵全速运转仍不能达到设定压力，则将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现

42、为变频器己工作在最低速信号(即变频器的频率下限信号)有效，如果频率下限信号持续出现，PLC 首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。4.2系统要求实现的功能系统要求实现的功能系统要求实现如下功能：1) 全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 PID 调节程序将接收到自远传压力表的信号，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，直到 50Hz，1#泵由变频切换为工频，同时对 2#泵进行变频启动，变频器频率逐渐上升至需要值，加泵依次类推；如用水量减小(压力过大)，变频器下限频率持续出现，则将先启动的泵先切除。若有电源瞬时停电的

43、情况，则系统停机。待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然13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。变频自动控制功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软启动、停止、循环变频的全部操作过程。2) 手动运行当远传压力表故障或变频器故障时，为确保用水，四台泵可分别以手动控制方式工频运行。3) 停止转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。4) 采用“自动切换”和“先启先停”原则“自动切换”是指当一台单独运行水泵或者有两台同时运行的水泵，运行在这种状态下持续时间达到设定时间时自动换泵运行。 “先启先停”是指哪一台先启动的水泵在压力过大时也先被切除，这样保证

44、系统的每台泵运行时间接近，防止有的泵运行时间过长，而有的泵却长时间不用而锈死，从而延长了设备的使用寿命。5) 平稳切换，恒压控制远传压力表将主水管网压力信号经 PLC 的扩展模块 PID 运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速以使管网的压力稳定。当在运行的水泵全速运行，还未达到给定压力时，变频运行的泵被切换到工频运行，变频器将启动另一台泵(即采用软启动)6) 完善的各种保护、报警功能对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现机械和电气互锁，防止短路产生。当水泵的功率较大时，为防止直接启动电流过大，需要采用软启动方法，即用变频器来启动水泵。运行的水泵在断开电源后，利用其运行的惯性切换到

45、工频，可避免切换过程中产生过电流。电动机的热保护。虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小，但是当用户用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升速、降速状态，这时电动机的电流可能超过额定电流，导致电动机过热。因此电动机的热保护是必须的。具有缺水保护功能。当水泵工作在自动状态，为防止当水池没水时水泵空载运行，烧坏水泵电机，系统设计一缺水保护电路。当水池缺水时，保护电路中继电器常开触点断开，切断控制电路电源，从而保护系统。7) 满足用户在用水高峰时的用水要求根据用户最大用水量和供水高度的计算，本系统采用扬程 61m，流量 12.6 立方米每小时，轴功率 5.5KW 的主泵三台；扬程 48m，流量 7

46、 立方米每小时，配套功率 2.2KW 辅泵一台。系统最大功率为 16.5KW，扬程为 61m。第 5 章 系统的硬件设计145 5.1.1 系统主要设备的选型系统主要设备的选型5.1.1、 变频器的选型变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。其总的原则是功能性能保证可靠地满足工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。1、变频器的型式选择 根据控制功能可将通用变频器分为三种类：普通功能型 U/F 控制变频器、具有转矩控制功能的高性能 U/F 控制变频器和矢量控制高性能型变频器。通用

47、变频器类型的选择根据负载特性进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。2、变频器容量选择： 变频器的容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流量是一个反映半导体变频器装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变

48、频器容量的基本原则。3、变频器箱体结构的选用变频器的箱体结构要与环境条件相适应，所以必须考虑温度，湿度，粉尘，酸碱度，腐蚀性气体等因素，这些因素与能否长期安全、靠运行有很大的关系。常见有下列几种结构类型可供设计中选用：（1）敞开 IP00 型：本身无机箱，可装在电控箱内或电气室内的屏，盘，架上，尤其适于多台变频器集中使用，选用这种型式较好，但环境条件要求较高。（2）封闭 IP20 型：适用一般用途，用于有少量粉尘或少许温度变化的场合。（3）密封 IP45 型：适于工业现场条件较差的环境。（4）密封 IP65 型：适于环境条件差，有水、灰尘及一定腐蚀性气体的场合。 根据以上理论，选用西门子 Mi

49、croMaster430 型变频器。MicroMaster430 变频器适合用于各种变速驱动装置，由于其灵活性而可以在广泛的领域得到应用，所以这种变频器尤其适合用于工业部的水泵和风机的驱动。它具有很高的运行可靠性和功能多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声，在应用中得到证明的良好性能和使用中的简便舒适。与 MicroMaster420变频器相比，这种变频器具有更多的输入和输出端，具有手动/自动切换功能的操作面板，以及适应软件的功能。该变频器具有以下特性，如表 5-1 所示。15表 5-1 MICROMASTER430 变频器的额定性能参数表5.1.2、可编程序控制

50、器选型PLC 是整个变频恒压供水控制系统的核心部件，合理选择 PLC 对于保证整个控制系统的技术指标和质量至关重要的。选择 PLC 应包括 PLC 机型、容量等的选择。1、PLC 机型选择在选择 PLC 机型时，要考虑 PLC 的指令执行速度、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。S7-200 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。2、PLC 容量的选择 PLC 的容量包括 I/O 点数和用户存

51、储容量两个方面。 （1） 、I/O 点数选择：由于 PLC 平均的 I/O 点数价格比较高，所以在满足控制要求的前提下力争使用 I/O 点最少，但必须留有一定的裕量。通常 I/O 点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上 10%15%的裕量来确定。 （2） 、存储容量的选择：PLC 的 I/O 点数的多少，在很大程序上反映了 PLC 系统的功能要求，因此可在 I/O 点数确定的基础上，按存储容量（字节）=开关量I/O 点数模拟量 I/O 通道数100，再加上 20%30%的裕量。根据系统要求和功能，PLC 选用西门子 S7-200 系列的 CPU224 型。CPU224本机集成了

52、14 点输入和 10 点输出，共有 24 个数字量 I/O。它可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 168 点数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。CPU224 有 13K 字节程序和数据存贮空间，6 个独立的 30KHZ 高速计数器，2 路独立的 20KHZ 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。CPU224 配有 1 个 RS-485 通讯/编程口，具有 PPI通讯、MPI 通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。165.1.3、水泵及其电动机的选择工作水泵型号和台数的选择，应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，要求的水压，机组的效率和功率因素等确定。水泵和电动机是供

53、水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。选泵时，首先要满足供水系统的要求：1) 水泵扬程应大于实际供水高度。2) 水泵流量总和应大于实际最大供水量。3) 水泵能力足以供应最高用水量时的用水量，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量。4) 水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价。5) 水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失。6) 安装管理方便。安装卧式离心泵的泵站，平面尺寸较大而高度较低；立式轴流泵的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。因此在深埋式的地下泵站可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。选

54、用多台水泵时，水泵的型号最好相同，这可便于安装和维修养护管理。在此例中要求三台主泵和主泵电机型号和容量要相同，这才有利于在同一变频器下正常的工作。大泵的效率比小泵高；而且用大泵时，工作泵和设备的费用以及泵站的面积常可减小；因此不可只从适应水量的变化出发，使用数量较多的小泵。使用多台水泵供水可防止一台水泵出现故障时，停止供水使得系统瘫痪。一般最优的水泵台数为 36 台。5.1.4、压力传感器的选择压力传感器和压力变送器是将水管中的压力信号变成 1-5V 或 4-20mA 的模拟量信号，作为模拟输入模块(A/D 模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用 4-20mA 输出压

55、力变送器，所以选择 CYYB-120 系列压力变送器它采用 CYYB-105 系列压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I 变换等处理，对供电电压要求宽松，具有 420mA 标准信号输出。5 5.2.2 系统电路设计系统电路设计 5.2.1 主电路图 电气控制系统主电路图如图 5-2 所示。图中，M1#， M2#， M3#， M4#为四台水泵电机，KM1，KM2，KM3，KM4，KM5，KM6，KM7，KM8 为控制四台电机的接触器，FR1，FR2，FR3， FR4 为电机 M1#，M2#，M3#，M4#过载保护用的热继电器，QF1、Q

56、F2、QF3、QF4、QF5、QF6 为空气开关。17 M3MM430变频器M3M3M3KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KM8QF3QF4QF5QF6ABCNL1L2L3QF1QF2FR1FR2FR3FR4M1#M2#M3#M4#R STU V W 图 5-2 主电路图5.2.2 控制电路图本系统的电气控制线路如图 5-3 所示。图中，SA 为手动/自动转换开关，在手动状态可以按动按钮 SB1SB10 控制四台泵的起停，在自动状态时，根据PLC 的程序运行，自动控制泵的起停。HL1HL8 为各种运行指示灯。中间继电器 KA1 的一个常开触点接 PLC 的输入点 I0.2，控制自动状态

57、的起动；中间继电器 KA1 的三个常闭触点接在四台泵的手动控电路上，控制四台泵的手动运行。FRlFR4 为四台泵机的热继电器的常闭触点，可对电机进行过流保护。KA1KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KM8Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7SB10SB9SB8SB7SB5SB6SB3SB4SB1SB2KM1KM1KM1KM2KM3KM2KM3KM3KM4KM5KM4KM5KM5KM6KM7KM6KM8KM8KM5KA1KA1KA1KA1HL2HL3HL4HL5HL6HL7HL8KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7HL1L1NQF7KA24231FR1F

58、R2FR3FR4SA 图 5-3 控制电路图185.2.3 PLC 与变频器的外部接线图1、PLC 的外部接线图本系统占用 PLC 的 3 个输入点，8 个输出点，PLC 的外部接线图如图 5-5 所示，PLC 的具体 I/O 分配情况见表 5-4： 表 5-4 PLC I/0 分配表220VKM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7DCOM3LQ0.72LQ0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.01LDIN1NLML+24V1MI0.0I0.1I0.2变频器上限频率信号变频器下限频率信号启动信号1号电机接变频器1号电机接工频电源2号电机接变频器3号电机接变频器4号电机接变频器2

59、号电机接工频电源3号电机接工频电源变频器运行、停止信号S7 200图 5-5 PLC 外部接线图192、变频器的外部接线图如图 5-6 所示 PLC 的 I0.1，I0.2 接变频器的端子 19、21，L+接端子20、22，以便把变频器上限频率信号和下限频率信号送到 PLC 中。变频器上限频率一般设置为 4949.5HZ，下限频率为防止水泵转速较低，形成“空转” ，一般设置为 2530HZ。 PLC 的 3L、Q0.7、分别接变频器的端子 9、5，以实现用 PLC的信号控制变频器运行和停止。利用变频器两个的可编程继电器输出端口 19、21进行功能设定，当变频器频率达到上限频率时，19 的常开触

60、点闭合。当变频器频率达到下限频率时，21 的常开触点闭合，可以此作为 PLC 的输入信号，判断是否进行加泵或切泵。同时 PLC 的输出端 Q0.7 作为变频器的输入端 5(设定为变频器运行和停止的控制端)信号以控制变频器的运行和停止。3459MM430变频器19202122压力传感器压力信号AIN+AIN-RDIN1变频器运行 停止信号变频器上限 频率信号变频器下限 频率信号图 5-6 变频器外部接线图20第 6 章 系统的软件设计6 6.1.1 系统程序功能图系统程序功能图为了能直观的了解程序的设计，在此画出了程序功能图，如图 6-1 所示，它能清楚的表明系统各个状态动作的顺序和转化条件 S