PLC恒压供水控制系统设计

1、重庆大学网络教育学院 毕业设计（论文）题目 基于PLC的恒压供水控制系统设计 学生所在校外学习中心四川雅安校外学习中心批次 层次 专业 201102 学 号 W09207201 学 生 胡 国 刚 指 导 教 师 黄 艳 玲 起 止 日 期 2011/09/012011/11/30 29摘 要目前，泵站有很大一部分水泵电机是不变速拖动系统，原先用人工进行水位控制，由于无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停，虽然使用浮标或机械等水位控制装置使供水状况有了一些改变。不变速电机的电能大多消耗在适应供水量的变化而频繁的开停水泵中，使电机工作在低效区，减短电机的使用寿命；频繁开停使

2、电机故障率很高，可靠性差，导致系统的维护、维修工作量较大，水资源严重浪费。传统的控制方法已经落后，以PLC与变频器结合为核心构成的系统，可以解决水压控制系统存在的以上问题。变频技术以其在节能与恒压方面的优越性能，再加上压力变送器，达到较好的控制效果。变频器的“自我保护”功能，PLC简单的控制核心软件设计，硬件接口简易可行、可靠性高，整个系统的性价比非常高。关键词：泵站 恒压供水 变频调速 PLC目 录摘 要I1.引言12.基本原理、结构组成和设计的总体方案12.1 变频恒压供水基本原理12.1.1水泵扬程H与流量Q之间的关系12.1.2 水泵的转速n、输出功率P与管网的水压H之间的关系22.1

3、.3 电动机的变频调速原理22.1.4 PID控制技术及其控制算法42.1.5 变频恒压控制52.2 基于PLC的恒压供水控制系统构成总体方案62.2.1 供水系统总体组成62.2.2 控制流程72.2.3 功能指标83.硬件系统设计93.1 主电路93.2 控制电路的主要元件选型93.2.1 水压传感器(PTH501F)103.2.2 浮子式液位开关(ZC-PP52I)113.2.3 S7-300型PLC123.2.4 变频器选型及接线方式143.2.5 主电路其它设备选择173.2.6 控制电路主要功能184.PLC程序设计194.1 故障报警194.2 手动运行方式214.3 自动方式运

4、行224.4 PLC主程序梯形图265.变频器参数设定285.1 三菱变频器FRA740 PID控制的基本构成285.2 PID控制参数设定285.3 输入输出信号和参数设定286.结论29参考文献：291.引言目前，泵站有很大一部分水泵电机是不变速拖动系统，原先用人工进行水位控制，由于无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停，虽然使用浮标或机械等水位控制装置使供水状况有了一些改变。不变速电机的电能大多消耗在适应供水量的变化而频繁的开停水泵中。这样不但使电机工作在低效区、减短电机的使用寿命，而且电机的频繁开停使设备故障率很高，机械装置的故障多，可靠性差，导致水资源严重浪费，

5、系统的维护、维修工作量较大。随着高位生活用水和工业用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。PLC与变频器结合为核心构成的系统，可以解决水压控制系统存在的以上问题，变频技术以其在节能与恒压方面的优越性能达到较好的控制效果。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、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、实现速度的精确控制。变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电

6、机不易损坏。由于要根据现场情况调整系统参数，而PLC在软件设计上编程简洁、直观，PLC的软件中时间参数的调整更简单，这样更有利于运行人员掌握。基于以上原因，采用PLC与变频器作为控制核心，再加上压力变送器，控制效果非常好，软件设计简单，硬件接口简易可行、可靠性高，整个系统的性价比非常高。2.基本原理、结构组成和设计的总体方案2.1 变频恒压供水基本原理 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标。2.1.1水泵扬程H与流量Q之间的关系 在供水系统管路中，供水质量主要由两个方面决定：水泵扬程特性和管阻特性。扬程特性所反映

7、的是扬程H与用水流量Q间的关系，在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量Q越大，扬程H越小，流量的大小主要取决于用户的用水情况；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，在水泵的转速不变、阀门一定的情况下，扬程H越大，流量Q也越大。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。特性曲线如下图1所示。图1 供水系统水泵扬程特性和管阻特性2.1.2 水泵的转速n、输出功率P与管网的水压H之间的关系由流体力学可知

8、，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，即：(k1为比例常数)水泵的转速n与出水流量Q成正比，即：(k2为比例常数)管网的水压H与出水流量Q的平方成正比，即：(k3为比例常数)从而可以得出，水泵的输出功率P与转速n三次方成正比，即： (k为比例常数)2.1.3 电动机的变频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： 式中：f电源频率； P电动机极对数； S转差率。从上式可知，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。可以通过变频器连续调节电源频率，平滑地改变电动机的转速。变频器是交流电气传动系统的一种,它建立在控制技术、电子

9、电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上，将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency）。交流低压交直交通用变频器系统主要由整流器和逆变器两部份组成（框图如图2所示）。整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波；逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦。整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流直流直流交流图2 交流低压交直交通用变频器系统框图变频器的控制对象： 三相交流异步电机和三相交

10、流同步电机，标准适配电机极数是2/4极。变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）：在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度；无级调速，调速精度大大提高；电机正反向无需通过接触器切换；非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制。完善的保护功能，平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全；在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。2.1.4 PID控制技术及其控制算法 在连续供水控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Der

11、ivative(微分)控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t)：经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图3所示。 图3 三菱变频PID控制的基本构原理图PID控制规律为： 式中：Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。相应的传递函数形式： PID控制器

12、各环节的作用及调节规律如下：(1) 比例环节：成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e(t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，但不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数Kp的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。(2) 积分环节：表明控制器的输出与偏差持续的时间有关。只要偏差存在，控制就要发生改变，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。(3) 微分环节：对偏差信号的变化趋势做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信

13、号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。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，使系统的调试更为简单、方便。2.1.5 变频恒压控制 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，通过变频器调节改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水。在系统运行过程中，出口总管网

14、的实际供水压力跟随设定的供水压力。水压由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。如果实际供水压力低于设定压力，变频器将得到正的压力差，这个差值经过变频器转换PID计算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

15、定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。2.2 基于PLC的恒压供水控制系统构成总体方案2.2.1 供水系统总体组成 泵站基于PLC的恒压供水控制系统。系统共有两台水泵，两台水泵分别由M1、M2电动机拖动，由KM1、KM2、KM3接触器控制。系统采用了S7-300型PLC(cpu 313c，16个输入点，16个输出点)、三棱变频器FR-A740、压力传感器、浮子式液位开关及其他控制设备。供水系统压力传感器装于管网出口，储水池水位监测浮子液位开关传感器装于储水池顶部。设计示意图如图4所示。图4 系统

16、构成的方框图从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：(l) 执行机构：执行机构是由一两台水泵组成，它们用于将水供入用户管网。1号泵可工频运行，也可变频运行；2号泵只变频运行。由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，输入变频器；水池水位信号反映储水池的高水位情况，水位过高时发出报警。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报

17、警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。(3) 控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括PLC控制器、变频器和电控设备三个部分。PLC控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心，直接对变频器运行情况、电网过电压等信息进行采集；对来变频器数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪水压传器送来的模拟量信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。2.2.2 控制流程 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

18、的实际供水压力跟随设定的供水压力，使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。当用水量大时，水压降低，用水量少时，水压升高。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、下范围之内，实现恒压控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器拖动某一台水泵作为调速泵。装设在泵站出口的压力传感器用于检测管网中的水压，将用户管网水压信号变成电信号(420mA)，送给变频器内部PID控制器，PID控制器根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与实际检测值（来自压力传感器）进行PID调节运算，并给出变频器控制水泵电压的电压和频率信号。当这台水泵运行在

19、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。首先启动1号水泵电机工作在调速状态。当变频器运行频率到达上限时，并稳定运行后，若此时管网压力低于水压设定值，则增加2号水泵。在PLC的逻辑控制下将1号水泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1号水泵电机切换到工频运行，同时变频器与2号水泵电机连接，使2号水泵电机工作在调速状态。当供水压力大于设定值时，则需进入减泵过程。此时变频器输出频率降低，水泵电机速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机。如果此时两台水泵均在运行

20、，则减2号水泵，并使1号水泵电机工作在调速状态。否则1号水泵停机。如果管网压力仍大于设定值，则停机。供水系统控制程序和主流程图如图5。2.2.3 功能指标（1）系统自动根据管网水压的状态进行水泵的切换；（2）为防止在用户水量很小时（例如晚间），蓄水池内的水位过高而溢出水池，系统需有液位检测装置，当液位超过设定的最高允许液位时，系统发出声、光报警；（3）系统应有水泵电机过载保护、过电压保护功能。（4）系统能够显示泵站的工作状态，发出泵站工作异常的声、光报警信号。图5 系统控制流程图3.硬件系统设计3.1 主电路主电路由空气开关QF控制；变频器电源由断路器KM0控制；交流接触器KM1、KM3控制1

21、号泵、2号泵变频运行，KM2控制1号泵工频运行，FR1、FR2分别为两台水泵电机过载保护用的热继电器；FU为变频器控制电源的熔断器。3.2 控制电路的主要元件选型控制电路由系统采用了S7-300型PLC(cpu 313c-2，16个输入点，16个输出点)、三棱变频器(FR-A740)、水压传感器(PTH501F)、浮子式液位开关(ZC-PP52I)及其他控制设备等组成。3.2.1 水压传感器(PTH501F)(1) 特点：不锈钢隔离膜片一体化结构，可适应恶劣环境；小体积，高精度，高性价比，高稳定性,产品寿命长,经久耐用；防雷击，抗电磁/射频干扰,传输距离长；供电电源范围宽（1040V）,并且不

22、需稳压；无灌充液体，温补范围广,受温度影响极小。 (2) 特性：采用进口精品高稳定性压阻式芯体,精度高,寿命长,一般正常使用可达到10年,耐用性特别强,分辩率高,响应时间快，电路以ASIS高性能放大电路，经过数千次疲劳冲击，高，低温循环老化及精密的数字温度补偿工艺，再经过不锈钢全封焊（激光焊接）。外壳采用304,316钢材材质,经久耐用.兼容性广。(3) 技术参数防护等级：IP68 量 程：060MPa 综合精度：0.5%FS 输出信号：模拟量 420mA(二线制) 供电电压：24DCV(936DCV) 介质温度：-2085环境温度：常温(-2085)零点温漂移：±0.05%FS量程

23、温度漂移：±0.05%FS安全过载： 150%FS极限过载： 200%FS响应时间： 5 mS(上升到90%FS)负载电阻: 最大800 绝缘电阻: 大于2000M (100VDC） 图6 水压传感器长期稳定性能: 0.1%FS/年 振动影响: 在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 电气接口(信号接口): 四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母 机械连接(螺纹接口): M14×1.53.2.2 浮子式液位开关(ZC-PP52I)(1) 工作原理：液位浮子开关通常将密封的非磁性金属或塑胶管内根据需要设置一点或多点磁簧开关（干簧管），再将中空而内部有环形

24、磁铁的的浮子固定在杆径内磁簧开关（干簧管）相关位置上，使浮子在一定范围内上下浮动，利用浮子内的磁铁去吸引磁簧开关的闭合，产生开关动作，从而使小型塑料浮子水位开关达到控制感应检测水位液位的功能。常开和常闭是没有注入液体时的状态。 (2) 性能特点: 选用优质干簧管制造，结构简单，使用方便，它没有复杂的电路，不会受到干扰，只要材质选择正确，任何性质液体、压力、温度皆可使用。(3) 基本参数电气连接：黄色低温线浮球尺寸：19*16*7.5(可选)导杆材质：PP浮球材质：PP最高耐压：10kg最高耐温：80精度误差：±2mm (水中)重复性：±1mm (水中)开关形式：N.C./N

25、.O工作电压：220VAC工作电流：1A开关功率：50W/10W 耐久性能：2000000次 工作温度：-1080接点容量：50W/220VAC 最大切换电流：0.7A 图7 液位浮子开关最大工作电流：1A3.2.3 S7-300型PLC(1) 简介PLC是一种用于工业自动化领域的自动控制装置，SIEMENS公司作为全世界最早生产PLC的厂家之一，长期以来，其产品得到了用户和市场的广泛认可，S7-200/300/400 PLC是该公司目前的主要产品，但表了当前PLC技术的发展方向与趋势。S7-300 PLC属于S7-200/300/400 PLC家族中的中型PLC产品，规格众多，2006版S7

26、-300 CPU包括了标准型、紧凑型、故障安全型、技术功能型4大系列。紧凑型与标准型CPU的主要区别是CPU本身带有数量不等的集成I/O点、集成计数、脉冲输出等功能。本设计从工程角度出发，选用了紧凑型CPU 313C-2模块。S7-300 PLC的主要特点：运算速度快、PLC循环周期短；编程功能强；扩展性能好。(2) 连接方式CPU 313C-2模块，为DC24V电源输入/输出。共有16点开关量输入和16点开关量输出，安装有带40个连接端(引脚)的连接器X1(模块连接端见图8)。连接端1M(20号引脚)连接输入信号的电源0V端，输入端(29，1219号引脚)连接16个开关量输入接点，接点的另一

27、端与输入信号的DC24V电源端相连，电源DC24V端还需要与1L+（1号引脚）连接。8个开关量输出点(3239号引脚)需要通过连接端3L+(31号引脚)，由外部提供DC24V电源；输出端(3239号引脚)连接负载，负载另一端以及模块的3M端(40号引脚)与电源0V相连。由于三棱变频器FR-A740的接点输入开路时电压DC2127V，控制回路输入信号不充许输入电压。8个开关量输出点(2129号引脚)连接负载变频器，由变频器提供DC24V电源；负载另一端以及模块的2M端(30号引脚)相连。图8 模块连接端图(3) PLC的I/O分配如下表1所示。表1 PLC I/O分配表编程元件I/O端子电路器件

28、作用输入信号I0.0SA_1手动I0.1SA_2自动I0.2SB1启动1#泵I0.3SB2启动2#泵I0.4SA_3总停I0.5KV过电压I0.7变频器变频器故障I1.0变频器变频器就绪I1.1变频器变频器运行中I1.2变频器频率上限I1.3变频器频率下限I1.4变频器变频器过负载I1.5SB3变频器复位输出信号Q0.1变频器复位变频器Q0.2变频器停止变频器输出Q0.3变频器启动变频器Q1.0J2系统自动Q1.2J3变频器故障Q1.3J4过负荷Q1.4J5泵1变频Q1.5J6泵1工频Q1.6J7泵2变频Q1.7J8电源断路器3.2.4 变频器选型及接线方式3.2.4.1 变频器的控制方式控制

29、方式是决定变频器使用性能的关键所在。在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等(各控制方式比较如下表如示)。V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，经济实惠；V/f控制方式满足水泵负载的特性。故选择U/f=C控制通用型变频器。 表2 变频器控制方式比较控制方式U/f=C控制电压空间矢量控制矢量控制直接转矩控制反馈装置不带PG带PG或PID调节器不要不带PG带PG或编码器速比I<1:401:601:1

30、001:1001:10001:100起动转矩(在3Hz)150%150%150%150%零转速时为150%零转速时为>150%200%静态速度精度/%±（0.20.3）±（0.20.3）±0.2±0.2±0.02±0.2适用场合一般风机、泵类等较高精度调速，控制一般工业上的调速或控制所有调速或控制伺服拖动、高精传动、转矩控制负荷起动、起重负载转矩控制系统，恒转矩波动大负载3.2.4.2 变频器容量的选择变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器三个主要的参数：额定电流、可用电动机功率

31、和额定容量。一般情况下，选择变频器的功率和电机的功率一样，以保证变频器带动电机能够正常运行。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验,比较简便的三种方法选择变频器容量，互为参考，相互补充。(1) 电机实际功率确定法。首先测定电机的实际功率,以此来选用变频器的容量。(2) 公式法。对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式： 满足负载输出：PcnPm/ 满足电动机容量：PcnK3UeIe cos 满足电动机电流：IcnKIe式中 Pcn变频器容量（单位kW）； PM电动机轴输出功率（单位kW）； Ue电动机额定电压（单位V）； Ie为电动机额定电流（单位A） 电动机效率（

32、通常约为0.85）； cos电动机功率因数（通常约为0.75）； k电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常K约为1.051.1）。计算出pb 后,按变频器产品目录选具体规格。(3) 电机额定电流法。变频器容量选定过程,实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程,最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率,但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少,通常都是设备所选能力偏大,而实际需要的能力小,因此按电机的实际功率选择变频器是合理的,避免选用的变频器过大,使投资增大。对于轻负载类,变频器电流一般应按1. 1 In

33、 ( In 为电动机额定电流) 来选择,或按厂家在产品中标明的与变频器的输出功率额定值相配套的最大电机功率来选择。本设计选用了产品成熟的三菱通用变频器FR-A740-45K。3.2.4.3 变频器的接线方式在实际接线使用时，不必要的功能尽量不要使用，以免画蛇添足，增加程序控制复杂性。接线分为几部分：主回路；输入端子，模拟输入端(水压传感器模拟输入)，数字输入端(端子通过接点的闭合对变频器的启动、停止、复位等控制)；输出端子，包括变频器运行状态信号输出、故障接点输出等。接线图如图9所示。PLC的I1.2、I1.3接变频器的端子IPF、OL，L-接端子SE。PLC的Q0.1、Q0.2、Q0.3分别

34、接变频的端子SFT、MRS、RES，以实现用PLC的信号控制变频器运行、停止和复位。图9 变频器外部接线图3.2.5 主电路其它设备选择 3.2.5.1 断路器 当变频器需要检修时，或者因某种原因而长时间不用时，将QF切断，使变频器与电源隔离。当变频器输入侧发生短路等故障时，可自动切断电源进行保护。(1) 选择原则主要从变频器三个方面考虑：变频器在刚接电源的瞬间，对电容器的充电电流可达额定电流的（2-3）倍；变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流；变频器允许的过载能力为150%，1min。(2) 额定电流为了避免误动作，断路器的额定电流应选： 式中 变频器的额定电流。本设计选择断

35、路器型号为：NM1-225/3302。3.2.5.2 接触器一般来说，因为启停电动机是用接触器控制，自身并无保护功能，电动机的过负荷一般也是用热继或马达保护器配合接触器实现，接触器不存在误动作的问题。故选择原则是主触点的额定电流，一般接触器的选择要大一二挡。本设计选择交流接触器型号为：CJX1-250 AC220V。3.2.5.3 主电路电缆(1) 电源和变频器之间的导线按经济电流密度选择供电线路的截面积。选择导线既要考虑经济性，又要考虑安全性。导线截面大，线损就小，但会增加投资；导线截面小，线损就大，满足不了今后发展的需要，而且安全系数降低。在实际工作中，最好的办法就是按经济电流密度来选择导

36、线的截面面积。(2) 变频器和电机之间的导线 选择变频器的引入和引出电缆根据变频器的功率选择导线截面合适的三芯或四芯屏蔽动力电缆。尤其是从变频器到电机之间的动力电缆一定要选用屏蔽结构的电缆，且要尽可能短，这样可降低电磁辐射和容性漏电流。当电缆长度超过变频器所允许的输出电缆长度时，电缆的杂散电容将影响变频器的正常工作，为此要配置输出电抗器。对于变频器的外围元件与变频器之间的连接电缆其长度不得超过10m。 因为频率下降时，电压也要下降，在电流相等的情况下，线路电压降在输出电压中的比例将上升，而电动机得到电压的比例则下降。这有可能导致电动机带不动负载并发热。所以，在决定变频器和电动机之间导线的线径时

37、，最关键的因素便是线路电压降的影响。一般要求U(23)%UN。 的计算公式是： 式中：额定相电压，V ； 电动机额定电流，A ； 单位长度（每米）导线的电阻，m/m ； 导线的长度，m。由上式可直接反求出Ro的取值范围，根据Ro值确定导线面积。常用电动机引出线的单位长度电阻值见表3。 表3 常用电动机引出线的单位长度电阻值标称截面/mm21.01.52.54.06.010.016.025.035.0/(m/m)17.811.96.924.402.921.731.100.690.493.2.6 控制电路主要功能（1） 手动控制 当对水泵进行安装检修调试或压力传感器等不能正常工作时，可用手动控制方

38、式控制水泵的起停。（2） 自动控制 在系统正常时，该控制方式能根据用水量的变化，自动完成两台水泵的软起动、停止、切换的全部操作。（3） 水位保护 为防止在用户水量很小时（例如晚间），蓄水池内的水位过高而溢出水池，系统通过安装在蓄水池上部的浮子式液位开关液位检测装置，将蓄水池高水位信号传递给PLC控制，发出声光报警信号。（4） 过载保护 当变频器过载时，变频器自动停止输出，以保护变频器及水泵，并发出停止输出信号至PLC控制，发出报警信号。（5） 过电压保护 当电网出现电压过高，装设有主电路上的过电压保护装置（型号：DJ-131，图10中KV）输出过压信号至PLC控制，PLC发出输出停止信号跳电源

39、断路器，以保护变频器及水泵。图10 过电压保护电路4.PLC程序设计西门子系列PLC编程采用STEP7软件，它是西门子PLC的视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。PLC控制程序设计的主要任务是接收各种外部开关量信号的输入，判断当前的供水状态，输出信号去控制继电器、接触器、信号灯等电器的动作，进而调整水泵的运行，并给出相应指示或报警。4.1 故障报警作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。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、储水池水位过高造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监

40、测，系统判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。当电网出现过电压时，过电压继电器常开接点闭合，将信号出时输出到PLC及信号控制回路，信号灯亮发出报警；当220V AC/24V DC压变模块C1出现断线故障时，压变模块C1常开接点断开，信号灯灵。PLC控制根据输入点信号I0.5过电压继电器判断主电源是否过压、I0.7变频器工作状态是否正常、I1.4变频器运行是否过载，确定是否投入电源断路器，以保护变频器及水泵，并根据故障相应报警。PLC梯形图如下：4.2 手动运行方式切换开关SA切换到手动运行方式，PLC输入端子I0.1输入手动运行方式信号，系统在手动方式下运行。按下控制按钮

41、SB1，PLC I0.2输入手动启动1泵开关信号，程序首先判断系统是否存在故障，如果系统无故障，则判断2号水泵未变频运行及1号水泵未工频运行。如条件满足，PLC输出端子Q1.3输出启动1号泵指令至变频器STF端子，启动1号水泵。按下控制按钮SB2，PLC I0.2输入手动启动2泵开关信号，程序首先判断系统是否存在故障，如果系统无故障，则判断1号水泵未变频运行。如条件满足，PLC输出端子Q1.4输出启动2号泵指令至变频器STF端子，启动2号水泵。PLC梯形图如下：4.3 自动方式运行切换开关SA切换到自动运行方式，PLC输入端子I0.2输入自动运行方式信号，系统在自动方式下运行。当用水量大时，水压降低，变频器输出频率升高，当变频器运行频率到达上限时，并稳定10s运行后，若此时管网压力低于水压设定值，