水泵房恒压供水控制系统设计及应用.

1、近年来,能源紧张不时影响到工业生产及人民生活。因此,节能降耗是保证工业和生活稳定发展的一项关键措施。然而，长期以来，我国用水行业的技术水平相对比较落后， 自动化程度低。本论文设计一套基于PLC勺变频调速恒压供水系统，并利用组态软件开发良好的运 行管理界面。本系统包含3台水泵电机。采用通用变频器实现对三相水泵电机的软启动 和变频调速，运行切换采用“先开先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号，经由 PLC与设定值经PID比较运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的 转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与PLC勺连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状

2、态动态显示及数据、报警的查询。在运行过程中，水泵的出水流量随用水量大小而作自我调整，并可以做到从多泵到 单泵的平滑切换，改变以往阶梯式调节。关键词：变频调速；恒压供水；PLQ Wince-I -净水厂送水泵房控制系统设计及应用AbstractIn rece nt years, less and less rege neratable en ergy have affected the in dustrial production and people s life from time to time . Therefore it is to guarantee industry and lif

3、e to stabilize a crucial measure of development that energy saving falls to consume. However, since Iong-term, our country falls behind with the more technical more horizontal more relative comparison of water profession automation level is low.It also have desig ned a set of water supply system of

4、freque ncy con trol of con sta nt voltage c, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition. This system is formed by 3 pump generators3 main pump generators form the circulating run mode of frequency conversion With general frequency converter

5、realize for three phase pump generator soft start with frequency control, operation switch adopts the principle of “ start first stop first ” .The detection signal of pressure sen sor of hydraulic pressurevia PLC with set value by carry out PID comparis on operation. So, control frequency and the vo

6、ltage of frequency converter, and then the rotational speed that changes pump generator come to change water supply quantity, eventually, it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value Through work control machine the connection with PLC , with Wince group form software consu

7、mmately systematic monitoring, have realized operation state development to show and data, report to the police inquiry.In the process of operation, the pump make self adjustment with the size of water, and can be done from one pump to another smoothly, so it can be changed the regulation.Key Words:

8、 Variable frequency speed- regulating;Constant-pressure water supply;Plc;Wincc-# -摘 要IABSTRACTJ.I第1章绪论11.1课题研究背景及意义11.2变频调速恒压供水的发展11.3变频恒压供水系统的国内外研究现状 21.4本文主要研究内容2第2章 恒压供水基本原理42.1恒压供水工艺简介42.2变频调速供水原理42.3供水系统对电气调速的基本要求 72.4恒压供水节能原理 8第3章 恒压供水控制系统设计 113.1恒压供水系统控制 113.2恒压供水系统方案设计与选择113.3恒压供水系统框图113.4系统

9、工作原理123.4.1系统控制示意图 123.4.2系统工作原理133.4.3 PID调节恒压控制原理143.5硬件选择153.5.1 PLC 及模块163.5.2变频器173.5.3软启动器173.6系统主电路设计173.7程序设计183.7.1 PLC I/O 分配18PLC程序设计 20-iii -净水厂送水泵房控制系统设计及应用第 4章 监控程序设计 244.1WinCC软件简介244.2监控界面244.3 wincc 与 PLCSIM 的模拟264.4系统仿真调试27参考文献31致 谢32附录梯形图33-# -第1章绪论1.1课题研究背景及意义我国人口众多，每年所消耗的能量巨大，近年

10、来，能源紧张不时影响到了工业生 产及人民生活。从2003年开始，中国的能源消耗速度开始高于经济增速， 从“电荒”， “油荒”，到“水荒”，中国的能源问题日益突出。因此，节能降耗是保证工业和生 活稳定发展的一项关键措施，是各行各业的技术改革方向。然而，长期以来，我国的 电、用水行业的技术水平相对比较落后，自动化程度低，节能节水具有较大的发展空 间。如供水系统，由于用户用水的不稳定性，经常出现在用水高峰期，水压较低，水 的供给量低于需求量，特别是高层用户经常出现水压太低而无法用水的状况。传统的 解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力 调节水流量。以下对各种供水方

11、式的优缺点进行讨论。1恒速泵供水恒速泵供水即水泵电机的转速恒定，通过改变阀门的开度及投入运行的泵的数量 来适应用户用水量的改变需求。 水泵机组全部或部份不间断运行， 通过人工调节运行 机组数量和调节出口阀门开度， 从而调节管网压力。这种方式过去较多使用，但自动 化程度低，压力变化大，水泵电机启动频繁，电力消耗大，能量大量损失在阀门和调 节阀上。且频繁启停将影响设备使用寿命及电网电压。因此这种方法已逐渐被淘汰。2高位水箱供水此种方法利用水泵工作时将水位提高到高于用户位置，储存水源，利用水源自身重量形成重力供水，但需要修建水塔、水箱、水池等，这种方式占用空间大、建址地 势高、修建周期长、建筑投资大

12、，后期维护、管理工作量较大。3气压罐供水气压罐供水是用水罐储存水源，用户用水时，通过压缩空气使水进入用户管道， 随着罐内水的减小，压力也会降低。气压供水技术简单，不受高度限制，近年来已在 高层建筑中广泛采用。但其体积大，实际应用中受场地限制，且电机启动频繁，对设 备要求较高。另外这种方式制造成本高、投资大，电力消耗较大。因此一般常用于增 压及稳压设施。1.2变频调速恒压供水的发展变频调速被认为是一种理想的交流调速供水方法。20世纪60年代中期，随着普通晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置。这个时期的变频装置，多为分立元件，体积大，造价高，大多为特定的控制对象而研制。调速后的电动机静、动

13、态性 能较差，因此应用场合较少。20世纪70年代以后，电力电子和微电子技术以惊人的速 度向前发展，变频调速供水技术也随之取得了日新月异的进步，石油危机以后以节能为目的的变频器供水开始出现并得到了广泛应用。由于变频器供水具有的高效率性能和良好的控制特性，使之在供水系统中较多采用。1.3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基础上发展起来的。早期，由于变频器功能较 简单，在恒压供水系统中仅作为执行机构， 为满足用户需求的变化，保证管网压力恒 定，需通过压力变送器和PID控制器对压力进行闭环控制。如图1.1所示：给定值sp图1.1变送器和PID控制器实现的恒压供水水压由压力传

14、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。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。1.4本文主要研究内容本系统是以一个供水系统作为被控对象。采用通用变频器实现三相水泵电机的软 启动和变频调速，压力传感器检测当前水压信号，水压信号经变送器输出标准电信号 (4-20mA)通过A/ D转换模

15、块送入PLC经PLC进行压力反馈值与设定值的PID运算，运 算结果送入变频器频率控制端，控制变频器的输出频率，从而改变电机转速。压力反 馈值经PLC送入上位监控机，经组态软件进行显示。由PLC接受控制信号，并实现对电 机的启停及切换控制。变频器的故障输出及报警信号以及系统显示信号全部送入PLC 以方便利用PLC与上位机进行通讯并实现监控。系统的操作与管理采用微机实现，运 行参数有记录，使系统节能达到最佳效果。(1) 对水泵电机的调速供水原理进行分析。根据供水特点，分析泵电机的运行特点、运行参数及工作点，分析供水系统对电气调速的要求，设计一套基于PLC勺变频调速恒压供水控制系统。(2) 从水泵运

16、行曲线及管网特性曲线入手，分析水泵工况调节的几种方法，详细 阐述变频调速恒压供水系统耗能原理及节能原理。(3) 重点阐述变频调速恒压供水系统的构成及其工作原理，进行系统硬件的选择及PLC程序的设计、变频器功能预置等。根据压力大小进行PID控制，调整变频器的输 出频率，从而改变水泵电机转速，改变流量的大小，适应用户用水量改变的需求，保 持管网压力恒定。(4) 用wince组态软件在上位机中开发恒压供水控制系统的主监控界面、数据查询界面、报警界面、实时及历史曲线界面等。-3 -第2章恒压供水基本原理2.1恒压供水工艺简介供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积 大，水质易污

17、染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部 分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术, 它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而 变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操 作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：（1）维持水压恒定；（2）控制系统可手动/自动运行；（3）多台泵自动切换运行；（4）系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水 需求时自动唤醒；（5）在线调整PID参数；（

18、6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等。将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变 频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水 泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。2.2变频调速供水原理1异步电动机的调速方法水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为:n =60 f 1 -s（2-1）P式中f是电源频率，p是电动机极对数，s是转差率。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

19、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，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基本上与电源频率厂成正比。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。因为当电源电压不变时，若频率减小，主磁通将 增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，

20、功率因数降低，铁心损耗增加；而当 频率增加时，磁通减小，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力降低，电动机的容量也 得不到充分利用。因此，为了使电动机能保持较好的调速性能， 要求在调节频率的同 时，改变定子电压，以维持主磁通不变，或者保持电动机的过载能力不变。电源电压 随频率按什么样的规律变化最为合适呢？一般认为，在任何类型负载下变频调速时， 若能保持电动机的过载能力不变，则电动机的运行性能较为理想。2变频装置简介要实现异步电动机的变频调速供水，必须有能够同时改变电压和频率的供电电源。 现有的交流供电电源都是恒压恒频的，所以必须通过变频装置才能获得变压变频电 源。变频装置可分为间接变频和直接变频两类

21、。间接变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变成为可控频率的交流，通常称为交-直-交变频装置。直接变频装置则将工频交流一次变换成可控频率的交流，没有中间直流环节，也称为交-交变频装置。目前应用较多的还是间接变频装置。2.1间接变频装置(交-直-交变频装置)图2.1绘出了间接变频装置的主要构成环节。按照不同的控制方式，它也可分为图2-2中的(a)、(b)、(c)三种。-5 -里！DC逆垂*葩环节图2.1间接变频装置(交-直-交变频装置)图2.2(a)是可控整流器变压，用逆变器变频的交-直-交变频装置。调压和调频分 别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。这种装置

22、结构简单、控制方便, 但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调得较低时，电网端的功率因数 较低；输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器 (每周换流六次)，输出的谐波较大。 这是此类变频装置的主要缺点。图2.2(b)是用不控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频的交-直-交变频装置。整流器采用二级管整流器，增设斩波器进行脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但输 入功率因数高，克服了图2 2(a)的第一个缺点。输出逆变环节不变，仍有谐波较大 的问题。图2.2(c)是用不控整流器整流、脉宽调N(PWM逆变器同时变压变频的交-直-交变 频装置。用不控整流，则输入端功率因数高；用PW逆变，则谐波可以减少

23、。这样可以克服图2. 2(a)装置的两个缺点。(a)(b)(C)图2.2间接变频装置的各种结构型式近年来，随着微机技术和电力电子技术的发展，PW变频技术得到了飞速发展。由于它可以有效地进行谐波抑制而且动态响应好， 在频率、效率诸方面有明显的优势。 现在使用的大部分为电压型变频器。2.2直接变频装置(交一交变频装置)直接变频装置的结构如图2.3所示，它只用一个变换环节就可以把恒压恒频的交 流电源变换成变压变频电源。这种变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装 置反并联的可逆线路。正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出 电压U0b UO勺幅值决定于各组整流装置的控制角，U0勺频

24、率决定于两组整流装置的切 换频率。当整流器的控制角和这两组整流装置的切换频率不断变化时，即可得到变压变频的交流电源。赵 股交交变频"FB-50Hz图2.3直接变频装置由于交一交变频技术只用一次变流， 且使用电网换相，提高了变流效率，但接线 复杂，使用的晶闸管较多，受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低，且 采用相控方式，功率因数较低。目前较少采用。主要用于大功率、低转速的交流调速 装置中。2.3供水系统对电气调速的基本要求生活用水不比生产用水定时定量， 而具有明显的时变性，具有明显的时间段，因此生活给水设备应具有“多用水、多耗电；少用水、少耗电 "的功能。在用水高峰

25、期, 管网压力下降，此时应根据压力反馈值的结果通过PID运算，使变频器输出频率增加, 水泵电机转速增加或增加投入运行的水泵台数，从而增加管网压力，保证供水能力。 在用水较少时，管网压力将增加，此时压力的变化通过反馈运算使变频器输出频率下 降，电机转速下降或减少运行的水泵数量， 从而减小管网压力，直到管网压力等于设 定值。这样，用户用水量的波动，供水装置都必须及时做出反应。供水系统对电气调 速的基本要求有：1水泵在相同工况下调速时，其输出扬程 H和水泵转速n的平方成正比，即：H 二 Kn2其中H是水泵扬程，K是转速系数, 化调节水压，他们的关系式如下：H 二 Hi H 二 Hi K1Q2已是水网

26、中最不利供水点要求流程，(2-2)n是水泵转速。供水系统必须根据流量的变(2-3)H2是管道水头损失，ki是流量系数，由管-9 -# -网本身决定。Q是网用户要求的用水量两式联立求得:(2-4)H H1K1 K1从上式可看出，流量的平方与转速的平方成线性关系。 还可看出，当流量为零时， 水泵电机必须保持一定转速以保证管网维持一定的水压。 速度的调节根据水压进行闭 环控制。2系统启动和负载变化较大时，电流冲击较大，为保护电机及其他电气设备，应 采用软启动方法。通过变频器输出频率的逐步变化使电流有一个变化过程， 并通过PID 调节和模糊控制相结合达到恒定水压的目的。2.4恒压供水节能原理1基本模型

27、阀门打并隅门打幵姐警JB停 O Q当前横詹»rE号要频工非手自动图2.4供水系统的基本原理图2.4所示为一生活小区供水系统的基本原理。水泵将水池中的水抽出，并上扬 至所需高度，以便向生活小区住户供水。2主要参数1 流量单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号用 Q表示。供水系统的基本任务就 是要满足用户对流量的要求。2扬程单位质量的水被水泵上扬时所获得的能量。符号为 耳扬程主要包括三方面：a：提高水位所需的能量b:克服水在管道中的流动阻力（管阻）所需的能量C:使水流具有一定的流速所需的能量由于在同一管路中，上述b和C是基本不变的，在数值上也相对较小。可以认为， 提高水位所需的能量是扬

28、程的主体部分。 因此在同一管路内进行分析时，常简单的把 水从一个位置上扬至另一个位置时，水位的变化量用来表示扬程。3. 全扬程也叫总扬程或水泵的扬程。是表明水泵的泵水能力的物理量。 在数值上等于：在 管路没有阻力，也不计流速的情况下，水泵能够上扬水的最大高度。4. 实际扬程通过水泵提高水位所需的能量。在不计损失和流速的情况下，其主体部分正比于 实际的最高水位与水池水面之间的水位差。5. 损失扬程全扬程与实际扬程之差。全扬程=实际扬程+损失扬程6. 管阻表示管道系统对水流阻力的物理量。管阻不是常数，不能以简单的公式定量计算， 通常用扬程与流量间的关系曲线来描述。7. 压力表明供水系统中某个位置水

29、压，其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的 位置，在动态情况下，还与供水流量和用水流量之间的平衡情况有关。-11 -第3章恒压供水控制系统设计3.1恒压供水系统控制对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。 所以，流量是系统的基本 控制对象。如前所述，流量的大小取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考 虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关， 供水能力 用水需求，则压力上升；供水能力 用水需求，则压力下降；供水能力=用 水需求，则压力不变。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。 因此，压 力可以用来作为控制流量大小的参变量

30、。 即保持供水系统中某处压力的恒定， 也就保 证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，满足了用户所需的用水流量。3.2恒压供水系统方案设计与选择从恒压供水的原理分析可知，系统主要有变频器、压力传感器、压力变送器等。前面已介绍了目前常用的恒压供水控制系统。 鉴于专用变频器系统的不足之处， 本文 采用通用变频器加PLC空制系统。水压反馈值送入PLCS行PID运算，运算结果经D/A 转换输出送给变频器的反馈信号输入端，从而调整变频器频率，改变电动机的转速， 调整管网水压，保障水压恒定。上位机与 PLCS行通信，对压力数值进行显示并实现 系统启停控制、压力设定值的修改。且由于 PLC产品的系列化和模

31、块化，用户可灵活 组成各种要求和规格不同的控制系统。由于 PLC和上位机具有良好的通信功能，此系 统方便与其他系统进行通信和数据交换。当控制要求改变时，利用编程软件很容易进行程序的修改和下载。 因此，该系统能适用于不同控制要求的场合， 与机组容量大小无关。且由于良好的人 机界面，使得操作更加简单，系统运行状态更直观。因此本系统采用“变频器+PLC+上位监控计算机"的模式。3.3恒压供水系统框图根据系统控制方案可得系统框图如下:图3.1恒压供水系统框图图中水池水位经液位计检测送入电气控制柜，经 PLC程序处理，决定水泵的运行与停止。安装在总水管上的压力变送器将压力值转换为标准电信号送至

32、PLC勺A/D转换模块，经PLC内部PID处理，由D/A模块输出模拟量信号送至变频器频率控制端，从而 影响变频器的输出频率，改变水泵电动机转速。上位机与PLC进行通讯，显示系统运行状态及历史数据。3.4系统工作原理3.4.1系统控制示意图1.图3.2系统控制示意图Mxr-tSii *)tf 'it* li此系统由信号检测、水泵拖动机组、电气控制、上位机等组成，各部分的作用及 工作原理如下。a：信号检测主要包括蓄水池液位检测、管网压力检测与反馈。液位检测通过安装在蓄水池的 浮球液位传感器实现。当液位正常时，水泵机组处于工作状态。当水压不足，液面过 低时，系统实施保护，以防止电机空转而损坏

33、。管网压力检测通过安装在用户总管的 压力传感器实现，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4-20mA 的电信号。此检测信号是实现恒压供水的关键参数。b:水泵拖动机组系统由一个机组3台水泵电机组成。Ml、M2 M3既可以变频运行又可以工频恒速 运行，组成变频循环运行方式。系统首先启动一台水泵作为变速泵，当水压发生变化， 变频器输出频率达到50Hz时，若供水量仍不能达到用水要求，则该泵退出变频状态， 转入工频，启动另外一台泵变频运行。以此循环。另一台小泵电机采用恒速运行方式， 使系统在用水量很低（如夜间）时，可以停止所有的主泵，用小泵补水，减小系统功耗 及噪音。c:电气控制系统电

34、气控制系统一般安装在控制柜中，由PLG变频器和电控设备组成。 PLC是整个控制系统的核心部分。它采集系统的压力、液位、报警等信号，进行处理、运算和输出。并接收人机接口和通讯接口的数据信息进行分析，通过变频调速器和接触器等电气元件实现控制。 变频器：实现电机转速控制的单元，接受 PLC1算处理后数据，实现输出频率 的改变，从而完成调速泵的转速控制。 电控设备：主要由空气断路器、接触器、保护继电器和转换开关、按钮等组成。 空气断路器用于接通电源；接触器用于实现变频运行与工频运行；转换开关用于实现 手自动的控制。d:上位监控计算机用于操作者与系统进行信息交流，实现控制和显示系统运行状态。通过监控计算

35、 机，操作者可以很方便地根据系统需求对压力设定值进行修改， 对控制方式进行改变， 并可以方便地控制系统的启停和控制方式的转换。3.4.2系统工作原理1系统自动变频循环运行系统变频全自动运行时，当用户用水量发生变化，水压变送器反馈的电信号将发 生变化，此时将进行水泵的增减。电机切换过程如下： 若原为1号电机变频运行，用户用水量增加，则管网压力下降，反馈到 A/ D专 换模块输入端的模拟量减小，通过PLC内部的PID运算，D/A转换模块输出量增加，即 变频器频率给定端的电信号值增加， 使变频器输出频率增加，电机转速增加，从而增 大供水量直到与用水量平衡，管网水压随之上升，最后必须达到设定值。若在第

36、一台 电机的频率达到50Hz之前，管网水压已经达到设定值，此系统依然只运行第一台电机， 只是运行于较高的频率。若第一台电机的频率达到50HZ寸，管网水压仍然低于设定值， 则进行水泵切换，此时第一台电机退出变频状态，转入工频；第二台电机变频启动，直到管网水压上升到设定值。若第二台电机频率达到50Hz,管网水压仍未达到设定值， 则第二台电机也转为工频，而变频启动第三台电机。若此时用水量又减小，则管网压 力将上升，如果第三台变频泵电机频率下降至下限值，管网压力仍不能达到设定值， 则系统将根据“先开先停"的原则减泵。即系统将首先使第一台泵停止运行。系统进 入水压的闭环控制，使压力重新达到设定

37、值。若仅停掉一台水泵，压力仍不能达到设 定值，将关掉第二台水泵，再次进入水压的闭环控制。 以上分析的是一个循环的用水增加又减小，电机的切换过程。第二个过程将仍 然根据“先开先停”的原则，即用水增加时将按三号泵变频一一三号泵工频、二号泵 变频一一三号、二号泵工频，一号泵变频的顺序进行切换。2系统自动工频运行控制如果变频器不能正常工作，系统采用自动工频运行方式，此时电动机采用软启动 器启动，系统不能实现恒压，水压保持在一个规定的区间内。设泵I先工作在工频状态，压力变送器米样后送给PLC如果压力在控制区间内，系统状态不变，若水压不 在设定区间内，则改变状态，超过区间上限则切除一个泵，超过下限则工频启

38、动一个 泵，系统继续压力信号采样，重新建立监控区间。如此循环扫描，直至达到控制目的。 该运行方式下，水泵只有工频运行和停止两种工作状态。 如果系统发生故障，则转入 故障处理程序。343 PID调节恒压控制原理系统实现水压的恒定是通过水压的闭环控制。 当用水量增加时，水压减小，使控 制变频器频率输出的电流增大，电机提速，使水压达到设定的恒定值。本系统使用的 是PLC内部PID调节，原理框图如下：比例压力给定值r(t)积分微分压力变送器水泵用户管网实际压力c(t)图3.3 PID原理图PID参数一般按照工艺对控制性能的要求来选择比例常数 KF和积分常数Ki。比例 常数KF越加大，系统的动作灵敏，速

39、度加快。KP偏大，振荡次数加多，调节时间加长。 KP太大时，系统将变得不稳定。KP太小，系统动作趋于缓慢；积分环节Ki通常使系统 的稳定性下降。Ki太小，系统不稳定，Ki偏小，振荡次数增加，Ki偏大时，对系统性 能的影响减小。当Ki合适时，过渡过程比较合理。微分控制可以改善动态特性。k偏大时，超调量较大，调节时间较长，当 k偏小时，超调量也较大，调节时间也较长， 只有k合适时，才可以得到比较满意的过渡过程。PID调节过程首先引入比例常数Kp,在系统稳定的情况下，减小稳态误差，提高精度，但是加大 KP只能减小稳态误差，不 能消除稳态误差。然后引入积分控制Ki，消除系统的稳态误差，提高控制系统的控

40、制 精度。最后引入微分控制，减小系统的超调量，改善系统品质。3.5硬件选择前面已经阐述了恒压供水系统框图，根据系统框图可得知本系统所需硬件框图如下：-15 -吏疾S3也注矗殴事达蒯信号图3.4系统硬件框图从图可知，系统所需的硬件有：1 PLC,含特殊功能模块A/ D, D/A2水池液位传感器、管网压力表3控制所需低压电器及电气控制柜4变频器5水泵机组6监视、控制上位机3.5.1 PLC及模块PLC是系统控制核心器件。它采集系统所有输入信号，包含启停控制信号及系统 自动反馈的控制信号，如报警，压力等，并实现对所有动作器件如中间继电器、电磁 阎线圈，变频器的控制，同时完成和上位机的数据通讯。表3-

41、1 pic的选型序号名称订货号数量1480mn导轨（模块安装用）6ES7 390-1AE80-0AA012电源模块（5A）6ES7 307-1EA01-0AA013CPU315-2DP,256内存6ES7 315-2AH14-0AB014SIMATIC Micro 内存卡 128KByte(MMC)6ES7 953-8LG10-0AA015开入模块（16点，24VDC）6ES7 321-1BH02-0AB016开出模块（16点，24VDC）6ES7 322-1BH01-0AB017模拟量输入模块（8路,13位精度）6ES7 331-1KF02-0AB018模拟量输出模块（8路）6ES7 332

42、-5HF00-0AB019CP5611通讯卡（上位机ISA插槽）6GK1 562-1AA0110研华工控机IPC5601合理选择适当的PLC是使整个系统性能可靠，控制方便的关键。选择PLC寸，首先 要选择的是PLC勺型号。不同生产厂商的PLC具有不同的技术参数，指令系统也不同。3.5.2变频器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。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器应具有通讯功能。现在的变频器一般具有通讯功能及控制软 件，可以很方便的用电脑实现控制及对变频器运行状态的监控。外型结构紧凑，安装 方便。产品

43、经过多种电气安全规范认证，符合GE、UL及质量认证体系IS09001和IS04000。 具有这些功能的变频器品牌较多。 根据本系统水泵电机功率，系统变频器可选择为三 菱FR.F540L.S系列，变频器功率75KW此变频器采用最佳励磁控制方式， 能实现更高 节能运行；内置PID;变频器/工频切换功能可以实现多泵循环运行功能。3.5.3软启动器正常情况下，每台电机的启动都是变频启动，这是一种软启动方式，启动电流小， 对电网的冲击小，对设备的损害也小。当变频器出现故障时，系统必须通过全工频运 行方式保证供水，工频运行控制是保证系统供水的必不可少的部分，但此时不能保证恒压供水。工频控制时，由于电机功率

44、较大，不能采用直接启动方式，必须采用降压 启动或软启动。本系统采用软启动器。因此在每个工频回路必须串入软启动器。3.6系统主电路设计图3.5系统主电路图本系统三泵循环变频运行方式的王电路如上图所示。由此图知，M1、M2 M3既可以变频运行，也可以工频运行，但系统始终只有一台水泵电机变频运行， 其他水泵根 据实际需要决定是否工频运行。三相电源经低压断路器、接触器触点接至变频器的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，连接至变频器的接触器及变频 器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器。主电路中的低压断路器除接通电源外， 同时实现短路保护，每台电动机的

45、过载保 护由相应的热继电器实现。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。 关于工频与变频之间的切换问题在本论文的 后面将有简单的介绍。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 4-20mAt流信号送至上位机来显示。同时可以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

46、反，贝U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 (如直接使断路器或接触器断开)，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。由于整个系统都采用自动控制，故阀门的开启也采用电磁阀的通断电实现，由PLC 实现控制。3.7程序设计3.7.1 PLC I/O 分配PLC勺输入输出点数根据系统的控制要求确定。本系统输入信号有开关量信号和 模拟量信号，输出也有开关量和模拟量信号。系统分为自动和手动控制，每台电动机 有变频和工频运行，在加上对应

47、的指示、报警等信号，因此系统输入输出信号有：1 PLC输入信号(1) 变频调速恒压供水中为保证供水的不间断性，要求有手动和自动控制方式，当变频器出现故障时，采用手动方式，软启动电机实现工频下供水。手动和自动控制 采用选择开关实现，此信号为开关量信号通过两个输入继电器送入PLC(2) 电接点压力表上下限开关量信号作为PLC空制电机停止及变频与工频转换的条件(3) 变频器故障开关量信号送入PLC乍为自动变频运行和全工频运行切换的条件。(4) 水池液位开关信号送入PLC，控制水位过高时，停止进水，水位过低时系统停 机，防止电机空转。表3-2输入输出信号的地址分配表符号地址数据类型注释1frQ3.0B

48、OOL1号泵过载2frQ3.1BOOL2号泵过载3frQ3.2BOOL3号泵过载CONT_CFB41FB41PIDD1DB1FB41FB41的背景块FC105FC105FC105模拟量转化成数字量k1Q0.0BOOL1变频启动k2Q0.1BOOL1工频启动k3Q0.2BOOL2变频启动k4Q0.3BOOL2工频启动k5Q0.4BOOL3变频启动k6M0.6BOOL低水位报警启动k7M1.6BOOL变频故障启动KM1Q2.0BOOL变频器接电网my-p1FC1FC1手自动初始化及加减泵程序MY-P2FC2FC2PID处理结果和频率的转换s1I2.2BOOL消变频故障s10M0.0BOOL首次2变

49、频s11M0.1BOOL上电1变频s2I0.4BOOL消水池故障s3M0.7BOOL水池低位s4I1.5BOOL变频故障s5M1.3BOOL软自动s6M0.2BOOL2泵工频s7M0.3BOOL1工频2变频停1s8M0.4BOOL1,2工频3变频停1s9M0.5BOOL1,2工频3变频停1,2SB1I1.0BOOL手动开始按钮SB2M1.1BOOL手动停止按钮2 PLC俞出信号(1) 控制三台主电机的变频与工频运行接触器。每个水泵阀门的开关及市政水管 的阀门开关由PLC空制。(2) 输出三个点控制三台主电动机工频软启动。(3) 开关量输出控制中间继电器，由中间继电器控制变频器。(4) 1个模拟

50、量输出送入变频器频率反馈端。(5) 电动机停止、变频、工频运行显示。(6) 变频器故障或水池水位低报警输出。3.7.2 PLC程序设计PLC勺编程语言有梯形图、语句表、顺序功能图、功能块图。本系统程序的编制利用编程软件在计算机上完成，编译后把程序下载到 PLC,控制任务的完成，是通过 在RUNS式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。 PLC旨令主要由基本指令、 步进指令、功能指令构成。为了使主程序结构清楚，系统将部分功能的程序作为子程 序放置在主程序后，根据系统运行情况进行调用。本系统PLCg序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频 切换程序、阀门开启关闭程序、模拟量

51、(压力、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 调用子程序，接着对模拟量(管网压力、电机频率)数据表进行初始化处理，赋予一定 的初值。见图3.6。関用子程胖FC1手动开始按手豹谆止按衽朝"ser旷手自动初 始化及加 谶泵程厚Etl EMO图3.6系统初始化2 水泵电机启动程序当检测到所有设备正常时，进入变频循环启停程序，PLCg序自动完成相应的电-23 -机的变频起动。例如图3.7QO_ OTL, 1K>. O飞ibQ3_ Orm"QO. 1图3.7 1泵变频程序-25

52、 -# -3 电机变频/工频切换及增减泵程序电机变频起动后，当变频器输出频率达到50Hz时，由同步切换控制电路检测工频 电源和变频输出电源相位是否一致， 若相位一致，PLC勺输入继电器动作，PLC执行一 系列动作，切断变频器的输出，使变频器的输出电流为零。经瞬间延时后，迅速切断 变频接触器和变频器控制端子，在此状态下，然后再由 PLC迅速发出命令，快速吸合 工频接触器，如此便实现了电动机变频至工频的锁相同步切换。若相位不一致，同步控制器输出低电平，经PLC程序，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。当上一台水泵电机从变频转为工频后， 下一台电动机自动变频启动。反之， 若变频器

53、己达下限频率，而水压仍然高于设定值，则应执行减泵过程。此时通过PLC程序切除一台工频运行的电动机， 水压反馈值与设定值进行比较，调整变频器输出频 率，改变变频运行电动机的转速，直到系统达到新的平衡。例如图 3.8。图3.8首次加泵程序-# -# -停机程序-# -水泵机组在正常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。当按下停止按钮时，正在运行的电机都会停止运行。4 报警程序报警程序是依据电动机的热继电器动作及变频器故障输出端子信号进行设计的， 当电动机过热时，热继电器常开触点闭合，作为 PLC勺输入条件。对于所有的故障情 况（变

54、频器和电机），必须有一路输出控制蜂鸣器，另外有不同的指示灯进行故障显示， 此系统有3台电机和一台变频器的故障显示， 因此，总共有4路故障显示输出。故障信 号不仅在电气控制柜上进行显示，同时通过 PLCffi上位机的通信，在上位机上也有相 应的故障显示，以便工作人员及时、尽快找出故障设备并加以解决。程序段7 :变频器故障，报警ILO手动开始按钮"SBTIL5变频故障11.1s4消轟缶障* N *S1U.6变频故障启动0图3.9报警程序5 全工频自动运行程序当检测到变频器出现故障时，系统从变频循环自动运行程序转入全工频运行程 序。PLC空制程序使中间继电器动作控制相应的接触器，通过主回路

55、的软启动器实现 电动机的软启动。此程序不能实现恒压供水，只能保证水压在一定范围内。程序根据 管网反馈的水压值与设定值范围进行比较， 如果反馈值在设定范围内，则保持状态不 变。如果水压大于设定值最大值，贝U减泵，如水压低于设定值最小值，贝U加泵，所有 泵的启动都采用软启动器。直接运行于工频状态。软件流程图如下:-# -图3.10软件流程图-27 -净水厂送水泵房控制系统设计及应用第4章监控程序设计4.1 WinCC软件简介西门子公司的WinC(是Windows Control Center(视窗控制中心)的简称。它集成了 SCAD、组态、脚本(Script)语言和OP*先进技术，为用户提供了 WindowS操作系统集 成自动化(TIA)产品的