某商务大楼三泵一变频器恒压上水及消防用水的电气设计

1、摘 要本设计是设计商务楼恒压变频供水系统。该系统综合运用计算机技术、变频调速技术以及自动控制技术，实现了恒压供水的参数整定自动控制，保证了随时供水系统维持在最佳运行状况。本系统设置消防水泵采用工频运行手动控制，在备用时消防水泵自动定期交替试运行。本设计详细的介绍了变频器的内部结构组成和工作原理还有变频器的各种功能，以及采用变频器供水系统的节能原理做了较详细的分析和研究。本设计运用最新的变频器技术组成了生活泵主电路部分，在此基础上设计了整个系统的控制电路，实现了变频器通过自带的PLC程序和PID控制器对商务楼进行恒压供水的目的。关键词：变频调速 恒压供水 PID调节 PLCAbstractThi

2、s design is the design business pressure frequency conversion water supply system. This system comprehensive use of computer technology, the technology of frequency conversion and automatic control technology to realize the constant pressure water supply parameters setting automatic control, to ensu

3、re the water supply system at best operation condition. This system setting fire pump adopts industrial frequency run by direct manual control, automatic fire pump regularly when standby alternating commissioning.This design introduces the internal structure of frequency converter composition and wo

4、rking principle and frequency converter, and using various function of water supply system of frequency converter energy-saving principle to do a more detailed analysis and research. This design USES the latest technology of frequency converter life in the main circuit part, pump design based on the

5、 system control circuit, realized the inverter through its PLC program and for commercial buildings PID controller for the purpose of constant pressure water supply. Keywords： Variable Frequency and Speed Regulation Water Supply of Constant Pressure 目录第一章 绪论11.1 变频器恒压供水系统产生的背景和意义11.2 现行高楼供水的模式21.2.1

6、 恒速泵供水方式21.2.2 恒速泵加高位水箱的供水方式21.2.3 恒速泵加气罐的供水方式21.2.4 变频调速供水方式31.3 变频调速技术在供水行业的应用31.4 本章小节4第二章 变频器恒压供水系统的分析62.1 水泵供水系统的主要参数及其特性62.1.1 水泵供水的基本模型和主要参数62.1.2 供水系统的特性与工作点72.2 供水系统的节能原理82.2.1 节能原理分析82.2.2 二次方律负载采用变频调速后如何获得节能效果92.3 变频调速恒压供水系统的组成和原理112.3.1 变频调速恒压供水系统112.3.2 变频调速恒压供水系统的控制要求112.3.3 两种控制信号122.

7、3.4 PID调节功能122.4 变频调速闭环运行在恒压供水系统中的应用122.4.1 变频器的选型及功能预置122.4.2 变频器的PID调节功能142.5 本章小节15第三章 变频器恒压供水系统的设计163.1 变频器恒压供水系统方案的确定163.2 系统硬件设计163.2.1 主电路设计163.2.2 控制电路设计173.2.3 硬件电路图173.3 系统软件设计173.3.1 供水系统PLC控制的程序流程图173.3.2 PLC程序的编写203.3.3 系统总体调试203.4 本章小节21第四章 PLC在变频器恒压供水系统中的应用224.1 可编程控制器PLC的简介224.1.1 可编

8、程控制器的性能指标224.1.2 可编程控制器的特点224.1.3 PLC控制与继电器控制的比较234.1.4 PLC在变频调速恒压供水系统中的应用244.2 可编程控制器PLC的工作原理244.2.1 PLC的等效工作电路244.2.2 PLC循环扫描工作方式264.3 可编程控制器PLC程序设计方法284.3.1 PLC编程语言284.4 本章小结29第五章 器件的选型305.1 水泵的选型305.1.1 总用水量的计算305.1.2 水泵的选型的计算315.1.3 水泵的确定315.2 电动机的选型325.3 变频器的选型325.4 PLC的选型335.4.1 控制系统的I/O分配335

9、.4.2 PLC的型号选择345.5 其它电气元件的选择345.5.1 熔断器的选择345.5.2 交流接触器的选择355.5.3 热继电器的选择355.5.4 其他器件的选择355.6 元器件目录表355.7 本章小结38结论39参考文献40致谢41附录42第一章 绪论1.1 变频器恒压供水系统产生的背景和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%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水

10、压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠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供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅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）。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

11、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和提高生产管理水平的目的。变频调速恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，得到了广泛应用，恒压供水调速系统可依据用水量的变化(实际上为供水管网的压力变化)自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求。在短短的几年内、调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替，投资更为节省，运行效率提高，成为主导产品。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量

12、发生变化时保持水压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。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。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很有潜力，所以某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。 在一些比较大规模的工业生产供水系统中，变频调速恒压供水有它自身的特点：1.供

13、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。以变频器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。1.2 现行高楼供水的模式水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等

14、方面技术一直比较落后，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，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式，下面简单介绍几种以前的供水方式： 恒速泵供水方式这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量

15、极差。1.2.2 恒速泵加高位水箱的供水方式这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停将完全由人操作，使系统的供水质量下降，能耗增加。1.2.3 恒速泵加气罐的供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大

16、减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水方式也存在着许多缺点。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗，频繁启动会造成系。1.2.4 变频调速供水方式这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。将变频调速技术用于更新改造传统供水设备之后，大大地推动了恒压供水技术装备的发展。这

17、种恒压供水方式与传统的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，在设备的投资、运行的经济性、系统的稳定性、可靠性和自动化程度等方面具有无法比拟的优势。供水系统采用变频控制，既能大量节约能源，又能稳定供水系统的压力，保障管网系统的安全运行，是非常有实际意义的，并且供水系统的电动机相对鼓、引风机而言容量较小，投资不大，还可以在恒压供水的过程中，实现水泵电机的软启动、水泵及管路保护，并且可以节约能源、提高劳动生产率，所以非常值得推广和应用。其优越性表现在：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。比较以上几种供水方式得出：以变

18、频器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。1.3 变频调速技术在供水行业的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，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、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

19、的许多缺点，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，其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4060，节水1530。变频控制技

20、术的进步不仅仅是异步电动机结构简单、坚固、易于维护等优点，更主要的是采用变频调速技术的异步电动机的机械特性达到了直流电动机调压调速的特性。由于计算机技术的介入，使得变频器具有丰富的功能和方便好用的特点，因此人们才有可能按照实际要求，自行构成一个适用和可靠的调速系统。变频调速恒压供水设备以其节能、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年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据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

21、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，而且具有显著的节能效果。恒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。

22、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，早期的单泵调速恒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。1.4 本章小节毕业设计课题是变频调速恒压供水系统设计，大体为以下四项内容：1. 变频调速恒压供水系统现状和发展 主要介绍其系统的目的和意义，简述了目前我们常用的供水系统，根据社会发展的需要必须要进行技术改造，变频器的广泛应用，随着技术的发展，其优越性越来越多，主要是节能、恒压、综合技术的集成等，以后将朝大容量、小体

23、积、高性能、易操作、寿命高、可靠性强、无公害化发展，从而可以看出变频调速恒压供水的广泛前景；同时介绍了该供水系统起关键作用的变频调速技术和PLC的应用以及其特点。2. 变频调速恒压供水系统的理论原理 主要介绍变频调速恒压供水系统的工作原理，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。3. 各种附图的绘制：工程设计离不开图纸，绘制各种图是设计工程的基本要求。本设计应需十几张图，包括：生活泵主电路，消防泵主电路，控制电路，变频器的外部接线图，可编程控制器PLC的外部接线图，系统组成图以及程序梯形图等。4. 元器件的选择：根据元器件的选取原则，根据设计经验，根

24、据经验公式选取合适的器件。第二章 变频器恒压供水系统的分析2.1 水泵供水系统的主要参数及其特性2.1.1 水泵供水的基本模型和主要参数1) 基本模型泵用户水面 h1吸水口摩擦损失 流量控制全扬程水压泵实际扬程h0L0h2Hh3 图2-1 供水系统的基本模型 （a）全扬程的概念 (b)基本模型)图中：L0一一水泵中心位置；h0一一吸水口水位；h1一一水平面水位；h2一一管道最高处水位：h3一一在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真实的管道系统中，这个位置并不存在。只有在h3大于管道的实际最高位置的情况下，才能正常供水。2) 供水系统的主要参数 流

25、量Q(/h)：单位时间内水泵所输出的液体的数量 供水流量 用水流量 扬程H：单位质量的液体通过水泵所获的能量 全扬程 实际扬程 损失扬程 管阻P：供水管道（管道和阀门）对流体的阻力2.1.2 供水系统的特性与工作点1) 供水系统的特性 扬程特性：反应用户用水量对水泵扬程的影响 HTTTQu 全扬程与用水流量的关系=f()管阻特性：反应为维持管道中一定的流量所必须克服管阻所需的能量HTTT 全扬程与供水流量的关系=f()2) 供水系统的工作点 供水的工作点QQE QNHTHoHEHNHCHB0ABN1234图2-2 供水系统特性曲性H=f()曲线和H=f()曲线的交点叫工作点（自然工作点）在此点

26、系统能够稳定工作 供水功率：电动机消耗的功率 2.2 供水系统的节能原理 节能原理分析1) 流量节能的方阀门控制法：水泵转速不变，阀门开度改变。管阻变，扬程特性不变转速控制法：阀门开度不变，改变水泵转速。管阻不变，扬程特性变 2) 转速控制法的节能效果 从供水功率看节能 =-从水泵的工作效率看节能 工作效率：=； 水泵工作效率的近似计算： -工作效率的相近值 = ；不同控制方式下的工作效率；1.00.61.00BAC阀门控制 转速不变 转速控制 阀门开度不变结论：转速控制比阀门控制，水泵利用率更高 从电动机的效率看节能厂家生产水泵时有以下情况无法预测： 管道状况 管道特性无法明确计算 鉴于以上

27、情况必须留有足够的裕量，扬程和流量所留裕量比较大。特别是在用水高峰期电动机也不是工作在满载状态，效率、功率因数都会下降。 二次方律负载采用变频调速后如何获得节能效果Tn01002S机械特性： 1 0线：二次方律负载的机械特性1线：电动机在v/f控制下转矩计算为0时的曲线 n=时对应负载转矩为，电动机有效负载转矩为曲线可见 <，说明该拖动系统还有较大的节能裕量，为此变频器又设计了几条v/f曲线加01、02曲线存在问题：若采用02线与0线相交与s点，低于s点电动机不能启动（电动机所提供的有效转矩小于二次方律负载的最小转矩） 采用措施:（1）v/f曲线选用01曲线（2）适当加大电动机启动频率，

28、以避免死点区域特别注意：所有的厂家在出厂时都将v/f曲线设置在一定补偿量的情况下（v/f>1）若用户直接从水泵或风机运行，不提前进行功能设置，节能效果不明显，甚至电机磁饱和，电流增加，电机跳闸。驱动电路整流控制电源显示电路外接输出端子电压取样逆变电流取样主 控 电 路外接输出端子UVw1) 主控电路基本任务接受各种信号 预置信号，外接端子的输入信号，键盘输入信号，电压电流取样信号以及传感器输入信号；进行基本运算 矢量控制运算或其他必要的运算，实时的计算出spwm波形的各切换点；输出计算结果 送至驱动电路，送至显示器显示，送至外接输出端子其他任务 实现各种控制功能 实现各项保护功能 2)

29、控制电源取样及驱动电路控制电源为以下几种电路提供电 给主控电路提供 主控电路以微型计算机为主体需要提供05V的电压；给外控电路提供 给给定电压器提供05V或010V的电压，给外接传感器提供电源外接电路提供采样数据提供采样保护驱动电路 给GTR,IGBT等提供驱动信号2.3 变频调速恒压供水系统的组成和原理2.3.1 变频调速恒压供水系统2.3.2 变频调速恒压供水系统的控制要求基本控制对象：流量 供水流量 用水流量 流量Q的大小取决于水泵的扬程 >时压力增加 <时压力下降 =压力不变2.3.3 两种控制信号（1）目标值 2脚上得到的信号，通常用百分数表示也可以用键盘输入 （2）反馈

30、信号 4脚上得到的信号，由压力传感器输入的信号电机水泵RST9254+-PID调节控制电路UVW压力传感器净输入信号2.3.4 PID调节功能16mA12.8mA6.4mA100%1M50%0.5M0%0M假定压力的目标值0.5Mpa ，压力传感器量程01Mpa，目标取值为50%，压力传感器01Mpa范围的电流值信号为6.4mA16mA，则对应的目标取值Xt应为12.8 mA2.4 变频调速闭环运行在恒压供水系统中的应用2.4.1 变频器的选型及功能预置1) 变频器的选型与控制方式选型变频器分为通用型变频器，专用型变频器。此设计选用专用型变频器其主要特点：过载能力较低具有闭环控制和PID调节功

31、能具有“1控x”的切换功能控制方式与v/f的设定对水泵，风机等负载一般都选用v/f控制，大部分厂家给出2条以上“负补偿”的v/f曲线，v/f曲线编号越大补偿量越大。 =0时补偿量为u%(= )对水泵负载宜选用负补偿量较小的v/f曲线加01线2) 基本的功能预置最高工作频率 对水泵负载来讲当转速超过额定值时，其转矩按平方规律增加。变频器上线频率不能设置过高=50Hz 上限频率 < 4949.5Hz为宜 下限频率 频率下降，转速下降，扬程下降 一般取3035Hz为宜 启动频率 v/f=常数 不需降压启动 取510Hz为宜 升速与降速的时间 因为水泵不属于频繁启动负载所以其升降速时间的长短对效

32、率影响不大，为此升降速时间可以预置长一些 确定原则：启动 暂停功能 在供水时间内特别是晚上=0即使频率下降到压力也会超过预定值，这时可让水泵暂停工作。 为此设-压力设定值 -压力下限值 -确定时间P> 若t< 不必理会 若t> 主泵暂停 t睡眠<P休眠泵启动苏醒 2.4.2 变频器的PID调节功能1) 变频器PID调节功能的接线反馈信号的接入红线接24DC电源“+”极 黑线接变频器4号端子 绿线接5号端子及24DC“-”极 目标信号的接入 10号 2号 5号脚 当变频器预置为PID调节时，2号信号就是目标值2) 调节功能的设定 输入输出端子的功能 输入信号 VRF端 设

33、定值输入端 05V （0%10%） 反馈信号输入端 4号偏差信号输入端 1号5号输出信号 上限频率输出端 下限频率输出端电流选择PID控制+24V直流电源pRSTSTFAuRTSD102514FB偏差信号森兰UVWMFU 上限dc 下限1FFSE 输出信号公共端子sp××-+- + - +红 红线 线黑 黑 绿线 线 线压力传感器检测器（流量传感器）电动机正反转控制2.5 本章小节本章主要对变频器恒压供水系统的工作原理进行了详细的理论介绍。先给供水系统选定合适的工作点，在此自然工作点处工作本系统节能效果很明显，分别从不同的角度分析了节能原理，由此更能证明采用变频器调速供水的

34、合理性。特别的指出二次方律负载的节能效果。本章重点介绍了变频器的构成，功能及内部结构，还有它的功能预置及内部PID调节功能的实现。有了充足的理论基础，变频器才能很好的应用于本设计完成对商务楼得恒压供水任务。第三章 变频器恒压供水系统的设计3.1 变频器恒压供水系统方案的确定本设计采用可编程控制器PLC进行自动化控制，并根据供水系统的控制要求和电气控制目标，来确定变频器和PLC的型号，实现对供水系统实时准确的控制，确保对商务楼得恒压供水。具体方案如下：（1）生活供水分区进行控制，高区、低区；（2）每区生活泵三台均采用变频器调速控制；（3）消防泵由于不经常使用只是定期进行维护，故采用继电器星角启动

35、控制。变频供水控制过程如下：开机后液位检测器自动输出液位信号，如果液位比较低，不能满足供水要求，则整个供水系统不能工作，需要加大水池蓄水，从城市水网抽水。当液位满足要求时，开始选择操作方式，当自动操作方式无故障时，一般先选用自动操作，变频器开始工作，生活泵开始泵水，在泵水压力不能满足要求时，根据压力调节电机转速或投切水泵。当自动操作有故障不能运行时，采用手动操作泵水 。3.2 系统硬件设计3.2.1 主电路设计生活水泵变频工作原理：安装在生活供水管道上的压力变送器检测到管网的压力，将管网压力检测值转换为420mA 的电流信号送入变频器引脚，与变频器引脚设定的压力值进行比较，然后由变频器内部PI

36、D运算，产生一个偏差信号，通过该偏差信号去控制电机频率，从而调节电机转速，保持管网压力恒定。当用水量不大时，一台水泵( 1#水泵)在变频器的控制下稳定运行。当用水量增大时，管网压力下降，当管网压力下降到下限值时由变频器输出一下限信号给PLC，PLC 自动将第二台水泵（2# 水泵）投入变频运行，将原工作在变频状态下的第一台水泵（1# 水泵）切换为工频运行，两台水泵运行以加大管网的供水量保持压力稳定。若两台水泵运行仍不能满足用水量的需要时，则PLC自动将第三台水泵（3# 水泵）投入变频运行，将原工作在变频状态下的第二台水泵（2# 水泵）切换为工频运行，三台水泵运行以进一步加大管网的供水量保持压力稳

37、定。当用水量减少时，管网压力上升，当管网压力上升到上限值时由变频器输出一上限信号给PLC，PLC自动将第一台水泵（1# 水泵）停止运行。当用水量进一步减少时，PLC 自动将第二台水泵（2# 水泵）停止运行，此时只剩下第三台水泵（3#水泵）用变频器变频调速恒压供水。依次类推，各台水泵交替工作于变频和工频状态。消防水泵工作原理：本系统设置消防水泵工频运行，由继电器进行消防水泵电机组控制，手动启动。在备用时消防水泵自动定期交替试运行，每台水泵试运行时间和两台水泵之间的试运行间隔时间可由用户根据系统情况进行调节。这样可以定期进行消防供水系统设备的检查与维修，防止因消防系统长期不运行而造成设备的损坏致使

38、消防用水时不能及时正常供水的现象发生。3.2.2 控制电路设计在图中，SA为手动自动选择开关，SA打在“1”的位置为手动状态，打在“2”的位置为自动状态。手动时，按下按钮SB1SB10可以控制五台水泵的启停，控制生活和消防用水。当自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。图中的HL12为自动运行时的电源状态指示灯。它们都是通过控制接触器的通断来控制水泵的启动和停止。低谷供水时，一台水泵电机变频调速工作,用水量加大时，首台工作水泵由低速向高速调频，当工作频率达到50 Hz即水泵满负荷工作时仍不能满足用水要求时，将首台工作水泵切换至工频运转，变频调速器控制第二台水泵调频运转，同时工作2台水泵。如用水

39、量进一步增加，第二台水泵切换至工频运转,变频调速器控制第三台水泵调频运转，同时工作3台水泵。供水量减少时，调速工作水泵首先由高频段向低频段调速运转，水泵工作频率达到柜内微机控制器预先设定的下限工作频率而实测水压仍高于水压设定值时，直接停止首台工作水泵，第二台泵工频运转，第三台泵调频运转保持系统水压恒定，如2台水泵同时工作实际水压仍高于设定值，直接停止工频运转水泵，第三台调频运转保持系统水压恒定。3.2.3 硬件电路图主电路图，控制电路图见附录图。3.3 系统软件设计3.3.1 供水系统PLC控制的程序流程图供水系统控制程序的主流程如图3-7。主要由系统初始化模块、辅助泵/主泵运行转换模块、增加

40、主泵的状态转换模块、减少主泵的状态转换模块、远程手动控制模块和故障处理模块等构成。1.系统初始化模块在初始化模块中设置通信用数据寄存器D8120, D8121, D8129的通信参数，具体设置程序见论文4.3节；置标志M6=1，在自动运行时，首先起动辅助泵进入SO状态:置标志M0=1，保证辅助泵运行状态首次SO转入主泵运行状态S20。初始化过程通过M8002产生的初始化脉冲来完成。2. 辅助泵/主泵运行转换模块主泵转辅助泵运行是指在单台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，延时5分钟，关闭变频器运行，启动辅助泵的过程。即由状态S20(或S21, S22)转入SO的过程。PLC置输

41、出继电器Q0.1(或Q0.3，Q0.5)为0，同时置Q0.7= 1。辅助泵转主泵运行是指由辅助泵供水，水压达到压力下限时，延时1分钟，关闭辅助泵，用变频器启动一台主泵运行的过程。即由状态SO转入S20(或S21,S22)的过程。具体起动哪一台主泵，进入哪一种状态，要依据其上一个状态，按有效状态循环法的原则来操作。在编程时，以辅助继电器M0.3、 M0.2、M0.l作为S20、 S21、 S22状态的转入标志，三者按循环方式动作，保证S20、 S21、S22状态的循环。3. 增加主泵的状态转换模块增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压

42、力下限时，延时1分钟，PLC给出控制信号，PLC的Q1.6得电，变频器的X1端子对CM短接，变频器的自由停车指令BX生效，切断变频器输出，延时500ms(灭磁作用)后，将主水泵与变频器断开，延时l00ms(防止变频器输出对工频短路)，将其转为工频恒速运行，同时PLC的Q1.6失电，BX指令取消，变频器以起始频率启动一台新的主水泵。这段程序设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁保护。增加主泵的状态转换模块包括六种状态转换关系，三台主泵增开程序。4. 减少主泵的状态转换模块减少主泵是指在多台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，按“先起先停”原则，将当前运行状态中最先进入工频运行的水泵

43、从电网断开。5. 远程手动控制通信模块初始化模块中设置好PLC和上位机的通信协议后，在PLC程序执行过程中，当接收到上位机的远程手动控制命令置M0.5 M0.4= 10时，PLC程序自动转入远程手动控制运行方式，接收水泵运行状态控制字。当接收到命令置M0.5 M0.4=01时，先停止全部水泵的运行，延时后重新转入全自动恒压变频运行方式。6. 故障处理模块对变频器故障、热继电器动作、空气开关跳开、水位过低等故障给出声光报警，并做出相应的故障处理。(1).欠水位故障进入状态S30，停止全部的电机运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动进入SO状态。(2).变频器故障变频器出现故障

44、时，对应PLC输入继电器I0.5动作，系统自动转入自动工频运行模块。此时变频器退出运行，三台主泵电机均工作于工频状态。该方式下的水泵的投入和切除顺序和自动变频恒压运行方式时的大致相同，只是原来运行在变频状态下的电机改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID调节，水压无法恒定。为防止出现停开一台水泵水压不足而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，通过增加延时的方法来解决。设定延时时间为20分钟。(3).电机故障热继电器 、空气开关一般用于电机保护，二者的动作往往表明了电机潜在故障。检测到此类故障时，系统首先锁定故障电机，并自动投入下一台电机运行。此时系统处于“一辅泵两主泵”的运行状态。3.3

45、.2 PLC程序的编写供水系统根据需要实现的主要功能有自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手控制等。全自动变频恒压运行方式是系统中最主要的运行方式，也是系统的主要功能，是指利用PLC控制，结合PID调节功能，通过变频调速实现自动恒压供水，其核心是根据恒压条件下供水系统中水泵运行状态及转换过程设计的PLC控制程序;自动工频运行是指在变频器故障状态时，为维持压力的相对恒定，系统根据水压大小自动调节工频运行电机台数，维持供水，这种运行方式只是在特殊情况下的一种备用供水方案，提高了系统可靠性的冗余度;远程手动控制是指在控制室，通过计算机和PLC通信远程操控水泵的运行，是一种辅助供水方案;

46、现场手动控制运行是指通过现场按钮来人工控制电机工频、变频运行，这一方式完全通过电气控制线路设计来实现，PLC不参与，主要用用于检修、调试及PLC故障时的运行。系统还具有水泵故障锁定功能。当有水泵出现故障时，系统自动锁定出故障的水泵，将其退出系统运行，并报警提示。PLC控制程序设计的主要任务是接收受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。本设计PLC程序见附录。3.3.3 系统总体调试功能测试完成后检查线路后然后就开始系统总体调试：1.手动方式下，能否正常启动和停止各台泵；2.自动方式下，给变频器持

47、续欠压信号，系统能否实现泵1、2、3的变频和工频投入，最后全部工作在工频方式；给变频器持续超压信号，能否实现泵的工频、变频顺序切除；3.系统自动运行时，是否满足先投先停，先停先投的既定原则；4给外部故障信号时，系统能否停止运行；5模拟其中一台水泵发生故障，系统能否继续运行，故障处理是否正确；6给PLC输入变频器故障信号，检查PLC能否自动转入全自动工频运行方式；7自动方式下，模拟压力输入信号发生微调，系统能否工作在一台变频、一台工频的基本稳定状态；3.4 本章小节本章完成了控制电路的硬件设计和软件设计，分析了变频供水的整个调节过程，本系统有两种操作方式：自动和手动。选择自动操作方式后，在PLC

48、的控制下，整个系统可以平稳的运作。如果自动操作方式出现故障，采用手动方式仍能保证供水的需求。系统的硬件电路图包括：生活泵与消防泵主电路图，控制电路图，变频器的外部引脚预置与接线图，可编程控制器PLC外部接线图，配电柜柜面设备布置设计图。并且从软件方面对PLC内部进行了程序设定是自动化控制的。第四章 PLC在变频器恒压供水系统中的应用4.1 可编程控制器PLC的简介4.1.1 可编程控制器的性能指标（1）存储容量这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB2MB。（2）I/O点数 I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。I/O点

49、数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。它是衡量PLC性能的重要指标之一。（3）扫描速度 扫面速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的吻合程度。从自动控制的观点来看，决定了系统的实时性和稳定性。（4）指令的多少它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。（5）内部寄存器的配置和容量 它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。（6）扩展能力 扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。（7）特殊功能单元 特殊功

50、能单元种类多，也可以说PLC的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。4.1.2 可编程控制器的特点1可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个PLC生产厂都将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措施，使PLC的平均无故障时间达到30万小时以上，使用寿命更长。2控制功能强。PLC具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。3编程方便，易于使用。PLC采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。P

51、LC可取代原继电器控制系统，有利于对老设备的技术改造。4使用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。5具有各种接口，与外部设备连接非常方便。6采用积木式结构或模块式结构，具有较大的灵活性和可扩展性，扩展灵活方便。7维修方便。PLC上有I/O指示灯（LED），哪个I/O元件有故障，一目了然。8可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适应性强。4.1.3 PLC控制与继电器控制的比较（1）继电器控制电路中使用的继电器是物理的元器件，继电器与其他控制电器之间的连接必须通过硬件连接线来完成。PLC中的继电器是内部的寄存器位，称为“软继电器”，它具有物理继电器相似的功能。

52、当它的“线圈”通电时，其所属的常开触点闭合，常闭触点断开；当它的线圈断电时，其所属的常开触点和常闭触点均恢复常态。PLC梯形图中的接线称为“软接线”，这种“软接线”是通过编程来实现的，具有更改简单、调试方便等特点。而继电器控制电路图是点线连接图，相对来素施工困难、更改费力。（2）PLC中的每一个继电器都对应着一个内部的寄存器，由于可以随时不受限地读取其内容，所以，可以认为PLC的继电器有无数个常开、常闭触点供用户使用。PLC梯形图中的触点代表的是“逻辑”输入条件、外部的实际开关、按钮或内部的继电器触点条件等。而物理继电器的触点个数是有限的。（3）PLC的输入继电器是由外部信号驱动的，在梯形图中

53、只能用其触点，这在物理继电器中是不可能的。线圈通常代表“逻辑”输出结果，如灯、电机启动器、中间继电器、内部输出条件等。（4）继电器控制系统中是按照触点的动作顺序和是延迟逐个动作的，动作顺序与电路图的编写顺序无关。PLC按照扫描方式工作，首先采取输入信号，然后对所有梯形图进行计算，造成了宏观与动作顺序的无关，但是微观上在一个时间段上的是实际执行顺序与梯形图的编写顺序一致而不是无关的。（5）PLC梯形图中的两根母线以失去原有的意义，它只表示一个梯形的起始和终了，并无实际电流通过，假象的概念电流只能从左向右流。4.1.4 PLC在变频调速恒压供水系统中的应用由于PLC强大功能和优点，使得PLC在我国

54、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、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。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监测等。PLC在恒压供水泵站中的主要任务：(1) 代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字式PID调节。一只传统调节器往往只能实现一路PID设置，用PLC作调节器可同时实现多路PID设置。在多功能供水泵站的各类情况中PID参数可能不一样，使用PLC作数字式调节器就十分方便。(2) 控制水泵的运行与切换。在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀地磨损，水泵及电机是轮换工作的。在设单一变频器的多泵组泵站中，如规定和变频器相连接的泵为主泵，主泵也是轮流担任的。主泵在运行时达到最高频率时，增加一台工频泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。(3) 变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号。输出端送出经给定