高层楼宇供水系统PLC控制

1、JIU JIANG UNIVERSITY 毕 业 论 文（设 计）题 目 高层楼宇供水系统PLC控制英文题目 High rise building water Supply system controlled by plc 院 系 电子工程学院 专 业 自动化 姓 名 不写名字咯 年 级 二零零七级 指导教师 李卫华 二零一一年五月九江学院学士学位论文摘 要随着现代社会经济的高速发展，城市建设规模发展迅速，面对土地资源日益紧缺的现状，高层楼宇的建设具有很重要的意义。随着人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，传统的供水系统已经难以满足高层楼宇的供水需求。在国际社会倡导节能降耗，发展低碳经

2、济的背景下，利用先进的自动控制技术、检测与传感器技术以及通信技术，设计高性能、低能耗、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。通过研究和比较本论文设计了一套高层楼宇基于PLC的变频恒压供水系统。该系统是一种节能环保、系统稳定安全、使用维护方便的供水控制系统，主要由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器等构成，实现楼宇供水的自动化控制。该系统能通过不同的反馈压力值，自行调整水泵输出水量，这既能节省传统的采用调节阀门开度而消耗在管道阻力和截流损失的能量，也节省由于恒速泵的频繁启停对管网系统的冲击能量和对电网电压造成波动的影响，避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振，能够彻底消除水锤现象关键词

3、：高层楼宇；恒压供水；变频调速；PLCwater supply system of high-rise building through by plc control systemAbstractHigh-rise building construction has a very important significance ，Along with the rapid development of modern society 、economy Urban construction scale and Facing the increasingly shortage of land resou

4、rces。The traditional water supply system has been difficult to satisfy high-rise building water supply demand. Along with the people continuously improve of water quality and water supply system reliability requirement. Throngs suing advanced automatic control technology detection, sensor technology

5、,communication technology，Design high performance, low energy consumption, adapting different fields of constant pressure water supply system becomes a necessary trend, Under the background of international social advocacy saving energy consumption, and low carbon economy development。Humans designed

6、 a set of high-rise buildings based on PLC, frequency constant pressure water supply system .Through the research and compare this paper.,This kind of system is safe system with energy saving environmental protection. System security and stability using very convenient about the automatic water syst

7、em And is composed by convenient usage and maintenance of water supply control system which consists mainly of PLC, frequency converter, pump electrical units, pressure sensor, realize the automation of building water supply.，The system can self-adjust output water pump through the different feedbac

8、k pressure value, and also can save the traditional adoption of regulating valves open degree and consumption in the pipeline resistance and intercepting the loss of energy, and save because of constant speed pump of frequent start-stop net system of the impact energy and for grid voltage fluctuatio

9、n caused by the influence of the motor, avoid sudden acceleration caused pump system surge, can eliminate water hammer phenomenon Keyword: High-rise Building; Constant Pressure Water Supply ; Variable velocity Variable frequency; PLC摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 本课题产生的背景和意义11.2 变频恒压供水的现况11.2.1 国内外变频恒压供水系

10、统现状11.2.2 变频恒压供水系统应用范围11.3 高层楼宇常用供水模式21.4 本课题的总体方案31.4.1 供水系统的方案选取31.4.2 系统的总布局图41.4.3 系统的总体供水设计方案51.5 论文完成的主要工作5第二章 变频恒压供水系统分析62.1 异步电动机变频调速原理62.2 水泵的工作原理72.2.1 水泵的工作参数72.3 变频恒压供水系统的安全问题的解决82.3.1 水锤效应产生的原因92.3.2 水锤效应的消除92.4 调速控制的节能分析10第三章 变频恒压供水控制系统研究113.1 变频恒压控制的原理113.2 变频恒压供水系统方案设计123.2.1 变频恒压供水系

11、统的组成123.2.2 系统的控制方案的选择和论证123.2.3 恒压供水系统的控制算法133.3 变频恒压供水系统变频控制方案143.4 系统工作原理概述153.5 恒压供水系统的工艺要求15第四章 变频恒压供水控制系统硬件设计164.1 系统主要器件的选配164.1.1 供水泵的选型164.1.2 变频器的选型164.1.3 PLC的选型174.1.4 压力传感器的选型174.2 电气原理图设计184.2.1 主电路设计184.2.2 变频器电路设计194.2.3 压力传感器的电路设计204.2.4 PLC控制电路接线设计204.2.5 水泵电机控制原理图设计224.2.5 PLC输入输出

12、引脚分配24第五章 恒压供水系统软件设计245.1 系统工作流程图245.2 PLC的程序设计流程图275.3 程序编写285.3.1 主程序285.3.2 子程序28总 结32参考文献33致 谢34III第一章 绪论1.1 本课题产生的背景和意义长期以来我国在供水领域的发展总是落后于人们对供水质量的需求。现代城市高层建筑越来越多，对高层建筑的供水愈加显得重要。供水系统的稳定不仅影响人们的生产生活也影响着国民经济的发展。对于高层建筑供水现有的市政给水管网提供的水压已经满足不了。为此，设计一套系统稳定、安全可靠、高质量的供水系统给高层建筑供水已经显得非常重要。现今变频恒压供水已是高层建筑供水发展

13、的一个新方向。变频恒压供水改变了传统的恒速泵，或水塔、水箱供水方式的缺点;也避免了像水塔或水箱二次污染的可能。变频恒压供水系统，能根据用户在不同时段的用水量自行调节稳定供水压力，以及自动处理供水故障，保证供水系统管网的恒压。1.2 变频恒压供水的现况1.2.1 国内外变频恒压供水系统现状变频恒压供水技术是在现今供水领域发展较快一种新的供水技术。它是在变频调速技术后逐渐发展起来的。目前国外的恒压供水系统发展成熟可靠，恒压控制技术先进完善。但国外变频恒压供水系统在设计时仍主要采用一台变频器控制一台水泵机组的方式。虽然这种控制方式运行安全可靠，变压方式灵活。但缺点是变频器的数量和电机组数量一样多，造

14、成投资成本过高，从而存在对资源浪费现象。目前在国内有许多公司在也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，国产变频器有待于进一步改进和完善。1.2.2 变频恒压供水系统应用范围变频恒压供水系统在既可用于生产、生活用水，亦可用于热水供应，恒压喷淋等系统。用途范围较为广泛可以用于以下方面：（1）可广泛用于工业企业、生活、生产供水系统及企业自备并改造工程，自来水厂、生活小区及消防

15、供水系统。（2）可用于各种场合的恒压、变压、冷却水和循环供水系统。（3）可用于污水泵站、污水处理及污水提升系统。（4）可用于农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。（5）可用于宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。1.3 高层楼宇常用供水模式在深入研究发展变频恒压供水技术之前，对于高层楼宇的供水系统设计，供水方式一般采用以下方式。（1）恒速泵直接供水方式在这种供水方式中，水泵直接从市政管网或蓄水池中抽水然后直接供给用户使用。在这种供水方式下水泵往往需要日夜不停的运转，以保证供水水压。但是这种供水方式虽然简单，投资成本低，但其能耗大，造成水资源的巨大浪费，供水质量很差，会严重影响市政公用管网压力的稳

16、定性。由于其适应性差，目前将逐步面临淘汰。（2）水塔的供水方式这种供水方式首先是由水泵向水塔供水，再由水塔向用户供水。当水塔注满水后，水泵停止运转，但是水塔水位低于某一位置的时候水泵又将启动。因此水泵的工作状态是断续的。由于水泵始终是工作在高效区，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、水泵开停比等有关。所以比前一种的供水方式节电。供水水压也比较稳定。但是这种供水方式基础设施建设投资大、占地面积大、存在能量的损失和二次污染问题。如果出现故障不能自行开停水泵，将造成能量的严重浪费和供水质量的严重下降。（3）高位水箱供水方式采用楼顶设高位水箱供水的方式，虽较为安全可靠，设备、技术等方面也较成熟。然而，在

17、后期给水系统的运行、维护和管理过程中，此供水方式存在一些问题。存在水质的二次污染问题，同时屋顶高位水箱的有效容积也受建筑负荷限制。高位水箱的供水系统，虽实际是一个压力大致恒定的系统，这个压力就是水位的高度。而管道的阻力特性却是变化的，当水的用户多时(也即打开阀门，放水的支路多时)，管道的阻力就相应减少，反之则阻力增大，大大降低了生活供水质量。虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理、适应性强而被广泛采用，目前国内大部分高层建筑均采用此方式供水，但此方式存在着投资大、占用面积大二次污染等缺点。（4）气压罐供水方式气压罐供水方式在工程主要用于消防供水。在消防工程中的用途主要用于调节水量可满足十分钟消防

18、初期用水量，从而替代屋顶水箱、同时作为增压设施，以弥补高位水箱设置高度之不足、作为消防系统稳压用，启停稳压泵及启动消防泵并发出火警讯号用。上述三种用途有一共同点，即均需贮存满足规范要求的消防用水量。气压供水由于体积小、技术简单、不受高度限制等特点，近几年来己在高层建筑中采用，但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等缺点，因而使这种供水系统的发展受到限制。（5）变频恒压供水方式变频恒压供水系统是由压力传感器将压力信号转变为一定的电流或电压信号，在某压力下，当用水量增大时，管路压力下降，产生偏差，该信号被送入控制器进行处理，控制器产生一定的电信号控制变频器升频，水泵转速升高，

19、供水增加，压力恢复。反之，用水量减少，工作机理同上所述。由于整个过程压力偏差较小，调节时间短，系统表现为恒压。此系统随着变频器与PLC应用技术的不断推广，已经成为一种新型的供水系统。它在节能、保持水质、水压平稳性及操作的方便性和稳定的可靠性等方面大大优于传统的供水方式。它已经成为现代高楼供水的主要方式。本设计原理图如下图1.1所示。电控设备变频器供水泵自动/手动PLC控制信号液位检测工作报警指示压力传感器用户管网图1.1 变频恒压供水原理图1.4 本课题的总体方案1.4.1 供水系统的方案选取通过对现有高层楼宇供水方式的分析和比较，可知变频恒压供水系统具有明显的优势，在供水质量及控制技术等各方

20、面都有很好的先进性。其供水方式节约能源、节省占地、节约投资，调节能力大、系统运行稳定可靠，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。因此本设计中采用变频恒压供水系统方案作为对高层楼宇的供水方式。1.4.2 系统的总布局图本设计中充分利用市政管网水压，以市政管网为水源，形成密闭的连续增压供水方式，其应用与通常的经水或池水箱中转二次增压供水设备相比大为不同。为了减小直接抽吸对市政供水的影响，在设备入口管道上串接一个承压贮水容器，主要起缓冲作用。调节水罐压力传感器稳流补偿器真空抑制器手动蝶阀水泵止回阀压力传感器液位检测传感器用户管网市政水网进口旁通管路图1.2 系统总布局图该系统是将水泵通过稳流

21、调节罐直接串联在市政自来水公司的给水管网上，市政水管网的水直接进入调节罐，罐内的空气从真空消除器内排出，待水充满后，真空消除器自动关闭。当自来水管网能够满足用水压力及水量要求时，水泵机组不工作，实行市政管网直接供水；当自来水管网的压力不能满足用水要求时，出水管网上的压力变送器对水压进行采样，将压力信号转变对应的电信号，送入变频器或可编程控制器（PLC）经转换与用户给定的压力值进行比较算，将结果转变为控制变频器输出电源频率的频率调节信号，同时输出控制泵启停信号，通过调节运转泵电源频率，使用户管网的水压稳定于预先设定好的压力值，此时水泵充分得用了市政管网的余压，达到叠压恒压供水的目的。水泵供水时，

22、若自来水管网的水量大于水泵流量，系统保持正常供水；用水高峰期时，若自来水管网水量小于水泵流量时，调节罐内的水作为补充水源仍能正常供水，此时，空气由真空消除器进入调节罐，消除了自来水管网的负压；而对出水管网，压力变送器继续对水压进行采样，用水高峰期过后，系统恢复正常的状态。若自来水管网停水而导致调节罐内的水位不断下降，液位探测器给出水泵停机信号以保护水泵机组。其控制原理如图1.3所示：PLC设定压力水泵电机变频器管 网用 户反馈压力负压控制负压反馈负压检测图1.3 系统的控制原理图1.4.3 系统的总体供水设计方案为综合利用水资源，充分利用市政管网压力和节约长期运行成本，特拟设计如下供水方案。将

23、30层商住楼共分两个供水区段。（1）直接供水区：16层为直接供水区。该区段用户的用水压力要求不高，正常情况下市政管网余压完全能满足要求，因此该部分用户用水可直接由市政管网接入，不考虑管网增压，即不计入无负压设备供水用户连续供水范围。（2）用户管网增压区根据用水水压要求不同，拟分两个区域。中压供水区：720层为中压供水区，该区域每层的进水总管需安装减压阀。高压供水区：2130层为高压供水区。针对商住楼7层以上（含7层）的居民用户进行二次增压供水。市政管网余压已无法满足这个区段的压力要求，需进行二次增压，拟采用无负压变频供水设备进行智能变频增压供水。当设备运行时，市政管网余压将全部转变成水泵进口压

24、力，工作水泵将会根据系统自动检测到的市政管网余压和系统设定的正常供水压力之间的压力差，在真空抑制器、稳流器和PLC的统一控制下变速运行，完全能根据用户瞬时的用水量和压力差随时自动调整水泵工况，既充分利用了市政管网的余压和节约了长期运行成本，同时又能进行全智能化的无负压、无污染的二次增压供水。1.5 论文完成的主要工作本文研究的是高层楼宇供水系统PLC设计，采用单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供水控制系统，该系统利用变频器实现水泵电机的软启动和调速。论文完成的主要工作： 对30层商住楼确定楼宇供水系统结构，采用变频恒压供水系统。 确定供水系统组成方案和控制方案，采用基于plc的变频恒压供水系

25、统，控制方案为PID控制。 对主要器件变频器、水泵、电机、plc等简要说明选型原因和工作原理。 使用plc控制器，说明控制方案的组成和设备连接方式。 绘制电气控制线路图，画出控制流程图，并编制程序。第二章 变频恒压供水系统分析随着我国城市建设的飞速发展，城市供水需求对供水质量提出了越来越高的要求。市政供水管网给高层楼宇供水水压不足已成为一种普遍现象，传统的供水方式已经不能满足城市高层楼宇发展和人民生活的需要。变频恒压供水技术不仅能够保证供水的稳定，而且可以节约能源。变频恒压供水系统实现了水泵电机的无级调速，依据用水量的变化，即供水管网的压力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

26、恒定以满足用水要求。采用变频恒压供水系统和传统恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统、气压罐供水系统相比，具有水压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源和减少对水泵机组设备的冲击等优点。本章分析讨论变频恒压供水的调速原理、水泵理论等相关理论。2.1 异步电动机变频调速原理目前，三相交流异步电动机广泛应用于各个领域，在供水系统中水泵电机大多数是选用三相交流异步电动机。在生产中，有时要求异步电动机在不改变负载的情况下转速能够调节，称为异步电动机的调速。根据转差率公式： （2.1）可得： （2.2）可知交流电机的转速特性，电机的转速n为 （2.3）式中n电机转速; f电源频率； s转差率; p电机的磁极

27、对数。由上式可知，改变电动机的转速有三种方案，即改变电源频率f、改变绕组的磁极对数P以及改变转差率S。其中改变电源频率调速，调速范围宽，技术较为成熟。故当系统所用水泵电机型号选定后，由于P为定值，因此电机转速的大小与电源的频率高低成正比，即频率越高，转速越高;反之，转速越低。变频调速就是根据这一原理，通过改变电源的频率值来实现水泵电机的无级调速。2.2 水泵的工作原理目前水泵广泛应用于各个行业中，但在供水行业中普遍采用的离心式叶片泵，也称离心泵。离心泵属于高扬程叶片泵，是利用叶轮旋转时产生离心力的原理工作的。离心泵在起动前必须使泵和进水管中充满液体，当叶轮在泵壳内高速旋转时，液体质点在离心力作

28、用下被甩向叶轮外缘，并汇集到泵壳内，使液体获得动能和压能，并沿着出水管输送出去。2.2.1 水泵的工作参数水泵工作参数共有六个，即:流量、扬程、功率、效率、转速及允许吸上真空高度或气穴余量。在六个参数中，流量、扬程和转速是基本参数，只要其中一个发生变化，其余参数都会按照一定的规律发生相应的变化。1.流量Q水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量，可分为体积流量和质量流量两种。以L/s(升/秒)、m/s(米/秒)、m/h(米/小时)、kg/s(千克/秒)、t/s(吨/秒)等表示。2.扬程H水泵扬程也称水头，是水泵由叶轮传给单位质量液体的总能量，可以由水泵进水口、出水口断面上的单位总能量E

29、、E的差值表示，其单位以m计。水泵扬程可用下式表示为 （2.4）式中：Z,Z分别为真空表测压点、压力表零位点至基准面的垂直距离，低于基准面时取负值(m);H,H分别为真空表、压力表读数 (m) 分别为水泵进水口、出水口断面的流速水头(m)。 3功率水泵功率有以下两种，有效功率和轴功率。有效功率P为泵内液体实际所获得的净功率()，可以根据流量和扬程来计算。 （2.5）式中r 液体的比重(/m ) ; Q液体的流量():； H水泵的扬程(m)。轴功率是水泵在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即由动力机传给水泵轴上的功率(KW)。轴功率不可能全部传给液体，而要消耗一部分功率后，才成为有效功功率。

30、 （2.6）式中，水泵效率(%)。4.效率有效功率与轴功率的比值为效率。 （2.7）水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度，亦即反映了泵内功率损失的大小，是一项重要的技术经济指标。它由泵内水力效率、机械效率及容积效率等三个局部效率组成。5.转速n转速n是指叶轮每分钟的转数。水泵铭牌上所标明的额定转速是设计工况时的转速，当转速改变后，水泵工作性能也随着改变。6.允许吸上真空高度或临界气穴余量二者是表征水泵吸水性能曲线或气穴性能的参数，它们是确定水泵安装高度和评述水泵发生气穴与气蚀问题的主要参数。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程。这三种因素任一项发生变化，水泵的运

31、行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和水泵工况调节与这三者密切相关。2.3 变频恒压供水系统的安全问题的解决当异步电动机在全电压下启动时，电机从静止状态加速到额定转速所需要的时间非常短，通常只有0.25S左右。在这极短的时间内水的流量从零增到额定流量。由于水具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性，压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。2.3.1 水锤效应产生的原因产生水

32、锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大.在启动过程中，异步电动机和水泵的机械特性如图2.1a所示，图中曲线1是异步电动机的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩TJ(即两者之差)。（a）全压启动 （b）变频启动图2.1 水泵的全压启动与变频启动在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩 (2.8)由图2.1a可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影部分所示，是很大的。所以，加速过程很快。2.3.2 水锤效应的消除采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为减小，如图2.1b命所示。图中，曲线簇1是异步电动机在不同频率下的机械

33、特性，曲线2是水泵的机械特性，中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩(即不同频率时电动机机械特性与水泵机械特性之差)。在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小，从而彻底消除了水锤效应。2.4 调速控制的节能分析水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量;而电动机调速控制可以通过改变水泵电动

34、机的转速来变更水泵的工况点，使其流量与扬程适应管用水量的变化，维持压力恒定，从而达到节能效果。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的三次方成正比，即： (2.9) (2.10) (2.11) (2.12)式中、为比例常数。图2.2 变频调速节能原理图当系统出水流量减小时，通过变频调速装置将供水水泵转速调小，则水泵的输出功率将随转速的变化而减小。变频调速节能原理图如图2.2所示。图中曲线1, 2, 3为管网阻力特性曲线，曲线4为水泵转速

35、为时的运行特性曲线，曲线5为水泵转速为时的运行特性曲线。 水泵原来的工作点为曲线3和曲线4的交点A，此时出水流量为，管网压力为，水泵转速为。当系统的出水流量减小到时，系统管网特性为曲线1，曲线1和曲线4的交点B为运行工作点。此时管网压力为，水泵的输出功率正比于。由于高出的压力能量被浪费了，同时过高的压力对管网和设备还可能造成危害。如采用变频调速装置，将此时水泵的转速调至，曲线5和曲线2的交点C为水泵的运行工作点。调速后管网的压力仍保持为H，出水流量为，水泵的输出功率正比于。从图中可见，阴影部分正比于浪费的功率输出。第三章 变频恒压供水控制系统研究3.1 变频恒压控制的原理用变频器调速来实现恒压

36、供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比其具有十分显著的节能效果，其优点是：（1）起动平衡，起动电流可以限制在额定电流范围以内，从而避免了起动是对电网的冲击。（2）由于泵的平均转速降低，从而可以延长水泵和阀门等的使用寿命。（3）可以消除起动和停机时的水锤效应。变频恒压供水系统的控制目标就是通过压力变化差值来改变水泵机组的运行状态，从而实现用户管网的出口水压跟随设定的供水水压。变频恒压控制的原理如图3.1所示。PfPfffPPs压力比较控制算法变频器水泵机组压力检测仪表图3.1 变频恒压控制的原理图从恒压控制的原理图中可知，系统中当用水需求增加时，实际供水压力将低于设定压力，系统将得到正压力差，经过

37、计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，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定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，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。3.2 变频恒压供水系统方案设计3.2.1 变频恒压供水系统的组成 变频恒压供水系统主要由压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统设计的主要任务就是利用恒压控制

38、单元使变频器控制三台水泵，实现管网水压的恒定，水泵电机的软启动以及水泵变频和工频的切换等。3.2.2 系统的控制方案的选择和论证在恒压供水系统中有多种控制方案:（1）变频器+压力传感器+水泵机组这种控制系统机构简单，将PID调节器和PLC等硬件集成在变频器的供水基板上，虽然简化了系统的电路结构，降低了投资成本，但是无法自动实现不同时段的不同恒压要求。因此仅适用于要求不高的小容量的场合。（2）通用变频器+单片机+人机界面+压力传感器这种控制方式控制精度高、控制算法较灵活、参数调整方便等优点。但是却存在研发时间长，程序修改较困难等因素。同时在运行时变频器的干扰很严重，必须采取相应的抗干扰措施来保证

39、系统的可靠性和稳定性。所以改系统适用于特定的恒压供水领域中。（3）变频器+PLC+人机控制界面+压力传感器这种控制方式不仅灵活方便而且具有良好的通信接口，可以很方便的进行系统的数据交换、通用行较强。由于PLC的模块化和系列化用户可以灵活的组成不同的规模和灵活的控制系统。同时在硬件上只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时可以方便的通过PC机来实现控制程序的改变。在抗干扰方面PLC抗干扰能力强、可靠性高，能适用于各种不同的恒压供水场合。通过对以上的几种控制方案的分析和比较，可以看出第三种控制方案更合适于实际应用。该控制方案既有扩展功能灵活方便、也有便于数据传输的优点，同时

40、能达到系统稳定性及控制精度的要求。控制方案的原理框图如图3.2所示。压力指令变频器电气开关柜MPLC压力传感器图3.2 控制方案的原理框图3.2.3 恒压供水系统的控制算法为了实现对恒压供水系统的运行情况和设备的运行状况进行监视和控制，实现可靠安全的恒压供水，本设计采用PLC进行PID运算和监控。PID反馈控制原理如图3.3所示。设定压力PLC(I)PLC(PID)变频器PLC(O)泵后压力压力变送器图3.3 闭环控制原理图计 时计时完成取采样点取设定点取其他PID参数PID运算控制输出结束？NNY图3.4 PID流程图PLC的PID运算调节通过该处理器的PID指令完成，通过设置参数即可由PL

41、C完成PID运算调节。在此系统中采用了定时的方法：PV是PID指令采样的压力控制反馈值，SP是PID指令的压力控制设定值，KP为PID的比例增益，KI和KD分别为PID的积分和微分增益。系统由着五个控制参数作为主要的PID参数与控制，确定PID参数时也要兼顾系统的灵敏和稳定性。3.3 变频恒压供水系统变频控制方案变频恒压供水系统的控制方案有多种，有一台变频器控制一台水泵的简单控制方案，也有一台变频器控制几台水泵的方案。利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比较先进的一种方案。本设计中系统为一台变频器控制三台水泵的方案。变频控制方案原理图如3.5所示。1号水泵变频

42、运行2号水泵停止运行3号水泵停止运行1号水泵工频运行2号水泵变频运行3号水泵停止运行1号水泵工频运行2号水泵变频运行3号水泵停止运行1号水泵工频运行2号水泵工频运行3号水泵停止运行1号水泵工频运行2号水泵工频运行3号水泵变频运行小于给定压力小于给定压力大于给定压力小于给定压力大于给定压力图3.5 变频控制方案原理图3.4 系统工作原理概述该系统具有手动和自动两种运行方式。在手动方式时，按下按钮可以启动和停止水泵，可根据需要分别控制1号3号水泵的启停，该方式主要是供设备的调试、自动发生故障和检修时使用。在自动运行时，PLC采集传感器检测到的管网出口压力，与给定压力相比较，如小于给定压力，通过变频

43、调节1号泵，使1号泵转速逐渐上升，若1号泵已达到额定转速，管网出口压力还小于给定压力，将1号泵接工频，2号泵接变频器，调节2号泵，使2号泵转速逐渐上升，若2号泵已达到额定转速，管网压力仍然小于给定压力，将2号泵接到工频，3#泵接变频器，调节3号泵，使3号泵转速逐渐上升，这就是顺序变频升速的调节过程。反之，若此时传感器检测到的管网压力大于给定压力，调节3号泵，使3号泵转速逐渐降低，若3号泵达到最低转速，管网压力还大于给定压力 ，将3号泵与变频器断开。将变频器升至50Hz，切断2号泵工频，同时2号泵接变频器，逐渐下调，若2号泵达到最低转速，管网压力仍大于给定压力，将2号泵与变频器断开，频率升至50

44、Hz，切断1号泵工频，接变频器，逐渐向下调节，直至管网水压等于给定压力。3.5 恒压供水系统的工艺要求本设计中对三水泵恒压供水系统的基本要求如下：（1）在供水时要保持压力的恒定运行，系统波动小。（2）三台水泵根据恒压需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。（3）在用水量小的情况下，为防止一台泵连续工作运行，需要设定切换时间，当时间到则自动切换到下一台水泵，以防止水泵长时间磨损和其他水泵不用而锈死。（4）水泵启动时具有软启动功能，同时具有报警功能。（5）为了检修和应急应设有手动操作功能。第四章 变频恒压供水控制系统硬件设计4.1 系统主要器件的选配4.1.1 供水泵的选型根据课题设计需要，同时又

45、能确保系统安全、可靠运行，并降低设备长期运行费用，其中水泵的运行参数按各区段全部住户和最高层设计，设计依据建筑给水排水设计规范（GB50015-2003）。如表4.1所示：供水设计要求最高日用水量：280L/（p.d）平均每户用水人数：3.5人/户小时变化系统：2.5用水制度：24小时连续供水住户总数：150户（每层5户，共30层）水 泵水泵生产厂商：杭州南方特种泵业有限公司水泵型号：CDLF12-12三台 两用一备工作参数：Q12、H121m 、N7.5KW电 机所配电机厂商：浙江凯利达防爆机电有限公司电机型号：Y2-160M2-2防护等级：IP55。绝缘等级：F级表4.1 水泵及电机选型表

46、4.1.2 变频器的选型根据工艺要求，并保留设备扩展的余量，选配ABB ACS600系列变频器。ACS600系列变频器是ABB公司采用直接转矩控制（DTC）技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转矩控制特性，完整的保护功能以及灵活的编程功能，牢固的EMC(电磁兼容性)设计、较高的可靠性和较小的体积。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。主要技术数据：（1）功率范围：2.2-3000KW（2）电源电压：380/400/415/460/480/500VAC 3相10%（3）电源频率：48-6

47、3Hz（4）控制连接：2个可编程的模拟量输入（AI）；1个可编程的模拟量输出（AO）；5个可编程的数字量输入（DI）；2个可编程的数字量输出(DO)（5）连续负载能力：150% In，每10分钟允许1分钟（6）串行通信能力：标准的RS-485接口可使变频器方便的与计算机连接（7）保护特性：过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护、短路保护、接地保护、欠压缓冲、电机欠/过载保护、串行通讯故障保护等。ACS600变频器独特的直接转矩控制（DTC）功能是目前最佳的电机控制方式，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。在其内置的PID、FPC等八种应用

48、宏，只需选择需要的应用宏，相应的所有参数都自动设置，输入输出端子也将自动配置，这些应用宏的设置大大节约了调试时间，减少出错。4.1.3 PLC的选型可编程控制器（Programmable Controller）又简称为PC或PLC，是将逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等控制程序，用一串指令形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制的装置。它是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构、硬件组成、软件结构以及I/O通道、用户界面

49、等诸多方面都有其特殊性。根据设计选用西门子S7-200型。SIMATIC S-700可编程控制器是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用；大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动化控制任务，各种单独的模块组合用以扩展；简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使之应用十分灵活；方便用户和简易的无风扇设计；当控制任务增加时，可以自由扩展。根据设计选用S7-200的CPU型号为CPU226型，其现有的端口能满足系统设计的需要并且具有模块扩展功能。4.1.4 压力传感器的选型在系统中需要对进水管网压力和用户供水压力进行测定和采样，将压力信号转换为4-20mA的电信号输入到变频器中，变频器

50、的输出信号将直接控制水泵电机的转速。根据设计需要现选用罗斯蒙特的3051T型表压与绝压变送器。它集传感器、电子技术与单隔离膜片设计与一体，实现表压和绝压测量的校验量程从0.3到10000psi。（1）工作原理：工作时，高、低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传递给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表压变送器，大气压如同施加在传感膜片的低压侧一样）。AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。两侧的电容极板检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之

51、间电容的差值被转换为相应的电流，电压或数字HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。（2）主要技术参数：总体性能：0.15%FS精度：0.075%FS绝对压力：校验量程从0.3至10000psi 表压：校验量程从0.3至10000psi 不锈钢与哈氏合金CR过程隔离膜片 单隔离膜片设计 灌充液：硅油与惰性油 （3）主要特点：高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；抗冲击、耐震动、体积小、防水；标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；最具有竞争力的价格。4.2 电气原理图设计在硬件系统设计中，整个系统主要由信号检测单元、控制单元、执行机构来组成。所采用的是一台变频器连接三台电动机，都具有变频和工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出的电源相联；所选用的接触器都是依据电动机的容量适当的选择。4.2.1 主电路设计系统的主电路采用六个接触器的常开触点的闭合、断开来实现对电机的启动和关闭，如图4.1所示。在主电路图中，KM1、KM12分别控制1号水泵的工频与变频运行，KM21、KM22分别控制2号水泵的工频与变频运行，KM31、KM32分别控制3号水泵的工频与变频运行.电路的主电路图4.1所示。图4.1 主电路图4.2.2 变频