第一篇：基于PLC控制的無塔變頻恒壓供水系統設計

基于PLC控制的無塔變頻恒壓供水系統設計

第一章 緒論 1.1 概述

隨著改革開放的不斷深入，我國中小城市的城市建設及其經濟迅猛發展，人們生活水平不斷提高，同時，城市需水量日益加大，對城市供水系統提出了更高的要求。供水的可靠性、穩定性、經濟節能性直接影響到城區的建設和經濟的發展，也影響到城區居民的正常工作和生活。

我國中小城市城市傳統的供水方式主要采用恒速泵加壓供水以及水塔高位供水等，恒速泵加壓供水方式無法對供水管網的壓力做出及時的反應，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負荷運行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網長期處于超壓運行狀態，爆損現象嚴重，電機硬起動易產生水錘效應，破壞性大，目前較少采用。水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經濟合理、短時間維修或停電可不停水等優點，但存在基建投資大，占地面積大，影響城市整體規劃，維護不方便，水泵電機為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯軸器，且能耗大。

綜上所述，傳統的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，難以滿足當前經濟生活的需要。

當前，隨著可編程序控制器(PLC)技術的發展，由于其高可靠性、高性價比、廣泛的工業現場適應性方便的工藝擴展性能，PLC在工業自動控制過程中得到了越來越廣泛的應用。同時，交流異步電動機變頻調速技術的日益成熟，與以往任何調速方法相比具有節能效果明顯、調速過程簡單、起動性能優越、自動化程度高等許多優點。因此將PLC及變頻器應用于供水系統，可滿足城市供水系統對可靠性、穩定性、經濟節能性的要求。

1.2 問題的提出及解決方案

張家口市地處河北省西北部山區，城市人口約45萬人，過去為軍事重地，改革開放較晚，屬經濟欠發達地區。改革開放后，張家口加快了城市建設步伐。但城市供水系統陳舊，城區管網多采取傳統的水塔高位供水方式。水塔分布在市區內，不僅影響城市整體規劃，且存在能耗大，維護不方便，電機的啟動電流對電網沖擊大的缺點；各供水系統相距較遠，不能及時有效地掌握各供水系統的運行狀況，系統運行可靠性低，故障排除慢，系統運行中的一些參數也無法監控與記錄。為滿足城市需水量日益加大的要求，供水公司決定興建新水源——在距市區南17公里的洋河邊打井取水，并經西泵站二次加壓為城區供水。同時為降低單位供水能耗，實現全自動、可靠、穩定的供水，需要利用變頻恒壓供水技術對原供水系統進行自動化改造，采用PLC控制并進行遠程監控、管理及故障遠程報警。在實現過程中主要研究并解決以下問題。

1、研究并完成利用PLC、變頻器、遠傳壓力表和多臺水泵機組等主要設備構建變頻調速恒壓供水系統的設備選型與方案設計，為提高變頻器的使用效率，減少設備投資，采用一臺變頻器拖動多臺水泵電機變頻運行的方案。

2、深入分析變頻恒壓供水系統的工況變化過程，確定工況轉換方式，完成PLC控制程序的設計，實現水泵的變頻起動，保證水泵從變頻到工頻的可靠、安全的切換。

3、設定PID調節參數，實現在全流量范圍內靠變頻泵的連續調節和工頻泵的分級調節相結合，維持供水壓力恒定。

4、研究PLC和計算機的通信模式，確定通信協議，開發通信與監控軟件，實現供水系統的遠程監控、管理與報警。

5、加強系統的可靠性設計，提高系統的冗余度，設計自動工頻運行方式和手動運行方式作為系統全自動變頻恒壓運行的備用方案，在故障時作為應急處理，維持供水。

通過該項目的研究和實施可以極大地改善城區供水的可靠性和穩定性，降低能耗及維護成本，方便管理。具有較好的應用前景和推廣價值。

1.3相關技術概況

1.3.1 PLC技術概況

對于由繼電器控制裝置構成的自動控制系統，每一次設計或改進都直接導致繼電器控制裝置的重新設計和安裝，十分費時，費工，費料，甚至阻礙了更新周期的縮短。因此，可編程控制器這一新的控制裝置應運而生，并取代了繼電器控制裝置。

可編程控制器(PLC)是以微處理器為核心的工業控制裝置。它將傳統的繼電器控制系統與計算機技術結合在一起，具有可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等特點，近年來在工業自動控制、機電一體化、改造傳統產業等方面得到普通應用，越來越多的工廠設備采用PLC、變頻器、人機界面等自動化器件來控制，使設備自動化程度越來越高。

現代工業生產是復雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。可編程控制器(PLC)由于具有以下特點而深受工程技術人員的歡迎。

(1)可靠性高，抗干擾能力強

其平均無故障時間大大超過IEC規定的10萬小時，同時，有些PLC還采用了冗余設計和差異設計，進一步提高了其可靠性。

(2)適應性強，應用靈活

多數采用模塊式的硬件結構，組合和擴展方便。(3)編程方便，易于使用

梯形圖語言和順控流程圖語言(Sequential Function Fig)使編程簡單方便。(4)控制系統設計、安裝、調試方便

設計人員只要有PLC就可進行控制系統設計，并可在實驗室進行模擬調試。(5)維修方便，工作量小 PLC有完善的自診斷、歷史資料存儲及監視功能，工作人員可以方便的查出故障原因，迅速處理。

(6)功能完善

除基本的邏輯控制、定時、計數、算術運算等功能外，配合特殊功能塊，還可以實現點位控制、PID運算、過程控制、數字控制等功能，既方便管理又可與上位機通信，通過遠程模塊還可以控制遠方設備[1]

由于具有以上特點，使得PLC的應用范圍極為廣泛，可以說只要有工廠、有控制要求，就會有PLC的應用。

1.3.2變頻調速技術概況

變頻調速技術是近十幾年來迅速發展起來的比以往任何調速方法更加優越的新技術，具有節能效果明顯、調速曲線平滑、調速過程簡單、安全可靠、保護功能齊全、起動性能優越、自動化程度高等特點，被應用到工業生產控制過程中的任何場合，顯著的節能效果也給眾多的企業帶來了巨大的經濟效益，特別是近幾年來隨著IGBT功率元件和DSP微處理系統在變頻器中的應用，變頻器本身己非常成熟，使得變頻調速技術的優越性更加突出，傳動效率越來越高，使用越來越方便，可靠性也得到了進一步的提高。

變頻器已形成了與電機相配合的不同功率、不同用途的系列化產品，具有多種速度切換、加減速時間的外部設定、V/F曲線設定、轉距升高調整、輸出頻率上、下限幅、頻率跳躍等功能;具有各種接口，能與計算機、可編程序控制器及自動化儀表聯機，并具有遠程控制的功能。目前產品已經廣泛地應用于石油、石化、鋼鐵、冶金、礦山、機械、紡織、建筑、造紙等行業。

1.4本章小結

本章首先概述了論文的選題背景、意義及課題來源，在對現有供水系統存在問題調研的基礎上，確定了以實現節能、自動、可靠、穩定供水的PLC控制的變頻恒壓供水及其遠程監控系統的設計目標。對PLC及變頻調速技術做了簡要敘述，提出了設計需要解決的主要技術問題和論文的主要研究內容。

第二章 恒壓供水方案與分析

2.1 恒壓供水的方案比較與選擇

在傳統城市供水系統中，常采取恒速泵供水方式。由于用戶用水具有不確定性，用水量處于動態變化過程之中，恒速泵供水方式雖然可通過水泵切換控制管網壓力，但無法維持管壓恒定，不斷地起停水泵電機不僅也影響設備的壽命同時也使能耗增加，供水質量不能保證。若采取閥門控制調節流量來維持管壓，一方面頻繁的調節使閥門的機械磨損加劇，設備維護工作量及設備投資增大；另一方面控制精度差且造成大量的電能浪費。此外，水泵電機直接工頻起動與制動帶來的水錘效應，對管網、閥門等也具有破壞性的影響。

考慮到交流異步電動機對于泵類負載可采用調電壓調速，雖然能夠實現恒壓供水，但其調速范圍小、能耗大，調節效果差。隨著變頻調速技術發展，變頻器的日益成熟，以及功能的完善，基于恒壓、節能及安全性考慮，采取變頻調速恒壓供水方式是一種最好的選擇。變頻調速精度高、調速范圍大、效率高。據統計采用變頻調速技術調節流量實現恒壓供水，可節能20-50%，節能效果相當顯著。

2.2 供水系統的模型、特性及恒壓控制

2.2.1 供水系統的基本模型和主要參數

張家口市供水公司西泵站為二級泵站，是將清水池中的水經二次加壓后為城區供水。供水系統的基本模型如圖2-1所示。圖中：L0——水泵中心位置；水面 吸入口 水壓表

城區管網

h0——吸水口水位；

h1——水平面水位； h2——管道最高處水位；

h3——在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真實的管道系統中，這個位置并不存在。只有在h3大于管道的實際最高位置的情況下，才能正常供水。

主要參數有：

1.流量Q 單位時間內流過管道內某一截面的水流量，常用單位是m3/min。2.揚程H 也稱水頭，是供水系統把水從一個位置上揚到另一位置時水位的變化量，數值上等于對應的水位差。常用單位是m。

3.實際揚程HB 供水系統中，實際的最高水位h2與最低水位h1之間的水位差，即供水系統實際提高的水位。即：HB=h2?h1

4.全揚程HT 水泵能夠泵水上揚的最高水位h3與吸入口的水位h0之間的水位差。全揚程的大小說明了水泵的泵水能力。即HT=h3?h0

5.損失揚程HL全揚程與實際揚程之差，即為損失揚程。HB、HT、HL之間的關系是：HT=HB+HL。

供水系統為了保證供水，其全揚程必須大于實際揚程，這多余的揚程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵償各部分管道內的摩擦損失。

6.管阻R閥門和管道系統對水流的阻力。和閥門開度、流量大小、管道系統等多種因素有關，難以定量計算，常用揚程與流量間的關系曲線來描述。

7.壓力P表明供水系統中某個位置水壓大小的物理量。其大小在靜態時主要取決于管路的結構和所處的位置，而在動態情況下，則還與流量與揚程之間的平衡情況有關。

2.2.2 供水系統的特性曲線和工作點

供水系統的參數表明了供水的性能。但各參數之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內在聯系和變化規律。這種聯系和變化規律可用供水系統的特性曲線直觀地反映，主要有揚程特性曲線和管組特性曲線，如圖2-2。通過特性曲線可以掌握供水系統的性能，確定其工作點

圖2-2中：

曲線①——額定轉速nN時的揚程特性曲線 曲線②——轉速n1時的揚程特性曲線

曲線③——閥門開度100%時的管阻特性曲線

曲線④——閥門開度不足100%時的管阻特性曲線 1.揚程特性

以管路中的閥門開度不改變為前提，即截面積不變，水泵在某一轉速下，全揚程與流量間的關系曲線HT=f（Q）稱為揚程特性曲線。不同轉速下，揚程特性曲線不同，圖2-2中的曲線①、②分別對應于轉速nN、n1，且nN>n1。

曲線表明轉速一定時，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻損耗也就越大，供水系統的全揚程就越小，反映用戶的用水需求狀況對全揚程的影響的。在這里，流量的大小取決于用戶，用水流量用QU表示。

用水量一定時，即QU不變，轉速越低，水泵的供水能力越低，供水系統的全揚程就越小。

2.管阻特性

以水泵的轉速不改變為前提，閥門在某一開度下，全揚程與流量間的關系曲線HT=f（Q），稱為管阻特性曲線。不同閥門開度，管阻特性曲線不同，圖2-2中的曲線③對應閥門開度大于曲線④對應的閥門開度。

管阻特性表明由閥門開度來控制供水能力的特性曲線。此時轉速一定，表明水泵供水能力不變，流量的大小取決于閥門的開度，即管阻的大小，是由供水側來決定的，故管阻特性的流量可以認為是供水流量，用QG表示。

在實際的供水管道中，流量具有連續性，并不存在供水流量與用水流量的差別。這里的QG和QU是為了便于說明供水能力和用水需求之間的平衡關系而假設的量。當供水流量QG接近于0時，所需的揚程等于實際揚程(HT=HB)。表明了如果全揚程小于實際揚程的話，將不能供水。因此，實際揚程也就是能夠供水的基本揚程。

3.供水系統的工作點

揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統的工作點。在這一點，供水系統既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性。供水系統處于平衡狀態，系統穩定運行。

圖2-2中的N點表示水泵工作于額定轉速，閥門開度為100%時的供水狀態，為系統的額定工作點。供水功率

供水系統向用戶供水時所消耗的功率PG（Kw）稱為供水功率，供水功率與流量和揚程的乘積成正比：

PG?CPHTQ

（2—1）

式中：CP——比例常數·

2.2.3供水系統中恒壓實現方式

對供水系統進行的控制，歸根結底是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是供水系統的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，而揚程難以進行具體測量和控制。考慮到動態情況下，管道中水壓的大小是揚程大小的反映，而揚程與供水能力(由流量QG表示)和用水需求(由用水流量QU表示)之間的平衡情況有關。

若: 供水能力QG>用水需求QU，則壓力P上升； 若:供水能力QG<用水需求QU，則壓力P下降； 若:供水能力QG=用水需求QU，則壓力P不變。

可見，流體壓力P的變化反映了供水能力與用水需求QU之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來調節管道流量大小。這說明，通過恒壓供水就能保證供水能力和用水流量處于平衡狀態，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。

將來用戶需求發生變化時，需要對供水系統做出調節，以適應流量的變化。這種調節就是以壓力恒定為前提來實現的。常用的調節方式有閥門控制法和轉速控制法兩種。

(1)閥門控制法

轉速保持不變，通過調節閥門的開度大小來調節流量。

實質是水泵本身的供水能力不變，而通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量大小，以適應用戶對流量的需求。這時的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。

(2)轉速控制法

閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉速來調節流量。

實質是通過改變水泵的供水能力來適應用戶對流量的需求。當水泵的轉速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。2.3 異步電動機調速方法

通過轉速控制法實現恒壓供水，需要調節水泵的轉速。水泵通過聯軸器由三相異步電動機來拖動，因此水泵轉速的調節，實質就是需要調節異步電動機的轉速。

由三相異步電動機的轉速公式

n?n（1?s）?160f

（2—2）（1?s）p式中，n1—異步電動機的同步轉速，r/min；

n—異步電動機轉子轉速，r/min；

p—異步電動機磁極對數；

—異步電動機定子電壓頻率，即電源頻率；

n1?nn1?100%； fs—轉速差，s?可知調速方法有：變極調速、變轉差調速和變頻調整。1.變極調速

在電源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數，實現電機轉速的改變。磁極對數的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現。這種調速方式只適用于專門的變極電機，而且是有極調速，級差大，不適用于供水系統中轉速的連續調節。變轉差調速

通過改變電動機的轉差率實現電機轉速的改變。三相異步電動機的轉子銅損耗為：

?2r??sPem

（2—3）

PCu2?3I2該損耗和電機的轉差率成正比，又稱為轉差功率，以電阻發熱方式消耗。電動機工作在額定狀態時，轉差率:很小，相應的轉子銅損耗小，電機效率高。但在供水系統中由轉速控制法實現恒壓供水時，為適應流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態，其轉速值往往遠低于額定轉速，此時的轉差率、增大，轉差功率增大，電機運行效率降低。雖然變轉差調速中的串級調速法能將增加部份的轉差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網，但其功率因數較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環節的電能損耗。

因此變轉差調速方法不適用于恒壓供水系統中的轉速控制法。3.變頻調速

通過調節電動機的電源頻率來實現電機轉速的調節方式。

這種調速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡稱為VVVF(Variable voltage Variable Frequency)。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通。.基本不變，其關系為：

U1f1?常數 式中：U1—變頻器輸出電壓;f1——變頻器輸出頻率: 變頻調速方式時，電動機的機械特性表達式：

T?m1pU212r2?s???r2??2???2?f1??r1????x1?x2s??????

（2—4）

式中：m1——電機相數

r1——定子電阻

x1——定子漏電抗

?——轉子漏電抗折算值

x2頻率f從額定值fN往下調時，由文獻〔5〕 所示，圖中fN>f1>f2>f3>f4

變頻調速過程的特點: 靜差率小，調速范圍大，調速平滑性好，而且，很關鍵的一點是調速過程中，其轉差率不變。電機的運行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉速控制法。

因此恒壓供水系統中采取變頻調速方式可以獲得優良的運行特性和明顯的節能效果。

2.4 變頻調速恒壓供水系統能耗分析

1．轉速控制調節流量實現節能

(1)．轉速控制法與閥門控制法供水能耗分析

在圖2-2中，將閥門控制法和轉速控制法的特性曲線畫在了同一坐標系中。假設系統原工作于額定狀態N點，當所需流量減少，從額定流量QN變為QE時，在恒壓前提下，采用閥門控制法時供水系統工作點將移到A點，對應的供水功率PG與面積AHEOQE成正比；采用轉速控制法時供水系統工作點將移到B點，對應的供水功率PG與面積BHEOQE成正比。

兩種控制方式下的面積之差?P?AHBHCB表明了采取轉速控制方式相對于閥門控制方式可以實現節能。

(2)．轉速調節與恒速運行供水能耗分析

根據水泵比例定理，改變轉速n，水泵流量Q、揚程H和軸功率P都隨之相應變化，其關系式為：

Q1?n???1? Q?n?

2（2—5）

H1?n???1?

（2—6）H?n?3P1?n???1?

（2—7）P?n?式中，n1、Q1、H1、P1分別為調速后的水泵轉速、流量、揚程和軸功率。從以上關系可知，當轉速n下降時，軸功率按轉速變化的3次方關系下降，可見轉速對功率的影響是最大的。

一般在設計中，水泵均考慮在最不利工況下供水，水泵在選型上也是按水泵額定工作點選型和安裝使用，即按額定工作點設計。但在實際運行中，管網用水量常常低于最不利工況，這時，如降低轉速相對于恒速泵供水運行，能使水泵的軸功率大大減少。

可見，在供水系統中根據用水量的大小，通過變頻方式調節水泵轉速的方式來實現供水具有很好的節能效果。而且這種方式在用水量較少時節能效果更為明顯。

2．轉速控制供水系統的工作效率高(1)．工作效率的定義

供水系統的工作效率?P為水泵的供水功率PG與軸功率PP之比，即：

?P?PGPP

（2—8）

該效率是包含了水泵本身效率在內的整個供水系統的總效率。

式(2-8)中，PP是指水泵是在一定流量、揚程下運行時所需的外來功率，即電動機的輸出功率；PG是供水系統的輸出功率也就是水獲得的實際功率，由實際供水的揚程和流量計算。供水過程中的損耗主要來自于水泵本身的機械損耗、水力損失、容積損失，以及管路中的管阻損耗。

(2)．供水系統工作效率的近似計算公式

*水泵工作效率相對值?P的近似計算公式如下

?*P?C（1Qn**）?C（2Qn**

（2—9））*式（2—9）中：?P、Q*、n*—效率、流量和轉速的相對值，均小于1：

*有以下關系：?P???N*、QP?QQN*、nP?nnN

C1、C2—常數，其關系為C1?C2?1。

(3)．不同控制方式時的工作效率

閥門控制法方式，因轉速不變，n?1比值

*Qn**?Q

**隨著流量的減小。Q*減小，水泵工作的效率?P降低十分明顯。

轉速控制方式時，因閥門開度不變，由式(2—5)，流量Q*和轉速礦n*是成正比的，比值Qn**不變。即水泵的工作效率是不變的，總是處于最佳狀態。

所以，轉速控制方式與閥門控制方式相比，供水系統的工作效率要大得多。這是變頻調速供水系統具有節能效果的第二個方面。

3．變頻調速電機運行效率高

在設計供水系統時，額定揚程和額定流量通常留有裕量，而且，實際用水流量也往往達不到額定值，電動機也常常處于輕載狀態，電機恒速運行時效率和功率因數很低。采用變頻調速方式變頻器能夠根據負載輕重調整輸入電壓，從而提高了電動機的工作效率。這是變頻調速供水系統具有節能效果的第三個方面。

2.5 供水系統安全性討論

1．水錘效應

在極短時間內，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強過高或過低的沖擊，并產生空化現象，使管道受壓產生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘效應。水錘效應具有極大的破壞性。壓強過高，將引起管子的破裂;壓強過低又會導致管子的癟塌。此外，水錘效應還可能損壞閥門和固定件。

2．產生水錘效應的原因及消除辦法

產生水錘效應的根本原因，是水泵在起動和制動過程中的動態轉矩太大，短時間內流量的巨大變化而引起的。采用變頻調速，通過減少動態轉矩，可以實現徹底消除水錘效應。

水泵的動態轉矩大小決定了水泵加速過程的快慢，決定了加速過程流量變化的快慢，也就決定了水錘效應的強弱。

拖動系統中，動態轉矩 TJ?TM?TL TM：是電動機的拖動轉矩 TL：是供水系統的制動轉矩

圖2—4反映了全壓起動和變頻起動過程中動態轉矩情況。

圖中，曲線①是異步電動機的機械特性，曲線②是水泵的機械特性，圖2—4 b)中的鋸齒狀線是變頻起動過程中的動態轉矩。

由圖2—4可知，水泵在直接起動過程時，因動態轉矩很大，造成了強烈的水錘效應，通過變頻起動，可有效地降低動態轉矩消除水錘效應。

停機過程效果類似。

3．變頻調速對供水系統安全性的作用

采用變頻調速，對系統的安全性有一系列的好處

(1)消除了水錘效應，減少了對水泵及管道系統的沖擊，可大大延長水泵及管道系統的壽命。

(2)降低水泵平均轉速，減小工作過程中的平均轉矩，從而減小葉片承受的應力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長。

(3)避免了電機和水泵的硬起動，可大大延長聯軸器壽命。

(4)減少了起動電流，也就減少了系統對電網的沖擊，提高了自身系統的可靠性。

2.6 本章小結

本章在分析供水系統模型及其特性參數的基礎上，探討了影響供水系統能耗及其安全性的一些因素，得出了以下結論: 1.對供水系統進行的控制，歸根結底是對供水能力的調節，以滿足用戶對流量的需求。這種調節又是以水壓調節為目標。

2.供水系統揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點是系統的工作點，實際運行中的工作點會隨用水需求的變化而改變。為保證水壓恒定，采取轉速調節方式較閥門控制方式節能效果明顯。

3.采取變頻調速方式控制流量實現恒壓供水，可減少系統能耗，提高工作效率。4.采取變頻調速方式可以消除水錘效應，可減少沖擊，增加系統運行的安全性，延長系統運行壽命。第三章 變頻調速恒壓供水控制系統設計

3.1 供水系統總體方案的確定

1．對西泵站供水系統總體要求：

(1)．由多臺水泵機組實現供水，流量范圍4000m3/h，揚程45米左右(2)．設置一臺小泵作為輔助泵，用于小流量時的供水(3)．供水壓力要求恒定，尤其在換泵時波動要小

(4)．系統能自動可靠運行，為方便檢修和應急，應具備手動功能(5)．各主泵均能可靠地實觀軟啟動(6)．具有完善的保護和報警功能(7)．系統要求較高的經濟運行性能 2.方案確定

確定供水系統總體設計方案的基本依據是設計供水能力能滿足系統最不利點用水需求，同時還需要結合用戶用水量變化類型，考慮方案適用性、節能性，及其它技術要求。

根據用戶的用水時段特點，可將用戶用水量變化類型分為連續型、間歇型兩大類，根據流量的變化特點，還可進一步細分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。不同季節、不同月份，流量變化類型也會改變。

連續型是指一天內很少有流量為零的時候，或本身管網的正常泄漏就保持有一定的流量。

間歇型指一天內有多段用水低谷時間，流量很小或為零。各種類型的水流量變化關系曲線如圖3—1

西泵站供水系統主要負責張家口市橋西區域用戶的用水，屬連續型高流量變化型。這類型用水需求在較長時間段表現為高流量，低流量時，采用變頻調速方式來實現的恒壓供水節能效果比較明顯，與通常的工頻氣壓給水設備相比平均節能可達30%。水泵變頻軟起動沖擊電流小，也有利于電機泵的壽命，此外水泵在低速運行時，噪聲小。由于用水呈高流量變化型的特點，采用多臺水泵并聯供水，根據用水量大小調節投入水泵臺數的方案。在全流量范圍內靠變頻泵的連續調節和工頻泵的分級調節相結合，使供水壓力始終保持為設定值。

多泵并聯代替一、二臺大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。首先是節能，每臺泵都可以較高效率運行，長期運行費用少；其二，供水可靠性好，一臺泵故障時，一般并不影響系統供水，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺泵來配置變頻器容量，減少投資。

處于供水低谷小流量或夜間小流量時，為進一步減少功耗，采用一臺小流量泵來維持正常的泄漏和水壓。

多泵變頻循環工作方式的可靠切換，是實現多泵分級調節的關鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強、調試方便、維護工作量小的PLC通過編程來實現。

供水系統的恒壓通過壓力變送器、PID調節器和變頻器組成的閉環調節系統控制。根據水壓的變化，由變頻器調節電機轉速來實現恒壓。

為了減少對泵組、管道所產生的水錘，泵組配置電動蝶閥，先啟水泵后打開電動碟閥，當水泵停止時先關電動碟閥后停機。

為實現遠程監控的功能，系統中還配置了計算機和通信模塊。

綜合以上分析，確定以可靠性高、使用簡單、維護方便、編程靈活的工控設備變頻器和PLC作為主要控制設備來設計變頻調速恒壓供水系統，其總體結構如圖3-2所示。

3.2 控制系統的硬件設計

3.2.1系統主要配置的選型

1.水泵機組的選型

根據系統要求的總流量范圍、揚程大小，確定供水系統設計秒流量和設計供水壓力(水泵揚程)，考慮到用水量類型為連續型低流量變化型，確定采用3臺主水泵機組和1臺輔助泵機組，型號及參數見表3-1。

2.變頻器的選型(1).容量確定方法

依據所配電動機的額定功率和額定電流來確定變頻器容量。在一臺變頻器驅動一臺電機連續運轉時，變頻器容量(kVA)應同時滿足下列三式：

PCN?kPM?cos?（kVA）

（3—1）

?3PCN?k?3UMIM?10（kVA）

（3—2）

PCN?k?IM（A）

（3—3）

式中，PM—負載所要求的電動機的輸出功率；

?—電動機的效率（通常在0.85以上）；

?—電動機的功率因數（通常在0.8以上）

cos；

UM—電動機電壓（V）；

IM—電動機工頻電源時的電流（A）；

k—電流波形的修正系數，對PWM方式，取1.0～1.05；

PCN—變頻器的額定容量（KVA）；

ICN—變頻器的額定電流（A）。

這三個式子是統一的，選擇變頻器容量時，應同時滿足三個算式的關系，尤其變頻器電流是一個較關鍵的量。

(2).型號選擇

根據控制功能不同，通用變頻器為分為三種類型。普通功能型U/f控制變頻器、具有轉矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器、矢量控制高功能型變頻器。供水系統屬泵類負載，低速運行時的轉矩小，可選用價格相對便宜的U/f控制變頻器。

綜合以上因素，系統選用專為風機、泵用負載設計的普通功能型U/f控制方式的富士變頻器FRN55P11S-4CX，變頻器內置PID控制模塊，可用于閉環控制系統，實現恒壓供水。

其主要參數及性能介紹如下。①.主要參數

額定容量：85(kVA)； 額定輸出電流：112A；

過載容量：110%額定輸出電流、1分鐘； 起動轉矩：50%以上； 適配電機容量：55KW； ②.功能特點

風機、泵等二次方遞減轉矩專用型變頻器;可選用自動和手動的轉矩提升功能，保證最佳的啟動;加速時間設定范圍寬(0.01秒到3600秒)，具有S形加減速功能和曲線加減速功能，讓加減速過程變得緩和，防止沖擊和載物倒塌;直流制動功能，制動時間在0-30秒范圍可調，保證快速可控的制動，不需要外接電阻;內置PID模塊，可用于閉環控制;多種頻率設定方式;多種附加功能;五路晶體管輸出

③.I/0特性

9個可設定的開關量輸入口，給操作者極大的靈活性(如固定頻率、固定給定、電動電位計、點動);四路可設定的開路集電極晶體管輸出，可用于頻率到達、頻率值檢測、過載、運行等多種提示;RS-485接口，可實現遠程通信;④.保護功能

具有過電壓/欠電壓保護、短路保護、過熱保護、PTC熱敏電阻保護、電機鎖死保護、缺相保護、電涌保護、失速保護、CPU/存貯器異常保護等。

3.PLC的選型

依據控制任務，從PLC的輸入1輸出點數、存儲器容量、輸入l輸出接口模塊類型等方面等來選擇PLC型號。在供水系統的設計中，我們選擇三菱FX2N-32MR及擴展輸出模塊FX2N-16EYR，其I/O端子分配在3.4節給出。

FX2N-32MR主要參數及特點: I/O點數:16/16;用戶程序步數:4K;基本指令:27條;功能指令:298條;基本指令執行時間:0.08微秒;通信功能:強;輸出形式:繼電型;輸出能力：2A/點;擴展輸出模塊FX2N-16EYR有16個輸出點;4.壓力變送器及數顯儀的選型

選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數顯儀實現壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0～1MP，精度1.5；數顯儀輸出一路4～20mA電流信號，送給變頻器作為PID調節的反饋電信號，可設定壓力上下、限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。

3.2.2 主電路方案設計

三臺大容量的主水泵(1#,2#,3#)根據供水狀態的不同，具有變頻、工頻兩種運行方式，因此每臺主水泵均要求通過兩個接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯;輔助泵只運行在工頻狀態，通過一個接觸器接入工頻。連線時一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據電動機制容量來確定。

QF1,QF2,QF3,QF4,QF5,QF6分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運行空氣開關，FR1, FR2, FR3, FR4為工頻運行時的電機過載保護用熱繼電器，變頻運行時由變頻器來實現電機過載保護。

變頻器的主電路輸出端子(U,V,W)經接觸器接至三相電動機上，當旋轉方向與工頻時電機轉向不一致時，需要調換輸出端子(U, V, W)的相序，否則無法工作。變頻器和電動機之間的配線長度應控制在100m以內。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子FWD(REV)來操作，不得以主電路空氣開關QF2的通斷來進行。為了改善變頻器的功率因素，還應在變頻器的(Pl、P+)端子之間接入需相應的DC電抗器。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。

在電動機三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來觀察電機工作電流大小;設計三相電源信號指示。

圖3-3給出了供水系統電氣控制主回路的主要聯線關系。

3.2.3 控制電路設計

在控制電路的設計中，必須要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。為了保護PLC設備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進而控制電機或者閥門的動作。通過隔離，可延長系統的使用壽命，增強系統工作的可靠性。

控制電路之中還要考慮電路之間互鎖的關系，這對于變頻器安全運行十分重要。變頻器的輸出端嚴禁和工頻電源相連，也就是說不允許一臺電機同時接到工頻電源和變頻電源的情況出現。因此，在控制電路中多處對各主泵電機的工頻/變頻運行接觸器作了互鎖設計;另外，變頻器是按單臺電機容量配置，不允許同時帶多臺電機運行，為此對各電機的變頻運行也作了互鎖設計。為提高互鎖的可靠性，在PLC控制程序設計時，進一步通過PLC內部的軟繼電器來作互鎖。

控制電路中還考慮了電機和閥門的當前工作狀態指示的設計，為了節省PLC的輸出端口，在電路中可以采用PLC輸出端子的中間繼電器的相應常開觸點的斷開和閉合來控制相應電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統電機和閥門的工作狀態。

出于可靠性及檢修方面的考慮，設計了手動/自動轉換控制電路。通過轉換開關及相應的電路來實現。

圖3-4給出了供水系統的部份電氣控制線路圖。

圖3-4中，SA為手動/自動轉換開關，KA為手動/自動轉換用中間繼電器，打在①位置為手動狀態，打在②位置KA吸合，為自動狀態。在手動狀態，通過按鈕SB1-SB14控制各臺泵的起停。在自動狀態時，系統執行PLC的控制程序，自動控制泵的起停。

中間繼電器KA的7個常閉觸點串接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺泵的手動運行。中間繼電器KA的常開觸點接PLC的XO，控制自動變頻運行程序的執行。在自動狀態時，四臺泵在PLC的控制下能夠有序而平穩地切換、運行。

電機動電源的通斷，由中間繼電器KA1-KA7控制接觸器KM 1-KM7的線圈來實現。HLO為自動運行指示燈。FR1, FR2, FR3, FR4為四臺泵的熱繼電器的常閉觸點，對電機進行過流保護。

3.2.4 PLC I/0端子分配

說明:1#.2#.3#分別代表I號主水泵、2號主水泵、3號主水泵。

3.2.5 變頻器接線及功能設定

表3-2中頻率參數設置說明：

(1).最高頻率:水泵屬于平方律負載，轉矩T?n2，當轉速超過其額定轉速時，轉矩將按平方規律增加，導致電動機嚴重過載。因此，變頻器的最高頻率只能與水泵額定頻率相等。

(2).上限頻率:由于變頻器內部具有轉差補償功能，在50Hz的情況下，水泵在變頻運行時的實際轉速要高于工頻運行時的轉速，從而增大了電動機的負載，因此實際預置得略低于額定頻率。

(3).下限頻率:在供水系統中，轉速過低，會出現水泵的全揚程小于基本揚程(實際揚程)，形成水泵“空轉”的現象。所以，在多數情況下，下限頻率不能太低，可根據實際情況適當調整。

(4).啟動頻率:水泵在啟動前，其葉輪全部在水中，啟動時，存在著一定的阻力，在從0Hz開始啟動的一段頻率內，實際上轉不起來。因此，應適當預置啟動頻率值，使其在啟動瞬間有一點沖擊力。

3.3 PLC控制程序的設計

3.3.1全自動變頻恒壓運行方式水泵運行狀態及轉換過程分析

1.轉換過程分析

啟動自動變頻運行方式時，首先起動輔助穩壓泵工頻運行供水，當用水量大，超過輔助泵最大供水能力而無法維持管道內水壓時，延時1分鐘PLC通過變頻器啟動1號主水泵供水，同時關閉輔助泵的運行。在1號主水泵供水過程中，變頻器根據水壓的變化通過PID調節器調整1#主水泵的轉速來控制流量，維持水壓。若用水量繼續增加，變頻器輸出頻率達到上限頻率時，仍達不到設定壓力，延時分鐘，由PLC給出控制信號，將1號主水泵與變頻器斷開，轉為工頻恒速運行，同時變頻器對2號主水泵軟啟動。系統工作于1號工頻、2號變頻的兩臺水泵并聯運行的供水狀態。若用水量繼續增加，兩水泵也不能滿足水壓要求時，將按上述過程繼續增開水泵臺數……直到滿足水壓要求。整個加泵過程中，總是保證原來工作于變頻運行狀態的水泵轉入工頻恒速運行，新開泵軟啟動并運行在變頻狀態，保證只有一臺水泵運行在變頻狀態。

當用水量減少時，變頻器通過PID調節器降低水泵轉速來維持水壓。若變頻器輸出頻率達到下限頻率時，水壓仍過高，延時1分鐘，按“先起先?！钡脑瓌t，由PLC給出控制信號，將當前供水狀態中最先工作在工頻方式的水泵關閉，同時PID調節器將根據新的水壓偏差自動升高變頻器輸出頻率，加大供水量，維持水壓。當用水量持續減少，系統繼續按“先起先停”原則逐臺關閉處于工頻運行的水泵。

當系統處于單臺主水泵變頻供水狀態時，若用水量減少，變頻器輸出頻率達到下限頻率時，水壓仍過高時，延時5分鐘后，關閉變頻器運行，啟動輔助泵維持供水。供水狀態及其轉換關系

供水狀態是指在供水時投入運行的水泵臺數及運行狀況(工頻或變頻)。為保證在一個較長的時間周期內，各臺水泵運行時間基本均等，避免某臺電機長期得不到運行而出現繡死現象，供水狀態的切換按照“有效狀態循環法”即“先起先?！钡脑瓌t操作。

若有N臺水泵參與變頻調速，則滿足“先起先?！痹瓌t的最大有效狀態數為N2十1。將來的供水狀態就在這些有效狀態范圍內來回循環。

本系統采用了三臺主水泵和一臺輔助穩壓泵供水，其中只有主水泵參與變頻運行，共有10種有效供水狀態，見表3-4

各狀態之間的轉換關系見下圖3-5

從圖3-5可見，供水狀態之間的轉換不但和轉換條件有關，還與其目前所處的供水狀態有關;由輔助泵切換到主泵供水也遵循有效狀態循環方式，即上一次啟動1#主泵，則下次由輔助泵切換到主泵供水，應啟動2#泵。

3.狀態轉換條件

供水狀態之間的轉換條件是依據變頻器輸出頻率是否到達極限頻率及水壓是否達到上、下限值。設變頻器輸出頻率達到極限頻率時的信號為X1，水壓達到設定壓力下限值時的欠壓信號為X2，水壓達到設定壓力上限值時的超壓信號為X3。

從輔助泵切換到主泵條件:滿足X2;從主泵切換到輔助泵條件:同時滿足X1、X3;增泵條件:同時滿足X1、X2, 減泵條件:同時滿足X1,X 3;4.狀態轉換過程的實現方法

從輔助泵切換到主泵只需斷開輔助泵的供電，同時用變頻器以起始頻率起動一臺主泵的運行即可;從主泵切換到輔助泵只需將主泵和變頻器的輸出斷開，同時將輔助泵直接投入工頻運行即可;減泵過程是在滿足減泵條件的前提下，通過PLC控制，斷開工頻運行狀態電機的接觸器主觸點即可。

增泵過程的實現相對復雜一些，首先要將運行在變頻狀態的電機和變頻器脫離后，再切換到電網運行，同時變頻器又要以起始頻率起動一臺新的電機運行。切換過程主要考慮三方面的問題: 第一，切換過程的可靠性。決不允許出現變頻器的輸出端和工頻電源相連的情況，這一點通過控制電路、PLC內部軟繼電器的互鎖及PLC控制程序中動作的時間先后次序來保證。

其次，切換過程的完成時間。時間太長，原變頻運行的電機轉速下降太多，一方面造成水壓下降大，另一方面在接下來切換到工頻時沖擊電流大;時間太短，切換過程的可靠性下降。具體時間還需根據電動機的容量大小來設定，容量越大時間越長，一般情況下，500ms足夠。再次，切換過程的電流。因變頻器輸出電壓相位和電網電壓相位一般不同，當電機從變頻器斷開后，轉子電流磁場在定于繞組中的感應電壓與電網電壓往往也存在相位差。此時，切換到工頻電網瞬間，如果二者剛好反相，則將產生比直接起動時的起動電流更大的沖擊電流，反過來對變頻器造成沖擊。解決辦法有：

(1).電機定子繞組中接入三相滅磁電阻的方法。這種方法一般需要延時2-3秒，時間太長，水泵轉速下降太多，不合適:(2).相位鑒定法。通過相位鑒別電路，在電網電壓和變頻器輸出電壓相位一致時，快速切換。這種方法十分有效，可靠，對于100 kW以上的大容量電機一般要求采用這一方法

(3)利用變頻器的自由停車指令BX來實現的快速滅磁法。這一方法的實質是通過定子繞組中和變頻器逆變橋上的續流二極管組成的回路來達到快速滅磁的目的。其動作順序是，在電機從變頻器斷開前，PLC的Y16給出動作信號，變頻器Xl端子功能生效，自由停車命令BX生效，變頻器立即停止輸出，經短暫延時(約500ms)滅磁后，將電機從變頻器斷開，并立即投入電網。這種方法簡單有效、控制方便，本次設計中采用了這一方法。

3.3.2 PLC程序設計方法

1.PLC 編程語言

PLC是由繼電器接觸器控制系統發展而來的一種新型的工業自動化控制裝置。采用了面向控制過程、面向問題、簡單直觀的PLC編程語言，易于學習和掌握。盡管國內外不同廠家采用的編程語言不盡相同，但程序的表達方式基本類似，主要有四種形式:梯形圖，指令表，狀態轉移圖和高級語言。

梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，它沿用了傳統的繼電接觸器控制中的觸點、線圈、串并聯等術語和圖形符號，與傳統的繼電器控制原理電路圖非常相似，但又加入了許多功能強而又使用靈活的指令，它比較直觀、形象，對于那些熟悉繼電器一接觸器控制系統的人來說，易被接受。繼電器梯形圖多半適用于比較簡單的控制功能的編程。絕大多數PLC用戶都首選使用梯形圖編程。

指令是用英文名稱的縮寫字母來表達PLC的各種功能的助記符號，類似于計算機匯編語言。由指令構成的能夠完成控制任務的指令組合就是指令表，每一條指令一般由指令助記符和作用器件編號組成。比較抽象，通常都先用其它方式表達，然后改寫成相應的語句表。編程設備簡單價廉。

狀態轉移圖語言(SFC)類似于計算機常用的程序框圖，但有它自己的規則，描述控制過程比較詳細具體，包括每一框前的輸入信號，框內的判斷和工作內容，框后的輸出狀態。這種方式容易構思，是一種常用的程序表達方式。

高級語言類似于BACIC語言、C語言等，在某些廠家的PLC中應用。2.梯形圖語言編程的一般規則

通常微、小型PLC主要采用繼電器梯形圖編程，其編程的一般規則有:(1).梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個邏輯行起始于左母線然后是觸點的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號地址必須在所使用PLC的有效范圍內。

(2).梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側母線并不接任何電源，因而圖中各支路也沒有真實的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流”、“得電”等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流”，而且認為它只能由左向右單方向流;層次的改變也只能自上而下。

(3).梯形圖中的繼電器實質上是變量存儲器中的位觸發器，相應某位觸發器為“1”態，表示該繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“0”態。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內部繼電器線圈外，還包括定時器、計數器、移位寄存器、狀態器等的線圈以及各種比較、運算的結果。

(4).梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點，而左邊必須有觸點。

(5).繼電器線圈在一個程序中不能重復使用:而繼電器的觸點，編程中可以重復使用，且使用次數不受限制。

(6).PLC在解算用戶邏輯時，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進行的，即按掃描方式順序執行程序，不存在幾條并列支路同時動作，這在設計梯形圖時，可以減少許多有約束關系的聯鎖電路，從而使電路設計大大簡化。

所以，由梯形圖編寫指令程序時，應遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中的每個符號對應于一條指令，一條指令為一個步序。

3.PLC程序開發平臺

不同公司的PLC采取的開發平臺不同，這次設計采用MITSUBISHI公司提供的Windows環境下的編程軟件FXGPWIN來開發。先用狀態轉移圖(SFC)來描述供水狀態的轉換過程和轉換條件，再用步進順控指令(STL)轉換為步進梯形圖，通過檢查、編譯后，用專用編程電纜SC09下載到PLC程序存儲器中。其間還需要一個調試過程。

4.程序掃描工作方式的原理

當PLC運行時，用戶程序中有眾多的操作需要去執行，但CPU是不能同時去執行多個操作的，它只能按分時操作原理每一時刻執行一個操作。這種分時操作的過程稱為CPU對程序的掃描。

掃描從0000號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉控制的情況下，按存儲地址號遞增順序逐條掃描用戶程序，也就是順序逐條執行用戶程序，直到程序結束。每掃描完一次程序就構成一個掃描周期，然后再從頭開始掃描，并周而復始。

順序掃描的工作方式簡單直觀，它簡化了程序的設計，并為PLC的可靠運行提供了非常有用的保證。一方面，掃描到的指令被執行后，其結果馬上就可以被將要掃描到的指令所利用。另一方面，還可以通過CPU設置的定時器來監視每次掃描是否超過規定的時間，從而避免了由于CPU內部故障使程序執行進入死循環而造成故障的影響

PLC的工作過程就是程序執行過程。它分為三個階段進行，即輸入采樣階段，程序執行階段，輸出刷新階段，如圖3-6所示

(1).輸入采樣階段

在開始執行程序之前，PLC以掃描方式按順序將所有輸入端的輸入信號狀態(開或關、“1”或“0”)讀入到輸入映像寄存器中寄存起來，這個過程稱為對輸入信號的采樣，或稱輸入刷新。在程序執行期間，所需輸入信息取自輸入映像寄存器的內容。在本工作周期內，即使輸入狀態變化，輸入映像寄存器的內容也不會改變。輸入狀態的變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才被重新讀人。

(2).程序執行階段

在程序執行階段，PLC對程序按順序進行掃描。每掃描到一條指令時，所需要的輸入狀態或其他元素的狀態分別由輸入映像寄存器和元素映像寄存器中讀出，然后將執行結果寫入到元素映像寄存器中。這就是說，對于每個元素來說，元素映像寄存器中寄存的內容，會隨程序執行的進程而變化。但這個結果在全部程序未被執行完畢之前不會送到端子上。

(3).輸出刷新階段

當程序執行完后，進入輸出刷新階段。此時，將元素映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態轉存到輸出鎖存電路，再去驅動用戶輸出設備(負載)，這才是PLC的實際輸出。

PLC重復地執行上述三個階段，每重復一次的時間就是一個工作周期(或掃描周期)。工作周期的長短與程序的長短(即組成程序的語句多少)、指令的種類和CPU執行的速度有很大關系。一般說來，一個掃描過程中，執行指令的時間占了絕大部分。

PLC在每次掃描中，對輸入信號采樣一次，對輸出刷新一次。這就保證了PLC在執行程序階段，輸入映像寄存器和輸出鎖存電路的內容或數據保持不變。

3.3.3 供水系統控制程序設計

供水系統根據需要實現的主要功能有自動變頻恒壓運行、自動工頻運行、遠程手動控制和現場手控制等。全自動變頻恒壓運行方式是系統中最主要的運行方式，也是系統的主要功能，是指利用PLC控制，結合PID調節功能，通過變頻調速實現自動恒壓供水，其核心是根據恒壓條件下供水系統中水泵運行狀態及轉換過程設計的PLC控制程序;自動工頻運行是指在變頻器故障狀態時，為維持壓力的相對恒定，系統根據水壓大小自動調節工頻運行電機臺數，維持供水，這種運行方式只是在特殊情況下的一種備用供水方案，提高了系統可靠性的冗余度;遠程手動控制是指在控制室，通過計算機和PLC通信遠程操控水泵的運行，是一種輔助供水方案;現場手動控制運行是指通過現場按鈕來人工控制電機工頻、變頻運行，這一方式完全通過電氣控制線路設計來實現，PLC不參與，主要用用于檢修、調試及PLC故障時的運行。

系統還具有水泵故障鎖定功能。當有水泵出現故障時，系統自動鎖定出故障的水泵，將其退出系統運行，并報警提示。

PLC控制程序設計的主要任務是接收受各種外部開關量信號的輸入，判斷當前的供水狀態，輸出信號去控制繼電器、接觸器、信號燈等電器的動作，進而調整水泵的運行，并給出相應指示或報警。

供水系統控制程序的主流程如圖3-7。主要由系統初始化模塊、輔助泵/主泵運行轉換模塊、增加主泵的狀態轉換模塊、減少主泵的狀態轉換模塊、遠程手動控制模塊和故障處理模塊等構成。

1.系統初始化模塊

在初始化模塊中設置通信用數據寄存器D8120, D8121, D8129的通信參數，具體設置程序見論文4.3節;置標志M6=1，在自動運行時，首先起動輔助泵進入SO狀態:置標志M0=1，保證輔助泵運行狀態首次SO轉入主泵運行狀態S20。初始化過程通過M8002產生的初始化脈沖來完成。

2.輔助泵/主泵運行轉換模塊

主泵轉輔助泵運行是指在單臺主泵供水時，變頻器輸出下限頻率，水壓處于壓力上限時，延時5分鐘，關閉變頻器運行，啟動輔助泵的過程。即由狀態S20(或S21, S22)轉入SO的過程。PLC置輸出繼電器YI(或Y3, Y5)為0，同時置Y7= 1。

輔助泵轉主泵運行是指由輔助泵供水，水壓達到壓力下限時，延時1分鐘，關閉輔助泵，用變頻器啟動一臺主泵運行的過程。即由狀態so轉入S20(或S21,S22)的過程。具體起動哪一臺主泵，進入哪一種狀態，要依據其上一個狀態，按有效狀態循環法的原則來操作。在編程時，以輔助繼電器M3, M2, Ml作為S20, S21, S22狀態的轉入標志，三者按循環方式動作，保證S20, S21, S22狀態的循環。

3.增加主泵的狀態轉換模塊

增加主泵是將當前主泵由變頻轉工頻，同時變頻起動一臺新水泵的切換過程。當變頻器輸出上限頻率，水壓達到壓力下限時，延時1分鐘，PLC給出控制信號，PLC的Y16得電，變頻器的X1端子對CM短接，變頻器的自由停車指令BX生效，切斷變頻器輸出，延時500ms(滅磁作用)后，將主水泵與變頻器斷開，延時looms(防止變頻器輸出對工頻短路)，將其轉為工頻恒速運行，同時PLC的Y16失電，BX指令取消，變頻器以起始頻率啟動一臺新的主水泵。這段程序設計時要充分考慮動作的先后關系及互鎖保護。

增加主泵的狀態轉換模塊包括六種狀態轉換關系，三臺主泵增開程序。

下面以當前狀態S20，增開2#主泵為例，用PLC的狀態轉移圖(SFC)來說明泵增開過程，如圖3-80

4.減少主泵的狀態轉換模塊

減少主泵是指在多臺主泵供水時，變頻器輸出下限頻率，水壓處于壓力上限時，按“先起先停”原則，將當前運行狀態中最先進入工頻運行的水泵從電網斷開。

5.遠程手動控制通信模塊

初始化模塊中設置好PLC和上位機的通信協議后，在PLC程序執行過程中，當接收到上位機的遠程手動控制命令置M5M4= 10時，PLC程序自動轉入遠程手動控制運行方式，接收水泵運行狀態控制字。當接收到命令置M5M4=01時，先停止全部水泵的運行，延時后重新轉入全自動恒壓變頻運行方式。

6.故障處理模塊

對變頻器故障、熱繼電器動作、空氣開關跳開、水位過低等故障給出聲光報警，并做出相應的故障處理。

(1).欠水位故障

進入狀態S30，停止全部的電機運行，防止水泵空轉。當欠水位信號解除后，延時一段時間，自動進入SO狀態。

(2).變頻器故障

變頻器出現故障時，對應PLC輸入繼電器X5動作，系統自動轉入自動工頻運行模塊。此時變頻器退出運行，三臺主泵電機均工作于工頻狀態。該方式下的水泵的投入和切除順序和自動變頻恒壓運行方式時的大致相同，只是原來運行在變頻狀態下的電機改為了工頻運行。由于沒有了變頻器的調速和PID調節，水壓無法恒定。為防止出現停開一臺水泵水壓不足而增開一臺水泵又超壓造成系統的頻繁切換，通過增加延時的方法來解決。設定延時時間為20分鐘。

(3).電機故障

熱繼電器、空氣開關一般用于電機保護，二者的動作往往表明了電機潛在故障。檢測到此類故障時，系統首先鎖定故障電機，并自動投入下一臺電機運行。

此時系統處于“一輔泵兩主泵”的運行狀態。

3.4 PID調節原理在恒壓供水系統中的應用

在供水系統的設計中，選用了具有PID調節模塊的變頻器來實現閉環控制保證供水系統中的壓力恒定，較好地滿足系統的恒壓要求。

3.4.1 PID控制及其控制算法

在連續控制系統中，常采用Proportional(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱之為PID控制。PID控制是連續控制系統中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。具有以下優點：理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。模擬PID控制及算法

PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值:(t)和實際輸出值y(t)之間的偏差e(t): e(t)=y(t)-r(t)

(3一4)經比例(P)、積分(I)和微分(D)運算后通過線性組合構成控制量u(t)，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。

系統由擬PID控制器和被控對象組成，其控制系統原理框圖如圖3-9。

圖中U(t)為PID調節器輸出的調節量。PID控制規律為

PID控制器各環節的作用及調節規律如下:(1).比例環節:成比例地反映控制系統偏差信號的作用，偏差e(t)一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。比例環節反映了系統對當前變化的一種反映。比例環節不能徹底消除系統偏差，系統偏差隨比例系數K的增大而減少，比例系數過大將導致系統不穩定。

(2).積分環節:表明控制器的輸出與偏差持續的時間有關，即與偏差對時間的積分成線性關系。只要偏差存在，控制就要發生改變，實現對被控對象的調節，直到系統偏差為零。積分環節主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Tl,Tl越大，積分作用越弱，易引起系統超調量加大，反之則越強，易引起系統振蕩。(3)微分環節:對偏差信號的變化趨勢(變化速率)做出反應，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。微分環節主要用來控制被調量的振蕩，減小超調量，加快系統響應時間，改善系統的動態特性。但過大的TD對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。

PID的三種作用是相互獨立，互不影響。改變一個調節參數，只影響一種調節作用，不會影響其他的調節作用。然而，對于大多數系統來說，單獨使用一種控制規律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當的配合，可以使調節器快速，平穩、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。

2.數字PID控制算法

自從計算機進入控制領域以來，用數字計算機代替模擬調節器來實現PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數字PID控制算法是通過對式(3-5)離散化來實現的。

用一系列的采樣時刻點nT代表連續時間，用矩形法數值積分近似代替連續系統的積分，以一階后向差分近似代替連續系統的微分，得到PID位置控制算法表達式:

式(3-7)中，T一一采樣周期，n一一采樣序號，e(n)一一第n時刻的偏差信號，e(n-1)—第(n-1)時刻的偏差信號，y(n)—第n時刻的控制量。PID位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計算本次與上次的偏差信號e(n), e(n-1)，而且還要把歷次的偏差信號e(j)相加，計算繁鎖，占用內存大;另一方面計算機輸出的控制量u(n)對應的是執行機構的實際位置偏差，如果位置傳感器出現故障，u(n)可能出現大幅度變化，引起執行機構的大幅度變化，這是不允許的。為此實際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達式為:

增量式算法中不需要累加，調節器輸出的控制增量△u(n)僅與最近幾次采樣有關，所以誤動作時影響較小，必要時可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權處理獲得比較好的控制效果。

3.4.2 恒壓供水PID調節過程分析

恒壓供水的目的就是要保證供水能力Qc適應用水需求Qu變化。當供水能力QG和用水需求Qu之間不能平衡時，必然引起壓力的變化。因此，可根據壓力的變化，來實現對供水流量的調節，維持供水能力QG和用水需求Qu之間的乎衡。

在供水系統中，變頻器、PID調節器、壓力變送器、電機、水泵等構成了一個閉環控制系統，可以對供水能力實現有效的自動調節，從而實現恒壓供水。其實現方法是，首先據用戶對水壓的要求，給PID調節器預置一個目標壓力值，管道中的實際水壓，經壓力變送器轉換成4～20mA的模擬電流信號反饋給變頻器內置的PID調節器，PID調節器根據目標壓力值和實際壓力值的偏差，給出調節量，自動調節變頻器輸出頻率，調節電機轉速，使供水量適應用水量的變化，取得動態平衡，維持水壓不變。其具體調節過程如下：

(1).穩態運行

當供水能力QG=用水需求Qu，目標壓力信號;和壓力反饋信號y相等，偏差e=y-r=0, PID輸出的控制增量△u=0，變頻器輸出頻率不變，水泵轉速不變，處于穩態運行。如圖3-10中的0～t1段。(2).用水量增加時

當用水量增加，用水需求Qu>供水能力QG，水壓下降，壓力反饋信號y減少，偏差e=y-r<0, PID輸出的控制增量△u>0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉速升高，增加供水能力，最后達到一個新的平衡狀態，使壓力回復，維持供需平衡。

這是一個動態變化的過程，在達到新的平衡狀態之前，壓力反饋信號y、偏差e,控制增量△“均處于變化之中，其變化過程如圖3-10中的tl～t3段，其中t2～t3段為增加用水量后新的平衡狀態。

(3).用水量減少時

當用水量減少，用水需求Qu<供水能力QG，水壓上升，壓力反饋信號y增大，偏差e=y-r>0, PID輸出的控制增量△u<0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉速降低，降低供水能力，最后達到一個新的平衡狀態，使壓力回復，維持供需平衡。這一動態變化過程，如圖3-10中的t3～t4段，其中t4段以后為減少用水量后新的平衡狀態。

3.4.3 變頻器PID控制功能參數設置

變頻器PID控制功能代碼有H20,H21,H22,H23, H24, H25共6個，通過對功能代碼的設定來保證合理的PID運行。

1.PID模式預置

H20用以設置PID模式。

設定值0:不動作;1:正動作；2:反運行。其關系如圖3-11.在供水系統中，當壓力增大(即用水量減少)，水泵的轉速應下降，即變頻器輸出頻率與被控量(水壓)的變化趨勢相反，所以選取模式2。

2.反饋方式預置

系統采取的是電流輸入反動作，設定H21為2。3.壓力目標值的預置

壓力目標值是一個比值，它和允許的管道壓力大小及選用的傳感器有關。其關系為:壓力目標值=（管道允許壓力／壓力表量程）×100% 根據教育學院學生公寓供水管網情況及水壓需要，確定總出水口水壓大小為0.4MPa，選用的遠傳壓力表量程是0-1MPa，則目標值為40%.選擇XI端子功能，設定“E01”為II，通過變頻器鍵盤面板操作直接輸入確定的壓力目標值。

4.P、I、D參數預置

P、I、D參數通過H22,H23,H24來設定。其中H22用以設定P增益，設定范圍:0.01～10倍;H23用以設定積分時間，設定范圍0.1～3600s;H24用以設定微分時間，設定范圍0.01～10.0s 由于P、I、D的取值與系統的慣性大小有很大的關系，需經現場反復調試，可按以下總體原則來進行整定。

H22(增益P)，在不發生振蕩條件下增大其值;H23(積分時間I)，在不發生振蕩條件下減小其值;H24(微分時間D)，在不發生振蕩條件下增大其值: 用示波器監視壓力表輸出電壓波形，根據波形情況來做參數調整。常見有下面幾種情況。

(1)抑制超調

增大H23(積分時間)，減小H24(微分時間)，如圖3-12:a)。(2).允許小量超調前提下加快響應速度

減小H23(積分時間)，增大H24(微分時間)，如圖3-12:b)。(3).抑制比H23積分時間)長的周期性振蕩 增大H23(積分時間)，如圖3-12:c)。

(4).抑制大約和H24(微分時間)同樣長周期的振蕩

減小H24(微分時間)。設定0時，若仍有振蕩時，減小H22(增益)，如圖3-l2:d)

在PID功能有效且完成參數預置后，變頻器完全按用戶設定的P、I、D調節規律運行，其工作特點是;(1)變頻器的輸出頻率只根據水壓實際壓力大小與設定的目標壓力的偏差進行調整，與被實際水壓大小并無對應關系:(2)變頻器的升、降速時間完全取決于由P、I、D值所決定的動態響應時間;(3)變頻器的輸出頻率始終處于調整狀態，因此，其顯示的數值常不穩定。5反饋濾波時間預預置

設置對控制端子12輸入的反饋信號的濾波時間，使PID控制系統穩定，設定值過大，反應變差。

3.5 系統可靠性措施

系統中采用的工控設備變頻器和PLC均具有抗干抗能力強，可靠性好的特點。但作為一個完整的系統，應用于工業現場，還是有必要考慮加強抗干擾措施，保證運行的穩定性。

1、變頻器和PLC應安裝于專門的控制柜中，但一定要保證良好的通風環境和散熱，PLC四周留有50 mm以上的凈空間。環境溫度最好控制在45℃以下，相對濕度在5～90%，盡量不要安裝在多塵、有油煙、有導電灰塵、有腐蝕性氣體、振動、熱源或潮濕的地方。

2、控制柜和水泵現場距離不要太遠，尤其是遠傳壓力表至變頻器的4-20mA電流信號和至PLC的壓力上、下限開關量信號的傳輸電纜要盡可能短，而且要盡量遠離那些會產生電磁干擾的裝置。

3、外圍設備信號線、控制信號線和動力線應分開敷設，不能扎在一起，且應采用屏蔽線且屏蔽層接地.4、變頻器和PLC均要可靠接地。接地電阻應小于100?，接地線須盡可能短和粗，并且應連接于專用接地極或公用接地極上，不要使用變頻器、PLC外殼或側板上的螺釘作為接地端。而且二者在接地時，應盡量分開，不要使用同一接地線。

5、電動機在低速運行時，電機冷卻效果下降，應保證電動機具有良好的通風條件。

6、在電氣設計和軟件設計中，充分考慮電氣設備之間的互鎖關系。

7、選用性能可靠的繼電器、接觸器對于系統的可靠運行也具有十分重要的意義。

8、要考慮防雷設計。如電源是架空進線.在進線處裝設變頻器專用避雷器，或按規范要求在離變頻器20m遠處預埋鋼管做專用接地保護。如果電源是電纜引入，則應做好控制室的防雷系統，以防雷電竄入破壞設備。

9、系統設計時還加入了無人執守故障自動撥號報警器。當出現變頻器故障、電機故障、PLC故障以及水位過低等現象時，自動撥打管理人員的電話，提高系統故障的應急處理能力。

3.6 本章小結

本章針對用戶需求，在滿足供水能力的前提下，實現了變頻調速恒壓供水控制系統的設計。該系統由PLC控制的多泵分級調節和變頻器控制的單泵連續調節相結合，實現流量在大范圍內變化時的恒壓供水?；谶@一設計方案，本章的具體內容概括如下: 1.變頻調速恒壓供水控制系統由PLC、變頻器、遠傳壓力表、3臺主水泵機組、1臺輔助泵機組、控制柜等組成，采用一臺變頻器分時控制3臺主水泵的起動、調速和運行。

2.控制系統的硬件設計包括了設備選型、主電路設計、控制電路設計及PLC的I/O端子分配、變頻器接線及功能設定等。電路設計時充分考慮了水泵電機變頻運行和工頻運行間的互鎖關系。

3.分析了多泵供水方式的運行狀態和狀態轉換條件，由遠傳壓力表給出的上、下極限水壓信號作為水泵切換的條件，實現水泵的分級調節。狀態轉換遵循“先起先?！痹瓌t。

4.由遠傳壓力表檢測的水壓信號經變頻器內部的PID模塊處理后，控制變頻器輸出頻率，實現對水泵轉速的連續控制，來維持恒壓供水。

5.分析了PID控制器的基本原理和供水系統中PID調節過程，討論了PID參數的調節方法。

6.供水系統PLC控制程序主要由系統初始化模塊、輔助泵/主泵運行轉換模塊、增加主泵的狀態轉換模塊、減少主泵的狀態轉換模塊、遠程手動控制模塊和故障處理模塊等構成，可實現全自動變頻恒壓運行、自動工頻運行、遠程手動控制和現場手控制等方式。

7.在系統設計時，考慮了抗干擾措施和故障應急處理功能，保證運行的穩定性。

[1]郁漢琪.電氣控制與可編程序控制器應用技術.南京二東南大學出版社，2003.75-78

第二篇：基于PLC的變頻調速恒壓供水系統

畢 業 設 計 任 務 書

指導老師 ；

張繼濤

基于PLC的變頻調速恒壓供水系統 引言

在供水系統中，恒壓供水是指在供水網系中用水量發生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。本文采用計算機(PC)、可編程控制器(PLC)、變頻器組成變頻恒壓供水監控系統，通過變頻調速實現恒壓供水、滿足節能降耗的要求，而且有利于實現生產的自動化及遠程監測。用水量變化具有隨機性，用水高峰時水壓不足，低谷時又造成能量浪費。變頻恒壓供水系統根據公共管網的壓力變化，通過PLC和變頻器自動調節水泵的增減、水泵電機的運行方式及電機的轉速，實現恒壓供水，既防止了能量空耗，又避免出現電機啟動時沖擊電流對設備的影響。工作原理

變頻恒壓供水系統采用一臺變頻器拖動兩臺大功率電動機，可在變頻和工頻兩種方式下運行;一臺低功率的電機，作為輔助泵電機

啟動方式:為避免啟動時的沖擊電流，電機采用變頻啟動方式，從變頻器的輸出端得到逐漸上升的頻率和電壓。啟動前變頻器要復位。

變頻調速:根據供水管網流量、壓力變化自動控制變頻器輸出頻率，從而調節電動機和水泵的轉速，實現恒壓供水。如設備的輸出電壓和頻率上升到工頻仍不能滿足供水要求時，PLC發出指令1號泵自動切換到工頻電源運行，待1號泵完全退出變頻運行，對變頻器復位后，2號泵投入變頻運行。

多泵切換:根據恒壓的需要，采取無主次切換，即“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。在PLC的程序中，通過設置變頻泵的工作號和工頻泵的臺數，由給定頻率是否達到上限頻率或下限頻率來判斷增泵或減泵。在用水量較小的情況下，采用輔助泵工作。為了避免一臺泵長期工作，任一泵不能連續變頻運行超過3小時。當工頻泵臺數為零，有一臺運行于變頻狀態時，啟動計時器，當達到3小時時，變頻泵的泵號改變，即切換到另一臺泵上。當有泵運行于工頻狀態，或輔助泵啟動時，計時器停止計時并清零。

故障處理:能對水位下限，變頻器、PLC故障等報警。PLC故障，系統從自動轉入手動方式。PLC控制電路

系統采用S7-200PLC作下位機。S7-200PLC硬件系統包含一定數量的輸入/輸出(I/O)點，同時還可以擴展I/O模塊和各種功能模塊。輸入點為6個，其中水位上、下限信號分別為I0.0、I0.1。輸出點為10個，O0.0-O1.0對應PLC的輸出端子。對變頻器的復位是由輸出點O1.0通過一個中間繼電器KA的觸點來實現的。根據控制系統I/O點及地址分配可知，系統共有5個開關量輸入點，9個開關量輸出點;1個模擬量輸入點和1個模擬量輸出點。可以選用CPU224PLC(14DI/10DO)，再擴展一個模擬量模塊EM235(4AI/1AO)。PLC通信程序

S7-200PLC硬件功能完善，指令系統豐富?？蔀橛脩籼峁┒喾N通訊方式:PPI方式，MPI方式，自由通訊口方式等。應用自由通訊口方式，使S7-200PLC可以與任何通信協議已知，具有串口通訊的智能設備和控制器(如打印機、變頻器、上位PC機等)進行通信，也可以用于兩個CPU之間簡單的數據交換。該通信方式使可通信的范圍大大增大，使控制系統配置更加靈活、方便。

采用PLC自由通訊口方案，PLC工作于從站，PC處于主站模式，PLC從站只響應來自主站的申請。主站向PLC從站發送指令格式的報文，讀指令00為向從站PLC申請產生于PLC的數據，讀取水壓，頻率，變頻泵號，工頻臺數，輔助泵狀態等數據;寫指令01為向PLC傳送產生于主站的數據，包括壓力設定值和控制器輸出值。在自由口通信模式下，通信協議完全由用戶程序控制。通過設定特殊存儲字節SMB30(端口0)或SMB130(端口1)允許自由口模式，用戶程序可以通過使用發送中斷、接收中斷、發送指令(XMT)和接收指令(RCV)對通信口操作。

馬勇 2010-4-27

第1章 緒論

目錄

1.1 PLC的變頻調速恒壓供水系統的目的和意義 1.2 恒壓供水的特點

1.2.1 恒壓供水方式討論 1.2.2 恒壓供水的實現

1.3 變頻恒壓供水的現況

1.3.1 國內外變頻供水系統現狀 1.3.2 變頻供水系統應用范圍 1.3.3 變頻供水系統的發展趨勢

第2章 變頻調速恒壓供水分析

2.1 變頻恒壓供水的工藝調節過程介紹

2.2 調速系統的構建 2.2.1 調速原理

2.2.2 調節系統的計算方法

2.2.3 變頻恒壓供水頻率變化分析

2.3 節能分析

2.3.1 水泵的基本參數和特性 2.3.2 水泵調速運行的節能原理

第3章 恒壓供水系統

3.1 系統概述

3.2 控制系統的組成

3.2.1 供水系統的組成 3.2.2 系統功能說明

3.3 恒壓供水系統的機理及調速泵的調速原理 3.3.1 恒壓供水系統的工作原理 3.3.2 調速泵系統構成

3.4 變頻器

3.4.1 變頻器輸入輸出接口 3.4.2 變頻器外圍設備的選擇及保養

3.5 變頻調速恒壓供水系統的特點

第4章 可編程控制器PLC

4.1 的定義

4.2 的發展階段及發展方向 4.3 的特點與應用領域

4.3.1 可編程序控制器的特點

4.3.2 可編程序控制器與繼電器控制系統的比較 4.3.3 可編程序控制器的應用領域

4.3.4 在現代自動控制系統應用中所面臨的問題

4.4 我國常用 的性能比較研究

4.4.1 的一般結構 4.4.2 基本工作原理

4.5 我國常用 的性能特點

4.5.1 SIMATIC S7系列

4.5.2 S7-200系列可編程序控制器 4.5.3 控制系統設計內容 4.5.4 控制系統設計步驟 4.5.5 控制系統的硬件設計

4.6 控制系統的軟件設計

4.6.1 軟件設計概述 4.6.2 軟件設計

4.6.3 程序設計的常用方法 4.6.4 程序設計步驟

第5章 PLC控制系統的設計

5.1 概述

5.2 輸入輸出 分配

5.2.1 輸入口 5.2.2 輸出口 5.2.3 輔助觸點

5.3 控制系統功能介紹

5.4 恒壓供水系統的流程圖 5.5 控制系統的可靠性及應用程序設計

5.5.1 程序的優化設計 5.5.2 應用程序的設計

5.5.3 故障檢測程序的設計

第6章 系統調試

6.1 變頻器關鍵參數的設定

6.2 PLC的變頻調速恒壓供水系統調試

參考文獻··········································

附錄··········································

第一章

緒論

水是生命之源，人類生存和發展都離不開水。在通常的城市及鄉鎮供水中，基本上都是靠供水站的電動機帶動離心水泵，產生壓力使管網中的自來水流動，把供水管網中的自來水送給用戶。但供水機泵供水的同時，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機泵的效率、確保供水機泵的可靠穩定運行的同時，降低能 耗，將具有重要經濟意義。

我國供水機泵的特點是數量大、范圍廣、類型多，在工程規模上也有一定水平，但在技術水平、工程標準以及經濟效益指標等方面與國外先進水平相比，有一定的差距。

隨著社會經濟的迅速發展，人們對供水質量和供水系統的可靠性要求不斷提 高。衡量供水質量的重要標準之一是供水壓力是否恒定，因為水壓恒定于某些工 業或特殊用戶是非常重要的，如當發生火警時，若供水壓力不足或無水供應，不 能迅速滅火，會造成更大的經濟損失或人員傷亡.但是用戶用水量是經常變動的，因此用水和供水之間的不平衡的現象時有發生，并且集中反映在供水的壓力上: 用水多而供水少，則供水壓力低;用水少而供水多，則供水壓力大。保持管網的 水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的產量和質量，也確保了供水生產以及電機運行的安全可靠性。

對于大多數采用供水企業來說，傳統供水機泵存在日常運行費用太高，供水 成本居高不下，單位供水的能耗偏大的問題，尋求供水與能耗之間的最佳性價比，是困擾企業的一個長期問題。目前各供水廠的供水機泵設計按最大揚程與最大流 量這一最不利條件設計，水泵大多數時間在設計效率以下運行。導致電動機與水 泵之間常常出現大馬拉小車問題(如圖 1.1)。因此，如何解決供水與能耗之間的 不平衡，尋求提高供水效率的整體解決方案，是各供水解水企業關心的焦點問題 之一。

變頻調速技術以其顯著的節能效果和穩定可靠的控制方式，在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設備上廣泛應用。利用變頻技術與自動控制技 術相結合，在中小型供水企業實現恒壓供水，不僅能達到比較明顯的節能效果，提高供水企業的效率，更能有效保證從水系統的安全可靠運行.變頻恒水壓供水系統集變頻技術、電氣傳動技術、現代控制技術于一體。采 用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的 集中管理與監控;同時可達到良好的節能性，提高供水效率。所以研究設計基于PLC變頻調速的恒定水壓供水系統(簡稱變頻恒壓供水，如圖1.2)，對于提高企業效率以及人民的生活水平，同時降低能耗等方面具有重要的現實意義。

1.1PLC的變頻調速恒壓供水系統的目的和意義

我國長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業生產循環供水等方面技術一 直比較落后，工業自動化程度低。主要表現在用水高峰期，水的供給量常常低于 需求量，出現水壓降低供不應求的現象;而在用水低峰期，水的供給量常常高于 需求量，出現水壓升高供過于求的情況，此時會造成能量的浪費，同時還有可能 造成水管爆裂和用水設備的損壞。傳統調節供水壓力的方式，多采用頻繁啟/停電。

機控制和水塔二次供水調節的方式，前者產生大量能耗的，而且對電網中其他負荷造成影響，設備不斷啟停會影響設備壽命;后者則需要大量的占地與投資。且由于是二次供水，不能保證供水質的安全與可靠性。而變頻調速式的運行十分穩定可靠，沒有頻繁的啟動現象，啟動方式為軟啟動，設備運行十分平穩，避免了電氣、機械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險。由此可見，變頻調速恒壓供水系統具有供水安全、節約能源、節省鋼材、節省占地、節省投資、調節能力大、運行穩定可靠的優勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益與社會效益。

1.2恒壓供水的特點

恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機空轉，造成電能的浪費。而變頻恒壓供水的工藝調節過程特點； 1.2.1 恒壓供水方式討論

泵組的切換開始時，若硬件、軟件皆無備用（兩者同時有效時硬件優先），1＃泵變頻啟動，轉速從 開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達，而此時水壓還在下限值，延時一段時間（由 內部時間繼電器控制，目的是避免由于干擾而引起誤動作）后，1＃泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由 滑停至，2＃泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動3＃、4＃泵；若開始時1＃泵備用，則直接啟2＃變頻，轉速從０開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達，而此時水壓還在下限值，延時一段時間后，2＃泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由 滑停至，3＃泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動4＃泵；若1＃、2＃泵都備用，則直接啟3＃變頻，具體泵的切換過程與上述類同。1.2.2 恒壓供水的實現

同樣，如水壓在上限值，若３臺泵（假設為1＃、2＃和3＃）運行時，3＃泵變頻運行降到，此時水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使1＃泵停止，3＃泵變頻器頻率從 迅速上升，若此后水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使2＃泵停止。這樣的切換過程，有效地減少泵的頻繁啟停，同時在實際管網對水壓波動做出反應之前，由變頻器迅速調節，使水壓平穩過渡。以往的變頻恒壓供水系統在水壓高時，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調節。這種切換的方式，理論上要比直接切工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設備的使用壽命。而我們這次的設計的系統中，要求直接停工頻泵，同時由變頻器迅速調節，只要參數設置合適，即可實現泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩，有效的防止水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現象，提高供水品質。

1.3 變頻恒壓供水的現況

1.3.1

國內外變頻供水系統現狀

變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。目前國外的恒 壓供水系統變頻器成熟可靠，恒壓控制技術先進。國外變頻供水系統在設計時主 要采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式。這種方式運行安全可靠，變壓方式 更靈活。此方式的缺點必是電機數量和變頻的數量一樣多，因而投資成本高。國外生產的變頻器，特別是供水廠用變頻器，相對于國產變頻器而言，價格明顯偏高，維護成本也高于國內產品。

1.3.2

變頻供水系統應用范圍

變頻恒壓供水系統在供水行業中的應用，按所使用的范圍大致分為三類:(1)小區供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統

這類變頻供水系統主要用于包括工廠、小區供水、高層建筑供水、鄉村加壓 站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在135kw以下，控制系統簡單。由于這

一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內研究和推廣最多的方式.如希望集團(森蘭變頻器)推出的恒壓供水專用變頻器(5.sk認嘆22kw)。(2)國內中小型供水廠變頻恒壓供水系統

這類變頻供水系統主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻 器電機功率在135kV沐320kw之間，電網電壓通常為ZOOV或380V。受中小水廠

規模和經濟條件限制，目前主要采用國產通用的變頻恒壓供水變頻器。(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統

這類變頻供水系統用于大中城市的主力供水廠，特點是功率大(一般都大于

犯OKW)、機組多、多數采用高壓變頻系統。這類系統一般變頻器和控制器要求較

高，多數采用了國外進口變頻器和控制系統。如利德福華的一些高壓供水變頻器 在本文中，研究和設計的變頻器是以第二種應用范圍為基礎。

目前國內，除了高壓變頻供水系統，多數恒壓供水變頻系統均聲稱只要改變 容量就可以通用于各種供水范圍，但在實際運用中，不同供水環境對變頻器的要 求和控制方式是不一致的，大多數變頻器并不能真正實現通用。以中小水廠供水 環境來說，由于其包括了自來水生產系統，其溫濕度及腐蝕程度都大于常見小區 和加壓泵站，在水泵組搭配上、需要處理的信號(如水質信號停機管理)也多于小 區供水系統，所以在部分條件復雜的中小水廠，采用通用的恒壓供水變頻系統并 不能完全滿足實踐要求，現部分中小水廠已認識到這一情況，并針對實際情況對 變頻恒壓供水系統加以改進和完善.1.3.3變頻供水系統的發展趨勢

變頻供水系統目前正在向集成化、維護操作簡單化方向發展

目前國內有不少公司在從事進行變頻恒壓供水的研制推廣，國產變頻器主要 采用進口元件組裝或直接進口國外變頻器，結合PLC或PID調節器實現恒壓供水，在小容量、控制要求的變頻供水領域，國產變頻器發展較快，并以其成本低廉的 優勢占領了相當部分小容量變頻恒壓供水市場。但在大功率大容量變頻器上，國 產變頻器有待于進一步改進和完善r仆網

第二章

變頻調速恒壓供水分析

2.1變頻恒壓供水的工藝調節過程介紹

變頻恒壓供水所用水泵主要是離心泵，而普通離心泵如圖2.1所示:葉輪安裝在泵殼2內，并緊固在泵軸3上，泵軸由電機直接帶動，泵殼中央有一液體吸入口4與吸入管5連接，液體經底閥6和吸入管進入泵內，泵殼上的液體排出口8排出管9連接。

在泵啟動前，泵殼內灌滿被輸送的液體:啟動后，葉輪由軸帶動高速轉動，葉片間的液體也必須隨著轉動。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣 并獲得能量，以高速離開葉輪外緣進入蝸形泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐 漸擴大而減速，又將部分動能轉變為靜壓能，最后以較高的壓力流入排出管道，送至需要場所。液體由葉輪中心流向外緣時，在葉輪中心形成了一定的真空，由 于貯槽液面上方的壓力大于泵入口處的壓力，液體便被連續壓入葉輪中?？梢?，只要葉輪不斷地轉動，液體便會不斷地被吸入和排出。

2.2 調速系統的構建

水泵的調速運行構建，是指水泵在運行中根據運行環境的需要，人為的改變運行工作狀況點(簡稱工況點)的位置，使流量、揚程、軸功率等運行參數適應新的工作狀況的需要。水泵的工況點是由水泵的性能曲線和管網的特性曲線的交點確定的。因此，只要這兩條曲線之一的形狀或位置有了改變，工況點的位置也就隨之改變。所以，水泵的調節從原理上講是通過改變水泵的性能曲線或管網特性曲線或二者同時改變來實現的。

水泵的調節方式與節能的關系非常密切，過去普遍采用改變閥門或擋板開度 的節流調節方式，即改變裝置管網的特性曲線進行調節。這種調節方式雖然簡便 易行，但往往造成很大的能量損失。大量的統計調查表明，一些在運行中需要進 行調節的水泵，其能量浪費的主要原因，往往是由于采用不合適的調節方式。因 此，研究并改進它們的調節方式，是節能最有效的途徑和關鍵所在[l0]41氣

水泵的調節方式可分為恒速調節與變速調節系統。詳細劃分如下:

目前常見的調節方法有節流調節、動葉調節、改變泵的運行臺數調節、液力 禍合器調節、繞線式異步電動機的串極調速、變極調速、變頻調速等

2.2.1 調速原理

水泵的恒速調節主要有節流調節、動葉調節、改變泵的運行臺數調節三種.(1)節流調節

節流調節是在水泵的出口或進口管路上裝設閥門或擋板，通過改變閥門或擋板的開度，使裝置需要揚程曲線發生變化，從而導致水泵工作點位置的變化。

節流調節優點是調節簡單、可靠、方便，且調節裝置的初投資很少，故以前各種離心泵多采用這種調節方式。缺點是能量損失很大，目前正逐漸被其它調節方式所取代。

(2)動葉調節

采用動葉調節的水泵，在泵的輪毅內部安裝動葉調節機構，從而使動葉調節得以實現。對于大型的泵，可以采用液壓傳動調節.動葉調節的優點是:在調節過程中其效率變化很小，能在較大范圍保持高效率。缺點是:動葉調節機構復雜，控制自動化程度低;成本高，通常適用大容量水泵，對中小供水廠的水泵通常不適用。

(3)改變機泵運行臺數調節

改變機泵運行臺數調節是根據不同的流量要求，采用不同數量和型號的機泵進行并聯運行，來滿足供水量要求.優點是:它不改變電機和水泵的電氣及機械結構，在水泵臺數眾多、搭配合理的情況下，可以達到較好的調節效果。缺點是:不能實現連續調節、需要大量的機泵進行合理搭配、隨著供水量的變化要不斷啟停電機;電能損失較大。因此，目前此種方法雖大量使用，但正逐步被新的流量調節方式取代。

從恒速調節的分析可以看出，由于恒速調節要不結構復雜，要不能量損失很大，因此，正逐步被變速調節所取代.這里所指的速度是水泵的轉速.水泵的變速調節可分為變速傳動裝置調節和變電動機轉速調節。

(1)變速傳動裝置

定速電動機驅動的水泵可以通過傳動裝置來實現變速調節。變速傳動裝置按其工作特性可分為兩類。一類是有級變速裝置，如齒輪變速等;另一類是無級變速裝置，主要有液力禍合器、油膜轉差離合器、電磁轉差離合器等。液力禍合器、油膜轉差離合器及電磁轉差離合器在傳動變速時具有一個共同的特點:傳動裝置產生的傳動損失在其所傳遞功率中所占的比例與水泵的轉速變化的大小成正比，轉速變化越大，傳動損失所占的比例也越大，因此，這類變速調節方式也被稱為低效變速調節方式。

1)液力禍合器

水泵通過液力禍合器實現變速調節，從液力藕合器的特性來看，其調節效率等于轉速比，故當調節量越大，其轉速比越低，傳動效率也越低。

調速型液力禍合器用于葉片式水泵的變速調節時，主要具有以下優點:可以輸出連續的、無級的、變化的轉速;可以平穩的啟動、加速;電動機能空載或輕載啟動，降低啟動電流，節約電能;液力禍合器是無級調速，故便于實現自動控制，適用于各伺服系統控制:與閥門節流調節相比較，節能效果顯著。

液力禍合器的缺點:在電動機額定轉速較低的場合，要求同樣的轉矩而采用較小的轉速時，液力禍合器的工作腔直徑將加大，這不但增加了造價，而且還會使禍合器調速的延遲時間增加;大功率的液力禍合器設備復雜;在運轉中隨著負載的變化，轉速比也相應變化，因此不可能有精確的轉速比:液力禍合器一旦產生故障，水泵也不能繼續工作。

2)電磁轉差離合器

電磁轉差離合器又稱電磁離合器、渦流聯軸器等。電磁調速電動機的主要優點是:可靠性高，只要把絕緣處理好，就能長期無檢修運行;控制裝置的容量小;結構簡單、加工容易，價格便宜。

電磁調速電動機的缺點是:存在轉差損失，尤其是對凡較低的電磁調速電動機，運行經濟性較低;調速時響應時間較長:噪聲較大。

(2)變電動機轉速

由電機學得知，交流電動機的同步轉速n，與電源頻率fl、極對數p之間的關系式為: 由式2.4可以看出，要實現交流電動機的調速，可以通過改變磁極對數p和改變電源頻率fl實現，下面就兩種變速調節方式進行比較1161一即氣1)異步電動機的變極調速

變極調速原理:異步電動機在正常運行時，通常其轉差率5很小，則由式2.4知，在電源頻率fl不變的情況下，改變電動機繞組的極對數，就可改變同步轉速n: 從而改變異步電動機的轉速no 變極調速的主要優點是:調速效率高，僅是因在設計變極電動機時要兼顧不同轉速時的性能指標，與普通的全速電動機相比較，其效率和功率因數要稍低一些:調速控制設備簡單，僅用轉換開關或接觸器;初投資低，特別是中小型變極電動機價錢和定速電動機相差不是很大:維護方便，除軸承外，不需要特別的維修，可靠性較高，在相當惡劣的環境下可使用。

變極調速的主要缺點是:有級調速，不能進行連續調速。此外，變極電動機在變速時電力必須瞬間中斷，不能進行熱態變換，因此在變速時電動機有電流沖擊現象發生.高壓電動機若需進行頻繁地切換變速時，則其切換裝置的安全可靠性尚需進一步完善提高。因此，變極調速目前應用較少。

2)異步電動機的變頻調速

由式2.4可知，極對數p一定的異步電動機，在轉差率變化不大時，轉速基本上與電源頻率成正比。因此，只要能設法改變fl.即可改變n?；谶@個原理，變頻調速就是用晶閘管等變流元件組成的變頻器作為變頻電源，通過改變電源頻率的辦法，實現轉速調節。圖2.2為變頻調速系統的示意圖。

在對變速傳動裝置和變電動機調節方式進行比較時，我們以兩者的代表，也是目前運用最廣的兩種變速方式:液力禍合器調速和變頻器調速進行對比，如表21，從中可以看出，采用變頻器進行轉速調節，具有較大的優勢。

2.2.3調節系統的計算方法 在供水系統中，最根本的控制對象是流量。因此，要討論節能問題，必須從 考察調節流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉速控制法兩種。供水系統中對水壓流量的控制，傳統上采用閥門調節實現。由于水泵的軸功率與轉速的立方成正比，因此水泵用變頻器來調節轉速能實現壓力或流量的自動控制，同時可獲得大量節能。閉環恒壓供水系統正越來越多地取代高位水箱、水塔等設施及閥門調節。(l)閥門控制法:即通過關小或開大閥門來調節流量，而轉速保持不變(通常為額定轉速)。閥門控制法的實質是:水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量，以適應用戶對流量的要求。這時，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但是揚程特性不變。

如圖24所示，設用戶所需流量為Ox為額定流量的印喊即Ox=60%QN)，當通過關小閥門來實現時，管阻特性將改變為曲線③，而揚程特性則仍為曲線①，故供水系統的工作點移至E點，這時: 流量減小為Q以=Ox);揚程增加為H。;由式(26)知，供水功率Pa與面積。DEJ成正比，其中Cp為比例常數，Q為流量。

恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量，這就是恒壓供水所要達到的目的。據有關資料介紹，水泵工作效率相對值

(1)水泵工作效率的近似計算公式 丫的近似計算公式如(2.17): 流量和轉速的相對值:

(2)不同控制方式時的工作效率 由式(2.1刀可知，當通過關小閥門來減小流量時，由于轉速不變，n’=1，比值，可見，隨著流量的減小，水泵工作的效率降低十分明顯。

在轉速控制方式時，由于在閥門開度不變的情況下，流量Q*和轉速n’是成正比的，比值Q’/n’不變。就是說，采用轉速控制方式時，水泵的工作效率總是處于最佳狀態。

所以，轉速控制方式與閥門控制方式相比，水泵的工作效率要大得多.這是變頻調速供水系統具有節能效果的方面之一121沖3].從電動機的效率看節能

在設計供水系統時，由于:(1)對用戶的管路情況無法預測:(2)管阻特性難 以精確計算:(3)必須對用戶的需求留有足夠的余地。因此，在決定額定揚程和額定流量時，通常裕量較大。

所以，在實際的運行過程中，即使在用水流量的高峰期，電動機也常常處于輕載狀態，其效率和功率因數都較低。采用了轉速控制方式后，可將排水閥完全打開而適當降低轉速。由于電動機在低頻運行時，變頻器具有能夠根據負載輕重調整輸入電壓的功能，從而提高了電動機的工作效率。這是變頻調速供水系統具有節能效果的另外一個方面1川4311.圖 2.5“兩種常見調速方式效率曲線”為典型的液力偶合器和常見變頻器的效率一轉速曲線，隨著輸出轉速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低(例如: 額定轉速時效率0.95，75%轉速時效率約0.72，20%轉速時效率約019)，而變頻器在輸出轉速下降時效率仍然較高(例如:額定轉速時效率住97，了5%以上轉速時效率大于0.95，20%以上轉速時效率大于0.9)。

從曲線數據看，當輸出轉速降低時，液力偶合器的效率比變頻調速的效率下降快得多，因此變頻調速的低速特性比液力禍合器要好。當然，有一點我們應該看到，就是用于水泵(風機)類負載時，由于其軸功率與轉速的三次方成正比，當轉速下降時，雖然液力偶合器效率正比下降，但電動機綜合軸功率還是隨著轉速的下降成二次方比例下降，因此也能起到節能作用。

2.2.3 變頻恒壓供水頻率變化分析

由于變頻恒壓供水基本上都采用了變頻啟動，啟動頻率低，啟動電流小，因 此，除了對供水機泵和供水管網有保護作用，對供水電機和電網也有良好的保護作用。供水系統電機直接啟動與變頻啟動的對比表如表2.2所示。

2.3 節能分析

恒壓供水系統的基本特性。根據揚程特性曲線和管阻特性曲線可以看 出用水流量和供水流量處于平衡狀態時系統穩定運行。在供水系統中采用變頻調速是由于水泵的功率與轉速的立方成正比，所以調速控制方式要比閥門控制方式節能效果顯著.最后從理論上分析了采取變頻恒壓供水方式對供水安全積極作用:可以消除水錘效應，減少電機電網沖擊，延長系統的運行壽命。

2.3.1 水泵的基本參數和特性

在變頻恒壓供水系統中，供水壓力是通過對變頻器輸出頻率的控制來實現的。

確定供水壓力和輸出頻率的關系是設計控制環節控制策略的基礎，是確定控制算法的依據。送水泵站所采用的水泵是離心泵，它是通過裝有葉片的葉輪高速旋轉來完成對水流的輸送，也就是通過葉輪高速旋轉帶動水流高速旋轉，靠水流產生的離心力將水流甩出去。離心泵也因此而得名。在給水排水工程中，從使用水泵的角度來看，水泵的工作必然要和管路系統以及許多外界條件聯系在一起.在給水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系統稱為 “裝置”，在控制系統的設計中，真正對系統的分析和設計有價值的也是這種成為系統的裝置，而不是單單的孤立水泵。在水泵結構和理論中，有一些評價水泵性能的參數，供水系統的主要參數如下:流量(Q):單位時間內流過管道內某一截面的水流量，在管道截面不變的情況下，其大小決定于水流的速度。常用單位是時/m訪。

供水系統把水從一個位置上揚到另一位置時水位的變化量，數值上等于對應的水位差。其常用單位是m。軸功率(幾):水泵軸上的輸入功率(電動機的輸出功率)，或者說是水泵取用的功率。

供水功率(幾):供水系統向用戶供水時所消耗的功率幾你叨，供水功率與流量和揚程的乘積成正比:

式中Cp一 比例常數。

工作效率為，):水泵的供水功率Pc和軸功率界之比，如式2.6所示。這里所說的水泵工作效率，實際上包含了水泵本身的效率和供水系統的效率。其根據實際供水的揚程和流量算得的功率，是供水系統的輸出功率。

其中有效功率是指單位時間內通過水泵的液體從水泵那里得到的能量叫做有效功率。轉速(n卜水泵葉輪的轉動速度。

根據水泵理論，如圖2.3所示.2.3.2 水泵調速運行的節能原理

由于水泵在送水過程中，清水池水位一般高于水泵的測量點，所以不存在進水口抽真空，所以在進水口的真空值為0.水泵進水口與出水口都沿水平方向放置，位置差為0。水泵在正常工作時，動能的變化相對較小。考慮這些具體情況，上式可以改寫為:

由于水泵是由一臺交流感應電動機帶動運行的，電機的轉速與水泵的轉速相同。電機的輸出有效功率與水泵的軸功率相等。在電機理論中，感應電機的機械

功率為:

在變頻調速時，由于磁通中m不變，從電機公式(212)可以看出，要使主磁 通中m保持不變，則UI/fl必須保持不變。

因此在變頻調速過程中.電壓應該與頻率成正比例變化，設 代入式(2.n)得

根據能量守恒定律，有

水泵裝置在變頻調速的工作狀態下運行時，有: 其中杯為電機的效率。所以，從上式可以看出，當變頻器的輸出頻率一定的情況下，當用戶用水量增大，從而Q增大時，壓力表的讀數將會變小，即管網供水壓力將會降低。為了保持供水壓力，就必須增大變頻器的輸出頻率以提高水泵機組的轉速;當用戶的用水量減小時，Q減小，在變頻器輸出頻率不變的情況下，管網的供水壓力將會增大，為了減小供水的壓力，就必須降低變頻器的輸出頻率.由于用戶的用水量是始終在變化的，雖然在時段上具有一定的統計規律，但對精度要求很高的恒壓控制來講，在每個時刻它都是一個隨機變化的值。這就要求變頻器的輸出頻率也要在一個動態的變化之中，依靠對頻率的調節來動態地控制管網的供水壓力，從而使管網中的壓力恒定。

第3章

恒壓供水系統

3.1 系統概述

從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成.系統主要的設計任務是利 用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數據進行傳輸。根據系統的設計任務要求，結合系統的使用場所，有以下幾種方案可供選擇。

(1)有供水基板的變頻器+水泵機組+壓力傳感器

這種控制系統結構簡單，它將Pm調節器和P比 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現PLC 和PID等電控系統的功能。它雖然簡化了電路結構，降低了設備成本，但在壓力設定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現不同時段的不同恒壓要求，在調試時，PID調節參數尋優困難，調節范圍小，系統的穩態、動態性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。

(2)通用變頻器十單片機(包括變頻控制、調節器控制)十人機界面+壓力傳感器;這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數調整方便，具有較高的性能價格比，但開發周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產生干擾，變頻器的功率越大，產生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統的可靠性。該系統適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。

(3)通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調節器控制卜人機界面+壓力傳感器這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統進行數據交換;通用性強，由于PLC產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規模和要求不同控制系統。在硬件設計上，只需確定P比 的硬件配置和拍 的外部接線，當控制要求發生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現場調試方便。同時由于P比 的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統的可靠性大大提高。因此該系統能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。3.2 控制系統的組成

供水控制系統一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(P比 系統)、變頻 器和電控設備三個部分:(1)供水控制器:它是整個變頻恒壓供水控制系統的核心。供水控制器直接 對系統中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據 信息進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻調速器和 接觸器對執行機構(即水泵成行控制.(2)變頻器:它是對水泵進行轉速控制的單元.變頻器跟蹤供水控制器送來 的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。根據水泵機組中 水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有如下兩種工作方式: 1)變頻循環式:變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統先將變頻器從該 水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機。

2)變頻固定式:變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統運行前可以選擇。

3.2.1 供水系統的組成

供水控制系統一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(P比 系統)、變頻 器和電控設備三個部分組成。

3.3 恒壓供水系統的機理及調速泵的調速原理

恒壓供水系統的控制方案有多種，有1臺變頻器控制1臺水泵的簡單控 制方案，也有1臺變頻器控制幾臺水泵的方案，下面將分別加以敘述.(l)單臺變頻器控制單臺水泵

單臺變頻器控制單臺水泵的控制方案在國內通常是指是一臺變頻器控制一臺水泵。由于全部變頻系統中，變頻器、控制器、電機均無備份設備，出現問題無法切換，故目前多適用于用水量不大，對供水的可靠性要求不高的場合。該控制方案的控制原理框圖見圖3.2，電路見圖3.3。

值得一提的是，在國外或國內少數大企業，也有一種每臺變頻器只帶一 臺水泵的運行方式，但它的控制方式與上面是不同的，這些泵站往往是同時配備了多臺變頻器配多臺水泵，采用集中控制的辦法，這種變頻系統與國內水泵站常用的一臺變頻器控制單臺水泵的工作方式是完全不一樣的。在這種系統中，由于有多臺變頻器，各水泵既可以同時變頻運行，也可以分別工頻運行，使其可靠性、安全性、可調節性大大優于國內常見的各種控制方式，不過在成本上，也遠遠高于目前國內的常用的變頻恒壓供水系統。(2)單臺變頻器控制多臺水泵

利用單臺變頻器控制多臺水泵的控制方案適用于大多數供水系統，是目前應用中比較先進的一種方案。下面以單臺變頻器控制2臺水泵的方案來說明。該控制方案的控制原理見圖3.4。

3.2.2 系統功能說明

控制系統的工作原理如下:根據系統用水量的變化，控制系統控制2臺水泵按1一2一3一4一1的順序運行，以保證正常供水。開始工作時，系統用水量不多，只有 1號泵在變頻器控制下運行，2號泵處于停止狀態，控制系統處于狀態 1。當用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則1號泵電機的轉速也增加，當變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有1臺水泵工作己不能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統，1號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動

3.3.1 恒壓供水系統的工作原理

根據系統用水量的變化，控制系統控制2臺水泵按1一2一3一4一1的順序運行，以保證正常供水。開始工作時，系統用水量不多，只有 1號泵在變頻器控制下運行，2號泵處于停止狀態，控制系統處于狀態 1。當用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則1號泵電機的轉速也增加，當變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有1臺水泵工作己不能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統，1號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動。2號泵電機，控制系統處于狀態2.當系統用水高峰過后，用水量減少時，變頻器輸出頻率減少，若減至設定頻

率時，表示只有 1臺水泵工作已能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統，可將 1號泵電機停運，2號泵電機仍由變頻器電源供電，這時，控制系統處于狀態3。

當用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，則2號泵電機的轉速也增加，當變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有1臺水泵工作已不能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統的控制，2號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動1號泵電機，控制系統處于狀態4.當控制系統處于狀態4時，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設定頻率時，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統供水的要求，此時，通過控制系統的控制，2號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動1號泵電機，控制系統處于狀態4。

當控制系統處于狀態4時，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設定頻率時，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統的控制，可將2號泵電機停運，1號泵電機仍由變頻器供電，這時，控制系統又回到了狀態1。如此循環往復的工作，以滿足系統用水的需要。(3)單臺變頻器控制單臺水泵以及其他水泵

單臺變頻器控制單臺水泵以及其他水泵啟停的控制方案與控制方案2有許多相同之處，只是方案2中，變頻器可在水泵電機間輪換工作，而控制方案3則不同，變頻器只控制某1臺泵，不能去控制其它泵，其它泵工作在普通電源的控制下.下面以2臺泵中的1臺由變頻器供電，另外1臺由普通交流電源供電的恒壓供水系統來加以說明。

2臺水泵中，1臺是由變頻器供電的變速泵，另外 1臺為普通交流電壓供電的定速泵。當系統用水量較小時，可以只用變頻器供電的變速泵，當變頻器供電的頻率達到最大時，表明1臺水泵己不能滿足系統用水要求，此時需要啟動1臺定速泵，由1臺變速泵與1臺定速泵同時工作。當系統用水量減小到使變頻器的輸出頻率低于某一設定值時，此時控制系統就將定速泵停運，只應用變速泵工作。當變頻器供電的頻率再次達到最大時，又表明1臺水泵已不能滿足系統用水要求。

此時又需要啟動1臺定速泵，由1臺變速泵與1臺定速泵同時工作，循環往復。這種控制方式的優點是結構簡單，安裝調試方便.但在整個供水過程中由變頻器供電的變速水泵總在工作，該水泵一旦出現故障將會影響整個系統的供水。

采用變頻恒壓供水，如果變頻器出現故障，應及時報替，并使整個供水過程中由變頻器供電的水泵改又普通交流電壓供電，使水泵全速運行。為了應付這種事情的發生，在選用水泵時就應考慮到用水系統管網的承受壓力，選用流量揚程曲線平緩型的水泵，使管網能夠承受水泵全速運行時的全揚程水壓.當由多臺水泵組成恒壓供水系統時，對于控制系統也有一定的要求，應選用功能強大的控制器如Pm調節器及用可編程序控制器進行控制。按照先啟動先停止，后啟動后停止的原則運行，使水泵能循環運行，通過可編程序控制器的編程，使各臺水泵的運行概率相同，避免出現某臺水泵經常工作，而其他水泵經常停歇，甚至受潮和生銹的情況I32H3slo

3.3.2 調速泵系統構成

從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成.系統主要的設計任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數據進行傳輸。

(2)通用變頻器十單片機(包括變頻控制、調節器控制)十人機界面+壓力傳感器;通過變頻恒壓供水系統我們可以看出變頻調速恒壓供水系統由執行機構信 號檢測、控制系統、人機界面、通訊接口以及報警裝置等部分組成。如圖3.1.3.1供水泵系統組成

3.4 變頻器

變頻器是一種改變交流頻率的儀器。變頻器的電控設備它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成.用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換及就地集中等工作。3.4.1 變頻器輸入輸出接口

(1)有供水基板的變頻器+水泵機組+壓力傳感器(2)通用變頻器十單片機(3)通用變頻器+PLC 3.4.2 變頻器外圍設備的選擇及保養

在停機過程中，同樣可以通過對降速時間的預置來延長停機過程，使動態轉 矩大為減小，從而徹底消除了水錘效應。

此外，由于水泵平均轉速下降、工作過程中平均轉矩減小的原因是(1)葉片承受的應力大為減小。(2)軸承的磨損也大為減小。

(3)克服電動機的慣性而使系統急劇地停止。

3.5 變頻調速恒壓供水系統的特點

這種控制系統結構簡單，它將Pm調節器和P比 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現PLC 和PID等電控系統的功能。它雖然簡化了電路結構，降低了設備成本，但在壓力設定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現不同時段的不同恒壓要求，在調試時，PID調節參數尋優困難，調節范圍小，系統的穩態、動態性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。

(包括變頻控制、調節器控制)十人機界面+壓力傳感器;這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數調整方便，具有較高的性能價格比，但開發周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產生干擾，變頻器的功率越大，產生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統的可靠性。該系統適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。

具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統進行數據交換;通用性強，由于PLC產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規模和要求不同控制系統。在硬件設計上，只需確定P比 的硬件配置和拍 的外部接線，當控制要求發生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現場調試方便。同時由于P比 的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統的可靠性大大提高。因此該系統能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。

第四章

可編程控制器PLC

4.1 的定義

可編程控制器PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它可以采用可以編程的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術等操作的指令，并能通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程，PLC 及其有關的外圍設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體，易于拓展其 功能的原則而設計。

4.2 的發展階段及發展方向

全世界幾乎80%以上不同品牌的PLC是不能通用的。一個品牌就要使用對應的編程器。有多少種品牌的PLC，就要有多少種編程器。（國內現在出了一些國產PLC，是仿制國外一些品牌PLC的，這些是可以使用被仿制品牌的編程器的。）

手提編程器價格昂貴，而且編程使用指令操作（不能用梯形圖），可讀性不高，非常不方便。

所以，做工程的人大多會使用電腦來對PLC編程。需要說明的是，使用電腦編程還需要有配套的程序下載連線。也是每個品牌都有專門線的（互不通用）。但是這種連線比起手持編程器來說，不知道便宜多少。

任何一款手提電腦都可以用來做PLC編程，前提是 1 支持串行通訊安裝相應品牌PLC的編程軟件。

4.3 的特點與應用領域

最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。

4.3.1

可編程序控制器的特點 PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。它具有高可靠性、抗干擾能力強、功能強大、靈活，易學易用、體積小，重量輕，價格便宜的特點。

4.3.2

可編程序控制器與繼電器控制系統的比較

維修方便，可在現場修改程序；維修方便，最好是插件式；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；可將數據直接送入管理計算機；在成本上可與繼電器控制競賽；輸入可以是交流115V；輸出為交流115V/2A以上，能直接驅動電磁閥；在擴展時，原有系統只要很小變更；用戶程序存儲容量至少能擴展到4K字節。

4.3.3

可編程序控制器的應用領域

PLC已經廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業。例如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。

4.3.4

在現代自動控制系統應用中所面臨的問題

全世界幾乎80%以上不同品牌的PLC是不能通用的。一個品牌就要使用對應的編程器。有多少種品牌的PLC，就要有多少種編程器。（國內現在出了一些國產PLC，是仿制國外一些品牌PLC的，這些是可以使用被仿制品牌的編程器的。）

手提編程器價格昂貴，而且編程使用指令操作（不能用梯形圖），可讀性不高，非常不方便。

所以，做工程的人大多會使用電腦來對PLC編程。需要說明的是，使用電腦編程還需要有配套的程序下載連線。也是每個品牌都有專門線的（互不通用）。但是這種連線比起手持編程器來說，不知道便宜多少。

4.4

我國常用的性能比較研究

目前我國主要使用和研究用松下，西門子，三菱，歐姆龍，臺達，富士等。各個應用PLC的廠家都會保護自己的程序不被別人抄寫，和設備廠家為了能控制使用和回收貨款.在程序內設定一些參數進行控制。各廠家都有各自的加密方式：三菱PLC的解密最簡單，其中以西門子S7-200CN的加密最復雜，只有拆機從芯片破解。

4.4.1 的一般結構

從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。

CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。

CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。

在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令。但工作節奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。

CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。

I/O模塊

PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。

常用的I/O分類如下：

開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。

模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。

按I/O點數確定模塊規格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。

電源模塊

PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。

底板或機架

大多數模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現各模塊間的聯系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。

PLC系統的其它設備

編程設備：編程器是PLC開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統作一些設定、監控PLC及PLC所控制的系統的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。也就是我們系統的上位機。

人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態軟件）充當人機界面非常普及。

PLC的通信聯網

依靠先進的工業網絡技術可以迅速有效地收集、傳送生產和管理數據。因此，網絡在自動化系統集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出“網絡就是控制器”的觀點說法。

PLC具有通信聯網的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統一的整體，實現分散集中控制。多數PLC具有RS-232接口，還有一些內置有支持各自通信協議的接口。PLC的通信現在主要采用通過多點接口（MPI）的數據通訊、PROFIBUS 或工業以太網進行聯網。

4.4.2

基本工作原理

最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態軟件）充當人機界面非常普及。它采用可以編制的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。

4.5

我國常用的性能特點

具有高可靠性、抗干擾能力強、功能強大、靈活，易學易用、體積小，重量輕，價格便宜的特點。

4.5.1

SIMATIC S7系列

SIMATIC S7系列主要有S7—200、S7—300、S7--400、m7等。

4.5.2

S7-300系列可編程序控制器

S7--300周而復始地執行應用程序，控制一個任務或過程。利用STEP 7--Micro/WIN可以創建一個用戶程序并將它下載到S7--300中。STEP 7--Micro/WIN軟件中提供了多種工具和特性用于完成和調試應用程序。

4.5.3

控制系統設計內容

? EN/ENO的定義 EN（使能輸入）是LAD和FBD中盒的布爾輸入。要使盒指令執行，必須使能流到達這個輸入。在STL中，指令沒有EN輸入，但是要想使STL指令執行，堆棧頂部的邏輯值必須是“1”。

ENO（使能輸出）是LAD和FBD中盒的布爾輸出。如果盒的EN輸入有能流并且指令正確執行，則ENO輸出會將能流傳遞給下一元素。如果指令的執行出錯，則能流在出錯的盒指令處被中斷。

在STL中沒有使能輸出，但是STL指令象相關的有ENO輸出的LAD和FBD指令一樣，置位一個特殊的ENO位。這個位可以用AND ENO（AENO）指令訪問，并且可以產生與盒的ENO位相同的作用。

4.5.4

控制系統設計步驟

1．熟悉被控對象，制定控制方案 分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對 PLC控制系統的控制要求。

2．確定I／O設備 根據系統的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關、選擇開關等)和輸出設備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的I／O點數。

3．選擇PLC 選擇時主要包括PLC機型、容量、I／O模塊、電源的選擇。

4．分配PLC的I／O地址

根據生產設備現場需要，確定控制按鈕，選擇開關、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、規格、數量；根據所選的PLC的型號列出輸入／輸出設備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部I／O接線圖和編制程序。

5．設計軟件及硬件進行PLC程序設計，進行控制柜（臺）等硬件的設計及現場施工。由于程序與硬件設計可同時進行，因此，PLC控制系統的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。

6．聯機調試 聯機調試是指將模擬調試通過的程序進行在線統調。開始時，先不帶上輸出設備（接觸器線圈、信號指示燈等負載）進行調試。利用編程器的監控功能，采分段調試的方法進行。各部分都調試正常后，再帶上實際負載運行。如不符合要求，則對硬件和程序作調整。通常只需修改部分程序即可，全部調試完畢后，交付試運行。經過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改則應將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。

7．整理技術文件 包括設計說明書、電氣安裝圖、電氣元件明細表及使用說明書等。4.5.5

控制系統的硬件設計

本系統的硬件結構如圖2所示，它由6臺水泵、17個遠程I／O分站、1個控制柜(包括變頻器、PLC、4個16點DI模塊、2個16點DO模塊、3個8點AI模塊、1個8點AO模塊和1個以太網模塊等)、1套壓力傳感器、各種保護裝置以及供電主回路等構成。其中，PI。C模塊和變頻器模塊是系統的控制核心。

4.6

控制系統的軟件設計

根據功能要求, PLC控制系統的軟件設計方案主要采用順序控制繼電器指令,軟件設計主要包括加速、恒速、減速三段梯形圖。其中主程序流程圖如圖6所示,加速部分流程圖如圖7所示;恒速部分采用P ID算法,減速部分與加速部分類似。

4.6.1 軟件設計概述

網絡結構采用環型拓撲型式，總體結構采用三層網絡結構模式，分別為調度指揮控制中心以太網、1 000 M工業以太網及接入系統網絡。系統由主干千兆光纖工業以太環網、調度指揮控制中心骨干路由網關、工業以太網交換機以及連接用光纖、光配等組成。

4.6.2

軟件設計 系統軟件設計主要包括上位機監控軟件設計和下位機PI。C控制軟件設計。上位機與下位機之間通過以太網方式通信，共同完成整個控制系統的現場流程控制和遠程監測管理功能。上位機控制系統主要實現遠程監測和管理功能，利用組態軟件進行組態，通過具體運行工況動態顯示、實時數據獲取及顯示、歷史數據存儲與打印、故障報警等功能，實現整個系統的集中監測和控制。由于供水系統是一個慣性較大的系統，不需要過高的響應速度，因而在PI。C程序的設計思想上查詢方式為主，中斷方式為輔。其具體程序流程如圖3所示。核心技術

該恒壓系統采用PID控制，具體結構如圖4所示。其流程如下所述：當系統開始工作時，首先接通變頻器，然后通過接觸器把水泵電機接入變頻輸出電路，實現電機軟啟動；同時，安裝在供水管網出水I：1的壓力傳感器將水壓轉換為4～20 mA的電信號，PLC根據給定值與測量值的偏差大小，按照

PID控制器的控制策略選擇原則，在壓力允許范圍內，由變頻器調整電機轉速達到調節壓力的目的。在超出壓力允許的范圍內，通過結構調整，再結合變頻達到調節壓力的目的。

當用戶用水量增加時，使得水管壓力下降，此時PLC輸出相應控制信號，使變頻器帶動水泵電機升速，直至變頻器輸出至工頻，把更多的水送往出水管網。電機由變頻到工頻的轉換時間應盡可能短。而電機脫離變頻后，在水壓的作用下，電機轉速下降很快，轉換時間過長，會導致電機啟動電流增加。因此，應在電路設計與軟件設計中，考慮變頻與工頻接觸器的互鎖。通常，PID連續控制算法表達式為

具體到本例中，K。一0．18，K．=o．08，Kd=1，壓強設定值為0．32 MPa，則其控制效果曲線如圖5所示。

此外，根據日用水量變化情況，用水高峰集中在早、中、晚3個時段，而在深夜用水量處于低谷。因此，如果改變不同時段的壓力給定值，就能更進一步地起到節能的作用。

4.6.3

程序設計的常用方法

主干網絡的布置以調度室和水廠的交換機為核心，其它子系統交換機為系統以后的改造、信號的上傳預留接口，所有交換機形成環網，并通過光纖彼此相連，從而使得各個子系統的信號可以匯總傳送到調度室交換機上，系統網絡平臺結構如圖1所示。

圖1

4.6.4 程序設計步驟

初始化程序: LD SM0.0 // 開機始終為ON MOVB

16#9,SMB30

file://自由口通信，選擇9600波特，8位數據位，無校驗 MOVB

16#2, VB0 file://預設PLC地址 MOVD

&VB1000, VD20

file://設置接收緩沖區，將其首地址傳給指針VD20 MOVD

&VB1200, VD30

file://設置發送緩沖區，將首地址傳給VD30 MOVD

VD20, VD24 file://指針值保存 MOVD

VD30, VD34 MOVB

8, SMB34

file://設置8ms的定時器0時基中斷

ATCH

0,8

file://接收字符連接到中斷0，連接靜止線定時器和接收器 ATCH

1,10 file://定時中斷0，連接到中斷1 ENI

file://開中斷

為了保證通訊接收的可靠性，程序采用前導符，PLC地址，靜止線接收，結束字符。首字符的確認可通過設置前導符來完成，并且通過比較還可以剔除部分干擾字符。首字符確認: Network 1

file://判斷前導符 LD

SM0.0 AB<>

SMB2, 16#40

file://不是前導符則跳出中斷 RETI Network 2

file://終止定時中斷 LD

SM0.0 DTCH

file://斷開時基中斷 Network 3

file://是前導符則連接中斷3 LD

SM0.0 AB=

SMB2, 16#40 ATCH

3, 8 靜止線是通訊過程中的一個檢測用時間，即設定的數據傳輸過程中無任何數據的任意2點的間隔時間。靜止線的設計和處理包括長度的確定及定時器和接收器的設計。INT_

// 靜止線定時器 LD

SM0.0 ATCH 1, 10

file://靜止線定時器采用8ms的時基中斷。INT_1

// 靜止線接收器 LD

SM0.0 ATCH 2, 8 file://開始接收字符 尾字符的確認和校驗處理: Network 1 // 接收及計算校驗碼 LDN M0.0 LDB<>

SMB2, 16#2A

// 判斷是否為第一個結束符 MOVB

SMB2，*VD24

file://不是則保存數據并計算異或值 XORW

SMW1, AC0 INCD

VD24 INCD

VB40 Network 2

file://如果是第一個結束符，則對M0.0置位，并跳出中斷，file://接收下一個字符，看是否為第二個結束符 LDN

M0.0 AB＝

SMB2,16#2A S M0.0, 1 MOVB

SMB2, AC1 RETI Network3 LD M0.0 AB<> SMB2, 16#0A

file://判斷第二個結束符，如不是則繼續執行

AB<> SMB2,16#2A

file://判斷又是第一個結束符？不是則執行保存數據，file://異或運算，并對M0.0復位。XORW

AC1, AC0 MOVB

VB300, *VD24 INCD

VD24 MOVB

SMB2, *VD24 XORW

SMW1, AC0 INCD

VD24 INCD

VB40 INCD

VB40 R M0.0, 1 RETI Network 4

file://如果又是第一個結束符，則上一個是有用的數據，需要保存 LD M0.0 AB= SMB2, 16#2A XORW AC1, AC0 MOVB VB1300, *VD24 INCD VD24 MOVB SMB2, AC1 RETI Network 5

file://如前一個為2A，現在接收到0A，則接收完畢，啟動延時中斷 LD

M0.0 AB= SMB2, 16#0A DTCH

file://斷開接收狀態，準備組織發送 MOVB

20, SMB34 ATCH

5, 10

第5章 PLC控制系統的設計

5.1 概述

與傳統的繼電器-接觸器控制系統相比，PLC控制系統具有更好的穩定性，控制柔性，維修方便性，隨著PLC的普及和推廣，其應用領域越來越廣泛。特別是在許多新建項目和設備的技術改造中，常常采用PLC作為控制裝置。

5.2 輸入輸出分配

PLC輸入端子板是將機床外部開關的端子連接轉換成I/O模塊所需的針形插座連接，從而使外部控制信號輸入至PLC中。同樣，PLC輸出端子板是將PLC的輸出信號經針形插座轉換外部執行原件的端子連接。

5.2.1 輸入口

其輸入口I模塊組的的輸入元件組成是由;控制按鈕、行程開關、接近開關、壓力開關、玩控開關組成。輸入又分為如圖5-15；

5.2.2 輸出口

其輸入口O模塊組的的輸入元件組成是由；接觸器、繼電器、來組成的。而輸出方式又分為如圖；

5.2.3 輔助觸點

主要用于二次回路中，容量小，分常開觸電和常閉觸電兩種，主要用于控制、測量、儀表、信號、保護等回路。我們在進行操作時，就是利用小小的輔助觸電去接通和斷開主觸點去接通和斷開主觸點的線圈，從而控制主回路。

5.3 控制系統功能介紹 最大限度的滿足被控對象的控制要求。

在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統簡單、經濟、使用和維護方便。

保證控制系統安全可靠?？紤]到生產的發展和工藝的改進在選擇PLC容量時應適當留有余量。

5.4 恒壓供水系統的流程圖

5.5 控制系統的可靠性及應用程序設計

該系統邏輯控制采用PLC控制變頻器實現恒壓調速供水，使用方便，工作可靠，系統壓力恒定，具有較好的控制效果。

5.5.1 程序的優化設計

增加主泵是將當前主泵由變頻轉工頻，同時變頻起動一臺新水泵的切換過程。當變頻器輸出上限頻率，水壓達到壓力下限時，PLC 給出控制信號，PLC 的Y0 失電，變頻器的FWD端子對CM 短接，變頻器的自由制動停車，切斷變頻器輸出，延時500ms 后，將主水泵與變頻器斷開，延時300ms(防止變頻器輸出對工頻短路)，將其轉為工頻恒速運行，再延時200～300ms PLC 的Y0 得電，變頻器以起始頻率啟動一臺新的主水泵。這段程序設計時要充分考慮動作的先后關系及互鎖保護。

5.5.2 應用程序的設計

在系統開始工作的時候，先要對整個系統進行初始化，即在開始啟動的時 候，先對系統的各個部分的當前工作狀態進行檢測，如出錯則報警，接著對模擬量(管網壓力、液位等)數據處理的數據表進行初始化處理，賦予一定的初值。

5.5.3 故障檢測程序的設計

對水位過低、水壓上下限報警、變頻器故障等故障給出報警，并做出相應的故障處理。

(1)欠水位故障：進入P0 處理模塊，停止全部的電機運行，防止水泵空轉。當欠水位信號解除后，延時一段時間，自動執行以下程序。

(2)壓力上下限報警：輸出報警信號，報警信號30s 內未解除，則進入P0 處理模塊，停止全部的電機運行。信號解除則自動運行以下程序。

(3)變頻器故障：變頻器出現故障時，對應PLC 輸入繼電器X5 動作，系統自動轉入自動工頻運行模塊。此時變頻器退出運行，三臺主泵電機均工作于工頻狀態。該方式下的水泵的投入和切除順序和自動變頻恒壓運行方式時的大致相同，只是原來運行在變頻狀態下的電機改為了工頻運行。由于沒有了變頻器的調速和PID 調節，水壓無法恒定。為防止出現停開一臺水泵水壓不足而增開一臺水泵又超壓造成系統的頻繁切換，通過增加延時的方法來解決。設定延時時間為20 分鐘。

第6章 系統調試

6.1 變頻器關鍵參數的設定

運用變頻器加減速時間—加速時間就是輸出頻率從0上升到最大頻率所需時間，減速時間是從最大頻率下降到0所需時間。通常頻率下降到0所需時間。通常用頻率設定信號上升、下降來確定加減速時間。在電動機加速時須限制頻率設定的上升率以防止過電流，減速時則限制下降率以防止過電壓。

加速時間設定要求；將加速電流限制在變頻器過電流容量以下，不使過流失速而引起變頻器跳閘；減速時間設定要點是；防止平滑電路電壓過大，不使再生過壓失速而使變頻器跳閘。減速時間設定要點是；防止平滑電路電壓過大，不使再生過壓失速而使變頻器跳閘。加減速時間可根據負載計算出來，但在調試中常采取按負載和經驗先預定較長加減速時間，通過起、停電動機觀察有無過電流、過電壓報警；然后將加減速設定時間逐漸縮短，以運轉中不發生報警為原則，重復操作幾次，便可確定出最佳的加減速時間。

6.2 PLC的變頻調速恒壓供水系統調試

(1)對五臺供水系統進行PLC自動控制改造，實現供水的遠程控制和生產設備的集中控制。

(2)在改造原有系統的基礎上，將供水系統電機的直接啟動控制方式改為變頻控制，減小對系統電網的沖擊和節約能源。

(3)制定具體實施的控制方式、設備啟停步驟、軟件功能、通訊方式、功能擴充、報警系統（故障診斷、顯示、排除）。

(4)采用相應的控制算法，實現供氣的恒定，提高供氣質量和效率，保證供水系統的安全供水。

（二）系統控制功能要求如下：

(1)實現調度指揮操作生產自動化；

(2)實現設備順序控制，減少供水起、停時間，并對各設備的運行狀態進行自動檢測，實現設備的故障自動診斷和保護，從而提高生產效率；(3)實現供水組的自動控制，這主要包括：單臺供水系統的自動啟停，電機組的順序啟停控制，空壓機組的集中控制和保護，提高生產效率；

(4)增強軟、硬件功能，保證整個系統的安全性和可靠性，并具有一定的先進性和代表性。

（三）集控系統要求如下：

1、集控系統的基本功能

1)系統的控制方式

為方便靈活地對所有設備進行控制，主要工藝流程設備的運行采用五種控制方式：

遠程自動控制：由集控室開啟設備起、關閉命令，實現現場相關設備的按流程變頻恒壓供水控制；

遠程單遙控：由集控室發出單臺設備起、關閉命令，實現設備之間單個切換運行，用于特殊設備的單個起、關閉控制；

緊急關閉：當現場或集控室出現故障，需要立即對分系統停車關閉時，由程序或現場實現緊急停車控制，在現場操作與在集控室操作PLC的執行是等價的。需在集控室進行復位后才能重新開啟。

2)集控系統的順序啟、停控制步驟

開啟前的操作

a、控制方式選擇：集控方式下，PLC執行用戶程序的全部控制功能。單個方式下，PLC僅執行模擬顯示功能。

b、流程選擇：當選定自動控制流程后，PLC將檢測有關輸入狀態，判斷參與該流程控制的恒壓供水系統，設備工作方式，以及保護點狀態等是否滿足開啟條件，若條件具備，則先發出信號“系統準備開啟”。否則將對所檢測出的故障點，作出多方位報警。

c、遠動設備：對不需參予時序起動，或難以進入順序開啟過程的設備，可以在開啟前按閉鎖關系遠動控制起動該設備。開啟過程控制

a、當前述指令操作完畢，系統準備就緒，發出開啟指令，所選PLC變頻恒壓供水系統在指定的開啟方式下進入供水控制過程。

b、在供水過程中出現故障時，供水指令自動撤除并報警，已起設備保持運行，在短時間排除故障后，可從故障設備繼續起車；否則可全部停車。c、對供水過程的時間累計并顯示。

系統運行的閉鎖控制

a、在運行過程中出現故障時，系統閉鎖保護、報警。b、對系統有效工作時間自動統計，顯示。c、對各種保護、運行參數實時檢測。

供水過程控制

a、當系統對任一流程供水停車指令后，PLC將按用戶程序完成停車功能控制。b、對供水過程累計時間及總停車時間顯示。

3)故障報警系統

a.當設備發生故障或運行條件不滿足時，能根據閉瑣關系控制設備供水，并在監控操作站上顯示故障原因。b.報警方式：現場使用電笛報警、集控室內使用語音報警，并能夠即時顯示報警清單。如圖;

結束語

傳統恒壓控制系統的供水管網能耗大、設備損耗快、對電網要求高，隨著變頻技術的發展與應用及PLC技術的應用普及，PLC控制的變頻調速恒壓供水系統已成為供水系統網絡應用的主流，恒壓供水系統解決了傳統高壓供水系統與水塔式供水系統的不足。

采用變頻調速和可編程控制器控制的恒壓供水系統可以根據根據系統設定壓力自動調整水泵電機轉速，從而調節水泵流量，利用其控制系統可以優化泵組的調速運行，自動調整供水水泵的臺數，完成供水系統的自動控制。致謝；

感謝老師對我們的指導以及對變頻恒壓供水系統是現代建筑中普遍采用的一種水處理系統的了解和認識。隨著變頻調速技術的發展和人們節能意識的不斷增強，變頻恒壓供水系統的節能特性使得其越來越廣泛用于工廠、住宅、高層建筑的生活及消防供水系統。恒壓供水是指用戶端在任何時候，不管用水量的大小，總能保持網管中水壓的基本恒定。變頻恒壓供水系統利用PLC、傳感器、變頻器及水泵機組組成閉環控制系統，使管網壓力保持恒定，代替了傳統的水塔供水控制方案，具有自動化程度高，高效節能的優點，在高速科技發展的今天使得小區供水和工廠供水控制中得到廣泛應用，并取得了明顯的經濟效益。

此致

敬禮

參考文獻··········································

《變頻調速技術與應用》

編著丁斗章

機械工業出版社

《變頻器調速系統設計與應用》

編著 王樹

機械工業出版社

《典型自動化設備及生產線應用與維護》

編著鮑風雨

機械工業出版社 《可編程控制器原理于應用》

編著 史增芳

中國林業出版社

第三篇：開題報告-基于PLC的變頻恒壓供水系統設計

開題報告

電氣工程及自動化

基于PLC的變頻恒壓供水系統設計

一、綜述本課題國內外研究動態，說明選題的依據和意義

水是人類生活、生產中不可缺少的重要物質，在政府及社會倡導節水節能現實條件下，我們這個水資源和電能都及其短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業生產循環供水、小區供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低，但是隨著社會經濟的飛速發展，住房制度改革的不斷深入，城市建設規模的不斷擴大，人口的增多和人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數量、質量、經濟、穩定、可靠性提出了越來越高的要求，也直接體現了城市小區物業管理水平的高低。

傳統的小區供水方式有:恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水、液力藕合器和電池滑差離合器調速的供水方式、單片機變頻調速供水系統等方式。傳統的小區供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源;效率低;可靠性差;自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業系統中的用水。尋求供水與能耗之間的最佳性價比，是困擾企業的一個長期問題。目前各供水廠的供水機泵設計按最大揚程與最大流量這一最不利條件設計，水泵大多數時間在設計效率以下運行。導致電動機與水泵之間常常出現大馬拉小車問題。因此，如何解決供水與能耗之間的不平衡，尋求提高供水效率的整體解決方案，是各個供水解水企業關心的焦點問題之一。隨著人們對供水質量和供水系統可靠性要求的不斷提高，需要利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，要求設計出高性能、高節能、能適應供水廠的復雜環境的恒壓供水系統成為必然趨勢。

隨著科學的發展，變頻器的使用也越來越廣泛，不管是工業上還是家用電器上都會用到變頻器?？梢哉f，只要有三相異步電動機的地方，就有變頻器的存在。也隨著變頻技術的發展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統以其環保、節能和高品質的供水質量等特點，廣泛應用于多層住宅小區及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調速系統可以實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓的恒定來滿足用水要求，是當今最先進、合理的節能型供水系統。

變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。在早期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護功能上。應用在變頻恒壓供水系統中，變頻器僅作為執行機構。為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環控制。從查閱大量的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本較高。隨著變頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現和認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器。

目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速，水管管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現，有的采用單片機及相應的軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，遠遠沒能達到所有用戶的要求。

在實際應用中如何充分利用專用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產品質量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢，而且具有顯著的節能效果。目前變頻恒壓供水系統正朝著高可靠性、多品種系列化、全數字化微機控制的方向發展。追求高度智能化、標準化、系統化是未來供水設備適應城鎮建設中成片開發、網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。

變頻恒壓供水系統能適用于生活水、工業用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統具有如下幾個特點：

(1)供水系統的控制對象是用戶管網的水壓，是過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、濃度、流量等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。

(2)用戶管網中因為有管阻等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些特有的特性，使水泵轉速的變化與管網壓力的變化成正比，因此變頻調速恒壓供水系統是一個線性系統。

(3)變頻調速恒壓供水系統要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統，而不同的供水系統管網結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異性，因此其控制對象的模型具有很強的多變性以及不確定性。

(4)在變頻調速恒壓供水系統中，由于有定量泵的加入，而定量泵的控制是時時發生的，同時定量泵的運行狀態直接影響供水系統的模型參數，使其不確定性地發生變化。所以認為變頻調速恒壓供水系統的控制對象是時時變化的。

(5)用變頻器進行調速，用調節泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節能效果十分顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。

(6)當出現意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統能根據泵及變頻器或軟啟動器的狀態，電網狀況及水源水位，管網壓力等工況點自動進行切換，保證管網內壓力恒定。在故障發生時，執行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。

二、研究的基本內容，擬解決的主要問題：

研究的基本內容：

1)

基于PLC的變頻恒壓供水系統的系統組成以及工作原理。

2)

基于PLC的變頻恒壓供水系統的PLC程序的設計。

3)

狀態循環轉換控制的電氣設計方案。

4)

上、下位機的通信模塊。

擬解決的主要問題：

1、掌握基于PLC的變頻恒壓供水系統的工作原理。

2、基于PLC的變頻恒壓供水系統的硬件和軟件設計。

3、PID算法在變頻調速恒壓供水系統中的應用。

4、完成上、下位機的通信設置，通過通信模塊實現對供水系統的遠程監控和故障報警。

三、研究步驟、方法及措施：

步驟及方法：

(1)了解國內外PLC的變頻恒壓供水系統的發展動態。

(2)掌握基于PLC的變頻恒壓供水系統的工作原理。

(3)重點討論PLC的變頻恒壓供水系統的硬件和軟件設計、PID算法在變頻調速恒壓供水系統中的應用以及上、下位機的通信設置，通過通信模塊實現對供水系統的遠程監控和故障報警。

(4)

設計一套由PLC、變頻器、遠傳壓力表、多臺水泵機組、計算機、通信模塊等主要設備構成的全自動變頻恒壓供水及其遠程監控系統。

(5)得出結論。

措施：

圖書館查找相關的書籍、期刊、雜志等，通過上網尋找相關的一些資料，查看當代對該技術的研究成果和最新的動態。然后通過對這些資料的學習和研究進一步的熟悉和理解設計所需的相關知識。在設計過程中及時與指導老師探討，對不了解的問題及時向老師請教。

四、參考文獻

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第四篇：基于PLC的變頻調速恒壓供水系統的應用

基于PLC的變頻調速恒壓供水系統的應用

張雷雷

南山紡織服飾有限公司

摘要：隨著社會主義市場的經濟發展，人們對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提高；再加上目前能源緊缺，利用先進的自動化技術·控制技術以及通訊技術，設計高性能·高節能·能適應不同領域的恒壓供水系統成為必然的趨勢。

本論文采用變頻器和PLC實現恒壓供水和數據傳輸。本論文的變頻恒壓供水系統以再國內許多實際的供水控制系統中得到應用，并取得穩定可靠的運行效果和良好的節能效果。經實踐證明該系統具有高度的可靠性和實時行，極大地提高了供水的質量，并且節省了人力，具有明顯的經濟效益和社會效益。

關鍵字：恒壓供水：變頻調速：PLC：泵切換

隨著電力技術的發展，以變頻調速為核心的智能供水系統取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備，啟動平穩，啟動電流可限制在額定電流以內，從而避免了啟動時對電網的沖擊；由于泵的平均轉速降低了，從而可以延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除啟動和挺及時的水錘效應。其穩定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將供水實現節水、節電、節省人力，最終達到高效率的運行目的。

PLC變頻恒壓供水系統是以PLC為控制核心，由PLC控制器、變頻調速器、壓力傳感器等其他電控設備以及4臺水泵組成，如圖1.1所示

圖1.1 變頻調速恒壓供水控制系統的原理圖

其工作過程：設定一個水壓值后，根據變頻恒壓供水原理，利用安裝在供水管網上的壓力傳感器，連續采集供水管網中的水壓及水壓變化率信號，并將水壓信號轉換為電信號送入PLC，PLC根據實際水壓值與設定水壓值進行比較和經PID運算，并將運算結果轉換為電信號，輸出送到變頻器的信號給定端，變頻器根據給定信號，調節水泵的電源頻率，從而調整水泵的轉速，以維持供水管網中水壓值在設定的水壓范圍內。當變頻器頻率到達最或大最小時，由PLC控制加泵或減泵實現恒壓供水，從而達到恒壓供水的目的。我公司在2009年11月份正式啟用了該系統，并從中受益。本文介紹基于PLC變頻調速恒壓供水的設計

我公司水處理車間擔負了南山紡織服飾有限公司下屬單位和附屬單位的工業及生活消防用水的任務。包括4臺22KW的工業用水水泵和2臺11KW的應急不壓水泵。1.控制要求

1）.水泵能自動變頻軟啟動，四臺水泵自動變頻軟啟動，并根據用水量的大小自動調節水泵的臺數。四臺水泵自動輪換變頻運行，工作泵故障時備用泵自動投入，可轉換自動或人工手動開·停機。2）.設備具有缺相、欠壓、過壓、短路、過載等多種電氣保護功能，具有相許保護防止水泵反轉抽空，并具有缺水保護及水位恢復開機功能。且有設備工作、停機、報警指示。2.PLC及變頻器控制電路 2.1）.供水系統主電路

該系統有四臺水泵，如圖2.1所示，合上空氣開關（QS）后，當交流接觸器KM1、KM3、KM5、KM7主觸點閉合時，水泵為工頻運行；當KM2、KM4、KM6、KM8主觸點閉合時，水泵為變頻運行。四個熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4分別對四臺電動機進行保護，避免電動機在過載時可能產生的過熱損壞。

圖2.1恒壓供水的主電路

2.2）.供水系統的控制電路

如圖2.2所示，Y0、Y7為PLC輸出軟繼電器觸點，其中Y0、Y2、Y4、Y6控制變頻運行電路；Y1、Y3、Y5、Y7控制工頻電路。SAC為轉換開關，實現手動、自動控制切換。當SAC切在手動位時，通過1#SB24#SB2按鈕分別啟動四臺水泵工頻運行；當SAC在自動位時，由PLC控制水泵進行變頻或工頻狀態的啟動、切換、停止運行。

圖2.2恒壓供水系統的控制電路

1KA為缺水保護電路的中間繼電器觸點，當水池缺水或水位不足時，配合缺水保護裝置斷開控制電路，切斷主電路，實現缺水保護作用。2.3）.缺水保護電路

當水池缺水或水位不足時，若不及時切斷電源就會損壞水泵，甚至發生事故。如圖2.3所示。利用液位繼電器等裝置時刻檢測水池里的水位，經電路轉換及處理后對控制回路電源進行控制。水池水位正常時，控制回路電源接通，系統正常工作。水池缺水或水位不足時，液位繼電器1K釋放，系統報警、指示燈亮并通過1KA切斷系統控制電路和主電路，水泵停止。水位正常后，液位繼電器1K吸合，重新啟動系統。

圖2.3缺水保護電路 2.4）.缺相相序保護電路

圖2.4缺相相序保護電路

水泵工作在三相交流電，電源發生缺相時，電動機中某一相無電流，而另外兩相電流會增大，容易燒壞電動機；另外，為了避免電源相序相反，電動機反轉水泵抽空的現象，設置了缺相相序保護電路，如圖2.4所示。采用缺相相序保護電路繼電器KP接在主電路電源進線空氣開關之后，三項正常時，KP得電吸合，控制電路中KP的1-2觸點吸合，接通PLC控制電路。反之，缺相或反相時，KP的1-2觸點斷開，會切斷PLC控制電路，系統停止工作，缺相相序保護指示燈亮。

2.5）.硬件接線圖

圖2.5 硬件原理圖

該系統的硬件連接圖即PLC和系統的各個硬件的接線。由于PLC所輸出的信號是數字信號，不能被變頻器所識別，所以我們在他們之間加了個模擬量輸入輸出模塊FXON-3A。其功能：該模塊具有2路模擬量輸入（0-10V直流或4-20mA直流）通道和1路模擬量輸出通道。其輸入通道數字分辨率為8位，A/D的轉換時間為100us,在模擬與數字信號之間采用光電隔離，占用8個I/O點。2.6）.變頻器頻率（速度）的設定及PID 1.最高頻率：水泵屬于平方率負載，當轉速超過額定轉速時，轉速將按平方規律增加，導致電動機嚴重過載。因此，變頻器的工作頻率是不允許超過額定頻率的，其最高頻率只能與額定頻率相等，即Fmax=Fn=50HZ。

2.上限頻率：一般來說，上限頻率以等于額定頻率為宜。但有時也可以預置得略低一些，變頻器內部有轉差補償功能，同在50HZ的情況下，水泵在變頻運行時的實際轉速要高于工頻運行時的轉速，從而增大了水泵和電機的負載；變頻調速系統在50HZ下運行時，還不如直接在工頻下運行，可以減少變頻器本身的損失。因此，將上限頻率預置為49HZ或49.5HZ是適宜的。

3.下限頻率：在供水系統中，轉速降低，會出現水泵的全揚程小于實際揚程，形成水泵“空轉”的現象。所以，下限頻率預置為25-30HZ 4.啟動頻率:水泵在啟動時，如果從0HZ開始啟動，水泵基本沒有壓力輸出，為調節時間，應預置啟動頻率值為15-20HZ，及設置變頻器PID輸出值的下限為最大值的30%-40%。

變頻器利用PID控制器將被控對象的傳感等檢測到控制量（反饋信號），將其與目標值（流量、壓力等設定值）進行比較，再有PLC控制變頻器輸出。如圖2.60若有偏差，則通過此功能的控制動作是偏差為零，也就是是反饋量與目標值保持一致，從而達到好好的調速作用。

圖2.6 PID控制器接線圖 2.7 PLC在系統中的控制

根據變頻恒壓供水原理，利用安裝在供水管網上的壓力傳感器，連續采集供水管網中的水壓及水壓變化率信號，并將水壓信號轉換為電信號送入PLC，PLC根據實際水壓值與設定水壓值進行比較和經PID運算，并將運算結果轉換為電信號，輸出送到變頻器的信號給定端，變頻器根據給定信號，調節水泵的電源頻率，從而調整水泵的轉速，以維持供水管網中水壓值在設定的水壓范圍內。當變頻器頻率到達最或大最小時，由PLC控制加泵或減泵實現恒壓供水，PLC在系統中起主導作用是控制交流接觸器組近進行工頻-交頻的切換和水泵工作數量的調整。如圖2.7

系統運行之后，在自動運行方式下開始啟動運行時，首先檢測水池水位，若水池水位符合設定水位要求，1#變頻交流接觸器吸合，電機與變頻器連通，變頻器輸出頻率從0HZ開始上升，此時壓力傳感器檢測壓力信號反饋到PLC，由PLC經PID運算后控制變頻器的頻率輸出；如壓力不夠，則頻率上升至50HZ,延時一定時間后，將1#水泵切換為工頻，2#水泵變頻交流接觸器吸合，變頻啟動#水泵，頻率逐漸上升，直至出水壓力達到設定壓力，以此類推增加水泵。

如用水量減少，出水壓力超過設定壓力，則PLC控制變頻器降低輸出頻率，減少出水量來穩定出水壓力。若變頻器輸出頻率低于某一設定值，而出水壓力仍高于設定壓力值時，PLC開始計時，若在一定時間內，出水壓力降低到設定壓力，PLC放棄計時，繼續變頻調速運行；若子一定時間，內壓力仍高于設定值，根據先停機的原則，PLC將停止正在運行的水泵中運行時間最長的工頻泵，直至出水壓力達到設定值。若系統中只有一臺水泵變頻運行且連續一段時間頻率低于設定出水頻率，則切除變頻運行主泵，投入小流量泵，既保護主泵電動機，又節約能源。當外來管網壓力達到設定壓力時，則控制其完全停止各泵的工作。

在變頻器發生故障時也要不間斷供水。當變頻器發生故障時蜂鳴器報警，則PLC發出指令使全部水泵停止工作，然后1#水泵工頻運行，經一定演示后根據壓力變化情況在使2#泵工頻運行。此時，PLC切換泵則根據實際水壓的變化在工頻泵之間切換。當出現水池無水停機、電動機欠壓、過壓、錯相、電機故障等情況時，均能有蜂鳴器發出報警聲。3.結束語

由于變頻恒壓供水系統的應用，它取代了傳統的水塔、高位水箱或氣壓罐，不但大大的提高和改善了廠區工業及生活消防供水系統的性能，而且節能環保，具有良好的經濟和技術效益。我公司自2009年11月投入使用以來，未出現過大的技術問題，保障了了公司下屬和附屬單位的正?？煽康墓I用水，為企業的發展提供了強有力的保障。

參考文獻：

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第五篇：2006psLW004059基于PLC的新型變頻調速恒壓供水系統

基于PLC的新型變頻調速恒壓供水系統

[摘 要 ] 介紹了一種替代水塔供水的基于PLC的恒壓供水系統的構成和工作原理。系統采用變頻調速方式自動調節水泵電機轉速或加、減泵。改變以往“先啟后?！狈绞剑詣油瓿杀媒M軟啟動及無沖擊切換，使水壓平穩過渡。變頻器故障時系統仍可運行，保證不間斷供水。系統斷電恢復后可自啟動。采用硬件/軟件備用及鐘控功能，使各泵進行輪休，延長了設備的機械使用壽命。

0 引言

隨著變頻調速技術的發展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統已逐漸取代原有的水塔供水系統，廣泛應用于多層住宅小區生活消防供水系統。然而，由于新系統多會繼續使用原有系統的部分舊設備（如水泵），在對原有供水系統進行變頻改造的實踐中，往往會出現一些在理論上意想不到的問題。本文介紹的變頻控制恒壓供水系統，是在對一個典型的水塔供水系統的技術改造實踐中，根據盡量保留原有設備的原則設計的，該系統很好的解決了舊設備需要頻繁檢修的問題，既體現了變頻控制恒壓供水的技術優勢，同時有效的節省了資金。系統介紹

變頻恒壓供水系統原理如圖1所示，它主要是由PLC、變頻器、PID調節器、TC時間控制器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及4臺水泵等組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉換開關來了解和控制系統的運行。

通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4-20mA的標準信號送入PID調節器，經運算與給定壓力參數進行比較，得出一調節參數，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調節系統供水量，使供水系統管網中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制器加泵。根據用水量的大小由PLC控制工作泵數量的增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環控制系統。

同時系統配備的時間控制器和PID控制器，使其具有定時換泵運行功能（即鐘控功能，由時間控制器實現）和雙工作壓力設定功能（PID控制器和時間控制器實現）。此外，系統還設有多種保護功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統的正常供水。

正常情況（無泵檢修）時，各泵的運行順序為1#，2#，3#，4#。工作原理 2.1 運行方式

該系統有手動和自動兩種運行方式： ⑴.手動運行

按下按鈕啟動或停止水泵，可根據需要分別控制1#-4#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。

⑵.自動運行

合上自動開關后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0Hz上升，同時PID調節器接收到自壓力傳感器的標準信號，經運算與給定壓力參數進行比較，將調節參數送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50Hz，1#泵由變頻切換為工頻，啟2#變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，從先啟的泵開始減，同時根據PID調節器給的調節參數使系統平穩運行。

若有電源瞬時停電的情況，則系統停機；待電源恢復正常后，系統自動恢復運行，然后按自動運行方式啟動1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩定運行。

變頻自動功能是該系統最基本的功能，系統自動完成對多臺泵軟起動、停止、循環變頻的全部操作過程。

2.2 故障處理 2.2.1 故障報警

當出現缺相、變頻器故障、液位下限、超壓、差壓等情況時，系統皆能發出聲響報警信號；特別是當出現缺相、變頻器故障、液位下限、超壓時，系統還會自動停機，并發出聲響報警信號，通知維修人員前來維修。此外，變頻器故障時，系統自動停機，此時可切換至手動方式保證系統不間斷供水。2.2.2 水泵檢修

為維護和檢修水泵，要求在系統正常供水狀態下，在一段時間間隔內使某一臺水泵停運，系統設有水泵強制備用功能（硬件備用），可隨意備用某一臺水泵，同時不影響系統正常運行；為了使水泵進行輪休，系統還設有軟件備用功能（鐘控功能，由時間控制器實現），工作泵與備用N泵具有周期定時切換功能，周期間隔由時間控制器設定：1小時每次～96小時每次連續可調。PLC控制系統

該系統采用的是歐姆龍可編程序控制器SYSMAC CPM2A系列，I/O點數為60點，PLC編程采用OMRON CX-Programmer，它是Omron PLC的32位視窗軟件支持工具，提供完整的編程環境，可進行離線編程和在線連接和調試，并能實現梯形圖與語句表的相互轉換。為了提高整個系統的性價比，該系統采用開關量的輸入/輸出來控制電機的啟停、定時切換、軟起動、循環變頻及故障的報警等，而電機轉速、水壓量等模擬量則由PID調節器和變頻器來控制。

泵組的切換示意圖如圖2。開始時，若硬件、軟件皆無備用（兩者同時有效時硬件優先），1#泵變頻啟動，轉速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延時一段時間（避免由于干擾而引起誤動作）后，1#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，2#泵變頻啟動，如

水壓仍不滿足，則依次啟動3#、4#泵，泵的切換過程同上；若開始時1#泵備用，則直接啟2#變頻，轉速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延時一段時間后，2#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，3#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動4#泵，泵的切換過程同上；若1#、2#泵都備用，則直接啟3#變頻，具體泵的切換過程與上述類同。

同樣，若3臺泵（假設為1#、2#和3#）運行時，3#泵變頻運行降到0Hz，此時水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使1#泵停止，變頻器頻率從0Hz迅速上升，若此后水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使2#泵停止。這樣的切換過程，有效地減少泵的頻繁啟停，同時在實際管網對水壓波動做出反應之前，由變頻器迅速調節，使水壓平穩過渡，從而有效的避免了高樓用戶短時間停水的情況發生。

以往的變頻恒壓供水系統在水壓高時，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調節。這種切換的方式理論上要比直接切工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁啟

停，從而減少設備的使用壽命。而在該系統中，直接停工頻泵，同時由變頻器迅速調節，只要參數設置合適，即可實現泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩，有效的防止了水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現象，提高了供水品質。注意事項

要使系統穩定的運行，有幾個參數需特別注意： ⑴.變頻轉工頻開關切換時間TMC

設置TMC是為了確保在加泵時，泵由變頻轉為工頻的過程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對應的交流接觸器不會同時吸合而損壞變頻器，同時為了避免工頻啟動時啟動電流過大而對電網產生的沖擊，所以在允許范圍內TMC必須盡可能的小。⑵.上下限頻率持續時間TH和TL

變頻器運行的頻率隨管網用水量增大而升高，本系統以變頻器運行的頻率是否達到上限（下限）、并保持一定的時間為依據來判斷是否加泵（減泵），這個判斷的時間就是TH（TL）。如果設定值過大，系統就不能迅速的對管網用水量的變化做出反應；如果設定值過小，管網用水量的變化時就很可能引起頻繁的加減泵動作；兩種情況下都會影響恒壓供水的質量。結束語

在供水系統中采用變頻調速運行方式，系統可根據實際設定水壓自動調節水泵電機的轉速或加減泵，使供水系統管網中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節能、節水、節地、節資，并使系統處于可靠運行的狀態，實現恒壓供水；減泵時采用“先啟先停”的切換方式，相對于“先啟后?！狈绞?，更能確保各泵使用平均以延長設備的使用壽命；同時針對所用四臺泵均已使用多年、需要定期進行檢修的實際情況，增加了硬件/軟件備用功能，有效延長了設備的使用壽命；壓力閉環控制，系統用水量任何變化均能使供水管網的服務壓力保持給定，大大提高了供水品質；變頻器故障后仍能保障不間斷供水，同時實現故障消除后自啟動，具有一定的先進性。目前該系統已投入使用，效果明顯。

參考文獻 OMRON可編程序控制器CPM2A操作手冊。OMRON可編程序控制器CPM1/CPM1A/CPM2A/CPM2C/SRM1（-V2）編程手冊。