第一篇：基于S7-200變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于S7-200和MM440的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 引言

供水系統(tǒng)在人們生活和工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中是必不可少的。隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)供水系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性的要求越來越高。變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠很好的滿足現(xiàn)代供水系統(tǒng)的要求。

在變頻恒壓供水系統(tǒng)出現(xiàn)以前，有以下供水方式：(1)單臺(tái)恒定轉(zhuǎn)速泵的供水系統(tǒng)

這種供水方式是水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，嚴(yán)重影響了城市公用水管管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定，水泵整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)。這種系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。

(2)恒定轉(zhuǎn)速泵加水塔（或高位水箱）的供水系統(tǒng)

這種供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔注滿水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度時(shí)水泵啟動(dòng)，水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種方式比前一種省電，供水壓力比較穩(wěn)定，但基建設(shè)備投資大，占地面積大，水壓不可調(diào)，供水質(zhì)量差。(3)恒定轉(zhuǎn)速泵加氣壓罐的供水系統(tǒng)

這種供水方式是利用封閉的氣壓罐代替水塔蓄水，通過檢測(cè)罐內(nèi)壓力來控制水泵的開與停。當(dāng)罐中壓力降到壓力下限時(shí)，水泵啟動(dòng)；當(dāng)罐中壓力升到壓力上限時(shí)，水泵停止。這種方式，設(shè)備的成本比水塔要低很多。但是電機(jī)起動(dòng)頻繁，易造成電機(jī)的損壞，能耗大。

變頻恒壓供水系統(tǒng)不僅克服了過去供水系統(tǒng)的缺點(diǎn)，而且有其自身的優(yōu)點(diǎn)。此系統(tǒng)采用了先進(jìn)的s7－200plc和變頻器mm440，s7-200具有低廉的價(jià)格和強(qiáng)大的指令，可以滿足多種多樣的小規(guī)模的控制要求，變頻器mm440具有很高的運(yùn)行可靠性、功能的多樣性和全面而完善的控制功能。這種供水方式不僅提高了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且實(shí)現(xiàn)水泵的無級(jí)調(diào)速，使供水壓力能夠跟蹤系統(tǒng)所需水壓，提高了供水質(zhì)量。同時(shí)變頻器對(duì)水泵采取軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很小，啟動(dòng)能耗小。供水系統(tǒng)的基本特性

供水系統(tǒng)的基本特性是水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程h與流量q之間的關(guān)系曲線f(q)，前提是供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變。揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程h與用水流量q之間的關(guān)系。由圖1的揚(yáng)程特性表明，流量q越大，揚(yáng)程h越小。在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量q的大小主要取決于用戶的用水情況。

管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔y門在某一開度下，揚(yáng)程h與流量q之間的關(guān)系h=f(q)。管阻特性反映了水泵轉(zhuǎn)動(dòng)的能量用來克服水泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由圖1可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系統(tǒng)的供水能力。

揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的平衡工作點(diǎn)，如圖1中a點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量達(dá)到平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)用水流量和供水流量達(dá)到平衡時(shí)，揚(yáng)程ha穩(wěn)定，供水系統(tǒng)的壓力也保持恒定。

圖1 供水系統(tǒng)的基本特性 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

變頻恒壓供水系統(tǒng)采用西門子的s7-200 plc作為控制器，變頻器mm440是頻率調(diào)節(jié)器，交流接觸器和電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，壓力傳感器作為控制的反饋元件。s7-200 plc選用內(nèi)部控制模塊cpu224，模擬量2路輸入通用模塊、模擬量2路輸出通用模塊和pid模塊。cpu224有14路輸入/10路輸出，對(duì)于小型的控制系統(tǒng)而言夠用。pid模塊使用方便，在軟件中只需要配置pid的每個(gè)參數(shù)。

三相交流電與mm440的電源輸入口連接，經(jīng)過變頻器變頻后的交流電接異步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)。s7-200數(shù)字輸出口輸出控制信號(hào)到交流接觸器，交流接觸器兩端連接的是工頻或變頻的三相交流電，主要起接通或斷開三相交流電與異步電動(dòng)機(jī)。s7-200的模擬輸出口輸出控制電壓信號(hào)給mm440的模擬電壓輸入口ain1+和ain1-，該控制電壓主要調(diào)節(jié)交流電的頻率。壓力傳感器從供水網(wǎng)絡(luò)中反饋壓力信號(hào)，壓力信號(hào)經(jīng)過濾波放大后輸入給s7-200的模擬輸入口。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的總體框圖

3.2 系統(tǒng)的工作原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)是由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，通過變頻器調(diào)節(jié)輸入交流電的頻率而調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量來調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)的壓力。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

其中：n0為異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速； n為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

f為異步電機(jī)的定子輸入交流電的頻率； s為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率； p為異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由上式可知，當(dāng)異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子輸入交流電頻率f成正比。

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)，運(yùn)行在自動(dòng)模式時(shí)，此時(shí)手動(dòng)模式無效。系統(tǒng)按照給定的水壓進(jìn)行設(shè)定，plc根據(jù)給定的水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)交流電的頻率，精確跟蹤給定的供水壓力。在用水量高峰時(shí)期，系統(tǒng)的用水量猛增，揚(yáng)程降低，供水量不足，供水水壓下降，1#電機(jī)輸入交流電的頻率會(huì)升高，以提高供水水壓。當(dāng)交流電的頻率達(dá)到最大頻率，供水水壓仍然小于設(shè)定的水壓時(shí)，1#電機(jī)會(huì)自動(dòng)切換到工頻狀態(tài)下，同時(shí)2#電機(jī)啟動(dòng)并工作在變頻狀態(tài)。在夜間，系統(tǒng)的用水量遞減，揚(yáng)程升高，供水量過大，2#電機(jī)會(huì)退出變頻狀態(tài)，1#電機(jī)由工頻切換到變頻狀態(tài)，并不斷調(diào)節(jié)交流電頻率，系統(tǒng)最終要維持供水的設(shè)定壓力。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在手動(dòng)模式時(shí)，自動(dòng)模式無效。在自動(dòng)模式出現(xiàn)問題或系統(tǒng)在維護(hù)期間時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)采用手動(dòng)模式。用戶根據(jù)需要，可以從plc的輸入開關(guān)輸入信號(hào)，選擇1#電機(jī)或2#電機(jī)運(yùn)行在工頻狀態(tài)。

變頻恒壓供水系統(tǒng)的功能要求：系統(tǒng)的供水壓力能夠準(zhǔn)確跟蹤給定供水壓力（穩(wěn)態(tài)誤差在5％內(nèi)）；可以自動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)模式/手動(dòng)模式切換。

系統(tǒng)的控制原理框圖如圖3所示。壓力傳感器從供水管網(wǎng)反饋電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過濾波放大后送到s7-200的模擬輸入口，與給定的供水壓力信號(hào)比較形成壓力偏差信號(hào)，經(jīng)過plc（s7-200）pid模塊pi調(diào)節(jié)后發(fā)出控制電壓信號(hào)，送到變頻器mm440的模擬輸入調(diào)節(jié)端口。送到變頻器mm440的模擬電壓信號(hào)與連接到變頻器mm440的三相交流電的頻率一一對(duì)應(yīng)，調(diào)節(jié)控制電壓信號(hào)就可以調(diào)節(jié)三相交流電的頻率。系統(tǒng)是以供水管網(wǎng)的供水壓力為控制對(duì)象而構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是按照兩個(gè)電機(jī)就可以完全滿足供水要求。

圖3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制原理框圖 硬件電路設(shè)計(jì) 4.1 主電路

變頻恒壓供水系統(tǒng)就是利用異步電機(jī)拖動(dòng)水泵的。系統(tǒng)的主電路由電源開關(guān)q、熔斷器fu、交流接觸器km、熱繼電器kr等組成，采用了一臺(tái)變頻器切換控制兩臺(tái)電機(jī)，1#電機(jī)和2#電機(jī)可以在工頻和變頻狀態(tài)下進(jìn)行切換，交流接觸器的通斷由s7－200的輸出口控制。主電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主電路圖

4.2 控制電路

控制電路主要由plc（s7－200）、變頻器mm440等組成，plc外圍電路接線圖如圖5所示。總電源開關(guān)為q，sb0為plc的程序啟動(dòng)按鈕，與plc的i0.0輸入口相連接，當(dāng)按下sb0時(shí)，i0.0為“1”，plc程序啟動(dòng)。k1為系統(tǒng)的自動(dòng)模式開關(guān)，當(dāng)k1接通時(shí)，i0.1為“1”，交流接觸器km1閉合，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)變頻器的頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，i0.5為“1”，1#泵和電機(jī)切換到工頻狀態(tài)下，2#泵和電機(jī)變頻啟動(dòng)。當(dāng)變頻器的頻率達(dá)到下限頻率時(shí)，i0.6為“1”，2#電機(jī)停止運(yùn)行，1#電機(jī)由工頻切換到變頻狀態(tài)下。i0.5和i0.6的狀態(tài)由變頻器輸入。k2為系統(tǒng)的手動(dòng)模式開關(guān)，當(dāng)k2接通時(shí)，i0.2為“1”，交流接觸器km1斷開，系統(tǒng)不能自動(dòng)運(yùn)行，用戶可以根據(jù)需要接通k3或k4來選取1#電機(jī)或2#電機(jī)工頻運(yùn)行。km1為控制1#電機(jī)和2#電機(jī)在自動(dòng)模式下運(yùn)行的交流接觸器，km2為控制1#電機(jī)在變頻下運(yùn)行的交流接觸器，km3為控制1#電機(jī)在工頻下運(yùn)行的交流接觸器，km4為控制2#電機(jī)在變頻下運(yùn)行的交流接觸器，km5為控制2#電機(jī)在工頻下運(yùn)行的交流接觸器。

圖5 plc外圍接線圖 程序設(shè)計(jì)

5.1 plc程序設(shè)計(jì)

plc程序設(shè)計(jì)的主要流程如圖6所示。合上開關(guān)q，按下起動(dòng)按鈕sb0，plc程序復(fù)位。當(dāng)合上開關(guān)k1，i0.1為“1”，系統(tǒng)在自動(dòng)模式下運(yùn)行，交流接觸器km1接通，系統(tǒng)將根據(jù)程序跟蹤設(shè)定供水壓力。

圖6 主程序流程圖

當(dāng)用戶用水量遞增，變頻器達(dá)到頻率50hz，供水壓力還沒有達(dá)到設(shè)定的供水壓力時(shí)，mm440輸出高電平到i0.5。此時(shí)，q0.1為“0”，q0.2為“1”，交流接觸器km2斷開，km3接通，1#電機(jī)由變頻切換到工頻。定時(shí)器計(jì)時(shí)3s，變頻器停止，變頻器的頻率由最高頻率50hz逐漸下降，3s后q0.3為“1”，2#電機(jī)接到變頻器開始變頻運(yùn)行。設(shè)置延遲時(shí)間主要原因是讓變頻器的頻率下降，軟啟動(dòng)靜止的2#電機(jī)，減小電機(jī)啟動(dòng)電流，避免電機(jī)燒毀。

當(dāng)用戶用水量減小，變頻器達(dá)到下限頻率30hz，供水壓力還是高于設(shè)定的供水壓力時(shí)，mm440輸出高電平到i0.6。此時(shí)，q0.4為“0”，km2斷開，2#電機(jī)退出變頻并逐漸停止。同時(shí)q0.1為“1”，q0.2為“0”，交流接觸器km2接通，km3斷開，1#電機(jī)由工頻切換到變頻。下限頻率設(shè)定在30hz主要原因：在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低時(shí)會(huì)出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于基本揚(yáng)程（實(shí)際揚(yáng)程）形成水泵“空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。在多數(shù)情況下，下限頻率應(yīng)定為30hz～35hz。當(dāng)合上開關(guān)k2，系統(tǒng)在手動(dòng)模式下運(yùn)行，交流接觸器km1斷開。用戶可以根據(jù)需要，合上開關(guān)k3，交流接觸器km3接通，選擇1#電機(jī)在工頻下運(yùn)行。合上開關(guān)k4，交流接觸器km5接通，選擇2#電機(jī)在工頻下運(yùn)行。

5.2 變頻器mm440的參數(shù)配置

變頻器mm440主要使用的是模擬輸入口ain1+和ain1－，模擬電壓信號(hào)輸入后通過a/d轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號(hào)。由plc模擬輸出口輸出模擬控制電壓信號(hào)，輸入到變頻器的模擬口，變頻器的頻率和控制電壓一一對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)使用變頻器的模擬端口，最高頻率應(yīng)該設(shè)置為50hz，最低頻率為30hz。mm440的參數(shù)配置如附表所示。

附表 mm440的參數(shù)配置 結(jié)束語

應(yīng)用西門子plc（s7－200）內(nèi)部的pid模塊和變頻器mm440的無極調(diào)速控制恒壓供水系統(tǒng)，高效節(jié)能，調(diào)速供水效果突出，抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)采用變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)行軟起動(dòng)，減少了設(shè)備損耗，延長(zhǎng)了水泵、電機(jī)設(shè)備的使用壽命。以供水水壓為控制對(duì)象的閉環(huán)控制，穩(wěn)態(tài)誤差小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，運(yùn)行穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)效果表明，采用plc（s7－200）和變頻器mm440構(gòu)成的變頻恒壓供水系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，體現(xiàn)了變頻調(diào)速恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為供水領(lǐng)域開辟了切實(shí)有效的途徑

第二篇：變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

變頻器恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

[摘要]本設(shè)計(jì)研究的系統(tǒng)是利用變頻器的PID性能設(shè)計(jì)的一種恒壓供水系統(tǒng)。具體是以管網(wǎng)水壓（或用戶用水流量），利用壓力傳感器傳送的信號(hào)值為設(shè)定參數(shù)，通過微機(jī)（PLC可編程控制器）控制變頻器的輸出頻率，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)（PID），使供水系統(tǒng)自動(dòng)恒穩(wěn)，即實(shí)現(xiàn)恒壓供水的一套系統(tǒng)。采用該設(shè)備不需要建造高位水箱、水塔，水質(zhì)無二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水設(shè)備，既有廣泛的研究與實(shí)用推廣價(jià)值。

[關(guān)鍵字] 變頻器

恒壓供水PLC PID

前 言

在社會(huì)的快速發(fā)展下，居民人數(shù)的增多，導(dǎo)致很多的城市居民家庭用水困難，特別是那些老式住房的居民，緊緊依靠高位水塔和壓力罐來提供水源已不能滿足居民的要求。高位水塔占用空間大，距地面較高，容易氧化，最主要的是儲(chǔ)存的水量有限對(duì)現(xiàn)代居民來說很不方便。壓力罐供水原理是利用密封的罐體，使局部增壓達(dá)到供水目的，具體工作順序是由水泵將水通過逆變止閥壓入罐體使罐體內(nèi)氣體受到壓縮，壓力逐漸增大，當(dāng)壓力達(dá)到指定上限時(shí)電接點(diǎn)壓力表通過控制柜使泵機(jī)自動(dòng)停止，設(shè)備中的水壓高于外界壓力，自動(dòng)送至供水管網(wǎng)，當(dāng)罐體內(nèi)水位下降，氣壓減少到指定的下限位置時(shí)，電接點(diǎn)壓力表通過控制柜使水泵重新啟動(dòng)，如此反復(fù)，使設(shè)備不停地供水，當(dāng)罐內(nèi)氣體不足時(shí)，補(bǔ)氣閥可自動(dòng)補(bǔ)氣。雖然壓力罐供水能夠滿足現(xiàn)代居民的用水量，但在用水高峰時(shí)，水泵啟動(dòng)頻繁，每次啟動(dòng)都會(huì)有較大的電流對(duì)電網(wǎng)沖擊，水泵的損壞較大，每次進(jìn)行維修水泵都要花費(fèi)一筆不小的費(fèi)用。

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻器調(diào)速技術(shù)的日益完善，以變頻器為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往的高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等東西的使用壽命，可以消除啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)，其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能，簡(jiǎn)單方便的操作方式，以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水，節(jié)電，節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運(yùn)行目的。其工作原理是變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過測(cè)到的管網(wǎng)壓力，經(jīng)變頻器的內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，調(diào)節(jié)輸出超限信號(hào)（一般可作為管網(wǎng)壓力極限信號(hào)）可適時(shí)通知PLC進(jìn)行變頻泵的邏輯切換，為防止水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，泵的啟停將聯(lián)動(dòng)其出口閥門。

一、方案選定

變頻恒壓供水系統(tǒng)是指在供水管網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時(shí)，出口壓力保持不變的供水方式。供水管網(wǎng)的出口壓力值是根據(jù)用戶需求確定的。傳統(tǒng)的恒壓供水方式是采用水塔、高水位箱、氣壓罐等設(shè)施實(shí)現(xiàn)的。

近年來，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，其顯著的節(jié)能效果和可靠穩(wěn)定的控制方式，在供水系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。變頻恒壓供水系統(tǒng)對(duì)水泵電機(jī)實(shí)行無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量及水壓變化通過微機(jī)檢測(cè)、運(yùn)算，自動(dòng)改變水泵轉(zhuǎn)速保持水壓恒定以滿足用水要求，是目前最先進(jìn)，合理的節(jié)能供水系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的水塔、高位水箱、氣壓罐等供水方式比較，不論是投資、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有優(yōu)勢(shì)：

1.高效節(jié)能。與傳統(tǒng)供水方式相比變頻恒壓供水能節(jié)能30%-60%。2.占地面積小，投入少，效率高。

3.配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠。

4.運(yùn)行合理，由于一天內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速下降，軸上的平均扭矩和磨損減少，水泵的壽命將大為提高。

5.由于能對(duì)水泵實(shí)現(xiàn)軟停和軟起，并可消除水錘效應(yīng)（水錘效應(yīng)：直接起動(dòng)和停機(jī)時(shí)，液體動(dòng)能的急劇變大，導(dǎo)致對(duì)管網(wǎng)的極大沖擊，有很大破壞力）。

6.操作簡(jiǎn)便，省時(shí)省力。

變頻恒壓供水系統(tǒng)以管網(wǎng)水壓(或用戶用水流量)為設(shè)定參數(shù)，通過微機(jī)控制變頻器的輸出頻率從而自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)(PID)，使供水系統(tǒng)自動(dòng)恒穩(wěn)于設(shè)定的壓力值：即用水量增加時(shí)，頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量相應(yīng)增大；用水量減少時(shí)，頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量亦相應(yīng)減小，這樣就保證了供水效率用戶對(duì)水壓和水量的要求，同時(shí)達(dá)到了提高供水品質(zhì)和供水效率的目的，“用多少水，供多少水”；采用該設(shè)備不需建造高位水箱，水塔，水質(zhì)無二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水設(shè)備。

二、系統(tǒng)元器件的選擇(一)變頻器的選擇 1.變頻器型號(hào)

根據(jù)不同負(fù)載對(duì)機(jī)械特性的不同要求選擇變頻器型號(hào)有所不同。

（1）風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，由于低速時(shí)轉(zhuǎn)矩較小，對(duì)過載能力和轉(zhuǎn)速精度要求低可選用簡(jiǎn)易型的變頻器或風(fēng)機(jī)，泵類專用變頻器，這類專用變頻器具有工頻，變頻的切換功能，多泵切換功能和PID功能。可通過參數(shù)設(shè)定完成一些控制任務(wù)，易于實(shí)現(xiàn)。

（2）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，多數(shù)負(fù)載具有恒轉(zhuǎn)矩特性，但在轉(zhuǎn)速精度及動(dòng)態(tài)性能等方面一般要求不高。

（3）要求響應(yīng)快的系統(tǒng)，所謂響應(yīng)快是指實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)于轉(zhuǎn)速指令的變化跟蹤的快，從負(fù)載變動(dòng)等急劇外界干擾引起的過渡性速度變化中恢復(fù)得快，（4）被控對(duì)象具有一定的動(dòng)態(tài)，靜態(tài)指標(biāo)要求，這類負(fù)載一般要求低速時(shí)有較硬的機(jī)械特性，并且有一定的調(diào)速精度，在動(dòng)態(tài)性能方面無較高的要求就能滿足生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，靜態(tài)指標(biāo)要求，如果控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制，可選用具有無速度反饋的矢量控制功能的變頻器。

（5）被控制對(duì)象具有較高的動(dòng)態(tài)，靜態(tài)指標(biāo)要求，對(duì)于調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)都有較高的要求，以及要求精度同步運(yùn)行等場(chǎng)合，可選用帶速度反饋的矢量控制方式變頻器。

變頻器容量的選擇是一項(xiàng)重要而復(fù)雜的問題，要考慮變頻器容量和電機(jī)容量的匹配，容量偏小會(huì)影響電動(dòng)機(jī)有效轉(zhuǎn)矩的輸出，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至損壞裝置，而容量偏大則電流的諧波分量會(huì)增大，也增加了設(shè)備的投資，選擇變頻器容量時(shí)，變頻器的電流是一個(gè)關(guān)鍵量。變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。

選擇變頻器時(shí)應(yīng)以實(shí)際電機(jī)電流值作為變頻器選擇的依據(jù)，電機(jī)的額定功率只能作為參考。另外應(yīng)充分考慮變頻器的輸出含有高次諧波，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率都會(huì)變壞。因此，用變頻器給電動(dòng)機(jī)供電與用工頻電網(wǎng)供電相比較，電動(dòng)機(jī)的電流增加10％而溫升增加約20％。所以在選擇電動(dòng)機(jī)和變頻器時(shí)，應(yīng)考慮到這中情況，適當(dāng)留有裕量，以防止溫升過高，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

變頻器的選擇依據(jù)是水泵電機(jī)的負(fù)載特性和電機(jī)的額定參數(shù)。2．變頻器ACS510及其特點(diǎn)

根據(jù)以上選擇參考分析，本設(shè)計(jì)選用ACS510系列變頻器。ACS510是ABB又一款杰出的低壓交流傳動(dòng)產(chǎn)品，它可以簡(jiǎn)單地購買，安裝，配置和使用，可節(jié)省 4

相當(dāng)多的時(shí)間。ACS510傳動(dòng)應(yīng)用于廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，適用各種類型負(fù)載。ACS510還針對(duì)風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用作了特別的優(yōu)化，典型的應(yīng)用包括恒壓供水，冷卻風(fēng)機(jī)，地鐵和隧道通風(fēng)等。該設(shè)備具有以下主要特點(diǎn)：

（1）完美匹配風(fēng)機(jī)和水泵：增強(qiáng)的PFC應(yīng)用，最多可控制7臺(tái)泵；SPFC循環(huán)軟啟功能可依次調(diào)節(jié)每個(gè)泵；超越模式應(yīng)用于隧道風(fēng)機(jī)的火災(zāi)模式；兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器PID1和PID2，PID1可設(shè)置兩套參數(shù)，通過PID2可控制一個(gè)獨(dú)立的外部閥門。

（2）更經(jīng)濟(jì)：噪音最優(yōu)化，當(dāng)傳動(dòng)溫度降低時(shí)增加開關(guān)頻率，負(fù)載降低時(shí)自動(dòng)降低電機(jī)磁通，簡(jiǎn)單安裝，容易連接電纜，多種I/O和即插式可選件方便地連接到現(xiàn)場(chǎng)總線上。

（3）更環(huán)保：EMC適用于第一及第二環(huán)境的RFI濾波器作為標(biāo)配，變感量電抗器可根據(jù)不同負(fù)載匹配電感量，抑制和減少諧波。

該系列變頻器針對(duì)水泵，風(fēng)機(jī)負(fù)載設(shè)計(jì)了多種應(yīng)用宏，根據(jù)不同的控制宏要求，選擇相應(yīng)的宏，變頻器有不同的默認(rèn)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)接線最少，參數(shù)設(shè)置最簡(jiǎn)化的特點(diǎn)。針對(duì)該類負(fù)載，該系列變頻器增設(shè)了睡眠控制功能。3.ABB產(chǎn)品信息

ACS400變頻器在2.2-37KW的功率范圍內(nèi)，節(jié)約能源，控制準(zhǔn)確,安全可靠,鑄鋁件和塑料件的使用,保證了足夠的加工精度,ACS400預(yù)置了九種應(yīng)用宏.主電源：230—500V50/60HZ控制電源：115—230V.在勵(lì)磁部分中采用了最新的IGBT控制技術(shù)，不再需要磁場(chǎng)電壓匹配變壓器，磁場(chǎng)進(jìn)線熔斷器和電抗器也已集成在DCS400模塊中。由于磁場(chǎng)部分采用了三相進(jìn)線供電方式，且直接取自為電樞供電的三相電源，因而DCS400不再需要單獨(dú)的磁場(chǎng)電源進(jìn)線。DCS400擁有多種調(diào)試工具。在調(diào)試向?qū)У囊龑?dǎo)下進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，加上全部的自優(yōu)化調(diào)試過程，DCS400的典型調(diào)試時(shí)間為15分鐘。

（二）PLC的的特點(diǎn)及選型 1.PLC特點(diǎn)及應(yīng)用

可編程控制器（ProgrammableLogicController）是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動(dòng)控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏 5

輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器更多地具有了計(jì)算機(jī)的功能，不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、順序(步進(jìn))控制，還具有了模擬量控制、閉環(huán)過程控制、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。

由于可編程控制器可通過軟件來改變控制過程，并且編程簡(jiǎn)單，同時(shí)采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展和拆裝，因而具有體積小，功耗低，可靠性高，組裝維護(hù)方便，控制功能完善和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，成為當(dāng)今自動(dòng)化電氣控制的主流。2.可編程控制器的選型

（1）本設(shè)計(jì)的主要控制過程是利用可編程控制器的A/D,D/A模塊和可編程控制器內(nèi)置的控制模塊來控制水泵電機(jī)的切換從而調(diào)節(jié)供水管中水的壓力。整個(gè)控制系統(tǒng)除了用到PLC邏輯控制、定時(shí)控制和計(jì)數(shù)控制等基本控制功能外，關(guān)鍵是要用到PLC的高級(jí)控制單元，主要包括A/D、D/A單元等。

現(xiàn)代大中型的PLC一般都配備了專門的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，可以將現(xiàn)場(chǎng)需要控制的模擬量通過A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)微處理器運(yùn)算處理后，再通過D/A模塊轉(zhuǎn)換，變成模擬量去控制被控對(duì)象。但現(xiàn)在考慮到系統(tǒng)的安裝以及成本問題，故本系統(tǒng)供水泵的自動(dòng)控制采用的是日本歐姆龍公司的PLC，機(jī)器型號(hào)為CPM2A-30CDR-A和模擬量控制模塊CPM1A-MAD02。其特性簡(jiǎn)介如下：

（2）CPM2A為系統(tǒng)提供了眾多的功能 ①高速計(jì)數(shù)器能方便地測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)的加工件。②同步脈沖控制可方便地調(diào)整時(shí)間。③帶高速掃描和高速中斷的高速處理。

④可方便地與OMRON的PT相連接，為機(jī)器操作提供一個(gè)可視化界面。

小機(jī)殼內(nèi)匯集了先進(jìn)的功能和優(yōu)異的表現(xiàn)。為食品包裝行業(yè)，傳送設(shè)備和緊湊型設(shè)備的制造商提供更優(yōu)越的性能和更高的附加值。⑤通過脈沖輸出可實(shí)現(xiàn)許多基本的位置控制。⑥可進(jìn)行分散控制和模擬量控制。

三、變頻器恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

變頻器恒壓供水系統(tǒng)的主電路及控制電路設(shè)計(jì)如圖3-1及3-2所示

圖3-1變頻器恒壓供水系統(tǒng)主電路圖

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先閉合空氣開關(guān)，把轉(zhuǎn)換開關(guān)達(dá)到變頻位置，三相交流電通過開關(guān)送到交流接觸器和熱繼電器加載到變頻器上，變頻器輸出驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，如果檢測(cè)得管網(wǎng)壓力大于設(shè)定值，則系統(tǒng)不啟動(dòng)，當(dāng)管網(wǎng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)。（在恒壓供水系統(tǒng)中可根據(jù)用戶用水量的大小實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供水的目的．水泵電機(jī)是系統(tǒng)的輸出環(huán)節(jié)，它的轉(zhuǎn)速由變頻器控制，實(shí)現(xiàn)變水壓的恒壓控制．變頻器接受PID控制器的信號(hào)對(duì)水泵進(jìn)行速度控制，PID控制器它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，工作可靠，挑戰(zhàn)方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，即當(dāng)不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控制對(duì)象，或不能通過有效的手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)，PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制，PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例，積分，微分計(jì)算出量進(jìn)行控制的。

圖3-2變頻器恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖

PID控制屬于閉環(huán)控制，是指將被控制量的檢測(cè)信號(hào)反饋到變頻器，與被控制量的目標(biāo)信號(hào)相比較，以判斷是否已經(jīng)到達(dá)預(yù)定的控制目標(biāo)。如尚未達(dá)到，則根據(jù)兩者的差值進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)為止。其特點(diǎn)：PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時(shí)變的，但通過對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可以控制了。PID參數(shù)較易整定。也就是說，PID的參數(shù)K,T,T可以根據(jù)過程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定，如果過程的動(dòng)態(tài)特性變化，如可能由于負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的變化，則PID參數(shù)就可以重新整定。PID控制器在實(shí)踐中也不斷地得到改進(jìn)，如結(jié)合人工智能系統(tǒng)，模糊控制。采用遠(yuǎn)傳壓力表作為壓力檢測(cè)與變送元件，它將管道內(nèi)的壓力值(0-0.4MP)轉(zhuǎn)換為0-10V（0-20MA）的直流電壓（電流）信號(hào)，經(jīng)AI2接線端輸入變頻器。遠(yuǎn)傳壓力表在工作原理上相當(dāng)于一個(gè)可變的電阻，將24V直流電壓加在兩固定端，壓力表的指針帶到可變電阻的可動(dòng)端，壓力表的滿偏量程為1MP,所以當(dāng)壓力在0-0。4MP范圍內(nèi)變化時(shí)，壓力反饋為0-10V(或0-20MA)。壓力傳

感器檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，把信號(hào)傳給PID控制器，通過PID控制器調(diào)節(jié)變頻器的頻率來控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，壓力檢測(cè)值與壓力給定值差距越大，該輸出信號(hào)變化就越大．一旦管網(wǎng)壓力達(dá)到了設(shè)定值，該輸出控制信號(hào)就恒定下來，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。）

當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，為了不影響居民用水，我們就要進(jìn)行臨時(shí)手動(dòng)工頻供水。首先要切斷加在變頻器上的三相電源，將電源連接在工頻中，由于水泵電機(jī)的容量一般較大，直接啟動(dòng)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)很大的起動(dòng)電流，這樣對(duì)電機(jī)的使用壽命有一定的影響，為減小起動(dòng)電源常采用補(bǔ)償降壓起動(dòng)，補(bǔ)償電壓起動(dòng)是大容量三相異步電動(dòng)機(jī)常用的起動(dòng)方法之一，按下啟動(dòng)按鈕后，降壓動(dòng)作，即接觸器KM1,KM2和時(shí)間繼電器得電，主電路上的接觸點(diǎn)KM1,KM2閉合電機(jī)從自藕變壓器中間抽頭霍德爾80%或60%額定電壓降壓起動(dòng)，以達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到一定值時(shí)，時(shí)間繼電器KT動(dòng)作，KM1,KM2主觸點(diǎn)斷開，KM3 接觸器得電，KM3 主觸點(diǎn)閉合，電機(jī)加額定電壓進(jìn)入全壓運(yùn)行狀態(tài)，即達(dá)到臨時(shí)手動(dòng)供水目的。

四、變頻器恒壓供水系統(tǒng)分析

（一）變頻恒壓供水系統(tǒng)

變頻調(diào)速技術(shù)原理是把工頻50HZ的交流電轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可調(diào)的交流電，通過改變交流電動(dòng)機(jī)定子繞組的供電頻率，在改變變頻率的同時(shí)也改變電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。此處變頻調(diào)速是根據(jù)用戶在單位時(shí)間內(nèi)用水量的的多少來調(diào)速。在水流量小的時(shí)候變頻控制水泵的轉(zhuǎn)速緩慢，或變頻器處于睡眠狀態(tài)。一旦水流量大時(shí)，變頻器則控制水泵快速運(yùn)行，以達(dá)到管網(wǎng)壓力一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。始終保持供求關(guān)系為：供水=用水。

（二）供水系統(tǒng)工作原理

1.變頻器恒壓恒壓供水采用變頻器的PID控制功能實(shí)現(xiàn)恒壓控制。2.變頻恒壓供水原理是指變頻器接受PID控制器的信號(hào)對(duì)水泵進(jìn)行速度控制，壓力傳感器檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，把信號(hào)傳給PID控制器，通過PID控制器調(diào)節(jié)變頻器的頻率來控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

變頻器與外部設(shè)備有九根接線除去與電動(dòng)機(jī)相連的三根導(dǎo)線外其余分別是：模擬是接地端AGND、24V直流電源、壓力反饋輸入端AI2，變頻器起動(dòng)與停止控 9

制端AI6（得電啟動(dòng)、失電停止）、用于故障保護(hù)的繼電器RO3的一對(duì)觸點(diǎn)B-C端。

轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1置手動(dòng)操作位置，即工頻接電源，變頻為斷開狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕SB2，接觸器KM1,KM2和時(shí)間繼電器KT線圈通電，主電路中KM1，KM2的主觸點(diǎn)閉合，電機(jī)開始降壓起動(dòng)，控制電路常開出點(diǎn)KM1斷開實(shí)現(xiàn)互鎖，KM1的常開觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)自鎖，同時(shí)時(shí)間繼電器KT開始延時(shí)，一段時(shí)間后，其常開觸點(diǎn)KT閉合，中間繼電器KA線圈通電，KA的常閉觸點(diǎn)斷開，使KM1，KM2，KT線圈斷電，觸點(diǎn)KM1恢復(fù)閉合，KA的兩個(gè)常開觸點(diǎn)閉合，上面一個(gè)實(shí)現(xiàn)自鎖，下面的常開觸點(diǎn)接通KM3線圈，KM3線圈得電KM3的常閉觸點(diǎn)斷開，工頻停止指示燈熄滅，KM3的常開觸點(diǎn)閉合，工頻運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮。同時(shí)其主觸點(diǎn)閉合，電機(jī)切斷降壓運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全壓運(yùn)行。

電機(jī)在工作狀態(tài)下，按一下停止按鈕SB1,可使KM3線圈斷電電機(jī)停止工作。轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1置自動(dòng)操作位置，即變頻運(yùn)行，水泵的起動(dòng)與停止，即可通過變頻器面板控制，也可以通過外部開關(guān)控制。

通過變頻器的面板控制起動(dòng)，是指用用水量來通過定時(shí)器DS決定線路是斷開還是閉合，在用水量較大時(shí)用定時(shí)器DS設(shè)定時(shí)間控制開關(guān)閉合，而在用水量小或不用水時(shí)定時(shí)器DS控制開關(guān)為斷開狀態(tài)，水泵停止運(yùn)行。一般設(shè)定的時(shí)間為五點(diǎn)至二十三點(diǎn)是閉合狀態(tài)，電機(jī)正常工作。其余時(shí)間是斷開狀態(tài)，水泵停止工作。也就是說變頻器進(jìn)入睡眠功能。變頻器的睡眠功能是指在無人用水或用水流量很小時(shí)的情況下，所有工頻泵均已停止運(yùn)行，只有變頻泵運(yùn)行在下限頻率，且用戶管網(wǎng)壓力仍然偏高則變頻泵停止運(yùn)行，輔助泵投入運(yùn)行，沒有輔助泵的系統(tǒng)則變頻泵進(jìn)入休眠狀態(tài)，所有水泵均停止運(yùn)行，由氣壓罐或自來水管網(wǎng)維持壓力。睡眠功能更有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

通過外部開關(guān)控制起動(dòng)，是指直接將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2轉(zhuǎn)換為閉合，變頻線路得電。這樣起動(dòng)電機(jī)會(huì)浪費(fèi)電能，減少電機(jī)的使用壽命，因?yàn)樵谏钜褂盟啃r(shí)或不用水時(shí)，電機(jī)還是在運(yùn)行。開關(guān)閉合后，線圈KM4通電，KM4的常閉點(diǎn)斷開變頻停止指示燈熄滅，KM4的常開觸點(diǎn)閉合變頻運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)主電路中的KM4主觸點(diǎn)閉合，變頻器得電并運(yùn)行。

五、變頻恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)及適用范圍

（一）變頻恒壓供水特點(diǎn)

1.采用可編程控制器，程序靈活多變，精度高，可靠性強(qiáng)，功能多，反映速度塊。

2.均配有穩(wěn)壓泵或穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，在用水量小到一定值時(shí)，主泵可停止運(yùn)轉(zhuǎn)，減少水泵電機(jī)的機(jī)械磨損并且節(jié)約電能。

3.對(duì)水泵均為軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，消除了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。4.根據(jù)用水量的變化，水泵循環(huán)變頻運(yùn)行，先啟的先停，使水泵均衡工作。當(dāng)一臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)六小時(shí)或二十四小時(shí)，自動(dòng)切換到另一臺(tái)。

5.最大的特點(diǎn)為雙恒壓控制，生活消防可公用的一套設(shè)備，為用戶節(jié)約投資。而且一機(jī)兩用，大大的提高了使用效率。

6.結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，安裝塊，投資省，運(yùn)行穩(wěn)定。無污染。

（二）變頻恒壓供水優(yōu)點(diǎn)

1.啟動(dòng)平衡，啟動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊．

2.由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等的使用壽命． 3.可以消除啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)．在主要功能預(yù)置方面，最高頻率應(yīng)以電動(dòng)機(jī)的額定頻率為變頻器的最高工作頻率．

4.節(jié)約電能。水泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，輸出功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比．根據(jù)所需流量變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，這樣就可以大量節(jié)約電能．

5.節(jié)約用水．采用變頻器進(jìn)行變頻恒壓供水，管道保持恒壓，可杜絕崩管現(xiàn)象，減少跑、冒、滴、漏等情況，從而節(jié)約用水．

6.延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命．利用供水專用變頻器進(jìn)行變頻恒壓供水，可保持系統(tǒng)水壓恒定，不會(huì)出現(xiàn)水壓過高的現(xiàn)象，管道的壓力一直可維持在合理的范圍內(nèi)，延長(zhǎng)了設(shè)備更換周期，減少了維修的投入，并且避免了管道崩裂事故． 7.無需儲(chǔ)水箱，避免了水箱內(nèi)長(zhǎng)期沉積污垢及滋生微生物對(duì)水體質(zhì)量的污染。

（三）適用范圍

1.各種類型的自來水廠，供水站。

2.工業(yè)與民用建筑的生活、生產(chǎn)、消防用水系統(tǒng)。

3.公共設(shè)施賓館，飯店的生活熱水，空調(diào)供水系統(tǒng)。

4.油田的輸油管道，油泵站恒壓輸送系統(tǒng)和工廠、礦山通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。5.熱水鍋爐定壓及熱水管道的定壓系統(tǒng)。

結(jié) 論

經(jīng)過這一個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)和對(duì)相關(guān)資料的收集，使我更加了解了變頻器的結(jié)構(gòu)和功能，同時(shí)也明白了變頻器在恒壓供水方面的作用，可以這樣說變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中充當(dāng)著整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，它是該系統(tǒng)的核心。變頻器在恒壓供水系統(tǒng)方面為人們的生活水平作出了巨大的貢獻(xiàn)，不僅僅為人們解決了用水的困難，保證水隨時(shí)都能用上水，而且還為人們節(jié)省了很多的金錢比如水泵的經(jīng)常性維修費(fèi)用等。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)環(huán)境要求的條件低，在變頻器出現(xiàn)故障點(diǎn)的時(shí)候還可以臨時(shí)啟用補(bǔ)償降壓系統(tǒng)供水保證居民有足夠的水源。該系統(tǒng)是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。在設(shè)計(jì)該過程中我遇到很多的困難，特別是對(duì)變頻器參數(shù)的設(shè)定，變頻器生產(chǎn)廠家的不同，也就決定變頻器的參數(shù)也是不同的，在我們所學(xué)的課程中變頻器一直為三菱的FR-510，現(xiàn)在突然要用ABB-ACS510變頻器多少有點(diǎn)不適應(yīng)，在陳老師所給的ACS510變頻器說明書中經(jīng)過慢慢的學(xué)習(xí)，總算是把其參數(shù)設(shè)定好，由于個(gè)人水平限制的原因，在編寫設(shè)計(jì)過程中陳老師給了很多的幫助，真的很感謝。

這次設(shè)計(jì)讓我了解到變頻器在生活中的重要性，它與社會(huì)的發(fā)展是緊密結(jié)合的，變頻器在恒壓供水方面只是它用處的冰山一角。現(xiàn)代機(jī)械生產(chǎn)是離不開變頻器的，為了能夠讓變頻器更好的為人類服務(wù)，我們應(yīng)該要進(jìn)一步對(duì)變頻器學(xué)習(xí)。

致 謝

本論文在劉靜老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下業(yè)已完成，從課題選擇到具體構(gòu)思和內(nèi)容，無不凝聚著老師的心血和汗水，在三年的大學(xué)學(xué)習(xí)和生活期間，也始終感受著導(dǎo)師的精心指導(dǎo)和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此向各位老師表示深深的感謝和崇高的敬意！

這次做論文的經(jīng)歷也會(huì)使我終身受益，我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己學(xué)習(xí)的過程和研究的過程，沒有學(xué)習(xí)就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會(huì)有所突破，那也就不叫論文了。這也使我認(rèn)識(shí)到?jīng)]有一件事是真正容易的，每一件事，不論它簡(jiǎn)單還是復(fù)雜？做好都是要付出艱辛的，都是要認(rèn)真對(duì)待的，不能眼高手低，否則一個(gè)小小的浪花也能顛覆大帆船。我希望這次的經(jīng)歷能讓我在以后學(xué)習(xí)中激勵(lì)我繼續(xù)進(jìn)步。不積跬步何以至千里，本設(shè)計(jì)能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。并且感謝他們?cè)诎倜χ谐槌鰧氋F的時(shí)間，對(duì)我予以幫助。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向煙臺(tái)技師學(xué)院，機(jī)電系的全體老師表示由衷的謝意。感謝他們?nèi)陙淼男燎谠耘唷Ｋ麄儾坏虝?huì)我各科知識(shí)，也教會(huì)我做人和為人處事的道理，這將伴隨我一生，也必將使我受用一生

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第三篇：實(shí)用型變頻恒壓供水系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

實(shí)用型變頻恒壓供水系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

實(shí)用型的變頻恒壓供水系統(tǒng)是經(jīng)得起考驗(yàn)的供水系統(tǒng)，湖南智康科技為此付出了很多，也得到了用戶的認(rèn)可，特此來分享下：

一、引言 在水源地內(nèi)，多眼井星羅棋布在水庫上。為了確保供水生產(chǎn)的安全、可靠、連續(xù)。針對(duì)水廠制水過程的特點(diǎn)和控制系統(tǒng)的功能要求，我們采用基于西門子PLC的恒壓力供水系統(tǒng)。

二、編程控制器概述

例如湖南供水設(shè)備廠家智康科技使用的PLC即可編程控制器，是一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)PLC曾作了如下定義：“PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體。易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。”這段話完全道出TPLC的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。其主要有以下特點(diǎn)：

1.可靠性高。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)控制設(shè)備安全可靠性的要求，PLC采用了微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成。

2.環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。PLC具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，可應(yīng)用于十分惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。在電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作，具有很好的抗宅間電磁干擾的能力，它一般對(duì)環(huán)境溫度要求也不高。在環(huán)境溫度-20至65度、相對(duì)濕度為35%至85%情況下仍可正常工作。

3.靈活通用。在完成一個(gè)控制任務(wù)時(shí)，PLC具有很高的靈活性。首先，PLC產(chǎn)品L三經(jīng)系列化，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，在機(jī)型上又很大的選擇余地。其次同一機(jī)型的PLC其硬件構(gòu)成具有很大的靈活性，用戶可以根據(jù)不同任務(wù)的要求，選擇不同類型的輸入輸出模塊或特殊功能模塊組成不同硬件結(jié)構(gòu)的控制裝置。

4.使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單。PLC控制的輸入輸出模塊。特殊功能模塊都具有即插即卸功能，連接十分容易。對(duì)于邏輯信號(hào)，輸入輸出均采用開關(guān)方式，不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)放大;對(duì)于模擬信號(hào)，輸入輸出均采用傳感器儀表和驅(qū)動(dòng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。各個(gè)輸入和輸出模塊與外部設(shè)備的連接十分簡(jiǎn)單。整個(gè)連接過程僅需要一把螺釘旋具即可完成。

三、變頻恒壓供水系統(tǒng)控翻方案的設(shè)計(jì)與選擇

變頻恒壓供水系統(tǒng)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(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元饅變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與J：頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場(chǎng)所，有以下方案可供選擇：

1.有供水專用的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳感器。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖然簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu).降低了設(shè)備成本，但對(duì)壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，無法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求，在調(diào)試時(shí)，PID調(diào)節(jié)參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化比較困難。調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，動(dòng)態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場(chǎng)合。

2.通用變頻器+單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器。這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性能價(jià)格比，但開發(fā)周期長(zhǎng)，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差，同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾。變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用F某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水。

3.通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+組態(tài)軟件十壓力傳感器。這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，町以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：通用性強(qiáng)，由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同的控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和UO的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過Pc機(jī)來改變存儲(chǔ)器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。通過對(duì)以上這幾種方案的比較和分析，可以看出“變頻器主電路++PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)十組態(tài)軟件十壓力傳感器”的控制方式更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。

四、變頦恒壓供水控制器性能特點(diǎn)

1.高效節(jié)能。優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實(shí)現(xiàn)最大限度地節(jié)能運(yùn)行。由電機(jī)學(xué)公式可知。系統(tǒng)電機(jī)功耗與電機(jī)轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，在壓力不變時(shí)。水泵出水量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成上E比。本設(shè)備采用恒壓量：r作方式。當(dāng)用水量減小時(shí)，系統(tǒng)保持管嗍恒壓，通過降低水泵轉(zhuǎn)

速來減少供水量，耗電量按立方特性降低。根據(jù)實(shí)際用水情況設(shè)定管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現(xiàn)象。

2.設(shè)備投資省、占地面積小。本系統(tǒng)與其它供水方式比較，由于主要設(shè)備只是控制柜及水泵，省去了大量的設(shè)備占地面積，從而大幅度節(jié)省了上建投資，而且就設(shè)備本身而言，供水量越大，采用變頻恒壓供水設(shè)備的價(jià)格優(yōu)勢(shì)就越顯著。

3.設(shè)備運(yùn)行合理、可靠性高、配置靈活。采用閉環(huán)調(diào)節(jié)控制技術(shù)，達(dá)到了恒壓供水，避免了由于超壓供水造成的電能浪費(fèi)。變頻器采用軟起動(dòng)工作方式，消除了直接起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和干擾，徹底避免了水泵啟動(dòng)時(shí)大電流和水壓突增的情況，減少對(duì)供電電網(wǎng)的沖擊，降低了電機(jī)及電氣元件的故障率。

4.聯(lián)網(wǎng)功能。采用全中文工控組態(tài)軟件一Kingview，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)站點(diǎn)，如電機(jī)的電壓、電流、工作頻率、管網(wǎng)壓力及流量等。并且能夠累積每個(gè)站點(diǎn)的用電量，累積每臺(tái)泵的出水量，同時(shí)提供各種形式的打印報(bào)表，以便分析統(tǒng)計(jì)。

5.減少污染。由于變頻恒壓調(diào)速宜接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。

五、恒壓供水設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合1.居民區(qū)、住宅樓、村鎮(zhèn)的集中生活供水系統(tǒng);

2.高層建筑、賓館、飯店等生活供水系統(tǒng);

3.綜合市場(chǎng)、寫字樓、商務(wù)樓宇的生活供水系統(tǒng)：

4.自來水廠、供水加壓泵站;

5.工礦企業(yè)的生產(chǎn)、生活供水、恒壓流量供水工藝流程等。

湖南智康環(huán)保節(jié)能科技有限公司，聯(lián)系：0731-84458533，李經(jīng)理

第四篇：開題報(bào)告-基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開題報(bào)告

電氣工程及自動(dòng)化

基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義

水是人類生活、生產(chǎn)中不可缺少的重要物質(zhì)，在政府及社會(huì)倡導(dǎo)節(jié)水節(jié)能現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能都及其短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水、小區(qū)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低，但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，住房制度改革的不斷深入，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多和人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、可靠性提出了越來越高的要求，也直接體現(xiàn)了城市小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。

傳統(tǒng)的小區(qū)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(diào)速的供水方式、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式。傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源;效率低;可靠性差;自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。尋求供水與能耗之間的最佳性價(jià)比，是困擾企業(yè)的一個(gè)長(zhǎng)期問題。目前各供水廠的供水機(jī)泵設(shè)計(jì)按最大揚(yáng)程與最大流量這一最不利條件設(shè)計(jì)，水泵大多數(shù)時(shí)間在設(shè)計(jì)效率以下運(yùn)行。導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)與水泵之間常常出現(xiàn)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(gè)供水解水企業(yè)關(guān)心的焦點(diǎn)問題之一。隨著人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，需要利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，要求設(shè)計(jì)出高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)供水廠的復(fù)雜環(huán)境的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。

隨著科學(xué)的發(fā)展，變頻器的使用也越來越廣泛，不管是工業(yè)上還是家用電器上都會(huì)用到變頻器。可以說，只要有三相異步電動(dòng)機(jī)的地方，就有變頻器的存在。也隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓的恒定來滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。

變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能上。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為了滿足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)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(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱大量的資料的情況來看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本較高。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)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(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。

在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)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(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正朝著高可靠性、多品種系列化、全數(shù)字化微機(jī)控制的方向發(fā)展。追求高度智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。

變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用于生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場(chǎng)合的供水要求，該系統(tǒng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)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(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性。

(2)用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏璧纫蛩氐挠绊懀瑫r(shí)又由于水泵自身的一些特有的特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)。

(3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異性，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性以及不確定性。

(4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入，而定量泵的控制是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化。所以認(rèn)為變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)時(shí)變化的。

(5)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果十分顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

(6)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動(dòng)器故障等)時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。

二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：

研究的基本內(nèi)容：

1)

基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的系統(tǒng)組成以及工作原理。

2)

基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的PLC程序的設(shè)計(jì)。

3)

狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換控制的電氣設(shè)計(jì)方案。

4)

上、下位機(jī)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(tǒng)的工作原理。

2、基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。

3、PID算法在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。

4、完成上、下位機(jī)的通信設(shè)置，通過通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障報(bào)警。

三、研究步驟、方法及措施：

步驟及方法：

(1)了解國(guó)內(nèi)外PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

(2)掌握基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理。

(3)重點(diǎn)討論P(yáng)LC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)、PID算法在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用以及上、下位機(jī)的通信設(shè)置，通過通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障報(bào)警。

(4)

設(shè)計(jì)一套由PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、多臺(tái)水泵機(jī)組、計(jì)算機(jī)、通信模塊等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動(dòng)變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

(5)得出結(jié)論。

措施：

圖書館查找相關(guān)的書籍、期刊、雜志等，通過上網(wǎng)尋找相關(guān)的一些資料，查看當(dāng)代對(duì)該技術(shù)的研究成果和最新的動(dòng)態(tài)。然后通過對(duì)這些資料的學(xué)習(xí)和研究進(jìn)一步的熟悉和理解設(shè)計(jì)所需的相關(guān)知識(shí)。在設(shè)計(jì)過程中及時(shí)與指導(dǎo)老師探討，對(duì)不了解的問題及時(shí)向老師請(qǐng)教。

四、參考文獻(xiàn)

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第五篇：基于S7-200和MM440的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

供水系統(tǒng)在人們生活和工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中是必不可少的。隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)供水系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性的要求越來越高。變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠很好的滿足現(xiàn)代供水系統(tǒng)的要求。

在變頻恒壓供水系統(tǒng)出現(xiàn)以前，有以下供水方式：(1)單臺(tái)恒定轉(zhuǎn)速泵的供水系統(tǒng)

這種供水方式是水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，嚴(yán)重影響了城市公用水管管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定，水泵整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)。這種系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。(2)恒定轉(zhuǎn)速泵加水塔（或高位水箱）的供水系統(tǒng)

這種供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔注滿水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度時(shí)水泵啟動(dòng)，水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種方式比前一種省電，供水壓力比較穩(wěn)定，但基建設(shè)備投資大，占地面積大，水壓不可調(diào)，供水質(zhì)量差。(3)恒定轉(zhuǎn)速泵加氣壓罐的供水系統(tǒng)

這種供水方式是利用封閉的氣壓罐代替水塔蓄水，通過檢測(cè)罐內(nèi)壓力來控制水泵的開與停。當(dāng)罐中壓力降到壓力下限時(shí)，水泵啟動(dòng)；當(dāng)罐中壓力升到壓力上限時(shí)，水泵停止。這種方式，設(shè)備的成本比水塔要低很多。但是電機(jī)起動(dòng)頻繁，易造成電機(jī)的損壞，能耗大。

變頻恒壓供水系統(tǒng)不僅克服了過去供水系統(tǒng)的缺點(diǎn)，而且有其自身的優(yōu)點(diǎn)。此系統(tǒng)采用了先進(jìn)的s7－200plc和變頻器mm440，s7-200具有低廉的價(jià)格和強(qiáng)大的指令，可以滿足多種多樣的小規(guī)模的控制要求，變頻器mm440具有很高的運(yùn)行可靠性、功能的多樣性和全面而完善的控制功能。這種供水方式不僅提高了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且實(shí)現(xiàn)水泵的無級(jí)調(diào)速，使供水壓力能夠跟蹤系統(tǒng)所需水壓，提高了供水質(zhì)量。同時(shí)變頻器對(duì)水泵采取軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很小，啟動(dòng)能耗小。2 供水系統(tǒng)的基本特性

供水系統(tǒng)的基本特性是水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程h與流量q之間的關(guān)系曲線f(q)，前提是供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變。揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程h與用水流量q之間的關(guān)系。由圖1的揚(yáng)程特性表明，流量q越大，揚(yáng)程h越小。在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量q的大小主要取決于用戶的用水情況。

管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔y門在某一開度下，揚(yáng)程h與流量q之間的關(guān)系h=f(q)。管阻特性反映了水泵轉(zhuǎn)動(dòng)的能量用來克服水泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由圖1可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系統(tǒng)的供水能力。

揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的平衡工作點(diǎn)，如圖1中a點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量達(dá)到平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)用水流量和供水流量達(dá)到平衡時(shí)，揚(yáng)程ha穩(wěn)定，供水系統(tǒng)的壓力也保持恒定。

圖1 供水系統(tǒng)的基本特性 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

變頻恒壓供水系統(tǒng)采用西門子的s7-200 plc作為控制器，變頻器mm440是頻率調(diào)節(jié)器，交流接觸器和電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，壓力傳感器作為控制的反饋元件。s7-200 plc選用內(nèi)部控制模塊cpu224，模擬量2路輸入通用模塊、模擬量2路輸出通用模塊和pid模塊。cpu224有14路輸入/10路輸出，對(duì)于小型的控制系統(tǒng)而言夠用。pid模塊使用方便，在軟件中只需要配置pid的每個(gè)參數(shù)。

三相交流電與mm440的電源輸入口連接，經(jīng)過變頻器變頻后的交流電接異步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)。s7-200數(shù)字輸出口輸出控制信號(hào)到交流接觸器，交流接觸器兩端連接的是工頻或變頻的三相交流電，主要起接通或斷開三相交流電與異步電動(dòng)機(jī)。s7-200的模擬輸出口輸出控制電壓信號(hào)給mm440的模擬電壓輸入口ain1+和ain1-，該控制電壓主要調(diào)節(jié)交流電的頻率。壓力傳感器從供水網(wǎng)絡(luò)中反饋壓力信號(hào)，壓力信號(hào)經(jīng)過濾波放大后輸入給s7-200的模擬輸入口。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的總體框圖

3.2 系統(tǒng)的工作原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)是由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，通過變頻器調(diào)節(jié)輸入交流電的頻率而調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量來調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)的壓力。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

其中：n0為異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速； n為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

f為異步電機(jī)的定子輸入交流電的頻率； s為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率； p為異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由上式可知，當(dāng)異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子輸入交流電頻率f成正比。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)，運(yùn)行在自動(dòng)模式時(shí)，此時(shí)手動(dòng)模式無效。系統(tǒng)按照給定的水壓進(jìn)行設(shè)定，plc根據(jù)給定的水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)交流電的頻率，精確跟蹤給定的供水壓力。在用水量高峰時(shí)期，系統(tǒng)的用水量猛增，揚(yáng)程降低，供水量不足，供水水壓下降，1#電機(jī)輸入交流電的頻率會(huì)升高，以提高供水水壓。當(dāng)交流電的頻率達(dá)到最大頻率，供水水壓仍然小于設(shè)定的水壓時(shí)，1#電機(jī)會(huì)自動(dòng)切換到工頻狀態(tài)下，同時(shí)2#電機(jī)啟動(dòng)并工作在變頻狀態(tài)。在夜間，系統(tǒng)的用水量遞減，揚(yáng)程升高，供水量過大，2#電機(jī)會(huì)退出變頻狀態(tài)，1#電機(jī)由工頻切換到變頻狀態(tài)，并不斷調(diào)節(jié)交流電頻率，系統(tǒng)最終要維持供水的設(shè)定壓力。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在手動(dòng)模式時(shí)，自動(dòng)模式無效。在自動(dòng)模式出現(xiàn)問題或系統(tǒng)在維護(hù)期間時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)采用手動(dòng)模式。用戶根據(jù)需要，可以從plc的輸入開關(guān)輸入信號(hào)，選擇1#電機(jī)或2#電機(jī)運(yùn)行在工頻狀態(tài)。

變頻恒壓供水系統(tǒng)的功能要求：系統(tǒng)的供水壓力能夠準(zhǔn)確跟蹤給定供水壓力（穩(wěn)態(tài)誤差在5％內(nèi)）；可以自動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)模式/手動(dòng)模式切換。

系統(tǒng)的控制原理框圖如圖3所示。壓力傳感器從供水管網(wǎng)反饋電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過濾波放大后送到s7-200的模擬輸入口，與給定的供水壓力信號(hào)比較形成壓力偏差信號(hào)，經(jīng)過plc（s7-200）pid模塊pi調(diào)節(jié)后發(fā)出控制電壓信號(hào)，送到變頻器mm440的模擬輸入調(diào)節(jié)端口。送到變頻器mm440的模擬電壓信號(hào)與連接到變頻器mm440的三相交流電的頻率一一對(duì)應(yīng)，調(diào)節(jié)控制電壓信號(hào)就可以調(diào)節(jié)三相交流電的頻率。系統(tǒng)是以供水管網(wǎng)的供水壓力為控制對(duì)象而構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是按照兩個(gè)電機(jī)就可以完全滿足供水要求。

圖3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制原理框圖 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 主電路

變頻恒壓供水系統(tǒng)就是利用異步電機(jī)拖動(dòng)水泵的。系統(tǒng)的主電路由電源開關(guān)q、熔斷器fu、交流接觸器km、熱繼電器kr等組成，采用了一臺(tái)變頻器切換控制兩臺(tái)電機(jī)，1#電機(jī)和2#電機(jī)可以在工頻和變頻狀態(tài)下進(jìn)行切換，交流接觸器的通斷由s7－200的輸出口控制。主電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主電路圖

4.2 控制電路

控制電路主要由plc（s7－200）、變頻器mm440等組成，plc外圍電路接線圖如圖5所示。總電源開關(guān)為q，sb0為plc的程序啟動(dòng)按鈕，與plc的i0.0輸入口相連接，當(dāng)按下sb0時(shí)，i0.0為“1”，plc程序啟動(dòng)。k1為系統(tǒng)的自動(dòng)模式開關(guān)，當(dāng)k1接通時(shí)，i0.1為“1”，交流接觸器km1閉合，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)變頻器的頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，i0.5為“1”，1#泵和電機(jī)切換到工頻狀態(tài)下，2#泵和電機(jī)變頻啟動(dòng)。當(dāng)變頻器的頻率達(dá)到下限頻率時(shí)，i0.6為“1”，2#電機(jī)停止運(yùn)行，1#電機(jī)由工頻切換到變頻狀態(tài)下。i0.5和i0.6的狀態(tài)由變頻器輸入。k2為系統(tǒng)的手動(dòng)模式開關(guān)，當(dāng)k2接通時(shí)，i0.2為“1”，交流接觸器km1斷開，系統(tǒng)不能自動(dòng)運(yùn)行，用戶可以根據(jù)需要接通k3或k4來選取1#電機(jī)或2#電機(jī)工頻運(yùn)行。km1為控制1#電機(jī)和2#電機(jī)在自動(dòng)模式下運(yùn)行的交流接觸器，km2為控制1#電機(jī)在變頻下運(yùn)行的交流接觸器，km3為控制1#電機(jī)在工頻下運(yùn)行的交流接觸器，km4為控制2#電機(jī)在變頻下運(yùn)行的交流接觸器，km5為控制2#電機(jī)在工頻下運(yùn)行的交流接觸器。

圖5 plc外圍接線圖 程序設(shè)計(jì)

5.1 plc程序設(shè)計(jì)

plc程序設(shè)計(jì)的主要流程如圖6所示。合上開關(guān)q，按下起動(dòng)按鈕sb0，plc程序復(fù)位。當(dāng)合上開關(guān)k1，i0.1為“1”，系統(tǒng)在自動(dòng)模式下運(yùn)行，交流接觸器km1接通，系統(tǒng)將根據(jù)程序跟蹤設(shè)定供水壓力。

圖6 主程序流程圖

當(dāng)用戶用水量遞增，變頻器達(dá)到頻率50hz，供水壓力還沒有達(dá)到設(shè)定的供水壓力時(shí)，mm440輸出高電平到i0.5。此時(shí)，q0.1為“0”，q0.2為“1”，交流接觸器km2斷開，km3接通，1#電機(jī)由變頻切換到工頻。定時(shí)器計(jì)時(shí)3s，變頻器停止，變頻器的頻率由最高頻率50hz逐漸下降，3s后q0.3為“1”，2#電機(jī)接到變頻器開始變頻運(yùn)行。設(shè)置延遲時(shí)間主要原因是讓變頻器的頻率下降，軟啟動(dòng)靜止的2#電機(jī)，減小電機(jī)啟動(dòng)電流，避免電機(jī)燒毀。

當(dāng)用戶用水量減小，變頻器達(dá)到下限頻率30hz，供水壓力還是高于設(shè)定的供水壓力時(shí)，mm440輸出高電平到i0.6。此時(shí)，q0.4為“0”，km2斷開，2#電機(jī)退出變頻并逐漸停止。同時(shí)q0.1為“1”，q0.2為“0”，交流接觸器km2接通，km3斷開，1#電機(jī)由工頻切換到變頻。下限頻率設(shè)定在30hz主要原因：在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低時(shí)會(huì)出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于基本揚(yáng)程（實(shí)際揚(yáng)程）形成水泵“空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。在多數(shù)情況下，下限頻率應(yīng)定為30hz～35hz。

當(dāng)合上開關(guān)k2，系統(tǒng)在手動(dòng)模式下運(yùn)行，交流接觸器km1斷開。用戶可以根據(jù)需要，合上開關(guān)k3，交流接觸器km3接通，選擇1#電機(jī)在工頻下運(yùn)行。合上開關(guān)k4，交流接觸器km5接通，選擇2#電機(jī)在工頻下運(yùn)行。

5.2 變頻器mm440的參數(shù)配置

變頻器mm440主要使用的是模擬輸入口ain1+和ain1－，模擬電壓信號(hào)輸入后通過a/d轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號(hào)。由plc模擬輸出口輸出模擬控制電壓信號(hào)，輸入到變頻器的模擬口，變頻器的頻率和控制電壓一一對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)使用變頻器的模擬端口，最高頻率應(yīng)該設(shè)置為50hz，最低頻率為30hz。mm440的參數(shù)配置如附表所示。

附表 mm440的參數(shù)配置 結(jié)束語

應(yīng)用西門子plc（s7－200）內(nèi)部的pid模塊和變頻器mm440的無極調(diào)速控制恒壓供水系統(tǒng)，高效節(jié)能，調(diào)速供水效果突出，抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)采用變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)行軟起動(dòng)，減少了設(shè)備損耗，延長(zhǎng)了水泵、電機(jī)設(shè)備的使用壽命。以供水水壓為控制對(duì)象的閉環(huán)控制，穩(wěn)態(tài)誤差小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，運(yùn)行穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)效果表明，采用plc（s7－200）和變頻器mm440構(gòu)成的變頻恒壓供水系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，體現(xiàn)了變頻調(diào)速恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為供水領(lǐng)域開辟了切實(shí)有效的途徑。

作者簡(jiǎn)介

蔡文舉（1978-）男 教師/碩士，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)供職于深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，研究方向?yàn)殡娏﹄娮印㈦娏鲃?dòng)和電氣自動(dòng)化理論及其應(yīng)用。

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