毕业设计变频恒压供水系统

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1、毕业设计（论文）I目录摘要.IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 高层建筑供水方式的发展 .11.2 变频恒压供水系统的国内研究现状 .21.3 课题的主要研究设计内容 .42 供水系统简介 .52.1 水泵供水的主要参数 .52.2 供水系统的基本特性 .52.3 水泵调速运行的节能原理 .63 供水系统的整体设计方案 .93.1 供水系统的构成.93.2 供水系统要求实现的功能 .113.3 供水系统工作原理 .124 供水系统的硬件设计 .154.1 供水系统的硬件组成 .154.2 可编程控制器(PLC)选型 .154.3 变频器选型 .164.4 水泵及其电动机的选型 .17

2、4.5 远传压力表选型 .184.6 触摸屏 .194.7 软启动器、自耦变压器 .194.8 PLC 用隔离变压器、低压电器、控制柜.194.9 供水系统电路设计 .204.9.1 系统主电路 .204.9.2 系统控制电路 .204.9.3 PLC I/O 分配.214.9.4 缺水保护电路 .225 供水系统的软件设计 .24毕业设计（论文）II5.1 PID 调节.245.1.1 PID 调节原理.245.1.2 PID 参数设置.255.1.3 PID 设定值的调整.265.1.4 PID 控制算法.275.2 系统运行主程序 .275.3 故障检测子程序 .285.4 数字 PID

3、 子程序.295.5 泵切换程序 .305.6 对外通讯子程序 .326 实验室现场调试与小结 .336.1 硬件功能性调试 .336.2 系统总体调试 .336.3 小结 .34结束语 .35参考文献 .36附录 PLC 梯形图.37致谢 .44毕业设计（论文）I摘要随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本设计首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理。接着分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制

4、方案，通过研究和比较，采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。然后用PID对系统中的恒压控制器进行设计，最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍，该变频恒压供水系统可运用于许多实际的供水控制系统中，并能够取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。关键词：变频调速；恒压供水；PLC毕业设计（论文）IIABSTRACTWith the rapid development of social economy, it demands the better of water supply s quality and reliability of water supply system. Meanwhile

5、 energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with help of advanced technique of automation, control and communication. At the same time this system can adapt different water supply fields.This desig

6、n explains water supply systems energy-saving principle of pump of speed control according to characteristic curve of running pipelines and water pump, analyzes the structure of VF speed regulating constant pressure water supply and gives several control methods whose features are researched and com

7、pared in this design. On the basis of above PLC and inverter s method fits water supply system and data transmission very well. Then constant pressure supply water controller is designed by PID. The design of the system s hardware and soften is introduced thoroughly, The design of inverter constant

8、pressure water supply system can be applied to many internal water supply systems, the effect of which is stable, credible and energy-saving.Key words: Speed-frequency variable；Constant pressure water supply；PLC11 绪论水是生命之源，人类生存离不开水。我国是一个水资源和电能相对短缺的国家，现代化进程的加快，城市的高层建筑越来越多，在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动

9、较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故），采用各种自动化手段来节约用水、节约用电已经成为我们国家发展的当务之急。随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡。但是用户用水量是经常变动的，因

10、此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。本设计采用简单实用的PLC和变频调速技术，集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体去改造传统的城市高楼供水系统。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理，同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.1

11、高层建筑供水方式的发展我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。主要表现生产生活中的用水量常随时间而变化，季节、昼夜相差很大。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全

12、与可靠性。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定2可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。导致电动机与水

13、泵之间常常出现大马拉小车问题(如图1-1)。因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水企业关心的焦点问题之一。所以研究设计基于PLC变频调速的恒定水压供水系统(简称变频调速恒压供水，如图1-2)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。 图1-1 传统供水机泵示意图 图1-2 变频调速供水机泵示意图1.2 变频恒压供水系统的国内研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频

14、恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式” ， “变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器

15、和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和3稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现；

16、有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现已更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出子恒压供水专用变频器(5.5k w-22kw) ，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水

17、场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。变频恒压供水系统的主要特点主要是：1）高效节能，可以实现节电20%40%，能实现绿色用电；2）占地面积小，投入少，效率高；3）配置灵活，自动程度高，功能齐全，灵活可靠；4）运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上平均扭矩和磨损减少，减少了维修量和维修费用，水泵的使用寿命大大提高；5）由于能对水泵实现软启动，并可消除水锤效应；6）操作简便，省时省力；7）由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供

18、水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:1）小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kw以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式.如希望集团(森兰变频器)推出的恒压供水专用变频器(5.5kw22kw)。2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机功率在135kw320kw之间，电网电压通常为200V或380V。受

19、中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。3）大型供水厂的变频恒压供水系统4这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kw)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器。在本设计中，研究和设计的变频器是以第一种应用范围为基础。1.3 课题的主要研究设计内容通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国己成为供水行业发展的主流趋势。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、各种传感器等组成。本文研究的目标是对

20、恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速。本文研究设计的主要内容如下:1）对变频恒压供水国内外现状进行调研，并提出采用具有众多优点的变频调速恒压供水方案。2）从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点(工况点)的确定方法和水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。3）介绍了基于PLC的变频调速恒压供水控制系统的设计，该系统由一台变频器轮流拖动3台水泵电机变频运行。远传压力表采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力信号调整水泵电动机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流

21、量调节，保证管网压力恒定。重点介绍变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计。4）通过内置PID功能三菱FR-A540变频器基本原理的介绍，采用PID算法控制水泵电机转速，实现变频调速恒压供水。5）现场调试设备并进行节能性模拟实验，验证系统的可靠性与经济性。52 供水系统简介2.1 水泵供水的主要参数1）流量流量是单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号是Q，常用单位是m3/s、m3/min、m3/h等.供水系统的基本任务是满足用户的流量需求。2）扬程扬程是单位质量的水被上扬时所获得的能量，符号是H，常用单位是m。扬程主要包括三个方面:第一是提高水位所需的能量；第

22、二是克服水在管网中流动时所需的能量；第三是使水流具有一定流速所需的能量。由于在同一管路中，上述的第二和第三是基本不变的，在数值上也相对较小。可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。因此，在同一管路内进行分析时，常简略地把水从一个位置“上扬”到另一位置时，用水位的变化量(即水位差)代表扬程。3）全扬程全扬程也称为总扬程或水泵扬程，全扬程是说明水泵的泵水能力的物理量。包括把水从水池的水面上扬到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，符号是HT。4）实际扬程实际扬程即通过水泵实际提高的水位所需的能量，符号是HA 。5）损失扬程全扬程与实际扬程之差，即损失扬程，符号是HL

23、，HT 、HA和HL之间的关系是: HT = HA + HL （2-1）6）管阻管阻是管道系统(包括水管、阀门等)对水流阻力的物理量，符号是R。通常用扬程与流量间的关系曲线来描述。2.2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f (Q)，如图2-1所示。由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量

24、Q之间的关系H=f(Qu)。管阻特性反映了水泵的能量6用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qg之间的关系H=f(Qg)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2-1中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qg处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。图2-1 供水系统的基本特性曲线2.3 水泵调速运行的节能原理在供水系统中，通常以流量为

25、控制对象，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度的大小来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，

26、用水量减小时电机减速。图2-2为管网及水泵的特性曲线。7图2-2 水泵的H-Q特性曲线当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2，时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从, 3移到1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为(0, Q2，F，H1)围成矩形部分，其值为： （2-2）102/2Q*H1PF当用调速控制时，若采用恒压(H0)、变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为2,扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率用图形表示为(0, Q2，D，H0)围成

27、的矩形面积，其值为: （2-3）Q2/102*H0PD可见改用调速控制，节能量为(H0,D，F，H1)围成的矩形面积，其值为: （2-4）H0)Q2/102-(H1P-PPDF所以，当用阀门控制流量时，有功率P功率被浪费掉。并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H，功率P与转速N之间关系为: Q2/Q1=N2/N1；H2/H1=（N2/N1）2；P2/P1=（N2/N1）2 （2-5）式中，Q1、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2、H2、P2为变速后

28、的流量、扬程、功率。由公式( 2-5)可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。2.4 变频调速原理8变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的17。异步电机的转差率定义为:S=1-(n/n1) （2-6）异步电机的同步速度为:n

29、1=60f/p （2-7）异步电机的转速为:n= 60f(1-S)/p （2-8）其中:n1为异步电机的同步转速；n为异步电机转子转速；f是异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。从上式可知，当电机电极对数p不变时，电机转子转速、与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速，都可以保持有限的转差率，因而变频调速只有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。变频调速可用普通的异步电机，异步电机结构简单、维护方便、坚固耐用、经济可靠，适应各

30、种恶劣的环境。特别是近年来出现的高性能、高精度的变频器，变频调速完全可以达到直流调速一样的性能。从设备投资来看，变频调速系统与同容量的直流调速系统可节省投入的20%左右。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用十对水泵(风机)电机的调速。93 供水系统的整体设计方案3.1 供水系统的构成由于本设计的供水系统要适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水，在此变频调速恒压供水系统中，主要由PLC、变频调速器、软启动器、压力变送器、水位传感器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环控制系统。此外还包括空气开关、断路器、接触器和中间继电器等系统保护电器，实现对变频器、电

31、机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。PLC和变频器作为系统控制的核心，根据给水母管压力与压力设定值的偏差变化情况，自动控制给水泵的投人台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压供水。其中控制参量的PID算法可消除控制参量的静态误差、突变、滞后等现象，缩短系统稳定的时间。我们以三台水泵组成的供水系统为例，其原理框图如图3-1所示。图3-1 变频调速恒压供水系统原理图从3-1系统原理图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。1）执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，当水泵采用循环的控制方式时，P1，P2，P

32、3既可以做调速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式时，PI, P2，P3中只有一台可以调速泵，其余两台为恒速泵。2）信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号:10水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测结果可以送给PLC，作为数字量输入。液位信号:它反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵因空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处的液位传感器。报警

33、信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。3）控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种

34、工作方式:a、变频循环式 :变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。b、变频固定式 :变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中等工作。4）人机界面人机界面是人与机器

35、进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。 （触模屏）5）通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换;同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。116）报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、

36、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。3.2 供水系统要求实现的功能系统要求实现如下功能:1）全自动运行合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从OHz上升，同时PID调节程序将接收到自远传压力表的信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升，直到50Hz, 1#水泵由变频切换为工频，同时对2#水泵进行变频启动，变频器频率逐渐上升至需要值，加泵依次类推；如用水量减小(压力过大)，变频器下限频率持续出现，则将先启动的水泵先切除。若有电源瞬时停

37、电的情况，则系统停机:待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。变频自动控制功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台水泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。2）手动运行当远传压力表故障或变频器故障时，为确保用水，三台泵可分别以手动控制方式工频运行。3）停止转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。4）采用“自动切换”和“先启先停”原则“自动切换”是指当一台单独运行水泵或者有两台同时运行的水泵，运行在这种状态下持续时间达到设定时间时自动换泵运行。 “先启先停”是指哪一台先启动的水泵在压力过大时也先被切除，这样保证系统的

38、每台泵运行时间接近，防止有的泵运行时间过长，而有的水泵却长时间不用而锈死，从而延长了设备的使用寿命。5）平稳切换，恒压控制生活供水时，系统低恒压值运行，消防供水时，系统高恒压值运行。远传压力表将主水管网压力信号经PLC的扩展模块PID运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速以使管网的压力稳定。当在运行的水泵全速运行，还未达到给定压力时，变频运行的水泵被切换到工频运行，变频器将启动另一台泵(即采用软启动)。6）完善的各种保护、报警功能a、对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现机械和电气互锁，防止短路产生。b、当水泵的功率较大时，为防止直接启动电流过大，需要采用软启动方法，即用变12频

39、器来启动水泵。c、运行的水泵在断开电源后，利用其运行的惯性切换到工频，可避免切换过程中产生过电流.d、电动机的热保护。虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小，但是当用户用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升速、降速状态，这时电动机的电流可能超过额定电流，导致电动机过热。因此电动机的热保护是必须的。e、具有缺水保护功能。当水泵工作在自动状态，为防止当水池没水时水泵空载运行，烧坏水泵电机，系统设计一个缺水保护电路。当水池缺水时，保护电路中继电器常开触点断开，切断控制电路电源，从而保护系统。f、在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过3小时，则要切换下一台泵，即系统具有“倒泵功能” ，避

40、免某一台水泵工作时间过长。3.3 供水系统工作原理市网子来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为水位报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。生活和消防用水共用三台水泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台水泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持水位低？恒压值。当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台水泵给消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，三台水泵再改为生活供水使用。1）生活供水系统工作原理安装于生活供水管道上的压力变

41、送器将管网压力检测值转换为4-20mA 的电信号送入变频器的？，一般情况下由上位PC机给定生活管网压力，然后与压力传感器所测管网实际压力进行比较，将差值送人变频器内置PID进行运算，产生一个偏差信号去控制变频器的输出频率，从而控制电机转速使管网压力恒定。当用水量不大时，一台水泵(1#水泵)在变频器的控制下稳定运行。当用水量增大时，管网压力下降，当管网压力下降到下限值时由变频器输出一个下限信号给PLC?，PLC自动将第二台水泵（2#）投入变频运行，将原工作在变频状态下的第一台水泵（1#水泵）切换为工频运行，两台水泵运行以加大管网的供水量保持压力稳定。若两台水泵运行仍不能满足用水量的需要时，则PL

42、C自动将第三台水泵（3#水泵）投入变频运行，将原工作在变频状态下的第二台水泵（2#水泵）切换为工频运行，三台水泵运行以进一步加大管网的供水量保持压力稳定。当用水量减少时，管网压力上升，当管网压力上升到上限值时由变频器输出一个上限信号给PLC，PLC自动将第一台水泵（1#水泵）停止运行。当用水量进一步减少时，PLC自动将第二台水泵（2#水泵）停止运行，此时只剩下第三台水泵（3#水泵）用变频器变频调速恒压供水。依次类推，各台水泵交替工作于变频和工频状态。水泵运行遵循先入先出的原则，即先13接通先断开，用水量增加时先将原变频工作的水泵切换为工频运行，同时增加一台水泵为变频运行；用水量减少时，将先启动

43、的水泵停机。每台水泵变频工频运行概率相同，以避免某台水泵长期不运行而生锈的情况发生。2）消防供水系统工作原理本系统设置消防水泵工频运行，由PLC进行消防水泵电机组自动控制，在备用时消防水泵自动定期交替试运行，每台水泵试运行时间和两台水泵之间的试运行间隔时间可由用户根据系统情况进行调节。这样可以定期进行消防供水系统设备的检查与维修，防止因消防系统长期不运行而造成设备的损坏，致使消防用水时不能及时正常供水的现象发生。如遇火情，生活供水状态立即转人消防供水。首先由上位机给定压力值，然后系统按控制过程通过变频器和PLC的控制迅速使消防管网压力到达设定值附近。当水流检测器出现故障时，还可通过按动消防专用

44、启动按钮启动消防水泵运行。消防供水的恒压控制是通过压力检测器的低压触点和高压触点与PLC联合控制的，其控制过程与生活用水恒压控制类似。当消防用水完毕后，水流检测器常开触点断开或者手动按下消防水泵停止按钮，则重新进入试机循环。控制系统设有手/自动切换开关。选择手动方式时，可分别通过现场控制柜的按钮控制各台泵的单独运行与停止，便于系统调试、定期检修和临时供水。选择自动工作方式时，PLC首先使第一台给水泵变频启动，转速从0开始随频率的提高而上升，此时安装在给水母管上的压力变送器将母管压力反馈给PLC，与预先设定的给定压力进行比较，通过PID运算，调节变频器的输出频率，以维持水压恒定，这种跟踪调节是精

45、确而平滑的，称为细调节。如果该台调速泵调到最大供水量(即对应于50Hz的最高频率)仍达不到压力给定值，则延时一段时间(避免瞬时干扰信号)控制第一台水泵进入工频运行，变频器频率从50Hz迅速下降到OHz，同时使第二台泵变频启动，如水压仍不能满足要求，则重复上述过程启动第三台泵。如此反复，直到压力符合要求；反之，如果变频水泵运行降到0Hz时母管压力仍大于给定压力值，则延时一段时间后关闭一台工频水泵，使变频器频率从0Hz迅速上升到50Hz，对水压进行调节，直到母管压力达到设定值，这种调节方式称为粗调节。这样，水泵切换过程是平稳的，不会出现楼上用户短时停水的现象。在单泵运行或多泵并联运行状态下，根据先

46、开先停的原则，只要任意一台泵连续运行超过规定时间(如24小时)，便可通过程序控制自动实现停机轮休，以延长泵组的使用寿命。由PLC控制变频调速装置，通过测量给水母管的压力，将其转换成420mA的模拟量信号，进而控制变频器的输出频率，调节水泵电机转速，使其自动适应水量变化，稳定供水压力。系统运行中，总有一台水泵处于变频调速状态，而其它为工频恒速或停机等待状态，保持有一台水泵由变频电源驱动，实现水压的细调节，以保证调节时间不大于l0s，水压波动不超过0.01MPa。当控制系统出现故障而失灵时，可将变频器切至手动操作方式。有些变频恒压供水装置在水压高时直接切除一台工频泵，再由变频泵进行调节。这14种切

47、泵的方式显然存在供水水压的剧烈变化。在实际设计中，将变频器以工频运行方式转换到正在以工频运行的工频泵上，再逐渐降低频率，实现变频恒压供水的无冲击切泵，使水压过渡平稳，防止出现水压大幅度波动及水压为0的短时断水现象，提高了供水质量。在系统工作过程中，由于切换时接触器吸合和释放存在着延时，水泵电机在切换到电网时会产生较大的电流冲击，设计中可适当使切换频率大于50Hz，就可以尽量减小冲击电流。若无人值班时突然停电，在恢复供电后水泵无法启动而造成断水。设计中可设置为变频自启动方式，在电源恢复后，PLC控制报警器报警，然后按自动运行方式变频启动水泵，直到稳定地运行在给定水压值。为防止变频器50Hz驱动与

48、市电50Hz驱动时电机输出功率不同而造成反复加泵/减泵现象，程序中加泵/减泵的切换点设置为不是刚好等于设定值，加泵时压力值为“设定值-” ，减泵时判断点为“设定值+。其中根据水压控制的精度要求而进行相应的设置。154 供水系统的硬件设计4.1 供水系统的硬件组成根据3.1节中变频调速恒压供水系统组成原理图，得到该系统的电气控制框图如图4-1：图4-1 变频调速恒压供水控制系统电气控制系统结构图根据该框图，系统所需的硬件有:1）PLC及扩展模块2）变频器、水泵机组3）人机界面（触摸屏）4）软启动器或自耦变压器5）压力传感器、压力变送器、电接点压力表、水位传感器。6）PLC用隔离变压器、低压电器以

49、及控制柜4.2 可编程控制器(PLC)选型可编程控制器（Programmable Logic Controller）是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC是该控制系统的核心部件，合理选择PLC对于保证整个控制系统的技术指标和质量至关重要的。选择PLC应包括PLC机型、容量等的选择。1）PLC机型选择机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系

50、统工作可靠，维护使用方便及最佳的性能价格比。16a、结构合理对于工艺比较固定，环境条件较好，维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC。b、功能强弱适当对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC。 2）PLC容量的选择PLC容量主要是指是PLC的I/O点数，I/O点数也应留有适当裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的1/O点是数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常1/0点数按实际需要的考虑留10%-15%点数备用量。根据系统要求和功能，PLC选用MITSUBISHI公司的FX2N系列FX2N-48

51、MR-001， FX2N-48MR具有丰富的可灵活配置的硬件资源：内含时钟、PID运算、高速计数器、显示器、AC/DC/继电器内置数字I/O（24路开关量输入，24路继电器输出） ，另配置FX0N-4AD模拟量模块，FX2N-485-BD通信模块。SC-09通信编程器，采用RS485网络通信。4.3 变频器选型变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。其总的原则是首先保证可靠地满足工艺要求，再尽可能节省资金。1）变频器的型式选择根据控制功能可将通用变频器分为三种类:普通功能型U/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能U/F控制变频器知矢量控制高性能型变频器。变频

52、器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机，泵类等平方转矩，低速负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数:a、电动机的极数。一般电动机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量要适当加大；b、转矩特性。在同等电动机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降额选取；c、电磁兼容性。为减少主电源千扰，使用时可在中间或变频器输入电路中增加电抗器，或安装前置隔离变压器。一般当电动机与变频器距离超过50m时，应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。变频器的选型应满足以下条件:a、电压等级与驱动电动机相符；b、额定电流为所驱动电动机额定电流的1.11.

53、5倍；c、根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式；2）变频器容量选择变频器的容量可从三个角度表述:额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两17项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流量是一个反映半导体变频器装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。变频器的额定功率指的是它适用的4级交流异步电动机的功率。由于同容量电动机，其极数不同，电动机额定电流不同。随着电动机极数的增多，电动机额定电流增大。变频器的容量选择不能以电动机额定电流为依据。同时，对于原来

54、采用变频器的改造项目，变频器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据。这是因为，电动机的容量选择在考虑最大负载，富裕系数，电动机规格等因素，往往电动机的容量富裕较大，工业用电动机常常在50%60%额定负荷下运行。若以电动机额定电流为依据来选择变频器的容量，留有富裕量太大，造成经济上浪费，而可靠性并没有因此而得到提高。变频器与电动机的匹配主要是电动机的额定电压及电流，如果电动机额定电流小于同功率的变频器额定电流，一般来说用同等功率的就足够了，但如果大了，只好用大一级的变频器。对于鼠笼式异步电动机，变频器的容量选择应以变频器的额定电流大于电动机的最大正常工作电流1.1倍为原则，这样可以最大限度地节约

55、资金。在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外还应考虑经济性，一般不要留有太大功率余量，变频器与电动机两者的功率应相匹配，不但经济性好而且输出波型更好。3）变频器箱体结构的选用变频器的箱体结构要与环境条件相适应，即必须考虑温度，湿度，粉尘，酸碱度，腐蚀性气体等因素，这些因素与能否长期安全、可靠运行有很大的关系。常见有下列几种结构类型可供设计中选用:a、敞开型IP00。本身无机箱，适合装在电控箱内或电气室内的屏，盘，架上，尤其是多台变频器集中使用，选用这种型式较好，但环境条件要求较高；b、封闭IP20。适用一般用途，可用于有少量粉尘或少许温度、湿度变化的场合；c、密闭型IP65。适用环境条件差，有

56、水，尘及一定腐蚀气体的场合。根据以上理论，选用三菱FR-A540系列变频器。该变频器采用先进磁通矢量控制方式，实现在线自动调整功能，调速比可达1：120（0.560Hz） ；可拆御风扇和接线端子，维护方便；柔性PWM，实现更低噪音运行；内置RS485通信口，可插扩展卡符合全世界主要通信标准；PID等各种功能适合各种应用场合。应用三菱FR-A540系列变频器内置PID功能的PLC控制恒压供水系统，效率高，损耗小，调速供水节能效果突出，运行稳定，可靠性高，抗干扰能力强，精度高，动态响应快，体现了变频调速恒压供水的技术优势，取代了水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水，成为供水网的换代产品。4.4 水泵

57、及其电动机的选型工作水泵型号和台数的选择，应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，要求的水压，18机组的效率和功率因素等确定。水泵和电动机是供水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。选泵时，首先要满足供水系统的要求:1）水泵扬程应大于实际供水高度；2）水泵流量总和应大于实际最大供水量；3）水泵能力足以供应最高用水量时的用水量，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量；4）水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价；5）水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失；6）安装管理方便。安装卧式离心泵的泵站，平面尺寸较大而高度较低；立式轴流泵

58、的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。因此在深埋式的地下泵站可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。选用多台水泵时，水泵的型号最好相同，这可便于安装和维修养护管理。在此设计中要求三台主泵和主泵电机型号和容量要相同，这才有利于在同一变频器下正常的工作。大泵的效率比小泵高，而且用大泵时，工作泵和设备的费用以及泵站的面积常可减小。因此不可只从适应水量的变化出发，使用数量较多的小泵。使用多台水泵供水可防止一台水泵出现故障时，停止供水使得系统瘫痪。一般最优的水泵台数为36台。综合上述，对水泵进行选用时，要根据供水系统对流量的大小、扬程的高低和实际需要进行选择。在此主泵选用山东淄博

59、博山大通水泵有限公司生产的型号为500LX5的离心式清水泵，扬程61m，流量12.6立方米每小时，轴功率5.5KW；电机型号为Y132S-4，容量为5.5KW,额定电压为380V,额定电流为11.6A，转速为1450r/min。4.5 远传压力表选型压力传感器和压力变送器是将水管中的压力信号变成15V或420mA的模拟量信号，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4-20mA输出压力变送器。在运行过程中，当压力传感器和压力变送器出现故障时，系统有可能开启所有的水泵，而此时的用水量又达不到，这就使水管中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏家中的

60、用水设备(热水器、抽水马桶等)，本文中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出。 本系统采用杭州市富阳仪川仪表有限公司生产的YTT-150型差动远传压力表，此表适用于测量对钢及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。因为在仪表内部设置一个滑线电阻式发送器，故可把被测值以电量值传至远离测量点的二次仪表上，以实现集中检测和远距离控制。此外，YTT-150型差动远传压力表既可对所测压力作现场19指示又能转换为010mADC或420mADC的标准电流信号输出，便于现场检测。本仪表由一个弹簧压力表和一个电位器式发送器组成

61、。仪表机械部分的作用原理与一般弹簧管压力表相同。由于电位器设置在齿轮传动机构上，因此当齿轮传动机构中的扇形齿轮产生偏转时，固定在扇形齿轮轴上的电刷也相应地在滑线电阻上滑行，从而使被测压力的变化转换为电阻值的变化，传至二次仪表上，指示出相应的压力值，同时现场仪表也指示相应的压力值。电位器的技术数据：1）精确度等级：1.5 2）发送器起始电阻值：320 3）发送器满度电阻值：340400 4）发送器接线端外加电压不大于6V 5）使用环境条件：-4060，相对湿度不大于85%，且震动和被测（控）介质的急剧脉 6）温度影响：使用温度偏离205时，其温度附加误差不大于0.4%/107）重量：1.2kg4

62、.6 触摸屏触摸屏是本系统的人机界面，通过触摸屏我们可以和系统进行信息交流。触摸屏可以对系统的运行流程、水泵运行电流、变频器的输出频率、输出电压以及系统报警情况进行显示；同时通过触摸屏我们可以进行压力的设定、选择系统的运行方式(自动/手动)、泵的运行方式(正常运行/检修)，所以我们在选择触摸屏时，要考虑它与PLC通讯情况，PLC和触摸屏的使用同一个厂家的，触摸屏可以选三菱F900系列。4.7 软启动器、自耦变压器当系统采用手动或变频固定方式运行时，如果电机的功率较大，不允许直接启动时，需采用软启动器或自耦变压器进行降压启动。在选择软启动器、自耦变压器时，应与电机的额定功率、额定电流相匹配，可选

63、用ABB的软启动器或DANFOSS的产品。手动启动是系统不可缺少的组成部分，尤其是当系统的自动部分出现问题时，而此时的供水又不能中断。4.8 PLC 用隔离变压器、低压电器、控制柜PLC用隔离变压器是对PLC的供电电源进行隔离，防止由于供电电源对PLC引起的干扰。低压电器和电气控制柜为系统各种功能的实现提供条件，同时控制柜的接地必须良好。20可选用大连空六厂生产的白钢柜。4.9 供水系统电路设计4.9.1 系统主电路系统电气控制主电路如图4-2，三台电机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行，接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的

64、变频运行，FR1、FR2、FR3分别是三台水泵电机过载保护用的热继电器，QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关，FU为主电路的熔断器，FR-A540为变频器。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:23-May-2008Sheet of File:E:2008业业业业业devin业业业业业Graduation Thesis业业业业PROT EL业业业业业业.ddbDrawn By:L1FUL2L3RSTUVWST FRTSDFUOLACSE10E10254GNDFR-A540QS1QS3KM 5QS4K

65、M 4KM 3KM 6QS2KM 1KM 2FR3M 3M 1FR1M 2FR2业业业业业业业业业业PLC图4-2 系统电气控制主电路图4.9.2 系统控制电路如图4-3为系统控制电路图，图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1位置为手动控制状态，打在2的位置为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1-SB8控制三台水泵的启/停和电磁阀YV2的通/断，自动运行时，系统在PLC程序控制下运行，图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。21123456ABCD654321DCBATitleNum berRe visionSizeBDa te :24-M a y-2008Sheet of File:E

66、:2008业业业业业de vin业业业业业Graduation The sis业业业业PROT EL业业业业业业.ddbDrawn By:NL1FUSA1 0 2SB1SB2SB3SB4SB5SB6SB7SB8KM 1KM 2KM 3KM 1KM 3KM 4HL1HL2HL3HL4HL5HL6HL7HL8HL9HL10KM 1FR1FR2FR3PLCKM 6KM 5 KM 5 KM 2KM 3KM 4KM 5KM 6YV2KABUFY000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y014Y011Y013Y012图4-3 系统控制电路图4.9.3 PLC I/O 分配根据图4-2、4-3及以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、地址编号如表4.1所示，水位上下限信号在水淹没是为0，露出时为1。表4-1 输入输出点名称及地址编码信号名称地址编码手动和自动消防信号？X000供水启动X001供水停止X002消防启动？X003消防停止？X004水池水位下限信号X005水池水位上限信号X006压力设定（0-10V）？数字信号X007压力变送器1X010输入信号压力变送器2X0