l基于PLC的变频调速恒压供水系统毕业设计_恒压供水系统毕业设计

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毕 业 设 计 任 务 书 基于PLC的变频调速恒压供水系统

摘要

第1章 变频恒压供水的现况

1.1国内外变频供水系统现状 1.2变频供水系统的发展趋势

目录

第2章 变频调速恒压供水分析

2.1变频恒压供水的工艺调节过程介绍 2.2调速系统的构建

2.2.1 调速原理

2.2.2 变频恒压供水频率变化分析

2.3节能分析

2.3.1 水泵的基本参数和特性 2.3.2 水泵调速运行的节能原理

第3章 恒压供水系统

3.1系统概述

3.2控制系统的组成3.3恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理

3.3.1单台变频器控制单台水泵 3.3.2恒压供水系统的工作原理 3.3.3恒压供水系统

3.4 变频调速恒压供水系统的特点 3.5变频器

第4章 可编程控制器PLC 4.1可编程控制器PLC的定义

4.2可编程控制器PLC的发展阶段及发展方向 4.3控制系统的硬件设计 4.4控制系统的软件设计

4.4.1软件设计

第5章 PLC控制系统的设计

5.1概述

5.2输入输出 分配

5.2.1输入口 5.2.2输出口 5.2.3辅助触点

5.3控制系统功能介绍

5.4恒压供水系统的流程图

5.5控制系统的可靠性及应用程序设计

5.5.1程序的优化设计 5.5.2应用程序的设计 5.5.3故障检测程序的设计

第6章 触摸屏同步监控 6.1概述

6.2触摸屏工作的特点与应用领域 6.3触摸屏指示灯同步监控程序设计

6.3.1控制系统设计步骤 6.3.2应用程序设计 6.3.3同步监控设计

第7章 系统调试

7.1变频器关键参数的设定

7.2 PLC的变频调速恒压供水系统调试 7.3触摸屏同步监控测试

参考文献

摘要

水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。

近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。钦州市是广西壮族自治区的港口城市，随着城区的扩大和工农业的发展，钦州市城区用水量急剧上升，城区居民生活用水和工业用水总量从1994年的1700多万吨激增到2000年的7500多万吨。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较大。由于每天不同时段用水对供水的水位要求变化较大，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水位达不到要求,供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标,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）。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，水泵大多时间在设计效率以下运行。导致电动机与水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，是各供水解水企业关心的焦点问题之一。变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行.变频恒水压供水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。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与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。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。

1.1PLC的变频调速恒压供水系统的目的和意义

恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能:(1)维持水压恒定；(2)控制系统可手动/自动运行；(3)多台泵自动切换运行；(4)系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒 ；(5)在线调整 PID参数；(6)泵组及线路保护检测报警、信号显示等。

关键词：变频调速 ；恒压供水； PLC

第一章

1.变频恒压供水的现况

1.1国内外变频供水系统现状

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、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，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SAMC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;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。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-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。变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展,在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。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。1.2变频供水系统的发展趋势

变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。

第二章

2.变频调速恒压供水分析

2.1变频恒压供水的工艺调节过程介绍

变频恒压供水所用水泵主要是离心泵，而普通离心泵如图2.1所示:叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8排出管9连接。在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

2.2调速系统的构建

水泵的调速运行构建，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的工况点是由水泵的性能曲线和管网的特性曲线的交点确定的。因此，只要这两条曲线之一的形状或位置有了改变，工况点的位置也就随之改变。所以，水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能曲线或管网特性曲线或二者同时改变来实现的。

水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。这种调节方式虽然简便易行，但往往造成很大的能量损失。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并改进它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。气水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节系统。详细划分如下:

目前常见的调节方法有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节、液力 祸合器调节、绕线式异步电动机的串极调速、变极调速、变频调速等

2.2.1 调速原理

水泵的恒速调节主要有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节三种.(1)节流调节

节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板，通过改变阀门或挡板的开度，使装置需要扬程曲线发生变化，从而导致水泵工作点位置的变化。

节流调节优点是调节简单、可靠、方便，且调节装置的初投资很少，故以前各种离心泵多采用这种调节方式。缺点是能量损失很大，目前正逐渐被其它调节方式所取代。

(2)动叶调节

采用动叶调节的水泵，在泵的轮毅内部安装动叶调节机构，从而使动叶调节得以实现。对于大型的泵，可以采用液压传动调节。动叶调节的优点是:在调节过程中其效率变化很小，能在较大范围保持高效率。缺点是:动叶调节机构复杂，控制自动化程度低;成本高，通常适用大容量水泵，对中小供水厂的水泵通常不适用。

(3)改变机泵运行台数调节

改变机泵运行台数调节是根据不同的流量要求，采用不同数量和型号的机泵进行并联运行，来满足供水量要求.优点是:它不改变电机和水泵的电气及机械结构，在水泵台数众多、搭配合理的情况下，可以达到较好的调节效果。缺点是:不能实现连续调节、需要大量的机泵进行合理搭配、随着供水量的变化要不断启停电机;电能损失较大。因此，目前此种方法虽大量使用，但正逐步被新的流量调节方式取代。2.2.2变频恒压供水频率变化分析

由于变频恒压供水基本上都采用了变频启动，启动频率低，启动电流小，因

此，除了对供水机泵和供水管网有保护作用，对供水电机和电网也有良好的保护作用。供水系统电机直接启动与变频启动的对比表如表2.2所示。

2.3节能分析

恒压供水系统的基本特性。根据扬程特性曲线和管阻特性曲线可以看出用水流量和供水流量处于平衡状态时系统稳定运行。在供水系统中采用变频调速是由于水泵的功率与转速的立方成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式节能效果显著.最后从理论上分析了采取变频恒压供水方式对供水安全积极作用:可以消除水锤效应，减少电机电网冲击，延长系统的运行寿命。

2.3.1水泵的基本参数和特性

在变频恒压供水系统中，供水压力是通过对变频器输出频率的控制来实现的。确定供水压力和输出频率的关系是设计控制环节控制策略的基础，是确定控制算法的依据。送水泵站所采用的水泵是离心泵，它是通过装有叶片的叶轮高速旋转来完成对水流的输送，也就是通过叶轮高速旋转带动水流高速旋转，靠水流产生的离心力将水流甩出去。离心泵也因此而得名。在给水排水工程中，从使用水泵的角度来看，水泵的工作必然要和管路系统以及许多外界条件联系在一起.在给水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系统称为 “装置”，在控制系统的设计中，真正对系统的分析和设计有价值的也是这种成为系统的装置，而不是单单的孤立水泵。在水泵结构和理论中，有一些评价水泵性能的参数，供水系统的主要参数如下:流量(Q):单位时间内流过管道内某一截面的水流量，在管道截面不变的情况下，其大小决定于水流的速度。常用单位是时/m访。供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差。其常用单位是m。轴功率(几):水泵轴上的输入功率(电动机的输出功率)，或者说是水泵取用的功率。

供水功率(几):供水系统向用户供水时所消耗的功率几你叨，供水功率与流量和扬程的乘积成正比:

式中Cp一 比例常数。

工作效率为，):水泵的供水功率Pc和轴功率界之比，如式2.6所示。这里所说的水泵工作效率，实际上包含了水泵本身的效率和供水系统的效率。其根据实际供水的扬程和流量算得的功率，是供水系统的输出功率。

其中有效功率是指单位时间内通过水泵的液体从水泵那里得到的能量叫做有效功率。转速(n卜水泵叶轮的转动速度。

根据水泵理论，如图2.3所示.2.3.2 水泵调速运行的节能原理

由于水泵在送水过程中，清水池水位一般高于水泵的测量点，所以不存在进水口抽真空，所以在进水口的真空值为0.水泵进水口与出水口都沿水平方向放置，位置差为0。水泵在正常工作时，动能的变化相对较小。考虑这些具体情况，上式可以改写为:

由于水泵是由一台交流感应电动机带动运行的，电机的转速与水泵的转速相同。电机的输出有效功率与水泵的轴功率相等。在电机理论中，感应电机的机械

功率为:

在变频调速时，由于磁通中m不变，从电机公式(212)可以看出，要使主磁 通中m保持不变，则UI/fl必须保持不变。

因此在变频调速过程中.电压应该与频率成正比例变化，设

代入式(2.n)得

根据能量守恒定律，有

水泵装置在变频调速的工作状态下运行时，有: 其中杯为电机的效率。所以，从上式可以看出，当变频器的输出频率一定的情况下，当用户用水量增大，从而Q增大时，压力表的读数将会变小，即管网供水压力将会降低。为了保持供水压力，就必须增大变频器的输出频率以提高水泵机组的转速;当用户的用水量减小时，Q减小，在变频器输出频率不变的情况下，管网的供水压力将会增大，为了减小供水的压力，就必须降低变频器的输出频率.由于用户的用水量是始终在变化的，虽然在时段上具有一定的统计规律，但对精度要求很高的恒压控制来讲，在每个时刻它都是一个随机变化的值。这就要求变频器的输出频率也要在一个动态的变化之中，依靠对频率的调节来动态地控制管网的供水压力，从而使管网中的压力恒定。

第三章

3.恒压供水系统

3.1 系统概述

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：

（1）维持水压恒定；

（2）控制系统可手动/自动运行；

（3）多台泵自动切换运行；

（4）系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；

（5）在线调整PID参数；

（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等；

3.2 控制系统的组成供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(P比统)、变频器和电控设备三个部分,如图3.1 a、在恒压供水节电智能控制系统中,通过三菱变频器实现调整水泵的转速来调整水泵的压力和流量，在一天当中除了供水高峰时段外，其它时间都是运行在很低的频率状态下，即使在用水高峰时段也未必是运行在50Hz，因此可以大幅度的节能。同时,实现自动增泵、停泵、轮换、自动保护等功能；

b、通过UNO2050的串口，读取变频器的PID设置参数、当前运行参数和各种报警，并通过MODEM和电话网传送到上位控制中心；

c、在收到现场报警后，控制中心可以远程的控制UNO2050，进行变频器的启停控制。

图3.1恒压供水控制系统的组成3.3 恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理

恒压供水系统的控制方案有多种，有1台变频器控制1台水泵的简单控 制方案，也有1台变频器控制几台水泵的方案，下面将分别加以叙述：.3.3.1单台变频器控制单台水泵: 单台变频器控制单台水泵的控制方案在国内通常是指是一台变频器控制一台水泵。由于全部变频系统中，变频器、控制器、电机均无备份设备，出现问题无法切换，故目前多适用于用水量不大，对供水的可靠性要求不高的场合。该控制方案的控制原理框图见图3.2，电路见图3.3。

值得一提的是，在国外或国内少数大企业，也有一种每台变频器只带一 台水泵的运行方式，但它的控制方式与上面是不同的，这些泵站往往是同时配备了多台变频器配多台水泵，采用集中控制的办法，这种变频系统与国内水泵站常用的一台变频器控制单台水泵的工作方式是完全不一样的。在这种系统中，由于有多台变频器，各水泵既可以同时变频运行，也可以分别工频运行，使其可靠性、安全性、可调节性大大优于国内常见的各种控制方式，不过在成本上，也远远高于目前国内的常用的变频恒压供水系统。(2)单台变频器控制多台水泵

利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比较先进的一种方案。下面以单台变频器控制2台水泵的方案来说明。该控制方案的控制原理见图3.4。

3.3.2 系统功能说明

控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制2台水泵按1一2一3一4一1的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有 1号泵在变频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态 1。当用水量增加，变频器输出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动 3.3.2恒压供水系统的工作原理

变频恒压供水系统采用一台变频器拖动两台大功率电动机，可在变频和工频两种方式下运行；一台低功率的电机，作为辅助泵电机，启动方式：为避免启动时的冲击电流，电机采用变频启动方式，从变频器的输出端得到逐渐上升的频率和电压。启动前变频器要复位。

变频调速：根据供水管网流量、压力变化自动控制变频器输出频率，从而调节电动机和水泵的转速，实现恒压供水。如设备的输出电压和频率上升到工频仍不能满足供水要求时，PLC发出指令1号泵自动切换到工频电源运行，待1号泵完全退出变频运行，对变频器复位后，2号泵投入变频运行。

多泵切换：根据恒压的需求，采用无主次切换，即“先开先停”的原则接入和退出。在PLC的程序中，通过设置变频泵的工作号和工频泵的台数，由给定频率是否达到上限频率或下限频率来判断增泵或减泵。在用水量较小的情况下，采用辅助泵工作。为了避免一台泵长期工作，任一泵不能连续变频运行超过3小时。当工频泵台数为零，有一台运行于变频状态时，启动计时器，当达到3小时时，变频泵的泵号改变，即切换到另一台泵上。当有泵运行于工频状态，或辅助泵启动时，计时器停止计时并清零。

故障处理：能对水位下限，变频器、PLC故障等报警。PLC故障，系统从自动转入手动方式。

3.3.3恒压供水系统

系统由变频器、PLC和两台水泵构成。利用了变频器控制电路的PID等相关功能，和PLC配合实施变频一拖二自动恒压力供水。具有自动/手动切换功能。变频故障时，可切换到手动控制水泵运行。

控制过程：水路管网压力低时，变频器启动1#泵，至全速运行一段时间后，由远传压力表来的压力信号仍未到达设定值时，PLC控制1#泵由变频切换到工运行，然后变频启动2#泵运行，据管网压力情况随机调整2#泵的转速，来达到恒压供水的目的。当用水量变小，管网压力变高时，2#泵降为零速时，管网压力仍高，则PLC控制停掉1#工频泵，由2#泵实施恒压供水。至管网压力又低时，将2#泵由变频切为工频运行，变频器启动1#泵，调整1#泵的转速，维修恒压供水。如此循环不已。

图3.4为恒压供水系统结构图

3.4 变频调速恒压供水系统的特点 恒压供水是指用户段不管用水量大小总保持管网水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。

变频恒压供水的工艺调节过程介绍：泵组的切换开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1＃泵变频启动，转速从 开始随频率上升，如变频器频率到达，而此时水压还在下限值，延时一段时间（由 内部时间继电器控制，目的是避免由于干扰而引起误动作）后，1＃泵切换至工频运行，同时变频器频率由 滑停至，2＃泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3＃、4＃泵；若开始时1＃泵备用，则直接启2＃变频，转速从０开始随频率上升，如变频器频率到达，而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2＃泵切换至工频运行，同时变频器频率由 滑停至，3＃泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4＃泵；若1＃、2＃泵都备用，则直接启3＃变频，具体泵的切换过程与上述类同。同样，如水压在上限值，若３台泵（假设为1＃、2＃和3＃）运行时，3＃泵变频运行降到，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1＃泵停止，3＃泵变频器频率从 迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2＃泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡。以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式，理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而我们这次的设计的系统中，要求直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高供水品质。

3.5变频器

根据工艺要求，建议配用ABB ACS600系列变频器。ACS 600系列变频器是ABB公司采用直接转矩控制（DTC）技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转矩控制特性,完整的保护功能以及灵活的编程能力，较高的可靠性和较小的体积。主要技术数据：

功率范围：2.2-3000kW 电源电压：380/400/415/440/460/480/500VAC 3相±10%； 电源频率：48-63Hz 控制连接：2个可编程的模拟输入（AI）；1个可编程的模拟输出（AO）；5个可编程的数字输入（DI）；2个可编程的数字输出（DO）。连续负载能力：150% In，每10分钟允许1分钟

串行通讯能力：标准的RS—485接口可使变频器方便地与计算机连接。保护、欠压缓冲、电机欠/过载保护、堵转保护、串行通讯故障保护、AI信号丢失保护等。外型结构紧凑，安装方便。产品经过多种电气安全规范认证，符合GE、UL及质量认证体系ISO9001和ISO4001等。

变频器独特的直接转矩控制（DTC）功能是目前最佳的电机控制方式，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。ACS600变频器内置PID、PFC、预磁通等八种应用宏，只需选择需要的应用宏，相应的所有参数都自动设置，输入输出端子也将自动配置，这些预设的应用宏配置大大节约了调试时间，减少出错。

第四章

4.可编程控制器PLC

4.1 可编程控制器PLC的定义

可编程控制器PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它可以采用可以编程的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术等操作的指令，并能通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于拓展其功能的原则而设计。

4.2 可编程控制器PLC的发展阶段及发展方向

全世界几乎80%以上不同品牌的PLC是不能通用的。一个品牌就要使用对应的编程器。有多少种品牌的PLC，就要有多少种编程器。（国内现在出了一些国产PLC，是仿制国外一些品牌PLC的，这些是可以使用被仿制品牌的编程器的。）

手提编程器价格昂贵，而且编程使用指令操作（不能用梯形图），可读性不高，非常不方便。

所以，做工程的人大多会使用电脑来对PLC编程。需要说明的是，使用电脑编程还需要有配套的程序下载连线。也是每个品牌都有专门线的（互不通用）。但是这种连线比起手持编程器来说，不知道便宜多少。

任何一款手提电脑都可以用来做PLC编程，前提是 1 支持串行通讯安装相应品牌PLC的编程软件。

4.3 控制系统的硬件设计

本系统的硬件结构如图2所示，它由6台水泵、17个远程I／O分站、1个控制柜(包括变频器、PLC、4个16点DI模块、2个16点DO模块、3个8点AI模块、1个8点AO模块和1个以太网模块等)、1套压力传感器、各种保护装置以及供电主回路等构成。其中，PI。C模块和变频器模块是系统的控制核心。

4.4 控制系统的软件设计

根据功能要求, PLC控制系统的软件设计方案主要采用顺序控制继电器指令,软件设计主要包括加速、恒速、减速三段梯形图。其中主程序流程图如图6所示,加速部分流程图如图7所示;恒速部分采用P ID算法,减速部分与加速部分类似。

4.4.1 软件设计

系统软件设计主要包括上位机监控软件设计和下位机PI。C控制软件设计。上位机与下位机之间通过以太网方式通信，共同完成整个控制系统的现场流程控制和远程监测管理功能。上位机控制系统主要实现远程监测和管理功能，利用组态软件进行组态，通过具体运行工况动态显示、实时数据获取及显示、历史数据存储与打印、故障报警等功能，实现整个系统的集中监测和控制。

由于供水系统是一个惯性较大的系统，不需要过高的响应速度，因而在PI。C程序的设计思想上查询方式为主，中断方式为辅。其具体程序流程如图3所示。

核心技术：该恒压系统采用PID控制，具体结构如图4所示。其流程如下所述：当系统开始工作时，首先接通变频器，然后通过接触器把水泵电机接入变频输出电路，实现电机软启动；同时，安装在供水管网出水I：1的压力传感器将水压转换为4～20 mA的电信号，PLC根据给定值与测量值的偏差大小，按照

PID控制器的控制策略选择原则，在压力允许范围内，由变频器调整电机转速达到调节压力的目的。在超出压力允许的范围内，通过结构调整，再结合变频达到调节压力的目的。

当用户用水量增加时，使得水管压力下降，此时PLC输出相应控制信号，使变频器带动水泵电机升速，直至变频器输出至工频，把更多的水送往出水管网。电机由变频到工频的转换时间应尽可能短。而电机脱离变频后，在水压的作用下，电机转速下降很快，转换时间过长，会导致电机启动电流增加。因此，应在电路设计与软件设计中，考虑变频与工频接触器的互锁。通常，PID连续控制算法表达式为

具体到本例中，K。一0．18，K．=o．08，Kd=1，压强设定值为0．32 MPa，则其控制效果曲线如图5所示。

此外，根据日用水量变化情况，用水高峰集中在早、中、晚3个时段，而在深夜用水量处于低谷。因此，如果改变不同时段的压力给定值，就能更进一步地起到节能的作用。

4.4.2 程序设计步骤

初始化程序: LD SM0.0 // 开机始终为ON MOVB

16#9,SMB30

file://自由口通信，选择9600波特，8位数据位，无校验 MOVB

16#2, VB0 file://预设PLC地址 MOVD

&VB1000, VD20

file://设置接收缓冲区，将其首地址传给指针VD20 MOVD

&VB1200, VD30

file://设置发送缓冲区，将首地址传给VD30 MOVD

VD20, VD24 file://指针值保存 MOVD

VD30, VD34 MOVB

8, SMB34

file://设置8ms的定时器0时基中断 ATCH

0,8

file://接收字符连接到中断0，连接静止线定时器和接收器 ATCH

1,10

file://定时中断0，连接到中断1 ENI

file://开中断

为了保证通讯接收的可靠性，程序采用前导符，PLC地址，静止线接收，结束字符。首字符的确认可通过设置前导符来完成，并且通过比较还可以剔除部分干扰字符。首字符确认: Network 1

file://判断前导符 LD

SM0.0 AB

SMB2, 16#40

file://不是前导符则跳出中断 RETI Network 2

file://终止定时中断 LD

SM0.0 DTCH

file://断开时基中断 Network 3

file://是前导符则连接中断3 LD

SM0.0 AB=

SMB2, 16#40 ATCH

3, 8 静止线是通讯过程中的一个检测用时间，即设定的数据传输过程中无任何数据的任意2点的间隔时间。静止线的设计和处理包括长度的确定及定时器和接收器的设计。INT_

// 静止线定时器 LD

SM0.0 ATCH 1, 10

file://静止线定时器采用8ms的时基中断。INT_1

// 静止线接收器 LD

SM0.0 ATCH 2, 8 file://开始接收字符 尾字符的确认和校验处理: Network 1 // 接收及计算校验码 LDN M0.0 LDB

SMB2, 16#2A

// 判断是否为第一个结束符 MOVB

SMB2，*VD24

file://不是则保存数据并计算异或值 XORW

SMW1, AC0 INCD

VD24 INCD

VB40 Network 2

file://如果是第一个结束符，则对M0.0置位，并跳出中断，file://接收下一个字符，看是否为第二个结束符 LDN

M0.0 AB＝

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

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

file://判断第二个结束符，如不是则继续执行 AB SMB2,16#2A

file://判断又是第一个结束符？不是则执行保存数据，file://异或运算，并对M0.0复位。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://如果又是第一个结束符，则上一个是有用的数据，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://如前一个为2A，现在接收到0A，则接收完毕，启动延时中断 LD

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

file://断开接收状态，准备组织发送 MOVB

20, SMB34 ATCH

5, 10

第五章

5.PLC控制系统的设计

5.1 概述

与传统的继电器-接触器控制系统相比，PLC控制系统具有更好的稳定性，控制柔性，维修方便性，随着PLC的普及和推广，其应用领域越来越广泛。特别是在许多新建项目和设备的技术改造中，常常采用PLC作为控制装置。PLC控制电路

系统采用S7-200PLC作下位机。S7-200PLC硬件系统包含一定数量的输入/输出(I/O)点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。输入点为6个，其中水位上、下限信号分别为I0.0、I0.1。输出点为10个，O0.0-O1.0对应PLC的输出端子。对变频器的复位是由输出点O1.0通过一个中间继电器KA的触点来实现的。根据控制系统I/O点及地址分配可知，系统共有5个开关量输入点，9个开关量输出点;1个模拟量输入点和1个模拟量输出点。可以选用CPU224PLC(14DI/10DO)，再扩展一个模拟量模块EM235(4AI/1AO)。

5.2 输入输出分配

PLC输入端子板是将机床外部开关的端子连接转换成I/O模块所需的针形插座连接，从而使外部控制信号输入至PLC中。同样，PLC输出端子板是将PLC的输出信号经针形插座转换外部执行原件的端子连接。

5.2.1 输入口

其输入口I模块组的的输入元件组成是由;控制按钮、行程开关、接近开关、压力开关、玩控开关组成。输入又分为如图；

图为输入的接线方式

a)汇点式输入b）分组式输入

5.2.2 输出口

其输入口O模块组的的输入元件组成是由；接触器、继电器、来组成的。而输出方式又分为如图；

图为输出接线方式

a）分组式输出b）分隔式输出

5.3 控制系统功能介绍最大限度的满足被控对象的控制要求。在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。保证控制系统安全可靠。考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。

5.4 恒压供水系统的流程图

5.5 控制系统的可靠性及应用程序设计 该系统逻辑控制采用PLC控制变频器实现恒压调速供水，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，具有较好的控制效果。

PLC通信程序S7-200PLC硬件功能完善，指令系统丰富。可为用户提供多种通讯方式:PPI方式，MPI方式，自由通讯口方式等。应用自由通讯口方式，使S7-200PLC可以与任何通信协议已知，具有串口通讯的智能设备和控制器(如打印机、变频器、上位PC机等)进行通信，也可以用于两个CPU之间简单的数据交换。该通信方式使可通信的范围大大增大，使控制系统配置更加灵活、方便。采用PLC自由通讯口方案，PLC工作于从站，PC处于主站模式，PLC从站只响应来自主站的申请。主站向PLC从站发送指令格式的报文，读指令00为向从站PLC申请产生于PLC的数据，读取水压，频率，变频泵号，工频台数，辅助泵状态等数据;写指令01为向PLC传送产生于主站的数据，包括压力设定值和控制器输出值。在自由口通信模式下，通信协议完全由用户程序控制。通过设定特殊存储字节SMB30(端口0)或SMB130(端口1)允许自由口模式，用户程序可以通过使用发送中断、接收中断、发送指令(XMT)和接收指令(RCV)对通信口操作。

5.5.1 程序的优化设计

增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时，PLC 给出控制信号，PLC 的Y0 失电，变频器的FWD端子对CM 短接，变频器的自由制动停车，切断变频器输出，延时500ms 后，将主水泵与变频器断开，延时300ms(防止变频器输出对工频短路)，将其转为工频恒速运行，再延时200～300ms PLC 的Y0 得电，变频器以起始频率启动一台新的主水泵。这段程序设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁保护。

5.5.2 应用程序的设计

在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时

候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对模拟量(管网压力、液位等)数据处理的数据表进行初始化处理，赋予一定的初值。

5.5.3 故障检测程序的设计

对水位过低、水压上下限报警、变频器故障等故障给出报警，并做出相应的故障处理。

(1)欠水位故障：进入P0 处理模块，停止全部的电机运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动执行以下程序。

(2)压力上下限报警：输出报警信号，报警信号30s 内未解除，则进入P0 处理模块，停止全部的电机运行。信号解除则自动运行以下程序。

(3)变频器故障：变频器出现故障时，对应PLC 输入继电器X5 动作，系统自动转入自动工频运行模块。此时变频器退出运行，三台主泵电机均工作于工频状态。该方式下的水泵的投入和切除顺序和自动变频恒压运行方式时的大致相同，只是原来运行在变频状态下的电机改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID 调节，水压无法恒定。为防止出现停开一台水泵水压不足而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，通过增加延时的方法来解决。设定延时时间为20 分钟。

第六章

6.触摸屏同步监控

6.1 概述

6.2 触摸屏工作的特点与应用领域 6.3 触摸屏指示灯同步监控程序设计 6.3.1 控制系统设计步骤 6.3.2 应用程序设计 6.3.3 同步监控设计

第七章

7.系统调试

7.1 变频器关键参数的设定

(1)变频转工频开关切换时间TMC 设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内TMC必须尽可能的小。

(2)上下限频率持续时间TH和TL 变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是TH（TL）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。

7.2 PLC的变频调速恒压供水系统调试

(1)对五台供水系统进行PLC自动控制改造，实现供水的远程控制和生产设备的集中控制。

(2)在改造原有系统的基础上，将供水系统电机的直接启动控制方式改为变频控制，减小对系统电网的冲击和节约能源。(3)制定具体实施的控制方式、设备启停步骤、软件功能、通讯方式、功能扩充、报警系统（故障诊断、显示、排除）。

(4)采用相应的控制算法，实现供气的恒定，提高供气质量和效率，保证供水系统的安全供水。

（二）系统控制功能要求如下：

(1)实现调度指挥操作生产自动化；

(2)实现设备顺序控制，减少供水起、停时间，并对各设备的运行状态进行自动检测，实现设备的故障自动诊断和保护，从而提高生产效率；

(3)实现供水组的自动控制，这主要包括：单台供水系统的自动启停，电机组的顺序启停控制，空压机组的集中控制和保护，提高生产效率；

(4)增强软、硬件功能，保证整个系统的安全性和可靠性，并具有一定的先进性和代表性。

（三）集控系统要求如下：

1、集控系统的基本功能

1)系统的控制方式

为方便灵活地对所有设备进行控制，主要工艺流程设备的运行采用五种控制方式：

远程自动控制：由集控室开启设备起、关闭命令，实现现场相关设备的按流程变频恒压供水控制；

远程单遥控：由集控室发出单台设备起、关闭命令，实现设备之间单个切换运行，用于特殊设备的单个起、关闭控制；

紧急关闭：当现场或集控室出现故障，需要立即对分系统停车关闭时，由程序或现场实现紧急停车控制，在现场操作与在集控室操作PLC的执行是等价的。需在集控室进行复位后才能重新开启。

2)集控系统的顺序启、停控制步骤

开启前的操作

a、控制方式选择：集控方式下，PLC执行用户程序的全部控制功能。单个方式下，PLC仅执行模拟显示功能。

b、流程选择：当选定自动控制流程后，PLC将检测有关输入状态，判断参与该流程控制的恒压供水系统，设备工作方式，以及保护点状态等是否满足开启条件，若条件具备，则先发出信号“系统准备开启”。否则将对所检测出的故障点，作出多方位报警。

c、远动设备：对不需参予时序起动，或难以进入顺序开启过程的设备，可以在开启前按闭锁关系远动控制起动该设备。开启过程控制

a、当前述指令操作完毕，系统准备就绪，发出开启指令，所选PLC变频恒压供水系统在指定的开启方式下进入供水控制过程。

b、在供水过程中出现故障时，供水指令自动撤除并报警，已起设备保持运行，在短时间排除故障后，可从故障设备继续起车；否则可全部停车。c、对供水过程的时间累计并显示。

系统运行的闭锁控制

a、在运行过程中出现故障时，系统闭锁保护、报警。b、对系统有效工作时间自动统计，显示。c、对各种保护、运行参数实时检测。

供水过程控制 a、当系统对任一流程供水停车指令后，PLC将按用户程序完成停车功能控制。b、对供水过程累计时间及总停车时间显示。

3)故障报警系统

a.当设备发生故障或运行条件不满足时，能根据闭琐关系控制设备供水，并在监控操作站上显示故障原因。

b.报警方式：现场使用电笛报警、集控室内使用语音报警，并能够即时显示报警清单。如图;

7.3 触摸屏同步监控测试

结束语

变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。采用PLC作为控制器，硬件结构简单，成本低，系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。

在此感谢老师对我们的指导以及对变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统的了解和认识。随着变频调速技术的发展和人们节能意识的不断增强，变频恒压供水系统的节能特性使得其越来越广泛用于工厂、住宅、高层建筑的生活及消防供水系统。恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保持网管中水压的基本恒定。变频恒压供水系统利用PLC、传感器、变频器、触摸屏及水泵机组组成闭环控制系统，使管网压力保持恒定并能明确的监控，代替了传统的水塔供水控制方案，具有自动化程度高，明确监控，高效节能的优点，在高速科技发展的今天使得小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用，并取得了明显的经济效益。此致

敬礼

参考文献

（1）姜兴忠，戴恒阳，变频恒压控水系统的机理分析 电气传动自动化，2004（2）张扣宝 基于PLC 和变频器控制的恒压供水系统设计2007年第11 期电气技术（3）滕俊沛 基于PLC 变频调速恒压供水系统的设计 2007（4）李关飞 变频器在恒压供水控制系统中的应用 变频器世界 2007/03