第一篇：基于PLC控制的无塔变频恒压供水系统设计
基于PLC控制的无塔变频恒压供水系统设计
第一章 绪论 1.1 概述
随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，人们生活水平不断提高，同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工作和生活。
我国中小城市城市传统的供水方式主要采用恒速泵加压供水以及水塔高位供水等，恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，影响城市整体规划，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，且能耗大。
综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。
当前，随着可编程序控制器(PLC)技术的发展，由于其高可靠性、高性价比、广泛的工业现场适应性方便的工艺扩展性能，PLC在工业自动控制过程中得到了越来越广泛的应用。同时，交流异步电动机变频调速技术的日益成熟，与以往任何调速方法相比具有节能效果明显、调速过程简单、起动性能优越、自动化程度高等许多优点。因此将PLC及变频器应用于供水系统，可满足城市供水系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求。
1.2 问题的提出及解决方案
张家口市地处河北省西北部山区，城市人口约45万人，过去为军事重地，改革开放较晚，属经济欠发达地区。改革开放后，张家口加快了城市建设步伐。但城市供水系统陈旧，城区管网多采取传统的水塔高位供水方式。水塔分布在市区内，不仅影响城市整体规划，且存在能耗大，维护不方便，电机的启动电流对电网冲击大的缺点；各供水系统相距较远，不能及时有效地掌握各供水系统的运行状况，系统运行可靠性低，故障排除慢，系统运行中的一些参数也无法监控与记录。为满足城市需水量日益加大的要求，供水公司决定兴建新水源——在距市区南17公里的洋河边打井取水，并经西泵站二次加压为城区供水。同时为降低单位供水能耗，实现全自动、可靠、稳定的供水，需要利用变频恒压供水技术对原供水系统进行自动化改造，采用PLC控制并进行远程监控、管理及故障远程报警。在实现过程中主要研究并解决以下问题。
1、研究并完成利用PLC、变频器、远传压力表和多台水泵机组等主要设备构建变频调速恒压供水系统的设备选型与方案设计，为提高变频器的使用效率，减少设备投资，采用一台变频器拖动多台水泵电机变频运行的方案。
2、深入分析变频恒压供水系统的工况变化过程，确定工况转换方式，完成PLC控制程序的设计，实现水泵的变频起动，保证水泵从变频到工频的可靠、安全的切换。
3、设定PID调节参数，实现在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，维持供水压力恒定。
4、研究PLC和计算机的通信模式，确定通信协议，开发通信与监控软件，实现供水系统的远程监控、管理与报警。
5、加强系统的可靠性设计，提高系统的冗余度，设计自动工频运行方式和手动运行方式作为系统全自动变频恒压运行的备用方案，在故障时作为应急处理，维持供水。
通过该项目的研究和实施可以极大地改善城区供水的可靠性和稳定性，降低能耗及维护成本，方便管理。具有较好的应用前景和推广价值。
1.3相关技术概况
1.3.1 PLC技术概况
对于由继电器控制装置构成的自动控制系统，每一次设计或改进都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。因此，可编程控制器这一新的控制装置应运而生，并取代了继电器控制装置。
可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普通应用，越来越多的工厂设备采用PLC、变频器、人机界面等自动化器件来控制，使设备自动化程度越来越高。
现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程控制器(PLC)由于具有以下特点而深受工程技术人员的欢迎。
(1)可靠性高，抗干扰能力强
其平均无故障时间大大超过IEC规定的10万小时，同时，有些PLC还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了其可靠性。
(2)适应性强，应用灵活
多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。(3)编程方便，易于使用
梯形图语言和顺控流程图语言(Sequential Function Fig)使编程简单方便。(4)控制系统设计、安装、调试方便
设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计，并可在实验室进行模拟调试。(5)维修方便，工作量小 PLC有完善的自诊断、历史资料存储及监视功能，工作人员可以方便的查出故障原因，迅速处理。
(6)功能完善
除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，既方便管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备[1]
由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。
1.3.2变频调速技术概况
变频调速技术是近十几年来迅速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，显著的节能效果也给众多的企业带来了巨大的经济效益，特别是近几年来随着IGBT功率元件和DSP微处理系统在变频器中的应用，变频器本身己非常成熟，使得变频调速技术的优越性更加突出，传动效率越来越高，使用越来越方便，可靠性也得到了进一步的提高。
变频器已形成了与电机相配合的不同功率、不同用途的系列化产品，具有多种速度切换、加减速时间的外部设定、V/F曲线设定、转距升高调整、输出频率上、下限幅、频率跳跃等功能;具有各种接口，能与计算机、可编程序控制器及自动化仪表联机，并具有远程控制的功能。目前产品已经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业。
1.4本章小结
本章首先概述了论文的选题背景、意义及课题来源，在对现有供水系统存在问题调研的基础上，确定了以实现节能、自动、可靠、稳定供水的PLC控制的变频恒压供水及其远程监控系统的设计目标。对PLC及变频调速技术做了简要叙述，提出了设计需要解决的主要技术问题和论文的主要研究内容。
第二章 恒压供水方案与分析
2.1 恒压供水的方案比较与选择
在传统城市供水系统中，常采取恒速泵供水方式。由于用户用水具有不确定性，用水量处于动态变化过程之中，恒速泵供水方式虽然可通过水泵切换控制管网压力，但无法维持管压恒定，不断地起停水泵电机不仅也影响设备的寿命同时也使能耗增加，供水质量不能保证。若采取阀门控制调节流量来维持管压，一方面频繁的调节使阀门的机械磨损加剧，设备维护工作量及设备投资增大；另一方面控制精度差且造成大量的电能浪费。此外，水泵电机直接工频起动与制动带来的水锤效应，对管网、阀门等也具有破坏性的影响。
考虑到交流异步电动机对于泵类负载可采用调电压调速，虽然能够实现恒压供水，但其调速范围小、能耗大，调节效果差。随着变频调速技术发展，变频器的日益成熟，以及功能的完善，基于恒压、节能及安全性考虑，采取变频调速恒压供水方式是一种最好的选择。变频调速精度高、调速范围大、效率高。据统计采用变频调速技术调节流量实现恒压供水，可节能20-50%，节能效果相当显著。
2.2 供水系统的模型、特性及恒压控制
2.2.1 供水系统的基本模型和主要参数
张家口市供水公司西泵站为二级泵站，是将清水池中的水经二次加压后为城区供水。供水系统的基本模型如图2-1所示。图中：L0——水泵中心位置；水面 吸入口 水压表
城区管网
h0——吸水口水位；
h1——水平面水位； h2——管道最高处水位；
h3——在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真实的管道系统中，这个位置并不存在。只有在h3大于管道的实际最高位置的情况下，才能正常供水。
主要参数有：
1.流量Q 单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位是m3/min。2.扬程H 也称水头，是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。常用单位是m。
3.实际扬程HB 供水系统中，实际的最高水位h2与最低水位h1之间的水位差，即供水系统实际提高的水位。即：HB=h2h1
4.全扬程HT 水泵能够泵水上扬的最高水位h3与吸入口的水位h0之间的水位差。全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。即HT=h3h0
5.损失扬程HL全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。HB、HT、HL之间的关系是：HT=HB+HL。
供水系统为了保证供水，其全扬程必须大于实际扬程，这多余的扬程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失。
6.管阻R阀门和管道系统对水流的阻力。和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述。
7.压力P表明供水系统中某个位置水压大小的物理量。其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与流量与扬程之间的平衡情况有关。
2.2.2 供水系统的特性曲线和工作点
供水系统的参数表明了供水的性能。但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。这种联系和变化规律可用供水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管组特性曲线，如图2-2。通过特性曲线可以掌握供水系统的性能，确定其工作点
图2-2中：
曲线①——额定转速nN时的扬程特性曲线 曲线②——转速n1时的扬程特性曲线
曲线③——阀门开度100%时的管阻特性曲线
曲线④——阀门开度不足100%时的管阻特性曲线 1.扬程特性
以管路中的阀门开度不改变为前提，即截面积不变，水泵在某一转速下，全扬程与流量间的关系曲线HT=f（Q）称为扬程特性曲线。不同转速下，扬程特性曲线不同，图2-2中的曲线①、②分别对应于转速nN、n1，且nN>n1。
曲线表明转速一定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越大，供水系统的全扬程就越小，反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。在这里，流量的大小取决于用户，用水流量用QU表示。
用水量一定时，即QU不变，转速越低，水泵的供水能力越低，供水系统的全扬程就越小。
2.管阻特性
以水泵的转速不改变为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线HT=f（Q），称为管阻特性曲线。不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图2-2中的曲线③对应阀门开度大于曲线④对应的阀门开度。
管阻特性表明由阀门开度来控制供水能力的特性曲线。此时转速一定，表明水泵供水能力不变，流量的大小取决于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧来决定的，故管阻特性的流量可以认为是供水流量，用QG表示。
在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在供水流量与用水流量的差别。这里的QG和QU是为了便于说明供水能力和用水需求之间的平衡关系而假设的量。当供水流量QG接近于0时，所需的扬程等于实际扬程(HT=HB)。表明了如果全扬程小于实际扬程的话，将不能供水。因此，实际扬程也就是能够供水的基本扬程。
3.供水系统的工作点
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。在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。
图2-2中的N点表示水泵工作于额定转速，阀门开度为100%时的供水状态，为系统的额定工作点。供水功率
供水系统向用户供水时所消耗的功率PG（Kw）称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比：
PGCPHTQ
（2—1）
式中：CP——比例常数·
2.2.3供水系统中恒压实现方式
对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与供水能力(由流量QG表示)和用水需求(由用水流量QU表示)之间的平衡情况有关。
若: 供水能力QG>用水需求QU，则压力P上升； 若:供水能力QG<用水需求QU，则压力P下降； 若:供水能力QG=用水需求QU，则压力P不变。
可见，流体压力P的变化反映了供水能力与用水需求QU之间的矛盾。从而，选择压力控制来调节管道流量大小。这说明，通过恒压供水就能保证供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。
将来用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。
(1)阀门控制法
转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。
实质是水泵本身的供水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。
(2)转速控制法
阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。
实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。2.3 异步电动机调速方法
通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。
由三相异步电动机的转速公式
nn（1s）160f
（2—2）（1s）p式中，n1—异步电动机的同步转速，r/min；
n—异步电动机转子转速，r/min；
p—异步电动机磁极对数；
—异步电动机定子电压频率，即电源频率；
n1nn1100%； fs—转速差，s可知调速方法有：变极调速、变转差调速和变频调整。1.变极调速
在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续调节。变转差调速
通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。三相异步电动机的转子铜损耗为：
2rsPem
（2—3）
PCu23I2该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率:很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但在供水系统中由转速控制法实现恒压供水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率、增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。
因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。3.变频调速
通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式。
这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为VVVF(Variable voltage Variable Frequency)。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通。.基本不变，其关系为：
U1f1常数 式中：U1—变频器输出电压;f1——变频器输出频率: 变频调速方式时，电动机的机械特性表达式：
Tm1pU212r2sr222f1r1x1x2s
（2—4）
式中：m1——电机相数
r1——定子电阻
x1——定子漏电抗
——转子漏电抗折算值
x2频率f从额定值fN往下调时，由文献〔5〕 所示，图中fN>f1>f2>f3>f4
变频调速过程的特点: 静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。
因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果。
2.4 变频调速恒压供水系统能耗分析
1．转速控制调节流量实现节能
(1)．转速控制法与阀门控制法供水能耗分析
在图2-2中，将阀门控制法和转速控制法的特性曲线画在了同一坐标系中。假设系统原工作于额定状态N点，当所需流量减少，从额定流量QN变为QE时，在恒压前提下，采用阀门控制法时供水系统工作点将移到A点，对应的供水功率PG与面积AHEOQE成正比；采用转速控制法时供水系统工作点将移到B点，对应的供水功率PG与面积BHEOQE成正比。
两种控制方式下的面积之差PAHBHCB表明了采取转速控制方式相对于阀门控制方式可以实现节能。
(2)．转速调节与恒速运行供水能耗分析
根据水泵比例定理，改变转速n，水泵流量Q、扬程H和轴功率P都随之相应变化，其关系式为：
Q1n1 Qn
2（2—5）
H1n1
（2—6）Hn3P1n1
（2—7）Pn式中，n1、Q1、H1、P1分别为调速后的水泵转速、流量、扬程和轴功率。从以上关系可知，当转速n下降时，轴功率按转速变化的3次方关系下降，可见转速对功率的影响是最大的。
一般在设计中，水泵均考虑在最不利工况下供水，水泵在选型上也是按水泵额定工作点选型和安装使用，即按额定工作点设计。但在实际运行中，管网用水量常常低于最不利工况，这时，如降低转速相对于恒速泵供水运行，能使水泵的轴功率大大减少。
可见，在供水系统中根据用水量的大小，通过变频方式调节水泵转速的方式来实现供水具有很好的节能效果。而且这种方式在用水量较少时节能效果更为明显。
2．转速控制供水系统的工作效率高(1)．工作效率的定义
供水系统的工作效率P为水泵的供水功率PG与轴功率PP之比，即：
PPGPP
（2—8）
该效率是包含了水泵本身效率在内的整个供水系统的总效率。
式(2-8)中，PP是指水泵是在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即电动机的输出功率；PG是供水系统的输出功率也就是水获得的实际功率，由实际供水的扬程和流量计算。供水过程中的损耗主要来自于水泵本身的机械损耗、水力损失、容积损失，以及管路中的管阻损耗。
(2)．供水系统工作效率的近似计算公式
*水泵工作效率相对值P的近似计算公式如下
*PC（1Qn**）C（2Qn**
（2—9））*式（2—9）中：P、Q*、n*—效率、流量和转速的相对值，均小于1：
*有以下关系：PN*、QPQQN*、nPnnN
C1、C2—常数，其关系为C1C21。
(3)．不同控制方式时的工作效率
阀门控制法方式，因转速不变，n1比值
*Qn**Q
**随着流量的减小。Q*减小，水泵工作的效率P降低十分明显。
转速控制方式时，因阀门开度不变，由式(2—5)，流量Q*和转速矿n*是成正比的，比值Qn**不变。即水泵的工作效率是不变的，总是处于最佳状态。
所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，供水系统的工作效率要大得多。这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面。
3．变频调速电机运行效率高
在设计供水系统时，额定扬程和额定流量通常留有裕量，而且，实际用水流量也往往达不到额定值，电动机也常常处于轻载状态，电机恒速运行时效率和功率因数很低。采用变频调速方式变频器能够根据负载轻重调整输入电压，从而提高了电动机的工作效率。这是变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。
2.5 供水系统安全性讨论
1．水锤效应
在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂;压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。
2．产生水锤效应的原因及消除办法
产生水锤效应的根本原因，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现彻底消除水锤效应。
水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢，决定了加速过程流量变化的快慢，也就决定了水锤效应的强弱。
拖动系统中，动态转矩 TJTMTL TM：是电动机的拖动转矩 TL：是供水系统的制动转矩
图2—4反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。
图中，曲线①是异步电动机的机械特性，曲线②是水泵的机械特性，图2—4 b)中的锯齿状线是变频起动过程中的动态转矩。
由图2—4可知，水泵在直接起动过程时，因动态转矩很大，造成了强烈的水锤效应，通过变频起动，可有效地降低动态转矩消除水锤效应。
停机过程效果类似。
3．变频调速对供水系统安全性的作用
采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处
(1)消除了水锤效应，减少了对水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。
(2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长。
(3)避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。
(4)减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。
2.6 本章小结
本章在分析供水系统模型及其特性参数的基础上，探讨了影响供水系统能耗及其安全性的一些因素，得出了以下结论: 1.对供水系统进行的控制，归根结底是对供水能力的调节，以满足用户对流量的需求。这种调节又是以水压调节为目标。
2.供水系统扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点是系统的工作点，实际运行中的工作点会随用水需求的变化而改变。为保证水压恒定，采取转速调节方式较阀门控制方式节能效果明显。
3.采取变频调速方式控制流量实现恒压供水，可减少系统能耗，提高工作效率。4.采取变频调速方式可以消除水锤效应，可减少冲击，增加系统运行的安全性，延长系统运行寿命。第三章 变频调速恒压供水控制系统设计
3.1 供水系统总体方案的确定
1．对西泵站供水系统总体要求：
(1)．由多台水泵机组实现供水，流量范围4000m3/h，扬程45米左右(2)．设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水(3)．供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小
(4)．系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能(5)．各主泵均能可靠地实观软启动(6)．具有完善的保护和报警功能(7)．系统要求较高的经济运行性能 2.方案确定
确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性，及其它技术要求。
根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。
连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量。
间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。各种类型的水流量变化关系曲线如图3—1
西泵站供水系统主要负责张家口市桥西区域用户的用水，属连续型高流量变化型。这类型用水需求在较长时间段表现为高流量，低流量时，采用变频调速方式来实现的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达30%。水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，噪声小。由于用水呈高流量变化型的特点，采用多台水泵并联供水，根据用水量大小调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。
多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。
处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。
多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。
供水系统的恒压通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。
为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，先启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。
为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。
综合以上分析，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，其总体结构如图3-2所示。
3.2 控制系统的硬件设计
3.2.1系统主要配置的选型
1.水泵机组的选型
根据系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力(水泵扬程)，考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用3台主水泵机组和1台辅助泵机组，型号及参数见表3-1。
2.变频器的选型(1).容量确定方法
依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量(kVA)应同时满足下列三式：
PCNkPMcos（kVA）
（3—1）
3PCNk3UMIM10（kVA）
（3—2）
PCNkIM（A）
（3—3）
式中，PM—负载所要求的电动机的输出功率；
—电动机的效率（通常在0.85以上）；
—电动机的功率因数（通常在0.8以上）
cos；
UM—电动机电压（V）；
IM—电动机工频电源时的电流（A）；
k—电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.0～1.05；
PCN—变频器的额定容量（KVA）；
ICN—变频器的额定电流（A）。
这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。
(2).型号选择
根据控制功能不同，通用变频器为分为三种类型。普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器、矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。
综合以上因素，系统选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型U/f控制方式的富士变频器FRN55P11S-4CX，变频器内置PID控制模块，可用于闭环控制系统，实现恒压供水。
其主要参数及性能介绍如下。①.主要参数
额定容量：85(kVA)； 额定输出电流：112A；
过载容量：110%额定输出电流、1分钟； 起动转矩：50%以上； 适配电机容量：55KW； ②.功能特点
风机、泵等二次方递减转矩专用型变频器;可选用自动和手动的转矩提升功能，保证最佳的启动;加速时间设定范围宽(0.01秒到3600秒)，具有S形加减速功能和曲线加减速功能，让加减速过程变得缓和，防止冲击和载物倒塌;直流制动功能，制动时间在0-30秒范围可调，保证快速可控的制动，不需要外接电阻;内置PID模块，可用于闭环控制;多种频率设定方式;多种附加功能;五路晶体管输出
③.I/0特性
9个可设定的开关量输入口，给操作者极大的灵活性(如固定频率、固定给定、电动电位计、点动);四路可设定的开路集电极晶体管输出，可用于频率到达、频率值检测、过载、运行等多种提示;RS-485接口，可实现远程通信;④.保护功能
具有过电压/欠电压保护、短路保护、过热保护、PTC热敏电阻保护、电机锁死保护、缺相保护、电涌保护、失速保护、CPU/存贮器异常保护等。
3.PLC的选型
依据控制任务，从PLC的输入1输出点数、存储器容量、输入l输出接口模块类型等方面等来选择PLC型号。在供水系统的设计中，我们选择三菱FX2N-32MR及扩展输出模块FX2N-16EYR，其I/O端子分配在3.4节给出。
FX2N-32MR主要参数及特点: I/O点数:16/16;用户程序步数:4K;基本指令:27条;功能指令:298条;基本指令执行时间:0.08微秒;通信功能:强;输出形式:继电型;输出能力：2A/点;扩展输出模块FX2N-16EYR有16个输出点;4.压力变送器及数显仪的选型
选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0～1MP，精度1.5；数显仪输出一路4～20mA电流信号，送给变频器作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上下、限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。
3.2.2 主电路方案设计
三台大容量的主水泵(1#,2#,3#)根据供水状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联;辅助泵只运行在工频状态，通过一个接触器接入工频。连线时一定要注意，保证水泵旋向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。
QF1,QF2,QF3,QF4,QF5,QF6分别为主电路、变频器和各水泵的工频运行空气开关，FR1, FR2, FR3, FR4为工频运行时的电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器来实现电机过载保护。
变频器的主电路输出端子(U,V,W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子(U, V, W)的相序，否则无法工作。变频器和电动机之间的配线长度应控制在100m以内。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路空气开关QF2的通断来进行。为了改善变频器的功率因素，还应在变频器的(Pl、P+)端子之间接入需相应的DC电抗器。变频器接地端子必须可靠接地，以保证安全，减少噪声。
在电动机三相电源输入端前接入电流互感器和电流表，用来观察电机工作电流大小;设计三相电源信号指示。
图3-3给出了供水系统电气控制主回路的主要联线关系。
3.2.3 控制电路设计
在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失电，进而控制电机或者阀门的动作。通过隔离，可延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。
控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。因此，在控制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计;另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。为提高互锁的可靠性，在PLC控制程序设计时，进一步通过PLC内部的软继电器来作互锁。
控制电路中还考虑了电机和阀门的当前工作状态指示的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。
出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动/自动转换控制电路。通过转换开关及相应的电路来实现。
图3-4给出了供水系统的部份电气控制线路图。
图3-4中，SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动转换用中间继电器，打在①位置为手动状态，打在②位置KA吸合，为自动状态。在手动状态，通过按钮SB1-SB14控制各台泵的起停。在自动状态时，系统执行PLC的控制程序，自动控制泵的起停。
中间继电器KA的7个常闭触点串接在四台泵的手动控制电路上，控制四台泵的手动运行。中间继电器KA的常开触点接PLC的XO，控制自动变频运行程序的执行。在自动状态时，四台泵在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。
电机动电源的通断，由中间继电器KA1-KA7控制接触器KM 1-KM7的线圈来实现。HLO为自动运行指示灯。FR1, FR2, FR3, FR4为四台泵的热继电器的常闭触点，对电机进行过流保护。
3.2.4 PLC I/0端子分配
说明:1#.2#.3#分别代表I号主水泵、2号主水泵、3号主水泵。
3.2.5 变频器接线及功能设定
表3-2中频率参数设置说明：
(1).最高频率:水泵属于平方律负载，转矩Tn2，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重过载。因此，变频器的最高频率只能与水泵额定频率相等。
(2).上限频率:由于变频器内部具有转差补偿功能，在50Hz的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了电动机的负载，因此实际预置得略低于额定频率。
(3).下限频率:在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于基本扬程(实际扬程)，形成水泵“空转”的现象。所以，在多数情况下，下限频率不能太低，可根据实际情况适当调整。
(4).启动频率:水泵在启动前，其叶轮全部在水中，启动时，存在着一定的阻力，在从0Hz开始启动的一段频率内，实际上转不起来。因此，应适当预置启动频率值，使其在启动瞬间有一点冲击力。
3.3 PLC控制程序的设计
3.3.1全自动变频恒压运行方式水泵运行状态及转换过程分析
1.转换过程分析
启动自动变频运行方式时，首先起动辅助稳压泵工频运行供水，当用水量大，超过辅助泵最大供水能力而无法维持管道内水压时，延时1分钟PLC通过变频器启动1号主水泵供水，同时关闭辅助泵的运行。在1号主水泵供水过程中，变频器根据水压的变化通过PID调节器调整1#主水泵的转速来控制流量，维持水压。若用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率时，仍达不到设定压力，延时分钟，由PLC给出控制信号，将1号主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对2号主水泵软启动。系统工作于1号工频、2号变频的两台水泵并联运行的供水状态。若用水量继续增加，两水泵也不能满足水压要求时，将按上述过程继续增开水泵台数……直到满足水压要求。整个加泵过程中，总是保证原来工作于变频运行状态的水泵转入工频恒速运行，新开泵软启动并运行在变频状态，保证只有一台水泵运行在变频状态。
当用水量减少时，变频器通过PID调节器降低水泵转速来维持水压。若变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高，延时1分钟，按“先起先停”的原则，由PLC给出控制信号，将当前供水状态中最先工作在工频方式的水泵关闭，同时PID调节器将根据新的水压偏差自动升高变频器输出频率，加大供水量，维持水压。当用水量持续减少，系统继续按“先起先停”原则逐台关闭处于工频运行的水泵。
当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量减少，变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高时，延时5分钟后，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水。供水状态及其转换关系
供水状态是指在供水时投入运行的水泵台数及运行状况(工频或变频)。为保证在一个较长的时间周期内，各台水泵运行时间基本均等，避免某台电机长期得不到运行而出现绣死现象，供水状态的切换按照“有效状态循环法”即“先起先停”的原则操作。
若有N台水泵参与变频调速，则满足“先起先停”原则的最大有效状态数为N2十1。将来的供水状态就在这些有效状态范围内来回循环。
本系统采用了三台主水泵和一台辅助稳压泵供水，其中只有主水泵参与变频运行，共有10种有效供水状态，见表3-4
各状态之间的转换关系见下图3-5
从图3-5可见，供水状态之间的转换不但和转换条件有关，还与其目前所处的供水状态有关;由辅助泵切换到主泵供水也遵循有效状态循环方式，即上一次启动1#主泵，则下次由辅助泵切换到主泵供水，应启动2#泵。
3.状态转换条件
供水状态之间的转换条件是依据变频器输出频率是否到达极限频率及水压是否达到上、下限值。设变频器输出频率达到极限频率时的信号为X1，水压达到设定压力下限值时的欠压信号为X2，水压达到设定压力上限值时的超压信号为X3。
从辅助泵切换到主泵条件:满足X2;从主泵切换到辅助泵条件:同时满足X1、X3;增泵条件:同时满足X1、X2, 减泵条件:同时满足X1,X 3;4.状态转换过程的实现方法
从辅助泵切换到主泵只需断开辅助泵的供电，同时用变频器以起始频率起动一台主泵的运行即可;从主泵切换到辅助泵只需将主泵和变频器的输出断开，同时将辅助泵直接投入工频运行即可;减泵过程是在满足减泵条件的前提下，通过PLC控制，断开工频运行状态电机的接触器主触点即可。
增泵过程的实现相对复杂一些，首先要将运行在变频状态的电机和变频器脱离后，再切换到电网运行，同时变频器又要以起始频率起动一台新的电机运行。切换过程主要考虑三方面的问题: 第一，切换过程的可靠性。决不允许出现变频器的输出端和工频电源相连的情况，这一点通过控制电路、PLC内部软继电器的互锁及PLC控制程序中动作的时间先后次序来保证。
其次，切换过程的完成时间。时间太长，原变频运行的电机转速下降太多，一方面造成水压下降大，另一方面在接下来切换到工频时冲击电流大;时间太短，切换过程的可靠性下降。具体时间还需根据电动机的容量大小来设定，容量越大时间越长，一般情况下，500ms足够。再次，切换过程的电流。因变频器输出电压相位和电网电压相位一般不同，当电机从变频器断开后，转子电流磁场在定于绕组中的感应电压与电网电压往往也存在相位差。此时，切换到工频电网瞬间，如果二者刚好反相，则将产生比直接起动时的起动电流更大的冲击电流，反过来对变频器造成冲击。解决办法有：
(1).电机定子绕组中接入三相灭磁电阻的方法。这种方法一般需要延时2-3秒，时间太长，水泵转速下降太多，不合适:(2).相位鉴定法。通过相位鉴别电路，在电网电压和变频器输出电压相位一致时，快速切换。这种方法十分有效，可靠，对于100 kW以上的大容量电机一般要求采用这一方法
(3)利用变频器的自由停车指令BX来实现的快速灭磁法。这一方法的实质是通过定子绕组中和变频器逆变桥上的续流二极管组成的回路来达到快速灭磁的目的。其动作顺序是，在电机从变频器断开前，PLC的Y16给出动作信号，变频器Xl端子功能生效，自由停车命令BX生效，变频器立即停止输出，经短暂延时(约500ms)灭磁后，将电机从变频器断开，并立即投入电网。这种方法简单有效、控制方便，本次设计中采用了这一方法。
3.3.2 PLC程序设计方法
1.PLC 编程语言
PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。采用了面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC编程语言，易于学习和掌握。尽管国内外不同厂家采用的编程语言不尽相同，但程序的表达方式基本类似，主要有四种形式:梯形图，指令表，状态转移图和高级语言。
梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程。绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。
指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成。比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表。编程设备简单价廉。
状态转移图语言(SFC)类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制过程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态。这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。
高级语言类似于BACIC语言、C语言等，在某些厂家的PLC中应用。2.梯形图语言编程的一般规则
通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有:(1).梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。
(2).梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流;层次的改变也只能自上而下。
(3).梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1”态，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“0”态。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。
(4).梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。
(5).继电器线圈在一个程序中不能重复使用:而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。
(6).PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。
所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。
3.PLC程序开发平台
不同公司的PLC采取的开发平台不同，这次设计采用MITSUBISHI公司提供的Windows环境下的编程软件FXGPWIN来开发。先用状态转移图(SFC)来描述供水状态的转换过程和转换条件，再用步进顺控指令(STL)转换为步进梯形图，通过检查、编译后，用专用编程电缆SC09下载到PLC程序存储器中。其间还需要一个调试过程。
4.程序扫描工作方式的原理
当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。
扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。
顺序扫描的工作方式简单直观，它简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供了非常有用的保证。一方面，扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面，还可以通过CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于CPU内部故障使程序执行进入死循环而造成故障的影响
PLC的工作过程就是程序执行过程。它分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段，输出刷新阶段，如图3-6所示
(1).输入采样阶段
在开始执行程序之前，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态(开或关、“1”或“0”)读入到输入映像寄存器中寄存起来，这个过程称为对输入信号的采样，或称输入刷新。在程序执行期间，所需输入信息取自输入映像寄存器的内容。在本工作周期内，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读人。
(2).程序执行阶段
在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其他元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，然后将执行结果写入到元素映像寄存器中。这就是说，对于每个元素来说，元素映像寄存器中寄存的内容，会随程序执行的进程而变化。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到端子上。
(3).输出刷新阶段
当程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元素映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备(负载)，这才是PLC的实际输出。
PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期(或扫描周期)。工作周期的长短与程序的长短(即组成程序的语句多少)、指令的种类和CPU执行的速度有很大关系。一般说来，一个扫描过程中，执行指令的时间占了绝大部分。
PLC在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出刷新一次。这就保证了PLC在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存电路的内容或数据保持不变。
3.3.3 供水系统控制程序设计
供水系统根据需要实现的主要功能有自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手控制等。全自动变频恒压运行方式是系统中最主要的运行方式，也是系统的主要功能，是指利用PLC控制，结合PID调节功能，通过变频调速实现自动恒压供水，其核心是根据恒压条件下供水系统中水泵运行状态及转换过程设计的PLC控制程序;自动工频运行是指在变频器故障状态时，为维持压力的相对恒定，系统根据水压大小自动调节工频运行电机台数，维持供水，这种运行方式只是在特殊情况下的一种备用供水方案，提高了系统可靠性的冗余度;远程手动控制是指在控制室，通过计算机和PLC通信远程操控水泵的运行，是一种辅助供水方案;现场手动控制运行是指通过现场按钮来人工控制电机工频、变频运行，这一方式完全通过电气控制线路设计来实现，PLC不参与，主要用用于检修、调试及PLC故障时的运行。
系统还具有水泵故障锁定功能。当有水泵出现故障时，系统自动锁定出故障的水泵，将其退出系统运行，并报警提示。
PLC控制程序设计的主要任务是接收受各种外部开关量信号的输入，判断当前的供水状态，输出信号去控制继电器、接触器、信号灯等电器的动作，进而调整水泵的运行，并给出相应指示或报警。
供水系统控制程序的主流程如图3-7。主要由系统初始化模块、辅助泵/主泵运行转换模块、增加主泵的状态转换模块、减少主泵的状态转换模块、远程手动控制模块和故障处理模块等构成。
1.系统初始化模块
在初始化模块中设置通信用数据寄存器D8120, D8121, D8129的通信参数，具体设置程序见论文4.3节;置标志M6=1，在自动运行时，首先起动辅助泵进入SO状态:置标志M0=1，保证辅助泵运行状态首次SO转入主泵运行状态S20。初始化过程通过M8002产生的初始化脉冲来完成。
2.辅助泵/主泵运行转换模块
主泵转辅助泵运行是指在单台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，延时5分钟，关闭变频器运行，启动辅助泵的过程。即由状态S20(或S21, S22)转入SO的过程。PLC置输出继电器YI(或Y3, Y5)为0，同时置Y7= 1。
辅助泵转主泵运行是指由辅助泵供水，水压达到压力下限时，延时1分钟，关闭辅助泵，用变频器启动一台主泵运行的过程。即由状态so转入S20(或S21,S22)的过程。具体起动哪一台主泵，进入哪一种状态，要依据其上一个状态，按有效状态循环法的原则来操作。在编程时，以辅助继电器M3, M2, Ml作为S20, S21, S22状态的转入标志，三者按循环方式动作，保证S20, S21, S22状态的循环。
3.增加主泵的状态转换模块
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，延时1分钟，PLC给出控制信号，PLC的Y16得电，变频器的X1端子对CM短接，变频器的自由停车指令BX生效，切断变频器输出，延时500ms(灭磁作用)后，将主水泵与变频器断开，延时looms(防止变频器输出对工频短路)，将其转为工频恒速运行，同时PLC的Y16失电，BX指令取消，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。
增加主泵的状态转换模块包括六种状态转换关系，三台主泵增开程序。
下面以当前状态S20，增开2#主泵为例，用PLC的状态转移图(SFC)来说明泵增开过程，如图3-80
4.减少主泵的状态转换模块
减少主泵是指在多台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，按“先起先停”原则，将当前运行状态中最先进入工频运行的水泵从电网断开。
5.远程手动控制通信模块
初始化模块中设置好PLC和上位机的通信协议后，在PLC程序执行过程中，当接收到上位机的远程手动控制命令置M5M4= 10时，PLC程序自动转入远程手动控制运行方式，接收水泵运行状态控制字。当接收到命令置M5M4=01时，先停止全部水泵的运行，延时后重新转入全自动恒压变频运行方式。
6.故障处理模块
对变频器故障、热继电器动作、空气开关跳开、水位过低等故障给出声光报警，并做出相应的故障处理。
(1).欠水位故障
进入状态S30，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，自动进入SO状态。
(2).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。
(3).电机故障
热继电器、空气开关一般用于电机保护，二者的动作往往表明了电机潜在故障。检测到此类故障时，系统首先锁定故障电机，并自动投入下一台电机运行。
此时系统处于“一辅泵两主泵”的运行状态。
3.4 PID调节原理在恒压供水系统中的应用
在供水系统的设计中，选用了具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。
3.4.1 PID控制及其控制算法
在连续控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点：理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。模拟PID控制及算法
PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值:(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t): e(t)=y(t)-r(t)
(3一4)经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制，故称PID控制器。
系统由拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图3-9。
图中U(t)为PID调节器输出的调节量。PID控制规律为
PID控制器各环节的作用及调节规律如下:(1).比例环节:成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e(t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数K的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。
(2).积分环节:表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Tl,Tl越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。(3)微分环节:对偏差信号的变化趋势(变化速率)做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。但过大的TD对于干扰信号的抑制能力却将减弱。
PID的三种作用是相互独立，互不影响。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。
2.数字PID控制算法
自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现PID控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字PID控制算法是通过对式(3-5)离散化来实现的。
用一系列的采样时刻点nT代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到PID位置控制算法表达式:
式(3-7)中，T一一采样周期，n一一采样序号，e(n)一一第n时刻的偏差信号，e(n-1)—第(n-1)时刻的偏差信号，y(n)—第n时刻的控制量。PID位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号e(n), e(n-1)，而且还要把历次的偏差信号e(j)相加，计算繁锁，占用内存大;另一方面计算机输出的控制量u(n)对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，u(n)可能出现大幅度变化，引起执行机构的大幅度变化，这是不允许的。为此实际控制中多采用增量式PID控制算法，其表达式为:
增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量△u(n)仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。
3.4.2 恒压供水PID调节过程分析
恒压供水的目的就是要保证供水能力Qc适应用水需求Qu变化。当供水能力QG和用水需求Qu之间不能平衡时，必然引起压力的变化。因此，可根据压力的变化，来实现对供水流量的调节，维持供水能力QG和用水需求Qu之间的乎衡。
在供水系统中，变频器、PID调节器、压力变送器、电机、水泵等构成了一个闭环控制系统，可以对供水能力实现有效的自动调节，从而实现恒压供水。其实现方法是，首先据用户对水压的要求，给PID调节器预置一个目标压力值，管道中的实际水压，经压力变送器转换成4～20mA的模拟电流信号反馈给变频器内置的PID调节器，PID调节器根据目标压力值和实际压力值的偏差，给出调节量，自动调节变频器输出频率，调节电机转速，使供水量适应用水量的变化，取得动态平衡，维持水压不变。其具体调节过程如下：
(1).稳态运行
当供水能力QG=用水需求Qu，目标压力信号;和压力反馈信号y相等，偏差e=y-r=0, PID输出的控制增量△u=0，变频器输出频率不变，水泵转速不变，处于稳态运行。如图3-10中的0～t1段。(2).用水量增加时
当用水量增加，用水需求Qu>供水能力QG，水压下降，压力反馈信号y减少，偏差e=y-r<0, PID输出的控制增量△u>0，变频器输出频率上升，水泵转速升高，增加供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。
这是一个动态变化的过程，在达到新的平衡状态之前，压力反馈信号y、偏差e,控制增量△“均处于变化之中，其变化过程如图3-10中的tl～t3段，其中t2～t3段为增加用水量后新的平衡状态。
(3).用水量减少时
当用水量减少，用水需求Qu<供水能力QG，水压上升，压力反馈信号y增大，偏差e=y-r>0, PID输出的控制增量△u<0，变频器输出频率下降，水泵转速降低，降低供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。这一动态变化过程，如图3-10中的t3～t4段，其中t4段以后为减少用水量后新的平衡状态。
3.4.3 变频器PID控制功能参数设置
变频器PID控制功能代码有H20,H21,H22,H23, H24, H25共6个，通过对功能代码的设定来保证合理的PID运行。
1.PID模式预置
H20用以设置PID模式。
设定值0:不动作;1:正动作；2:反运行。其关系如图3-11.在供水系统中，当压力增大(即用水量减少)，水泵的转速应下降，即变频器输出频率与被控量(水压)的变化趋势相反，所以选取模式2。
2.反馈方式预置
系统采取的是电流输入反动作，设定H21为2。3.压力目标值的预置
压力目标值是一个比值，它和允许的管道压力大小及选用的传感器有关。其关系为:压力目标值=（管道允许压力／压力表量程）×100% 根据教育学院学生公寓供水管网情况及水压需要，确定总出水口水压大小为0.4MPa，选用的远传压力表量程是0-1MPa，则目标值为40%.选择XI端子功能，设定“E01”为II，通过变频器键盘面板操作直接输入确定的压力目标值。
4.P、I、D参数预置
P、I、D参数通过H22,H23,H24来设定。其中H22用以设定P增益，设定范围:0.01～10倍;H23用以设定积分时间，设定范围0.1～3600s;H24用以设定微分时间，设定范围0.01～10.0s 由于P、I、D的取值与系统的惯性大小有很大的关系，需经现场反复调试，可按以下总体原则来进行整定。
H22(增益P)，在不发生振荡条件下增大其值;H23(积分时间I)，在不发生振荡条件下减小其值;H24(微分时间D)，在不发生振荡条件下增大其值: 用示波器监视压力表输出电压波形，根据波形情况来做参数调整。常见有下面几种情况。
(1)抑制超调
增大H23(积分时间)，减小H24(微分时间)，如图3-12:a)。(2).允许小量超调前提下加快响应速度
减小H23(积分时间)，增大H24(微分时间)，如图3-12:b)。(3).抑制比H23积分时间)长的周期性振荡 增大H23(积分时间)，如图3-12:c)。
(4).抑制大约和H24(微分时间)同样长周期的振荡
减小H24(微分时间)。设定0时，若仍有振荡时，减小H22(增益)，如图3-l2:d)
在PID功能有效且完成参数预置后，变频器完全按用户设定的P、I、D调节规律运行，其工作特点是;(1)变频器的输出频率只根据水压实际压力大小与设定的目标压力的偏差进行调整，与被实际水压大小并无对应关系:(2)变频器的升、降速时间完全取决于由P、I、D值所决定的动态响应时间;(3)变频器的输出频率始终处于调整状态，因此，其显示的数值常不稳定。5反馈滤波时间预预置
设置对控制端子12输入的反馈信号的滤波时间，使PID控制系统稳定，设定值过大，反应变差。
3.5 系统可靠性措施
系统中采用的工控设备变频器和PLC均具有抗干抗能力强，可靠性好的特点。但作为一个完整的系统，应用于工业现场，还是有必要考虑加强抗干扰措施，保证运行的稳定性。
1、变频器和PLC应安装于专门的控制柜中，但一定要保证良好的通风环境和散热，PLC四周留有50 mm以上的净空间。环境温度最好控制在45℃以下，相对湿度在5～90%，尽量不要安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿的地方。
2、控制柜和水泵现场距离不要太远，尤其是远传压力表至变频器的4-20mA电流信号和至PLC的压力上、下限开关量信号的传输电缆要尽可能短，而且要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。
3、外围设备信号线、控制信号线和动力线应分开敷设，不能扎在一起，且应采用屏蔽线且屏蔽层接地.4、变频器和PLC均要可靠接地。接地电阻应小于100，接地线须尽可能短和粗，并且应连接于专用接地极或公用接地极上，不要使用变频器、PLC外壳或侧板上的螺钉作为接地端。而且二者在接地时，应尽量分开，不要使用同一接地线。
5、电动机在低速运行时，电机冷却效果下降，应保证电动机具有良好的通风条件。
6、在电气设计和软件设计中，充分考虑电气设备之间的互锁关系。
7、选用性能可靠的继电器、接触器对于系统的可靠运行也具有十分重要的意义。
8、要考虑防雷设计。如电源是架空进线.在进线处装设变频器专用避雷器，或按规范要求在离变频器20m远处预埋钢管做专用接地保护。如果电源是电缆引入，则应做好控制室的防雷系统，以防雷电窜入破坏设备。
9、系统设计时还加入了无人执守故障自动拨号报警器。当出现变频器故障、电机故障、PLC故障以及水位过低等现象时，自动拨打管理人员的电话，提高系统故障的应急处理能力。
3.6 本章小结
本章针对用户需求，在满足供水能力的前提下，实现了变频调速恒压供水控制系统的设计。该系统由PLC控制的多泵分级调节和变频器控制的单泵连续调节相结合，实现流量在大范围内变化时的恒压供水。基于这一设计方案，本章的具体内容概括如下: 1.变频调速恒压供水控制系统由PLC、变频器、远传压力表、3台主水泵机组、1台辅助泵机组、控制柜等组成，采用一台变频器分时控制3台主水泵的起动、调速和运行。
2.控制系统的硬件设计包括了设备选型、主电路设计、控制电路设计及PLC的I/O端子分配、变频器接线及功能设定等。电路设计时充分考虑了水泵电机变频运行和工频运行间的互锁关系。
3.分析了多泵供水方式的运行状态和状态转换条件，由远传压力表给出的上、下极限水压信号作为水泵切换的条件，实现水泵的分级调节。状态转换遵循“先起先停”原则。
4.由远传压力表检测的水压信号经变频器内部的PID模块处理后，控制变频器输出频率，实现对水泵转速的连续控制，来维持恒压供水。
5.分析了PID控制器的基本原理和供水系统中PID调节过程，讨论了PID参数的调节方法。
6.供水系统PLC控制程序主要由系统初始化模块、辅助泵/主泵运行转换模块、增加主泵的状态转换模块、减少主泵的状态转换模块、远程手动控制模块和故障处理模块等构成，可实现全自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手控制等方式。
7.在系统设计时，考虑了抗干扰措施和故障应急处理功能，保证运行的稳定性。
[1]郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术.南京二东南大学出版社，2003.75-78
第二篇：基于PLC的变频调速恒压供水系统
毕 业 设 计 任 务 书
指导老师 ；
张继涛
基于PLC的变频调速恒压供水系统 引言
在供水系统中，恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。本文采用计算机(PC)、可编程控制器(PLC)、变频器组成变频恒压供水监控系统，通过变频调速实现恒压供水、满足节能降耗的要求，而且有利于实现生产的自动化及远程监测。用水量变化具有随机性，用水高峰时水压不足，低谷时又造成能量浪费。变频恒压供水系统根据公共管网的压力变化，通过PLC和变频器自动调节水泵的增减、水泵电机的运行方式及电机的转速，实现恒压供水，既防止了能量空耗，又避免出现电机启动时冲击电流对设备的影响。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:根据恒压的需要，采取无主次切换，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。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)。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。
马勇 2010-4-27
第1章 绪论
目录
1.1 PLC的变频调速恒压供水系统的目的和意义 1.2 恒压供水的特点
1.2.1 恒压供水方式讨论 1.2.2 恒压供水的实现
1.3 变频恒压供水的现况
1.3.1 国内外变频供水系统现状 1.3.2 变频供水系统应用范围 1.3.3 变频供水系统的发展趋势
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 调节系统的计算方法
2.2.3 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
3.2.1 供水系统的组成 3.2.2 系统功能说明
3.3 恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理 3.3.1 恒压供水系统的工作原理 3.3.2 调速泵系统构成
3.4 变频器
3.4.1 变频器输入输出接口 3.4.2 变频器外围设备的选择及保养
3.5 变频调速恒压供水系统的特点
第4章 可编程控制器PLC
4.1 的定义
4.2 的发展阶段及发展方向 4.3 的特点与应用领域
4.3.1 可编程序控制器的特点
4.3.2 可编程序控制器与继电器控制系统的比较 4.3.3 可编程序控制器的应用领域
4.3.4 在现代自动控制系统应用中所面临的问题
4.4 我国常用 的性能比较研究
4.4.1 的一般结构 4.4.2 基本工作原理
4.5 我国常用 的性能特点
4.5.1 SIMATIC S7系列
4.5.2 S7-200系列可编程序控制器 4.5.3 控制系统设计内容 4.5.4 控制系统设计步骤 4.5.5 控制系统的硬件设计
4.6 控制系统的软件设计
4.6.1 软件设计概述 4.6.2 软件设计
4.6.3 程序设计的常用方法 4.6.4 程序设计步骤
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 系统调试
6.1 变频器关键参数的设定
6.2 PLC的变频调速恒压供水系统调试
参考文献··········································
附录··········································
第一章
绪论
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。
我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，有一定的差距。
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。
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 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，提高供水企业的效率，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
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。
1.2恒压供水的特点
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。而变频恒压供水的工艺调节过程特点； 1.2.1 恒压供水方式讨论
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。1.2.2 恒压供水的实现
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。
1.3 变频恒压供水的现况
1.3.1
国内外变频供水系统现状
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。目前国外的恒 压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主 要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式 更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。
1.3.2
变频供水系统应用范围
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.sk认叹22kw)。(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135kV沐320kw之间，电网电压通常为ZOOV或380V。受中小水厂
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
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
犯OKW)、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 在本文中，研究和设计的变频器是以第二种应用范围为基础。
目前国内，除了高压变频供水系统，多数恒压供水变频系统均声称只要改变 容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要 求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。以中小水厂供水 环境来说，由于其包括了自来水生产系统，其温湿度及腐蚀程度都大于常见小区 和加压泵站，在水泵组搭配上、需要处理的信号(如水质信号停机管理)也多于小 区供水系统，所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并 不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对 变频恒压供水系统加以改进和完善.1.3.3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r仆网
第二章
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
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[l0]41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。
从恒速调节的分析可以看出，由于恒速调节要不结构复杂，要不能量损失很大，因此，正逐步被变速调节所取代.这里所指的速度是水泵的转速.水泵的变速调节可分为变速传动装置调节和变电动机转速调节。
(1)变速传动装置
定速电动机驱动的水泵可以通过传动装置来实现变速调节。变速传动装置按其工作特性可分为两类。一类是有级变速装置，如齿轮变速等;另一类是无级变速装置，主要有液力祸合器、油膜转差离合器、电磁转差离合器等。液力祸合器、油膜转差离合器及电磁转差离合器在传动变速时具有一个共同的特点:传动装置产生的传动损失在其所传递功率中所占的比例与水泵的转速变化的大小成正比，转速变化越大，传动损失所占的比例也越大，因此，这类变速调节方式也被称为低效变速调节方式。
1)液力祸合器
水泵通过液力祸合器实现变速调节，从液力藕合器的特性来看，其调节效率等于转速比，故当调节量越大，其转速比越低，传动效率也越低。
调速型液力祸合器用于叶片式水泵的变速调节时，主要具有以下优点:可以输出连续的、无级的、变化的转速;可以平稳的启动、加速;电动机能空载或轻载启动，降低启动电流，节约电能;液力祸合器是无级调速，故便于实现自动控制，适用于各伺服系统控制:与阀门节流调节相比较，节能效果显著。
液力祸合器的缺点:在电动机额定转速较低的场合，要求同样的转矩而采用较小的转速时，液力祸合器的工作腔直径将加大，这不但增加了造价，而且还会使祸合器调速的延迟时间增加;大功率的液力祸合器设备复杂;在运转中随着负载的变化，转速比也相应变化，因此不可能有精确的转速比:液力祸合器一旦产生故障，水泵也不能继续工作。
2)电磁转差离合器
电磁转差离合器又称电磁离合器、涡流联轴器等。电磁调速电动机的主要优点是:可靠性高，只要把绝缘处理好，就能长期无检修运行;控制装置的容量小;结构简单、加工容易，价格便宜。
电磁调速电动机的缺点是:存在转差损失，尤其是对凡较低的电磁调速电动机，运行经济性较低;调速时响应时间较长:噪声较大。
(2)变电动机转速
由电机学得知，交流电动机的同步转速n，与电源频率fl、极对数p之间的关系式为: 由式2.4可以看出，要实现交流电动机的调速，可以通过改变磁极对数p和改变电源频率fl实现，下面就两种变速调节方式进行比较1161一即气1)异步电动机的变极调速
变极调速原理:异步电动机在正常运行时，通常其转差率5很小，则由式2.4知，在电源频率fl不变的情况下，改变电动机绕组的极对数，就可改变同步转速n: 从而改变异步电动机的转速no 变极调速的主要优点是:调速效率高，仅是因在设计变极电动机时要兼顾不同转速时的性能指标，与普通的全速电动机相比较，其效率和功率因数要稍低一些:调速控制设备简单，仅用转换开关或接触器;初投资低，特别是中小型变极电动机价钱和定速电动机相差不是很大:维护方便，除轴承外，不需要特别的维修，可靠性较高，在相当恶劣的环境下可使用。
变极调速的主要缺点是:有级调速，不能进行连续调速。此外，变极电动机在变速时电力必须瞬间中断，不能进行热态变换，因此在变速时电动机有电流冲击现象发生.高压电动机若需进行频繁地切换变速时，则其切换装置的安全可靠性尚需进一步完善提高。因此，变极调速目前应用较少。
2)异步电动机的变频调速
由式2.4可知，极对数p一定的异步电动机，在转差率变化不大时，转速基本上与电源频率成正比。因此，只要能设法改变fl.即可改变n。基于这个原理，变频调速就是用晶闸管等变流元件组成的变频器作为变频电源，通过改变电源频率的办法，实现转速调节。图2.2为变频调速系统的示意图。
在对变速传动装置和变电动机调节方式进行比较时，我们以两者的代表，也是目前运用最广的两种变速方式:液力祸合器调速和变频器调速进行对比，如表21，从中可以看出，采用变频器进行转速调节，具有较大的优势。
2.2.3调节系统的计算方法 在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从 考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。(l)阀门控制法:即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变(通常为额定转速)。阀门控制法的实质是:水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。
如图24所示，设用户所需流量为Ox为额定流量的印喊即Ox=60%QN)，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至E点，这时: 流量减小为Q以=Ox);扬程增加为H。;由式(26)知，供水功率Pa与面积。DEJ成正比，其中Cp为比例常数，Q为流量。
恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。据有关资料介绍，水泵工作效率相对值
(1)水泵工作效率的近似计算公式 丫的近似计算公式如(2.17): 流量和转速的相对值:
(2)不同控制方式时的工作效率 由式(2.1刀可知，当通过关小阀门来减小流量时，由于转速不变，n’=1，比值，可见，随着流量的减小，水泵工作的效率降低十分明显。
在转速控制方式时，由于在阀门开度不变的情况下，流量Q*和转速n’是成正比的，比值Q’/n’不变。就是说，采用转速控制方式时，水泵的工作效率总是处于最佳状态。
所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，水泵的工作效率要大得多.这是变频调速供水系统具有节能效果的方面之一121冲3].从电动机的效率看节能
在设计供水系统时，由于:(1)对用户的管路情况无法预测:(2)管阻特性难 以精确计算:(3)必须对用户的需求留有足够的余地。因此，在决定额定扬程和额定流量时，通常裕量较大。
所以，在实际的运行过程中，即使在用水流量的高峰期，电动机也常常处于轻载状态，其效率和功率因数都较低。采用了转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适当降低转速。由于电动机在低频运行时，变频器具有能够根据负载轻重调整输入电压的功能，从而提高了电动机的工作效率。这是变频调速供水系统具有节能效果的另外一个方面1川4311.图 2.5“两种常见调速方式效率曲线”为典型的液力偶合器和常见变频器的效率一转速曲线，随着输出转速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低(例如: 额定转速时效率0.95，75%转速时效率约0.72，20%转速时效率约019)，而变频器在输出转速下降时效率仍然较高(例如:额定转速时效率住97，了5%以上转速时效率大于0.95，20%以上转速时效率大于0.9)。
从曲线数据看，当输出转速降低时，液力偶合器的效率比变频调速的效率下降快得多，因此变频调速的低速特性比液力祸合器要好。当然，有一点我们应该看到，就是用于水泵(风机)类负载时，由于其轴功率与转速的三次方成正比，当转速下降时，虽然液力偶合器效率正比下降，但电动机综合轴功率还是随着转速的下降成二次方比例下降，因此也能起到节能作用。
2.2.3 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3章
恒压供水系统
3.1 系统概述
从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成.系统主要的设计任务是利 用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可供选择。
(1)有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这种控制系统结构简单，它将Pm调节器和P比 可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC 和PID等电控系统的功能。它虽然简化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。
(2)通用变频器十单片机(包括变频控制、调节器控制)十人机界面+压力传感器;这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
(3)通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制卜人机界面+压力传感器这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换;通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定P比 的硬件配置和拍 的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于P比 的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。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 系统)、变频 器和电控设备三个部分:(1)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(即水泵成行控制.(2)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，变频器有如下两种工作方式: 1)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。
2)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。
3.2.1 供水系统的组成
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 系统)、变频 器和电控设备三个部分组成。
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.(l)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。
3.2.2 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
3.3.1 恒压供水系统的工作原理
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。2号泵电机，控制系统处于状态2.当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定频
率时，表示只有 1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将 1号泵电机停运，2号泵电机仍由变频器电源供电，这时，控制系统处于状态3。
当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则2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台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，2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1号泵电机，控制系统处于状态4.当控制系统处于状态4时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统供水的要求，此时，通过控制系统的控制，2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1号泵电机，控制系统处于状态4。
当控制系统处于状态4时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，可将2号泵电机停运，1号泵电机仍由变频器供电，这时，控制系统又回到了状态1。如此循环往复的工作，以满足系统用水的需要。(3)单台变频器控制单台水泵以及其他水泵
单台变频器控制单台水泵以及其他水泵启停的控制方案与控制方案2有许多相同之处，只是方案2中，变频器可在水泵电机间轮换工作，而控制方案3则不同，变频器只控制某1台泵，不能去控制其它泵，其它泵工作在普通电源的控制下.下面以2台泵中的1台由变频器供电，另外1台由普通交流电源供电的恒压供水系统来加以说明。
2台水泵中，1台是由变频器供电的变速泵，另外 1台为普通交流电压供电的定速泵。当系统用水量较小时，可以只用变频器供电的变速泵，当变频器供电的频率达到最大时，表明1台水泵己不能满足系统用水要求，此时需要启动1台定速泵，由1台变速泵与1台定速泵同时工作。当系统用水量减小到使变频器的输出频率低于某一设定值时，此时控制系统就将定速泵停运，只应用变速泵工作。当变频器供电的频率再次达到最大时，又表明1台水泵已不能满足系统用水要求。
此时又需要启动1台定速泵，由1台变速泵与1台定速泵同时工作，循环往复。这种控制方式的优点是结构简单，安装调试方便.但在整个供水过程中由变频器供电的变速水泵总在工作，该水泵一旦出现故障将会影响整个系统的供水。
采用变频恒压供水，如果变频器出现故障，应及时报替，并使整个供水过程中由变频器供电的水泵改又普通交流电压供电，使水泵全速运行。为了应付这种事情的发生，在选用水泵时就应考虑到用水系统管网的承受压力，选用流量扬程曲线平缓型的水泵，使管网能够承受水泵全速运行时的全扬程水压.当由多台水泵组成恒压供水系统时，对于控制系统也有一定的要求，应选用功能强大的控制器如Pm调节器及用可编程序控制器进行控制。按照先启动先停止，后启动后停止的原则运行，使水泵能循环运行，通过可编程序控制器的编程，使各台水泵的运行概率相同，避免出现某台水泵经常工作，而其他水泵经常停歇，甚至受潮和生锈的情况I32H3slo
3.3.2 调速泵系统构成
从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成.系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。
(2)通用变频器十单片机(包括变频控制、调节器控制)十人机界面+压力传感器;通过变频恒压供水系统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。如图3.1.3.1供水泵系统组成
3.4 变频器
变频器是一种改变交流频率的仪器。变频器的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。3.4.1 变频器输入输出接口
(1)有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器(2)通用变频器十单片机(3)通用变频器+PLC 3.4.2 变频器外围设备的选择及保养
在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转 矩大为减小，从而彻底消除了水锤效应。
此外，由于水泵平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因是(1)叶片承受的应力大为减小。(2)轴承的磨损也大为减小。
(3)克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。
3.5 变频调速恒压供水系统的特点
这种控制系统结构简单，它将Pm调节器和P比 可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC 和PID等电控系统的功能。它虽然简化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。
(包括变频控制、调节器控制)十人机界面+压力传感器;这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换;通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定P比 的硬件配置和拍 的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于P比 的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
第四章
可编程控制器PLC
4.1 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 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 的特点与应用领域
最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
4.3.1
可编程序控制器的特点 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、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。
4.3.2
可编程序控制器与继电器控制系统的比较
维修方便，可在现场修改程序；维修方便，最好是插件式；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；可将数据直接送入管理计算机；在成本上可与继电器控制竞赛；输入可以是交流115V；输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀；在扩展时，原有系统只要很小变更；用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。
4.3.3
可编程序控制器的应用领域
PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。例如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
4.3.4
在现代自动控制系统应用中所面临的问题
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。
4.4
我国常用的性能比较研究
目前我国主要使用和研究用松下，西门子，三菱，欧姆龙，台达，富士等。各个应用PLC的厂家都会保护自己的程序不被别人抄写，和设备厂家为了能控制使用和回收货款.在程序内设定一些参数进行控制。各厂家都有各自的加密方式：三菱PLC的解密最简单，其中以西门子S7-200CN的加密最复杂，只有拆机从芯片破解。
4.4.1 的一般结构
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
常用的I/O分类如下：
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
PLC系统的其它设备
编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。
人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器”的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。
4.4.2
基本工作原理
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。它采用可以编制的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
4.5
我国常用的性能特点
具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。
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系列可编程序控制器
S7--300周而复始地执行应用程序，控制一个任务或过程。利用STEP 7--Micro/WIN可以创建一个用户程序并将它下载到S7--300中。STEP 7--Micro/WIN软件中提供了多种工具和特性用于完成和调试应用程序。
4.5.3
控制系统设计内容
EN/ENO的定义 EN（使能输入）是LAD和FBD中盒的布尔输入。要使盒指令执行，必须使能流到达这个输入。在STL中，指令没有EN输入，但是要想使STL指令执行，堆栈顶部的逻辑值必须是“1”。
ENO（使能输出）是LAD和FBD中盒的布尔输出。如果盒的EN输入有能流并且指令正确执行，则ENO输出会将能流传递给下一元素。如果指令的执行出错，则能流在出错的盒指令处被中断。
在STL中没有使能输出，但是STL指令象相关的有ENO输出的LAD和FBD指令一样，置位一个特殊的ENO位。这个位可以用AND ENO（AENO）指令访问，并且可以产生与盒的ENO位相同的作用。
4.5.4
控制系统设计步骤
1．熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。
2．确定I／O设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的I／O点数。
3．选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、I／O模块、电源的选择。
4．分配PLC的I／O地址
根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I／O接线图和编制程序。
5．设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。
6．联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。开始时，先不带上输出设备（接触器线圈、信号指示灯等负载）进行调试。利用编程器的监控功能，采分段调试的方法进行。各部分都调试正常后，再带上实际负载运行。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部分程序即可，全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改则应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。
7．整理技术文件 包括设计说明书、电气安装图、电气元件明细表及使用说明书等。4.5.5
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。
4.6
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。
4.6.1 软件设计概述
网络结构采用环型拓扑型式，总体结构采用三层网络结构模式，分别为调度指挥控制中心以太网、1 000 M工业以太网及接入系统网络。系统由主干千兆光纤工业以太环网、调度指挥控制中心骨干路由网关、工业以太网交换机以及连接用光纤、光配等组成。
4.6.2
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。
4.6.3
程序设计的常用方法
主干网络的布置以调度室和水厂的交换机为核心，其它子系统交换机为系统以后的改造、信号的上传预留接口，所有交换机形成环网，并通过光纤彼此相连，从而使得各个子系统的信号可以汇总传送到调度室交换机上，系统网络平台结构如图1所示。
图1
4.6.4 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5章 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。
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5-15；
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；
5.2.3 辅助触点
主要用于二次回路中，容量小，分常开触电和常闭触电两种，主要用于控制、测量、仪表、信号、保护等回路。我们在进行操作时，就是利用小小的辅助触电去接通和断开主触点去接通和断开主触点的线圈，从而控制主回路。
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。
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6章 系统调试
6.1 变频器关键参数的设定
运用变频器加减速时间—加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间，减速时间是从最大频率下降到0所需时间。通常频率下降到0所需时间。通常用频率设定信号上升、下降来确定加减速时间。在电动机加速时须限制频率设定的上升率以防止过电流，减速时则限制下降率以防止过电压。
加速时间设定要求；将加速电流限制在变频器过电流容量以下，不使过流失速而引起变频器跳闸；减速时间设定要点是；防止平滑电路电压过大，不使再生过压失速而使变频器跳闸。减速时间设定要点是；防止平滑电路电压过大，不使再生过压失速而使变频器跳闸。加减速时间可根据负载计算出来，但在调试中常采取按负载和经验先预定较长加减速时间，通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警；然后将加减速设定时间逐渐缩短，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出最佳的加减速时间。
6.2 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;
结束语
传统恒压控制系统的供水管网能耗大、设备损耗快、对电网要求高，随着变频技术的发展与应用及PLC技术的应用普及，PLC控制的变频调速恒压供水系统已成为供水系统网络应用的主流，恒压供水系统解决了传统高压供水系统与水塔式供水系统的不足。
采用变频调速和可编程控制器控制的恒压供水系统可以根据根据系统设定压力自动调整水泵电机转速，从而调节水泵流量，利用其控制系统可以优化泵组的调速运行，自动调整供水水泵的台数，完成供水系统的自动控制。致谢；
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、变频器及水泵机组组成闭环控制系统，使管网压力保持恒定，代替了传统的水塔供水控制方案，具有自动化程度高，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··········································
《变频调速技术与应用》
编著丁斗章
机械工业出版社
《变频器调速系统设计与应用》
编著 王树
机械工业出版社
《典型自动化设备及生产线应用与维护》
编著鲍风雨
机械工业出版社 《可编程控制器原理于应用》
编著 史增芳
中国林业出版社
第三篇：开题报告-基于PLC的变频恒压供水系统设计
开题报告
电气工程及自动化
基于PLC的变频恒压供水系统设计
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在政府及社会倡导节水节能现实条件下，我们这个水资源和电能都及其短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水、小区供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，但是随着社会经济的飞速发展，住房制度改革的不断深入，城市建设规模的不断扩大，人口的增多和人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、经济、稳定、可靠性提出了越来越高的要求，也直接体现了城市小区物业管理水平的高低。
传统的小区供水方式有:恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式。传统的小区供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源;效率低;可靠性差;自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。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。导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题。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，是各个供水解水企业关心的焦点问题之一。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，需要利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，要求设计出高性能、高节能、能适应供水厂的复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。
随着科学的发展，变频器的使用也越来越广泛，不管是工业上还是家用电器上都会用到变频器。可以说，只要有三相异步电动机的地方，就有变频器的存在。也随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以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的恒定来满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。
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、压频比控制及各种保护功能上。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。从查阅大量的资料的情况来看，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，因而投资成本较高。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。
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、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，远远没能达到所有用户的要求。
在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正朝着高可靠性、多品种系列化、全数字化微机控制的方向发展。追求高度智能化、标准化、系统化是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
变频恒压供水系统能适用于生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有如下几个特点：
(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，是过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、浓度、流量等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。
(2)用户管网中因为有管阻等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些特有的特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。
(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异性，因此其控制对象的模型具有很强的多变性以及不确定性。
(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入，而定量泵的控制是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化。所以认为变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。
(5)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果十分显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
(6)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
研究的基本内容：
1)
基于PLC的变频恒压供水系统的系统组成以及工作原理。
2)
基于PLC的变频恒压供水系统的PLC程序的设计。
3)
状态循环转换控制的电气设计方案。
4)
上、下位机的通信模块。
拟解决的主要问题：
1、掌握基于PLC的变频恒压供水系统的工作原理。
2、基于PLC的变频恒压供水系统的硬件和软件设计。
3、PID算法在变频调速恒压供水系统中的应用。
4、完成上、下位机的通信设置，通过通信模块实现对供水系统的远程监控和故障报警。
三、研究步骤、方法及措施：
步骤及方法：
(1)了解国内外PLC的变频恒压供水系统的发展动态。
(2)掌握基于PLC的变频恒压供水系统的工作原理。
(3)重点讨论PLC的变频恒压供水系统的硬件和软件设计、PID算法在变频调速恒压供水系统中的应用以及上、下位机的通信设置，通过通信模块实现对供水系统的远程监控和故障报警。
(4)
设计一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统。
(5)得出结论。
措施：
图书馆查找相关的书籍、期刊、杂志等，通过上网寻找相关的一些资料，查看当代对该技术的研究成果和最新的动态。然后通过对这些资料的学习和研究进一步的熟悉和理解设计所需的相关知识。在设计过程中及时与指导老师探讨，对不了解的问题及时向老师请教。
四、参考文献
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第四篇：基于PLC的变频调速恒压供水系统的应用
基于PLC的变频调速恒压供水系统的应用
张雷雷
南山纺织服饰有限公司
摘要：随着社会主义市场的经济发展，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的趋势。
本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。本论文的变频恒压供水系统以再国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时行，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。
关键字：恒压供水：变频调速：PLC：泵切换
随着电力技术的发展，以变频调速为核心的智能供水系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免了启动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可以延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除启动和挺及时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。
PLC变频恒压供水系统是以PLC为控制核心，由PLC控制器、变频调速器、压力传感器等其他电控设备以及4台水泵组成，如图1.1所示
图1.1 变频调速恒压供水控制系统的原理图
其工作过程：设定一个水压值后，根据变频恒压供水原理，利用安装在供水管网上的压力传感器，连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将水压信号转换为电信号送入PLC，PLC根据实际水压值与设定水压值进行比较和经PID运算，并将运算结果转换为电信号，输出送到变频器的信号给定端，变频器根据给定信号，调节水泵的电源频率，从而调整水泵的转速，以维持供水管网中水压值在设定的水压范围内。当变频器频率到达最或大最小时，由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水，从而达到恒压供水的目的。我公司在2009年11月份正式启用了该系统，并从中受益。本文介绍基于PLC变频调速恒压供水的设计
我公司水处理车间担负了南山纺织服饰有限公司下属单位和附属单位的工业及生活消防用水的任务。包括4台22KW的工业用水水泵和2台11KW的应急不压水泵。1.控制要求
1）.水泵能自动变频软启动，四台水泵自动变频软启动，并根据用水量的大小自动调节水泵的台数。四台水泵自动轮换变频运行，工作泵故障时备用泵自动投入，可转换自动或人工手动开·停机。2）.设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电气保护功能，具有相许保护防止水泵反转抽空，并具有缺水保护及水位恢复开机功能。且有设备工作、停机、报警指示。2.PLC及变频器控制电路 2.1）.供水系统主电路
该系统有四台水泵，如图2.1所示，合上空气开关（QS）后，当交流接触器KM1、KM3、KM5、KM7主触点闭合时，水泵为工频运行；当KM2、KM4、KM6、KM8主触点闭合时，水泵为变频运行。四个热继电器FR1、FR2、FR3、FR4分别对四台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。
图2.1恒压供水的主电路
2.2）.供水系统的控制电路
如图2.2所示，Y0、Y7为PLC输出软继电器触点，其中Y0、Y2、Y4、Y6控制变频运行电路；Y1、Y3、Y5、Y7控制工频电路。SAC为转换开关，实现手动、自动控制切换。当SAC切在手动位时，通过1#SB24#SB2按钮分别启动四台水泵工频运行；当SAC在自动位时，由PLC控制水泵进行变频或工频状态的启动、切换、停止运行。
图2.2恒压供水系统的控制电路
1KA为缺水保护电路的中间继电器触点，当水池缺水或水位不足时，配合缺水保护装置断开控制电路，切断主电路，实现缺水保护作用。2.3）.缺水保护电路
当水池缺水或水位不足时，若不及时切断电源就会损坏水泵，甚至发生事故。如图2.3所示。利用液位继电器等装置时刻检测水池里的水位，经电路转换及处理后对控制回路电源进行控制。水池水位正常时，控制回路电源接通，系统正常工作。水池缺水或水位不足时，液位继电器1K释放，系统报警、指示灯亮并通过1KA切断系统控制电路和主电路，水泵停止。水位正常后，液位继电器1K吸合，重新启动系统。
图2.3缺水保护电路 2.4）.缺相相序保护电路
图2.4缺相相序保护电路
水泵工作在三相交流电，电源发生缺相时，电动机中某一相无电流，而另外两相电流会增大，容易烧坏电动机；另外，为了避免电源相序相反，电动机反转水泵抽空的现象，设置了缺相相序保护电路，如图2.4所示。采用缺相相序保护电路继电器KP接在主电路电源进线空气开关之后，三项正常时，KP得电吸合，控制电路中KP的1-2触点吸合，接通PLC控制电路。反之，缺相或反相时，KP的1-2触点断开，会切断PLC控制电路，系统停止工作，缺相相序保护指示灯亮。
2.5）.硬件接线图
图2.5 硬件原理图
该系统的硬件连接图即PLC和系统的各个硬件的接线。由于PLC所输出的信号是数字信号，不能被变频器所识别，所以我们在他们之间加了个模拟量输入输出模块FXON-3A。其功能：该模块具有2路模拟量输入（0-10V直流或4-20mA直流）通道和1路模拟量输出通道。其输入通道数字分辨率为8位，A/D的转换时间为100us,在模拟与数字信号之间采用光电隔离，占用8个I/O点。2.6）.变频器频率（速度）的设定及PID 1.最高频率：水泵属于平方率负载，当转速超过额定转速时，转速将按平方规律增加，导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定频率的，其最高频率只能与额定频率相等，即Fmax=Fn=50HZ。
2.上限频率：一般来说，上限频率以等于额定频率为宜。但有时也可以预置得略低一些，变频器内部有转差补偿功能，同在50HZ的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电机的负载；变频调速系统在50HZ下运行时，还不如直接在工频下运行，可以减少变频器本身的损失。因此，将上限频率预置为49HZ或49.5HZ是适宜的。
3.下限频率：在供水系统中，转速降低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成水泵“空转”的现象。所以，下限频率预置为25-30HZ 4.启动频率:水泵在启动时，如果从0HZ开始启动，水泵基本没有压力输出，为调节时间，应预置启动频率值为15-20HZ，及设置变频器PID输出值的下限为最大值的30%-40%。
变频器利用PID控制器将被控对象的传感等检测到控制量（反馈信号），将其与目标值（流量、压力等设定值）进行比较，再有PLC控制变频器输出。如图2.60若有偏差，则通过此功能的控制动作是偏差为零，也就是是反馈量与目标值保持一致，从而达到好好的调速作用。
图2.6 PID控制器接线图 2.7 PLC在系统中的控制
根据变频恒压供水原理，利用安装在供水管网上的压力传感器，连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将水压信号转换为电信号送入PLC，PLC根据实际水压值与设定水压值进行比较和经PID运算，并将运算结果转换为电信号，输出送到变频器的信号给定端，变频器根据给定信号，调节水泵的电源频率，从而调整水泵的转速，以维持供水管网中水压值在设定的水压范围内。当变频器频率到达最或大最小时，由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水，PLC在系统中起主导作用是控制交流接触器组近进行工频-交频的切换和水泵工作数量的调整。如图2.7
系统运行之后，在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设定水位要求，1#变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从0HZ开始上升，此时压力传感器检测压力信号反馈到PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至50HZ,延时一定时间后，将1#水泵切换为工频，2#水泵变频交流接触器吸合，变频启动#水泵，频率逐渐上升，直至出水压力达到设定压力，以此类推增加水泵。
如用水量减少，出水压力超过设定压力，则PLC控制变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值，而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，若在一定时间内，出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行；若子一定时间，内压力仍高于设定值，根据先停机的原则，PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。若系统中只有一台水泵变频运行且连续一段时间频率低于设定出水频率，则切除变频运行主泵，投入小流量泵，既保护主泵电动机，又节约能源。当外来管网压力达到设定压力时，则控制其完全停止各泵的工作。
在变频器发生故障时也要不间断供水。当变频器发生故障时蜂鸣器报警，则PLC发出指令使全部水泵停止工作，然后1#水泵工频运行，经一定演示后根据压力变化情况在使2#泵工频运行。此时，PLC切换泵则根据实际水压的变化在工频泵之间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时，均能有蜂鸣器发出报警声。3.结束语
由于变频恒压供水系统的应用，它取代了传统的水塔、高位水箱或气压罐，不但大大的提高和改善了厂区工业及生活消防供水系统的性能，而且节能环保，具有良好的经济和技术效益。我公司自2009年11月投入使用以来，未出现过大的技术问题，保障了了公司下属和附属单位的正常可靠的工业用水，为企业的发展提供了强有力的保障。
参考文献：
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第五篇：2006psLW004059基于PLC的新型变频调速恒压供水系统
基于PLC的新型变频调速恒压供水系统
[摘 要 ] 介绍了一种替代水塔供水的基于PLC的恒压供水系统的构成和工作原理。系统采用变频调速方式自动调节水泵电机转速或加、减泵。改变以往“先启后停”方式，自动完成泵组软启动及无冲击切换，使水压平稳过渡。变频器故障时系统仍可运行，保证不间断供水。系统断电恢复后可自启动。采用硬件/软件备用及钟控功能，使各泵进行轮休，延长了设备的机械使用寿命。
0 引言
随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。本文介绍的变频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。系统介绍
变频恒压供水系统原理如图1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。
通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。
正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#，4#。工作原理 2.1 运行方式
该系统有手动和自动两种运行方式： ⑴.手动运行
按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-4#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。
⑵.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0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，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，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。
若有电源瞬时停电的情况，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。
变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。
2.2 故障处理 2.2.1 故障报警
当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。2.2.2 水泵检修
为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用N泵具有周期定时切换功能，周期间隔由时间控制器设定：1小时每次～96小时每次连续可调。PLC控制系统
该系统采用的是欧姆龙可编程序控制器SYSMAC CPM2A系列，I/O点数为60点，PLC编程采用OMRON CX-Programmer，它是Omron PLC的32位视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。
泵组的切换示意图如图2。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0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（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50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，如
水压仍不满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上；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50Hz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50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上；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，若3台泵（假设为1#、2#和3#）运行时，3#泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器频率从0Hz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，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。
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。而在该系统中，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，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。注意事项
要使系统稳定的运行，有几个参数需特别注意： ⑴.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。⑵.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。结束语
在供水系统中采用变频调速运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态，实现恒压供水；减泵时采用“先启先停”的切换方式，相对于“先启后停”方式，更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命；同时针对所用四台泵均已使用多年、需要定期进行检修的实际情况，增加了硬件/软件备用功能，有效延长了设备的使用寿命；压力闭环控制，系统用水量任何变化均能使供水管网的服务压力保持给定，大大提高了供水品质；变频器故障后仍能保障不间断供水，同时实现故障消除后自启动，具有一定的先进性。目前该系统已投入使用，效果明显。
参考文献 OMRON可编程序控制器CPM2A操作手册。OMRON可编程序控制器CPM1/CPM1A/CPM2A/CPM2C/SRM1（-V2）编程手册。
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