第一篇：山东科技大学毕业设计-基于PLC恒压供水系统
山东科技大学泰山科技学院论文
摘 要
本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统, 并利用组态软件开发良好的运行管理界面。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。
本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。
关键词：变频调速;恒压供水;，PLC;组态软件。
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ABSTRATE
According to the Chinese city residential water demand, has designed a system based on variable frequency speed constant pressure water supply system of PLC, and the use of configuration software to develop good operation management interface.Variable frequency constant pressure water supplysystem consists of a programmable controller, inverter, water pump, pressure sensors, industrial control computer.This system includes three water pump motor, they are composed of variable frequency circulating operation mode.For three-phase motor soft start andfrequency conversion speed regulation by frequency converter, operation switch adopts the “start stop” principle.The pressure sensor detects the currenthydraulic pressure signal, is sent to the PLC is compared with the set value after PID operation, so as to control the inverter output voltage and frequency, and then change the water pump motor speed to change the water supply pipe network pressure, finally keep stable around the setting value.By connecting thePLC and industrial computer, monitor system using configuration software, to achieve the dynamic operation state display and query data, alarm.山东科技大学泰山科技学院论文
目 录 绪论................................................................................................................1
1.1 课题的提出............................................................................................1 1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状................................................2 1.3 本课题的主要研究内容........................................................................4 系统的理论分析及控制方案确定........................................................5
2.1 变频恒压供水系统的理论分析............................................................5 2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定....................................................8 系统的硬件设计.......................................................................................16
3.1 系统主要设备的选型..........................................................................16 3.2 系统主电路分析及其设计..................................................................20 3.3 系统控制电路分析及其设计..............................................................22 系统的软件设计.......................................................................................24
4.1 系统软件设计分析..............................................................................25 4.2 PLC程序设计.......................................................................................26 结束语.........................................................................................................32 参考文献.........................................................................................................48 致 谢................................................................................................................49
山东科技大学泰山科技学院论文 绪 论
1.1 课题的提出
水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了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、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦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。
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，传统的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。
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目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着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，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗[2]。
基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、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，同时系统具有良好的节能性，这在能源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。
1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状
1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状
变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。在我国，60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软
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件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。
1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状
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、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。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。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[3]。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。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[4]。
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1.3 本课题的主要研究内容
本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有3个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。
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2.1 变频恒压供水系统的理论分析
2.1.1 电动机的调速原理
水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：
n60f(1s)(2-1)p式中：f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：(l)改变电源频率(2)改变电机极对数(3)改变转差率
改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗[7]，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。
根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们
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促进了变频调速的广泛应用。2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理
供水系统的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，如图2.1所示。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H=f(Qu)。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Q之间的关系曲线，如图2.1所示。管阻特性反映了水泵的能量用来克服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Qc之间的关系H=f(Qc)。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Qc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。
H扬程特性管阻特性AHAQAQ
图2-1 恒压供水系统的基本特征
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，第35页 山东科技大学泰山科技学院论文
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的。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。
在供水系统中，通常以流量为控制目的，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，用水量减小时电机减速。
由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比；水泵的转速n与出水流量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率P与转速n三次方成正比，即：
Pk1HQ（2-2）nk2Q（2-3）
Hk3Q2(2-4)Pkn3(2-5)式中k、k1、k2、k3为比例常数。
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HH2H1H0b1b2b30Q2Q1Qn2DEn1F
图2-2 管网及水泵的运行特性曲线
当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在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b3移到b1，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，此时水泵的输出功率正比于H1×Q2。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b2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率正比于H0×Q2，由于H1>H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于(H1－H0)×Q2的功率被浪费掉，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。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。
2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定
2.2.1控制方案的比较和确定
恒压变频供水系统主要有压力变送器、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起
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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和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择[8]：
(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PID调节器和PLC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。它虽然微化了电路结构，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+单片机(包括变频控制、调节器控制)+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，具有较高的性价比，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)+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PLC的硬件配置和I/O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PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类
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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。
通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。2.2.2 变频恒压供水系统的组成及原理图
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2-3所示：
管网压力信号报警信号水池水位信号PLC(含PID)变频器压力变送器M液位变送器用户水泵机组水池 图2-3 变频恒压供水系统控制流程图
从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
(l)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，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量
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很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。
(2)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号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；水池水位信号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，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号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)控制机构：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(即水泵机组)进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其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，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即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；变频固定式是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
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换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择[9]，本设计中采用前者。
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、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。
变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上[10]。变频恒压供水系统的结构框图如图2.4所示：
给定管网压力PIDD/A变频器－PLC接触器水泵机组管道A/D压力变送器图2-4 变频恒压供水系统框图
恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供
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水。
2.2.3 变频恒压供水系统控制流程
变频恒压供水系统控制流程如下:(l)系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。
(2)当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。
(3)当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件(在下节有详细阐述)时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2(变速运行)，同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。
(4)当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3关掉。
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2.2.4 水泵切换条件分析
在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢? 由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50HZ成为频率调节的上限频率。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0HZ。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降到0HZ。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20HZ左右。所以选择50HZ和20HZ作为水泵机组切换的上下限频率。
当输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。若出现PsPf时就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力一下就超过了设定压力。在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力超过设定供水压力，而新增加的机组在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入—切出—再投入—再切出地循环下去，这增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中，实际供水压力也会在很大的压力范围
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内震荡。这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。另外，实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。所以，在实际应用中，相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。
实际的机组切换判别条件如下[11]：
加泵条件： ffPdUP PfPs2 且延时判别成立 减泵条件：ffPLOW PfPds2 且延时判别成立(2-7)式中： fUP：上限频率 fLOW：下限频率
Ps：设定压力 Pf：反馈压力
第35页(2-6)山东科技大学泰山科技学院论文 系统的硬件设计
3.1 系统主要设备的选型
根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3.1所示：
故障、状态等量输入报警、控制等量输出上位机、组态等A/D模块可编程控制器(PLC)通讯模块变频器压力变送器人机界面软启动、自耦变压器水泵机组 图3-1 系统的电气控制总框图
由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：(1)PLC及其扩展模块、(2)变频器、(3)水泵机组、(4)压力变送器、(5)液位变送器。主要设备选型如表3.1所示：
表3-1 本系统主要硬件设备清单
主要设备
可编程控制器（PLC）模拟量扩展模块 变频器 水泵机组
型号及其生产厂家 Siemens CPU 226 Siemens EM 235 Siemens MM440
SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限公司）
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压力变送器及显示仪表 液位变送器
普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪 分体式液位变送器DS26(淄博丹佛斯公司)3.1.1 PLC及其扩展模块的选型
PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口(PPI)协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护[12]。
根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。
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3.1.2 变频器的选型
变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：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控制变频器以及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。
由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。MicroMaster440变频器的输出功率为0.75~90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。3.1.3 水泵机组的选型
水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电动机额定功率75KW，供水压力控制在0.3±0.01Mpa。根据本设计要求并结
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合实际中小区生活用水情况，最终确定确定采用3台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低(室外噪音60分贝)、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。因此本设计中选择电机功率为75KW的上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵3台。3.1.4 压力变送器的选型
压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为1~5V或4~20mA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[13]。
根据以上的分析，本设计中选用普通压力表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0~1Mpa，精度1.0；数显仪输出一路4~20mA电流信号，送给与CPU226连接模拟量模块EM235，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。
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3.1.5 液位变送器选型
考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。本设计要求贮水池水位：2m~5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准电信号（4~20mA电压信号），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入PLC。
3.2 系统主电路分析及其设计
基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3.2所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。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的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为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。
本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。
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NL1L2L3FUQS1QS2QS3QS4RST变频器UVWKM1KM3KM5KM2FR1M13~KM4FR2M23~KM6FR3M33~
图3-2 变频恒压供水系统主电路图
三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4~20mA电流信号送至
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上位机来显示。同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须通过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。
3.3 系统控制电路分析及其设计
系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用西门子公司S7-200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。
PLC主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：自动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。
如图3-3为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1~SB6控制三台水泵的启/停；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。对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。图中的Q0.0~Q0.5及Q1.1~Q1.5为PLC的输出继电器触
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点，他们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合下节中图3-4一起读图。
NL1FU2SA21SB1SB2KM1Q0.0PLCKM1KM24N1FR1HL1KM2HL2KM3FR2HL3KM4HL4KM5FR3HL5KM6HL6HL7Q0.16KM1SB3SB4KM3Q0.2KM48KM3Q0.310SB5SB6KM5Q0.4KM612KM5Q0.514Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.51618202224HL8HL9HAKAHL10
图3-3 变频恒压供水系统控制电路图
注：PLC各I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节I/O端口分配中将详细介绍。
本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：
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(1)手动控制：手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。只有当SB2按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。同理，可以通过按下SB3、SB5启动电机M2、M3，通过按下SB4、SB6来使电机M2、M3停机。
（2）自动控制：在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。当Q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL7点亮；当Q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯HL8点亮；当Q1.3输出1时，白天供水模式指示灯HL9点亮；当Q1.4输出1时，报警电铃HA响起；当Q1.5输出1时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL10一直点亮。系统的软件设计
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4.1 系统软件设计分析
硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现，结合泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：
(1)由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理
为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台水泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台水泵。判断需启动新水泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中应考虑采取时间滤波。
(2)多泵组泵站泵组管理规范
由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有个管理规范。在本设计中，控制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过3h，因此每次需启动新水泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体的操作是：将现行运行的变频器从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本设计中使用泵号加1的方法实现变频泵的循环控制，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。
(3)程序的结构及程序功能的实现
由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序。白天、夜
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间模式的给定压力值不同，两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。白天模式系统设定值为满量程的90%，夜间模式系统设定值为满量程的70%。
程序中使用的PLC元件及其功能如表4-1所示。
表4-1 程序中使用的PLC元件及其功能
器件地址 VD100 VD104 VD108 VD112 VD116 VD120 VD124 VD204 VD208 VD250 VB300 VB301 VD310 T33 T34 T35 功 能 过程变量标准化值 压力给定值 PID计算值 比例系数Kc 采样时间Ts 积分时间Ti 微分时间Td 变频运行频率下限值 变频运行频率上限值 PID调节结果存储单元 变频工作泵的泵号 工频运行泵的总台数 变频运行时间存储器 工频/变频转换逻辑控制 工频/变频转换逻辑控制 工频/变频转换逻辑控制
器件地址 T37 T38 M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 M0.6 M2.0 M2.1 M2.2 M3.0 M3.1
功 能
工频泵增泵滤波时间控制 工频泵减泵滤波时间控制 故障结束脉冲信号 水泵变频启动脉冲(增泵)水泵变频启动脉冲(减泵)倒泵变频启动脉冲 复位当前变频泵运行脉冲 当前泵工频运行启动脉冲 新泵变频启动脉冲 泵工频/变频转换逻辑控制 泵工频/变频转换逻辑控制 泵工频/变频转换逻辑控制 故障信号汇总 水池水位越限逻辑
4.2 PLC程序设计
PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软
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件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言[14]。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。
PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI 电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。4.2.1控制系统主程序设计
PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。
(1)系统初始化程序
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，接着对变频器变频运行的上下限频率、PID控制的各参数进行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。在初始化后紧接着要设定白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台
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数。
(2)增、减泵判断和相应操作程序
当PID调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时5min（以便消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。
(3)水泵的软启动程序
增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。
当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过3h则自动倒泵变频运行。
(4)各水泵变频运行控制逻辑程序
各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。当第一次上电、故障消除或者产生1#泵变频启动脉冲信号并且系统无故障产生、未产生复位1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时，Q0.1置1，KM2常开触点闭合接通变频器，使1#水泵变频运行，同时KM2常闭触点打开防止KM1线圈得电，从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM2的常开触点还可实现自锁功能。
(5)各水泵工频运行控制逻辑程序
水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于0，或者当前3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于1，则Q0.0置1，KM1线圈得电，使得KM1常开触点闭合，1#水泵工频运行，第35页 山东科技大学泰山科技学院论文
同时KM1常闭触点打开防止KM2线圈得电，从而实现变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM1的常开触点还可实现自锁功能。
(6)报警及故障处理程序
本系统中包括水池水位越限报警指示灯、变频器故障报警指示灯白天模式运行指示灯以及报警电铃。当故障信号产生时，相应的指示灯会出现闪烁的现象，同时报警电铃响起。而试灯按钮按下时，各指示灯会一直点亮。
故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数，在故障结束后产生故障结束脉冲信号。
由于变频恒压供水系统主程序梯形图比较复杂，不方便全部画出，在此仅画出其控制过程的流程图。详细的主程序梯形图请参考附录C。
主程序流程图如图4-1所示。由于在图4-1中并未对各台水泵的变频和工频运行控制做详细介绍，因此图4-2和图4-3对其作了完整的补充。其中图4-2是以2#泵为例的变频运行控制流程图，图4-3是以2#泵为例的工频运行控制流程图。1#、3#泵的运行控制情况与2#泵相似，在此就不再重复。
如图4-1所示。本设计主程序大体包括以下几部分：(1)调用初始化子程序，设定各初始值；(2)根据增、减泵条件确定工频泵运行数；(3)根据增泵、倒泵情况确定变频泵号；
(4)通过工频泵数和变频泵号对各泵运行情况进行控制；(5)进行报警和故障处理。
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开始程序结束调用初始化子程序产生故障结束脉冲变频泵号置1工频泵数置0Y是否有报警N设置两种模式下水压给定值设定变频泵号变频器故障报警变频器频率达上限Y定时5min,滤波水位越限报警工频泵数加1，产生变频启动脉冲Y水池水位越限变频器频率达下限Y定时5min,滤波1#、2#、3#泵变频运行控制工频泵数减1，产生变频启动脉冲产生倒泵信号是否增泵或倒泵Y复位变频器，变频泵号加1调整变频泵号，遇4变1NY变频泵单独运行时间达3h产生当前泵工频运行，下台泵变频运行启动脉冲NN1#、2#、3#泵工频运行控制NNY变频器故障N
图4-1 变频恒压供水系统主程序流程图
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开始N开始是否有变频启动脉冲信号Y变频泵号是否为2Y系统是否无故障Y是否无变频器复位脉冲Y2#泵是否工频运行N2#泵变频运行是否有工频运行启动脉冲YNN几号泵变频运行？N3#泵变频运行1#泵变频运行NNY工频泵数是否大于0Y2#泵是否变频运行N2#泵工频运行Y工频泵数是否大于1YN结束结束
图4-2 2#泵变频运行控制流程图 图4-3 2#泵工频运行控制流程图
第35页 山东科技大学泰山科技学院论文 结束语
本文针对城市小区供水的特点，设计开发了一套基于PLC的变频恒压供水自动控制系统。该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自耦降压起动装置，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统。压力变送器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调节电机转速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。该系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。
本文主要的工作如下：
(1)由PLC、变频器实现生活用水的恒压控制。系统采用PLC实现对多泵切换的控制。通过变频器实现对三相水泵电机的软启动，由电动机的变频调速实现对水压的调节。
(2)通过对控制过程和原理的分析，利用西门子STEP7 MicroWIN编程软件设计了一个用于恒压供水系统的程序，本程序包括顺序控制主程序，初始化子程序和中断子程序三部分。
(3)对上位机组态监控系统进行了设计。根据泵站监控要求，利用组态王软件完成了泵站组态监控画面的各个功能的设计，系统界面清楚明了，易于操作，能动态地显示当前运行情况、当前水压以及故障情况。
通过本次毕业设计，不仅使我巩固了对原有知识的掌握，还拓宽了我的知识面。在提高自己的同时，我也更加清楚的认识到自己的一些不足之处。比如：在硬件设备之间的连接，I/O端口的分配，地址的分配这几方面自己起初不是很了解，但经过这半年的自学，以及向老师、同学们请教，我对这些知识有了更深入的理解。通过这半年的实践和学习，我学到了很
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多课本中无法涉及到的知识，体会到了工程设计的复杂与困难，也感受到了亲自做出成绩的成功与喜悦，这些都为即将开始的研究生生活打下了坚实的基础。在以后的学习和生活中，我会不断的提高、充实自己，争取获得更大的成绩。
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致 谢
首先衷心的感谢我的论文指导老师孙霞老师。在我做毕业设计的过程中得到了于老师的指导。从设计的开始到论文的定稿，整个过程老师是一丝不苟。于老师严谨的治学态度，影响着我努力改进，并将成为我以后学习和工作的榜样。在此谨向于老师表示最衷心的感谢。
在这一个月的毕业设计的过程中，我还得到了本班同学的大力帮助，我们一起学习，一起探讨问题、解决问题。遇到困难时，他们给了我许多好的建议和帮助。在此，对所有给予我帮助的同学表示衷心的感谢。
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第二篇：城市恒压供水PLC控制系统-毕业设计任务书
毕业设计（论文）任务书
I、毕业设计(论文)题目：
城市恒压供水PLC控制系统
II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求： 1．原始资料：
本控制系统主要对供水系统水压进行实时控制，保证用户或用水设备所需水压在规定范围内。恒压供水系统主要由水泵、压力传感器、调节器及变频器构成。
恒压供水控制系统中产生水压的设备是水泵，水泵转动越快产生的水压越高；压力传感器主要用于检测管路中的水压，常装设在泵站的出水口，当用水量大时水压降低，用水量小时水压升高。压力传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。调节器是一种电子装置，在系统中可以设定管路压力，接收传感器送来的管路水压实测值（反馈值），并与给定值进行比较，输出调节信号（模拟信号，4~20mA电流信号或0~10V电压信号），本系统由PLC 控制。① 系统设有自动和手动工作方式。② 系统供水压力范围为 0.6MPa~0.7 MPa ③ 系统有三台水泵，一台变频器，水泵均由75kW的电动机拖动。自动工作方式下，正常工作时，变频器首先变频启动1#电动机工作；在压力调节过程中，如果1#电动机已工作在上限频率，则1#工频运行，2#变频运行；如果2#电动机工作在上限频率，则1#工频运行，2#工频运行，3#变频运行；如果当变频泵运行频率达到下限设定频率，则减少一台工频泵运行。④ 当系统自动运行一天时，泵号自动切换，每台水泵工作情况基本相同，达到轮流工作目的，减少系统维护工作。⑤ 手动工作方式时，同一台电动机不进行工频与变频的切换里，其压力只受压力开关控制。⑥ 采用模拟量输出（DC0~10V）来控制变频器调节电动机的转速，采用PID调节指令来实时调节系统水压。⑦
变频器的频率上限值设置为50Hz，频率下限值设置为20Hz，数据90ms采样一次。⑧ 系统有电源指示、工作方式指示、电动机运行指示。⑨ 系统有电压表、电流表指示三相电压、电流值。⑩ 因管路发生破裂或某台电动机损坏不能正常工作等原因导致管路压力较低时，变频运行的电动机以最大设定频率连续工作1h以上或电动机过载时，系统发出报警指示。2．设计技术要求：
① 要求自行查阅资料，独立完成毕业设计，锻炼自己分析问题、解决问题的能力。② 根据系统控制要求、主要技术参数设计控制系统的硬件电路及软件程序。③ 要求完成的设计能满足实际要求，图面及文字说明表达简洁、清晰、易读懂，图纸设计规范，符合制图标准，控制系统合理可靠，具有一定使用价值。④ 要求毕业设计论文叙述条理清楚，设计、计算、程序正确，论文格式规范。III、毕 业设计(论文)工作步骤：
1．收集有关资料，写出开题报告； 1周 2．分析与研究系统的总体情况；—— 系统工作情况、框图 1.5周 3．设备与器件的选择与计算；——器件型号、作用，元器件清单 1.5周 4．硬件电路设计； ——硬件电路图纸 2周
5．软件程序设计；——软件程序 2周
6．毕业设计审查、毕业答辩 ——修改论文 2周
撰写毕业论文一份、绘制图纸一份 贯穿于其中 Ⅳ、主
要参考资料：
基于PLC和变频器调速的恒压供水系统设计
第三篇：基于PLC的恒压供水系统
基于PLC的恒压供水控制系统
Its functions are: it can make the pressure sensor to collect the pressure signal in the pipe line net, and this pressure signal can be converted analog signals to and be transmitted to the intelligence conversion —an instrument(the SR93 series PID modulator), the intelligence conversion instrument(the SR93 series PID modulator)display the actual pressure value of the tube net, and the intelligence conversion instrument(the SR93 series PID modulator)enact the pressure value ,the customer want to gain, when the pressure value is gained , the customer demand of and the pressure value is gained, the pipe line net display in practice, the intelligence conversion instrument(the SR93 series PID modulator)output an analog signals, and it will change frequency of Fuji transducer to influence the exportation frequency of the water pump(the FRENIC 5000 G11 Ss/P11s S), it will influence rotate speed of water pump electrical engineering, changing flux of water , so it will attain the purpose of the steady presses water supply.引言
随着我国城乡建设的迅速发展,水、电供应不足的矛盾越来越成为人们关注的问题。例如,人们日常生活中的用水量越来越大,一天中的用水量的波动也越来越大。以往的供水系统中,水泵的选取往往是按最大供水量来确定,而实际的用水量在不断变化。高峰用水时间较短,这样水泵在很长一段时间内有较大余量,不仅水泵效率低,供水压力不稳,而且造成大量电力、水资源的浪费;并且以往依靠手动操作控制泵的启动、停止,也已不能满足要求。这里,介绍一种变频控制的恒压供水系统,它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力,又能节约能源[5]。
一、系统介绍
该控制系统主要装置包括：可编程控制器（PLC）、变频器、压力传感器、PID控制器以及相关软件控制单元。该装置形成一套完整的、全自动的、智能的恒压供水控制系统，如图1所示。该系统能够以三种方式工作，分别为全自动、半自动和手动操作方式，其中后两种是在全自动方式出现故障时的弥补。
图1 恒压供水系统简图
2全自动恒压供水控制原理
当主水管网压力传感器的压力信号4~20mA送给数字PID控制器，控制器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下的泵，投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量，保证压力稳定。若两台泵运转仍，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到最后一台泵用主频器恒压供水[4]。另外，控制系统设两台泵为一组，每台泵的电机累计运行时间可显示，24小时轮换一次，既保证供水系统有备用泵，又保证系统的泵有相同的运行时间，确保了泵的可靠寿命。
二、系统原理图
1.PLC系统原理图，如图2所示：
图2 PLC系统原理图
2.外部设备接线图，如图3所示：
三、恒压供水控制系统的编程
本程序用富士专用的FLEX PLC编程器编译[1]，利用梯形图清晰直观地展示各设备的运转状况等等。具体编程思想如下：
首先选择利用FLEX PLC的输入继电器、输出继电器以及内部继电器，确定本设计方案所包括的仪器仪表。即一台富士NB系列PLC、两台7.5KW水泵、一台富士G11/P11变频器、一台压力传感器、一台SR90系列PID调节器、若干个空气开关、断路器、中间继电器等。根据PLC接线原理图（如图2所示），进行详细接线，并参考FUJI NB系列可编程控制器得参考手册，对PLC输入输出端子进行定义。
部分梯形图
PLC的恒压供水控制系统部分梯形图如下[2]：
四、系统操作说明 4.1自动控制
1.设定用户需要的目标压力值
系统送电之后，控制柜面板上的电源指示灯点亮，其下方的温控表将会有显示：PV---.---、SV---.---。其中PV---.---表示水管网中的实测压力值,SV---.---表示用户需要的目标压力值.用户可按动▲、▼键使 SV---.---中的数字发生改变，直到显示用户需要的水管网的压力值时按下ENT键，结束目标压力值设定。2.选择需要开启的泵组
自动/停/手动开关向左45度扳动一次时，泵组处于启动状态，系统将选择1号泵组启动；控制柜面板上的自动/停/手动开关扳到垂直位置时，四台泵组均处于停止状态。当将自动/停/手动开关再次向左45度扳动一次时，系统将选择2号泵启动；
3.变频自动工作开始
当系统检测到某台泵组的启动信号以后，便会使变频器开始升频工作，此时水管网中的压力开始上升，即PV---.---中的显示值开始上升，并不断趋向于用户设定的SV---.---中的目标压力值。当水管网中的压力和用户的设定的目标压力值相吻合（即PV---.---中的显示值和SV---.---中的显示值相吻合）时，变频器的输出频率便会稳定[3]。
4.2自动控制中的部分功能
1.自动切换至工频 2.故障泵组自动退出运行 3.定期倒换工作泵组
五、恒压供水控制系统的优点
1.采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。
2.用稳压减压阀经济地解决了不同用水压力的问题。
3.拓宽运用变频恒压控制原理，较好地解决了加压泵房与抽水泵房的远程通讯总是并达到异地连锁控制的目的。
4.在抽水泵房设置连续液位显示，并将信号传与PLC，防止泵缺水烧坏电机，设定的取水位置，确保水的质量。
5.电机既有电机保护器，又有软起动器，克服了起动时的大电流冲击，相对延长了电机制使用寿命。
6.由于采用PLC控制的压力自动控制，可以实现无人远程操作，系统的PLC预留有RS485接口，可与公司总调度室计算机网络进行连接。
7.通过采用变频器控制，可在不同季节、节假日、日夜及上下班等全面调控水量。
参考文献
[1] FUJI NB系列 编程手册
[2] 钟肇星.《可编程控制器原理及应用》.广州：华南理工大学出版社，1991.7-15.[3] 黄立培，等.《变频器应用技术及电机调速》.北京：人民邮电出版社，1998.32-45.[4] 高钦和.《PLC可编程控制器应用技术实例》.北京：人民邮电出版社，2000.76-90.[5] 尹明,时代伟.恒压供水模糊控制器的研制[J].齐齐哈尔大学学报,2003,19(1):53-54.5
第四篇：恒压供水plc程序
湖南沃尔特水设备
恒压供水plc程序
产品特点
1.恒压供水plc程序 按辅助供水方式可分为无辅助供水、小型水泵辅助供水、小型气压水罐辅助供水3种
无辅助供水：同型号水泵互为备用，小流量供水时效率较低;
小型水泵辅助供水：有两种以上规格的水泵(主泵和副泵)，大流量条件下主泵运行，小流量条件下启用副泵，夜间流量接近零时仍然存在能量浪费;
小型气压水罐辅助供水：小流量条件下切换到气压供水方式，避免能量浪费，隔膜式气压水罐可缓冲水锤压力波动。
2.恒压供水plc程序 按稳流罐构造可分为气水分离、气水接触2种
气水分离：利用胶囊将水和空气隔离，空气与水无接触，卫生条件好，对水锤压力波动有缓冲作用;
气水接触：消除负压时空气通过过滤器进入稳流罐，空气与水有接触，卫生条件取决于过滤器质量。
3.恒压供水plc程序 按供水压力可分为恒压变量、变压变量2种
恒压变量：供水量随用水量变化，但供水水压保持设定值的供水方式。控制简单，但节能不充分;
变压变量：供水量随用水量变化，供水水压按设定供水工作曲线或配水管网终端多点压力控制的供水方式。节能充分，控制系统比较复杂，管网压力有波动。
恒压供水plc程序安装使用及保养
1恒压供水plc程序安装应选择通风良好、灰尘少、不潮湿的场地，环境湿度为-10℃-40℃。在室外应设防雨，防雷等设施。
2、为方便恒压供水plc程序安装、保养、设备四周应留70cm空间，人孔处应保留1.5m空间，四周地面应设排水沟。
3、选定恒压供水plc程序场地后，要处理好地基、在用砼浇注或用砖石砌筑罐体支承座。待基座完全固化后，再吊装罐体并放稳，随后安装附件，接通电源。
4、在试车前，应先关闭供水阀，检查恒压供水plc程序各密封阀情况，不允许有泄露现象，开车后，应注意机泵转向。当压力表指针到上限时，机泵自动停止。打开供水阀，即可正常供水、如需定时供水，可把选择开关扳到手动位置。
湖南沃尔特水设备
5、恒压供水plc程序泵机组应经常检查，定期保养并加注润滑油。离心泵和止回阀如发现漏水现象，应及时紧固法兰螺丝或更换石棉根，检查机泵底脚螺栓不能松动，以防损坏恒压供水plc程序。
6、恒压供水plc程序系统，应防水、防尘、经常检查线路绝缘情况，连接螺栓是否松动和保险丝完好等情况。压力表外部最好用透明材料包裹，以防损坏恒压供水plc程序。
7、罐体如发现漆皮脱落，应及时涂漆保养，以延长恒压供水plc程序使用寿命。
长沙沃尔特恒压供水plc程序特点
1.恒压供水plc程序投资少、无水池、不用消毒。
2.恒压供水plc程序体积小、占地少、安装方便。
3.恒压供水plc程序高效节能，全部充分利用自来水管网压力，三重强制叠压、耗电少，运行费低。
4.恒压供水plc程序全不锈钢流道，全密封带压稳流补偿系统，彻底隔绝污染源，清洁环保。
5.恒压供水plc程序水压稳定，不会造成市政管网压力波动。
6.恒压供水plc程序全自动控制运行，无人值守设计。
7.恒压供水plc程序超强保护，故障自动显示，报警。
8.恒压供水plc程序模拟屏人机对话，可随时查询、设定、调整运行参数。
9.恒压供水plc程序旁通设计，自动切换，停电不停水。
10.恒压供水plc程序高寿命。运行效率高，可提高水泵的寿命3倍以上。
恒压供水plc程序性能特点：
1、恒压供水plc程序具有强大的贮能保压能力，特别是在夜间时应付少量供水时,可以大大节约电能.2、调节容积(水泵每启动一次可供用户使用的水量)大.泵每启动一次,可以长时间地维持管网压力,设备启动次数少,运行费用低
3、恒压供水plc程序设备采用国际领先的补气技术
湖南沃尔特水设备
气压罐的补气采用微电脑电子检测、限量补气与排气技术，随时保证罐内气体有一定容积，根本解决了气体长期失效带来的水泵频繁启动问题，填补了国际、国内在该问题上的技术空白。
4、恒压供水plc程序不同用户的现场条件,无塔自动上水器可采取以下不同的配置
(1)、恒压供水plc程序的水源是自备井: 1)潜水泵+控制系统+气压罐
2)潜水泵 +水池(水箱)+控制系统+气压罐
(2)恒压供水plc程序的水源是自来水: 1)离心管道泵+控制系统+气压罐
2)离心管道泵 +水池(水箱)+ 控制系统+气压罐
恒压供水plc程序变频控制原理
用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显着(可根据具体情况计算出来)。其优点是：
1、起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;
2、由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命;
3、可以消除起动和停机时的水锤效应;
一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。
夏小姐 ***
恒压供水plc程序适用范围
1、恒压供水plc程序适用于有水池的高层建筑、宾馆、学校、城镇居民小区、企事业单位、新农村建设农村的生活用水。
2、恒压供水plc程序适用于工厂、工矿企业的生活或者生产用水。
3、恒压供水plc程序适用于各类水厂、供水站、污水废水厂、农业排灌站等供排水。
4、恒压供水plc程序适用于高楼、小区、企事业单位热水集中供水。
湖南沃尔特水设备
5、恒压供水plc程序适用于生产、生活中的冷却水、循环水的加压。
6、恒压供水plc程序适用于油田输油管道、油库、油站等的恒压输油。
第五篇：基于plc的恒压供水系统
基于PIC的恒压供水系统
主要功能
1、全自动完成多台水泵机组软启动,变频到工频运行以及停止的全部操作过程.2、根据用水量的变化,变成多台泵组的启动和停止.3、有压力设定值和实际压力值的LED显示功能.4、有LED频率指示,变频异常指示,电机故障工况显示.5、保护功能:具有欠压保护,过压保护,过载保护,短·保护,失速防止,烧损防止等功能.基于PIC的恒压供水系统运营环境
1、环境温度：5~50℃;相对湿度：≤90%，无凝露。
2、周围空气无腐蚀性气体、水蒸汽、粉尘等明显污染。
3、安装场所的最大海拔高度1000m。
基于PIC的恒压供水系统常用组合方式
立式系列二次供水设备吨位为2-20吨，系立式供水设备，具有占地面积小的优点，以水井或蓄水池做水源，适用于地面面积小，用水量少的用户。
卧式系列二次供水设备吨位为10-100吨，系卧式供水设备，以水井或蓄水池做水源，适用于企业事业单位，农村等用水量较大的用户使用。
调查：居民对二次供水概念不熟
什么是二次供水?记者在采访中得知，许多市民对这一概念还不了解，不明白二次供水的真正含义。其实，二次供水是用水单位将来自城市集中式供水系统的生活饮用水经贮存、加压或再处理(如过滤、软化、消毒等)后，经管道输送给用户的供水方式，通常是解决高楼层居民水压难题而采取的特殊供水方式。据不完全统计，现在有近七成的用水人口饮用的是城市二次供水。
改进：室外管道应有防冻措施
该规范明确规定，严禁二次供水管道与其他管道直接连通，而除了对二次供水设施安装严格要求外，还对材料的使用也作出明确规定，包括埋地给水管道应根据承受压力等级、地面荷载力的不同选用耐腐蚀、寿命长的管材、管件等。在安装时，二次供水室外管道应有防冻措施，二次供水管道应作蓝色色标，并标明二次供水。二次供水引入楼内的立管应在建筑物首层设置阀门等。
防污：储水池周围应隔离污染源
在用水管理条例中明确，二次供水设施管理主体应当加强二次供水的日常管理，建立水质管理制度和检测档案;定期进行水质常规检测，每季度不得少于一次;定期对各类储水设施清洗消毒，每半年不得少于一次。
而为了防止二次供水水质污染，《技术规范》要求，埋地式生活饮用水储水池周围10米以内不得有化粪池、污水处理建筑物、渗水井、垃圾堆放点等污染源;周围2米以内不得有污水管和污染物。生活饮用水池(箱)应与其他用水的水池(箱)分开设置等。
变频恒压供水设备的质量高低是决定二次供水品质好坏的关键，但一段时间以来，我国无负压二次供水设备行业比较混乱，因没有统一标准进行性能检测，设备中关键部件不能正确使用，极易形成安全隐患。
基于PIC的恒压供水系统的分类
1)按供水方式分：(1)恒压变量供水系统：水泵的出口压力始终保持一个恒定值，设备的供水量可随用户用水量的需求而变化。(2)变压变量供水系统：系统的控制压力检测点设在用户给水系统的末端，用此测定压力来控制水泵运行的转速，此时水泵的出口压力是变化的，用户的用水量也是变化的。
2)按控制方式分：(1)微机控制型：控制核心由单片机组成。(2)PC控制型：控制核心由可编程序控制器组成。
3)按水泵台数分：(1)单台式：控制一台水泵调速运行，另一台泵备用，两台交替使用。(2)多台并联式：控制一台水泵变频调速运行，多台工频运行。还可按结构形式和系统用途等方面分类。
基于PIC的恒压供水系统使用的领域
1、自来水供水、生活小区及消防供水系统，亦可用于热水供应、恒压喷淋等系统。
2、工业企业生活、生产供水系统及工厂其它需恒压控制领域(如空压机系统的恒压供气、恒压供风)。各种场合的恒压、变压控制，冷却水和循环供水系统。
3、污水泵站、污水处理及污水提升系统。
4、农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。
5、宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。
基于PIC的恒压供水系统的两个特点：
1.供水管网压力稳定：设备由微机构成自动闭环控制，能在0.5秒内使变化的压力恢复正常，压力调节精度为设定值的±5%。
2.供水功能全，保险系数高：设备局部出现故障时，能启用应急功能继续供水。该设备可与市政供水网自动并网运行，并具有双恒压功能，即能满足生活生产用水的正常压力和流量，有能在出现火情时自动转换为高压大流量供水，可一机多用。
无负压变频供水设备
变频恒压供水设备
基于PIC的恒压供水系统应用范围：
1、新建的住宅小区、别墅、写字楼、综合楼生活供水。
2、高层建筑、消防用水、高级宾馆饭店等的生活供水。
3、气压给水,地面水池加压等传统供水系统改造。
4、各种锅炉冷水供水系统、锅炉热水。
5、自来水厂的中间加压泵站、自来水二次增压。
6、各工矿企业的生产、生活用水、管网稳压。
7、各种类型的循环水、冷却水供应系统。
8、自来水压力不能满足要求的生活、消防加压供水等。
基于PIC的恒压供水系统使用的领域
1、自来水供水、生活小区及消防供水系统，亦可用于热水供应、恒压喷淋等系统。
2、工业企业生活、生产供水系统及工厂其它需恒压控制领域(如空压机系统的恒压供气、恒压供风)。各种场合的恒压、变压控制，冷却水和循环供水系统。
3、污水泵站、污水处理及污水提升系统。
4、农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。
5、宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。
基于PIC的恒压供水系统适用范围
A、城乡居民生活供水
变频供水设备广泛用于各城乡的楼宇、生活小区供水，并有效杜绝了细菌的滋生、红虫的繁殖，为广大的住户提供更纯净、更优质的饮用水，既保证了居民用水安全，又节约了能耗，节省了费用开支。
典型的工程有：娄底新化鑫景名苑、邵阳洞口一中、株洲醴陵方正房产、长沙阳光丽景小区、衡阳鑫盛置业、江西九江德山房产(星子田园小区)等。
B、大型宾馆、酒店、医院等商业供水
变频供水设备广泛应用于各大型的宾馆、酒店，能有效杜绝细菌的滋生、红虫的繁殖，为广大的用户提供更优质、更纯净的水，令入住的客人喝得放心，住得开心，同时也提升了企业形象。
典型的工程有：长沙奥盛酒店、湘潭润玉酒店、韶关办公大楼、常德清真第一春、株洲九天国际广场、湘潭圣保力KTV、湘西民族宾馆及益阳维多利亚宾馆等。
C、工业供水
变频供水设备广泛用各类工业用水。
典型的工程有：武汉葆春蜂王浆有限公司、邵阳市科瑞化学品有限公司、株洲湘蜀自控科技公司、湖北广水防水材料厂等。
D、旧供水系统的改造
绝大多数的多层楼宇及部分高层楼宇，都是采用了上行下给的水池二次供水，住户长期受到水质的二次污染、水漏耗大及水压不足等困扰。
典型的工程有：中国水电八局，湘潭金荣广场、湖南省工商业联合会、柳城海润广场、株洲中央皇庭、湘潭新城庭院、湘潭湖湘林语等。
E、“一户一表”改造的配套使用
典型的工程有：常德澧县自来水厂、常德桃源县白洋河自来水厂，株洲醴陵孙家湾自来水厂、邵东翰林院项目等。
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