恒压供水系统控制设计 08010272（范文大全）

第一篇：恒压供水系统控制设计 08010272

恒压供水系统控制设计 引言

在防汛抗旱救灾、完成急难险重任务中创先争优。一是全力做好防汛工作。2010年“莫兰蒂”、“凡亚比”、“鲇鱼”等5个十二级以上的强台风连续正面袭击我市，台风影响间隔时间之短、频率之高、连续之频繁为历史少见；同时，短时间的强降雨记录频现，6月23日15-18时，安溪西坪镇珠洋站3小时雨量114毫米（达百年一遇暴雨标准），南安巷仔站、洛江马甲站和南安洪濑站等雨量站点达到或接近30年一遇的暴雨标准，防汛抗灾形势严峻。面对挑战，市直水利系统各党组织和广大党员协同协作，加强监测预报预警，强化重点部位防守，加强水库科学调度，强化防汛责任制落实，在防抗第10号台风“莫兰蒂”（风力12级）、第11号超强台风“凡亚比”（风力16级）、第13号超强台风“鲇鱼”（风力17级）的正面登陆和袭击工作中，我市均实现了零伤亡，切实将台风暴雨洪涝灾害损失降到最低限度，最大限度地减轻了人民群众生命财产损失。7月23日，省委、省政府召开全省抗洪抢险救灾表彰大会，隆重表彰在抗击“6.13”特大暴雨洪灾中涌现出来的先进集体和个人，我市有1个单位、6名同志被授予“先进集体”、“先进个人”荣誉称号。在全省防抗第13号台风“鲇鱼”表彰大会上，系统有2家单位分别被授予“一等功先进集体”和“二等功先进集体”荣誉称号。二是全力应对夏秋冬连续旱情。近年来，我市接连遭遇夏秋冬连旱，2009年下半年开始的一场数十年不遇的特大旱情在湄洲湾南岸地区蔓延，洛江、泉港、惠安等地水库存水严重不足，45万人生活生产用水得不到保障，福建联合石油化工有限公司、福建氯碱工业有限公司、国电泉州发电有限公司等重点工业企业高达上数百亿元工业产值的生产用水告急，企业面临停产威胁。市委常委会果断作出实施应急供水工程的决定，并下达了45天具备通水条件的任务要求。任务下达以后，工程实行24小时不间断施工，四个施工段分头推进，10个工作面同时展开，近100台施工机械不停作业，600多名施工人员顶烈日、冒风雨，连续作战。正是这样的施工强度，使得工程提前11天通水，在短短34天内完成巨大工程量，以实际行动诠释了系统党员在关键时刻能拉得出、冲得上、打得赢的作风，不但为我市的经济社会发展提供了应急供水保障，也为我市的应急工作积累了十分宝贵的经验，锻炼了一支“特别能吃苦、特别守纪律、特别能战斗”的队伍，培养了一批“有吃苦精神、有专业技术、有组织才干”的综合人才，是市委“协同协作合力”在具体实践中的生动运用和深刻阐释。市委徐钢书记在福建炼化集团致市防汛抗旱指挥部《感谢信》中作出重要批示：“我们水利部门的同志确实干得好、能战斗、能扛得住，值得表扬。”

在发展民生水利、保障改善民生中创先争优。民生水利建设项目，点多面广，时间紧迫，任务艰巨。市直水利系统坚持把是否解决涉及民生的水利问题作为检验创先争优活动成效的一把标尺，自觉把民生水利工作放到大局中来思考、审视和把握，从中找到工作的切入点、结合点和着力点。进一步强化政治意识、大局意识、服务意识，深刻领会市委、市政府的工作部署，把握新形势新任务对水利工作提出的要求，从水利工作的职能特点出发开展工作，不断提高服务全局的能力和水平。按照省、市“大干150天、全力实施五大战役”总体部署，成立了以机关党员领导干部为组长的三个工作小组，分别进驻南安安溪片区、晋江石狮片区、惠安泉港片区，带领专业技术人员战斗在工程一线，以超常规的工作强度、超常规的工作手段和超常规的工作要求，迅速行动，全力以赴，做到工作中不留断档、时间上不留空隙，环环紧扣步步紧逼，克服重重困难，形成全力以赴、真抓实干的强大态势，高速推进工程建设。目前96个水利工程项目按既定目标全面完成建设任务，累计完成投资8.86亿元。其中，水库、海堤除险加固以及农村饮水安全工程三大类省级为民办实事项目全部按时完工，在全省9地市水利建设进展中名列前茅，得到省水利厅领导的充分肯定。

在加强水资源管理、促进经济发展方式加快转变中创先争优。坚持一手抓创新、一手抓落实，以务实的精神推进我市作为“全国水资源动态管理系统试点城市”的各项工作，通过水资源红黄蓝分区管理、水资源动态管理、节水型社会城市建设等项目，科学探索水资源管理工作。去年6月4日，我市水资源管理工作经验作为专题在中央电视台《新闻联播》向全国推广；6月29日，获得来泉视察的全国政协副主席阿不来提?阿不杜热西提的充分肯定，并形成专题报告上报国务院，得到了温家宝总理、回良玉副总理的批示，水利部水资源司孙雪涛司长专门致信徐钢书记和李建国市长，称赞我市水资源试点经验在今年中央一号文件中得到了充分体现，“为一号文件提供了重要的理论创新和实践经验”；“山美灌区水资源优化调配支持系统”获得2010年度福建省水利科技技术二等奖。

在加快水利基础设施建设、提升水利保障能力中创先争优。牢固树立“群众工作无小事”的观念，大力弘扬秉公用权、廉洁从政的良好工作作风，坚持以最广大人民的最大利益为出发点，在防汛抢险、水资源管理、水利工程建设、水环境保护、引水发电等各项工作中，系统广大党员干部充分发挥先锋模范作用，抓紧建设一批控制性骨干水利工程和水资源配置工程，湄南供水二期工程、北渠节水改造工程（二期）丰泽段、金鸡新旧拦河闸南岸防洪堤工程、南安市沿海片区供水工程、安溪县坑仔口湖头镇区河道治理工程、晋南灌溉排水泵站更新改造工程等完成主体工程建设，水利对经济社会发展的保障能力进一步增强。恒压供水技术和优点

2.1 工作原理

1、原理框图：参见图一所示

2、系统概述：

该系统由四台大泵（22KW）与一台小泵（5.5KW）组成；PLC部分由西门子可编程控制器S7-200系列的CPU226，文本显示器TD200组成；变频器采用三菱FR-A540系列，功率22KW。

用户所需的生活用水压力、消防用水压力、运行方式等参数在TD200文本显示器上设定，压力传感器把用户管网压力转换为0-10V标准信号送进PLC模拟量模块EM235，PLC通过采样程序及PID闭环程序与用户设定压力构成闭环，运算后转换为PLC模拟量输出信号送给变频器，调节水泵电机转速，达到恒压供水的目的。

该系统有各个泵的运行时间累计功能，通过PLC的数据区保持可以断电记忆。每次起动时先起动1#小泵，当用水量超过一台泵的供水能力时，PLC通过程序实现泵的延时上行切换，切换原则为当前未运行的大泵累计运行时间最少的先投入；当压力超过时，PLC通过程序实现泵的延时下行切换，切换原则为当前正在运行的大泵运行时间最多的先撤出。直到满足设定压力为止。追求的最终目标为压力恒定。

当供水负载变化时，变频器的输出电压与频率变化自动调节泵的电机转速，实现恒压供水。

系统还可通过PLC的实时时钟自动定时供水，用户在TD200上设定每天最多6段（段数也可设定）定时供水，比如早上6：00到8：30，中午11：20到1：30等。

系统可动态显示各种参数，如设定压力，运行压力，水位高度，运行方式，实时时间，日历，各个泵的运行时间累计（精确到秒），运行状态，故障信息等等。为了不使系统中TD200画面显得死板，在PLC程序中控制TD200中的画面定时切换，动态显示；

系统还有故障自诊断功能，各泵发生过载、缺相、短路、传感器断线、传感器短路、水位下限、水压超高、水压超低、变频器故障等，都会有声光报警，TD200上同时显示故障类型，通知设备维修人员处理，并可记忆故障发生时间及班次，以便追查原因及相关责任。

3、工作原理：

（1）手动运行时，可按下按钮起动停止水泵在工频状态下运行，完全脱离开PLC及变频器的控制，该功能主要用在检修及自动系统出现故障时的应急供水方式中。

（2）自动运行时，全部泵的运行依程序自动工作。

上行过程：当在自动运行方式时，按下TD200上的起动软健，系统先起动1#小泵，PLC程序控制模拟量模块EM235给定变频器一固定频率输出，此时若用 PID运算输出直接控制变频器则（设定压力大，运行压力为零，所以运算输出最大）变频器依设定的上升时间运行，升速太快，系统冲击很大。等泵运行一会儿，管网压力积累后，再用PID运算输出控制变频器。具体时间和频率与管网系统有关，在现场调试时这两个参数在TD200上设定调整。管网越大，时间越长 当 1#小泵到达50HZ后，系统压力仍偏低，则延时一段时间后，系统靠PLC程序把1#泵切换到工频运行，同时由PLC输出一个开关量给变频器的MRS端子，变频器瞬间禁止输出，此时PLC把运行时间最少的泵变频接触器接通后，撤掉禁止输出，相应的泵变频起动运行；延时切断1#小泵，系统中相应的一台大泵变频运行，压力自动调节，若系统压力平衡，则频率稳定在一个相对的范围，若频率到达50HZ后压力仍然偏低，则再投入一台大泵，比较剩下的泵的累计运行时间，时间少的先行投入，以此类推。注意，上行中，只要有一台大泵运行，则1#小泵要断开，大泵与小泵同时运行时，小泵的效率很低。

下行过程：当系统压力偏高，变频器运行在18HZ左右（18HZ以下泵的效率很低，经验值）时，PLC程序判断运行在工频状态的泵累计运行时间（若只有一台泵不作判断），运行时间最多的泵延时先行撤出，在撤出的瞬间，PLC控制变频器运行频率在50HZ，要不系统冲击过大，容易有水垂现象，延时一会儿后，再把 PID运算输出投入即可；以此类推。注意：下行过程中，到最后一台大泵运行时，频率在18HZ左右，系统压力仍然偏高时，则把1#小泵切换到变频运行。这种情况在夜间可能发生，当供水管网很大时，也许没有这个可能性。

2.2 泵节能理论

1、循环水泵工作原理

大型电厂的循环水泵一般采用两种运行方式：单泵运行或双泵并联运行。经过双速改造的循环水泵的并联运行方式一般为双泵低速并联运行、双泵高速低速并联运行和双泵高速并联运行。1.1、单台泵工作原理

将管路性能曲线和泵本身的性能曲线用同样比列尺画在同一张图上，两条曲线的交点即为泵的运行工况点，亦称工作点。如图1所示，其中I是泵本身的性能曲线，Ⅲ是管路性能曲线，M点即为泵稳定运行的工况点。

图1单台泵运行

1.2、相同性能泵并联工作原理

图2为相同性能泵并联运行时的性能曲线。图中I，Ⅱ为两台同性能的泵的性能曲线，Ⅲ为管路特性曲线，将单台泵的性能曲线的流量在扬程相等的条件下迭加，可以得到并联工作时的性能曲线I+Ⅱ。图2中，管路曲线与泵的并联性能曲线的交叉点M，即为并联工作时的工作点。并联时单个泵的工况，由M点作横坐标的平行线与单泵的特性曲线交于C点，即为每台泵在并联时的工况点，同时可知并联时每台泵的流量为Q。由图2可知并联工作的特点：2台泵并联工作时扬程和并联时的单台泵的工作扬程相等，总流量为并联的每台泵输送流量之和。并联前每台泵的参数跟并联后每台泵的参数比较可知：并联时每台泵的工作流量小于单独泵工作流量，而单独泵工作流量又小于双泵并联工作流量，即Qc

图2相同性能泵并联运行 1.3、不同性能泵并联工作原理

图3为不同性能泵并联运行时的性能曲线。图中I，Ⅱ为2台不同性能的泵的性能曲线，Ⅲ为管路特性曲线，并联工作时的性能曲线为I+Ⅱ。由图3可知：并联前每台泵的工况点分别为B、B两点，流量为QB1、QB2。与并联后泵的工况点比较可知2台泵并联后的流量QM小于并联前每台泵的流量QB1、QB2之和。2台泵并联后的扬程大于并联前每台泵的扬程。2台不同性能的泵并联时的流量等于并联后每台泵的流量Qc1、Qc2之和，而并联时的总流量小于并联前每台泵单独工作时的流量之和，其减少的程度随泵并联台数的增加、管路特性曲线的陡缓程度而增大。

图3不同性能泵并联运行

2、循环水泵运行试验研究

双速改造后的循环水泵性能试验参照《离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法(GB3216-89)》进行。

试验工况分别选择为：单泵高速运行、单泵低速运行、双泵低速并联运行、一泵高速和一泵低速并联运行4个工况。循环水泵进出水及凝汽器进出水阀门均全开，更改双速电动机的接线方式以改变循环水泵的转速。每个工况的试验均持续3min，试验期间循环水泵运行平稳。根据试验数据、设计数据和试验标准中的相关公式对循环水泵的性能进行了计算，试验及计算结果汇总于表1。

试验时水泵出口流量在凝汽器人口处测量，出口就地压力表更换为精密压力表。对于双泵并联运行工况，计算时是以两泵作为一个整体来进行的，出口压力取平均值，电机功率取两泵之和，流量取两泵之和。

3、循环水泵的节能运行分析

双速改造后的循环水泵的试验及计算结果如表1所示：单泵低速运行时循环水流量为28500ma/h，泵扬程为17.89m，泵的效率为86.27％；单泵高速运行时循环水流量为34200ma/h，泵扬程为20.12m，泵的效率为82.29％；双泵低速并联运行时循环水流量为47500I矗泵扬程为22.77lrn，泵的效率为85.62％；双泵高低速并联运行时循环水流量为53000m3/h，泵扬程为24.22m，泵的效率为84.95％。

双泵低速并联运行时，循环水流量远远大于单泵低速运行时的循环水流量，但并联时的循环水流量分摊到每台泵的流量，却小于单泵低速运行时的流量；双泵并联时的循环水泵扬程，较单泵低速运行时的扬程有较大提高。双泵高低速并联运行时，循环水流量小于并联前两泵单独运行时的流量之和，但并联时的循环水泵扬程比并联前两泵单独运行时的扬程都大。试验结果与前面分析的相同性能泵并与不同性能泵并联的理论工作原理是相符的。

由试验结果还可知，虽然单泵低速运行时的流量比单泵高速运行时的流量稍小，但泵效率却较高，且单泵低速运行时的发电机功率远小于单泵高速运行时的发电机功率。因而在冬季选择单泵运行方式时应尽量选择单泵低速运行。同理，在夏季选择双泵并联运行时，也应尽量选择泵效率较高、发电机功率较低的双泵低速并联运行方式。

2.3 恒压供水的优点

变频恒压供水控制器 CPC-k200变频恒压供水控制器恒压供水控制器，变频恒压供水控制器触摸屏、上位机，恒压供水控制器 变频恒压供水控制器，专为泵房恶劣环境而设计，功能齐全，性能稳定，界面美观大方，售后售前双保障。恒压供水设备必备。（泵房改造）部分功能介绍如下：

1，变频恒压供水控制器，高度简单方便 时尚外观，大尺寸液晶，显示信息全面。丰富而完美的中文提示，使一般的操作人员无需经过复杂的培训，也能对各项操作应用自如,而无需专业工程师对其进行操作，节省时间，操作更轻松。同时，控制系统可在汉字显示屏上明确显示其工频、变频、转换的运行工况。2，变频恒压供水控制器，全液晶参数显示，设定一目了然，可设定供货商服务电话（用户自己设定），方便联系尽快处理故障等相关疑问。

3，变频恒压供水控制器，故障查询功能 能确认最新的报警时间（年、月、日、时、分、秒）及内容，共记录十条故障信息，方便了解控制器运行情况，系统全面状况。

4，维修简单方便 独有的系统故障检测、明确的故障部位提示，使工程人员能清楚地了解故障所在，帮助维修人员检查故障发生的部位和原因，及时快速针对性采取行动。

5，变频恒压供水控制器，水箱无水报警并停机功能。

6，变频恒压供水控制器，时间日期设定功能，方便记录各种故障情况发生的时间，方便查询复检。

7，变频恒压供水控制器，采用模糊控制原理，自动优化参数，操作简单方便，响应快、精度高、切换泵时管网压力冲击小。

8，变频恒压供水控制器，定时换泵功能，防止同一水泵运行时间过长，并且可以精确到具体时间，科学分配各泵工作时间，记录各泵运行时间，提高水泵平均使用寿命。自动控制系统的原理

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

利用负反馈原理，通过压力传感器反馈水管压力，然后跟设定压力进行比较得到一个差值，通过D/A转换调节变频器输出,从而改变电机的转速,管道压力随之改变,反馈压力也改变,使管道压力越来越接近给定值，从而实现了恒压控制。当用水量增加，管道压力减小，反馈压力减小，差值变大，调节变频器输出使频率增大，水泵加速管道压力随之增大，越来越接近设定值，实现恒压。电气控制系统设计与实现

4.1 电路控制方案

本系统运用三菱PLC FX2N－32MR，A/D、D/A模块FX0N－3A，三菱变频器FR500，台达触摸屏及传感器实现了恒压供水。主控制器PLC FX2N－32MR采集来自各个部件（故障、状态输入,A/D模块,人机界面）的信号，经过数据处理输出，经过D/A模块转换来控制变频器工作，实现水泵的调频调速以来达到恒压控制。人机界面既可以对工作水压进行设置也可以显示系统的工作状态。

4.2 系统硬件

4.2.1 控制系统原理图

图4－2－1－1主电路接线图

图4－2－1－2控制电源接线

图4－2－1－3PLC 信号输入与信号输出接线

图4-2－1－4 控制系统I/O口分配 4.2.2 电气设计与选择

4.2.3 系统接线图

图4－2－3－1输入电路接线

图4－2－3－2输出电路接线

利用续流二极管VD 利用RC电路 以消除电感能量

滤波和接地 数字信号地 DG 模拟信号地 AG 保护接地

PE 屏蔽地

4.3 系统软件 程序框图

首先进行系统初始化，然后选择系统运行方式手动和自动模式。然后进行采样，经过数据处理输出，经过数模转换，调节变频器输出频率以达到恒压效果。

4.3.1 系统程序

A/D、D/A模块接口子程序

图4-3-1-1A/D、D/A模块接口子程序

b0=0选择A/D通道1 b0=1选择A/D通道2 b1=0→1开启A/D通道 B2=1→0开启D/A通道

前三行为模拟输入，K0写入BFM#17，选择A/D输入通道1，K2写入BFM#17，启动通道1的A/D转换处理，FROM为读取BFM#0，把通道1的当前值存入寄存器D210

读取模拟输入通道所需的时间TAD按如下计算：

TAD=（TO指令处理时间）*2+（RROM指令处理时间）

后三行为模拟输出，D200写入BFM#16，这将转换成模拟输出，K4写入BFM#17，启动D/A转换处理。

写入模拟输入通道所需时间TAD的计算：TAD=（TO指令处理时间）*3 PID指令

D120

采样时间

1-32767 ms

D121

（反动作方向b0=1）D122

输入滤波

0-99% D123

比例增益

1-32767% D124

积分时间

（1-32767）100 ms D125

微分增益

1-100% D126

微分时间

（1-32767）100 ms D500为给定值，D210为反馈值，D120为表多，D200为输出值

4.3.2 变频器参数设置

1.变频器为单相变频器，按图连接变频器线路，输入电压L、N接220V，输出接电机U、V、W；频率外调“10”，“2”“5”接电位器；

2.设置参数，在P79=“1”情况下显示“PU”设定有关参数，P1=45，P2=10HZ（上限频率），P3=50HZ(下限频率),P7=2S（加速时间）、P8=3S（减速时间）、P19=220；

3.运行，在“EXT”情况下，启动变频器，调节频率，P79=“2”。

4.3.3 人机界面设计

管道压力通过5V电源和电位器的结合进行模拟调节 触摸屏控件如下：

触摸屏输出部分：Y0：1号泵允许指示；Y1：2号泵允许指示；T20：1号泵故障；T21：2号泵故障；D101：当前水压；D502:泵累计运行时间；D102:电动机转速 触摸屏输入部分：M500：自动启动；M100:手动1号泵；M101:手动2号泵；M102：停止；M103：运行时间复位；M104:清楚报警；D500：水压设定；

4.4 调试

计算机（上位机）作为编程通过专用通信电缆与PLC（下位机）进行通信。在连接或断开专用电缆时，应关闭控制电源；同时须注意专用电缆接插头插入的位置，否则易损坏上述仪器设备。

在进行现场调试时应逐级调试，即先软件，再硬件；先弱电，再强电；先低压，再高压；先输入，再输出；先开环，再闭环；先电气，再机械。PLC的输入和输出的公共端COM必须分开，不能直接连接。结语

参考文献

[1] 王永华，王东云，[M]现代电器及其编程控制技术.北京； 北京航空航天大学出版社，2005.9 [2] 史增芳编.[M] 可编程控制原理及应用.北京：希望电子出版社，2008.12 [3] 张燕宾编.[M] SPWM变频调速应用技术（第一版）.北京：机械工业出版社，2005.9 [4] 王庭才、王伟编.变频器原理及应用，北京：机械工业出版社 2008.7 [5] 陈国呈编.[M] PWM变频调速技术.北京：机械工业出版社，2007.5 [6] 赵希平.[J] 一台变频器的双泵简易恒压供水，电世界，2007.3 [7] 张素玲 [J]PLC控制的变频调速供水系统.电工技术,2007.5 [8] SIEMENS ：S7—200PLC用户操作手册，2006.8 [9] 三垦：SAMCO-vm05 供水控制基板

[10] 三垦：SAMCO-vm05 系列变频器使用说明书 [11]ABB：2600T 压力变送器使用说明书

第二篇：机电系统控制总结

电气控制系统课题设计总结报告

为期两周的机电控制系统设计环节到今天就结束了，这两个周得实习，有收获也有遗憾，同时也对以后的工作有很大的帮助。

两周前，我收到了课题，这次的课题是我最不擅长的电气控制设计，所以比较担心。先说一下我的课题大概的内容：这次是的课题是齿圈淬火机床设计，初次拿到课题，确实懵了，根本就看不懂题目，好像每次课程设计都是这样的感觉，这都是些什么啊？从哪下手?一点思路都没有，应该怎么做啊.幸好孙老师在第二天给我们讲解了课题的主要内容。孙老师先跟我们说了一下机床的主要工艺流程，我们才有点想法了。

机床的主要工作流程是：立柱沿X轴的左右移动，提供动力的是普通交流电机，用的是交流接触器控制的电机正反装，这是在学校学习机床电气控制技术这门课程是的重要知识点，所以运用起来比较熟练，这个电机的控制比较简单。然后是淬火感应线圈的上下移动，这个动作运用的是伺服电机，还有就是齿圈的回转运动，也是运用的伺服电机，这就是问题的关键，我们没有详细的接触过伺服电机，所以运用起来就比较吃力。

在伺服电机的运用上，这是这次设计的重点难点，也是以前没接触过的东西，所以也是这次的主要收获。伺服电机要求我们用的是松下A4系列，刚开始时候，我们定性思维，想当然的以为是跟普通电机那样，靠的是交流接触器控制的正反转，结果当孙老师第二次讲解的时候才知道，靠的是伺服驱动器，、而且还是配套使用的，交流接触器的工作原理是：通过PLC给伺服阀驱动器发信号，然后伺服驱动器再给伺服电机发脉冲，PLC给伺服电机通过脉冲、方向、使能三个主要引脚控制伺服电机动作。所以接下来的工作就是学习伺服电机的主要知识。

伺服驱动器有许多个引脚，每个引脚的作用也不一样，所以学习伺服电机主要研究几个重要引脚的意义。在我们这个设计中，主要用到的有正反转CWL、CCWL这两个引脚，还有就是输入端口的PULS、SIGN这两个脉冲输入、方向控制端口，在刚开始，我们在考虑要不要画上引脚，结果在孙老师那得到的信息是，画电器原理图的关键就是画好各个引脚。在PLC控制过程中，我们一开始犯了一个错误，就是没有分析透题目，误认为我们是三个伺服电机，所以在伺服驱动器与PLC联机的时候，如果连接三个伺服驱动器，PLC的引脚就不够用了，在PLC中，只有Q0.0和Q0.1可以输出脉冲，所以就是脉冲输出口不够用了，需要用到的是EM253模块，所以我们又用了将近两天的时间在学习EM253模块，结果后来发现，我们的立柱移动不用很高的精度，所以运用普通交流三相电机就能实现功能，这就造成了我们的设计的重大变动。同时，也体现了一个问题就是，审题不仔细不深入，设计不正确，多走了好多的弯路，也浪费了很多的时间，所以这就提醒我们，以后做设计时，一定要先申请题目，明白工艺过程，机床的主要功能及实现方式以后，在开始设计，这给我们以后的设计提了个醒。但是，我们也顺便学习了EM253模块的使用，也有额为的收获。

当硬件设计好了以后，接下来的工作就是编程，这是设计最难得一部分，我们安装了西门子step7这个软件，给我们提供了很大的帮组，但是我们对于PLC的控制，如PTO/PWM控制还是不是很理解，看着例子，模仿的完成了编程，感觉做的很粗糙，所以两周时间已经过去了，但是以后有时间还得好好研究一下PLC的编程，对于这种PLC的控制，我觉得以后肯定会用上的，所以还是得深入的学习才可以。

电气知识，这是机械类学生的软肋，所以通过这次课程设计，我觉得我们很好地接触到了现在机床的电气控制原理，虽然知识比较浅，但师傅领进门，修行就得看个人了，面上有了，深度上就得自己以后慢慢学习了。

第三篇：恒压供水系统自动控制设计要点

摘 要

变频调速恒压供水系统，该系统能够根据运行负荷的变化自动调节供水系统水泵的数 量和转速，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。

本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，开发出一种新型的并在这三个方面都有所提高的变频式恒压供水自动控制系统。全文共分为四章。第一章阐明了供水系统的应用背景、选题意义及主要研究内容。第二章阐明了供水系统的变频调速节能原理。第三章详细介绍了系统硬件的工作原理以及硬件的选择。第四章详细阐述了系统软件开发并对程序进行解释。

关键词：变频器； 恒压供水系统 ； PLC

Abstract

Frequency conversion constant pressure water supply system, the system is capable of automatically adjusting water supply system based on load changes of quantity and speed of the pump, always maintain the high efficiency and energy saving the best state of the This article primarily for current there is a high degree of automation in the water supply system, serious disadvantages, reliability, low energy consumption study developed a new and increased in these three areas of automatic control system of frequency conversion constant pressure water supply.The text is divided into four chapters.Chapter I sets out the water supply system of main research topics on background, meaning and content.Chapter II sets out the principle of variable frequency speed adjusting energy saving of water supply systems.Chapter III details the working principle of system hardware and hardware choices.The fourth chapter elaborates system software development and to explain the procedures

Key words：Cam、high deputy、automation

目录

第一章 变频恒压供水系统简介........................................................................1 第二章 水泵调速运行的节能原理......................................................................3 第三章 系统硬件的工作原理及硬件选择..........................................................5

第一节 PLC的工作原理及选择...................................................................5 第二节 变频调速系统原理及选择..............................................................6 第三节 压力传感器的选择..........................................................................9 第四节 水泵的选择....................................................................................10 第五节 控制电路........................................................................................10 第四章 系统软件的开发....................................................................................12

第一节 PLC的工作方式...........................................................................12 第二节 PLC连接图...................................................................................13 第三节 恒压供水的工艺流程....................................................................14 结束语..................................................................................................................17 谢

辞..................................................................................................................18 参考文献..............................................................................................................19

第一章 变频恒压供水系统简介

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。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。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本SAMC公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成，在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转 速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相 应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性

能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。成都希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-22kW)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不 同的用水场合，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。

第二章 水泵调速运行的节能原理

全自动变频调速供水控制系统采用专用供水控制器控制变频调速器，通过安装在管网上的远传压力表，把水压转换成电信号，通过接口输入控制器内置的PID控制器上，用以改变水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速器的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大。当达到设定压力时，水泵恒速运转，使管网压力稳定在设定值上。反之当用户用水量少，管网压力高于设定压力时，变频调速器的输出频率将降低，水泵转速下降，供水量减少，使管网压力稳定在设定压力，这样反复循环就达到了恒压变量供水的目的。

图2-1供水系统原理图

供水系统的工作原理如图2-1所示。由自来水管网或其它水源提供的水进入蓄水池经加压水泵进入用户管网管路。通过压力传感器按提供网的压力信号，传送给控制系统的PID，经PID运算后输出信号控制变频器的输出频率，从而控制水泵的转速进而保持供水管道的压力基本恒定。用户用水量大时，管网管路压力下降变频器频率就升高，水泵转速加快，反之频率下降，水泵减速运行，从而维持恒压供水。当用水量大于一台水泵的最大供水量时，通过PLC自动切换电路工作再投入一台水泵，根据最多用水量的大小可投入数台水泵。在供水系统中，控制对象是水泵，控制目标是保持管网水压恒定，控制方法是压力信号的反馈闭环控制。它的自动控制原理图见图2-2。

图2-2 变频式恒压供水自动控制原理图

第三章 系统硬件的工作原理及硬件选择

第一节 PLC的工作原理及选择

PLC是以微机控制技术为基础，通过编程，可以执行诸如逻辑判断，顺序控以时，计数，运算等功能，并通过数字或模拟I/O组件控制机械设备。

与传统的继电器控制盘相比，PLC控制系统体积小，可靠性高;更易使用和维护，且能在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功能，又具有向中央数据采集系统传递信息的能力;通过接插件，所有输入端点能直接和工业现场的开关，接点直接相连，所有输出端点能直接驱动继电器、电磁阀、电机启动器的线圈等。它的发展大致经历了三个发展时期。

1.形成期(1970-1974年)早期的PLC采用小规模的IC构成专用的逻辑处理芯片(CPU)，采用机器语言或汇编语言编程，仅有逻辑控制指令，控制点少，功能简单，并没有获得广泛重视。

2.成熟期(1974-1978年)随着单电源的8位处理器的出现，在小型化、高可靠性多功能及价格等方面，PLC的研制和应用水平有了飞速发展和提高。PLC开始具有了多个CPU，设置了定时器、计算器并具有了算术运算功能。

3.加速发展期(1978年以来)从70年代末到80年代，PLC的应用和制造呈现了蓬勃发展的趋势。一方面研制出了高性能不同规模的PLC控制系统，开发了多种智能I/O模块，充分吸收了计算机和通讯技术，实现了分布式分级控制的PLC网络系统。另一方面也逐一生产一般机械加工逻辑控制而价格较为便宜的微小型PLC，对PLC普及应用起了重要推动作用。

可编程控制器（programmable logical controller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。所以，对PLC的正确选择是非常重要的。

1.工作量

这一点尤为重要。在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%-30%的PLC。

（本设计中开关量16个，控制量6个，1个模拟量输出，3个模拟量输入）2.工作环境

工作环境是PLC工作的硬性指标。自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。一定要选择适应实际工作环境的产品。（该设计环境正常，故不用特殊型号）

3.通信网络

现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题。（故尽量选取比较常用的品牌）

4.编程

程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在内（要求有良好的编程软件）。

5.可延性

这里包括三个方面含义：

（1）产品寿命。大致可以保证所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品。

（2）产品连续性。生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。

（3）产品的更新周期。当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够保证有足够的备品（或备件）。这时应考虑选择当时比较新型的PLC。

6.性价比

由上面的的挑选规范，我挑选西门子公司的S7-200 CPU226作为本系统采用的PLC，它的具体性能如下。

本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

第二节 变频调速系统原理及选择

在变频器没有出现以前，调速系统一般采用直流调速图，但是由于结构上的原因，直流电动机存在着很多缺点(诸如需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命短，机构复杂，难以制造大容量、高转速、高电压的直流电动机等)，所以人们一直在寻找交流调速系统。而变频器的出现刚好解决了这个问题。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的

高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。特别是对于工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。

变频调速的原理非常简单，由于异步电动机的转速为

120f(1s)nn

式中n为电动机转速，r/min；f为电源频率，Hz；p为异步电动机磁极个数；s为转差。所以，理论上说，只要改变f就能改变电机转速n。

常见的变频调速模式有两种，一种是开环控制，另一种是速度反馈闭环控制，如图3-2所示。本系统根据恒压的控制要求，采用的是PID调节方式(内含在变频器中)的闭环控制。

信号主控机器变频器故障信号变 频 器水泵开环控制信号主控机器变频器故障信号超压信号欠压信号压力传感器闭环控制变 频 器水泵

图3-2 变频调速系统的控制方式

本系统中变频器的输入信号有两种，一种是控制信号，它包括PLC输给的变频器FWD信号BX信号和VI（12）电压信号（0-5V），FWD信号BX信号由PLC输出，控制变频器的工作开关；VI（12）控制变频器频率。另一种是输入电源信号，本

系统采用的三相380V的交流电源，三相电流输入连接在端子L1/R, L2/S, L3/T上。采用三相输入的话，则用主电路的电源端子L1/R, L2/S, L3/T通过线路保护用断电器或带漏电保护的断路器连接至三相交流电源，不需考虑连接相序。如果有条件的话，还可以在电源电路中串入一个电磁接触器，这样就可以保证变频器保护功能动作时能切除电源和防止故障扩大，以保证安全。尽量不要用主电路电源ON/OFF的方法控制变频器的停止和运行，应该用控制电路端子FWD、BX。

变频器的输出信号也有两种，一是送PLC的超压信号、欠压信号和变频器故障信号这三个输出控制信号，另一是送水泵的变频器输出电源信号。送PLC的超压、欠压信号由变频器的Y1，Y2端子送出，Y1的内部功能设定选为频率检测(FDT)功能，幅值为50Hz，滞后值为0.5Hz。Y2的内部功能设定选为0速度输出功能，变频器输出频率为0Hz时输出ON信号。

送PLC的变频器故障信号我们选择从Y3输出，Y3的内部功能设定选择为报警功能，变频器发生指定的故障时输出信号。变频器的输出电源接接触器，它给所有的工频回路的接触器都提供电源信号，但是具体的哪一台接触器接通由PLC控制。变频器的输出端子(U，V，W)按正确的相序连接至交流接触器的输入电源端子上。如果电机旋转方向不对，则说明连接相序有错，则改变U、V，W中的任意两相的接线。变频器和电动机(水泵)间配线很长时，由于线间分布电容产生较大的高频电流，可能造成变频器过电流跳闸.另外，漏电流增加，电流值指示精度变差。对于本系统中的变频器，变频器和电动机(水泵)之间的距离最好小于50米，如果配线很长时，则必须连接输出侧滤波器选件(OFL滤波器)。接线时还有一点需要注意的是，为了安全和减少噪声，变频器的接地端子G必须良好接地。为了防止电击和火警事故，电气设备的金属外壳和框架均应按照国家电气规程要求接地。接地线要粗而短，变频器系统应连接专用接地极，及不要和别的系统串联接地或共同接地（具体接法见图3-3）。

电源控制面版接触器送0-5电压信号送送信号信号超压信号欠压信号变频器故障输出图3-3 变频器的I/O端点连接

采用变频器驱动异步电动机调速。在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值(最大值)来选择变频器。当运行方式不同时，变频器容量的计算方式和选择方法不同，变频器应满足的条件也不一样。选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。该系统用一台变频器使多台电机并联运转，对于一台电机开始起动后，再追加投入其他电机起动的场合，此时变频器的电压、频率已经上升，追加投入的电机将产生大的起动电流，因此，变频器容量与同时起动时相比需要大些。

综合上面因素，我们选择佳灵JP6C-T9280系列变频器。性能见表3-1。

表3-1佳灵JP6C-T928 性能

型号JP6C-T9280 适用电机容量(kW)额定容量(KVA)额定电流(A)额定过载电流 相数 电压 频率 容许波动 抗瞬时电压降低 最高频率 基本频率 启动频率 载波频率 冷却方式

JP6C-T9280

280 400 520

额定电流的150%1分钟 三相，380V至440V 50Hz/60Hz 电压+10V——-15%，频率±5% 310V以上可连续运行，电压从额定值降到310V

以下时，继续运行15ms 50-400Hz可变设定 50-400Hz可变设定 0.5-60Hz可变设定 2-6KHz可变设定 强制风冷

第三节 压力传感器的选择

检测元件的精度直接影响系统的控制质量。通常可以选用各种压力传感器检测管网压力。传统的压力传感器有利用弹性元件的，如电感压力传感器、电容压力传感器等。PMC 系列压力传感器的构造与之不同，属于一体化的高精度仪器。它采用电子陶瓷技术，测量元件完全是固体形式。其工作原理是：使压力直接作用于电子陶瓷膜片，膜片出现位移后所产生的电容量被与其同体的电子元件检测、放大，最后转换成4～20mA的标准信号输出。

PMC型传感器具有如下特点：

①具有相当强的抗冲击和抗过载能力，过压量达额定量程的百倍以上； ②由于压力测量元件中不采用传统的介质物质，所以，测量精度极高，且几乎不受温度梯度的影响；

③采用脉冲频率调制方式传输信号，大大减少了现场干扰的影响，信号传输用普通导线完成，简单方便；

④重量轻，体积小，安装维护非常方便。

我们选PMC133型压力传感器作为出水口端压力检测元件，检测泵出口附近管网内压力作反馈信号，该元件可承受的相对压力最大测量范围达O-40MPa，最小测量范围为O-lkPa，所需电源要求电压为12．5～30V，精度±0．1％，压力传感器将出水口的压力信号线性转换为4-20mA DC 标准信号送到PLC（在该系统中，我选取0-500kPa）。

第四节 水泵的选择

选取2种型号的水泵，小泵为常开泵（能够调节到工频），大泵只能在变频状态下工作。

其中，小泵为Y355M1-4，大泵为Y355-M2-4。参数见表3-2（按实际需要选取，我选了2种比较常用的型号）。

表3-2 水泵性能参数表

第五节 控制电路

因为控制电路图具有相似性，故只介绍下面3个就能解释整个电路图。

图3-4 指示灯控制电路

如图3-4为1号泵变频指示灯。即当1号泵处于变频状态时，灯E1-2亮。

图3-5 工频变频切换电路

如图3-5为1号水泵的变频工频切换电路。

当JNW-1接通时，RJ2-1导通，且JNV1不通，1号泵就会变频运行。其中，RJ2-1为热继电器，作为1号水泵过载保护。KN1、KN2作为自锁保护装置，当JNW1导通，则KN1得电，于是下面的KN1常闭开关断路。反之KN2也一样。这样自锁能保证1号水泵只能工频变频选其一。不会发生既连接了变频又连接了工频的错误。

图3-6 蝶阀控制电路

图3-6为1号蝶阀的开阀控制图，即当该电路得电时，蝶阀开阀。JF1接通，且KV2-2 ZDK2-1不得电时，蝶阀开始关阀。其中KV2-

1、KV2-2构成自锁装置，使得蝶阀只能处于开阀和关阀中的一种状态。

第四章 系统软件的开发

第一节 PLC的工作方式

PLC采取循环扫描的工作方式，其工作过程简图如图4.1所示。这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段，整个过程扫描一次

所需的时间称为扫描周期。在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它的内部处理。在图4.2扫描过程通信服务阶段PLC与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容.在PLC处于停止运行(STOP)状态时，只完成内部处理和通信服务工作。在RUN时，要完成全部的工作。

1.输入处理阶段

PLC在输入处理阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态，并以此状态存入输入输出印象寄存器。接着转入程序的执行阶段。在程序执行时间，即使输入输出状态发生变化，输入输出印象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。

2.程序执行阶段

PLC在程序执行阶段，按先左后右、先上后下的步序，逐条执行程序指令，从输入印象寄存器和其它元件印象寄存器读出有关元件的通/断状态。

根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的元件印象寄存器中。即对每个元件来说，元件印象寄存器中的内容会随着程序的进程而变化。

3.处理阶段

在所有的指令执行完毕后，将输出印象寄存器(即Y寄存器)的通/断状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路、驱动功率放大电路、输出端子，向外输出控制信号，这才是PLC的实际输出。

PLC的扫描既可以按照固定的顺序进行，也可以按用户程序的指定的可变顺序进行。这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次，而且也因为在一个大的控制系统中要处理的I/O点数比较多，通过安排不同的组织模块，采用分时分批的扫描办法，可缩短循环扫描的周期和提高系统控制的实时响应性。

顺序扫描的工作方式简单直观，简化了程序的设计，并为PLC的可靠性运行提供了保障。一方面，所扫描到的功能经解算后，其结果马上就可以被后面要扫描到的逻辑解算所利用；另一方面，还可以通过CPU内部设定的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，诊断CPU内部故障。以避免程序异常运行而造成的不良影响。

由PLC的工作过程可见，在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会发生变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能变改变。暂存在输出状态寄存器中的输出信号，也需要等到一个循环周期结束后，CPU集中将这些输出信号全部输送输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。因此，全部的输入、输出状态的改变，就需要一个扫描周期。扫描周期是其一个比较重要的指标，一般为几毫秒至几十毫秒。PLC扫描时间取决于程序的长短和扫描速度。因为PLC的输入处理阶段和输出处理阶段所需时间一般很短，通常只要几毫秒。由此可见，PLC的扫描时间对于一般的工业设备(改变状态的时间约为几秒以上)通常是没什么影响的。

第二节 PLC连接图

图4-1 PLC接线图

如图4-2所示，总共有24个输入数字量I/O口，其中的SAN1、SAN2、SAN3、SAN4、SAN5、SAN6为输入开关；总共有16个输出数字量I/0口，JNW1、JNW2、JNV1、JNV2、JNV3、JNV4、JF1、JF2、JF3、JF4、JF5、JF6、JF7、JF8、FWD、BX为PLC控制的开关量。

PLC可以增加数字量输出扩展模块，假如该系统还要增加数字量输出的话，可以增加一个模块。这样也吻合数字量输出I/O口要预留10-30%的条件。

EM235为模拟量输入输出模块，其中A+端、A-端接压力传感器，接受4-20mA

电流信号，进行模数转换，输入符合CPU标准要求的信号。B+端、B-端接变频器频率信号，接受0-5V电压，输入同样符合CPU标准要求的信号。C+端、C-端接鉴频鉴相比较器，信号只有0伏和5伏两种状态，我依然把他看作模拟量。当输入为0时，变频器的输出频率相位和电网的频率相位一致，能进行工频转变频和变频转工频的切换。输出为5V时，不能进行工频转变频或变频转工频的切换。

第三节 恒压供水的工艺流程

系统开始运行之前，应先把管压参数SP赋给PLC。按下启动按钮，系统开始运行，PLC给变频器FWD信号，然后判断变频器能否工作正常，正常的话采用全自动变频恒压控制方式。现在假设变频器工作正常，系统开始运行，水泵1变频零转速启动，待运转正常后压力传感器开始采样，随着PLC的不断扫描，系统不断输入管压信号的采样结果，采样结果通过模拟输入输出单元将模拟输入值转换为PLC可以接受的数字信号，与目标值作比较，将偏差调整为零，也就是提高或降低水泵转速，使管网水压达到目标值。如果一台水泵额定转速运行仍不能使管网水压达到设定值，将水泵1切换到工频态运行，延时后变频器的控制对象切换到水泵2，同时保持水泵1维持工频运行，水泵2从零转速开始运行，过程如上。泵

3、泵4的工作情况也是如此。

在该种运行方式下，系统大部分时间是工作于其中一台泵变频运行进行微调，其它泵或工频或停止的状态本系统为2组水泵轮流工作，2组水泵的选择由人工直接操作。因为2组水泵的原理型号相同，所以下面以水泵1组为例介绍恒压供水的工艺流程。流程图见图4-2。该系统的主要运行过程如下：

1.系统启动

按下SAN1按钮，系统水泵1组开始启动。首先将水泵1组的两个碟阀关闭。即JF1和JF3置1，延时1秒钟，确定蝶阀关闭后接通1号水泵变频开关。随后开变频器，即FWD置1。当变频器FWD端置1时，变频器将正转运转且频率逐渐上升。当频率到达50Hz时，水泵已经运转正常，延时4S，开碟阀1，即将JF1置0、JF2置1。随后PLC的PID调节将控制变频器频率从而达到恒压的效果。

2.变频转工频

变频转工频的情况只可能发生在1号水泵。首先要进行条件判定，即只有当1号水泵处于变频状态时才可能有变频转工频现象（这在程序中用触点来确

定）。然后，必须1号水泵已经到了工作极限（程序中用VD208表示即50Hz）且压力依然小于设定值时才会出现变频转工频的现象（这在程序中用条件判定来确定，即PID计算结果VD250大于VD208）。当上述条件符合时，不能马上切换到工频，还要进行相位比较，当相位一致时，才能切换（程序中由鉴频鉴相器来判断，鉴频鉴相器输出为0时，频率相位都相同,具体见3.6章）。具体切换过程是关变频器然后马上关闭1号水泵变频开关再然后接通工频开关。切换过程中应该有短时间的延时（程序中延时为0.1S）。

随后，因该马上将2号水泵变频开关接通，然后开变频器，随后按照（1）启动流程的介绍来启动2号水泵。

3.工频转变频

同样，工频转变频同样只可能发生在1号水泵。前提为2台水泵都在工作，2号水泵工作频率已经到了最低值（程序中用VD204表示），且压力依然不够（在程序中压力不够用PID计算结果VD250小于VD204表示）。满足上面条件后就能马上关闭2号水泵。但是此时还不能将1号水泵由工频转到变频，首先要将变频器调整到50Hz，然后进行鉴相后才能转换。转换过程为切断1号水泵工频，然后马上接通1号水泵变频。

4.关闭水泵组碟阀

当按下关闭水泵组碟阀按钮时，将JF1、JF3置1即可。5.关闭水泵组

关闭水泵组的条件是必须关闭了水泵组碟阀。确定关闭后，进行判断1号水泵是否在工频运行。如果是，直接关闭1号水泵，然后关闭FWD使变频器频率慢慢降低，从而关闭2号水泵。然后将1组水泵相关的信号置0，程序结束。

开始1号变频启动满足减泵条件满足增泵条件水泵2变频关闭鉴频鉴相1号水泵转到工频变频器调速到50HZ鉴频鉴相2号水泵变频启动水泵1变频工作结束图4-2 恒压工作流程图

结束语

本文在分析和比较供水系统的基础上，结合我国中小城市的供水现状。设计了一套以变频调速技术和PLC为基础的恒压供水自动控制系统，在这次毕业设计中有如下认识：

（1）在变频恒压供水系统中，单台水泵的调速是通过变频器来改变电源的频率来改变电动机的转速的从而来改变水泵。水泵的转速也要控制在一定范围内，也就是不要使变频器频率下降过低，避免水泵在低效率情况下运行。

（2）恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电动等组成。系统采用一台变频器电动机启动，运行与调速。

（3）在整个设计中，我都是选用了合理的器件，合适的才是最好的。（4）团队精神是很重要的，没有老师同学们的帮助我也不能这么顺利地完成毕业论文设计。

谢

辞

通过本次毕业设计，使我对大学所学的内容有了一个更深的了解。在设计中，通过对以前所学知识的运用、不断的查询资料，使我学到了很多，也从中体会到设计的乐趣。由于所学知识有限以及缺乏实际操作，论文中仍然有很多的缺点与不足，因此仍然有待改进。在毕业设计的资料查找期间和论文完成期间，指导老师和同学给予我关心和帮助，我向他们致以深深的谢意。感谢我的导师-段莉老师，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。老师严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽仅仅四年时间，却给以终生受益无穷之道。感谢机制专业老师的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在平时指导我们思考问题的方法，培养我们独立思考问题，解决问题，分析问题的能力，这些能力的培养，帮助了我并使我此次的设计过程中能够顺利完成，在此，我要向诸位老师表示深深地感谢！毕业设计是对我大学三年的总结，因而投入了极大的热情和很高的积极性，更幸得指导老师段莉及同组同学多方帮助，使得设计能顺利完成，圆满结束了三年的大学生活。再次感谢段莉老师长期以来悉心的指导和不厌其烦的耐心讲解，在整个设计过程中，指导老师不断对存在的一些错误提出了指点，同时也给予了很多宝贵意见。从课题的选择到论文的完成都离不开老师对我的帮助。在此我向指导老师表示最真挚的谢意。毕业设计的过程为日后的工作和更进一步的学习打下了坚实的基础，也积累了许多宝贵的设计经验。

参考文献

1.王占奎主编.变频调速应用百例[M].科学出版社，1999.4 2.S7-200中文系统手册[M].西门子公司，2002.6 3.王永华主编.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京航天航社，2003.5 4.姚福来主编.水泵变频调速的节电量计算及系统设计 [M].科学出版社，2005.5 5.邓星钟主编.机电传动控制[M].华中科技大学出版社，2002.5

第四篇：基于51单片机恒压供水系统设计

基于51单片机恒压供水系统设计

摘要

建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据高校用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了校园原供水系统存在了耗能高，可靠性低，水资源浪费严重，管网系统待完善的问题。提出利用自来水恒压供水和水泵提水相结合的方式，并配以变频器、软启动器、单片机、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使管网中的压力始终保持在合适的范围。从而解决因楼层太高而导致压力不足及小流量时能耗大的问题。

另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命。

关键字：恒压变频供水，单片机，差压供水，自动

引言

随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使供水设计得到了新的发展机遇，当前住宅建筑的规划趋向于更具有人性化的多层次住宅组合，人们不再仅仅追去立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是选择一种符合各方面规范、安全又经济合理的供水方式，对我们供水系统设计带来了新的挑战。

恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水压力值是根据用户需求确定的，传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施来实现，随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机组合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。变频恒压供水系统主要特点 1.节能，可以实现节电20%~40%，能实现绿色省电。

2.占地面积小，投资少，效率高。

3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

4.运行合理，由于是软启和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减小了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。

5.由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病。

6.通过通信控制，可以实现五人职守，节约了人力物力。1.2 传统定压方式的弊病

1.管理不便，因与大气连通容易引起管道腐蚀。

2.由于水箱内微生物，藻类寄生，还可能对系统造成二次污染，所以定压水箱都需要定期维护，并由卫生部门检测。

3.定压水箱需占用较大的空间，需要专门的地点来放置。

4.高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种方式不能做到供水量和用水量的最佳配比，水泵长期在高效区工作，效率低下。

5.系统频繁的启停泵，造成水泵、电机及开关部件寿命缩短。

6.使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户压力不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。

7.在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小时要采用减压阀、节流孔板等来调节水流量，这样大量的能量消耗在阀上，造成了电能的浪费。

1.3恒压供水设备的主要应用场合

1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。

2.各类工业需要恒压控制的用水场合，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

3.中央空调系统。4.自来水厂增压系统。

5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。

6.各种流体恒压控制系统。1.4恒压供水技术实现

通过安装在管网上的压力传感器，把水转换成4~20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动机水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。

目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术，由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大的提高，它可以实现控制设备软启停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅缩减电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。

长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上的应用，成功的解决了能耗和污染两大难题。1.5变频节能理论

1.5.1交流电机变频调速原理

交流电机转速特性：，其中n为电机转速，f为交流电频率，s为转差率，p为极对数，电机选定之后s、p为定值。电机转速n和交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速，各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。流量与转速成正比：Q∝N 转矩与转速的平方成正比：T∝ 功率与转速的三次方成正比：T∝N

而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系；

P变= NP额= QP额

其中，P为功率

N为转速

Q为流量

例如设定当前流量为水泵额定流量60%，则采用变频调速时P=QP=0.216P，而采用阀门控制时P=（0.4+0.6Q）P=0.76P，节电=（P*P）/P*100=71.6% 由此可见从理论上计算结果可以看到技能效果非常显著，而且在实际运行变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。而且新型的变频恒压供水系统能自动控制一台或多台主泵和一台休眠泵的运行。在管网用水量减少到单台主泵流量约1/6~1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。1.6变频恒压供水系统及控制参数选择 1.6.1变频恒压供水系统组成

变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵、压力传感器、PID调节器、变频器、管网组成。工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内用水量的变化引起水压变化，即使将信号反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或加减速，使得管网的水压与控制压力一致。1.6.2变频恒压供水系统的参数选取

（1）合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水，这个目的的实现关键就在于恒压控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管网最不利点压力恒压控制。另一个就是泵出口压力恒压控制。

（2）变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行转台的必要手段。变频器根据负载的转动惯性的大小，在启动和停止电机时所需的时间就不同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流，在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变应变能力差，系统易处于短期不稳定状态中。为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常覆盖，但是变频器达不到最佳运行状态，所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2~20秒之间。1.7变频恒压供水系统的特点

本文研究的变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应.(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，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，因此其控制对象的模型具有很强的多变性，(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)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，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。

(5)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。(6)水泵的电气控制柜，有远程和就地控制的功能，数据通讯接口能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。

(7)系统用变频器进行调速，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。

变频恒压调速供水系统的工作原理

在变频调速供水系统中，是通过变频调速来改变水泵的转速从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反应水泵运行工程的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关。

图2-1 变频恒压供水系统组成框图

图3-1就是一个典型的由8051单片机控制的恒压调速供水系统。系统由微机控制器、交流变频调速器、水泵机组、供水管网和压力传感器等组成，控制系统结构原理如图3.2所示。8051单片计算机在这里主要起压力采集，PID调节器计算、功能判断处理、消防处理、逻辑切换、压力显示和声光报警等作用。

图2-2 单片机的变频恒压调速系统原理框图

2.1系统工作过程

根据现场生产的实际状况，白天一般只需开动一台水泵，就能满足生产生活需要，小机工频运行作恒速泵使用，大机变频运行作变量泵；晚上用水低峰时，只需开动一台大机就能满足供水需要，因此可以采用一大一小搭配进行设计，即把1#水泵电机（160KW）和2#水泵电机（220KW）为一组，自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。

分析自动控制系统机组Ⅰ（1#、2#水泵机组）工作过程，可分为以下三个工作状态：（1）1#电机变频启动；（2）1#电机工频运行，2#电机变频运行；（3）2#电机单独变频运行，一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态中，当管网压力突变时，三种工作状态就要发生相应变换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。切换过程Ⅰ

1#电机变频启动，频率达到50Hz，1#电机工频运行，2#电机变频运行。系统开始工作时，管网水压低于设定压力下限P。按下相应的按钮，选择机组Ⅰ运行，在PLC可编程控制器控制下，KM2得电，1#电机先接至变频器输出端，接着接通变频器FWD端。变频器对拖动1#泵的电动机采用软启动，1#电机启动，运行一段时间后，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频f0可编程控制器发出指令，接通变频器BX端，变频器FWD端断开，KM2失电，1#电机自

变频器输出端断开，KM1得电，1#电机切换至工频运行，1#电机自变频器输出端断开，KM1得电1#电机切换至工频运行。1#电机工频运行后，开启1#泵阀门，1#泵工作在工频状态。接着KM3得电，2#电机接至变频器输出端，接通变频器FWD端，变频器BX端断开，2#电机开始软启动，运行一段时间后，开启2#泵阀门，2#水泵电机工作在变频状态。从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到管网水压达到设定值（Pi＜P＜Pm）为止。切换过程Ⅱ

由1#电机工频运行，2#电机变频运行转变为2#电机单独变频运行状态。当晚上用水量大量减少时，水压增加，2#水泵电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机转速下降，水泵输出流量减少，当变频器输出频率下降到指定值fmin，电机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压上限Pk时（2#电机，f=fmin，P＜Pk），在PLC可编程控制器控制下，1#水泵电机在工频断开，2#水泵继续在变频器拖动下变频运行。3切换过程Ⅲ

由2#电机变频运行转变为2#电机变频停止，1#电机变频运行状态。当早晨用水量再次增加时，2#电动机工作在调速运行状态，当变频器输出频率增至工频fi（即50Hz），水管水压低于设定水压上限Pi时（2#电机f=fi，P≦Pi），接通变频器BX端，变频器FWD断开，KM3断开，2#电机自变频器输出端断开；KM2得电，1#电机接至变频器输出端；接通变频器FWD端，于此同时变频器BX端断开。1#电机开始软启动。控制系统又回到初始工作状态Ⅰ，开始新一轮循环。

图2-3 1#和2#机组工作过程流程图 2.2变频调速的基本调速调速原理

水泵机组应用变频调速技术。即通过改变电动机定子电源效率来改变电动机转速可以相应的改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。

如图2.4所示，n为水泵特性曲线，A管路特性曲线，H0为管网末端的服务压力，H1为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性n0和用水管特性曲线A0汇交于b点，此时，水泵输出口压力为H，末端服务压力刚好为H0.当用水量从Qmax减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。

图2-4节能分析曲线图

(1)水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制；此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。

(2)水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点是在H上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性趋向为nx。而管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点，这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H0﹥H1，则H1即为水泵的能量浪费。

(3)水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点式中沿着A0滑动，管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1.根据水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=(n1/n2)*2

P1/P2=(n1/n2)*3 式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的，保证了供水压力的可靠。

采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性。另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。

目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为：

n=120(1-s)/p

（2.3.1）

式中s为电机的滑差（s=0.02），p为电机极对数，f为定子供电频率。当水泵电机选定后，p和s为定值，也就是说电机转速与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低，变频调速时是根据这一公式来实现无级调速的。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为 N=PQ 由功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比，基于流量控制可以大幅度降低轴频率。

2.3变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析 2.3.1管路水力损失及性能曲线

管路水力损失分为沿程损失和局部损失两种

（2.3.2）沿程损失

（2.3.3）

式中y-管路沿程摩擦损失系数；j-局部损失系数；L-管路长度（m）；A-过水 截面的面积。

将式中（2.3.1）和（2.3.3）代入（2.3.1）可得

式中S被称为管路阻力系数。当水泵管路系统去掉后，相应的y，j，L，A等参数都能去顶，S也就确定了。由式（2.3.4）可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水损失就等于上下水位差（即实际扬程H）加上管路损失

Hx=Hsj+Hs

(2.3.5)由式（2.3.5）可以得到如图所示的Hs-Q管路性能曲线

图2-5本泵工作点的确定

2.3.2水泵变频调速节能分析

水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管道性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量，需要减少流量时关小阀门，管路性能曲线有R1变为R2.运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速，如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H1，流量从Q0减少到Q1.在图2-5中水泵运行在B点时消耗的轴功率与H1BQ1O的面积成正

比，运行在C点时消耗的轴功率与H2CQ1O的面积成正比，从图2-6上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果明显。

图2-6变频调速恒压供水单台水泵工况调节图

求出运行在B点的泵的轴功率

运行在C点泵的轴功率

两者之差：

也就是说，采用阀门控制流量时有ΔV的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。

相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果显著。

2.3.3调速范围的确定

考察水泵的效率曲线，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器效率降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体降低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内。在此范围内，电动机的负载率在50%~100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。2.4本章小结

本章从水泵理论和管网特性曲线分析入手讨论水泵工作点的确定方法。接着介绍了水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本章重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得到以下几个结论：

1.水泵的工作点就是在同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点。水泵工作点是水泵运行的理想工作点。实际运行时水泵的工作点并非总是固定不变的。

2.水泵工况的调节就是采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。

变频恒压调速供水系统硬件设计

系统单元设计主要包括CPU基本控制单元、电路定时复位电路、A/D转换电路、D/A转换电路、显示电路和相应的开关电路。

图3-1 系统硬件结构框图

3.1硬件总体说明

单片机系统的硬件结构框架图如图3-1所示。

本系统以8951单片机为核心，它有4KEPROM,所以不用外扩EPROM,这样可以利用P0、P2口作为输入、输出I/O口，简化了硬件结构。系统的显示采用4片74LS164驱动LED，使用8951的串行通讯口TXD,DXD。93C46为串行EEPROM，用于保存开机设定的原始参数。采用NE555组成硬件定时复位电路，可以有效防止程序死机现象。74LS273用于对继电器输出状态硬件锁存，以防止输出状态被干扰。ULN2003为反向驱动芯片，同时在74LS273的CLEAR管脚外接RC电路，用于开机时使74S273的输出端清零，用于防止继电器的误动作，对变频器起到了保护作用。在报警输入端与CPU 之间采用光耦隔离，以消除外部干扰。系统A/D输入采用8位TLC0831逐次逼近模数转换器，D/A输出采用了光耦离式D/A输出，并采用LM358双运放组成D/A输出及驱动电路。P3.3定时输出占空比与频率相对应的PWM调制信号，通过二极运算放大电路后，在LM358的第7引脚输出与频率相对应的电压信号。在输出端调节电位器可以调节输出电压的大小，两放大器之间的RC电路起到了滤波的作用。3.2 555定时器复位电路

用NE555组成的硬件定时复位系统，可以有效地防止程序死机现象。NE555封装和内部结构图

图3-2 NE555封装图

如图3-3和图3-4上可知，NE555定时电路V0口输出连续的脉冲信号至RST，达到定时复位的效果。电路使用电阻电容产生RC定时电路，用于设定脉冲的周 期和脉冲的宽度。调节RW或者电容C，可以得到不同的时间常数。

脉冲宽度计算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C

振荡周期计算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C 从而通过控制振荡周期和脉冲宽度就可以控制定时时间。

图3-3 NE555内部结构

图 3-4 NE555定时电路及工作波形 3.3 5V单片机供电电源电路

如图3-5所示电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。它由电源变压器B，桥式整流电路D1～D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成的。220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1～D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。

图3-5 LM7805稳压电源

3.4 LED数值显示 D/A数值采集 D/A数值反馈 3.4.1 LED数值显示模块

数码管由7 个发光二极管组成,行成一个日字形,它门可以共阴极,也可以共阳极.通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字,这就是它的工作原理.基本的半导体数码管是由7 个条状的发光二极管（LED）按图1 所示排列而成的，可实现数字“0～9”及少量字符的显示。另外为了显示小数点，增加了1 个点状的发光二极管，因此数码管就由8 个LED 组成，我们分别把这些发光二极管命名为“a,b,c,d,e,f,g,dp”，排列顺序如下图3-6。

图3-6 共阴数码管引脚图

图3-7 数码管封装

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类

① 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种示 方式之一，动态驱动是将所有数码管的8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O 端口，而且功耗更低。

② 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O 端口进行驱动，或者使用如BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。

图3-8 共阴极4位8段数码显示 3.4.2 数据采集A/D转换电路 1.AD0809的逻辑结构

ADC0809 是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

图3-9 AD0809内部结构 2.AD0809的工作原理

IN0－IN7：8 条模拟量输入通道

ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：4条。

ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0－IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如图表3-10所示。

图3-10 AD0809通道选择表

数字量输出及控制线：11 条

ST 为转换启动信号。当ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0 为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。

3.ADC0809应用说明

（1）． ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连。（2）． 初始化时，使ST 和OE信号全为低电平。（3）． 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。（4）． 在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。（5）． 是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。

（6）． 当EOC变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。4.AD0809转换电路

电路见图3.4.2.4，主要由AD 转换器AD0809，频率发生器SUN7474，单片机AT89S51 及显示用数码管组成。AD0809的启动方式为脉冲启动方式，启动信号START启动后开始转换，EOC 信号在START 的下降沿10us后才变为无效的低电平。这要求查询程序待EOC无效后再开始查询，转换完成后，EOC 输出高电平，再由OE 变为高电平来输出转换数据。我们在设计程序时可以利用EOC 信号来通知单片机（查询法或中断法）读入已转换的数据，也可以在启动AD0809 后经适当的延时再读入已转换的数据。AT89S51的输出频为晶振频的1/6（2MHZ），AT89S1 与SUN7474连接经与7474的ST脚提供AD0809 的工作时钟。AD0809 的工作频范围为10KHZ-1280KHZ,当频率范围为500KHZ 时，其转换速度为128us。

AD0809 的数据输出公式为：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin为输入模拟电压，Vout为输出数据。

图3-11 A/D转换电路 5． D/A转换模块

本系统采用的一个光耦隔离式串行D/A输出，并采用LM358双运放组成D/A输出及驱动电路，电路图如图3-12。

图3-12 光耦隔离式D/A 这里运用到了脉宽调制(PWM)的方法来控制电压模拟量，脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。6.PWM控制原理

PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

图3-13 PWM占空比

图3-13显示了三种不同的PWM信号。（a）是一个占空比为10%的PWM输出，即在信号周期中，10％的时间通，其余90％的时间断。（b）和（c）显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出。这三种PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例如，假设供电电源为9V，占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号。

变频恒压调速供水系统软件设计

4.1 变频恒压调速供水系统软件设计总体说明

系统软件程序由主程序，定时中断显示和频率输出子程序组成。采用软件模块化设计，引入了先进的模糊逻辑控制技术，并增加了容错技术和抗干扰算法。系统采用了定时复位软件设计方案（1秒钟复位一次），以消除程序运行时的死机现象。数字滤波采用平均值滤波方法，以消除干扰对输入信号的影响。4.2 8051系列单片的编程语言

51单片机在有四种语言支持，即汇编、PL/MC、C和BASIC。

C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，是一种结构化语言，可产生紧凑代码。C语言结构是以括号{}而不是以字和特殊符号表示的语言。C语言可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编语言相比，C语言有很多优点。

（1）对单片机指令系统不要求了解，仅要求了解对8051的存储器结构有初步了解；

（2）寄存器的分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可有编译器管理； 程序规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化

（3）具有将可变选择和特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性； 关键字及运算函数可用于近似人的思维过程方式使用；

（4）编程和程序调试时间显著缩短，从而提高效率；

（5）提供的库包括许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；

（6）已编好的程序可以很容易地移植入新程序，因为C语言具有方便的模块化编程技术；

虽然C语言有诸多优点，但是并不是说汇编语言就要被抛弃，懂得汇编语言指令就可使用在片RAM作为变量的优势，因为片外变量需要几条几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。要求使用浮点和启用函数时，只有具备汇编编程经验，才能避免生成庞大的、效率低的程序，所有现在所有的对速度要求高的内核程序都是用汇编编写完成的。4.3 编程软件

4.3.1 C051编译器介绍

现在比较流行的51系列编程软件

（1）American Automation：编译器通过#asm和endasm预处理选择支持汇编语言。

（2）IAR: 瑞典的IAR是支持分体切换的编译器。

（3）Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系统的配套软件工具

（4）Dunfield Shareware：非专业的软件包，不支持floats，longs或结构等

（5）KEIL：KEIL在代码生成方面处于领先地位，可以产生最少的代码。它支持浮点或长整数、重入和递推。使用单片机模式，KEIL是最好的选择

（6）Intermetrics：使用起来比较困难，要由可执行的宏语句控制编译、汇编和链接，且选项很多。

编译器的算法技术支持（float和long）很重要。生成代码的大小比编译速度重要，这里KEIL具有性能领先、紧凑的代码和使用方便等优点，所以本系统采用KEIL编译器。4.3.2 KEIL编译器 KEIL开发工具套件可用于编译C源程序、汇编源程序、链接和定位目标文件及库，创建HEX文件以及调试目标程序。

（1）uVision2 for Windows:是一个集成开发环境。它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个强大功能的环境中。

（2）CX51国际标准优化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的目标模块。

（3）AX51宏汇编器：从8051汇编源代码产生可重定位的目标模块。

（4）BL51链接器/定位器：组合有CX51和AX51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块。

（5）LIB51库管理器：从目标模块生成链接器可以使用的库文件。

（6）OH51目标文件至HEX格式的转换器：从绝对目标模块生成Intel HEX文件。

（7）RTX-51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。4.4 单片机资料

单片微型计算机简称为单片机，有称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。引脚功能：

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照----单片机引脚图：

l P0.0~P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。

l P1.0~P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。

l P2.0~P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。

l P3.0~P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。

P0口有三个功能：

1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）

2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）

3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。

P2口有两个功能：

1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用；

2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。

P3口有两个功能：

除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。

有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：编程脉冲：30脚（ALE/PROG）

编程电压（25V）：31脚（EA/Vpp）

接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池，这个电池是干什么用的呢？这就是单片机的备用电源，当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（即RST/VPD）引入，以保护内部RAM中的信息不会丢失。

在介绍这四个I/O口时提到了一个“上拉电阻”那么上拉电阻又是一个什么呢？他起什么作用呢？当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展 EEPROM电路，ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。

PORG为编程脉冲的输入端：在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。

PSEN 外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。

1、内部ROM读取时，PSEN不动作；

2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；

3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；

4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。

（8051扩展2KB EEPROM电路，PSEN与扩展ROM的OE脚相接）

EA/VPP 访问和序存储器控制信号

1、接高电平时：

CPU读取内部程序存储器（ROM）

扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。

2、接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。

3、8051写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。

RST 复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。

XTAL1和XTAL2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

VCC：电源+5V输入

VSS：GND接地。

AVR和pic都是跟8051结构不同的8位单片机，因为结构不同，所以汇编指令也有所不同，而且区别于使用CISC指令集的8051,他们都是RISC指令集的，只有几十条指令，大部分指令都是单指令周期的指令，所以在同样晶振频率下，较8051速度要快。另PIC的8位单片机前几年是世界上出货量最大的单片机，飞思卡尔的单片机紧随其后。

ARM实际上就是32位的单片机，它的内部资源（寄存器和外设功能）较8051和PIC、AVR都要多得多，跟计算机的CPU芯片很接近了。常用于手机、路由器等等。

DSP其实也是一种特殊的单片机，它从8位到32位的都有。它是专门用来计算数字信号的。在某些公式运算上，它比现行家用计算机的最快的CPU还要快。比如说一般32位的DSP能在一个指令周期内运算完一个32位数乘32位数积再加一个32位数。应用于某些对实时处理要求较高的场合。

4.5 软件的设计 4.5.1 程序设计图（1）主程序框图

图 4-1 主程序流程图

（2）继电器控制子程序

图4-2 继电器控制流程图

（3）A/D子程序

图4-3 A/D子程序流程图

（4）PID控制子程序

图4-4 PID计算子程序流程图 结论

本文在分析和比较用于供水行业的控制系统的发展和现状的基础上，结合我国供水的现状，设计了一套一拖多的控制系统，在这个毕业设计中有如下认识；

1.在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f，来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的，分析水泵工况点激流调节和变速调节能耗比较土，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时。流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力节流相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。水泵转速的工矿调节必须限制在一定范围以内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。

2.通过对供水控制模式进行分析，发现传统的生产控制模式是一种被动的控制方式，没有对供水管网的水量平衡进行综合考虑。针对传统控制模式的缺陷，提出了综合考虑水压和水量平衡的自适应平衡调节方法，为该供水控制系统的设计提供了依据。

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第五篇：居民楼字恒压供水系统设计

石家庄铁道大学四方学院课程设计

题目:居民楼宇恒压供水系统设计

专 业 自动化

班 级 0853-1 学 号 20087110 姓 名 王克礼

完成日期: 2011 年 6 月 27 日

居民楼字恒压供水系统设计 引言

传统生活及生产供水方法是建造水塔维持水压。，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，要解决水压随用水量大小变化问题，通常办法是:用水量大时，增加水泵数量或提高水泵转动速度以保持管网中水压不变，用水量小时又需做出相反调节。这就是恒压供水基本思路。交流变频器诞生和PLC运用为水泵转速平滑性连续调节提供了方便。恒压供水控制系统基本控制策略

采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组调速运行，并自动调整泵组运行台数，完成供水压力闭环控制，管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能目。系统控制目标是泵站总管出水压力，系统设定给水压力值与反馈总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机投运台数和运行变量泵电动机转速，达到给水总管压力稳定设定压力值上。恒压供水就是利用变频器PID或PI功能实现工业过程闭环控制。即将压力控制点测压力信号(4－20ｍＡ)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定压力值进行比较，并变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机电源频率，实现控制水泵转速。供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大于实际最大供水量。恒压供水系统基本构成

恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们功率必须足够大，用水量少时来开一台大电机肯定是浪费，电机选小了用水量大时供水量则相应会不足。水泵与电机维修时候，备用泵是必要。而恒压供水主要目标是保持管网水压恒定，水泵电机转速要跟随用水量变化而变化，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，从经费角度来看话这样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵工频运行，以满足不同水量需求。压力传感器用于检测管网中水压，常装设泵站出水口。当用水量大时，水压降低;用水量小时，水压升高。水压传感器将水压变化转变为电流或电压变化送给调节器。调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压给定值、接受传感器送来管网水压实测值、给定值与实测值综合依一定调接规律发出系统调接信号等功能。调节器输出信号一般是模拟信号，4-20mA变化电流信号或0-10V间变化电压信号。信号量值与前边提到差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器。用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，PLC作为恒压供水系统主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值综合与调节工作，实现数字PID调节;它还控制水泵运行与切换，多泵组恒压供水泵站中，使设备均匀磨损，水泵及电机是轮换工作。如规定和变频器相连接泵为主泵。PLC则是泵组管理执行设备。PLC同时变频器驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC模拟量控制模块，该模块模拟量输入端子接受到传感器送来模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后出模拟量信号，并依此信号变化改变变频器输出频率。另外，泵站其他控制逻辑也由PLC承担，如:手动、自动操作转换，泵站工作状态指示，泵站工作异常报警，系统自检等等。4.1 主电路设计

如图1为电控系统主电路图。三台电机分别为M1，M2，M3。接触器KM1，KM3，KM5分别控制电机M1，M2，M3供频运行;接触器KM2，KM4，KM6分别控制电机M1，M2，M3变频运行;FR1，FR2，FR3分别为三台水泵电机过载保护热继电器;QS1，QS2，QS3，QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路隔离开关;FU1为主电路熔断 器;VVVF为通用变频器。

图1 恒压供水系统主控电路 4.2 控制电路设计

图2为电控系统控制电路图。SA为手动/自动转换开关，SA打1位置时候为手动控制状态;SA打2位置时候为自动控制状态;手动运行时，可用按钮SB1~SB8控制三台电机起/停和电磁阀YV2通/断;自动运行时，系统PLC程序控制下运行。

图2 控制电路图

图中HL10为自动运行状态时电源指示灯。对变频器频率进行复位控制时只提供一个干触点信号，PLC为4个输出点为一组共用一个COM端，而系统本身又没有剩下单独COM端输出组，一个中间继电器KA触点对变频器进行复位控制。图2中Q0.0－Q0.5及.Q1.0－Q1.5为PLC输出继电器触点。此可以看到检修是控制原理和水泵正常运行是控制原理一样，最终是控制接触器通与断来控制水泵启动与停泵。

PLC控制时候与检修时控制最大区别是，PLC可以变频器来控制水泵转速达到对水压压力控制，而检修目是对机器维护而控制水压，不必对其转速控制。5 结束语 恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门控制水泵出口压力方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失效能。变量泵工作变频工况，其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承磨损和发热，延长泵和电动机机械使用寿命。实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员劳动强度，节省了人力。水泵电动机采用软启动方式，按设定加速时间加速，避免电动机启动时电流冲击，对电网电压造成波动影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统喘振。变量泵工作变频工作状态，其运行过程中其转速是由外供水量决定，故系统运行过程中可节约可观电能，其经济效益是十分明显。正此，系统具有收回投资快，而长期受益，其产生社会效益也是非常巨大。实际应用中，采用PLC控制恒压供水，还能容易随时修改控制程序，以改变各元件工作时间和工作状况，满足不同情况要求。与继电器或硬件逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更大灵活性和通用性。