基于PLC的变频调速恒压供水系统（含外文翻译）毕业设计

山东科技大学学士学位论文 摘要摘 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，组态软件山东科技大学学士学位论文 ABSTRACTABSTRACTAccording to the requirement of Chinas urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition.The system is made up of PLC, transducer,units of pumps,pressure sensor and control machine and so on. This system is formed by three pump generators,and they form the circulating run mode of frequency conversion. With general frequency converter realize for three phase pump generator soft start with frequency control,operation switch adopts the principle of”start first stop first”. The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure,via PLC with set value by carry out PID comparison operation,so,control frequency and the export voltage of frequency converter,and then the rotational speed that changes pump generator come to change water supply quantity,eventually,it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value. Through work control machine the connection with PLC,with group form software consummately systematic monitoring,have realized operation state development to show and data,report to the police inquiry.Keywords: variable frequency speed-regulating, constant-pressure water supply, PLC, supervision control and data acquisition.山东科技大学学士学位论文 目录目录1 绪论 .11.1 课题的提出 .11.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 .31.3 PLC 概述 .51.4 本课题的主要研究内容 .72 系统的理论分析及控制方案确定 .82.1 变频恒压供水系统的理论分析 .82.2 变频恒压供水系统控制方案的确定 .113 系统的硬件设计 .193.1 系统主要设备的选型 .193.2 系统主电路分析及其设计 .233.3 系统控制电路分析及其设计 .253.4 PLC 的 I/O 端口分配及外围接线图 274 系统的软件设计 .314.1 系统软件设计分析 .314.2 PLC 程序设计 .334.3 PID 控制器参数整定 405 监控系统的设计 .465.1 组态软件简介 .465.2 监控系统的设计 .466 结束语 51山东科技大学学士学位论文 目录参考文献 53致谢 .55附录 .56附录 A 英文文献 56附录 B 中文翻译 65附录 C 主程序梯形图 71山东科技大学学士学位论文 绪论01 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，其优、缺点如下 1：(1) 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。(2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。(3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维山东科技大学学士学位论文 绪论1修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，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，目前主要应用于高层建筑。(4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。(5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面 4 种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，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。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。山东科技大学学士学位论文 绪论21.2 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。1964 年，最先提出把通信技术中的脉宽调制PWM 技术应用到交流传动中的是德国人。20 世纪 80 年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。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山东科技大学学士学位论文 绪论3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。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本 Samco 公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式” 、 “变频泵循环方式”两种模式它将 PID 调节器和 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 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。原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw22kw)，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山东科技大学学士学位论文 绪论4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。1.3 PLC 概述1.3.1 可编程控制器的定义可编程控制器，简称 PLC(Programmable logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义:“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。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，易于扩展其功能的原则而设计。”1.3.2 PLC 的发展和应用世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言 5 ，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术山东科技大学学士学位论文 绪论5和继电器常规控制概念相结合的产物。20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。1.3.3 西门子 S7-200PLC 简介西门子公司具有品种非常丰富的 PLC 产品。S7 系列是传统意义的PLC，S7-200 属于小型 PLC，在 1998 年升级为第二代产品，2004 年升级为第三代产品，其特点如下 6：(1) 功能强大。S7-200 有 5 种 CPU 模块，最多可扩展 7 个扩展模块，扩展到 248 点数字量 I/O 或 38 路模拟量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存储空间和数据存储空间；(2) 先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件；(3) 灵活方便的寻址方法；山东科技大学学士学位论文 绪论6(4) 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面；(5) 有竞争力的价格；(6) 完善的网上技术支持等。1.4 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。根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC 选型，估算所需 I/O 点数，进行 I/O 模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、I/O 连接图，分配 I/O 点数，列出 I/O 分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定72 系统的理论分析及控制方案确定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：(2.1) 60(1)fnsp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，它们促进了变频调速的广泛应用。山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定82.1.2 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。管阻特性AQHH AQ A扬程特性图 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，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山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定9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：（2.2）1PkH（2.3）2n(2.4)3kQ(2.5)P式中 k、k1、k2、k3 为比例常数。HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3图 2.2 管网及水泵的运行特性曲线当用阀门控制时，若供水量高山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定10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 H1Q2。当用调速控制时，若采用恒压(H 0)，变速泵(n 2)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 H0Q2，由于 H1H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于(H 1H 0)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、动态性能山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定11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：山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定12用户M压力变送器变频器P L C( 含 P I D )液位变送器水池水泵机组管网压力信号报警信号水池水位信号图 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，以防山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定13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。山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定14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：P I D D / A变频器接触器水泵机组管道压力变送器A / D给定管网压力P L C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 420mA 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山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定15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。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，山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定16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 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sfP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山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定17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： 且延时判别成立 (2.6)UPf2dfsP减泵条件： 且延时判别成立 LOWfs(2.7)式中： ：上限频率 ：下限频率UPf LOWf：设定压力 ：反馈压力s fP山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计183 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：A / D 模块 可编程控制器 ( P L C ) 通讯模块压力变送器故障 、 状态等量输入报警 、 控制等量输出人机界面上位机 、组态等变频器水泵机组软启动 、 自耦变压器图 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 型号及其生产厂家可编程控制器（PLC） Siemens CPU 226模拟量扩展模块 Siemens EM 235变频器 Siemens MM440水泵机组 SFL 系列水泵 3 台（上海熊猫机械有限公司）压力变送器及显示仪表 普通压力表 Y-100、XMT-1270 数显仪山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计19液位变送器 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。山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计203.1.2 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 0.7590KW，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：电动山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计21机额定功率 75KW，供水压力控制在 0.30.01Mpa。根据本设计要求并结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 15V 或 420mA 的模拟量信号，作为模拟输入模块(A/D 模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用 420mA 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 01Mpa，精度 1.0；数显仪输出一路 420mA 电流信号，送给与 CPU226 连接模拟量模块山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计22EM235，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。3.1.5 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：2m5m，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（420mA 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。综合以上因素：本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为 DS26 分体式液位变送器，其量程为：0m200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；零点和满量程外部可调；供电电源：24VDC；输出信号：两线制 420mADC 精度等级：0.25 级。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山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计23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。NL 1L 2L 3F U变频器Q S 1RSTU VWQ S 2K M 2F R 1K M 1M 13 K M 3M 23 K M 5M 33 K M 4F R 2Q S 3 Q S 4K M 6F R 3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，相互之山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计24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 420mA 电流信号送至上位机来显示。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 SB1SB6 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，本系统山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计25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Q0.0Q0.5 及 Q1.1Q1.5 为 PLC 的输出继电器触点，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。S B 1K M 1S B 2Q 0 . 0Q 0 . 1K M 2K M 1K M 1K M 2H L 1H L 2F R 1S B 5K M 5S B 6Q 0 . 4Q 0 . 5K M 6K M 5K M 5K M 6H L 5H L 6F R 3S B 3K M 3S B 4Q 0 . 2Q 0 . 3K M 4K M 3K M 3K M 4H L 3H L 4F R 2P L CNL 1F U 2S A12Q 1 . 1H L 7Q 1 . 3H L 9Q 1 . 2H L 8H L 1 0Q 1 . 4Q 1 . 5K AH AN 14681 01 21 41 61 82 02 22 4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：