基于PLC与变频器的小区恒压供水控制应用设计

摘要本论文在分析了供水自动控制系统的发展现状和特点的基础上，结合我国城市供水的现状，设计了一套以变频调速技术为基础的恒压供水系统。本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，采用了PLC进行逻辑控制，采用变频器进行压力调节，变频器、可编程控制器作为系统的核心部件，时刻跟踪管网与给定压力的偏差变化，经变频器内部PID运算通过PLC控制变频与工频切换，自动控制水泵投入的台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压供水，在保持恒压下达到控制流量目的。以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。本文从系统的整体设计方案和实际需求进行分析，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。关键词：恒压供水；变频器；PLC。目 录第一章、绪论11.1变频恒压供水的目的和意义11.2恒压供水系统特点11.3系统应用范围21.4恒压供水控制系统的基本控制策略21.5节能原理21.6投资回报及效益分析3第二章、变频调速技术概述32.1变频调速技术的特点及应用42.2变频器工作原理42.3ACS510-01系列变频器概述52.3.1 特点52.3.2 综合技术特性6第三章、PLC技术73.1 PLC技术的概述73.2 PLC基本组成73.3 西门子S7-200系列PLC概述7第四章、PLC变频调速小区恒压供水系统的原理及结构功能104.1 恒压供水系统的实现原理及功能简介104.2 PID控制的实现方法104.3 主要元器件的选型114.4控制系统方案设计124.4.1 控制系统硬件设计124.4.2 主控电路设计124.4.3 PLC硬件设计134.4.4 控制系统软件设计16五、结束语23六、致谢24七、参考文献25第一章 绪论变频恒压供水技术是80年代后期发展起来的，自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中也得到了很大的发展。1.1 变频恒压供水的目的和意义小区用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。随着电力电子技术的高速发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，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；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等零件的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。图1恒压立式变频供水设备 1.2 恒压供水系统特点相对与传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出的体现在以下几个方面：1.高效节能：变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。2.恒压供水：变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力都不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。3.安全卫生：系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取代了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。4.自动运行、管理简便：新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。5.延长设备寿命、保护电网稳定：使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。6.占地少、投资回收期短：新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小可以节省投资。另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。1.3系统应用范围1、自来水厂、加压泵房。2、居民生活区、宾馆及其它建筑。3、企业生产用水。4、锅炉循环水系统。5、农田灌溉系统。1.4恒压供水控制系统的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，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的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，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(420mA)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。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。1.5节能原理水泵为平方转矩负载，即水泵的负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率和负载转矩与转速的乘积成正比，因此，水泵的轴功率与电机转速的立方成正比。由此可知，当要求出水量减少时，可使电机转速降低，而电机转速微量减少，将使功率大幅下降，节能效果十分明显。本变频调速系统经过优化设计，精心的设备选型，合理的编程，配合正确的信号给定，使得电机始终处于最佳运行状态，节能潜力得到了最大的发挥。1.6投资回报及效益分析1. 直接效益水泵恒压供水避免了开关阀门造成的节流损失和关闭阀门运行时电机所做的无用功，按每年运行300天阀门平均开度80%计算，22kW电机年节电量可做如下计算:W221-(0.8)324300=7.79万kWh电费单价按0.40元/kWh计算,全年可节约电费：M=7.790.40=3.116万元2. 间接效益(1) 水泵进行变频调速改造以后，由于系统采用软启动连续变速运行，减少了对水泵的磨损，大大延长了设备使用寿命和维修周期，减少了维修费用和由此带来的直接经济损失。(2) 系统采取过流、过压、瞬时断电、短路、欠压、缺相等多种保护，避免了因电机烧损而影生产所带来的直接和间接经济损失。第二章 变频调速技术概述2.1变频调速技术的特点及应用近几年来电机调速技术发展很快，应用范围亦非常广泛，变频调速器（以下简称“变频器”）就是其中的一种，它不仅操作方便，故障率低，且节能效果明显，优于调压调速、变级调速、滑差调速、串级调速、整流子调速和液力偶合调速等。变频调速的主要特点如下：(1)体积小，重量轻，可挂墙安装，不占地面；(2)可手控、遥控，亦可与可编程可控制器、计算机等联结，实现自控；(3)启动电流约为电机额定电流的1到1.5倍（电机启动电流为5倍6倍额定电流），对电网设备冲击小；(4)具有许多种保护功能（如过压、欠压、过流、短路、瞬间停电等）；(5)可减振降噪，延长设备使用寿命正是由于变频器具有上述特点，不少企业把变频器的应用作为一种重要的节能手段，立窑水泥企业也不例外，在风机、磨机、泵、计量等诸多系统得到应用2.2变频器工作原理目前，通用型变频器绝大多数是交直交型变频器，通常尤以电压器变频器为通用，它是变频器的核心电路，由整流回路（交直交换），直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直交变换）组成，当然还包括有限流电路、制动电路、控制电路等组成部分。 1)整流电路 通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为12001600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。2）滤波电路变频器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。 通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们瞬时的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值相等的均压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的使用寿命。3）逆变电路 逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的功率开关器件的导通与关断，就可以得到一定范围内任意频率的三相交流输出。通常的中小容量的变频器主回路器件一般采用集成模块或智能模块。智能模块的内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。如三菱公司生产的IPMPM50RSA120，富士公司生产的7MBP50RA060，西门子公司生产的BSM50GD120等，内部集成了整流模块、功率因数校正电路、IGBT逆变模块及各种检测保护功能。模块的典型开关频率为20KHz，保护功能为欠电压、过电压和过热故障时输出故障信号灯。逆变电路中都设置有续流电路。续流电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同步转速也随之下降。为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中，寄生电感释放能量提供通道。另外，当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保护。2.3 ACS510-01系列变频器概述 ACS510 传动应用于广泛的工业领域，适用各类型负载。 ACS510还针对风机、水泵应用做了特别的优化，典型的应用包括恒压供水，冷却风机，地铁和隧道通风机等等。 2.3.1特点 完美匹配风机水泵 高级控制盘 用于降低谐波的专利技术：变感式电抗器 循环软起 用户自定义U/F曲线 超越模式 内置RFI滤波器作为标准配置，适用于第一和第二环境 图2 ABB变频器型号说明 型号代码一栏清楚地表明了变频器的功率容量和外形尺寸。对应你选中的类型代码，外形尺寸可以用来确定变频器尺寸。 电压 ACS510 -01提供的电压范围： 380 - 480 V 结构 类型代码中“01”代表变频器的安装方式及功率范围。图3 ABB变频器型号说明2.3.2综合技术特性1、输出频率范围：0.00600.00Hz。2、速度控制方式：V/F控制。3、指令通道方式：操作面板、端子控制、远程通讯控制。4、频率给定方式：数字键盘给定、模拟量给定（电流、电压信号）、高速脉冲给定、远程通讯给定、多段速给定、PLC给定、PID闭环给定等，可以多种频率组合和切换。5、起动转矩大：1Hz/150%。6、载波频率范围：1.0K15.0KHz。7、速度控制精度：5%最高速度。8、自动电压调整（AVR）：当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定。9、自动限流：能限制电机电流的最大值，从而可靠地保护变频器和电机。10、摆频控制：多种三角波频率曲线，满足纺织行业的个性化需求。11、多功能键盘：提供三种快捷调试模式，满足用户的多种应用要求。12、所有的输入、输出端子皆为可编程的，方便用户的使用。13、高速脉冲输入输出功能：可实现定长控制和脉冲计数。第三章 西门子PLC的系统构成与工作原理 3.1 PLC技术的概述可编程程序控制器（programmable controller），因为早期主要应用于开关量的控制，因此也称为PLC（programmable logic controller），即是可编程逻辑控制器。现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。3.2 PLC基本组成PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。 按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是 PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将 CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。无论哪种结构类型的 PLC，都可以根据需要进行配置与组合。3.3 西门子S7-200系列PLC概述德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-200, S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。1SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。 图4 西门子PLC2SIMATIC S7-300 PLC S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。 3 SIMATIC S7-400 PLC S7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。 S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。 4 工业通讯网络 通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“SIMATIC NET”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并且相互之间完全兼容。 5 人机界面（HMI）硬件 HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200（可显示中文），OP3，OP7，OP17等；图形/文本操作面板OP27，OP37等，触摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。个人计算机（PC）也可以作为HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件（如ProTool）组态才能配合PLC使用。 6 SIMATIC S7工业软件 西门子的工业软件分为三个不同的种类： （1）编程和工程工具 编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程、组态、模拟和维护等控制所需的工具。STEP 7标准软件包SIMATIC S7是用于S7-300/400，C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制产品的组态编程和维护的项目管理工具，STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的S7-200系列PLC的编程、在线仿真软件。 （2）基于PC的控制软件 基于PC的控制系统WinAC允许使用个人计算机作为可编程序控制器（PLC）运行用户的程序，运行在安装了Windows NT4.0操作系统的SIMATIC工控机或其它任何商用机。WinAC提供两种PLC，一种是软件PLC，在用户计算机上作为视窗任务运行。另一种是插槽PLC（在用户计算机上安装一个PC卡），它具有硬件PLC的全部功能。WinAC与SIMATIC S7系列处理器完全兼容，其编程采用统一的SIMATIC编程工具（如STEP 7），编制的程序既可运行在WinAC上，也可运行在S7系列处理器上。 （3）人机界面软件 人机界面软件为用户自动化项目提供人机界面（HMI）或SCADA系统，支持大范围的平台。人机界面软件有两种，一种是应用于机器级的ProTool，另一种是应用于监控级的WinCC。 ProTool适用于大部分HMI硬件的组态，从操作员面板到标准PC都可以用集成在STEP 7中的ProTool有效地完成组态。ProTool/lite用于文本显示的组态，如：OP3，OP7，OP17，TD17等。ProTool/Pro用于组态标准PC和所有西门子HMI产品，ProTool/Pro不只是组态软件，其运行版也用于Windows平台的监控系统。 WinCC是一个真正开放的，面向监控与数据采集的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）软件，可在任何标准PC上运行。WinCC操作简单，系统可靠性高，与STEP 7功能集成，可直接进入PLC的硬件故障系统，节省项目开发时间。它的设计适合于广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有大量的通信接口和全面的过程信息和数据处理能力，其最新的WinCC5.0支持在办公室通过IE浏览器动态监控生产过程。S7-200作为西门子SIMATIC PLC家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，多年来一直广泛服务于国内的各行各业。SIMATIC S7-200系列PLC适用于各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。图5 S7-200 CPU第四章 PLC变频调速小区恒压供水系统的原理及结构功能4.1 恒压供水系统的实现原理及功能简介小区变频恒压供水系统采用一台ABB变频器拖动两台7.5KW功率电动机，可在变频和工频两种方式下运行工作。(1)启动方式:为避免启动时的冲击电流，电机采用变频启动方式，从变频器的输出端得到逐渐的上升的频率和电压。(2)变频调速:根据供水管网中流量、压力的变化自动控制变频器输出频率，从而调节电动机和水泵的转速，实现恒压供水。如设备的输出电压和频率上升到工频仍不能满足供水要求时，PLC发出指令让1号泵自动切换到工频电源运行，待1号水泵退出变频运行，2号泵自动投入变频运行。 (3)水泵切换:根据恒压的需要，采取无主次切换，即“先开先停”的原则接入和退出。在PLC的程序中，通过设置变频泵的工作号和工频泵的台数，由给定频率是否达到上限频率或下限频率来判断增泵或减泵。(4)故障处理:能对源水位过低，变频器故障等报警。本系统采用两套电机水泵对水网进行恒压供水 ,每台电机均可工作在变频方式或工频方式 ,但变频调速器每次仅驱动一台电机。变频调速器根据实际水压的变化 ,不断地调整水泵转速 ,通过调节流量达到恒定水压的目的。另外 ,可编程序控制器根据当前水泵的供水情况对其进行合理切换 ,实现最佳匹配。本 PLC变频调速恒压供水系统主要可以完成的功能有:手动和自动切换功能 ,对电机水泵实现软启动，故障报警，报警消铃功能 。4.2 PID控制的实现方法窗体顶端在供水过程中 ,水泵转速的变化可以调节水量 ,但是转速降低 ,流量减小 ,压力也相应降低 ,为了保证流量并维持一定的供水压力 ,最大限度地节约电能 ,我们必须建立闭环自动调节系统。在水泵的出口侧 ,检测压力变化 ,一旦偏离设定压力 ,系统就自动响应 ,调节转速 ,维持相应压力下的供水量。该闭环恒压供水系统 ,主要由变频器、可编程序控制器及压力传感器组成 。为了使系统更加简明，本文采用变频器内置PID。其调节原理图如下:窗体底端图6 PLD调节原理图在供水系统中使用水泵的目的，是向各末端水龙头连续稳定地供给适当水压的水。因此，不论供水量多少，必须控制水泵的压力恒定。使用变频调速的水泵，其压力控制常采用出口水压一定控制。压力传感器装在水泵附近的主出水管内，将感受到的压力转化为电信号作为反馈信号。变频器内置 PID调节器作为压力调节器。PID调节器将来自压力传感器的压力反馈信号与出口压力给定值比较运算，其结果作为频率指令输送给变频器，调节水泵的转速使出口压力保持一定。根据供水管网压力的变化，通过变频器实现自动跟踪来控制水泵电机的转速，使供水管网中保持恒定的压力，以达到高效供水及高效节能目的。4.3主要器件的选型（1）供水泵的选择生活供水的水泵电动机选LG系列型号为65LG36的高层建筑多级给水泵，每台自带交流电动机7.5KW，380V供电。LG系列泵为立式安装，电机轴与泵轴通过爪型连轴器联接，具有结构紧凑、噪音低、占地面积小等优点。65LG36型产品特点为：1）水力模型先进：效率高，性能范围广；2）更少的运行、维修费用：采用优质机械密封，耐磨损、无泄漏、使用寿命长，故障率低，具有更少的运行维修费用；3）独特的部件、降低噪音：独特的水力部件设计，良好的过流性能，最大地减少流动噪音；4）立式结构，占地面积小。其技术参数为：流量：3.0-150m3/h；扬程：20-200m；功率：0.75-132kw；转速：2900r/min；口径：25-150；温度范围：0-180；（2）传感器选型恒压供水压力传感器，通用压力变送器，恒压供水压力变送器，PTP501/502/503/504压力传感器/变送器采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。其技术参数如下：量程：0.1150（Mpa）综合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS输出信号：420mA（二线制）、05V、15V、010V（三线制）供电电压：24DCV（936DCV）介质温度：2085环境温度：常温（2085）（3）交流接触器的选择该控制系统中的接触器均选交流接触器。电机所选用的接触器主触头在主电路中，所以主触头通断负载额定电压为被控制线路额定电压AC380V，线圈在控制回路中圈电压取AC220V。主触头额定电流经验公式ICNPN103/KUN；通常KUN取11.4；ICN为主触头额定电流（A）；PN为被控制器件额定功率（KW）；通过计算选择均选为CJ1040型接触器。（4）中间继电器的选择中间继电器在继电接触器系列电控系统中主要具有控制电路传递与转换信号，扩大控制路数，将小功率控制信号转换为大容量的触头控制，扩充交流接触器及其它电器控制作用的功能。变频器故障输出电路中KA选用JZ780，其参数为吸引线圈额定电压DC24V，额定电流1.6A。（5）热继电器的选择本系统中热继电器14FR1，FR2是保护水泵电机过载和断相保护的元件。一般情况下，可按电动机额定电流选取若继电器，热继电器的整定值为电动机额定电流的0.951.05倍，则生活水泵电机额定电流为2 0A，消防泵电机额定电流为21A。取系数为1，则热继电器的整定值分别为20A，21A。经查阅资料，选JR163/20。4.4控制系统方案设计4.4.1 控制系统硬件设计该系统主要由西门子S7-200系列PLC控制器、ABB ACS510-01变频器、压力变送器、浮球水位计（开关）、低压电气设备及水泵组成。、PLC作为控制单元 ,根据现场信号和系统工作状态控制两台水泵的起动和停止 ,控制变频器的起动和停止 ,变频器根据压力给定和实测压力调节输出频率 ,改变水泵转速 ,控制管网压力 ,并将变频器工作状态输出到PLC。其基本控制框图如下：图7 系统基本控制框图4.4.2 主控电路设计电控系统的主电路2台电机分别为M1、M2。接触器KM1、KM3、分别控制电机M1、M2工频运行，接触器KM2、KM4、控制电机M1、M2变频运行。FH1、FH2分别为2台水泵电机过载保护的热继电器，QF10、QF11、QF12分别为变频器和2台水泵电机主电路的断路器，ABB ACS510-01通用变频器。 图8 电控系统主电路图4.4.3 PLC硬件设计该系统采用S7-200 CPU224,12输入6继电器输出一台，即可满足用户供水控制要求。1、输入输出点数的确定在该控制系统中 ,水泵 M1 和M2 可变频工作也可工频工作。由接触器进行切换 ,需占用PLC的四个输出信号控制。变频器的运行与关断 ,由可编程序控制器的一个输出信号控制。故障报警电铃占用一个输出信号，该控制系统共占用 PLC的六个输出信号 。水管压力检测信号占用 PLC的两个输入点,以控制整个系统的全线停车;系统分自动和手动两种工作方式 ,由一个选择开关控制 ,选择开关连接 PLC的一个输入点 ,水池水位检测信号占用PLC的两个输入点，一故障消铃占一输入，变频器故障占一输入。因此 ,该控制系统中共占用 PLC的12个开关量输入信号。整个控制系统所需的输入输出点数量共为17个点。2、输入输出点表1输入输出点手动SAI0.0SA自动SAI0.1SA变频输出I0.2频率上限I0.3一号手动启动I0.4SB2一号手动停止I0.5SB1二号手动启动I0.6SB4二号手动停止I0.7SB3报警复位I1.0SB0一号过载I1.1KA3二号过载I1.2KA4源水位过低I1.3KA1一号变频运行Q0.0KA12一号工频运行Q0.1KA11二号变频运行Q0.2KA13二号工频运行Q0.3KA14报警电铃Q0.4HL8自动运行Q0.5KA23. 系统接线图：图9 S7-200外围接线图图10 顺序流程图4.4.4控制系统软件设计该控制系统根据要求可以选择手动状态和自动状态两种工作方式。选择手动工作状态时 ,可以分别通过按钮控制两台泵在工频下运行与停止 ,主要用于水泵定期检修临时供水。选择自动工作状态时 ,完全由 PLC软件控制运行。根据水管网中用水量和压力变化适时调整工频运行的水泵和变频运行的水泵频率。图11 控制电路自动工作时 ,1) PLC 首先利用变频器软启动一台水泵 ,实现单泵变频供水,此时 ,安装在管网上的传感器将实测的管网压力反馈进变频器 ,与预先通过变频器面板设定的给定压力进行比较 ,通过变频器内部 PID 运算 ,调节变频器输出频率。2)在用水高峰期 ,水流量较大 ,变频器输出频率接近工频 ,而管网压力仍达不到压力设定 ,则 PLC将当前工作的水泵由变频切换到工频 ,PLC将变频器切换到另一台泵 ,由变频器软启动该泵 ,实现一台工频、一台变频双泵供水。3）当变频器故障则系统报警并停止运行，故障复位后系统自动投入运行。4）当水池水位低于水位设定下限时，为防止无水电机空转系统报警停止输出，当水位达到设定上限时系统自动投入运行。五 结束语自行设计的变频调速恒压供水系统实现简单,成本低廉，投入运行以来，工作可靠，具有较好的控制效果。主要体现在:（1）系统供水压力平稳，压力变化在 0.01mpa 以内;（2）高效节能，系统有plc和变频器管理，可有效解决不同用水量时电机轻载或空载时节能问题;（3）整个系统自动化程度高，不需人员职守，故障时可以自动保护并发出报警信号。（4）自动水循环，实现了有效的节水。另外，系统采用plc控制，容易随时修改程序，以改变工作状况，满足不同控制要求，有较大的灵活性和通用性，有一定的推广应用价值。六、致谢本研究及毕业论文是在我的指导老师胡恒铮老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，胡老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向胡老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的我的舍友们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 七、参考文献1变频器世界。2006年4月2廖常出.PLC编程及应用，机械工业出版社，20023一拖二恒压供水系统中的PLC与变频器，变频器网，20084基于PLC和变频器的恒压供水系统控制的研究，20085秦鑫,申杰奋,PLC控制变频调速恒压供水系统,新乡师范高等专科学校学报,2006.36王永华.现代电气控制及PLC应用技术，北京航空航天大学出版社,20037王兆义.逻辑与可编程控制系统，上海大学出版社，2003年3月8邹金慧.可编程控制器及其系统，重庆大学出版社，2002年11月9张凯.可编程控制器教程，东南大学出版社，200510高钦和.可编程控制器应用技术和设计实例，人民邮电出版社，200411周万珍.PLC分析与设计应用,电子工业出版社，200412于庆广.可编程控制器原理及系统设计,清华大学出版社,200113金传伟,毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用,电子技术应用,2000 14申桂英,孙斌,马光.恒压供水系统的模糊,控制工业仪表与自动化装置,2002 15徐德,张明军,双泵恒压供水调速PLC 控制系统.山东工业大学学报,1998第 25 页 共 29 页