住宅小区恒压供水控制系统设计

XXX学院毕业设计（ 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ）住宅小区恒压供水控制系统设计学生：XXX学号：XXX专业：测控班级：2010.2指导教师：XXX、XXXXXX学院XXX学院二O一一年六月摘要本论文根据住宅小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统。变频恒压供水控制系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、报警器等构成。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，实现恒压供水。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ABSTRACTThisthesisisbasedontheresidentialareaofwatersupplyrequirements,designaConstantPressureWaterSupplyControlSystemBasedonPLC.Theconstantpressurewatersupplycontrolsystemconsistsofaprogrammablecontroller,inverter,waterpumps,pressuresensors,alarmandsoon.Thesystemconsistsofthreepumpmotors,theyarecomposedoffrequencyconversioncycleoperationmode,theinverterisusedtoachievethesoft-startandfrequencycontrolthree-phasepumpmotorrunswitchwiththeprincipleof"firstinitialfirststop".PressuresensordetectsthewaterpressuresignalintothePLCwiththesetvalueafterthePIDoperation,soastocontroltheinverteroutputvoltageandfrequency,therebychangingthespeedofthepumpmotortochangethesupplyquantity,andultimatelytomaintainthepressurestabilityofthepipenetworkinthesetgiventhevalueofthenearconstantpressurewatersupply.IPCandPLCconnection,usingtheconfigurationsoftwaresystemmonitoring,dynamicdisplayofoperatingstatusanddata,andalarmqueries.Keywords：Frequencycontrol；Constantpressurewatersupply；PLC；Configurationsoftware目录TOC\o"1-3"\h\uHYPERLINK\l_Toc6390摘要IHYPERLINK\l_Toc15854ABSTRACTIIHYPERLINK\l_Toc24090第1章绪论1HYPERLINK\l_Toc115971.1小区恒压供水控制系统产生的背景及意义1HYPERLINK\l_Toc229711.2变频恒压供水控制系统的国内外研究现状2HYPERLINK\l_Toc191501.3本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的主要研究内容3HYPERLINK\l_Toc1840第2章变频恒压供水控制系统的理论分析4HYPERLINK\l_Toc28612.1恒压供水控制系统研究对象及特点4HYPERLINK\l_Toc235462.1.1研究对象4HYPERLINK\l_Toc314182.1.2恒压供水控制系统的特点4HYPERLINK\l_Toc134942.2变频恒压供水系统控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的比较和确定5HYPERLINK\l_Toc99822.3变频恒压供水控制系统的组成及其工作原理7HYPERLINK\l_Toc16972.3.1变频恒压供水控制系统的组成及原理图7HYPERLINK\l_Toc160532.3.2变频恒压供水系统的工作原理9HYPERLINK\l_Toc251402.3.3变频恒压供水系统水泵切换控制10HYPERLINK\l_Toc252062.4供水系统的安全性问题12HYPERLINK\l_Toc306242.4.1水锤效应及其消除 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 12HYPERLINK\l_Toc132482.4.2延长水泵寿命的其他因素12HYPERLINK\l_Toc51742.4.3对供水电机和供水电网的保护12HYPERLINK\l_Toc23876第3章系统的硬件设计14HYPERLINK\l_Toc20433.1系统主要设备的选型及介绍14HYPERLINK\l_Toc262733.1.1PLC及其扩展模块的选型14HYPERLINK\l_Toc74213.1.2变频器的选型16HYPERLINK\l_Toc304513.1.3水泵机组的选型17HYPERLINK\l_Toc220463.1.4压力变送器的选型18HYPERLINK\l_Toc12513.1.5液位变送器的选型18HYPERLINK\l_Toc65173.2系统主电路接线图19HYPERLINK\l_Toc102583.3系统控制电路接线图20HYPERLINK\l_Toc190583.4PLC的I/O端口分配及外围接线图22HYPERLINK\l_Toc7966第4章系统的软件设计26HYPERLINK\l_Toc149514.1系统软件设计分析26HYPERLINK\l_Toc303544.2PLC程序设计27HYPERLINK\l_Toc189894.2.1控制系统主程序设计28HYPERLINK\l_Toc246964.2.2控制系统子程序设计32HYPERLINK\l_Toc11760第5章监控系统的设计35HYPERLINK\l_Toc24155.1组态软件的简介35HYPERLINK\l_Toc31825.2监控系统的设计35HYPERLINK\l_Toc244285.2.1组态王的通信参数设置35HYPERLINK\l_Toc156665.2.2新建工程与组态变量36HYPERLINK\l_Toc80835.2.3组态画面37HYPERLINK\l_Toc178015.2.4监控系统界面38HYPERLINK\l_Toc27594第6章结束语40HYPERLINK\l_Toc29257致谢41HYPERLINK\l_Toc28151参考文献42HYPERLINK\l_Toc7327附录43第1章绪论1.1小区恒压供水控制系统产生的背景及意义对小区高层的住户来说，在白天或者用水高峰时，供水系统的电动机负荷很大，常常需要满负荷甚至超负荷运行；而在晚上或者用水低峰时，所需用水量就会减少很多，但是电动机会依然处于满负荷运行状态，这样既会造成能量的浪费，又对电动机的损耗很大，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。所以根据不同的需求条件调节电动机的转速以实现恒压供水是非常有必要的。传统的小区供水方式有恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等方式。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作出及时的反应，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，不但效率低下、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）水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大、占地面积大、维护不方便、水泵电机为硬起动、起动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要用于高层建筑。（3）气压罐供水具有体积小、技术简单、不受限制等特点，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，致使水泵工作在低效段同时出现水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了发展。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，难以适应当前经济生活的需要。采用基于PLC和变频技术的恒压供水系统，可以有效解决以上问题。变频调速式供水系统具有节约能源、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，利用变频技术与自动控制技术相结合，不仅能达到比较明显的节能效果，提高恒压供水的效率，更能有效地保证供水控制系统的安全可靠运行。利用变频恒压供水控制系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以，设计基于变频调速的恒定水压供水控制系统，对于提高供水效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。1.2变频恒压供水控制系统的国内外研究现状变频恒压供水控制系统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控制系统中，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。随着变频技术的发展和变频恒压供水控制系统的稳定性、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[1]。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（5.5kw～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。1.3本课题的主要研究内容本设计是以小区楼房供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合的技术，设计一套住宅小区恒压供水控制系统，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。变频恒压供水控制系统主要由变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组等一起组成的一个完整闭环调节系统。本设计中有1个贮水池，3台水泵，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。第2章变频恒压供水控制系统的理论分析2.1恒压供水控制系统研究对象及特点2.1.1研究对象此设计研究的对象是小区楼房的供水系统。由于较高楼层对供水水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况；水压高时，将造成能源的浪费。如图2-1所示，是小区高楼供水系统的简单流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。2.1.2恒压供水控制系统的特点基于PLC和变频技术的恒压供水系统与过去的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水方式相比，不论是设备的投资、运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。变频恒压供水控制系统能适用于小区生活用水、工业用水以及消防用水等众多场合的供水要求，该系统具有以下特点[2]:(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，与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)用户管网中因为受管阻、水锤效应等因素的影响，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控制系统是一个线性系统。(3)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控制系统中，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，变频调速恒压供水控制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，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，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)通过改变变频器的频率控制水泵的转速，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。2.2变频恒压供水系统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[3]：(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。2.3变频恒压供水控制系统的组成及其工作原理2.3.1变频恒压供水控制系统的组成及原理图变频恒压供水控制系统主要由变频器、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2-2所示。从图中可看出，系统可分为执行机构、信号检测机构和控制机构三大部分，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[4]，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。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。变频恒压供水系统的结构框图如图2-3所示。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，实现变频恒压供水[5]。2.3.2变频恒压供水系统的工作原理合上空气开关，供水系统投入运行。将手动/自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通并起动变频器。根据压力设定值(由管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。增泵工作过程：假定增泵顺序为l、2、3泵。开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。减泵工作过程：假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降；当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机。如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果[6]。2.3.3变频恒压供水系统水泵切换控制在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵已运行在上限频率，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已运行在下限频率，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?尽管通用变频器的频率都可以在0～400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大或减小。当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。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。当变频器的输出频率已经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，正如前文所述，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组泵的数量来实现。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。但在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降低到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，水泵就已经抽不出水了，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15Hz左右。由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。所以选择50Hz和15Hz作为水泵机组切换的上下限频率[7]。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Ps>Pf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：加泵条件：且延时判别成立(2.1)减泵条件：且延时判别成立(2.2)式中：：上限频率：下限频率：设定压力：反馈压力2.4供水系统的安全性问题2.4.1(​http:​/​​/​m373.mail.qq.com​/​cgi-bin​/​groupattachment?att=02DAC7A400000071000101315634C8&func=inline"\l"_Toc200252762#_Toc200252762​)水锤效应及其消除方法异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间不到1秒。这意味着在这短短1秒不到的时间里，管道内水的流量从零迅速地增加到额定流量。由于水具有动量和不可压缩性，因此，流量在极短时间内的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为“水锤效应”。水锤效应具有极大的破坏性。若压强过高，将引起管道的破裂；反之，若压强过低，又将导致管道的瘪塌。此外，水锤效应还可能破坏阀门和固定件。当切断电源而停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。由此可见，产生水锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大。采用变频调速后，可通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为减小；在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小，从而消除水锤效应。2.4.2延长水泵寿命的其他因素水锤效应的消除无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。此外，可通过由于水泵平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使：（1）叶片承受的应力大为减小。（2）轴承的磨损也大为减小。所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。2.4.3对供水电机和供水电网的保护由于变频恒压供水基本上都采用了变频启动，启动频率低、启动电流小，因此，除了对供水机泵和供水管网有保护作用，对供水电机和电网也有良好的保护作用。供水系统电机直接启动与变频启动的对比表如表2-1所示。表2-1电机直接启动和变频调速启动的对比对比内容直接起动变频调速起动启动电流额定电流的5～7倍额定电流以下启动对电网的冲击巨大无启动对变压器的冲击巨大无启动对开关、接触器等电器的冲击巨大无启动对电缆的冲击巨大无启动对电机的冲击巨大无启动对联结轴的冲击巨大无启动对变速箱的冲击巨大无启动和运行的可靠性低高第3章系统的硬件设计3.1系统主要设备的选型及介绍根据基于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。从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个部分：(1)PLC及其扩展模块；(2)变频器；(3)水泵机组；(4)压力变送器；(5)液位变送器等。主要设备选型如表3-1所示[8]。表3-1本系统主要硬件设备清单主要设备型号可编程控制器（PLC）SiemensCPU226模拟量扩展模块SiemensEM235变频器SiemensMM440水泵机组SFL系列水泵3台压力变送器及显示仪表普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪液位变送器分体式液位变送器DS263.1.1PLC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，在选择PLC时，既要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及 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，还要带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面的因素。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，具有如下特点[2]：1）编程方法简单易学；2）功能强，性能价格比高；3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；4）可靠性高，抗干扰能力强；5）系统的设计、安装、调试工作量少；6）维修工作量小，维修方便；7）体积小，能耗低。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。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。PLC的硬件部分由中央处理器单元(CPU模块)、存储器模块、I/O模块、电源模块通信模块、编程器等组成，如图3-2所示。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，通过改变频率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控制通用变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及高动态性能型矢量控制通用变频器。供水系统属泵类负载，变频器的主要效益表现在节能，可选用价格相对便宜的普通功能型U/f控制通用变频器。通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等[9]。异步电动机用变频器调速运转时的结构图如图3-3所示。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（简称MM440）。它是西门子公司一种适合于三相电动机速度控制和转矩控制的变频器系列，由微处理器控制，采用具有现代技术水平的绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件。因此，它具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而可降低电动机运行的噪声。MM440变频器实现电动机三段速频率运转，三段速设置如下：第一段，输出频率为15Hz，电动机转速为840r/min；第二段，输出频率为35Hz，电动机转速为1960r/min；第三段，输出频率为50Hz时，电动机的转速为2800r/min。MM440变频器在恒定转矩(CT)控制方式下的输出功率为0.37～90kW，在可变转矩(VT)控制方式下的输出功率为0.75～250kW，有多种型号可供用户选用，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[8]。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合实际中小区生活用水情况，最终确定采用3台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3台电机功率为75KW的SFL系列水泵。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[10]。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。3.1.5液位变送器的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为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。本设计选择型号为DS26分体式液位变送器，其量程为0～200m，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；供电电源为24V（DC）；输出信号为两线制4～20mA（DC）；精度等级为0.25级。3.2系统主电路接线图基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3-4所示。三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器；KM2、KM4、KM6分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器；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、电动机M1、M2、M3的手动开关；FU1、FU2、FU3分别为三台水泵电机主电路的熔断器。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。三相电源经闸刀开关、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。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路，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]。3.3系统控制电路接线图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。如图3-5为恒压供水系统控制电路图。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。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的输出继电器触点。本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：(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：正常情况下供水系统工作在自动状态。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。3.4PLC的I/O端口分配及外围接线图根据变频恒压供水控制系统的特点，系统应满足如下基本设计要求[11]：(1)由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。白天，小区的用水量大，系统高恒压值运行；夜间，小区用水量小，系统低恒压值运行。(2)在用水量小的情况下，如果一台水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。倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。(3)考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。(4)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。(5)系统要有完善的报警功能。根据控制要求和设计要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表3-2所示。表3-2输入输出点代码及地址编号名称代码地址编号输入信号供水模式信号(1-白天，0-夜间)SA1I0.0水池水位上下限信号SLHLI0.1变频器报警信号SUI0.2试灯按钮SB7I0.3压力变送器输出模拟量电压值UpAIW0输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯KM1、HL1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM0、HL2Q0.12#泵工频运行接触器及指示灯KM3、HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM2、HL4Q0.33#泵工频运行接触器及指示灯KM5、HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM4、HL6Q0.5输出信号水池水位上下限报警指示灯HL7Q1.1变频器故障报警指示灯HL8Q1.2白天模式运行指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器频率复位控制KAQ1.5变频器输入电压信号UfAQW0结合系统控制电路图3-4和PLC的I/O端口分配表3-2，画出PLC及扩展模块外围接线图，如图3-6所示。本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字输入量和1个模拟输入量。压力变送器将测得的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关SA1用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入I0.0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入水位比较器，在水位比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，水位比较器输出高电平1，送入I0.1；变频器的故障输出端与PLC的I0.2相连，作为变频器故障报警信号；开关SB7与I0.3相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作[8]。除此之外，本变频恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。Q0.0～Q0.5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1输出水位超限报警信号；Q1.2输出变频器故障报警信号；Q1.3输出白天模式运行信号；Q1.4输出报警电铃信号；Q1.5输出变频器复位控制信号；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。图3-6只是简单的表明PLC及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。它忽略了直流电源的容量、电源方面的抗干扰措施、输出方面的保护措施以及系统的保护措施等因素。第4章系统的软件设计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[12]：(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功能器件地址功能VD100过程变量标准化值T35工频/变频转换逻辑控制VD104压力给定值T37工频泵增泵滤波时间控制VD108PID计算值T38工频泵减泵滤波时间控制VD112比例系数KcM0.0故障结束脉冲信号VD116采样时间TsM0.1水泵变频启动脉冲（增泵）VD120积分时间TiM0.2水泵变频启动脉冲（减泵）VD124微分时间TdM0.3倒泵变频启动脉冲VD204变频运行频率下限值M0.4复位当前变频泵运行脉冲VD208变频运行频率上限值M0.5当前泵工频运行启动脉冲VD250PID调节结果存储单元M0.6新泵变频启动脉冲VB300变频工作泵的泵号M2.0泵工频/变频转换逻辑控制VB301工频运行泵的总台数M2.1泵工频/变频转换逻辑控制VD310变频运行时间存储器M2.2泵工频/变频转换逻辑控制T33工频/变频转换逻辑控制M3.0故障信号汇总T34工频/变频转换逻辑控制M3.1水池水位越限逻辑4.2PLC程序设计由SIEMENS公司推出的S7-200系列PLC具有结构紧凑、扩展性良好、指令功能强大、价格低廉等特点，成为当代各种小型控制工程的理想控制器。S7-200系列PLC采用STEP7-Micro/WIN32编程软件。该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控，使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200系列PLC可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制