变频恒压供水系统

摘 要 随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，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，供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。本论文针对住宅小区的供水要求，设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等功能。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并具有多种辅助功能，增强了系统的可靠性。并和计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。基于水泵供水流量和水泵转速的三次方成正比，论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。通过对变频器内置P模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PD调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。通过对计算机和PLC之间通信协议的研究，完成了上、下位机的通信设置，给出了计算机监控程序编写方法，通过通信模块实现了对供水系统的远程监控和故障报警。关键词：恒压供水；PLC；变频调速AbstractAlong with the development of the socioeconomy of our count，the housing system is going deep into reforms，and peoples living standard is being improvedAt the same time，in the city，each kind of subdistrict constmction is developing very quickly，which puts forrward higher requirement for the infrastrucn construction of sub-districtAnd the construction of sub-district water supply system is an important aspect in whichThe reliability，stability and economy of water supply directly affects subdistrict Households nomal life and work,and also embodies the difference in the level of sub-district property managementThe traditional means of water supply such as the pump pressurization water supply at constant speed，water tower of upper cistem，the jaretc are hard to satisfy the needs of current economic life， because low efficiency，reliability and automation level are all commonly existing in these meansAccording to the requirement of water supply in a abiding place，a set of automatic system of constant pressure water supply by using variable frequency and remote monitofing and comrolling，wrhich is composed of PLC，transducer,pressure sensor,pumps and electromotors，computer and device of communication is designed to that endThis set of system has the functions like automatic constant pressure operation by using variable frequency，automatic work frequency operation，and the function of long-range conrol by hand and the on-thespot control by hand etcThe system has solved efficiently the problem existing in the traditional way of water supply,which has various supplementary functions to strengthen the reliabilityThe system has an organic combination with computer and promotes the systematic overall performanceBased on that the three side of the pump water delivery rate and the pump rotational speed become direct ratio，the paper analyses the mechanism of energy saving that the way of water supply by using the method of variable velocity variable frequency is superior to the traditional way of constant pressure water supply controlled by valve Setting up in advance the parameter of the PH modular built-in the transducer,a system of closed circuit using the feedback of hydraulic pressure of farbiograhy pressure table has formedAccording to the change of water consumption,with PID，in the sphere of whole rate of now combining the constant regulation of the pump offrequency conversion with the work frequency pump grade regulation，the system of closed circuit can realize the constant pressure water supply and save energy efficiently This paper discusses the reasonability of water supply scheme with much pump parallel connection，and analyses the conversion condition and the various states of water supply of the much pump way of water supply as well as the switch process and the problem of a generator from variable frequency operation mode to work frequency operation mode This paper has also given the electrical design scheme and PLC controlling program scheme that realizes effective state circulating conversion control By researching the communication agreement between the computer and PLC，this paper has finished setting up the communication between upper and lower computer,and also has described the method to compile computer monitoring program to realize the longrange monitoring and fault reporting for water supply system through communication modular Key words：Constant pressurewater-supply；PLC；Variable velocity variable frequency； Constant pressurewater-supplyKey words：Constant presrewater supply；PLC；Variable Velocity Variable fequency；Constant pressurewater-supply目 录摘 要1Abstract2第一章 绪 论61.1 课题背景及意义61.2 国内外变频调速技术的发展与现状71.3 可编程控制器(PLC)的特点及应用81.4 变频恒压供水系统特点及其安全性讨论131.5 本课题的主要研究内容14第2章 系统的理论分析及方案的确定152.1 变频恒压供水系统理论分析152.2.1 变频恒压供水系统节能原理152.1.2 变频恒压控制的理论模型172.1.3 变频恒压供水系统的近似数学模型1822 变频恒压供水系统控制方案的确定182.2.1 供水系统的控制流程及其控制流程图182.2.2 供水系统中水泵切换条件分析262.3 本章小结29第三章 变频恒压供水系统的硬件设计303.1 系统主要配置的选型303.1.1 水泵机组的选型303.1.2 变频器的选型313.1.3 PLC及其扩展模块的选型333.1.4 压力变送器及数显仪的选型343.1.5 继电器，软启动器的选型353.2 系统主电路分析及设计353.3 系统控制电路分析及设计373.4 可编程逻辑控制器(PLC)的I0端子分配383.5 变频器接线及功能的设定403.6 本章小结41第四章 变频恒压供水系统的软件设计424.1 系统水泵运行状态及转换过程分析424.2 PLC程序设计方法的分析444.3 系统控制程序设计474.4 变频器P l D控制功能参数的设置514.4.1 PID控制及其控制算法514.4.2 恒压供水PID调节过程分析534.4.3 变频器PID控制参数的设置534.5 可靠性分析554.6 本章小结55第五章 变频恒压供水远程监控系统的设计575.1 S7-200系列PLC的监控方法575.2 本系统计算机监控内容及原理图575.3 本章小结59第六章 结 论606.1 本课题研究结论606.2 课题存在问题与展望60参考文献61外文翻译62致 谢86附 录87第一章 绪 论1.1 课题背景及意义 众所周知，水是人类生活、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、水塔高位水箱供水、气压罐供水、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： l、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、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，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。 3、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。 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著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。 PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2 国内外变频调速技术的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P删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。此方法以三相波形的整体生成效果为基础，以逼近电机气息的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频VVVF(VableVoltage Variable Frequency)成为变频调速技术的核心。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。1980年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。此后，日本厂商竟相研究矢量控制技术，并在产品性能和价格两方面取得进展；理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深化，取得了解耦控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等方面的理论成果。自1992年开始，德国西门子公司相继开发了6SE70系列通用变频器，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到315kw以上。1985年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论(DSC)。这种方法不需要复杂的坐标变换而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪，实现脉宽调制和系统的高动态性能H3。最初，这种控制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用；目前被应用于通用变频器的控制方法的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。1995年，ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。国外在交流变频调速技术的发展方面特点为：市场需求量大；功率器件发展迅速；控制理论和微电子技术的支持。变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决定的。在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手。 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。我国电气传动产业始于1954年。当时，在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。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。国内交流变频调速技术产业状况表现如下： 1)变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研究变频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生产规模。 2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。 3)相关配套产业及行业落后。 4)产品可靠性及工艺水平低。1.3 可编程控制器(PLC)的特点及应用可编程序控制器(program logical controller)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了“三机一体化一的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求：再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱阻1。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。早期的可编程序控制器(Pfogrammable Logic Controller，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程IO模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。在发达工业国家，PLC己经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息力的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元，随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点： 1)可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。 2)具有丰富的IO接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的IO模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。 3)采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、IO等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4)编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 5)安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等可编程控制器PC或PLC是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。PLC机硬件主要由中央处理单元(CPU)、存贮器、输入输出单元以及编程器、电源和智能输入输出单元等构成。PLC可分为以下几个部分： 1）中央处理单元(CPU)：同一般微处理机一样，中央处理单元是可编程控制的核心部件，它通过输入装置将外设的状态读入并按照用户程序去处理，根据处理结果通过输出装置去控制外设。常用的cPU有通用微处理器，如MOTOROLA 6800，单片机有803l，8051和双极型位式微处理器，如AMD2903。目前，小型PLC为单CPU系统，而中型及大型PLC则为双CPU甚至多CPU系统。对于双CPU来说，一般具有一个位处理器和一个字处理器。字处理器是CPU这个核心的核心，常由通用的8位、16位或32位微处理器担任，位处理器也称布尔处理机，如美国TI公司的TI一530等，它不仅使PLC增加了功能，提高了速度，也加强了PLC的保密性能。 中央处理器的功能是：CPU按系统程序所赋予的功能，、接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据；CPU按扫描方式工作，从存贮器中逐条读取指令，并存入CPU内的指令寄存器中；指令寄存器的指令操作码进行译码，执行指令规定的任务，产生相应的控制信号，启闭有关控制门电路，并根据运算结果更新有关标志和输出映像寄存器的内容，以实现输出控制、制表、打印或数据通讯；行系统诊断程序，诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。2)存贮器：可编程控制器中存贮器主要用于存放系统程序、用户程序和数据。常用的存贮器形式有CMOS ROM、EPROM和EEPROM。系统存贮器用以存贮制造厂家编写的系统程序。所谓系统程序是指控制和完成Pc机各种功能的程序，如控制器的监控程序、基本指令和功能指令翻译程序、系统诊断程序、通信管理程序等。机器出厂时，厂家把这些程序存入EPROM存贮器或EEPROM存贮器。用户不能访问和修改存贮器这部分的内容。用户存贮器主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序是指使用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。此程序由使用者通过编程器输入到PLC机的CMOS RAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放在EEPROM中。为确保PLC机控制系统的可靠性，CMOS RAM存贮器有预防电源掉电故障的铿电池保护措施，以防电源掉电后破坏它的存贮内容。数据存贮器用来存放PLC的数据。包括输入、输出、辅助继电器状态的映像等状态的映像寄存器。由于数据在控制器应用中是经常变化、经常存取的，因此数据存贮器一般选用CMOS RAM，以满足随机存取的要求。 3)输入输出模块：输入输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量(压力、流量、温度、电压、电流)等，都要通过输入模块送到PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接受的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入输出模块，其类型有数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块。这些模块又分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级主要有数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块，部件上都设有输入接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有光电祸合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗干扰能力。数字量输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入输出模块主要用来实现模拟量一数字量之间的转换，即AD或DA转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块AD转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输入锁存缓冲器与PLC的IO总线挂接。模拟量输出模块DA转换前的二进制数字量，经光电祸合器和输出锁存器与PLC的IO总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是o5伏和o10伏两种，模拟电流主要是0.2mA和420mA两种。另外还有O50mV，O1V、5-+5V、一10-lOV，0-10mA等。模拟量输入模块接收到标准量程的模拟电压或电流后，把它转换成8位、10位或12位的二制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。4)扩展模块：当一个PLC中心单元的IO点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，各可编程控制器制造厂家已经开发出一系列的智能接口模块，使可编程控制器的功能更加强大和完善。智能IO接口模块种类很多，例如高速技术模块、PLCA控制模块、数字位置译码模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存贮模块以及智能IO模块等。5)编程器：它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。目前编程器主要有以下三种类型：便携式编程器(也叫简易编程器)；图形编程器；用于IBMPC及其兼容机的编程器。便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。图形编程器以液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT)作屏幕，用来显示编程内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。使用图形编程器可以月多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的监控功能。但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。用于IBMPC及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。编程器工作方式主要有编程和监控两种，编程工作方式是在PLC机处于停机状态时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予以编辑和修改。监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。键盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中一种方式工作。 现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚固，外形小巧，CPU本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。不同厂家、不同型号的PLC的输入输出点数也不同，有的大型机输入输出点数可达16K，而很多小型机仅有10来点，而且CPU本身不带模拟输入与输出，但CPU一般都带有扩展接口。因此，用户选型后，所需的输入或输出点数不够时，就需对系统做出必要的扩展，各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。扩展模板的外形一般也小巧、坚固，有易于接线的端子排，带有扩展总线或通过总线连接器与CPU相连。主要有数字输入输出模板，模拟输入输出模板，热电阻、热电偶扩展模板，还有智能模板等许多具有专用功能的特殊模板。用扩展模板来扩展系统具有以下的优点：用户可根据自己时间控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对PLC作硬件组态，以求达到各种功能或控制精度，同时节省开支，减少不必要的投资。当己运行的系统需要改造或扩充时，PLC可以随时进行升级或改版，所作的工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。特殊模板及智能模板的开发将进一步扩展可编程控制的功能，专用模板的开发不仅扩大了可编程控制系统的控制功能，而且将进一步提高控制质量与可靠性。PLC的软件可分为系统软件和用户程序两大部分： 1)系统软件：也称之为常驻的操作系统软件。它又包括基本控制单元软件和编程软件两部分。另外，一些特殊功能模块也带有自己的操作系统软件。通常，一个PLC机架只能容纳一定数量的模块插件，这种包含主机模块和部分IO模块的机架称为基本控制单元。基本控制单元软件固化在主机模块的EPROM中，其主要功能为：进行PLC自身的管理和监督(如开机自检，运行中监督CPU、电池电压是否正常)；循环解释运行用户程序；集中进行输入信号的扫描和输出控制的更新编程器软件用来支持用户程序的输入，也可以用来监控用户程序的执行过程。当用户程序己装入PLC的存储器，编程器就可以被分离，基本控制单元将自动进入执行用户程序状态。考虑到PLC内部结构的复杂性，系统软件应有专业技术人员进行设计，一般用户不允许直接设计系统的内部操作。 2)用户程序：这是用户应用PLC进行控制所需要编制的程序。目前，在PLC中普遍使用梯形图编程方法。这种编程方法是在传统继电器梯形图基础上进行一定演变而形成的，突出了各编程原件之间的逻辑关系。与硬接线的梯形图不同，PLC梯形图逻辑是由软件实现的，因此既形象直观便于编写，又易于扩展和修改功能。1.4 变频恒压供水系统特点及其安全性讨论 变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合，在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点： 1)滞后性：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)非线形：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。 3)多变性：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)时变性：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变的。 5)容错性：当出现意外的情况(如突然断电、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，管网压力等工况自动进行投切，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)可扩充性：水泵的电气控制柜，具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。 7)节能性：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0到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击的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。影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样的现象。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。而采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处： 1)产生水锤效应的根本原因是：水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现消除水锤效应，减少了对水泵及管道系统所受的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。 2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长。 3)变频调速的软启动器避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。 4)减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。1.5 本课题的主要研究内容本文主要通过对现有供水系统的调研和分析，依据用户对供水系统的要求，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLc作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，并引入计算机对供水系统进行远程监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。具体而言，论文包括以下内容： 1)论文在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法； 2)分析了变频恒压供水系统节能的原理，给出了恒压供水的理论模型及近似的数学模型；确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程及工作原理；最后分析了在变频恒压供水中，水泵切换的条件。 3)论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用户的需求入手确定合适的设备选型；详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行的各种工况及其转换过程，讨论PLc的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案；在介绍PID调节原理的基础上，分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程，给出PID参数设置方法；最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。 4)通过计算机和PLc的通信，实现供水系统运行状态的实时远程监控是本论文的一个特色之处。论文介绍了计算机和PLc通信系统的组成和通信协议，给出了通信程序，并提出供水系统监控软件设计方法。第2章 系统的理论分析及方案的确定2.1 变频恒压供水系统理论分析2.2.1 变频恒压供水系统节能原理供水系统的基本特性和工作点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f(Q)如图21所示。由图21可以看出，流量Q越大，扬程H越小。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Q（U）间的关系。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H=f（Qu）。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。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。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21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。HA扬程特性管阻特性AQAQH 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。异步电机的转差率定义为： S=n1-nn1 （2-1）异步电机的同步速度为： f=60fp （2-2）异步电机的转速为： f=60fp（1-s） （2-3） 其中：n1为异步电机的理想空载转速；n为异步电机转子转速；f为异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。从上式可知，当极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机中一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。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，