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键入文字青岛市维修电工技师论文题目：基于欧姆龙PLC的变频器恒压供水 姓 名： 单 位： 指导老师： 日期：摘 要随着经济的飞速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺。本论文结合我国水资源与电能资源短缺和中小城市供水厂的现状，设计了一套基于PLC的变频恒压供水控制系统。变频恒压供水控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器等构成。本系统采用了PLC的控制方式，完成了系统数据采集和通信、水泵机组的变频控制、系统监控管理等功能模块的设计，实现了变频恒压供水自动控制。系统采用一台变频器控制四台电动机的控制方式，四台电动机采用循环运行的方式。本文基于德国SIMENS公司的S7-200 PLC完成了恒压供水控制系统PID控制器的设计。PID控制器根据压力给定值与测量值的偏差，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。现场调试和运行结果表明，该系统能够对供水过程实现自动控制，控制效果良好，并能够有效地降低能耗，达到了节水节电的目的，同时能够保证供水系统维持在最佳状况，提高了生产管理水平，实现了节能能耗的目标。关键词：恒压供水系统，可编程序控制器，变频调速，PID目 录第一章 绪 论21.1选题的背景及意义21.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状21.3 变频恒压供水系统原理概述21.4 本文研究的内容2第二章 变频恒压供水系统理论分析和方案论证22.1 变频恒压供水系统理论分析22.1.1 变频恒压供水系统节能原理22.1.2 变频恒压控制系统的数学模型及分析22.2 变频恒压供水系统控制流程22.2.1 水泵机组变频恒压流程22.2.2 供水系统中水泵切换条件分析22.3 变频恒压供水系统控制系统组成2第三章 硬件系统设计23.1 主机的选择及模块扩展23.1.1 主机的选择23.1.2 模块扩展的选型23.2 变频器的原理与选择23.2.1 变频器工作原理23.2.2 变频器的选择23.3 变送器及执行机构的选择23.4 主电路设计23.5 系统保护电路设计2第四章 软件系统设计24.1 模块程序设计24.2 PID控制及其控制算法24.3 恒压供水PID调节过程分析24.4 采样周期和控制周期的选择2第五章 全文总结2致 谢2参考文献2附录一 程序清单2附录二 变频恒压供水系统总电路图2键入文字第1章 第一章 绪 论1.1选题的背景及意义变频恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，得到了广泛应用，变频恒压供水系统可根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统，在短短的几年内，变频恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替，投资更为节省，运行效率提高，成为主导产品。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。恒压供水系统实现了水泵电机无级调速，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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。1.2 变频恒压供水系统的国内外研究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、起制动控制、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。国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。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。结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。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 变频恒压供水系统原理概述变频恒压供水系统原理如图1-1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。图1-1 恒压供水系统原理图同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。1.4 本文研究的内容 本文设计了一个以西门子S7-200系列的可编程控制器(PLC)为控制核心，MM 430变频器为执行元件，采用PID 调节仪控制水泵电机转速，即可调节出口管网压力，使之达到用户期望的恒定压力的系统。本文共分五章，各章节具体安排如下：第一章绪论，主要了概括变频恒压供水系统的国内外研究现状，以及变频恒压供水系统原理概述。最后针对本系统的主要指标，提出本文的具体内容。第二章主要是对恒压供水系统的方案论证，选择系统的控制方案；对控制系统进行组成分析，并确定控制系统组成。第三章硬件系统设计，包括主电路设计、控制系统设计、主机型号选择和模块扩展、变频器选择、变送器及执行机构的选择和保护电路设计。第四章软件系统设计，包括模块程序设计、PID控制及其控制算法、采样周期和控制周期的选择。第五章进行全文总结，并提出系统的改进和完善措施。第2章 第二章 变频恒压供水系统理论分析和方案论证2.1 变频恒压供水系统理论分析2.1.1 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与流量之间的关系曲线，如下图所示。由图可以看出，流量越大，扬程越小。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与用水流量间的关系。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，扬程与流量之间的关系。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，扬程越大，流量也越大。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之间的关系。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，如下图中A点。在这一点，用户的用水流量的和供水系统的供水流量处于平衡状态，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。图2-1 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 （2-1）异步电机的同步速度为 （2-2）异步电机的转速为 （2-3）其中：为异步电机的理想空载转速为异步电机转子转速异步电机的电机的定子电源频率为异步电机的极对数从上式可知，当极对数不变时，电机转子转速与定子电源频率成正比，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。图2-2 管网水泵的运行特性曲线当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在点，流量为，扬程为，当供水量从减小到时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从移到，扬程特性曲线不变。而扬程则从上升到，运行工况点从点移到点，此时水泵输出功率用图形表示为（，）围成矩形部分，其值为： （2-4）当用调速控制时，若采用恒压()，变速泵()供水，管阻特性曲线为，扬程特性变为，工作点从点移到点。此时水泵输出功率用图形表示为（，）围成的矩形面积，其值为： （2-5）可见，改用调速控制，节能量为（，）围成的矩形面积，其值为： （2-6）所以，当用阀门控制流量时，有功率被浪费掉，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，于是增大，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后的流量、扬程、功率与转速之间关系为： （2-7）式中、为变速前的流量、扬程、功率，、为变速后的的流量、扬程、功率。由公式(2-7)可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，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，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。2.1.2 变频恒压控制系统的数学模型及分析变频恒压控制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。从图2-3中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力转速给定参数变频器（PID）水泵管网频率压力传感器反馈参数实际压力图2-3变频恒压控制原理图提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。如前文所述，由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象，难以得出它的精确数学模型，只能进行近似等效。水泵由初始状态向管网进行恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行，至管网压力达到稳定要求时经历两个过程：首先是水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个纯滞后的过程；其次是水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程；然而系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测兼的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比，可忽略不计，均可等效为比例环节。因此，恒压供水系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一阶惯性环节，即可以写成： （2-8）式中：为系统的总增益，为系统的惯性时间常数，为系统滞后时间2.2 变频恒压供水系统控制流程2.2.1 水泵机组变频恒压流程从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、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。系统主要的设计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。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可供选择：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机来改变存储器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC得抗干扰能力强、可靠性高、因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于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。通过对以上几种方案的比较和分析，可以看出“变频器主电路+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器”的控制方式更适合于本系统。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。确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点的用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性及其它技术要求。根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量：间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零；各种类型的水流量变化关系曲线如图2-4所示。a）连续型（全流量变化形） b）连续型（高流量变化量）c）连续型（低流量变化性） d）间歇性图2-4 用户用水量变化类型本文的供水系统主要用于小区生活用水，其水量主要集中早、晚两个时间段，平时处于低流量状态，属连续型低流量变化型。这类型用水需求在较长时间段表现为低流量，相对于设计流量有较大的余量，采用变频调速方式来实现低流量时的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达30。水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，平稳、噪声小。 由于用水呈低流量变化型的特点，采用多台水泵并联供水，根据用水量犬小调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量：其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。供水系统的恒压通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，开启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。综上所述，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：1)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，其中由变频泵和附属小泵构成，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；附属小泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下(例如：夜间)对管网用水量进行少量的补充。在变频调速恒压供水系统中，这样构成水泵组有下几个原因：用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵，使水泵选型容易，同时这种结构更适合于大功率的供水系统；供水系统的增容和减容容易，无需更换水泵，只要再增加恒速泵即可；以小功率的变频器代替大功率的变频调速器，以降低系统成本，增加系统运行可靠性；附属小泵的加入，使系统在用水量很低时(如：夜间)可以停止所有的主泵，用小泵进行补水，降低系统的运行噪音：在用水量不太大时，系统中不是所有的水泵在运行，这样可以提高水泵的运行寿命，同时降低系统的功耗，达到节能的目的。2)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号。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，需进行转换。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)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。现将系统控制流程说明如下：根据控制要求，水泵机组由四台水泵组成。第一台水泵变频启动运行，当水压不足时，将第一台水泵切入工频运行，再投入第二台变频泵。依次类推，直到第四台水泵启动。停泵时先停工频泵，再停变频泵，即顺开顺停。本系统水泵机组变频恒压控制流程如图2-3所示。图2-5 水泵机组变频恒压控制流程图2.2.2 供水系统中水泵切换条件分析在上述的系统工作流程中，我们提到当一台调速水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，达到恒压的目的；当调速水泵和工频运行水泵都在运行且调速水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，此时需要减少工频运行水泵来减少供水流量，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，不可能无限地增大和减小。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，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降传到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。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。 从上面的分析可以看出，当变频器的输出频率已经到达上限频率，而实际的供水压力仍然低于设定压力时，存在的实际供水压力差己经不能够使输出频率增大，实际供水压力也不会提高。当变频器的输出频率已经下降到下限频率，实际的供水压力却仍高于设定的供水压力时，存在的压力差不会使输出频率继续降低，实际的供水压力也不会降低。所以，选择这两个时刻作为水泵机组切换的时机是合理的，但要做以下考虑。判别条件可简写如下： （2-9） （2-10）式中： 上限频率 下限频率设定压力 反馈压力对于第一个判别条件，可能出现这种情况：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。在这种情况下，如果按照上面的判别条件，只要条件满足就进行机组切换，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。并且使新投入运行的机组几乎在变频器输出频率的下限运行，对供水作用很小。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。假设这一段时间内用户的用水情况保持不变（其实在一个稳定的供水时段可以看做这种情况），那么按照要求停掉了一个工频状态下运行的机组之后，机组的整体运行情况与增加运行机组之前完全相同。可以预见，如果用水情况不变，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。同时，在切换过程和变频器从启动到稳定的过程中，系统的供水情况是不稳定的，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。对于第二个判别条件，通过相同的讨论方法也能够得到类似的结论。所以，在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。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。在恒压供水中，机组的切换为机组增加与机组减少两种情况，这两种情况由于变频器输出频率与供水压力的不同逻辑关系相对应。考虑到只有当变频器的输出频率在上下限频率时才可能发生切换，并且上限频率时不可能减泵，下限频率时不可能增泵，所以，可以采用回滞环思想进行判别如图2-5表示。图2-5 用于压力判断的回滞环如果变频器的输出为上限频率，只有当实际的供水压力比设定压力小的时候才允许进行机组增加；如果变频器的输出为下限频率，则只有当实际的供水压力比设定压力大的时候才允许进行机组的增加。回滞环的应用提供了这样一个保障，即如果切换的判别条件满足，那就说明此时实际供水压力在当前机组的运行状况下满足不了设定的要求。但这个判别条件的满足也不能够完垒证明当前确实需要进行机组切换，因为有两种情况可能使判别条件的成立有问题：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，造成判断上的失误，引起机组切换的误操作。这两种情况有一个共同的特点，即它们维持的时间短，只能够使机组切换的判别条件在一个瞬间满足。根据这个特点，在判别条件中加入延时的判断就显得尤为必要了。 所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间，比如一、两分钟，如果在这段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作；如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。经过以上的分析，将实际的机组切换的条件优化为： （2-11） （2-12）2.3 变频恒压供水系统控制系统组成变频恒压供水系统采用PLC作为控制器，是频率调节器，交流接触器和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。三相交流电与变频器的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接异步电动机，异步电动机带动水泵转动。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给PLC模拟输入口。系统的结构如图2-6所示。压力传感器 三相交流入口 变频器 滤波放大反馈压力信号电压信号控制电压数字输出出口PLC 模拟输入口模拟输入口三项交流电源控制信号三相交流电交流接触器供水管网交流接触器1#电机和1#泵2#电机和2#泵3#电机和3#泵4#电机和4#泵三相交流电变频后的三相交流电模拟电压调节口图2-6 变频恒压供水系统的总体框图第三章 硬件系统设计3.1 主机的选择及模块扩展3.1.1 主机的选择选择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，以德国西门子PLC为例，该PLC有S7-200；S7-300；S7-400以及新型的S7-1200系列，在S7-200 CPU22X系列中又有CPU221模块、CPU222模块、CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块。根据控制任务，从PLC输入/输出点数、存储器容量、输入/输出接口模块类型等方面来选PLC型号。首先我们来分析下I/O分配，如下表：代 码名 称地 址输入信号FR11#泵故障I0.0FR22#泵故障I0.1FR23#泵故障I0.2FR44#泵故障I0.3补偿/循环I0.4K11干扰1I0.5K12干扰2I0.6输出信号KM1,HL11#泵工频运行接触器及指示灯Q0.0KM2,HL21#泵变频运行接触器及指示灯Q0.1KM3,HL32#泵工频运行接触器及指示灯Q0.2KM4,HL42#泵变频运行接触器及指示灯Q0.3KM5,HL53#泵工频运行接触器及指示灯Q0.4KM6,HL63#泵变频运行接触器及指示灯Q0.5KM7,HL74#泵工频运行接触器及指示灯Q0.6KM8,HL84#泵变频运行接触器及指示灯Q0.7KA8变频器运行Q1.0KA9故障指示报警灯及报警Q1.1KA10电池阀1Q1.2KA11电池阀2Q1.3表3-1 I/O信号的代码、名称及地址分配表从上表分析可以知道，系统共有开关量输入点6个，开关量输出点14个；模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。如果选用CPU 224 PLC，需要扩展单元；选用CPU 226 PLC，I/O口有剩余，符合PLC设计标准。在供水系统中，根据PLC点数要有剩余以方便日后维护，我们选择S7-200 226型PLC。S7-200 226型PLC的主要参数为：描述CPU226用户程序区大小4096字拥护数据区大小2560字输入映像寄存器I0.0I15.7输出映像寄存器Q0.0Q15.7模拟量输入（只读）CPU226模拟量输出（只写）4096字变量积存器（V）2560字局部寄存器（L）LB0.0LB63.7位寄存器（M）M0.0M31.7特殊寄存器（SM）特殊寄存器（只读）SM0.0SM299.7SM0.0SM29.7定时器保持型通电延时，1ms 保持型通电延时，10ms 保持型通电延时，100ms On/Off延时，1msOn/Off延时，10msOn/Off延时，100ms256（T0T255）T0,T64T1T4,T68T68T5T31,T65T95T32,T96T33T36,T97T100T37T63,T101T255计数器C0C255高速计数器HC0HC5顺序控制继电器S0.0S31.7累加寄存器AC0AC3跳转/标号0255调用/子程序063中断子程序0127PID回路07串行通信口端口0表3-2 S7-200 226型PLC的主要参数S7-200 226是S7-200中比较先进的PLC。由于S7-200系列具备如下特点；最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可在实际自动化工程应用中提供最大的灵活性和控制能力。3.1.2 模块扩展的选型 EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。下面是EM235模拟量扩展模块接线图。图3-1 模拟量扩展模块接线图上图演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RX和X短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将X和X短接。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。EM235的常用技术参数如下表：表3-3 EM235的常用参数模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV 电压（双极性）10V 5V 2.5V 1V 500mV 250mV 100mV 50mV 25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000模拟量输出特性分辨率12位A/D转换器模拟量输出点数1信号范围电压输出 10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位3.2 变频器的原理与选择3.2.1 变频器工作原理管网中压力变送器输出的电流信号范围为420mA（4mA和20mA分别为压力变送器测量下限、测量上限所对应的电流输出量），对应水压力测量范围为0MPa。管网允许的最低水压力为（管网水压力最小设定值），对应压力变送器输出电流信号为；管网允许的最高水压力为（管网水压力最大设定值），对应压力变送器输出电流信号为，如图3-2所示。由图中可得： （3-1）式中，为某一时刻的管网水压力，单位为。正在变频状态下运行的水泵要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz运行，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。变频器的输出频率不能是负值，最低只能是0Hz。在试验应用中，变频器的输出频率不可能降低到0Hz。因为当水泵机组运行，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下位水箱中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到某一个值时，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，其值远大于0Hz，具体数量与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz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。变频器的控制电流与其输出频率的关系曲线为一线性曲线，则可由电机频率和水压力之间的关系得到变频器控制电流与水压力之间的关系曲线，如图3-3所示。图3-2 压力变送器输入输出关系 图3-3 变频器控制电流与水压关系当水压力小于时，变频器得到最大控制电流信号20mA（即变频器按最高输出频率输出所需的电流信号）；当水压力大于时，变频器得到最小控制电流信号4mA（即变频器按最低输出频率输出所需的电流信号）；当介于与之间时，对应变频器的控制电流信号为： （3-2）将代入上式，得： （3-3）3.2.2 变频器的选择 要对系统所用的变频器进行选型，首先得确定变频器的容量，方法是依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量(KVA)应同时满足下列三式： （3-4） （3-5） （3-6）式中： -负载所要求的电动机的输出功率；-电动机的效率(通常在0.85以上)；-电动机的功率因数(通常在0.8以上)； -电动机电压(V)； -电动机工频电源时的电流(A)； -电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.0-1.05； -变频器的额定容量(KVA)； -变频器的额定电流(A)；这三个公式是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型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，低速运行时的转短小，可选用价格相对便宜的控制变频器。综合以上因素，变频器选用SIEMENS的MicroMaster 430系列风机/泵类专用变频器，它们具有RS-485通讯接口，性价比较高。PLC通过自由通讯方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来，这比通过外部端口控制变频器的运行具有较高的可靠性，节省了PLC宝贵的I/O端口，又获得了大量变频器的信息。MicroMaster 430变频器参数如下：电源电压和额定功率380480V10%，3AC，7.5至250kW（10至300 HP）运行温度-10至+40工艺参数的控制具有内置的PID控制器控制方式FFC（磁通电流控制），多点特性，线性Vf控制输入6个数字输入，2个模拟输入，1个PTCKTY输入输出2个模拟输出，3个继电器接点输出与自动化系统的链接本变频器是组成自动化系统的理想驱动装置，可以与SIMATIC S7 200链接，或集成到SIMATIC和SIMOTION的TIA系统中。表3-4 MicroMaster 430变频器参数3.3 变送器及执行机构的选择供水压力、流量、温度分别由压力变送器（EHT-13-2，测量范围为00.6MPa，误差为0.05%，输出信号为420mA电流信号）、流量变送器（LW-25，测量范围为110，工作压力为1.6MPa，输出信号为420mA电流信号）、温度变送器来检测（JWSL-3AT，工作温度为1060，输出信号为420mA电流信号）来检测和信号变送，它们均为两线制变送器，压力变送器EHT-13-2与PLC的连线如图3-4所示。另外系统还配有模拟管网水压扰动的两个电磁阀（ZCT-20）和一个流量调节阀（ZDLP-16P）。图3-4 变送器接线图3.4 主电路设计供水主电电路设计如图3-5，采用了以一台变频器连接四台TSL40-200单级单吸立式离心泵。由于变频恒压供水改造不需要对电机进行改进，故电路设计中尽可能保持现有的电气设备，以确保系统的可靠性。要注意的是，因为是一拖四方式，所以必须确保电气互锁。互锁功能由开关柜自身实现，在变频器出现问题时，要求可以手工实现工频变频转换。开关柜KM上设过流保护，开关柜盘面上设电流表、有功电能表、开、停指按钮等，能方便操作人员进行常用变频器参数设定。水泵机组由四台TSL40-200单级单吸立式离心泵组成，技术参数为：流量2.5，扬程32m，电机转速2830r/min，功率0.75Kw，效率25%。这种水泵运行平稳，噪音低，维修方便。图3-5 主电路原理图3.5 系统保护电路设计任何一个系统都有保护功能，才能使系统长期运行安全可靠本，设计的恒压供水系统也不例外。因此本系统要具有短路、过载、欠压、掉电保护、缺相、硬件自锁、互锁、故障声光报警指示等保护功能。在设计整个系统是采用低压断路器（QF）器件，当系统发生严重过电流、过载、短路、断相、漏电等故障时，能自动切断线路，起到对整个系统保护功能；热继电器（FR）器件，它具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，所以对电动机起到过载保