毕业论文 恒压供水（三泵）.doc

摘要 随着社会经济的迅速发展，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，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。 本设计首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理。接着分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。然后用PID对系统中的恒压控制器进行设计，最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍，该变频恒压供水系统可运用于许多实际的供水控制系统中，并能够取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。关键词：变频调速；恒压供水；PLC 目录第一章 绪论11.1变频恒压供水产生的背景和意义11.2变频恒压供水系统的国内研究现状21.3变频调速恒压供水的特点及应用范围31.4课题来源及本文的课题要求41.4.1课题来源41.4.2研究课题设计的要求4第二章 变频调速恒压供水系统简介52.1供水系统的基本特性52.2变频调速原理5第三章 变频调速恒压供水系统的整体设计方案73.1变频恒压供水控制系统的构成73.2系统实现的功能93.3系统工作原理10第四章 变频调速恒压供水系统的硬件设计124.1系统硬件组成124.2 可编程控制器(PLC)选型124.3 变频器选型134.4水泵及其电动机的选型154.5远传压力表选型164.7 水位传感器的选型164.8软启动器、自耦变压器174.9 PLC用隔离变压器、低压电器、控制柜174.10 系统电路设计184.10.1 系统主电路184.10.3 PLC I/O分配18第五章 系统的软件设计205.1 PID控制原理205.2 系统运行主程序215.3故障检测子程序215.4数字PID子程序225.5泵切换程序23第六章 实验室现场调试与小结256.1硬件功能性调试256.2 系统总体调试256.3 小结26参考文献27附录28福建电力职业技术学院毕业论文第一章 绪论水是生命之源，人类生存离不开水。我国是一个水资源和电能相对短缺的国家，现代化进程的加快，城市的高层建筑越来越多，在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故），采用各种自动化手段来节约用水、节约用电已经成为我们国家发展的当务之急。随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡。但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。本设计采用简单实用的PLC和变频调速技术，集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体去改造传统的城市高楼供水系统。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，方便地实现供水系统的集中管理，同时系统具有良好的节能性，这在能量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。1.1变频恒压供水产生的背景和意义我国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，工业自动化程度低。主要表现生产生活中的用水量常随时间而变化，季节、昼夜相差很大。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、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，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题(如图1.1)。因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水企业关心的焦点问题之一。所以研究设计基于PLC变频调速的恒定水压供水系统(简称变频调速恒压供水，如图1.1)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。 图1.1 传统供水机泵示意图 图1.2 变频调速供水机泵示1.2变频恒压供水系统的国内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。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、抗干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(现已更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出子恒压供水专用变频器(5.5k w-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变频调速恒压供水的特点及应用范围1、 高效节能，可以实现节电20%40%，能实现绿色用电；2、 占地面积小，投入少，效率高；3、 配置灵活，自动程度高，功能齐全，灵活可靠；4、 运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上平均扭矩和磨损减少，减少了维修量和维修费用，水泵的使用寿命大大提高；5、 由于能对水泵实现软启动，并可消除水锤效应；6、 操作简便，省时省力；7、 由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。1.4课题来源及本文的课题要求1.4.1课题来源本课题来源于城市高楼生活供水的实际应用。1.4.2研究课题设计的要求通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国己成为供水行业发展的主流趋势。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、各种传感器等组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速。设计要求：1.设计一个采用全自动变频恒压控制方式来实现恒压供水的自控系统。2.本系统主要以控制仪表来控制，按照控制要求选择器件，设计其硬件主控电路。3.根据要求选择相应的传感器、驱动电机、阀门等； 4.按照设计要求设计相应算法，编制相应的控制程序。5.基于PLC的变频调速恒压供水控制系统的设计，该系统由一台变频器轮流拖动3台水泵电机变频运行。远传压力表采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力信号调整水泵电动机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。重点介绍变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计。6.通过内置PID功能三菱FR-A540变频器基本原理的介绍，采用PID算法控制水泵电机转速，实现变频调速恒压供水。第二章 变频调速恒压供水系统简介2.1供水系统的基本特性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2.1所示。由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H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H与用水流量Qu间的关系7。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水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Qg之间的关系H=f(Qg)。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Qg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 供水系统的基本特性曲线2.2变频调速原理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。通常由鼠笼式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。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=1-(n/n1) 异步电机的同步速度为:n1=60f/p 异步电机的转速为:n= 60f(1-S)/p 其中:n1为异步电机的同步转速；n为异步电机转子转速；f是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，当电机电极对数p不变时，电机转子转速、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，因而变频调速只有高效率、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。变频调速可用普通的异步电机，异步电机结构简单、维护方便、坚固耐用、经济可靠，适应各种恶劣的环境。特别是近年来出现的高性能、高精度的变频器，变频调速完全可以达到直流调速一样的性能。从设备投资来看，变频调速系统与同容量的直流调速系统可节省投入的20%左右。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用十对水泵(风机)电机的调速。第三章 变频调速恒压供水系统的整体设计方案3.1变频恒压供水控制系统的构成由于本设计的供水系统要适用生活水的供水，在此变频调速恒压供水系统中，主要由PLC、变频调速器、软启动器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环控制系统。此外还包括空气开关、断路器、接触器和中间继电器等系统保护电器，实现对变频器、电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。PLC和变频器作为系统控制的核心，根据给水母管压力与压力设定值的偏差变化情况，自动控制给水泵的投入台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压供水。其中控制参量的PID算法可消除控制参量的静态误差、突变、滞后等现象，缩短系统稳定的时间。我们以三台水泵组成的供水系统为例，其原理框图如图3.1所示。图3.1 变频调速恒压供水系统原理图从3.1系统原理图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、通讯接口以及报警装置等部分组成。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，当水泵采用循环的控制方式时，P1，P2，P3既可以做调速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式时，P1, P2，P3中只有一台可以调速泵，其余两台为恒速泵。2、信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号:（1）水压信号:它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。（2）液位信号:它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，以防止水泵因空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处的液位传感器。（3）报警信号:它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、控制系统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。（1）供水控制器:它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、报警信号进行采集，对来自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。（2）变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器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:a、变频循环式 :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。b、变频固定式 :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。（3）电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中等工作。4、通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换;同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。5、报警装置作为一个控制系统，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。3.2系统实现的功能系统将实现如下功能:1、全自动运行合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从OHz上升，同时PID调节程序将接收到自远传压力表的信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升，直到50Hz, 1#水泵由变频切换为工频，同时对2#水泵进行变频启动，变频器频率逐渐上升至需要值，加泵依次类推；如用水量减小(压力过大)，变频器下限频率持续出现，则将先启动的水泵先切除。若有电源瞬时停电的情况，则系统停机:待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。变频自动控制功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台水泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。2、手动运行当远传压力表故障或变频器故障时，为确保用水，三台泵可分别以手动控制方式工频运行。3、停止转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。4、采用“自动切换”和“先启先停”原则“自动切换”是指当一台单独运行水泵或者有两台同时运行的水泵，运行在这种状态下持续时间达到设定时间时自动换泵运行。“先启先停”是指哪一台先启动的水泵在压力过大时也先被切除，这样保证系统的每台泵运行时间接近，防止有的泵运行时间过长，而有的水泵却长时间不用而锈死，从而延长了设备的使用寿命。5、平稳切换，恒压控制生活供水时，系统低恒压值运行，消防供水时，系统高恒压值运行。远传压力表将主水管网压力信号经PLC的扩展模块PID运算送给变频器？，并给出信号直接控制水泵电动机的转速以使管网的压力稳定。当在运行的水泵全速运行，还未达到给定压力时，变频运行的水泵被切换到工频运行，变频器将启动另一台泵(即采用软启动)。6、完善的各种保护、报警功能（1）对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现机械和电气互锁，防止短路产生。（2）当水泵的功率较大时，为防止直接启动电流过大，需要采用软启动方法，即用变频器来启动水泵。（3）运行的水泵在断开电源后，利用其运行的惯性切换到工频，可避免切换过程中产生过电流.（4）电动机的热保护。虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小，但是当用户用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升速、降速状态，这时电动机的电流可能超过额定电流，导致电动机过热。因此电动机的热保护是必须的。（5）具有缺水保护功能。当水泵工作在自动状态，为防止当水池没水时水泵空载运行，烧坏水泵电机，系统设计一个缺水保护电路。当水池缺水时，保护电路中继电器常开触点断开，切断控制电路电源，从而保护系统。（6）在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过3小时，则要切换下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。3.3系统工作原理用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为水位报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。生活用水暂用一台水泵两台备用，三台水泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持水位恒压值。生活供水系统工作原理：安装于生活供水管道上的压力变送器将管网压力检测值转换为4-20mA 的电信号送入变频器的，一般情况下由原设定的生活管网压力，然后与压力传感器所测管网实际压力进行比较，将差值送人变频器内置PID进行运算，产生一个偏差信号去控制变频器的输出频率，从而控制电机转速使管网压力恒定。当用水量不大时，一台水泵(1#水泵)在变频器的控制下稳定运行。当用水量增大时，管网压力下降，当管网压力下降到下限值时由变频器输出一个下限信号给PLC，PLC自动将第二台水泵（2#）投入变频运行，将原工作在变频状态下的第一台水泵（1#水泵）切换为工频运行，两台水泵运行以加大管网的供水量保持压力稳定。若两台水泵运行仍不能满足用水量的需要时，则PLC自动将第三台水泵（3#水泵）投入变频运行，将原工作在变频状态下的第二台水泵（2#水泵）切换为工频运行，三台水泵运行以进一步加大管网的供水量保持压力稳定。当用水量减少时，管网压力上升，当管网压力上升到上限值时由变频器输出一个上限信号给PLC，PLC自动将第一台水泵（1#水泵）停止运行。当用水量进一步减少时，PLC自动将第二台水泵（2#水泵）停止运行，此时只剩下第三台水泵（3#水泵）用变频器变频调速恒压供水。依次类推，各台水泵交替工作于变频和工频状态。水泵运行遵循先入先出的原则，即先接通先断开，用水量增加时先将原变频工作的水泵切换为工频运行，同时增加一台水泵为变频运行；用水量减少时，将先启动的水泵停机。每台水泵变频工频运行概率相同，以避免某台水泵长期不运行而生锈的情况发生。第四章 变频调速恒压供水系统的硬件设计4.1系统硬件组成根据3.1节中变频调速恒压供水系统组成原理图，得到该系统的电气控制框图如图4-1：图4.1 变频调速恒压供水控制系统电气控制系统结构图根据该框图，系统所需的硬件有: PLC及扩展模块变频器、水泵机组软启动器或自耦变压器压力传感器、压力变送器、电接点压力表、水位传感器PLC用隔离变压器、低压电器以及控制柜4.2 可编程控制器(PLC)选型可编程控制器（Programmable Logic Controller）是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。PL C是该控制系统的核心部件，合理选择PLC对于保证整个控制系统的技术指标和质量至关重要的。选择PLC应包括PLC机型、容量等的选择。1、PLC机型选择机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠，维护使用方便及最佳的性能价格比。（1）结构合理对于工艺比较固定，环境条件较好，维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC。（2）功能强弱适当对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC。 2、PLC容量的选择PLC容量主要是指是PLC的I/O点数，I/O点数也应留有适当裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的1/O点是数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常1/0点数按实际需要的考虑留10%-15%点数备用量。根据系统要求和功能，PLC选用三菱公司的FX2N系列FX2N-48MR-001， FX2N-48MR具有丰富的可灵活配置的硬件资源：内含时钟、PID运算、高速计数器、显示器、AC/DC/继电器内置数字I/O（24路开关量输入，24路继电器输出），另配置FX0N-4AD模拟量模块，FX2N-485-BD通信模块。SC-09通信编程器，采用RS485网络通信。4.3 变频器选型变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。其总的原则是首先保证可靠地满足工艺要求，再尽可能节省资金。1、变频器的型式选择根据控制功能可将通用变频器分为三种类:普通功能型U/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能U/F控制变频器知矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机，泵类等平方转矩，低速负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数:（1）电动机的极数。一般电动机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量要适当加大；（2）转矩特性。在同等电动机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降额选取；（3）电磁兼容性。为减少主电源千扰，使用时可在中间或变频器输入电路中增加电抗器，或安装前置隔离变压器。一般当电动机与变频器距离超过50m时，应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。变频器的选型应满足以下条件:（1）电压等级与驱动电动机相符；（2）额定电流为所驱动电动机额定电流的1.11.5倍；（3）根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式；2、变频器容量选择变频器的容量可从三个角度表述:额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流量是一个反映半导体变频器装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。变频器的额定功率指的是它适用的4级交流异步电动机的功率。由于同容量电动机，其极数不同，电动机额定电流不同。随着电动机极数的增多，电动机额定电流增大。变频器的容量选择不能以电动机额定电流为依据。同时，对于原来采用变频器的改造项目，变频器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据。这是因为，电动机的容量选择在考虑最大负载，富裕系数，电动机规格等因素，往往电动机的容量富裕较大，工业用电动机常常在50%60%额定负荷下运行。若以电动机额定电流为依据来选择变频器的容量，留有富裕量太大，造成经济上浪费，而可靠性并没有因此而得到提高。变频器与电动机的匹配主要是电动机的额定电压及电流，如果电动机额定电流小于同功率的变频器额定电流，一般来说用同等功率的就足够了，但如果大了，只好用大一级的变频器。对于鼠笼式异步电动机，变频器的容量选择应以变频器的额定电流大于电动机的最大正常工作电流1.1倍为原则，这样可以最大限度地节约资金。在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外还应考虑经济性，一般不要留有太大功率余量，变频器与电动机两者的功率应相匹配，不但经济性好而且输出波型更好。3. 变频器箱体结构的选用变频器的箱体结构要与环境条件相适应，即必须考虑温度，湿度，粉尘，酸碱度，腐蚀性气体等因素，这些因素与能否长期安全、可靠运行有很大的关系。常见有下列几种结构类型可供设计中选用:（1）敞开型IP00。本身无机箱，适合装在电控箱内或电气室内的屏，盘，架上，尤其是多台变频器集中使用，选用这种型式较好，但环境条件要求较高；（2）封闭IP20。适用一般用途，可用于有少量粉尘或少许温度、湿度变化的场合；（3）密闭型IP65。适用环境条件差，有水，尘及一定腐蚀气体的场合。根据以上理论，选用三菱FR-A540系列变频器。该变频器采用先进磁通矢量控制方式，实现在线自动调整功能，调速比可达1：120（0.560Hz）；可拆御风扇和接线端子，维护方便；柔性PWM，实现更低噪音运行；内置RS485通信口，可插扩展卡符合全世界主要通信标准；PID等各种功能适合各种应用场合。应用三菱FR-A540系列变频器内置PID功能的PLC控制恒压供水系统，效率高，损耗小，调速供水节能效果突出，运行稳定，可靠性高，抗干扰能力强，精度高，动态响应快，体现了变频调速恒压供水的技术优势，取代了水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水，成为供水网的换代产品。4.4水泵及其电动机的选型工作水泵型号和台数的选择，应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，要求的水压，机组的效率和功率因素等确定。水泵和电 动机是供水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。选泵时，首先要满足供水系统的要求:1、水泵扬程应大于实际供水高度；2、水泵流量总和应大于实际最大供水量；3、水泵能力足以供应最高用水量时的用水量，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量；4、水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价；5、水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失；6、安装管理方便。安装卧式离心泵的泵站，平面尺寸较大而高度较低；立式轴流泵的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。因此在深埋式的地下泵站可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。选用多台水泵时，水泵的型号最好相同，这可便于安装和维修养护管理。在此设计中要求三台主泵和主泵电机型号和容量要相同，这才有利于在同一变频器下正常的工作。大泵的效率比小泵高，而且用大泵时，工作泵和设备的费用以及泵站的面积常可减小。因此不可只从适应水量的变化出发，使用数量较多的小泵。使用多台水泵供水可防止一台水泵出现故障时，停止供水使得系统瘫痪。一般最优的水泵台数为36台。综合上述，对水泵进行选用时，要根据供水系统对流量的大小、扬程的高低和实际需要进行选择。在此主泵选用山东淄博博山大通水泵有限公司生产的型号为500LX5的离心式清水泵，扬程61m，流量12.6立方米每小时，轴功率5.5KW；电机型号为Y132S-4，容量为5.5KW,额定电压为380V,额定电流为11.6A，转速为1450r/min。4.5远传压力表选型压力传感器和压力变送器是将水管中的压力信号变成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。 本系统采用杭州市富阳仪川仪表有限公司生产的YTT-150型差动远传压力表，此表适用于测量对钢及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。因为在仪表内部设置一个滑线电阻式发送器，故可把被测值以电量值传至远离测量点的二次仪表上，以实现集中检测和远距离控制。此外，YTT-150型差动远传压力表既可对所测压力作现场指示又能转换为010mADC或420mADC的标准电流信号输出，便于现场检测。本仪表由一个弹簧压力表和一个电位器式发送器组成。仪表机械部分的作用原理与一般弹簧管压力表相同。由于电位器设置在齿轮传动机构上，因此当齿轮传动机构中的扇形齿轮产生偏转时，固定在扇形齿轮轴上的电刷也相应地在滑线电阻上滑行，从而使被测压力的变化转换为电阻值的变化，传至二次仪表上，指示出相应的压力值，同时现场仪表也指示相应的压力值。电位器的技术数据：1、精确度等级：1.5 2、发送器起始电阻值：320 3、发送器满度电阻值：340400 4、发送器接线端外加电压不大于6V 5、使用环境条件：-4060，相对湿度不大于85%，且震动和被测（控）介质的急剧脉 6、温度影响：使用温度偏离205时，其温度附加误差不大于0.4%/107、重量：1.2kg4.7 水位传感器的选型本系统采用佛山市顺德区昊胜传感仪器有限公司生产的PTP601水位传感器，该采用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体,316全不锈钢结构,主要适用于河流、地下水位、水库、水塔及容器等的液位测量 与控制。传感器的主要数据参数：1、量 程: 100mmH2O100mH2O、500mmH2O500mH2O (水位高/深度)2、综合精度: 0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS3、输出信号: 420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制)4、供电电压: 24DCV(936DCV)5、介质温度: 0856、环境温度: 常温(-2085)7、负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50K8、绝缘电阻: 大于2000M (100VDC9、密封等级: IP6810、长期稳定性能: 0.1%FS/年11、振动影响: 在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS12、电气接口(信号接口): 紧线防水螺母与五芯通气电缆连接。注：出厂时标准电缆长度为8米，用户若需加长，订货时注明。13、机械连接(螺纹接口): 投入式4.8软启动器、自耦变压器当系统采用手动或变频固定方式运行时，如果电机的功率较大，不允许直接启动时，需采用软启动器或自耦变压器进行降压启动。在选择软启动器、自耦变压器时，应与电机的额定功率、额定电流相匹配，可选用ABB的软启动器或DANFOSS的产品。手动启动是系统不可缺少的组成部分，尤其是当系统的自动部分出现问题时，而此时的供水又不能中断。4.9 PLC用隔离变压器、低压电器、控制柜PLC用隔离变压器是对PLC的供电电源进行隔离，防止由于供电电源对PLC引起的干扰。低压电器和电气控制柜为系统各种功能的实现提供条件，同时控制柜的接地必须良好。可选用大连空六厂生产的白钢柜。4.10 系统电路设计4.10.1 系统主电路系统电气控制主电路如图4.2，三台电机分别为M1、M2、M3。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分别是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，FR-A540为变频器。图4.2 系统电气控制主电路图4.10.3 PLC I/O分配根据图4.1、4.2及以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、地址编号如表4.1所示，水位上下限信号在水淹没是为0，露出时为1。表4.1 输入输出点名称及地址编码信号名称地址编码输入信号手动和自动消防信号？X000供水启动X001供水停止X002水池水位下限信号X005水池水位上限信号X006压力设定（0-10V）数字信号X007压力变送器1X010压力变送器2X011变频器报警信号X012试灯按钮X013消报警按钮X014手动1#水泵电机X015手动2#水泵电机X016手动3#水泵电机X0171#水泵电机过热保护X0202#水泵电机过热保护X0213#水泵电机过热保护X022信号名称地址编码输出信号1#水泵变频运行及指示灯Y0001#水泵工频运行及指示灯Y0012#水泵变频运行及指示灯Y0022#水泵变频运行及指示灯Y0033#水泵工频运行及指示灯Y0043#水泵变频运行及指示灯Y005水池水位下限报警指示灯Y007软启动器Y010火灾报警指示灯Y011报警电铃Y012变频器频率复位控制Y013变频器故障报警指示灯Y0141# 泵的故障指示信号Y0212# 泵的故障指示信号Y0223# 泵的故障指示信号Y023送控制信号给变频器Y024第五章 系统的软件设计本系统的程序是建立前面所述的在变频恒压供水的原理和控制流程的基础上，按照PLC应用的步骤开发完成的。程序控制的目的是实现整个供水系统的恒压运行，为此必须控制变频器的频率以及三台水泵的顺序投入与切除，使得供水量的变化与用户用水量的变化基本保持同步，以此保证水网水压的恒定，同时还要保证系统的安全性与可靠性。在程序的开发过程中需要注意以下几点:1、不管使用变频循环式还是变频固定式的控制方式，要确保水泵的平均使用量一致，损耗大致相同；2、系统运行的任何时刻，变频器只对当前控制的水泵负责；3、对于每一台水泵来说，任何时刻都只能工作在一种状态(变频或工频)或者处于停止状态；程序采用结构化的设计方法，分为故障检测、数字PID控制、泵的切换控制、系统对外通讯控制、定时修改压力设定值等几部分。下面对逐一他们进行阐述。5.1 PID控制原理如图5.1，PID控制原理图，将压力传感器传来的电流信号（420mA）通过一个1K的电阻转化为010V的电压信号。这个电压信号经RTD模块放大后送给三菱PLC的模拟输入量模块FX2N-4AD转化为12位的数字信号，该模块有四个模拟量输入通道，12位的分辨率，总体精度在+1%，转换速度15ms/通道。转换后的数据存入PLC内部特殊数据寄存器D0。PLC根据采集的信号计算出偏差e(t)，按照PID的控制规则计算控制量u(t),并输出控制量u(t)。经三菱PLC的模拟输出量模块FX2N-4DA的D/A转换，变换成05V的电压信号，送至变频器的主速指令，并通过变频器调节4#水泵电机的工作电流，实现系统的变频恒压控制FX2N-4DA模块有三通道的D/A输出,总体精度+1%,转换速度2.1ms/通道。图5.1 PID控制原理图5.2 系统运行主程序系统运行主程序首先要进行一系列的初始化工作，并使扩展模块(通讯模块、A/D模块等)、触摸屏、变频器等设备与PLC的数据传输正常。在系统运行过程中要及时进行故障检测，以防止设备损坏和意外发生；当出现故障时，要在触摸屏上及时显示并进行报警输出，方便维修人员维修，有利于系统恢复正常工作。无故障情况下，在触摸屏上显示设定压力和实际压力，系统自动启动后，进行恒压控制。其流程框图如图5.2所示:开始系统初始化数据传输状态检测调用故障检测子程序调用压力设定子程序调用数字PID子程序调用泵切换子程序图5.2 程序流程图5.3故障检测子程序故障检测是保证系统安全、可靠运行的一个重要环节，在本文的自控系统中，检测的量主要有:原水池液位、变频器故障、水泵故障、压力传感器断线故障、水泵出水压力脱离正常范围等信号，其流程框图如图5.3所示:开始有无水检测变频故障检测水泵故障检测压力传感器断线检测电极点压力表信号检测报警输出图5.3 故障检测子程序流程图5.4数字PID子程序在系统中，只需选择一个，它同样通过定时中断来调用，通过对水泵转速的调节，实现系统输出压力的恒定。在子程序中直接读取A/D模块的输出，得到当前的实际水压，将此压力值与压力设定值相减，得到当前误差量e(t)，计算控制增量u (t)，将该增量通过PLC与变频器的通讯去控制变频器的频率，实现恒压供水。其流程框图如图5.4所示:（内置）图5.4 PID控制子程序流程图5.5泵切换程序PLC处于“RUN”状态时，转换开关扳到“自动”时，水泵的起停，阀门的开闭及电机的变频/工频运行切换，完全由PLC根据水压状况和软件内部设定的参数自动调整，最终达到现场无人值守，系统本身全自动运行，实现泵自动切换，在初始化以后，打开总进水阀，同时调水位检测子程序，待水位满足设定值后，开总出水阀，PLC在整个程序中时刻检侧水位并且作出相应的开、关总阀动作。打开总进 、出水阀后，开启1#水泵的进水阀和出水阀，1#水泵开始变频运行，在此期间不断检测压力，若压力不足，延长一定时间后，即被认定流量过小，1#水泵切换至工频运行，2#水泵变频启动；在2#水泵变频运行时，若压力还不足，2#水泵也切换至工频运行，3#水泵变频启动；若压力过大，延时切除2#水泵，关闭1#水泵工频运行，回到1#变频运行状态；如若压力仍然不足，延时后，认定水位不足或管道严重泄漏，转缺水报警子程序。压力过大的话，延时切除3#水泵，关闭2#水泵工频运行，回到2#变频运行状态。其流程框图如图5.5所示:图5.5 水泵切换程序流程图第六章 实验室现场调试与小结实验室现场调试主要是根据各种工业应用环境中可能出现的情况对PLC程序进行调试，检查它是否与预期设计目标相吻合。我们把实验室现场调试分为两部分：硬件功能性调试与系统总体调试。6.1硬件功能性调试 硬件功能性调试主要是测试硬件的功能是否正常，这部分的调试内容包括： 1、供电线路的设置和检验，主要用万用表检测电路的连通是否实现，以及保证接线的正确性，防止220V与24V线路的错位接线发生； 2、电机直接加三相电源调试，检测电机工作状态，有无啸叫声和其它异常工作情况； 3、变频器单独调试，检测能否正常进行参数设置，特别是我们需要的功能部分能否实现； 4、变频器加电机进行调试，检测能否正常进行变频调速，在外部控制模式下，控制端子是否能正常控制电机启动，调节电机转速等； 5、PLC单独检测，检查PLC单元能否正常工作，指示灯是否正常，该部分工作实际上在计算机模拟调试前就己经完成； 6、PLC加变频器联机调试