毕业设计1【大学本科毕业设计】基于PLC的变频调速恒压供水系统-----自动化等专业.pdf

山东科技大学学士学位论文 摘要摘要本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于 PLC的变频调速恒压供水系统 , 并利用组态软件开发良好的运行管理界面 。 变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。 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 。 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，组态软件山东科技大学学士学位论文 ABSTRACTABSTRACTAccordingtothe requirem ent ofChinas urbanwater supply, this paperdesignsaset ofwater supplysystem offrequeceycontrolofconstantvoltagebasedonPLC, andhavedevelopedgoodoperationm anagem ent interfaceusingSupervisionControlandData Acquisition.Thesystem is m ade upofPLC,transducer,unitsofpum ps ,pressuresensorandcontrolm achineandsoon.This system is form ed bythree pum p generators,andthey form thecirculatingrunm odeoffrequencyconversion.Withgeneral frequencyconverterrealize forthree phase pum p generatorsoft start with frequencycontrol,operationswitch adopts the principle of”start first stopfirst”. Thedetectionsignal ofpressuresensorofhydraulicpresure,viaPLCwithset valuebycarryout PIDcomparisonoperation,so,controlfrequency andthe exportvoltageoffrequencyconverter,andthentherotational speedthat changespum pgeneratorcome to changewater supply quantity,eventually,it is nearbytom aintain pipenet pressuretostabilizewhenset value. Throughworkcontrolm achine the connectionwithPLC,with groupform software consumm atelysystem atic m onitoring,haverealizedoperationstatedevelopment toshowanddata,report tothepoliceinquiry.K eywords:K K K variable frequency speed-regulating, constant-pressure watersupply, PLC, supervisioncontrolanddataacquisition.山东科技大学学士学位论文 目录目录1绪论.11.1课题的提出 .11.2变频恒压供水系统的国内外研究现状 .31.3PLC概述 .51.4本课题的主要研究内容 .72系统的理论分析及控制方案确定.82.1变频恒压供水系统的理论分析 .82.2变频恒压供水系统控制方案的确定 .113系统的硬件设计.193.1系统主要设备的选型 .193.2系统主电路分析及其设计 .233.3系统控制电路分析及其设计 .253.4PLC的 I/O端口分配及外围接线图 .274系统的软件设计.314.1系统软件设计分析 .314.2PLC程序设计 .334.3PID控制器参数整定 .405监控系统的设计.465.1组态软件简介 .465.2监控系统的设计 .466结束语.51山东科技大学学士学位论文 目录参考文献.53致谢.55附录.56附录 A英文文献 .56附录 B中文翻译 .65附录 C主程序梯形图 .71山东科技大学学士学位论文 绪论11绪论 绪论 绪论 绪论1.1课题 的提 出 课题 的提 出 课题 的提 出 课题 的提 出水和 电是 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 电能源短 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 ，自动化程度较低 ， 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 、气 压罐供 水、 水塔 高位水箱供 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1：(1) 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) 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。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单 、 运行经济合理 、 短时间维修山东科技大学学士学位论文 绪论2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。 (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着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2。基于 PLC和变 频技 术的 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。山东科技大学学士学位论文 绪论31.2变频 恒压 供水 系统的 国内 外研 究现状 变频 恒压 供水 系统的 国内 外研 究现状 变频 恒压 供水 系统的 国内 外研 究现状 变频 恒压 供水 系统的 国内 外研 究现状1.2.1变频调速技术的国内外发展与现状变频 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 PWM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 。 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。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。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 。1.2.2变频恒压供水系统的国内外研究与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 系统中， 变频器 仅作为执 行机构 ，为了满 足供水 量大小需 求不山东科技大学学士学位论文 绪论4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 Sam co 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 3。 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(5.5kw22kw)，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 究山东科技大学学士学位论文 绪论5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4。1.3PLC概述 概述 概述 概述1.3.1可编程控制器的定义可编程 控制器，简称 PLC(ProgrammablelogicController)，是指 以计 算 机 技 术 为 基 础 的 新 型 工 业 控 制 装 置 。 在 1987年 国 际 电 工 委 员 会(InternationalElectricalCommittee)颁 布 的 PLC标 准 草 案中 对 PLC做了如下定义 :“ PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电 子装置 。它采用 可以编 制程序的 存储器 ，用来在 其内部 存储执行 逻辑运算 、顺序 运算、计 时、计 数和算术 运算等 操作的指 令，并 能通过数 字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程 。 PLC及其有关的外围设 备都应 该按易于 与工业 控制系统 形成一 个整体， 易于扩 展其功能 的原则而设计。 ”1.3.2PLC的发展和应用世界 上公 认的 第一台 PLC是 1969年美 国数 字设 备公司 (DEC)研制 的。限于 当时的 元器件条 件及计 算机发展 水平， 早期的 PLC主要 由分立 组件和中小 规模集 成电路组 成，可 以完成简 单的逻 辑控制及 定时、 计数功能 。 20世纪 70年代 初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC增加 了运算 、数据传 送及处 理等功能 ，完成 了真正具 有计算 机特征的 工业控制 装置。 为了方便 熟悉继 电器、接 触器系 统的工程 技术人 员使用， 可编程控 制器采 用和继电 器电路 图类似的 梯形图 作为主要 编程语 言 5 ，并 将参加运 算及处 理的计算 机存储 组件都以 继电器 命名。此 时的 PLC为微 机技术山东科技大学学士学位论文 绪论6和继电器常规控制概念相结合的产物 。 20世纪 70年代中末期 ， 可编程控制器进 入实用 化发展阶 段，计 算机技术 已全面 引入可编 程控制 器中，使 其功能发生了飞跃 。 更高的运算速度 、 超小型体积 、 更可靠的工业抗干扰设计 、模 拟量 运算 、 PID功 能及 极高 的 性价 比奠 定了 它 在现 代工 业中 的 地位 。 20世纪 80年代初 ， 可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用 。 这个时期可 编程控 制器发展 的特点 是大规模 、高速 度、高性 能、产 品系列化 。这个阶 段的另 一个特点 是世界 上生产可 编程控 制器的国 家日益 增多，产 量日益上升 。 这标志着可编程控制器已步入成熟阶段 。 20世纪末期 ， 可编程控制器 的发展 特点是更 加适应 于现代工 业的需 要。从控 制规模 上来说， 这个时期 发展了 大型机和 超小型 机；从控 制能力 上来说， 诞生了 各种各样 的特殊功 能单元 ，用于压 力、温 度、转速 、位移 等各式各 样的控 制场合； 从产品的 配套能 力来说， 生产了 各种人机 界面单 元、通信 单元， 使应用可 编程控制 器的工业 控制设 备的配套 更加容 易 。 目前 ， PLC在国 内外已广 泛应用于钢 铁、石 油、化工 、电力 、建材、 机械制 造、轻纺 、交通 运输、及 文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。1.3.3西门子 S7-200PLC简介西门子公司具有品种非常丰富 的 PLC产品 。 S7系列是传统意义 的 PLC，S7-200属 于小型 PLC， 在 1998年 升级为 第二 代产 品， 2004年 升级为 第三代产品，其特点如下 6：(1) 功能强大 。 S7-200有 5种 CPU模块，最 多可扩展 7个扩展模 块，扩展到 248点数字量 I/O或 38路模拟量 I/O，最多有 30多 KB的程序存储空间和数据存储空间；(2) 先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件；(3) 灵活方便的寻址方法；山东科技大学学士学位论文 绪论7(4) 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面；(5) 有竞争力的价格；(6) 完善的网上技术支持等。1.4本课 题的 主要 研究内 容 本课 题的 主要 研究内 容 本课 题的 主要 研究内 容 本课 题的 主要 研究内 容本设 计是 以小 区供水 系统 为控 制对象 ，采 用 PLC和变 频技 术相 结合技术， 设计一 套城市小 区恒压 供水系统 ，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。PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器 、 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， 本设计 中有 3个贮水池 ， 3台水泵 ， 采用部分流量调节方法 ， 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 水泵做 恒速运行 。 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 。山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定82系统的理 论分析及控制方 案 系统的理 论分析及控制方 案 系统的理 论分析及控制方 案 系统的理 论分析及控制方 案 确定 确定 确定 确定2.1变频 恒压 供水 系统的 理论 分析2.1.1电动机的调速原理水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为： 60(1 )fn sp= (2.1)式中： f表示电源频率， p表示电动机极对数， s表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：(l) 改变电源频率(2)改变电机极对数(3)改变转差率改变 电机 极对 数调速 的调 控方 式控制 简单 ，投 资省， 节能 效果 显著，效率 高，但 需要专门 的变极 电机，是 有级调 速，而且 级差比 较大，即 变速时转 速变化 较大，转 矩也变 化大，因 此只适 用于特定 转速的 生产机器 。改变转 差率调 速为了保 证其较 大的调速 范围一 般采用串 级调速 的方式， 其最大优 点是它 可以回收 转差功 率，节能 效果好 ，且调速 性能也 好，但由 于线路过于复杂 ， 增加了中间环节的电能损耗 7， 且成本高而影响它的推广价值 。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。根据 公式 可知 ，当转 差率 变化 不大时 ，异 步电 动机的 转速 n基本 上与电源频率 f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速 。但是 ，单一 地调节电 源频率 ，将导致 电机运 行性能恶 化。随 着电力电 子技术的 发展， 已出现了 各种性 能良好、 工作可 靠的变频 调速电 源装置， 它们促进了变频调速的广泛应用。山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定92.1.2变频恒压 供水 系统的节能原理供水 系统 的扬 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，如图 2.1所示。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H=f(Qu)。 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 系曲线，如图 2.1所示。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 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。管 阻 特 性AQHH AQ A扬 程 特 性图 2.1恒压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 压供山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定10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。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。由流 体力学可 知，水 泵给管网 供水时 ，水泵的 输出功 率 P与管 网的水压 H及出水流量 Q的乘积成正比；水泵的转速 n与出水流量 Q成正比 ； 管网的水压 H与出水流量 Q的平方成正比 。 由上述关系有 ， 水泵的输出功 率P与转速 n三次方成正比，即：1P kHQ= （ 2.2）2n kQ= （ 2.3）23H kQ= (2.4)3P kn= (2.5)式中 k、 k1、 k2、 k3为比例常数。山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定11HH2H1H00 Q2 Q1 Qn1n2EFDb1 b2b3图 2.2管网及水泵的运行特性曲线当用阀门控制时 ， 若供水量高峰水泵工作在 E点 ， 流量为 Q1， 扬程 为H0，当 供水 量从 Q1减小 到 Q2时， 必须 关小 阀门， 这时 阀门 的摩擦 阻力 变大 ， 阻力曲线从 b3移到 b1， 扬程特性曲线不变 。 而扬程则从 H0上升到 H1，运行工况点从 E点移到 F点 ， 此时水泵的输出功率正比于 H1 Q2。 当用调速控制时，若采用恒压 (H0)，变速泵 (n2)供水，管阻特性曲线为 b2，扬程特性 变为 曲 线 n2， 工作 点 从 E点 移到 D点 。此 时 水 泵输 出 功率 正 比 于 H0Q2， 由于 H1H0， 所以 当用 阀门 控 制流 量时 ，有 正 比于 (H1 H0) Q2的 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 H1增大 ， 而被浪费的功率要随之 增加。 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。2.2变频 恒压 供水 系统控 制方 案的 确定2.2.1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 、水泵山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定12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8：(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的抗干山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定13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。2.2.2变频恒压 供水 系统的 组成及原理图PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器 、 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 2.3所示：用 户M 压 力 变 送 器变 频 器PLC(含 P I D )液 位 变 送 器水 池水 泵 机 组管 网 压 力 信 号报 警 信 号水 池 水 位 信 号图 2.3变频恒压供水系统控制流程图从图 中可 看出 ，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： (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， 以维山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定14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山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定15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9，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 。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。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 10。 变频恒压供水系统的结构框图如图 2.4所示：P I D D/A 变 频 器 接 触 器 水 泵机 组 管 道压 力 变 送 器A/D给 定管 网 压 力P L C图 2.4变频恒压供水系统框图恒压 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 420mA 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 作为变频山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定16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。2.2.3变频恒压供水系统控制流程变频恒压供水系统控制流程如下 :(l)系统 通电 ，按 照接收 到有 效的 自控系 统启 动信 号后， 首先 启动 变频器拖动变频泵 M1工作 ， 根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率 ， 控制 Ml的转速 ， 当输出压力达到设定值 ， 其供水量与用水量相平衡时 ， 转速才稳定到某一定值 ， 这期间 Ml工作在调速运行状态。(2)当用 水量 增加 水压减 小时 ，压 力变送 器反 馈的 水压信 号减 小， 偏差变大 ， PLC的输出信号变大 ， 变频器的输出频率变大 ， 所以水泵的转速增大， 供水量 增大，最 终水泵 的转速达 到另一 个新的稳 定值。 反之，当 用水量减少水压增加时 ， 通过压力闭环 ， 减小水泵的转速到另一个新的稳定值 。(3)当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率 50Hz时 ， 若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力 ， 并且满足增加水泵的条件 (在下节有详细阐述 )时 ， 在变频循环式的控制方式下 ， 系统将在 PLC的控制下自动投入水泵 M2(变速运行 )， 同时变频泵 M1做工频运行 ， 系统恢复对水压的闭 环调节 ，直到水 压达到 设定值为 止。如 果用水量 继续增 加，满足 增加水泵的条件 ， 将继续发生如上转换 ， 将另一台工频泵 M3投入运行 ， 变频器输出频率达到上限频率 50Hz时 ， 压力仍未达到设定值时 ， 控制系统就会发出水压超限报警。(4)当用 水量 下降 水压升 高， 变频 器的输 出频 率降 至下限 频率 ，用 户管网 的实际 水压仍高 于设定 压力值， 并且满 足减少水 泵的条 件时，系 统将山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定17工频泵 M2关掉 ， 恢复对水压的闭环调节 ， 使压力重新达到设定值 。 当用水量继 续下降 ，并且满 足减少 水泵的条 件时， 将继续发 生如上 转换，将 另一台工频泵 M3关掉。2.2.4水泵切换条件分析在上 述的 系统 工作流 程中 ，我 们提到 当变 频泵 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 ； 当变频泵和工频泵都在运行且变频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 ?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 。 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 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 。 所以选择 50HZ和 20HZ作为水泵机组切换的上下限频率。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s fP P 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 ，此山东科技大学学士学位论文 系统的理论分析及控制方案确定18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