毕业设计高层建筑的变频恒压供水系统设计

1、武汉理工大学毕业设计（论文） i 毕业设计论文 目录 摘要.i abstract.ii 1 绪论 .1 1.1 高层建筑供水方式的发展 .1 1.2 变频恒压供水系统的国内研究现状 .2 1.3 课题的主要研究设计内容 .4 2 供水系统简介 .5 2.1 水泵供水的主要参数 .5 2.2 供水系统的基本特性 .5 2.3 水泵调速运行的节能原理 .6 3 供水系统的整体设计方案 .9 3.1 供水系统的构成.9 3.2 供水系统要求实现的功能 .11 3.3 供水系统工作原理 .12 4 供水系统的硬件设计 .15 4.1 供水系统的硬件组成 .15 4.2 可编程控制器(plc)选型 .1

2、5 4.3 变频器选型 .16 4.4 水泵及其电动机的选型 .17 4.5 远传压力表选型 .18 4.6 触摸屏 .19 4.7 软启动器、自耦变压器 .19 4.8 plc 用隔离变压器、低压电器、控制柜.19 4.9 供水系统电路设计 .20 4.9.1 系统主电路 .20 武汉理工大学毕业设计（论文） ii 4.9.2 系统控制电路 .20 4.9.3 plc i/o 分配.21 4.9.4 缺水保护电路 .22 5 供水系统的软件设计 .24 5.1 pid 调节.24 5.1.1 pid 调节原理.24 5.1.2 pid 参数设置.25 5.1.3 pid 设定值的调整.26

3、5.1.4 pid 控制算法.27 5.2 系统运行主程序 .27 5.3 故障检测子程序 .28 5.4 数字 pid 子程序.29 5.5 泵切换程序 .30 5.6 对外通讯子程序 .32 6 实验室现场调试与小结 .33 6.1 硬件功能性调试 .33 6.2 系统总体调试 .33 6.3 小结 .34 结束语 .35 参考文献 .36 附录 plc 梯形图.37 致谢 .44 武汉理工大学毕业设计（论文） i 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

4、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 武汉理工大学毕业设计（论文） ii abstract with the rapid development of social economy,

5、 it demands the better of water supply s quality and reliability of water supply system. meanwhile energy resources are seriously lack. so it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with help of advanced technique of automation, control

6、and communication. at the same time this system can adapt different water supply fields. this design explains water supply systems energy-saving principle of pump of speed control according to characteristic curve of running pipelines and water pump, analyzes the structure of vf speed regulating con

7、stant pressure water supply and gives several control methods whose features are researched and compared in this design. on the basis of above plc and inverter s method fits water supply system and data transmission very well. then constant pressure supply water controller is designed by pid. the de

8、sign of the system s hardware and soften is introduced thoroughly, the design of inverter constant pressure water supply system can be applied to many internal water supply systems, the effect of which is stable, credible and energy-saving. key words: speed-frequency variable；constant pressure water

9、 supply；plc 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 1 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

10、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

11、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 高层建筑供水方式的发展 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，

12、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 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 可靠的

13、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1-2)，对于提高企业效率以及人民

14、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意图 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

15、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

16、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 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 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

17、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

18、能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。 变频恒压供水系统的主要特点主要是： 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。 变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类: 1）小区供水(加压泵站)变

19、频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特 点是变频控制的电机功率小，一般在135kw以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群 十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式.如希望集团(森兰变频器)推出的恒压 供水专用变频器(5.5kw22kw)。 2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机 功率在135kw320kw之间，电网电压通常为200v或380v。受中小水厂规模和经济条件限 制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 3）大型供水厂的变频恒压供水系统 武汉理工大学毕业

20、设计（论文） 4 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kw)、 机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了 国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器。 在本设计中，研究和设计的变频器是以第一种应用范围为基础。 1.3 课题的主要研究设计内容 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

21、，故障报警及时迅速。 本文研究设计的主要内容如下: 1）对变频恒压供水国内外现状进行调研，并提出采用具有众多优点的变频调速恒压 供水方案。 2）从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点(工况点)的确定方法和水 泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变 水泵性能曲线得以实现的。 3）介绍了基于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

22、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。 4）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。 5）现场调试设备并进行节能性模拟实验，验证系统的可靠性与经济性。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 2 供水系统简介 2.1 水泵供水的主要参数 1）流量 流量是单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号是q，常用单位是 m3/s、m3/min、m3/h等.供水系统的基本任务是满足用户的流量需求。 2）扬程 扬程是单位质量的水被上扬时所获得的能量，符号是h，常用单位是m。扬程主要包 括三个方面:第一是提高水位所需的能

23、量；第二是克服水在管网中流动时所需的能量；第 三是使水流具有一定流速所需的能量。由于在同一管路中，上述的第二和第三是基本不 变的，在数值上也相对较小。可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。因此， 在同一管路内进行分析时，常简略地把水从一个位置“上扬”到另一位置时，用水位的 变化量(即水位差)代表扬程。 3）全扬程 全扬程也称为总扬程或水泵扬程，全扬程是说明水泵的泵水能力的物理量。包括把 水从水池的水面上扬到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需 的能量，符号是ht。 4）实际扬程 实际扬程即通过水泵实际提高的水位所需的能量，符号是ha 。 5）损失扬程 全扬程与实际扬

24、程之差，即损失扬程，符号是hl，ht 、ha和hl之间的关系是: ht = ha + hl （2-1） 6）管阻 管阻是管道系统(包括水管、阀门等)对水流阻力的物理量，符号是r。通常用扬程与 流量间的关系曲线来描述。 2.2 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。 而管阻特性是以水泵的转

25、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 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 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

26、运行。 图2-1 供水系统的基本特性曲线 2.3 水泵调速运行的节能原理 在供水系统中，通常以流量为控制对象，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的大小来调节流量，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，管阻特性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

27、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为管网及水泵的特性曲线。 武汉理工大学毕业设计（论文） 7 图2-2 水泵的h-q特性曲线 当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在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, 3移到 1，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 输出功率用图形表示为(0, q2，f，h1)围成矩形部分，其值为： （2-2）102/2q*h1pf 当用调速控制

28、时，若采用恒压(h0)、变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为2,扬程特 性变为曲线n2，工作点从e点移到d点。此时水泵输出功率用图形表示为(0, q2，d，h0) 围成的矩形面积，其值为: （2-3）q2/102*h0pd 可见改用调速控制，节能量为(h0,d，f，h1)围成的矩形面积，其值为: （2-4）h0)q2/102-(h1p-pp df 所以，当用阀门控制流量时，有功率p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。 根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量q、扬程h，功率p与转速n之间

29、关系为: q2/q1=n2/n1；h2/h1=（n2/n1）2；p2/p1=（n2/n1）2 （2- 5） 式中，q1、h1、p1为变速前的流量、扬程、功率，q2、h2、p2为变速后的流量、扬 程、功率。由公式( 2-5)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。 2.4 变频调速原理 武汉理工大学毕业设计（论文） 8 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

30、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17。异步电机的转差率定义为: s=1-(n/n1) （2-6） 异步电机的同步速度为: n1=60f/p （2-7） 异步电机的转速为: n= 60f(1-s)/p （2-8） 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

31、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。 武汉理工大学毕业设计（论文） 9 3 供水系统的整体设计方案

32、3.1 供水系统的构成 由于本设计的供水系统要适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水，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、水位传感 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人台数和电机转速，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

33、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、人机界面、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，pi, 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: 武汉理工大学毕业设计（论文） 10 水压信号:它反映的是用户

34、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。 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。 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。 供水控制器:它是

35、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: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

36、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。 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）人机界面 人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压 力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系 统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界

37、面还可以对系统的运行过程进行监示，对 报警进行显示。 （触模屏） 5）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。 武汉理工大学毕业设计（论文） 11 6）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

38、护动作控制，以免造成不必要的损失。 3.2 供水系统要求实现的功能 系统要求实现如下功能: 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

39、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

40、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 a、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。 b、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 武汉理工大学毕业设计（论文） 12 频器来启动水泵。 c、运行的

41、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. d、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。 e、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。 f、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

42、台水泵工作时间过长。 3.3 供水系统工作原理 市网子来水用高低水位控制器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。生活和消防用水共用三 台水泵，平时电磁阀yv2处于失电状态，关闭消防管网，三台水泵根据生活用水的多少， 按一定的控制逻辑运行，维持水位低？恒压值。当有火灾发生时，电磁阀yv2得电，关闭 生活用水管网，三台水泵给消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后， 三台水泵再改为生活供水使用。 1）生活供水系统工作原理 安装于生活供水

43、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？，一般情况下由上位pc机给定生活管网压力，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

44、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 武汉理工大学毕业设计（论文） 13 接通先断开，用水量增加时先将原变频工

45、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。 2）消防供水系统工作原理 本系统设置消防水泵工频运行，由plc进行消防水泵电机组自动控制，在备用时消防 水泵自动定期交替试运行，每台水泵试运行时间和两台水泵之间的试运行间隔时间可由 用户根据系统情况进行调节。这样可以定期进行消防供水系统设备的检查与维修，防止 因消防系统长期不运行而造成设备的损坏，致使消防用水时不能及时正常供水的现象发 生。 如遇火情，生活供水状态立即转人消防供水。首先由上位机给定压力值，然后系统 按控制过程通过变频

46、器和plc的控制迅速使消防管网压力到达设定值附近。当水流检测器 出现故障时，还可通过按动消防专用启动按钮启动消防水泵运行。消防供水的恒压控制 是通过压力检测器的低压触点和高压触点与plc联合控制的，其控制过程与生活用水恒压 控制类似。当消防用水完毕后，水流检测器常开触点断开或者手动按下消防水泵停止按 钮，则重新进入试机循环。 控制系统设有手/自动切换开关。选择手动方式时，可分别通过现场控制柜的按钮控 制各台泵的单独运行与停止，便于系统调试、定期检修和临时供水。选择自动工作方式 时，plc首先使第一台给水泵变频启动，转速从0开始随频率的提高而上升，此时安装在 给水母管上的压力变送器将母管压力反馈

47、给plc，与预先设定的给定压力进行比较，通过 pid运算，调节变频器的输出频率，以维持水压恒定，这种跟踪调节是精确而平滑的，称 为细调节。如果该台调速泵调到最大供水量(即对应于50hz的最高频率)仍达不到压力给 定值，则延时一段时间(避免瞬时干扰信号)控制第一台水泵进入工频运行，变频器频率 从50hz迅速下降到ohz，同时使第二台泵变频启动，如水压仍不能满足要求，则重复上述 过程启动第三台泵。如此反复，直到压力符合要求；反之，如果变频水泵运行降到0hz时 母管压力仍大于给定压力值，则延时一段时间后关闭一台工频水泵，使变频器频率从0hz 迅速上升到50hz，对水压进行调节，直到母管压力达到设定值

48、，这种调节方式称为粗调 节。这样，水泵切换过程是平稳的，不会出现楼上用户短时停水的现象。 在单泵运行或多泵并联运行状态下，根据先开先停的原则，只要任意一台泵连续运 行超过规定时间(如24小时)，便可通过程序控制自动实现停机轮休，以延长泵组的使用 寿命。由plc控制变频调速装置，通过测量给水母管的压力，将其转换成420ma的模拟 量信号，进而控制变频器的输出频率，调节水泵电机转速，使其自动适应水量变化，稳 定供水压力。系统运行中，总有一台水泵处于变频调速状态，而其它为工频恒速或停机 等待状态，保持有一台水泵由变频电源驱动，实现水压的细调节，以保证调节时间不大 于l0s，水压波动不超过0.01mp

49、a。当控制系统出现故障而失灵时，可将变频器切至手动 操作方式。 有些变频恒压供水装置在水压高时直接切除一台工频泵，再由变频泵进行调节。这 武汉理工大学毕业设计（论文） 14 种切泵的方式显然存在供水水压的剧烈变化。在实际设计中，将变频器以工频运行方式 转换到正在以工频运行的工频泵上，再逐渐降低频率，实现变频恒压供水的无冲击切泵， 使水压过渡平稳，防止出现水压大幅度波动及水压为0的短时断水现象，提高了供水质量。 在系统工作过程中，由于切换时接触器吸合和释放存在着延时，水泵电机在切换到电网 时会产生较大的电流冲击，设计中可适当使切换频率大于50hz，就可以尽量减小冲击电 流。 若无人值班时突然停电

50、，在恢复供电后水泵无法启动而造成断水。设计中可设置为 变频自启动方式，在电源恢复后，plc控制报警器报警，然后按自动运行方式变频启动水 泵，直到稳定地运行在给定水压值。为防止变频器50hz驱动与市电50hz驱动时电机输出 功率不同而造成反复加泵/减泵现象，程序中加泵/减泵的切换点设置为不是刚好等于设 定值，加泵时压力值为“设定值-” ，减泵时判断点为“设定值+。其中根据水压控 制的精度要求而进行相应的设置。 武汉理工大学毕业设计（论文） 15 4 供水系统的硬件设计 4.1 供水系统的硬件组成 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

51、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: 1）plc及扩展模块 2）变频器、水泵机组 3）人机界面（触摸屏） 4）软启动器或自耦变压器 5）压力传感器、压力变送器、电接点压力表、水位传感器。 6）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

52、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。plc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。 武汉理工大学毕业设计（论文） 16 a、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。 b、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

53、/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mitsubishi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，

54、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: a、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； b、转矩特性。在同等电动机

55、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； c、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: a、电压等级与驱动电动机相符； b、额定电流为所驱动电动机额定电流的1.11.5倍； c、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 武汉理工大学毕业设计（论文） 17 项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动

56、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

57、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

58、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: a、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； b、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； c、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

59、：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， 武汉理工大学毕业设计（论文） 18 机

60、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