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1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目：基于力控的变频恒压供水系统设计二级学院（直属学部）： 延陵学院 专业：电气工程及其自动化 班级： 08电Y3 学生姓名： 王冬黎 学号： 08125429 指导教师姓名： 罗慧芳 职称： 高级实验师 评阅教师姓名： 职称： 2012 年 6 月摘要本文主要阐述变频恒压供水系统的构成及其工作原理。变频恒压供水系统能清晰地展现生活供水管网的恒压供水、以天为周期的定时控制压力控制、夜间小流量下的生活供水、消防模式下的恒压供水和带上位机系统的PID控制。变频恒压供水系统由压力传感器、PLC、变频器、组态软
2、件等构成。了解系统的构成之后，接下来就分析了基于变频器和PLC的变频恒压供水系统运行的全过程。组态软件上的监控界面还可以对供水控制进行全程监控，实现控制系统的参数整定和状态分析。监控界面使得变频恒压供水系统的控制变得更加方便。它是运用变频调速技术的自动化系统。采用变频恒压供水系统使得整个建筑物内的供水保持压力恒定，避免使用屋顶水箱造成的水质污染。它取代了传统的屋顶水箱，使建筑受力减少，结构简单，成本降低，节约电能，缩小占地面积。变频恒压供水系统在生活中应用很广泛，在住宅小区、写字楼、宾馆、饭店、商店、大型超市都可以看见它的身影。关键词：变频恒压；PLC；变频器, 力控组态软件AbstractT
3、his paper mainly talks about the structure and working principle of frequency conversion constant pressure water supply system. Frequency conversion constant pressure water supply system can clearly show constant pressure water supply of the water pipe net in life, the control of time and pressure b
4、y the cycle of day, water supply at small flow rate at night, constant pressure water supply in fire pattern and the control of PID in PC. The frequency conversion constant pressure water supply system is made up of pressure sensor, PLC, frequency changer, and configuration software. After understan
5、ding the structure of the system, the paper next analyzes the whole process of frequency conversion constant pressure water supply system based on both PLC and frequency changer. The monitoring interface in the configuration software can monitor the control of water supply in the whole process, fini
6、sh the time set and condition analysis. The monitoring interface makes the control of the frequency conversion constant pressure water supply system more convenient. It is an automatic system by using frequency conversion speed regulation technology. Frequency conversion constant pressure water supp
7、ly system can keep the pressure of the water supply in a building constant, and avoid the pollution of water quality by using the water tank at the roof. It takes place of the custom water tank at the roof to reduce the stress to a building, decrease the cost, save the power, narrow the area covered
8、. Frequency conversion constant pressure water supply system has a wide use in life, you can see it in the residential quarters, office building, hotel, store and shopping mall.Key words: frequency conversion constant pressure, PLC, frequency changer, Force Control configuration software目录目录I前言第1章 绪
9、论11.1 变频恒压供水系统产生的背景和意义11.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状11.3 各类供水系统的比较21.4 本章小结3第2章 变频恒压供水系统理论及方案确定42.1 供水系统的主要参数42.2 供水系统的特性与工作点42.3 变频恒压供水系统能耗分析62.4 变频器的工作原理82.5 变频恒压供水系统的组成92.5.1 压力传感器92.5.2 PLC92.5.3 变频器102.5.4 电控设备112.5.5 工业组态软件112.6 变频恒压供水系统的工作原理122.7 变频恒压供水系统的功能控制132.7.1 双泵切换控制132.7.2 休眠状态控制142.7.3 分时控制15
10、2.7.4 消防状态控制162.8 本章小结16第3章 变频恒压供水系统的硬件设计173.1 PLC及其特殊功能模块的选型173.2 变频器选型173.3 电控设备选型183.4 系统管网设计193.5 变频恒压供水系统主电路设计213.6 交流接触器控制回路223.7 PLC I/O端口分配及外围接线图233.8 变频器接线图253.9 本章小结25第4章 变频恒压供水系统的软件设计264.1 变频恒压供水系统变频器参数设置264.2 PLC程序设计284.2.1 变频恒压供水系统工作流程284.2.2 PLC特殊功能模块304.2.3 PID控制314.2.4 PLC编程方法324.2.5
11、 变频恒压供水梯形图设计344.3 本章小结35第5章 变频恒压供水系统监控界面设计365.1 力控组态软件的构成365.2 力控组态软件的特点375.2.1 力控实时数据库375.2.2 力控HMI组件375.2.3 力控控制策略生成器375.2.4 力控的Web375.3 变频恒压供水系统监控界面385.3.1创建工程画面385.3.2 创建实时数据库395.3.3数据连接405.3.4 动画连接415.3.5 变频恒压供水系统调试结果425.4 本章小结43第6章 总结44致谢45参考文献46附录1 变频恒压供水系统电路图48附录2 变频恒压供水系统程序49前言随着社会的发展和进步，供水
12、问题日益突出：一方面要求提供供水质量，不因为压力的波动而造成供水障碍；另一方面要求保证水的可靠性和安全性，发生火灾时，能够可靠供水。城市中各类供水系统是众多基础设施当中的一个重要组成部分，其供水的可靠性、稳定性、经济性与居民的生活和工厂的生产息息相关。我国人口多，用水量大，如果供水质量不达标，控制方式不灵活，这必然会导致能源大量的浪费。开发高效的供水系统，保障人们用水，这是一个非常有意义的工作。变频恒压供水系统能始终为人们提供可靠的供水。它采用先进的变频调速技术，具有调压调速、机械调速无法比拟的优点。它集自动化、电机拖动等多种技术于一体，是最具前景的过程控制技术。在变频恒压供水系统中，变频器的
13、输出值能跟随用水需要的变化而变化，水泵转速在变频器的控制下也发生改变，从而达到调节供水流量的目的。目前市场上也出现了不少的供水设备，但性能大多参差不齐，缺乏系统的全面性、集成性。有些厂家生产的恒压供水系统采用继电器接触器控制电路，通过控制水泵的启停和调节水泵出口阀门的开度来实现恒压供水，这样不但线路复杂，操作麻烦、维护困难，而且由于驱动电机是恒速运转，水量是靠水泵出口阀门开度控制的，因此浪费了大量的能源。这些供水系统不能满足人们的用水需求，同时还给过程控制带来了很多麻烦。变频恒压供水系统利用流量与转速成正比，而电机的消耗功率与转速的三次方成正比的关系，当需求压力降低时，电动机转速降低，水泵出口
14、流量减少，电动机的消耗功率大幅度下降从而达到节能的目的。它优于之前的各种供水方式，被广泛应用于很多对供水要求高的场合。变频恒压供水系统采用一流的设计理念，运用先进的自动化技术，为人们提供可靠的供水。它是一种真正节能的变频调速恒压供水系统。第1章 绪论1.1 变频恒压供水系统产生的背景和意义水是人类宝贵的资源，是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线。水工业是以城市和工业为对象，以水质为中心，从事水资源的可持续开发利用，以满足社会经济可持续发展所需的水量作为生产目标的特殊工业。它是随着水的商品化和产业化而逐步形成和完善的新兴工业。它是水的开采、加工、输送、回收及利用的综合产业。水是生命之源，我
15、们无时无刻不在与水打交道。可靠的供水是日常生活的保障。高效的供水会给居民的生活带来很大的便利。发出火灾时，充足的水源就显得特别重要。没有足够的水量将火扑灭，损失将会很惨重。同样，在工业中，不稳定的供水会给企业的生产过程造成非常严重的影响，这在一些对供水有严格要求的场所表现地尤为突出。自动化程度低的供水系统也会使企业的工艺流程受到一定的限制。还有，如果供水设备能耗太大，这也会给企业带来很大的经济损失。传统的改变供水压力的方式效率低、能耗大。采用的设备自动供水能力差，用水需求多时，供给却不足。在不大需要用水时，供水又多，这满足不了人们用水的要求。传统供水方式在浪费宝贵能源的同时，又污染了环境。当设
16、备遭到损坏时，又需要投入大量的资金进行维护。变频恒压供水系统能实现水泵的无级调速，在用水量发生变化时能始终保持水压恒定。它具有广泛的应用范围，适用在生活用水、工业用水、消防用水等多种场合。它与传统的供水方式相比，无论是在设备的投资，运行的经济性，还是在系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都有无法相比的优势。1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状国外变频恒压供水系统主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。每台水泵都由一个变频器专门控制，当变频器发生故障时，别的电机不会受到影响。这在很大程度上提高了系统的可靠性。使用这种供水方式，控制方法也变得多种多样。同时，采用这种方式也能实现灵活变压。所
17、以，这种变频恒压供水系统被频繁用在国外一些重要建筑内。但这种供水方式使得电机和变频器的数量一样多，投资成本高。现在，国内有很多公司都生产变频恒压供水系统。这些系统能进行PID控制，实现水管管网压力的闭环调节。用水量发生变化时，系统能随之做出相应的改变，通过调节水泵电机使水压始终保持恒定。这增强了系统控制的准确性。同时，系统能实现多台水泵循环控制，不管用水多还是少，系统都能处于合适的工作状态来达到用水要求，这在提高了运行效率的同时也节约了大量的能源。这些系统的功能有的通过可编程逻辑控制器（PLC）来实现，有的通过单片机来实现，但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能等多方面的综合技术指标来说，还
18、远远没有达到所有用户的要求。它们主要面向小容量用水厂家，这些厂家对供水没有非常严格的要求，对变频恒压供水系统的控制要求也较低，一般的供水系统已经能满足它们的要求。一些大容量用水市场，厂家很注重供水的质量，供水不达到一定的标准，它们的生产就会受到影响。生产出适用于这些厂家的供水设备是有广阔市场前景的。在这些领域，国内公司生产的变频恒压供水系统在技术上有待进一步提高。国内外变频恒压供水系统，不同的厂商有各自的特点。它们在系统中加入了自己性能上的特色之处，使设备能完成各种功能。在各种应用领域都出现了一些质量好、效率高的供水装置。但目前的变频恒压供水系统尚存在一些不足之处。现代控制技术在其中体现地并不
19、明显，网络和通讯技术也尚未在这个领域有深入的发展。同时，具有电磁兼容性的变频恒压供水系统也没有得到很好的推广。当今时代，各种技术相互融合，科技不断进步。如果能将这些渗透到系统中，它的性能将会得到更大的拓展，应用在繁杂的控制中，满足更多用户的需求，以充分发挥它的经济效益和社会效益。1.3 各类供水系统的比较气压罐供水是过去用得比较多的供水方式。以前还经常用的供水方式有：恒速泵加压供水、液力耦合器供水、水塔供水等。气压罐供水具有体积小的优点，这种供水方式技术简单，不受高度限制。但是，在这种供水方式中，水泵电机为硬启动，启动频繁时对电器设备要求较高。为减少水泵启动次数，停泵时压力往往比较高，这使得水
20、泵得在低效段工作。出水压力无谓地增高，也使浪费加大，这限制了它的发展。这种供水方式在过去的一段时间内有被频繁的使用，不过现在，它也不能达到用户的供水要求了。恒速泵加压供水具有很多缺点。它运行过程中产生的水锤效应会对管网产生很多不利的影响。这种供水方式没有采用自动化设备，当管网水压发生变化时，为了保持水压恒定，需要工人在设备旁边对阀门开度进行控制。由此可见，这种供水方式效率低，而且需要投入大量的人力。不仅如此，如果对供水设备不进行适当控制，它的寿命也很短。液力耦合器的供水方式结构简单、价格低廉，这是它相对于其它供水方式的优点。它的不足之处在于只能一对一驱动，需要经常检修，因此要投入一定的资金。还
21、有，这种供水方式易漏油，发热需冷却。如果将其投入运行，它的工作效率也低，而且后期改造麻烦。水塔高位水箱供水主要应用于高层建筑，它运行经济合理、控制方式简单。在短时间维修时，它可以不停水。它的水泵电机为硬启动，启动电流大，而且频繁启动易损坏联轴器。同时，水箱需要建在高处，这使它的基建投资比别的供水方式大。水塔高位水箱供水占地面积大，维护也不方便。如果在供水过程中没有进行很好的控制，水质也得不到保障。采用这种供水方式，还有一个缺点就是，它会一定程度地污染周围的环境。虽然，它有很多的优点，不过它的这些不足之处也使得它得不到广泛的应用。传统供水方式因自动化程度不高，所以都存在着效率低、可靠性差等缺点。
22、当前，人们对供水的要求越来越高，只有供水得到了保障，人们的日常生活和工业生产才有所依靠。传统的供水方式已不能满足人们的用水需求。变频恒压供水系统克服了传统供水方式的缺点，它采用先进的自动化技术，在保证供水质量的同时，还节约了大量能源。它不但使供水效率得到了显著的提高，而且还保护环境。它的工作原理与传统供水方式完全不同，它采用变频调速技术，在用水量发生变化时能始终保持水压恒定。正是因为它具有传统供水方式无法比拟的优点，所以它被频繁地应用在生活和生产中。1.4 本章小结在社会快速发展的今天，供水成为了一个焦点问题。传统的供水方式在水质、水量等方面都不能达到当今人们的要求，变频恒压供水系统的产生取代
23、了各种传统的供水方式。它以优异的性能被广泛应用在各种场合。我国的变频恒压供水系统采用的是一台变频器带动多台水泵运行的工作方式。它适合一些小容量用水市场，在对供水有严格要求的场所，它在技术上还得进一步改进。第2章 变频恒压供水系统理论及方案确定2.1 供水系统的主要参数（1）扬程H。扬程指水位从一处变为另一处的水位差，它的单位是m。（2）全扬程HT。全扬程表示的是水位的最高值与水被吸入时的水位差。全扬程的值越大，表示水泵能将水上扬的高度越高。（3）实际扬程HA。在实际情况下，水泵上扬水的能力会受到一些因素的影响，实际扬程指的是水位上升的值。（4）损失扬程HL。水泵在将水上扬时未能将水位提高到理想
24、的值，在此过程中损失的高度称为损失扬程。（5）流量Q。流量与管道截面与水流速度有关，一般情况下，截面不变，水流越快，流量越大。流量的单位是m3/min。（6）管阻R。水在供水系统中流动时会受到一定的阻力，这些阻力是由供水系统管网造成的，我们机这个阻力称为管阻。（7）压力P。压力表示的是管网中某一处的水压。2.2 供水系统的特性与工作点1. 供水系统的特性（1）扬程特性。如果阀门开度不变，供水系统中的水泵在某一转速下为用户供水，全扬程与流量间会存在一定的关系，这就是扬程特性。图2-1表示的就是扬程特性。在流量为Q1时，扬程对应为HT1，这便是A1点表示的情况。当流量增大为Q2，A1点下移至A2点
25、，对应的扬程为HT2。从图中可以看出，流量越大，全扬程越小。图2-1 扬程特性 图2-2 管阻特性（2）管阻特性。管阻特性与扬程特性正好相反，当水泵电动机的转速为定值，对阀门开度进行改变，相应的，此时全扬程与流量间又会存在另一种关系，我们称这种关系为管阻特性。这里的流量指的是供水流量。需要说明的是，在实际情况中，管网中的流量是具有连续性的特点的，因此无需区分什么是供水流量，什么又是用水流量。这里的流量是假设出来的一个量，这样能够方便阐述供水与需水间的关系。管阻特性曲线如图2-2所示。流量QG为0，全扬程小于等于实际扬程时，系统无法供水的。扬程在HT1时，流量处在Q1点如图中B1点所示。当扬程上
26、升为HT2，流量也移至Q2点。简而言之，通过改变阀门开度来调节流量，流量是随着扬程的增大而增大的。2. 供水系统的工作点（1）工作点。当QG为0，需要的扬程与实际扬程相等。它说明，如果全扬程不比实际扬程大的话，系统是不能为用户供水的。在图中，扬程特性与管阻特性有一交点，这一交点就是系统的工作点。也就是说，在N点，供水系统两种特性都满足。这点表明，此时阀门为全开状态，水泵以最大转速运行。N点被称作自然工作点，也被叫作额定工作点，它表示供水系统正处在额定状态。图2-3 供水系统的工作点（2）供水功率。水泵电动机在供水过程中会消耗一定的功率，这个功率称为供水功率，用PG表示PG=CPHTQ在上面的式
27、子中，CP是比例常数。显而易见，PG与扬程和流量的积成正比。在图中，供水功率与点O、A、N、G形成的面成正比。2.3 变频恒压供水系统能耗分析1. 调节流量的方法节能方面的问题与流量直接相关。以前用的比较多的是阀门控制法。现在，这种方法已经不用了，取而代之的是转速控制法。（1）阀门控制法。阀门控制法，顾名思义，即通过改变阀门开度来调节流量，在这种方法中，水泵电机的转速是不变的。如果用水量增多，使阀门开度便可满足供水要求。换句话说，在此过程中，变化的是管阻特性，扬程特性是不变的。如图所示，原来的扬程特性是曲线，管阻特性是曲线。当流量为QE时便能达到用户用水要求，使阀门开度变小，管阻特性会变成曲线
28、，扬程特性曲线不变，这时，E点变为了工作点。由供水功率的公式可知，PG与点O、D、E、G形成的面积成正比。（2）转速控制法。在通过改变转速来调节流量时，水泵的阀门开度是不变的，一般为最大开度。现在的供水系统一般用的都是转速控制法，它在节能等方面有着非常显著的效果。转速控制法与阀门控制法相反，在调节流量的过程中，变化的是扬程特性，管阻特性则保持不变。如果用户用水量降为QE时，转速降低，扬程特性从曲线变为曲线，管阻特性还是曲线不变，此时工作点变为C点。供水功率与矩形ODCK的面积成正比。图2-4 调节流量的方法2. 转速控制法能耗分析（1）供水功率的比较。在上述的比较后，很明显就可以看出，在需求流
29、量一样的情况下，转速控制法在节能方面的特性比阀门控制法要好。矩形ODEJ与矩形ODCK的面积之差即为转速控制法能节约的功率。（2）水泵的工作效率1）工作效率的定义。P为水泵的工作效率，它可以表示为：P=PG/PP在上面的式子里，PG表示的是水泵的轴功率，也可以称为水泵的取用功率；PP指的是供水功率，它是根据实际情况算出来的功率。水泵的工作效率，一方面指的是水泵自身的效率，另一方面也代表了供水系统的效率。2）近似计算公式。用*表示水泵工作效率的相对值，它的近似计算式：P*=C1(Q*/n*)C2(Q*/n*)2上式里，P*、Q*、n*分别是效率、流量与转速的相对值。C1和C2是常数，在一般情况下
30、，C1C2=1。 图2-5 效率曲线图3）不同的工作方式。将阀门关小，流量随之减少，因为转速保持不变，所以n*为1，Q*/n*依然为Q*，如曲线所示。当流量的相对值为0.6的时候，它的效率即变为B点。可以看出，流量在减少时，水泵的工作效率会发生显著的降低。转速控制方式则不同，在这种情况下，阀门开度不变，流量与转速是成正比关系的，所以Q*/n*是一个确定的值，如曲线所示。当流量相对值同样为0.6时，工作效率在于点C的位置，它和点A的效率是一样的。换句话说，转速控制法优于阀门控制法，前者比后者在工作效率方面要大很多。2.4 变频器的工作原理异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为式中，同步转速，r
31、/min； 定子电流频率，Hz； P栅极对数。异步电动机的轴转速为式中，s异步电动机的转差率，。供电频率的改变便可以带动同步转速随之变化，根据这个原理，电机便能实现调速工作。三相异步电动机定子每相的电动势有效值为式中，旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势，V； 定子电流频率，Hz； 定子相绕组上的有效匝数； 每极的磁通量，Wb。从上面的公式可以看出，和一起决定的大小，如果把握住对两者控制，就可以使不变。（1）以上分析表明，为保持不变，如果频率降低，旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势也得跟着降低，也就是说，得始终保持。上述的控制方式最终能使保持不变，它是恒磁通变频调速。事实上，我们很难将感应电
32、动势和供电频率的值检测出来，并对其进行控制。如果忽略定子的漏阻抗压降，在这个时候，我们近似认为感应电动势与定子相电压相等。换句话说，只需使为常数，便能达到相同的效果。常说的恒压频比控制方式就是这个，在此过程中，始终不变，所以它是近似的恒磁通控制。需要指出的是，在通用变频器中，和之间有多种函数关系，这得根据实际的工作状况和运行状态进行选择。（2）假设频率的额定值为，此值增大时，上升到额定电压便不能继续增加，这个时候只能使等于不变。这种情况下，主磁通随频率增加而减小，这样，上升到额定电压便不变了。当频率上升时，主磁通便会随之减小。在这个过程中，功率近似保持不变，可以认为它是恒功率的调速方式。2.5
33、 变频恒压供水系统的组成变频恒压供水系统是采用先进工业控制技术的高度自动化设备，这从它的组成就可以看得出来。变频恒压供水系统由压力传感器、可编程序控制器、变频器、电控设备、工业组态软件等组成。系统中的每一部分都是重要的，少了其中一样，整个系统便不能正常运行。这几部分协调工作，自动调节管网水量，为用户供水提供了可靠的保障。2.5.1 压力传感器安装在用户总管的压力传感器实现管网压力检测，实时测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为420mA的电信号。管网压力信号是恒压供水系统控制的关键参数。由于检测的信号是模拟的电信号，PLC只能进行二进制运算，所以，必须有A/D模块转换为数字量，才能使
34、用PLC内部的CPU进行运算，与程序中的设定值进行比较，参与PID运算，输出变频器频率设定端的值，改变变频器的输出频率，从而保持水压恒定。通过PLC的PID控制，当用户使用流量增大时，根据水泵特性，水泵出口压力降低，压力传感器将压力作为反馈信号送到PLC，通过调节后刷新输出，送给变频器，使变频器增大输出频率，水泵电动机转速也随之增大，管网压力提高。管网流量减小时的原理是一样的。2.5.2 PLC可编程序控制器简称PLC，是20世纪60年代以来发展极为迅速、应用面极为广泛的工业控制装置，是现代工业自动化控制的首选产品。一开始，PLC便具有灵活性、高可靠性和小型化的特点，用它可以代替繁琐的继电接触
35、控制。现在，PLC中运用了计算机技术和微电子技术的新成果，从而有了新的发展。可以看到，在单机的自动化控制中，PLC的作用是显而易见的。在现代大型生产线的控制到整个企业的生产，PLC均扮演着非常重要的角色。PLC非常适用在工厂和企业，因为它一开始便是为工业环境使用而设计的。它取代了传统的继电器控制系统，实现了生产过程更加方便的控制。PLC克服了继电器控制系统的很多缺点，因此，它在很大程度上提高了企业的生产效率。与计算机相同，它带有存储器，能够存储指令。它能进行数字运算。还有，在它里面也具有一个控制器，用其可以进行程序编制。输入输出点在PLC中有着很重要的作用，利用它们便可以实现I/O设备间信息的
36、传输。PLC是整个控制系统的核心部分。它接收、采集系统传来的压力信号，使用相关的程序处理、运算，输出相应的控制信号；接收人机接口和通信接口的数据信息，通过分析这些数据，控制变频调速器和接触器等电气元件。图2-6 变频恒压供水系统的组成2.5.3 变频器随着工业自动化的快速发展和对调速性能要求的提高，变频器在各行各业的应用越来越广泛。采用变频器对电动机进行控制，由于调速灵活、可靠性高，因此得到了很大的推广。变频调速以其优良的高效连续调速和启制动性能，高功率因数和节能效果及其它许多优点而被认为是很有发展前景的调速方式。20世纪70年代，晶闸管、晶体管等电子器件的成功生产，为变频调速技术的研究开发和
37、广泛应用奠定了基础。刚开始，变频器采用的是脉宽调制变压变频调速技术，后来又产生了U/f控制方式。U/f的控制方式较为简单，它主要是根据电动机的电压与频率比（U/f）进行调速的。它的机械硬度特性较好，能满足平滑调速的一般要求，已在产业的各个领域得到应用。紧接着出现的是转差频率控制方式。它是把电动机转速与转差频率的和作为给定逆变器的输出的一种调速方式。由于能够任意控制与转矩电流有直接关系的转差频率，与U/f控制方式相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到了提高。后来出现了矢量控制方法。这种控制方法最终是通过控制电机转矩来实现的。在矢量控制方法中，定子电流矢量是很重要的，通过它便能控制电机的转矩电流
38、。矢量控制方法的提出是具有跨时代意义的，它的优点非常明显。它使得异步电动机的机械特性和他励直流电动机的机械特性完全一样。接着又有了直接转矩控制技术。直接转矩控制是一种非常先进的电机控制技术，它在很大程度上弥补了矢量控制方式的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。电动机的转速控制主要由变频器来实现，变频器接收PLC的D/A模块输出的数据，改变输出的频率，从而实现水泵电动机的转速控制。加入了变频器，电动机方能实现无级调速。2.5.4 电控设备电控设备环节主要由低压断路器、接触器、保护继电器、转换开关和按钮组成。低压断路器是常用的保护电器。它有手动和自动两种控
39、制方式，利用它能对设备进行各种保护，充分保证人身安全与设备安全。在复杂的电路中，它应用地更是相当频繁。所以，在一些很大的工程中，它被使用在各个地方。当它被用于电动机控制电路中时，它能对电动机实施失压、过载等保护。当电路中出现非常严重的故障时，它能及时切断电路，确保事故不扩大。接触器是一种用于频繁地接通或断开交直流主电路、大容量控制电路等大电流电路的自动切换电器。在功能上接触器除能自动切换外，还具有手动开关所缺乏的远距离操作功能和失压（或欠压）保护功能。接触器生产方便、成本低，主要用于控制电动机、电热设备、电焊机、电容器组等，是电力拖动自动控制线路中应用最频繁的电器元件。电动机在运行过程中，经常
40、会有过载的情况。如果过载的时间短，电动机的绕组温升不高，这种过载是不会造成事故的。但是，倘若过载电流很大，电动机长时间处于过载状态，它的使用寿命会因此缩短。热继电器能在电动机出现过载时及时切断电路，为电动机提供保护。热继电器的组成部分有双金属片、热元件、和触头。电动机过载时，热元件的电流增大，双金属片上的热量也会跟着增大，触头因此被推动动作，电路被切断。2.5.5 工业组态软件组态软件指的是能进行过程控制的软件。它在采集数据之后，能将其用于具体工艺流程的过程控制，这是它与别的软件一个很大的区别之处。在一些生产过程很复杂的流程中，传统的控制方式存在相当多的缺点，这在很大程度上影响了企业的生产效率
41、。生产过程步骤越多，传统控制方式的缺点也就越明显。组态软件的出现很好地解决了这些问题，它在克服传统控制方式的缺点的同时，还具备各种适用在工业环境下的设计。因此，有很多老厂都在考虑用功能强大组态软件取代传统的控制方式。通过组态软件，工厂或企业能实现运行系统的远程监控。在很远的地方，通过鼠标或键盘便能对设备进行操作。也就是说，一方面，它为系统的控制提供了相当大的方便，另一方面，它也提高了系统的运行效率，这些在企业的生产中都是很重要的。利用组态软件能够建立用户自己喜爱风格的人机界面，这对企业进行生产控制有很大帮助。为了使操作者与系统能进行信息交流，显示系统的运行状态并实现对系统的操作，设计了上位机监
42、控软件。操作者通过监控计算机，可以根据系统需求很方便地对压力设定值进行设定、改变控制方式，并可以方便地启停系统、切换系统的控制方式。另外，历史数据可以让操作者了解系统的历史曲线及数据，知道系统的总体运行情况。2.6 变频恒压供水系统的工作原理变频恒压供水系统采用的是变频调速技术，这与传统的供水方式完全不同。这种供水方式具有运行可靠、控制方便的优点。而且，它投资小、效率高，还有，它在提高设备自动化程度的同时，节能效果也非常显著。因此，它在供水要求严格的场合中被频繁采用。变频恒压供水系统从诞生到现在，它的结构与功能一直在不断地完善。以前一般采用的是单台泵的供水系统，目前这种方式不被采用了。当今，企
43、业用的比较多的是多泵循环供水系统。现在，变频恒压供水系统正往高可靠性的方向发展。同时，高度智能化也是评价变频恒压供水系统中一个非常重要的指标，也只有这个指标达到要求了，供水才会更加方便。图2-7 总体控制原理图变频恒压供水系统与传统的供水方式一个很大的不同之处在于，它能实现水泵的无级调速。众所周知，用户的用水量不是始终不变的，当用水量发生变化时，变频恒压供水系统能一直保持水压恒定。事实上，也只有这样，才能达到人们的用水要求。人们用水的多少是随时变化着的。当人们需要大量的水，如果此时供水设备不能提供充足的水，这样的话，管网压力就低。相反，在用水低谷，如果供水系统提供的水量过多，这反应在管网上，压
44、力就高。如果能始终保持供水压力恒定，这会在很大程度上提高供水的效率。管网中的水压信号通过总水管上的压力测量环节测得，测得的压力值被转换为标准的电信号，在PLC中A/D模块的转换下，模拟的压力信号被转换为数字压力信号。PLC在供水系统中起重至关重要的作用，相关的信号采集与数据运算都是在它里面进行的。经过PLC内部PID程序的运算处理后，PLC的D/A模块把运算结果的数字量转换为模拟量，送至变频器频率控制端，从而调制变频器频率、改变电动机的转速、调制管网流量、维持水压恒定。为了进一步提高小区供水系统的控制灵活性，操作的方便性，供水系统在PLC及变频器控制的基础上增加了上位监控界面。上位机与PLC进
45、行通信，显示压力数值，控制系统启/停，设定及修改压力值，同时显示系统运行状态，记录系统的历史数据。2.7 变频恒压供水系统的功能控制2.7.1 双泵切换控制变频恒压供水系统中有4台水泵，由于其中2台常规泵处在变频循环方式；所以这2台常规泵处在变频和工频两种状态。如下图：图2-8 变频与工频之间的切换交流接触器内置机械连锁装置，当变频器的输出端与工频电源间的电路中发生短路故障时，交流接触器能使故障不扩大，保证设备安全。电源线在连接时应非常小心， L1、L2、L3应接变频器的R、S、T，如果将其接至U、V、W，这会造成很严重的故障，变频器随之便会损坏。系统在启动前需要对各个泵进行调试，只有在确定没
46、有问题后，才能将系统投入工作。单泵控制即一个简单的单回路压力定值控制，它是变频恒压供水系统中最简单也是最基本的一个环节；逻辑状态的切换依靠单回路控制（PID）的运算结果、时间逻辑（休眠控制）和外部信号（消防控制）输入3种条件的组合进行控制。双泵切换、休眠泵启停、消防泵启停都依赖单泵控制功能的实现。双泵切换是建立在单泵控制的基础上的。双泵切换是变频恒压供水设备的基本功能。变频恒压供水系统中的双泵切换是依靠单回路控制（PID）的运算结果和时间逻辑来控制两台常规水泵（常规泵1和常规泵2）之间的切换的。按下启动按钮，系统开始运行，常规循环泵1处于变频运行状态。随着用户需水的增多，如果1号泵频率上升至最大50Hz，系统还是不能提供足够的水。在这个时候，系统将1号泵转为工频运行，同时2号泵变频运行，直至水压满足要求。在人们用水少，系统提供过多的水时，变频器会带动2号泵使之转速下降，如果2号泵的频率下降至最低0Hz，系统提供的水还是太多，此时，变频恒压供水设备会把2号泵停掉，让1号泵从工频再转为变频运行，让系统回到只有1台泵控制的状态，
