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1、摘要本论文根据中国城市小区的供水现状：供水压力低，无法满足高层用户用水的要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统,。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，并利用组态软件开发良好的运行管理界面及PID控制器，满足了用户对恒压供水系统的要求。在电机总功率确定的条件下，采用三台电机分别拖动水泵，组成变频循环运行方式，达到节能效果。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
2、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、报警的查询等管理功能。该设计对其他需要恒压液体传输的管网也具有重要的参考价值。关键词：变频调速，恒压供水，PLC，组态软件AbstractAccording to the requirement of Chinas urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, and have develope
3、d good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition.The system is made up of PLC, transducer,units of pumps,pressure sensor and control machine and so on. This system is formed by three pump generators,and they form the circulating run mode of frequency conversion. W
4、ith general frequency converter realize for three phase pump generator soft start with frequency control,operation switch adopts the principle of”start first stop first”. The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure,via PLC with set value by carry out PID comparison operation,so,con
5、trol frequency and the export voltage of frequency converter,and then the rotational speed that changes pump generator come to change water supply quantity,eventually,it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value. Through work control machine the connection with PLC,with gro
6、up form software consummately systematic monitoring,have realized operation state development to show and data,report to the police inquiry.Keywords: variable frequency speed-regulating, constant-pressure water supply, PLC, supervision control and data acquisition.目录摘要1Abstract2引言31概述41.1本课题研究的目的和意义
7、51.2本文主要的研究内容52变频恒压供水系统的理论分析62.1变频调速的原理62.2水泵调速运行的节能原理62.3供水压力和变频器输出频率的关系62.4变频恒压控制的理论模型62.4.1变频恒压供水系统的原理框图52.4.2变频恒压供水的近似数学模型53变频恒压供水系统的构成及控制原理73.1变频恒压供水控制系统的方案设计与选择73.2变频恒压供水系统的组成73.2.1执行机构73.2.2信号检测73.2.3控制系统73.3变频恒压供水系统的控制流程73.4变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析74变频恒压供水系统的硬件设计84.1系统的硬件组成及其功能84.2系统主要设备的选型84.3系统主
8、电路分析及其设计84.4系统控制电路分析及其设计84.5 PLC的I/O端口分配及外围接线图85变频恒压供水系统的软件设计85.1 PLC程序设计85.1.1控制系统主程序设计85.1.2控制系统子程序设计85.2 PID控制器参数整定85.2.1 PID控制及其控制算法85.2.2 PID参数整定8结论10参 考 文 献10附录11致谢12引言1 概述1.1 本课题研究的目的和意义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。由于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。利用变频技术与自动控制技术相
9、结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证系统的安全可靠运行. 近年来，随着交流变频调速技术、计算机技术和PLC控制技术的迅速发展并日趋完善，使得PLC控制技术和变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机无极调速，极大的改善了给水管网的供水环境。供水系统可根据供水管网的用水情况，按照管网瞬间压力变化，通过PLC控制器控制和变频器，实时自动调节水泵电机的转速和多台水泵电机的投入及退出，使管网主干出口端压力保持在恒定的压力设定值，有效地防止管网湍振而出现的管路爆裂现象。变频恒压供水系统具有供水质量高、灵活性强、电机起制动平稳、无水锤效应、
10、占地面积小、设备投资少、噪音低、日常维护费用低、设备综合利用率高等优点，而且提高了供水系统的稳定性和可靠性，达到了节水、节能的目的，保证了生活用水的无污染，具有很好的社会效益和经济效益。1.2 本文主要的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
11、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。2 变频恒压供水系统的理论分析2.1 变频调速的原理 异步电动机的转速:n=60 f(1-s)/p(其中
12、f为电网频率;s为电动机转差率; p 为电动机极对数),由此可知,转速n与频率f成正比, 只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0 50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。变频恒压供水系统采用一电位器设定压力, 采用一个压力传感器(反馈为4mA 20mA)检测管网中压力,压力传感器将信号送入变频器PID回路,PID回路处理之后,送出一个水量增加或减少信号,控制电机转速。如在一定延时时间内,压力还是不足或过大,则通过 PLC作工频/变频切换,使实际管网压力与设定压力相一致。另外,随着用水量的减少,变频器自动减少输出频率,调节电动
13、机的转速。2.2 水泵调速运行的节能原理在供水系统中,通常以流量为控制目的,常用的控制方法有阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过改变阀门的开启度来调节流量, 水泵电机的转速保持不变。其实质是通过改变管路中的阻力来实现流量的调节,因此管阻将随阀门开启度的变化而改变,但水泵的扬程特性不变。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量, 而阀门开启度保持不变,其实质是通过改变水的动能来调节流量。因此,扬程特性将随水泵转速而发生改变,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
14、则电机减速。供水管网及水泵的运行特性曲线如图 1所示。当采用阀门控制时,若供水量高峰期水泵工作在E 点,此时水泵流量为, 扬程为; 当供水量从减小到 时,必须关小阀门,此时阀门的摩擦阻力变大,阻力曲线从移到 ,扬程则从升至 , 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 , , F, )围成的矩形部分,其值为: ( 2.1)当采用调速控制时, 若采用恒压 ( )变速泵()供水, 管阻特性曲线为, 扬程特性变为曲线,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 , , D, )围成的矩形面积,其值为: ( 2.2)改用调速控制可节约的能耗为由 (,
15、D, F, )围成的矩形面积,其值为: ( 2.3)可见,当采用阀门控制流量时有 P 功率被浪费,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,导致被浪费的功率随之增加。HH2H1H00Q2Q1QFEDn1n2b1b2b3图2.1 网管及水泵的运行特性曲线 根据水泵变速运行的相似定律, 变速前后的流量Q、 扬程H、 功率P 与转速N 之间的关系为: ； ； (2.4)式中：、为变速前的流量、 扬程、 功率、为变速后的流量、 扬程、 功率由式(2. 4)可知,与阀门控制方式相比, 调速控制方式的供水功率要小得多,节能效果显著。2.3 供水压力和变频器输出频
16、率的关系在变频恒压供水系统中，供水压力是通过对变频器输出频率的控制来实现的。确定供水压力和输出频率的关系是设计控制环节控制策略的基础，是确定控制算法的依据。送水泵站所采用的水泵是离心泵，它是通过装有叶片的叶轮高速旋转来完成对水流的输送，也就是通过叶轮高速旋转带动水流高速旋转，靠水流产生的离心力将水流甩出去。离心泵也因此而得名。在给水排水工程中，从使用水泵的角度来看，水泵的工作必然要和管路系统以及许多外界条件联系在一起.在给水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系统称为 “装置”，在控制系统的设计中，真正对系统的分析和设计有价值的也是这种成为系统的装置，而不是单单的孤立水泵。在水泵结构和理
17、论中，供水系统的主要参数如下:扬程（H） 单位重量液体通过水泵后能量的增量；流量（Q） 水泵在单位时间内所输送的水体体积；轴功率（N）原动机输给水泵的功率成为水泵的轴功率；效率（）水泵的有功功率和轴功率之比；转速（n）水泵叶轮的转动速度。根据水泵理论：图2.2大气压大气压V1V2E-2E-3E-1PVPd 图2.2 离心泵设置 (2.5)其中：真空表读数；压力表读数；水的容量水泵出水口测量点与进水口测量点位置差造成的附加扬程，水泵出水口与进水口的动能增量转化的扬程由于水泵在送水过程中，清水池水位一般高于水泵的测量点，所以不存在进水口抽真空，所以在进水口的真空值为0.水泵进水口与出水口都沿水平方
18、向放置，位置差为0。水泵在正常工作时，动能的变化相对较小。考虑这些具体情况，上式可以改写为: (2.6) 从上式可以看出，当变频器的输出频率一定的情况下，当用户用水量增大，从而Q增大时，压力表的读数将会变小，即管网供水压力将会降低。为了保持供水压力，就必须增大变频器的输出频率以提高水泵机组的转速;当用户的用水量减小时，Q减小，在变频器输出频率不变的情况下，管网的供水压力将会增大，为了减小供水的压力，就必须降低变频器的输出频率.由于用户的用水量是始终在变化的，虽然在时段上具有一定的统计规律，但对精度要求很高的恒压控制来讲，在每个时刻它都是一个随机变化的值。这就要求变频器的输出频率也要在一个动态的
19、变化之中，依靠对频率的调节来动态地控制管网的供水压力，从而使管网中的压力恒定。2.4 变频恒压控制的理论模型变频调速恒压供水系统控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不确定的对象。对它的控制仍属于工业过程控制的范畴，它以供水出口管网 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而变化。 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。 2.4.1 变频恒压供水系统原理框图PIDD/A变频器接触器水水泵机组管道压力变送器A/D给定PLC管网压
20、力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。变频恒压供水系统的结构框图如图2.3所示： 图2.3 变频恒压供水系统框图 Fig 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，
21、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。2.4.2 变频恒压供水的近似数学模型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，难以得出它韵精确数学模型，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，至管网压力达到稳定要求时经历两个过程： 1.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； 2.水泵将水充满整个管网，压力
22、随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程。 系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测等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滞后的一阶惯性环节，即： (2.7)式中： K为系统的总增益, T为系统的惯性时间常数，为系统滞后时间。 3 变频恒压供水系统的构成及控制原理3.1 变频恒压供水控制系统的方案设计与选择变频恒压供水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
23、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，有以下几种方案该方法：( 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，但压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦，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
24、片机 ( 包括变频控制、调节器控制 )+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,具有较高的性能价格比，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)+ 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的控制系统 。在硬件设计上
25、，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，控制要求发生改变时，可以方便地通过P C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“ 变频器主电路十PLC( 包括变频控制、调节器控制+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 。 3.2 变频恒压供水系统的组成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
26、器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统。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：3.2.1 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。3.2.2信号检测在系统控制过程中，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
27、。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。3.2.3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
28、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，
29、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，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。3.3 变频恒压供水系统的控制流程PLC(含PID)变频器压力变送器M液位变送器用户M管网压力信号报警信号水池水位信号水泵机组水池
30、图3.1变频恒压供水系统控制流程图Fig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
31、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
32、减少水泵的条件时，系统将工频泵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。3.4 变频恒压供水系统中加减水泵的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
33、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
34、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，实际供水压力也会在很大的压力范围内震荡。这样的工作状态既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
35、运行寿命。另外，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。所以，在实际应用中，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。实际的机组切换判别条件如下：加泵条件： 且延时判别成立 减泵条件： 且延时判别成立 式中：上限频率 ：下限频率：设定压力 ：反馈压力4 变频恒压供水系统的硬件设计4.1 系统的硬件组成根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图4.1所示：A/D模块可编程控制器（PLC）通讯模块变频器故障、状态等量输入报警、控制等量
36、输出上位机、组态等压力变送器人机界面软启动、自偶变压器水泵机组图4.1 系统的电气控制总框图Fig由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。主要设备选型如表4.1所示：表4.1 本系统主要硬件设备清单主要设备型号及其生产厂家可编程控制器（PLC）Siemens CPU 226模拟量扩展模块Siemens EM 235变频器Siemens MM440水泵机组SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限公司）压力变送器及显示仪表普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪液位变送
37、器分体式液位变送器DS264.2 系统主要设备的选型及其功能一 PLC及其扩展模块的选型PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择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。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用西门子公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。西门子公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协
38、议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口(PPI)协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM2
39、35，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。二 变频器的选型变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。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U/f
40、控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f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，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自
41、定义。快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。MicroMaster440变频器的输出功率为0.7590KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。三 水泵机组的选型水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电动机额定功率75KW，供水压力控制在0.30.01Mpa。根
42、据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定确定采用3台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低(室外噪音60分贝)、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。因此本设计中选择电机功率为75KW的上海熊猫机械有
43、限公司生产的SFL系列水泵3台。四 压力变送器的选型 压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为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420mA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
44、行报警输出。根据以上的分析，本设计中选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围01Mpa，精度1.0；数显仪输出一路420mA电流信号，送给与CPU226连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。五 液位变送器的选型 考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。本设计要求贮水池水位：2m5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准电信号（420mA电压信号），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入PLC。综合以
45、上因素：本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为DS26分体式液位变送器，其量程为：0m200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；零点和满量程外部可调；供电电源：24VDC；输出信号：两线制420mADC精度等级：0.25级。4.3 系统主电路分析及其设计基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图4.2所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。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分别为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。本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。M1M2QS1QS2QS3KM1KM3KM2KM4FR1FR2FUR S T变频器U V WNL1L2L3KM5KM6QS4FR3M3图4.2 变频恒压
