基于PLC的恒压变频供水系统毕业设计论文.doc

绪 论近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。传统的自来水厂的供水模式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。供水厂以前虽然也进行过一些技术改造，但是生产系统大部分仍然采用人工手动控制，生产过程中的重要参数仍然依靠人工定时记录，例如清水池水位、电机运行时间、耗电量等都是由值班人员定时记录。随着地区经济的发展，城区居民生活用水和工业用水量大幅度上升。经过改造和扩建，供水厂目前的日供水能力在7.5万立方米左右，仍然不能完全满足用水需求。由于城区用水量中居民生活用水所占的比例比较大，用水量的需求具有时变性。在用水高峰期时，清水池的水位达不到要求高度,管网压力达不到规定的标准压力，造成高层建筑断水。用水低峰期时，管网压力经常超过规定的压力上限，极易造成爆管事故并且能源损耗严重。供水厂原有的生产设备的控制方式比较落后，控制过程烦琐，大部分需要人工进行手动操作，能耗高，而且不能保证供水压力达到压力标准。此外，水厂作为城市供水系统的重要组成部分，其日常的生产、计划、运行和管理都直接影响到城市的安全供水。在这种供水模式下长期以来许多水厂各部门的管理人员采用传统的人工管理模式，通过手工从事繁重的业务管理、各种日报表、月报表、年报表的统计汇总等工作。由于对大量的统计报表的基础数据缺乏科学的分析手段，因此很难为运行管理以及调度提供强有力的决策支持。所以对供水系统的技术改造已经迫在眉睫，技术改造的目的是提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平，这为现在化的恒压供水控制广泛应用提供了条件。恒压供水系统具有如下几个优点：1节电节水 变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大，优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象。 2恒压供水 变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。 3运行可靠 由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，避免了用水的“二次污染”，安全卫生。 4自动运行、管理简便新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。5 联网功能，采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。6延长设备寿命、保护电网稳定 使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。 7控制灵活、 自我保护功能完善 分段供水，定时供水，手动选择工作方式。如果某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。本设计就真对恒压供水控制系统包括软硬件方面在工业实际应用中具体作用进行详细的介绍。系统将PID调节、PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，这个操作方便的自动控制系统，以变频调速为核心，以智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率优质运行，降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。 第1章 恒压供水系统的设计方案1.1本设计系统的方案分析本设计的内容如下：恒压供水的基本控制策略是:采用可编程控制器（PLC）与变频调速装置构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量,自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。本系统是基于S7-200变频调速恒压供水系统的设计。以西门子S7-200系列PLC和西门子专用变频器为核心的恒压供水控制系统设计系统设计采用一控3（3台水泵）自动切换模式，方案由西门子可编程控制器一台、西门子变频器一台、水泵机组（3台）、压力传感器、工控机、及控制柜等组成。系统采用一台变频器拖动3台电机的运行，起动，调速。其中一台大机（45kW）和两台小机（22kW）采用循环使用的方式运行。通过工控机和PLC连接，实现监测控制。通过压力传感器检测管道压力信号不断反馈给变频器，有变频器自动调节所控制水泵的电机转速，当变频器所控制的水泵达到工频时还不能满足要求时由PLC自动把那台水泵切换到工频运行，把变频器自动切换到下一台水泵使其软启动运行，当供水量减少时在自动进行切换，减少水泵运行台数，实现自动控制。系统设计时考虑到水泵切换时电机的自感电动势现象，各种连锁保护及报警、应急措施。还要根据工作情况实时的对水泵进行切换使大泵轮流担任主泵。其具体设计思路如下：1通过介绍恒压供水应用研究的目的和意义。介绍变频器和PLC等技术的原理、应用、发展及其各自的特点和在恒压供水系统中的发展前景。2变频恒压供水系统的理论原理硬件设计 。主要介绍由PLC和变频器控制的变频调速恒压供水系统的工作原理；以及系统调速范围的确定。硬件设计包括了设计框图、原理图、PLC外部接线图、确定安装模拟控制板的元器件数量等内容。3系统软件设计。主要介绍变频调速恒压供水运行软件的总体结构设计，写出语句表。软件设计主要包括了编程软件的简介和梯形图的基本绘制规则、控制系统主程序设计、软件设计、编程中应注意的细节问题、系统控制方式选择、S7-200/CPU226内置PID功能及其编程介绍等内容。4.结合电力安全章程，把安全问题作为本套设计方案的一切设计过程的重要参照条件。1.2 变频供水系统的介绍及变频器的控制方式变频器主要是用来调速的，变频调速有很多的优点。变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能PID调节器、压力变送器、plc控制单元等部分组成，控制系统原理图如图1-1所示。 图1-1恒压供水系统控制原理框图三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，所以在实际应用中异步电动机的应用最为广泛。异步电机的调速方法很多，例如无极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。随着电子技术的发展、完善，变频调速所具有的调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。而发展到现在为止交流电机的变频调速技术已经发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式可节电4060，节水1530。通用变频器的发展正是把变频调速和电力电子技术完善的结合起来，特别是近几年来随着微机技术的日新月异,现代技术的迅速发展和现代调速控制理论的长足进步,通用变频器不仅用于一般性能的调速控制而且已经用于高性能、高转速、大容量调速控制方面。其多用途，高可靠性和明显的节电效果迅速广泛地应用各种大型自动化生产线和各类电机控制上，变频器不仅可以单台工作，也可以多台分别控制各自的被控对象，并相互串联，与计算机进行通迅，采用计算机对变频器网络的集中控制，形成连续生产线的调速控制系统。变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。在恒压供水控制系统中变频器可以根据用水及管压情况适时的调节控制水泵的电机，且一台变频器通过自动切换可以控制多台水泵的运行，这种多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和工况调。变频器有多种结构类型，但工业主流的变频器不论交交变频器还是交直交变频器都有类似的结构如下：图1-2变频器的基本结构变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。1.3变频调速的节能、调速原理1V/F控制 异步电动机的转速与定子电源频率f和极对数有关，改变f 就可以平滑的调节同步转速，但是频率f的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象，所以在改变f的同时，还需要调节定子的电压，使气隙磁通保持不变，电动机的效率不下降，这就是V/F控制。V/F控制简单，通用性优良。2转差频率控制 检测出电机转速、构成闭环、速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。由电机学的基础知识可知只要保持气隙中磁通一定，控制转差频率f2就可以控制电动机的转矩，这就是转差频率控制。与V/F控制相比其加减特性和限制过电流的能力得到提高。3矢量控制 矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电动机一样的优良的调速性能。由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）× H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。如：一台水泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5。在对水水泵控制过程中,水泵工控点的确定对系统稳定高效有着重要的作用。 水泵工作点（工况点）是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。水泵的扬程H计算公式如下:H=PR-PV+(V2-V1)/2g+z （1.1）H水泵的扬程，单位：米；PR水泵出口压力表读数，单位：米；PV水泵进口压力（真空）表读数；V2、V1水泵出口、入口处的流速，单位：米/秒；z 出口、入口表计的安装高差，单位米；G 重力加速度，米/秒。一般工程计算中扬程简化计算公式如式（1.2）。H=PR-PV （1.2）式（1.2)给出了水泵的扬程与出水压力间的相互关系。水泵的工作曲线均表示为流量Q扬程H曲线，而纵观调速水泵的控制方式，则以水泵出水压力PR作为控制参数，因而，笔者利用水泵的流量Q出水压力PR曲线作辅助分析，为有所区别，将曲线上的点分别称为工况曲线及工况点。如果把某一水泵的性能曲线（即H-Q曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中（图1-3），则这两条曲线的交点A,就是水泵的工作点。 工作点A是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在A点。若把水泵的效率曲线-Q也画在同一坐标系中，在图1-3中可以找出A点的扬程HA、流量QA以及效率A。图1-3 水泵工作点的确定从图1-3中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证供水工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。在变频调速恒水位供水过程中，水泵工况点的变化如图1-4所示：图1-4水泵工况点的变化当P1、P2高于P0时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线A1、A2 向A0方向变化，此时水泵转速逐渐降低，管网口压力也由P2、P1逐渐下降，当P1低于P0时，其工况点变化与上述相反即由A1逐渐向A0移动，使管网系统供水始终保持恒定。图1-5 水泵变速恒压工况根据1-5图水泵变速恒压工况分析：当管网用水由Q2、Q1.向Q0移动时，通过改变水泵转速使P0保持恒定。变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程如下：首先，交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系：n =60 f(1-s)/p （1.3）式中S为转差率，P为极对数。不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n。改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从n1降低到n2。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速n,可使供水泵流量Q、扬程H和轴功率N以相应规律改变。Q1/Q2=n1/n2 （1.4）H1/H2=(n1/n2)2 （1.5）P1/P2 =(n1/n2)3 （1.6） H =KQ2 （1.7）式1-5是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。在变频调速恒水位供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。其工况调节过程可由图1-6来说明。图1-6 变频调速恒压供水水泵工况调节图由图1-6可见，设定管网压力值（扬程）为H0，管网初始用水量为QA，初始工况点为A，水泵电机的转速为n1，工作点A的轴功率即为AH0OQA四点所围的面积。当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成 420A电流信号送往模糊调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率降低的信号，从而降低电机转速至n2,水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点A移至B点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小.。恒压供水系统中压力值恒定在H0,因此水泵工作点又沿着转速n2所对应的水泵性能曲线从点B移至C点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点C点，在图3中可以找出C点的扬程HC、流量QC以及效率C ，工作点C的轴功率即为CH0OQC四点所围的面积。考察水泵的效率曲线h-Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。考虑到水泵的效率, 水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%-100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。1.4系统的方案设计恒压供水系统的设计框图如下:图1-7 系统设计框图本系统由一个变频器和一个PLC组成,由管道传回反馈信号到PLC,经PLC分析处理后输出相应的模拟信号给变频器进而控制电动机的变频,变频器的切换也由PLC通过程序控制。变频器采用一控多的形式，随着用水量的增加由PLC控制变频器的频率不断上升，当要上升到50HZ而还满足不了需要时由PLC控制把此泵自动切换至工频，变频器接至下一台水泵变频工作。当水量减小时，自动减少水泵运行台数，进行工频与变频的切换。变频器工频与变频切换的电路如下图：图1-8 PID调节器和变频器接线图变频与工频切换时必须注意的问题：切换时当图中的KM2断开后，定子绕组的电流和磁场都将立即消失，自感电动势也就立即消失。然而KM2断开时，由于电动机的转子绕组是自成回路的，所以，根据“楞次定律”，转子绕组的自感电动势将阻止电流的消失。这是一个逐渐衰减的不交变电流，其起始值取决于接触器KM2断开瞬间的转子电流值。这个电流将产生一个逐渐衰减的磁场，在转子尚未完全停住时，将被定子绕组所切割，且在定子绕组中产生互感电动势。如是在定子绕组中的互感电动势尚未消失的情况下接通工频电源，则互感电动势与外加的工频电压相迭加，有可能产生较大的过电流。所以在切换时，是先把电动机接到变频器的接触器KM2断开，经适当的延时后合上KM3，将电动机接至工频电源。这个延时时间在供水系统中通常取0.7-1.0 秒以上。变频调速恒压供水系统具体构成如下图所示，由可编程控制器、变频器、水泵电机组、水位传感器、工控机以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动3台电动机的起动、运行与调速，其中一台大机45KW)和两台小机(22KW)分别采用循环使用的方式运行。PLC上接工控计算机，水位传感器采样水池水位信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的PID模块或模糊模块,PLC根据这两个信号经PID运算或模糊运算，发出指令，对水泵电机进行工频和变频之间的切换。PLC上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒水位供水系统进行监测控制。如图1-9所示:系统包括3台水泵电动机M1、M2、M3，其中M1的功率为45KW、M2为22KW、M3为22KW。该系统为一台变频器依次控制每台水泵实现软启动及转速的调节，实现恒压控制。系统具有变频和工频两种运行状态，当变频器调节频率达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵切换为工频运行状态，并指示下一台为变频泵。主电路图1-8如下所示：其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3工频运行，KM1、KM3、KM5变频运行，KM7控制变频器的工作。选用西门子公司最新的专用变频器MICROMASTER Eco型变频器。 图1-9变频调速恒水位供水自动控制系统组成1.5变频供水系统的应用分析目前，变频供水系统在生活和生产中应用越来越广，其主要原因是： 1、变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水 压力的需要。在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。但在选泵时应注意 ，泵的扬程宜大一些，因为变频调速其最大压力受水泵限制 。最低使用压力也不应太小，因为水泵不允许在低扬程大流量下长期超负荷工作。 2、目前，越来越成熟的变频器技术为恒压供水系统提供了充份支持。大多数的变频器与变频供水控制器配合，都可实现恒压供水，并且有很多变频器设计方案已将变频供水控制器直接做在供水专用变频器中，使其具有可靠性好， 使用方便等优点。3、恒压供水系统具有很好的节能效果。由水泵管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有二 种方法；一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀 ，流量下降。调节流量的第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经 常变化的场合（例如生活用水），采用调速调节流量，具有优良 的节能效果。我国国家科委和国家经贸委在中国节能技术 政策大纲中把泵和风机的调速技术列为国家九五计划重点推广的节能技术项目。应当指出，变频恒压供水节能的效果主 要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频 恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，只要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，可以实现恒压变量供水 。在变频恒压变量供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。 在多泵并联变频恒压变量的供水情况下，当用水流量下降 ，变频调速泵的转速下降（变频器供电频率下降）；当频率下降 到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一 台工频泵使之超出并联供水。为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击（水力的或电流的冲击）。在投入时，变频泵的转速 自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。在超出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的 要求。上述频率自动上升，下降由供水变频控制器控制。另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开 先停的工作模式。在这种供水模式中，当供水流量少于变频泵 在恒压工频下的流量时，由变频泵自动调速供水，当用水流量增大，变频泵的转速升高。当变频泵的转速升高到工频转速，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接 供电（不通过变频器供电）。变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软 启动。 具有变频泵自动轮换控制的变频恒压变量供水系统 ，变频泵是定时改变的，即任何一台并联泵都有可能成为变频 泵。由变频恒压变量供水理论可知，为了保证恒压供水，变频泵必须是各并联泵中的最大者。为此，对于变频恒压供水并 变频泵自动定时轮换的水机，各并联水泵的大小应相同以保 证恒压供水。按变频器工作原理，在运行中的变频器不允许在其输出端 进行切换；否则在切换过程中会使变频器中的某些电子器件受 到大电流冲击而降低其寿命。在变频泵自动轮换过程中，要在变频器的输出端进行切换；为了保护变频器，在进行自动切 换之前应使变频器停止运行。在变频器停止运行的条件下， 在其输出端进行切换。在切换好后再重新启动变频器而恢复正常运行。有些变频恒压供水系统还具有变频泵自动轮换功能，其优点是各并联泵可定时轮换到变频运行，使各并联泵的磨损均衡 。 变压变量供水系统没有通用性，在工程上很少应用。一种实用的变压变量供水系统叫做准变压变量供水系统；在准变压变量供水系统中，其恒压值随用水流量增加而跃阶上升。例如多泵并联恒 压供水，当一台泵工作，其恒压值为P1；当投入一台泵，其恒压值自动变为P1P1；当二、三、四台泵投入，其恒压值分 别自动变为P1P1P2，P1P1P2P3，P1P1 P2P3P4，。其中P1，P1，P2，P3，P4， 可按需要设定；因此，准变压变量系统（设备）的供水特性可以 十分接近理想的变压变量供水特性，具有优良的节能效果，这种供水系统（设备）具有通用性。具有较强的功能，对供水质量、节约能源和运行可靠性具有较好的改善。第2章 控制系统硬件设计图2-1 电流互感器的接线图2.1 主电路设计采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(420)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大于实际最大供水量。在硬件系统设计中，采用一台变频器连接3台电动机，其中3#水泵电机是小机，具有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联；1#、2#水泵电机是大机，只有变频工作状态，每台电机只通过一个接触器与变频输出电源连接。变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据大机的额定电流来确定。对于有变频/工频两种状态的3#电动机，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量依据小机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前的工作电流，必须在每台电机三相输入电源前面都接入两个电流互感器，电流互感器和热继电器、两个电流表连接，如图2-1所示。两个电流表一个安装在控制柜上，另一个安装在控制台上，可以方便地观察电机的三相工作电流，便于操作人员监测电机的工作状态。同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。变频器主电路电源输入端子（R、S、T）经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子（U、V、W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子（U、V、W）的任意两相。特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路的通断来进行。另外为了改善变频器的功率因素，还需配置相应的DC电抗器，变频器的P1,P+端子是连接DC电抗器之用。水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反转，实现阀门的开启和关闭。对于系统中真空泵控制电路，使用一台三相交流异步电动机和4个两位两通电磁换向气阀组成抽取真空的回路。每次抽真空的时候，需要预先决定需要抽真空的水泵，然后先开启真空抽取电动机，接着开启控制要抽真空的水泵的电磁换向气阀，这样就能实现系统要求的抽取真空的功能。2.2控制电路设计在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照PLC的程序逻辑来完成的。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。控制电路之中存在电路之间互锁的问题，由于控制系统是实现分组的组内自动循环，所以电路的自锁包括组内互锁和组间互锁。组内互锁是指同一组中电动机的互锁，组间互锁是指不同机组之间电动机的互锁。在实现组内互锁的时候，严禁出现一台电动机同时接在工频电源和变频电源的情况，同时要求变频器始终只与一台电动机相连，而且当大容量电动机变频工作的时候，小容量电动机要么是工频工作运行，要么是停止工作。所以在大容量电动机变频工作的时候，要自动切断小容量电动机的变频控制电路。控制电路的组间互锁是通过输入按钮，控制PLC的输入端口来实现的，当选择一组机组运行时，按下另一组起动按钮则为无效操作。控制电路中还必须考虑系统电机和阀门的当前工作状态指示灯的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。 2.3 PLC配置可编程序控制器(PLC)是在电器控制技术和计算机控制技术基础上开发出来的,并逐渐发展成为以微处理器为核心、把年自动化技术，计算机技术通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前PLC被广泛用于各种生产机械和生产过程的自动控制。或为一种最重要最普及应用场合最多的工业控制装置。电器系统靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触会出现抖动问题，而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序执行时间在微秒级，不会出现抖动问题，PLC精度高，定时范围宽，用户可根据需要设定定时值，修改方便，不受环境影响。继电器控制系统中，由于器件的老化，脱焊，触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性。在PLC控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之PLC在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，所以继电器控制系统中的很多问题都能够避免。总的来说PLC具有以下特点：1可靠性高。可编程控制器在设计、制作、元件的选取上，采用了精选、高度集成化和冗余量大等一系列措施大很大程度上提高了可编程序控制器的可靠性。2控制能力强。可编程序控制器不但具有对开关量和模拟量的控制能力，还具有数值运算、PID调节、数据通信、中断处理等功能。3操作方便。PLC提供了多种面向用户的语言，如常用的梯形图LAD，指令语句 表STL，控制系统流程图CSF等。4具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。5采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外， 绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。以下是针对本系统所选西门子PLC的介绍1S7-200型PLC的特点 本系统PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性能/价格比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS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，通信传输速率为9.6Kbaud或19.2Kbaud。用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。2PLC的开关量输入、输出点PLC的输入、输出点数的确定根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。系统共有开关量输入点9个，开关量输出点8个，如果选用CPU222PLC，也需要扩展单元PLC，参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU224（14 输入/10继电器输出）。根据我们的实际情况，这里我们设计选用CPU226，同时还加上一个扩展模块EM235模拟量输入输出模块。PLC输入输出端口地址的分配如表2-1所示。自动控制系统PLC的输入端口包括电动机的起动、过载、停止及变频器的起动和模拟量的输入等。PLC的输出端口包括控制各电机的变频、工频切换和给变频器复位。对于变频器，不仅需要一个中间继电器来控制变频器的FWD和CM的通断，来实现变频器的运行和停止；而且需要一个中间继电器来控制变频器的BX和CM的通断，断开变频器输出，实现变频/工频的切换。此外，对于电动机的热保护继电器输入，报警指示输出既需要四个端口显示哪一台电机故障，也需要一个输出端子进行蜂鸣器报警输出。图2-2 CPU 226 DC/DC/DC 端子连接电气图表2-1可编程控制器输入、输出端口（I/0）地址分配表名称代码地址编码名称代码地址编码1#过载FR1I0.1模拟量输入UPAIW01#停止SA1I0.21#变频KM1Q0.02#过载FR2I0.31#工频KM2Q0.12#停止SA2I0.42#变频KM3Q0.23#过载FR3I0.52#工频KM4Q0.33#停止SA3I0.63#变频KM5Q0.4变频器启动SA7I0.73#工频KM6Q0.5水位上限SHI1.0启动变频器KM7Q0.6水位下限SLI1.1变频器复位Q1.52.4水位检测电路设计1、水位检测开关考虑到水位检测装置要求故障率少，运行可靠，为简化检测环节，设计中采用结构简单的浮子式水位检测开关，但为防止信号串扰，另外增加了一个隔离转换装置。该装置内选用了干簧继电器用以提高开关接点的可靠性和使用寿命。2、水位检测逻辑控制水位检测逻辑控制功能如前所述完全由可编程控制器PLC编程实现，减少了硬件配置，提高了运行的可靠性和应用的灵活性。PLC的IO地址分配见图2-3（a）所示，简化梯形图如图2-3（b）所示。其逻辑电路主要完成如下功能，见图2-3（b）所示。（1）水位信号保持功能水位开关检测分别