基于PLC的变频恒压供水设计

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学生毕业设计（论文）报告

系 别： 电子与电气工程学院 专 业： 电气自动化 班 号： 电气101 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 1005093123 设计（论文）题目： 基于PLC的变频恒压供水设计 指 导 教 师： 王露 设 计 地 点： 海太半导体（无锡）有限公司 起 迄 日 期： 2012.12.25-2013.6.9

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毕业设计（论文）任务书

专业 电气自动化 班级 电气101 姓名

实践单位名称： 海太半导体（无锡）有限公司 实践岗位名称： OP 岗位职责： 将上道工序流下来的半成品通过操作机器对sub板进行金线焊接，然后自己抽部分sub板检查一遍，没问题后流到下道工序。 岗位能力要求： 掌握基本的英语单词、细心、耐心、吃苦耐劳 一、课题名称： 基于PLC的变频恒压供水设计 二、主要技术指标（或基本要求）

利用可编程控制器（PLC）与变频调速装置构成的控制系统，来实现对泵组控制的调速运行，且能自动调整泵组的运行台数，以实现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，还可节约节能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。在恒压供水系统中，采用变频调速技术，改变电动机转速调节流量的方法，不但可以很好地实现恒压供水，而且具有高效节能效果，采用PLC控制技术，系统具有灵活性和可靠性。 三、主要工作内容：

1、硬件部分：该系统是由4台水泵（其中3台主水泵和1台辅助水泵）、一台变频器、一台PLC、一个远传压力表及一些辅助部件构成。 2、软件部分：PLC编程结合PID算法实现对水泵及变频器等器件的控制。 3、对于泵、变频器、PLC等的选型。 4、变频恒压供水系统方案硬件设计和软件设计 。 四、主要参考文献：

[1]赵光.西门子S7-200系列PLC应用实例详解 北京：化学工业出版社.2010 [2]彭小红、刘国东.基于PLC的变频调速恒压供水系统的设计[M]. 软件技术. 2004 [3]卢建勤.PLC及变频器在恒压变频供水系统中的应用[M]. 机床电器. 2005.4 . 学 生（签名） 年 月 日 指 导 教师（签名） 年 月 日 教研室主任（签名） 年 月 日

系 主 任（签名） 年 月 日

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毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目 变频恒压供水系统的设计 一、选题的背景和意义： 随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，同时存在着水、电供应不足的压力。在传统的供水装置中，往往水泵的选取是由最大供水的容量来确定的，但是实际的供水量是时刻变化的，从而导致供水压力不稳、水泵效率低、导致氺资源的浪费。这样就要求设计出更好的供水系统。这些系统利用先进的自动化技术、控制技术以及通信技术，能够设计出高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统。 本系统的设计为PLC控制的变频供水系统，通过PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。经PID运算，PLC进行控制变频与工频切换，从而使闭环自动调节恒压进行变量供水。这种系统设计具有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点。它在居民生活用水系统得到应用，在节能和供水质量方面取得了较好效果。 二、课题研究的主要内容： 利用PLC与变频调速装置构成的控制系统，来实现对泵组控制的调速运行，而且能够自动控制调整泵组的运行台数，来实现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，既可以满足供水要求，也能节约节能，使系统处于可靠工作状态。 三、主要研究（设计）方法论述： 1、 该系统由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保持管网压力恒定。 2、 研究PLC与PID算法中的应用。 3、 讨论PLC 与变频器的连接。 4、 变频调速恒压供水的硬件设计与软件设计。

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四、设计（论文）进度安排： 时间（迄止日期） 2012.12.25~2012.12.31 2013.1.1~2013.1.10 2013.1.11~2013.1.31 2013.2.1~2013.2.10 2013.2.11~2013.2.22 2013.2.23~2013.3.23 2013.3.24~2013.4.1 2013.4.2~2013.5.25 2013.5.26~2013.6.9 五、指导教师意见： 指导教师签名： 六、系部意见： 系主任签名： 工 作 内 容 与指导老师共同制定相关指导措施、联系方法、确定好课题 收集资料并按要求撰写任务书和开题报告 整理出论文的系统方案 系统硬件电路设计 选择设备的选型 整理出论文软件的框架 进行软件的编程 进行论文初稿的撰写 定稿，完成毕业设计

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基于PLC的变频恒压供水设计

目录

摘要 Abstract

第1章 前言 ······················································································································· 1 第2章 系统的发展及其意义 ···························································································· 2 2.1 课题的背景和研究的意义 ································································································· 2 2.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 ·········································································· 2 第3章 系统的理论分析及控制方案确定 ······································································· 4 3.1 变频恒压供水系统控制方案的选择 ················································································· 4 3.2 PLC概述 ·································································································································· 5 3.3 变频恒压供水系统的理论分析 ·························································································· 6 3.3.1电动机的调速原理 ············································································································ 6 3.3.2变频恒压供水系统的节能原理 ···················································································· 7 第4章 系统的整体设计方案 ························································································· 11 4.1 变频调速恒压供水系统构成及原理 ································································· 11 4.2 系统要求实现的功能 ························································································ 12 第5章 系统的硬件设计 ································································································ 14 5.1 系统主要设备的选型 ·························································································· 14 5.1.1变频器的选型 ································································································ 14 5.1.2可编程序控制器选型 ···················································································· 15 5.1.3水泵及其电动机的选择 ················································································ 16 5.1.4压力传感器的选择 ························································································ 16 5.2 系统电路设计 ······································································································ 16 5.2.1主电路图 ········································································································ 16 5.2.2控制电路图 ···································································································· 17 5.2.3 PLC与变频器的外部接线图 ········································································ 18 第6章 系统的软件设计 ·································································································· 19 6.1 系统程序功能图 ·································································································· 19 6.2 系统程序设计分析 ······························································································ 21 6.3 系统程序梯形图设计 ·························································································· 22 第7章 系统PID的调节 ·································································································· 27 7.1 PID调节过程分析 ······························································································· 27 7.2 PID在系统实际中的应用 ··················································································· 28 第8章 结束语 ················································································································· 29 参考文献 答谢辞

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摘 要

随着我国社会经济的不断发展，人们的生活水平也在不断提高，其中人们对供水的质量和供水系统的可靠性要求比较高。由于目前的能源紧缺，所以利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术来设计一个能适应不同领域的变频恒压供水系统。

本论文通过对PLC 200的编程来实现恒压供水系统，从而取代了直接水泵加压和高位水塔供水方式。由变频器、压力传感器、PLC及PID调节器组成控制系统。采用变频器实现对水泵电机的软启动和变频调速。压力传感器经管网压力信号通过PID处理传送给变频器，变频器通过压力大小调整电机转速来改变供水量，从而保证管网压力的恒定。这样有益于保护环境、减少资源，而且操作简单，维护方便，同时也降低了电能的损耗和对电网的影响。所以用PLC来设计变频恒压供水系统不仅能够满足现实需要，也能提高整个系统的效率，延长系统的寿命、节约能源，是现代化城市和生活小区供水较为理想的供水方式。

关键词：PLC ;变频器; PID ;压力传感器;供水系统

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Abstract

With China’s economic and social development,people’s living standard has been improved,the reliability of water quality and water supply system requirement is relatively high. Because of the shortage of energy, so the use of automation technology, control technology and communication technology to design a can adapt to variable frequency constant pressure water supply system in different fields.

This paper based on the programming of PLC 200 to realize the constant pressure water supply system, thus replacing the direct water pump pressure and high water tower water supply mode.The control system consists of transducer, pressure sensor, PLC and PID regulator.Implementation of the water pump motor soft start and frequency converter. Pressure sensor managerment net pressure signal to the inverter through the PID transmission, the converter to change the water supply pressure size by adjusting the rotation speed of the motor,thus ensuring a constant pressure of the pipe network.It is beneficial to protect environment ,reduce resource,and has the advantages of simple operation,convenient maintenance,but also reduces the power loss and the impact on the grid.So the use of PLC to design of variable frequency constant pressure water supply system can not only meet the needs of reality,but slao can improve the efficiency of the whole system,extending the system lifetime,energy conservation,is a modern city and living in the area of water supply an ideal water supply mode.

Key words: PLC; frequency changer; PID; preaaure pickup; water supply sys

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第1章 前言

众所周知，水是生命之源，是人类生活和生产过程中不可缺少的重要资源之一。我国是一个水资源短缺的国家，所以我国长期以来在供水方面的技术比较落后，自动化程度也比较低。随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人们供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。

传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力资源和电力资源、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。变频调速恒压供水系统是集变频技术，电气传动技术，现代控制技术于一体先进的供水控制系统。它可以根据用水管网瞬间用水量的不同所引起的压力变化，自动地改变水泵的转速，自动调节峰谷供水量，保证管网供水压力恒定，以满足用水的要求。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。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。

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第2章 系统的发展及其意义

2.1 课题的背景和研究的意义

水是我们赖以生存的资源，而我国是个水资源短缺的国家。随着社会的飞速发展，人口的不断增长，用水量也在急剧增加，从而出现供水不足的现象，同时造成管网水压浮动较大。而变频调速恒压供水系统是集变频技术，电气传动技术，现代控制技术于一体先进的供水控制系统。它可以根据用水管网瞬间用水量的不同所引起的压力变化，自动地改变水泵的转速，自动调节峰谷供水量，保证管网供水压力恒定，以满足用水的要求。

供水厂希望通过对原有系统的技术改造，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。由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。

在相当比较大规模的工业生产供水系统，以PLC控制的变频调速恒压供水有它自身的特点：

（1） 供水量在短时间内(一天时间内)变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。

（2） 对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。

（3）一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。

从上即可结论：以PLC为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。

2.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状

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。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。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。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。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，还有待完善。也有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的

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变频器控制水泵的转速，水管的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。同时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)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。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、生产实践中。

采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.

变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。

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。

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第3章 系统的理论分析及控制方案确定

3.1 变频恒压供水系统控制方案的选择

传统的供水方式(包括水箱、水塔供水和气压供水)。 1) 水箱/水塔供水：

供水系统采用水箱/水塔，称为重力供水。供水压力比例恒定，且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶上。即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求，难以满足不断增加的用水需求。同时由于在屋顶上形成很大的负重，增加了结构面积，也妨碍了美观。此外，屋顶水箱必须高出水面几米，建筑方面较难处理，而且投资周期长。

2) 气压供水：

气压给水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在地下室或某些空旷之处加压送到管网中去。其优点是灵活性大，建设快，少受污染，不妨碍美观，有利于扩展与消除管道中的水锤与噪声，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。缺点是需要压力罐，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需要使用张力膜或设置空气压缩机冲气。因此，电能消耗大，运行费用高。

给水方式的选择应以经济合理，技术先进，供水安全可靠为原则。随着交流电机变频调速技术的日益成熟，为实现恒压供水提供了可靠的技术条件。利用变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统调节水泵的输出流量，取代了水塔、水箱、气压罐等实现了恒压供水。其配置日趋合理，成为供水网系的替代产品。

3) 变频调速恒压供水：

变频调速恒压供水器由电动机、泵组和变频调速系统、压力仪表、管路系统等组成。电动机泵组多由同型号的水泵2～4台并联而成(以四台为例)。由变频器和工频电网供电，根据供水系统的运行状况自动调节和切换。

主要优点：

对电网冲击小，保护功能完善。消除了水泵电机直接启动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。

当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。突然停电后再来电，设备能够自动启动运行。

因为实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。

由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中，其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其

节电效果明显，所以系统具有收回投资快、长期受益的特点，其产生的社会效 益也是非常巨大的。

水泵电动机采用软启动方式，避免了电动机启动时的电流冲击，也避免了电动机突然加速造成泵组系统的喘振。

无塔供水系统不需要水塔、高位水箱和气罐，设备简单，控制实时性好，且能满足不断增加的供水需求。

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建筑高度增加时，无塔供水器只需要改变水压设定值和修正流量参数就能满足要求，而无需改变供水需求。

变频调速恒压供水控制系统的主要应用场合： 高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。 1) 各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。 2) 中央空调系统。 3) 自来水场增压系统。

4) 农田灌溉，污水处理，人造喷泉。 5) 各种流体恒压控制系统。

变频调速恒压供水控制系统的应用，为人民生活带来极大的方便，也为企业带来巨大的经济效益。并同时得到了科教工作者、企业家与广大民众的认可。将来的趋势必定是全面取代传统供水方式，成为供水系统的主流。所以在此我们选用变频调速恒压供水系统。

3.2 PLC概述

1、 可编程控制器（PLC）的产生

1968年美国通用汽车公司（General Motors Corporation GM）公开招标，要求用新的控制装置取代生产线上的继电器——接触器控制系统，其具体要求如下：1、编程简单，可在现场修改和调试程序2、维护方便，采用插入式模块结构 3、可靠性高于继电器4、与继电器——接触器控制系统相比体积小，能耗低 5、能与管理中心计算机系统进行通信6、购买安装成本可与继电器控制柜竞争 7、采用市电输入，可接受现场的开关信号8、采用市电输出，具有驱动接触器线圈、电磁阀和小功率电动机的能力 9、系统扩展时，原系统只需做很少的改动 10、用户程序存储器容量至少4KB

1969年美国数字设备公司根据上述要求，首先研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在通用汽车公司的自动生产线上试用获得成功。从此以后，这项研究技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全世界。

因为这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案，且专门用于逻辑控制，所以人们称这种新型工业控制装置为可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller，PLC）。 2、PLC的基本工作原理

PLC是按照集中采样、集中扫描的工作方式工作的。整个工作过程可分为5个阶段：自诊断，通信处理，读取输入，执行程序，改写输出。这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。

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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，S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品。它是整体式PLC，它将输入/输出模块、CPU模块、电源模块均装在一个机壳内，当系统需要扩展时，可选用需要的扩展模块与基本单元（主机）连接。其特点如下：

(1) 编程方法简单易学；

(2) 功能强，性能价格比高：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；

(3) 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强； (4) 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面； （5）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强；

(6) 系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量小，维修方便； （7）体积小，能耗低；

3.3 变频恒压供水系统的理论分析

3.3.1电动机的调速原理

变频供水系统是通过变频器控制泵的异步电机的转速，通过异步电动机驱动水泵供水来改变水泵的实时供水量，完成恒压供水的目标。

水泵电机多采用三相异步电动机，其交流电动机的同步转速公式为： n=60f(1-s)/p (3.1)

式中：f表示异步电动机频率，s表示电动机转差率，p表示电动机极对数。 从（3.1）公式可知，三相异步电动机的调速方法有： （1） 改变电源频率 （2） 改变转差率 （3） 改变电机极对数 改变转差率调速即转子电路串接电阻调速、改变定子电压调速、滑差电机等。其最大优点是可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好。但由于线路过于复杂在调速过程中均产生大量的转差功率，消耗在转子电路，使转子发热，调速的经济性较差，会使效率降低，而且调速范围也受到限制。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。

从（3.1）公式可知，当极对数p不变时，电机转速n与电源频率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，电动机的转速调节范围非常宽。所以，通过连续调节异步电动机供电源频率，就可以平滑的调节电动机的转速。单相电机调速器就是通过改变电动机电源频率实现调速调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

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3.3.2变频恒压供水系统的节能原理

在变频恒压供水系统中，主要控制对象是流量。所以，在研究节能问题上就可以从调节流量的方法入手。常用的控制方法有阀门控制法和转速控制法（也称恒压控制法）两种。

（1）阀门控制法：通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，当阀门开度在一段时间内保持不变，就会造成超压或欠压现象的出现。

如图3-1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3-1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。

图3-1 恒压供水系统的基本特征

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：

P=K1HQ （3.2）

n=k2Q （3.3）

H=K3Q2 （3.4） P=kn3 （3.5） 式中k、k1、k2、k3为比例常数。

（2）转速控制法：通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不

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变，实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。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。

如图3-2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H0×Q2，由于H1>H0，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。

HH2H1H0b1b2b30Q2Q1Qn2DEn1F

图3-2 管网及水泵的运行特性曲线

1、水泵工作点的确定和调节

1) 水泵工作点的确定

水泵工作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

水泵在实际运行时的工况点取决于水泵性能管路性能以及所需实际扬程。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。如果把某一水泵的扬程特性曲线（H～Q）和管阻特性曲线（HX-Q）画在同一坐标系中，如图3-3所示，则这两条曲线的交点A就是水泵的理想工作点。若把水泵的效率曲线（η-Q）也画在同一坐标系中，可以找出A点的扬程HA、流量QA以及效率ηA。

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AHX?Qn1AHAnAH~Q?~QQA图3-3 水泵工作点的确定

Q

从图3-3中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的扬程相等，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。实际运行时水泵并非总是固定在A点。一旦当水泵或管阻特性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。

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的一个重要问题。供水功率是供水系统向用户供水时所消耗的功率P(KW)称为供水功

率，供水功率与流量QA和扬程HA的乘积成正比。

2) 水泵工作点的调节

交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系：

n=60f(1-s)/p （3-6)

式中：p-极对数；s-转差率

因此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。变频器调速的工作原理就是通过选择电压频率比(V/F)曲线，设定加减速时间以及转矩补偿曲线，使电动机启动时转速从零开始逐渐升高，实现软启动，减少了启动电流。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从而改变水泵的转速。由于水泵的流量、扬程和消耗的功率都可以随其转速的变化而变化，变频调速技术可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况，大大扩展了水泵的高效运行范围。

当管网负载减小时，通过降低交流电的频率，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。

泵的运行效率会大大下降。因此，水泵转速调节要尽量使水泵在高效区之内运行，避免使变频器频率下降得过低，而造成水泵在低效率段运行。

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2、水泵变频调速节能分析

水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管路性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量。需要减少流量时关小阀门，使管路性能曲线由R1变为R2。运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速。如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H2，流量从Q0减少到Q1。在图3-4中，水泵运行在B点时消耗的轴功率与H1、B、Q1、0的面积成正比，运行在C点时消耗的轴功率与H2、C、Q1、0的面积成正比。从图上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果十分明显。 求出运行在B点时泵的轴功率：NB=KQ1H1γ （3-7) 求出运行在C点时泵的轴功率：NC=KQ1H2γ (3-8) 两者之差：△N=NB-NC=(H1-H2)KQ1γ (3-9)

HH1BAH0H2Cn0Hsjn10Q1Q0Q图3-4 水泵节能分析图

也就是说，采用阀门控制流量时有△N的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果十分显著。

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第4章 系统的整体设计方案

4.1 变频调速恒压供水系统构成及原理

系统的组成

整个系统由四台水泵（1#、2#、3#为调速水泵、4#为辅助水泵）构成水泵组，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。如图4-1所示，各部分功能如下：

（1）水泵组：用于将水供入用户管网，提高水压以实现向高处供水。其中调速水泵根据用水量的变化来改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。辅助水泵它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下(例如:夜间)对管网用水量进行少量的补充。

（2）变频调速器：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。

（3）PLC：用于水泵的逻辑切换、控制及供水压力的PID控制等。 （4）压力传感器：安装于供水管道上，并且将管网水压力转换成4-20mA的电信号，是实现恒压供水的关键参数。 （5）辅助部件：当自动控制系统出现故障时可以通过人工调节方式维持系统运行，以保障连续生产。

电源变频器控制信号KM2KM4KM6KM7KM1KM3KM5PLCM3～M3～M3～M3～ 1#2#3#4#水 用户远程压力表源图4-1变频调速恒压供水系统构成图

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系统原理：

原理图如图4-2所示。当设备运行时，变频调速恒压供水系统中远传压力表将主水管网压力信号转换成电流信号再经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和泵水量以使管网的压力稳定，由此构成压力闭环控制系统。变频器的上、下限频率信号及其持续时间长短可作为PLC进行逻辑切换、起停泵的依据。

图4-2 变频调速恒压供水系统原理图

当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，变频器的高速信号(即变频器的频率上限信号)被PLC检测到，如果频率上限信号持续出现一定时间，PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，同时将另一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证系统压力稳定。若两台泵全速运转仍不能达到设定压力，则将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。

当用水量减少时，首先表现为变频器己工作在最低速信号(即变频器的频率下限信号)有效，如果频率下限信号持续出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。

4.2 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0Hz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#泵由变频切换为工频，同时对2#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，则将先启动的泵先切除。若有

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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泵软启动、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，四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，而有的泵却长时间不用而锈死，从而延长了设备的使用寿命。

5) 平稳切换，恒压控制

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

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。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，即用变频器来启动水泵。运行的水泵在断开电源后，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。

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。

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。

7) 满足用户在用水高峰时的用水要求

根据用户最大用水量和供水高度的计算，本系统采用扬程61m，流量12.6立方米每小时，轴功率5.5KW的主泵三台；扬程48m，流量7立方米每小时，配套功率2.2KW辅泵一台。系统最大功率为16.5KW，扬程为61m。

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第5章 系统的硬件设计

5.1 系统主要设备的选型

5.1.1、 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。其总的原则是功能性能保证可靠地满足工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。

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控制变频器和矢量控制高性能型变频器。通用变频器类型的选择根据负载特性进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。

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。其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，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。

3、变频器箱体结构的选用

变频器的箱体结构要与环境条件相适应，所以必须考虑温度，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、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：

（1）敞开IP00型：本身无机箱，可装在电控箱内或电气室内的屏，盘，架上，尤其适于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。

（2）封闭IP20型：适用一般用途，用于有少量粉尘或少许温度变化的场合。 （3）密封IP45型：适于工业现场条件较差的环境。

（4）密封IP65型：适于环境条件差，有水、灰尘及一定腐蚀性气体的场合。 根据以上理论，选用西门子MicroMaster430型变频器。MicroMaster430变频器适合用于各种变速驱动装置，由于其灵活性而可以在广泛的领域得到应用，所以这种变频器尤其适合用于工业部的水泵和风机的驱动。它具有很高的运行可靠性和功能多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声，在应用中得到证明的良好性能和使用中的简便舒适。与MicroMaster420变频器相比，这种变频器具有更多的输入和输出端，具有手动/自动切换功能的操作面板，以及适应软件的功能。该变频器具有以下特性，如表5-1所示。

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表5-1 MICROMASTER430变频器的额定性能参数表

5.1.2、可编程序控制器选型

PLC是整个变频恒压供水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

在选择PLC机型时，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，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。 2、PLC容量的选择

PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。 （1）、I/O点数选择：由于PLC平均的I/O点数价格比较高，所以在满足控制要求的前提下力争使用I/O点最少，但必须留有一定的裕量。通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%—15%的裕量来确定。 （2）、存储容量的选择：PLC的I/O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在I/O点数确定的基础上，按存储容量（字节）=开关量I/O点数×模拟量I/O通道数×100，再加上20%—30%的裕量。

根据系统要求和功能，PLC选用西门子S7-200系列的CPU224型。CPU224本机集成了14点输入和10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13K字节程序和数据存贮空间，6个独立的30KHZ高速计数器，2路独立的20KHZ高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有1个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。

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5.1.3、水泵及其电动机的选择

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，机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可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。

选用多台水泵时，水泵的型号最好相同，这可便于安装和维修养护管理。在此例中要求三台主泵和主泵电机型号和容量要相同，这才有利于在同一变频器下正常的工作。大泵的效率比小泵高；而且用大泵时，工作泵和设备的费用以及泵站的面积常可减小；因此不可只从适应水量的变化出发，使用数量较多的小泵。使用多台水泵供水可防止一台水泵出现故障时，停止供水使得系统瘫痪。一般最优的水泵台数为3～6台。 5.1.4、压力传感器的选择

压力传感器和压力变送器是将水管中的压力信号变成1-5V或4-20mA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4-20mA输出压力变送器，所以选择CYYB-120系列压力变送器它采用CYYB-105系列压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有4～20mA标准信号输出。

5.2 系统电路设计 5.2.1 主电路图

电气控制系统主电路图如图5-2所示。图中，M1#， M2#， M3#， M4#为四台水泵电机，KM1，KM2，KM3，KM4，KM5，KM6，KM7，KM8为控制四台电机的接触器，FR1，FR2，FR3， FR4为电机M1#，M2#，M3#，M4#过载保护用的热继电器，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6为空气开关。

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ABCNQF1L1L2L3QF3QF4QF5QF6QF2RST KM2KM4KM1KM6KM8MM430变频器UVWKM3KM5KM7FR1FR2FR3FR4M1#M3~M2#M3~M3#M3~M4#M3~ 图5-2主电路图

5.2.2控制电路图

本系统的电气控制线路如图5-3所示。图中，SA为手动/自动转换开关，在手动状态可以按动按钮SB1～SB10控制四台泵的起停，在自动状态时，根据PLC的程序运行，自动控制泵的起停。HL1～HL8为各种运行指示灯。中间继电器KA1的一个常开触点接PLC的输入点I0.2，控制自动状态的起动；中间继电器KA1的三个常闭触点接在四台泵的手动控电路上，控制四台泵的手动运行。FRl～FR4为四台泵机的热继电器的常闭触点，可对电机进行过流保护。

NQF7L1SA1324KA1KA1KA1KA1Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7KM5KA2SB1KM2KM5SB3KM4KM1SB5SB7KM6KM5SB8SB10SB9KM8HL2HL3HL4HL5HL6HL7HL8KM1KM3KM2KM3KM4KM5KM6KM7FR1FR2FR3KM1HL1KM2KM3KM4KM5KA1SB2KM1SB4KM3SB6KM2KM1KM4KM3KM6KM5KM6KM8KM7KM7KM8FR4

图5-3控制电路图

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5.2.3 PLC与变频器的外部接线图

1、PLC的外部接线图

本系统占用PLC的3个输入点，8个输出点，PLC的外部接线图如图5-5所示，PLC的具体I/O分配情况见表5-4：

表5-4 PLC I/0分配表

变频器上限频率信号变频器下限频率信号启动信号

1MI0.0I0.1I0.21LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.32LQ0.4Q0.5Q0.63LQ0.7DCOMDIN1变频器运行、停止信号KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM71号电机接变频器1号电机接工频电源2号电机接变频器2号电机接工频电源3号电机接变频器3号电机接工频电源4号电机接变频器S7 200M24VL+LN～220V图5-5 PLC外部接线图

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2、变频器的外部接线图

如图5-6所示PLC的I0.1，I0.2接变频器的端子19、21，L+接端子20、22，以便把变频器上限频率信号和下限频率信号送到PLC中。变频器上限频率一般设置为49～49.5HZ，下限频率为防止水泵转速较低，形成“空转”，一般设置为25～30HZ。 PLC的3L、Q0.7、分别接变频器的端子9、5，以实现用PLC的信号控制变频器运行和停止。利用变频器两个的可编程继电器输出端口19、21进行功能设定，当变频器频率达到上限频率时，19的常开触点闭合。当变频器频率达到下限频率时，21的常开触点闭合，可以此作为PLC的输入信号，判断是否进行加泵或切泵。同时PLC的输出端Q0.7作为变频器的输入端5(设定为变频器运行和停止的控制端)信号以控制变频器的运行和停止。

图5-6变频器外部接线图

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第6章 系统的软件设计

6.1 系统程序功能图

为了能直观的了解程序的设计，在此画出了程序功能图，如图6-1所示，它能清楚的表明系统各个状态动作的顺序和转化条件

合上开关 S0.01#泵变频运行运行4小时高频信号10秒S1.1低频信号10秒 4#泵变频运行S0.11#泵工频运行2#泵变频运行高频信号10秒运行4小时低频信号10秒高频信号10秒S0.31#泵工频运行2#泵工频运行3#泵变频运行低频信号10秒S0.2 2#泵变频运行低频信号10秒S0.42#泵工频运行3#泵变频运行运行4小时运行4小时低频信号10秒高频信号10秒S0.51#泵变频运行2#泵工频运行3#泵工频运行 S0.63#泵变频运行低频信号10秒高频信号10秒低频信号10秒S0.71#泵变频运行2#泵工频运行运行4小时运行4小时高频信号10秒低频信号10秒S1.01#泵工频运行2#泵变频运行3#泵工频运行低频信号10秒

图6-1程序功能图

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6.2 系统程序设计分析

加启动信号(I0.2为“1”)后，如果水池水位下限没达到时，开始起动程序，此时由PLC控制使1#电机变频运行(此时Q0.0，Q0.7亮)；如果变频器达到频率上限(即有输入I0.0为“1”)，则定时器T33开始计时(10s)，计时完毕后关闭Q0.0，Q0.7，延时1s，(延时是为了两方面的原因：一是使开关充分熄弧，防止电网倒送电给变频器，烧毁变频器；二是让变频器减速为0，以重新启动另一台电机。以下各切换时的延时与此原因相同，将不再赘述。)延时完毕，则1#电机投入工频运行、2#电机投入变频运行(此时Q0.1、Q0.2、Q0.7亮)；如果变频器又达到频率下限(I0.0为“1”)则定时器T39开始计时(10s)，计时完毕后关闭Q0.2、Q0.7，延时隔1s，延时完毕后，则1#电机投入工频运行、2#电机投入工频运行、3#电机投入变频运行(此时Q0.1、Q0.3、Q0.4、Q0.7亮)；这是一个加电机的过程。

如果运行在1#电机工频运行、2#电机工频运行、3#电机变频运行(即有Q0.1、 Q0.3、Q0.4、Q0.7亮)的状态下，变频器出现频率下限(I0.1为“1”)，则定时器T43开始计时(10s)，计时完毕后关闭Q0.l，此时2#电机处于工频运行、3#电机处于变频运行(即有Q0.3、Q0.4、Q0.7亮)；如果变频器又达到频率下限(I0.1为“1”)，则定时器T45开始计时(10s)，计时完毕后，关闭Q0.3，此时3#电机处于变频运行(即Q0.4、Q0.7亮)。这是一个切除电机的过程。

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6.3 系统程序梯形图设计

主程序：

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子程序：

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中断程序：

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第7章 系统PID的调节

7.1 PID调节过程分析

变频调速恒压供水的目的就是要保证供水能力QG适应用水QU需求变化。当供水能力QG和用水需求QU之间不能平衡时，必然引起压力的变化。因此，可根据压力的变化，来实现对供水流量的调节，维持供水能力QG和用水需求QU之间的乎衡。

在供水系统中，变频器、PID调节器、压力变送器、电机、水泵等构成了一个闭环控制系统，可以对供水能力实现有效的自动调节，从而实现恒压供水。其实现方法是，首先据用户对水压的要求，给PID调节器预置一个目标压力值，管道中的实际水压，经压力变送器转换成4～20mA的模拟电流信号反馈给变频器内置的PID调节器，PID调节器根据目标压力值和实际压力值的偏差，给出调节量，自动调节变频器输出频率，调节电机转速，使供水量适应用水量的变化，取得动态平衡，维持水压不变。其具体调节过程如下：

(1) 稳态运行

当供水能力QG=用水需求QU，目标压力信号和压力反馈信号相等，偏差e=y-r，PID输出的控制增量ΔU=0，变频器输出频率不变，水泵转速不变，处于稳态运行。如图7-1中的0～t1段

Q流量

0t P水压

0t

PIDΔu 输出控制增量

0t

输出频率f （转速）n

0t1t2t3t4t图7-1 变频调速恒压供水PID调节

（2）用水量增加时 当用水量增加，用水需求QU>供水能力QG，水压下降，压力反馈信号y减少，偏差e=y-r<0，PID输出的控制增量Δu>0，变频器输出频率上升，水泵转速升高，增加供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。

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这是一个动态变化的过程，在达到新的平衡状态之前，压力反馈信号y、偏差e，控制增量Δu均处于变化之中，其变化过程如图7-1中的tl～t3段，其中t2～t3段为增加用水量后新的平衡状态。

（3）用水量减少时 当用水量减少，用水需求QU<供水能力QG，水压上升，压力反馈信号y增大，偏差e=y-r>0，PID输出的控制增量Δu<0，变频器输出频率下降，水泵转速降低，降低供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。这一动态变化过程，如图7-1中的t3～t4段，其中t4段以后为减少用水量后新的平衡状态。

7.2 PID在系统实际中的应用

S7-200系列PLC中的CPU 224提供了PID运算指令，应用时只需运用与PLC配套的STEP 7-Micro/Win编程软件通过梯形图设定PID控制参数(如表7-2所示)，再调用0号PID运算模块便可完成PID运算。

系统选用一个与S7-200 CPU224型的PLC配套的EM235扩展模块，实现被测压力信号的模拟量输入和变频器控制信号的模拟量输出。EM235的输入/输出编程为0～20mA范围，将远传压力表的电流信号接入一个模拟输入通道，经PLC内部控制算法输出为0～20mA电流信号接变频器的输入，以实现对变频器的控制。

在恒压供水的闭环控制过程中，将远传压力表检测到的出口压力信息经EM235转换为数字信号送入PLC中，与用户预设定的信号进行比较处理后，通过PID计算经EM235模块控制器的输出频率控制信号，从而控制水泵的转速和泵水量，调节供水量，使管网出口处的压力表误差保持在一定范围内。

表7-2 PID参数控制表

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第8章 结束语

本文设计了PLC控制的变频恒压供水系统取代了高位水塔和直接水泵加压供

水方式，利用单台变频器实现4台水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自耦降压起动装置，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统。压力变送器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调节电机转速，通过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。采用本系统具有如下优点：

（1） 在供水系统中采用变频调速运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水，并使系统处于可靠运行的状态，实现恒压供水。

（2）减泵时采用“先启先停”的切换方式，相对于“先启后停”方式，更能确保各泵使用时间相当以延长设备的使用寿命。压力闭环控制，系统用水量任何变化均能使供水管网的服务压力保持在给定值附近，大大提高了供水品质。

（3） 变频器故障后仍能使用手动运行方式保障不间断供水。选择开关处于自动运行时，停电后恢复送电时自动启动；采用变频调速恒压供水，水泵为软起动，对电网无冲击，同时消除了主管网压力波动，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。使管网的故障率明显下降，节省人员维护和维修经费开支。

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参考文献

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[13] http://www.doc88.com/p-01568871333.html

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答谢辞

时间转瞬即逝，转眼就是大学毕业时节了。离正式离校日期也已临近，毕业论文的完成也随之进入了尾声。

在此，我要特别感谢我的指导老师王露，本论文的设计从最初的选题到完成，每一步都是在我跟王老师交流与指导下完成的，每一次我将完成的稿子给王露老师看，她都会指出我不足的地方并且跟我讲如何改比较好，每个地方都及其的细致，所以我的毕业论文也同样倾注了老师大量的心血。在此，我谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢，也为我的大学三年画上了圆满的句号。还要感谢在这三年中教过我的每一位老师，没有你们认真的教诲，我也学不到那么多的知识。 在设计毕业设计的过程中，我运用了平时所学到的CAD制图与PLC的编程来完善我的毕业设计，这不仅让我灵活运用到了所学的知识，同时也让我进一步对CAD制图与PLC的编程有了更深的了解，并且也加深了对它们运用。

在这里我也不能忘记那些给我很多帮助的同学，对我设计指出的不足之处，以及教我如何使用画图软件，完成设计最重要的部分，和同学们在一起的点点滴滴是我大学里最快乐的时光，我们的友谊是那么难能可贵，在此对你们每个人都表示深深的感谢。

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毕业设计（论文）成绩评定表

一、指导教师评分表（总分为70分） 序 号 1 2 3 4 5 6 7 考 核 项 目 工作态度与纪律 调研论证 外文翻译 设计（论文）报告文字质量 技术水平与实际能力 基础理论、专业知识与成果价值 思想与方法创新 合计 满 分 10 10 5 10 15 15 5 70 评 分 指导教师综合评语： 指导教师签名： 年 月 日 二、答辩小组评分表（总分为30分） 序 号 1 2 3 4 5 考 核 项 目 技术水平与实际能力 基础理论、专业知识与成果价值 设计思想与实验方法创新 设计（论文）报告内容的讲述 回答问题的正确性 合计 满 分 5 5 5 5 10 30 评 分 答辩小组评价意见（建议等第）： 答辩小组组长教师签名： 年 月 日 三、系答辩委员会审定表 1． 2． 审定意见 审定成绩（等第）_____ ___ 系主任签字： 年 月 日 3．

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