1、攀枝花學院本科畢業設計（論文） 摘 要摘 要 隨著城市經濟的發展，城市高樓不斷的增高，城市區域不斷擴展，城市供水開始出現壓力不足的問題，水是人類生活的必須品，傳統的供水系統已經不能滿足現代城市的需要。需要一個新的供水系統，要保證城市供水的壓力恒定，滿足用戶，并且節約能耗，自動調節，便于維護。本設計針對上述問題，通過對現代控制技術的研究，對不同的恒壓供水系統進行比較和分析，采用變頻器結合plc的控制方案，來解決恒壓供水問題。以plc與變頻器控制水泵電機工作，實現運行可靠、節能、低噪，維護簡單，經濟實用的恒壓供水系統。這個系統能自動控制水泵轉速，實時讀入管網壓力值，與設定值比較，由pid控制算法得

2、出一調節參量，控制調速泵的轉速，最終實現恒壓供水。關鍵詞 變頻器，恒壓供水，plci攀枝花學院本科畢業設計（論文） abstractabstractwith the development of city economy, increased continuously city building, city expanding regional, city water supply began to appear the pressure of shortage, the water is the human life necessities, traditional water supply

3、 system has been unable to meet the needs of modern city. the need for a new water supply system, to ensure the constant pressure of city water supply, satisfy the user, and saves energy consumption, automatic adjustment, convenient maintenance.this paper in view of the above question, through the s

4、tudy of modern control technology, comparison and analysis of different combination of constant pressure water supply system, the control scheme of plc converter, to solve the problem of constant pressure water supply. plc and inverter control pump motor, to achieve reliable operation, energy saving

5、, low noise, easy maintenance, constant pressure water supply system is economical and practical. this system can automatically control the pump speed, real-time read into the pipe network pressure value, compared with the set value, controlled by the pid algorithm to obtain a control parameter, con

6、trol the speed of the pump, the ultimate realization of constant pressure water supply.keywords：speed-frequency variable,constant pressure water supply,plc攀枝花學院本科畢業設計（論文） 目錄 目 錄摘 要iabstractii1 緒論11.1研究背景11.1.1 城市供水需求11.1.2 傳統供水系統的比較11.2 恒壓供水系統的國內外研究現狀31.3 供水系統安全性討論41.4 本論文主要設計思想42 系統的理論分析及方案的確定62.1供

7、水系統的主要參數62.2供水系統的基本特性62.3變頻恒壓供水方式的選擇92.4變頻恒壓供水系統的工作原理102.4.1系統的構成102.4.2工作原理112.5變頻恒壓供水系統中加減水泵的條件分析123 變頻恒壓供水系統的硬件設計143.1 plc143.11 plc簡介143.12 plc的選型153.2 plc擴展模塊em235153.2.1 em235的簡介153.2.2 em235的技術規范163.2.3 em235的校準及配置173.2.4 em235的使用說明183.3 plc的i/o端口分配193.4變頻器203.5水泵電機的選型233.6壓力傳感器243.7系統電路設計243

8、.7.1恒壓供水系統的主電路設計243.7.2恒壓供水系統的控制電路設計253.7.3恒壓供水系統中plc外圍接線274 變頻恒壓供水系統的軟件設計294.1系統編程分析294.2系統的主程序304.3 控制系統子程序設計345 結論38參 考 文 獻39附錄a：系統電路40附錄b：程序清單41致 謝53攀枝花學院本科畢業設計（論文） 1 緒論1 緒論1.1研究背景1.1.1 城市供水需求眾所周知，水是生命之源，是人類生產、生活必不可少的資源。我國本就是人口大國，現在隨著我國社會經濟的發展，城市建設也十分的迅速，城市高樓是越來越高了，城市的面積在不斷的擴張，同時也對基礎設施的建設提出了更高的要

9、求。城市供水系統的建設是其中的一個重要方面，供水的可靠性，穩定性，經濟性直接影響到用戶的工作和生活。隨著人們對供水質量和供水系統的可靠性要求越來越高，利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，設計出高性能，高節能能夠適應供水廠復雜環境的恒壓供水系統成為了必然的發展趨勢。用戶用水量得多少是經常變化的，因此供水不足或者供水過剩的情況時有發生。而用水量和供水量之間的關系可以通過檢測水的壓力來體現（即是：用水量供水量水泵供水側壓力低；用水量供水量水泵供水側壓力高）。如此一般，我們就可以使供水量和用水量之間保持一種動態平衡的關系（即是：用水量大的時，供水量也大；用水量小時，供水量也小），這樣就有利于用

10、戶用水的水壓質量良好和供水水源的節能節約。1.1.2 傳統供水系統的比較傳統的供水系統不足之處主要表現在用水高峰期水的供給量不能滿足用戶的需求量，出現了水壓降低供不應求的現象，這樣很多高樓住戶和遠距離的用戶得不到供水。在用水量少的時期，系統水的供給量又經常超出了用戶的用水需求量，這樣就會供給大于需求水的壓力過高，此時就會造成資源的浪費，而且很可能損壞用水設備，使用水管道破裂。下面就介紹一些在變頻恒壓供水技術沒有出現時，人們采用過的一些傳統的供水方式。1 一臺恒速泵直接供水系統這種供水方式是水泵從水池里抽水加壓之后送往用戶，有些甚至還沒有蓄水池，直接就從城市公用水網中抽水，這些會嚴重使城市公用管

11、網壓力變的不穩定。此供水方式，水泵整天不停運轉，在夜間用水量少時可能停止工作。此系統造價便宜、結構簡單，但是耗電大、水的損失嚴重，水壓力不穩定，供水質量極差。2 恒速泵+水塔的供水方式此方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。這種就要求水塔的高度滿足水塔的最低水位要略高于供水系統所需要的壓力。當水塔里的水低于設定的下限值，水泵電機啟動，開始抽水，水滿后，水泵停止運行。水泵的工作是斷續的，這種方式顯然比上一種要節能些，節電率與水塔容量、用水不均勻系數、水泵額定流量、水泵的開、停時間比、開/停頻率等有關。優點是比上一種節能，供水的壓力較穩定。缺點是建設投資大，占地寬。水壓不可調，不能兼顧近期與

12、遠期的需求。水壓不能根據系統需要而改變，存在不必要的能量損耗以及對用水進行二次污染。還有一種情況是可能發生供水質量的劇烈下降和能耗增加，此情況發生是由于供水系統水塔的水位監控裝置受到破壞，水泵不的自動開、停功能受到損壞，水泵的啟、停只能有人來操作。3 射流泵十水箱的供水方式這種方式在工藝和技術上還有待改進，它是結合射流泵自身的特殊結構和壓力差以及進水管道粗出水管道細來實現供水的。這種方式有時會出現有壓力而沒有流量的情況。不能滿足現代城市的供水需要。4 恒速泵十高位水箱的供水方式這種方式的原理與水塔是一樣的，只是水箱被放置在建筑物的頂層上，建筑物過高還可以分層設立水箱。這種方式的設備投資和占地面

13、積有所減少，缺點是對建筑的設計和與造價會有一定的影響，并且水箱還受到建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍受到限制。水箱可能被一些動物甚至人進入，導致水質污染。水箱的水位監控裝置也容易損壞，這樣系統的開、停，是完全由人工操作的，導致系統的供水質量下降能耗增加。5 恒速泵十氣壓罐供水方式這種供水方式是將高位水箱用封閉的氣壓罐來取代。泵的啟動停止靠氣壓罐內檢測到的壓力信號來控制。氣壓罐需要的占地面積也比較小，可以把它直接放地上，這樣成本就要低于水塔方式。因為氣壓罐是密封的，所以很大程度上減少了異物進入污染水質的可能性。這種方式明顯優于前面幾種方式。氣壓罐供水是靠壓縮空氣送水，罐的配套水泵工作時，

14、水泵電機是在額定流量、額定轉速下運行，這樣當用水需求小時，就會浪費流量。而且水泵工頻啟動，啟動頻繁會有一定的能耗，電氣機器設備損壞快。氣壓罐的占地面積稍大。6 變頻調速供水方式變頻恒壓供水系統是變頻器結合plc控制的系統，自動化程度高，系統的原理是通過系統中安裝的壓力傳感器，將用水的壓力信號傳到plc中，與設定壓力值作比較、運算，然后由控制器調節變頻器的輸出，無級調節水泵轉速。系統水壓不管如何變化，系統的輸出始終在一定的范圍內穩定.變頻恒壓供水的水泵調速控制方案一般分三種:水泵出口處的恒壓控制、水泵出口的變壓控制、給水系統中的最不利點恒壓控制。變頻調速式供水系統優于前面介紹的所有系統，它的流量

15、輸出根據用戶需求而改變，調節能力強，節約了能源。在工建上節省鋼材、節省占地面積、節省了投資。系統采用軟開關技術對電網、設備沖擊小，運行穩定可靠，維修方便，還可以配以組態實時監控，具有明顯的經濟效益與社會效益，應用前景廣闊。隨著社會經濟的迅速發展，水對人民生活與工業生產的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統可靠性的要求不斷提高。先進的控制技術、自動化技術、通訊及網絡技術等在供水領域的應用，成為了對供水系統的新要求。由于城市供水量不斷加大，對城市管網的實時監測提出了更高的要求。1.2 恒壓供水系統的國內外研究現狀隨著電子技術電力技術的發展，變頻器開始逐步進入市場，變頻器對交流電機的調速日益成熟

16、，變頻恒壓供水系統開始發展起來。早期，國外生產的變頻器在恒壓供水系統中只用于執行機構。其主要功能主要是正反控制、頻率控制、啟動控制、制動控制、升降速控制、壓頻比控制和各種保護。在變頻器的外面需要提供壓力傳感器和壓力控制器，通過壓力進行閉環控制以滿足在不同用水需求時，保持管道的壓力不變。變頻技術應用于恒壓供水系統中使系統節能、可靠、穩定、并且自動化程度高。這些優點得到了大家的認可，于是國外的一些變頻器生產公司開始生產推出了專供恒壓供水的變頻器。比如日本的samco公司，他們就生產出了恒壓供水基板，這種設備具有兩種工作模式：一種是變頻泵固定方式另一種是變頻泵循環方式。這種變頻器的控制基板上集成了p

17、lc可編程控制器和pid調節器等硬件，可以通過一些指令代碼的設置來實現plc和pid等控制功能，只需要使用一些配套的恒壓供水單元，就可以直接完成對多個內置的電磁接觸器的控制工作。這樣就可以構成恒壓供水系統（最多可以有7臺水泵電機）。這種設備的優點是使電路結構微化，成本低。但也有一定的缺點。這種設備的輸出接口擴展功能不夠靈活，構成的系統穩定性不高，動態性能也不高。不能與其他組態軟件、監控系統實現通訊，雖微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動態性能和穩定性不高，所帶負載的容量受到限制，與別的監控系統(如ba系統)和組態軟件難以實現數據通信。在實際應用中這種變頻器

18、的應用范圍也受到一定的限制。在我國也同樣有許多企業在做恒壓供水變工程。從系統的穩定性和動態性能開放性以及抗干擾性能的各個綜合指標來看，還達不到現代形式復雜要求高城市供水需要。國內的供水系統有的是采用的單片機結合相應的軟件加上國外進口的變頻器來實現，有的采用plc結合其他軟件加變頻器來實現的。多是通過壓力來實現閉環控制。對于用在恒壓供水的專用變頻器國內的企業也有研究，成都希望集團和原深圳華為電氣公司就生產出了專用的恒壓供水變頻器(5.5kw22kw)，這種變頻器最多可以完成4臺電機的定時循環、循環切換、定時啟動、停止控制。它不在需要外接plc與pid調節器就可以完成控制。plc和pid控制器功能

19、已經內置于變頻器中。不過該變頻器不足之處是它的操作不是很方便，沒有數據通訊功能，所帶的負載容量受到輸出接口的限制。容量小，只適合用于需求不高、控制要求低的地方。由此可見，現在國內外在研究能適應不同場合的變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中還待提高，系統的研究要結合現代控制技術、網絡和通訊技術同時還要兼顧系統的電磁兼容性(emc)。因此，我們還需要進一步研究改善變頻恒壓供水系統的性能，使供水系統能夠適應不同的環境，保障生活、生產實踐。1.3 供水系統安全性討論供水系統安全性受到影響的重要因素是水錘效應，水錘效應是在很短的時間內，由于水流量的變化很急巨，引起供水管道受到的高、低壓強的沖擊，發生了空

20、化現象，使供水管道受到壓力發出噪聲，像錘子敲擊管子的聲音一樣。水錘效應的破壞性極大。壓強過高的時候，會使供水管道破裂，壓強過低了又會引起供水管道的癟塌。而且，水錘效應還有可能損壞閥門和一些固定件。如果采用變頻調速，那么對提高系統的安全性有很大的好處：1 發生水錘效應的根本原因是水泵在啟動和制動的過程中動態轉矩太大，導致短時間內流量發生巨大變化。采用變頻調速技術，可以減少動態轉矩，消除水錘效應，減少了水泵和管道的沖擊，延長水泵管道系統的壽命。2 通過降低水泵平均轉速，減小工作時的平均轉矩，葉片承受的應力減小，軸承的磨損也就減小，延長水泵的壽命。3 變頻調速系統的軟啟動代替了硬啟動，有效保護了電氣

21、設備。4 啟動電流減少，對電網的沖擊減小，提高系統穩定性。1.4 本論文主要設計思想本設計的任務是設計一套恒壓供水系統，能夠實現智能控制，節約能耗，無論在用水高峰期還是低峰期都能滿足用戶的用水問題，本文以城市小區供水系統為研究對象，采用現在控制技術，用plc和變頻器（含pid模塊）集合來控制3臺水泵電機的工作，代替了傳統的水塔、壓力罐的供水方式，變頻器與plc組成控制系統，對水泵電機進行的調速運行，實現對供水壓力的閉環控制，當管網流量發生變化時實現恒壓供水的目的。通過壓力傳感器反饋的總管網實際壓力值與系統設定的給水壓力值進行比較，將其差值通過輸入cpu運算處理后，發出控制指令，控制水泵的轉速，

22、從而使壓力值穩定在設定的壓力值上。本設計中恒壓供水系統中電動機調速裝置采用交流變頻技術，控制裝置采用plc控制器。plc不僅可以實現泵組、閥門的邏輯控制，還可以完成系統的數字pid調節功能，還可以根據需要結合組態軟件對系統中的各種運行參數、控制點進行實時監控，在crt畫面顯示，還具有故障報警功能。市政供水管網中自動恒壓供水系統的標準通訊接口，還可以和城市供水系統的上位機進行聯網，實現整個城區供水系統的優化控制，使城市供水系統提具有現代化的調度、監控、管理、經濟運行等特點。隨著人們生活水平的提高和城市建設的不斷擴大，對城市供水系統的可靠性（流量、壓力）要求越來越高，各種分散或集中加壓設施也逐漸增

23、多。變頻調速恒壓供水系統在這些加壓設施中越來越顯示出其優越性。53攀枝花學院本科畢業設計（論文） 2 系統的理論分析及方案的確定2 系統的理論分析及方案的確定2.1供水系統的主要參數1 流量流量是單位時間內流過管道內某一截面的水量，常用單位是m3/s、m3/min、m3/h等.符號是q，供水系統的基本任務是滿足用戶的流量需求。2 揚程揚程是單位質量的水被上揚時所獲得的能量，常用單位是m，符號是h。揚程主要包含是以下幾個方面：一、供水中水位提高需要的能量；二、供水中水在管道中流動時有阻力，要克服這個阻力所需的能量；三、要使水在管網流動，具有流速所需的能量。一般情況下，我們認為提高水位需要的能量是

24、揚程的主要部分，因為在同一個管道里，上面所說的二和三是基本上不變化的，其數值相對較小。由此我們在分析系統時，同一管道揚程常常只考慮把水位提高所需要的那部分能量而忽略了其他兩個因素，即水位差就簡單的代表了揚程。3 全揚程全揚程可以叫總揚程也可以叫做水泵揚程，它是一個說明水泵的泵水能力的物理量。水從蓄水池被上揚到最高的水位時所要的那部分能量和使水具有流速及克服管道阻力所需要的能量，符號是ht。4 實際揚程實際揚程就是用水泵提聲水位時所需的能量，符號是ha 。5 損失揚程全揚程減去實際揚程就是損失揚程，符號是hl。ht 、ha和hl 之間的關系是:ht = ha + hl6 管阻管阻是管道系統包括水

25、管、閥門等對水流阻力的物理量，符號是r。通常用揚程與流量間的關系曲線來描述。2.2供水系統的基本特性供水系統的基本特性和工作點揚程特性的前提是供水系統管網中的閥門開度為定值，如圖2-1所示，闡述的關系是水泵在某一轉速下系統中揚程h與流量q，從圖中可以反映出，當流量q增大的時候，揚程h逐漸變小。以閥門開度和水泵轉速都不改變為前提的情況下，流量的大小主要是由用戶的實際用水量來決定的。所以，可以得出揚程特性主要是反映揚程h與用水流量間的關系。管阻特性是在前提為水泵的轉速不變的情況下，表明閥門在某一開度下，揚程與流量之間的關系。水泵中的能量用來克服水泵系統中的壓力差、水位、水在管網中流動受到的阻力的變

26、化規律就是由管阻特性來反映的。從圖中可以得知，在同一閥門開度下，揚程增大，流量也隨著變大。在某一揚程下，系統向用戶供水的能力，取決于閥門開度的大小。由此可知，揚程與供水流量間的關系是由管阻特性來反映。供水系統的工作點是揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，如圖2.1所示。在這一點上，系統的供水量與系統中用戶的用水量剛好相同。達到一種平衡狀態。這樣供水系統同時滿足了管阻特性與揚程特性，系統達到穩定運行狀態。圖2.1 供水系統的基本特性曲線研究恒壓供水系統就是要提供一種能夠在不同環境下滿足用戶對水流量的需求。因此，供水系統的基本控制對象就是流量。按照前面說敘述的，流量的大小決定于揚程，可是揚程是很難進

27、行具體測量和控制。在動態情況下，管道中水壓的大小與用戶用水需求、供水能力之間的平衡關系如下：供水能力用水需求，則壓力上升；供水能力用水需求，則壓力下降；供水能力用水需求，則壓力不變。可此可見，流體壓力的變化詮釋了供水能力與用水需求之間的矛盾。所以，我們把壓力作為一個控制流量大小的參考變量。意思就是如果在系統中保證了檢測管道處的壓力保持不變，那么這個地方的供水能力與用水量的平衡狀態就得到了保證。這樣就能使供水系統最優化的滿足用戶的用水需求。變頻恒壓供水系統的供水部分主要由水泵電機、閥門和管道等構成。恒壓供水系統通過異步電動機帶動水泵工作，一般電機和水泵都做為一體的（所以文中將水泵直接代替電機和水

28、泵），由變頻器對電機進行速度調節，進而根據需要來調節供水量實現恒壓供水。異步電動機的變頻調速就是供水系統變頻的實質。變頻器通過改變異步電動機定子供電的頻率進而實現改變異步電動機同步轉速。根據電機學理論,交流電動機的轉速公式為： 式（2-1）其中：f 為定子的電源或穩壓器頻率； p為極對數；n為轉速；s為轉差率。轉差率s，是同步轉速減去異步轉速的值再去比同步轉速的百分比，三相異步電動機各機種型號及生產廠家的轉差率不盡相同，應根據銘牌額定轉速計算就能得出轉差率。從上式可知，當極對數p不變時，電機轉子轉速刀與定子電源頻率成正比，所以我們要連續平滑的調節電機的轉速就可以通過連續調節異步電機供電電源頻率

29、來實現。在進行變頻調速過程中，電機從高速到低速都能夠保持有限的轉差率，因此變頻調速具有高精度、機械特性較硬、高效率、平滑性較高、調速范圍廣的優點，其調速的性能完全可以同直流電動機調速系統相媲美。綜上所訴，采用變頻器對交流異步電動機調速是一種比較理想合理調速方試，它被廣泛地應用于對水泵電機的調速中。流量是供水系統中常用的控制量，通常采用控制閥門或轉速來進行流量的控制。閥門控制法不常用，此方法在控制中可能會出現超壓或欠壓現象。原因是通過調節閥門開度來調節流量，此時的電機轉速是保持不變的。閥門控制法的實質是通過改變管道中水路阻力大小來改變流量，由此，管道阻力將隨閥門開度的變化而變化，但其中的揚程特性

30、是不變的。而實際用水過程中，用戶的用水需求是不定的，它在不斷的變化，如果閥門的開度在某一段時間內維持恒定不變的化，就會造成這種現象的出現。轉速控制法是常用的一種控制方法。它是保持閥門的開度不變，通過改變水泵電機的轉速來調節流量，實質是通過改變水的動能來使流量改變。因此，這種方式下的管阻特性是不變的，揚程特性就會隨水泵轉速而改變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作過程中，水泵電機的轉速是根據用戶用水量的變化自動地調節的，始終保持了管道壓力的穩定不變，如果用水需求量增大，則電機開始加速運行。如果用水需求量減小時，則電機減速運行。當用閥門控制流量時，無論用水量多大，電機都一樣運行，尤其用水量少時，

31、效率很低，有很多功率被浪費掉。轉速調節時，用多少水，抽多少水，水泵的效率不變，總處于最佳狀態。電子技術的發展和完善，促進了變頻調速領域的發展，變頻調速的機械特性好，精度高，效率高，調整特性曲線平滑，調速范圍寬，可以實現連續的、平穩的調速，體積小、維護方便、自動化水平高。這一系列突出的優點倍受人們的青睞。現在交流電機的變頻調速技術已經發展成為一項成熟的技術，它將配電網恒定頻率的交流電經過整流二極管變成直流，再由igbt或gtr模塊等組成的逆變電路變成頻率可調的交流電源，用此電源拖動交流電機在變速狀態下運行，并能自動適應負荷變動的條件。它改寫傳統工業中電機啟動后只能以額定功率、定轉速的單一運行方式

32、的歷史，達到現代社會節能的要求。變頻調速技術應用于供水系統中，較傳統的供水方式可節電4060，節水1530，所以本文采用變頻調速恒壓供水方式。2.3變頻恒壓供水方式的選擇目前國內變頻恒壓供水設備電控柜的控制方式有：1 邏輯電子電路控制方式這類控制電路往往采用一臺泵變頻運行，其余泵為工頻運行的方式。難實現水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調節，所以控制精度較低、抗干擾能力較弱、調試較麻煩、工頻泵起動時對電網有沖擊、水泵切換時水壓波動大，但是成本較低。2 單片微機電路控制方式此控制電路要好于邏輯電路，但在對不同供水、不同管網情況時，調試比較繁瑣。追加功能時往往還要重新修改電路，不靈活也不方便。電路的可

33、靠性和抗干擾能力都不太好。3 新型變頻調速供水設備由于傳統的供水設備都有著不同的缺點，國內外很多廠家研制出了一批新的供水設備，華為的td2100、富士公司的giispiis系列產品、sanken的samco i系列、施耐德公司的altivar58泵切換卡、abb公司的acs600、acs400系列產品等等。這些產品的特點是減少了對plc的容量的要求，不用對pid調節器編程，調試容易，成本低，還提高了生產效率。水壓的調節很平滑，反饋準確。這些特點都源于新產品綜合了plc的一些簡單功能和pid調節器。而且，pid調節器采用了優化算法。這種變頻器在供水領域很受歡迎。分析以上3種方案后，本次設計就采用

34、的第四種方案，用新型的變頻調速設備。供水系統方案如圖2.2所示。圖2.2 供水系統方案圖2.4變頻恒壓供水系統的工作原理2.4.1系統的構成本系統有變頻器，可編程控制器（plc），3臺水泵電機，壓力傳感器和若干輔助部件構成。每臺水泵的出水管都配有手動閥門，便于系統維修和調節水量，3臺泵在控制信號下變頻或工頻運行，以滿足供水需求。系統中壓力傳感器檢測管道上的壓力，一般采用電阻式傳感器(反饋05v電壓信號)或壓力變送器(反饋420ma電流)；變頻器是供水系統的核心，是實現電機無極調速、無波動穩壓和其他功能的重要器件。圖2.3 系統結構圖通過的上圖的分析，我們可以知道恒壓供水系統由控制系統、信號檢查

35、、執行機構、報警裝置等組成。1 控制系統供水控制系統由可編程邏輯控制器、變頻器、電控設備組成，安裝在專門的控制柜中。1) 可編程邏輯控制器（plc）:它像人的大腦，是整個控制系統的核心。它可以采集系統中的壓力、工況、報警信號，分析數據信息，再處理運算，得出控制方案供水控制器，發送指令給變頻器、接觸器對執行機構實施控制。2) 變頻器:它是控制水泵電機轉速的單元。變頻器通過接收跟蹤plc給出的控制信號來調節水泵的轉速，其原理是通過改變運行頻率來完成對調速水泵的轉速控制。3) 電控設備:主要由一些轉換開關、接觸器、保護繼電器等電氣元件組成。用于主電路中在控制系統的控制下進行水泵的切換，保護用電設備等

36、。2 信號檢測在變頻恒壓供水系統中信號的檢查主要是檢查出水管中水的壓力和一些報警信號。水壓信號:它是整個系統的一個重要反饋信號，反映的是用戶管網里水的壓力通過壓力傳感器測出來的水壓值，是模擬量信號。報警信號:開關量信號，當系統不正常，水泵過載運行或變頻器異常的時候會反映出來。這個信號的檢查對系統的正常運行和設備的保護起著重要作用。3 執行機構執行機構顧名思義就是系統的執行設備，在這個系統里就是3臺水泵，通過水泵把水送給用戶。它們用于將水供入用戶管網。4 通訊接口通訊接口是用來與外界通信用的，比如可以結合組態軟件制作一個實時監控系統，在led上顯示，數據的交換就是通過通訊接口傳送。還可以利用現代

37、網絡技術對系統進行遠程診斷和維護。5 報警裝置 為了保證控制系統的安全、穩定、可靠運行，防止由于電網大的波動、水源終斷、電機過載、站內溢水、變頻器報警、出水超壓等情況而造成故障，恒壓供水系統的報警裝置是必不可少的。報警信號通過plc的判斷，進行報警和保護動作的控制。2.4.2工作原理首先將總電路上的空氣開關閉合，使供水系統進入運行狀態。然后再將狀態開關打到自動上，系統就開始自動運行（一般系統出故障時才需要手動運行）。這個時候就可以通過plc程序來控制系統的運行了。在plc程序中接通km6，并啟動變頻器，此時系統開始運轉。此時plc判斷壓力傳感器檢測的壓力值與系統設置的壓力值的偏差進行pid調節

38、，改變變頻器的輸出頻率控制水泵的運轉速度、水泵運行個數以及水泵運行狀態。增泵工作過程：本系統水泵電機3臺，分為1號、2號、3號水泵，系統啟動后，1號水泵先開始變頻運行，當壓力信號超過設置的信號值并且持續一段時間，經過plc和變頻器進行處理后，就會將1號水泵切換為工頻運行并啟動2號水泵，2號水泵變頻運行。此時如果實際壓力值還達不到設定的壓力值，繼續將2號水泵切換為工頻運行并啟動3號水泵，3號水泵進行變頻運行。減泵工作過程：當系統設定壓力值高于實際壓力值并穩定運行就關閉1臺電機。整個系統以先啟先停原則進行恒壓控制。一般情況下實際壓力信號值與系統設定壓力值的偏差要持續一段時間plc才會給出加減泵的命

39、令，這樣就會避免水壓由于某種原因突然增加又減小而造成不必要的浪費。2.5變頻恒壓供水系統中加減水泵的條件分析在變頻恒壓供水系統中水壓的保持是靠水泵的調節，當水泵的運行已經達到了上限頻率，這個時候壓力傳感器檢查的實際值任然小于系統的設定值，此時一臺電機無法滿足供水需求，則將原水泵切換為工頻運行，啟動另一臺水泵進行變頻調速，滿足水的供給。如果在水泵運行過程中，調速泵運行頻率已達到下限，這時壓力傳感器的檢測值任然高于系統的設定值，這個時候就是供大于求的情況，此時plc發出指令，關閉調速水泵，將工頻運行的水泵切換變頻運行。通過以上的方法來實現恒壓供水。水泵切換的時間和如何切換要保證系統的穩定可靠供水壓

40、力恒定，并且水泵機組的切換是不能太頻繁。在供水系統中變頻器的頻率控制范圍是有限制的。一般常用的變頻器的調節頻率是在0-400hz，實際運用中由于受實際工程和電網的限制，其控制頻率是達不到0-400hz的。我們用的電網規定的頻率是50hz，還有電機的正常工作頻率限制，當電機為工頻運行時就該是最大頻率。所以變頻恒壓供水系統中變頻調節的上限頻率為50hz.在實際運行中當變頻器調節頻率達到50hz，這時水泵運行速度不能再增加了，這時就需要再啟動另一臺水泵。變頻器的調節頻率下限值理論是應該是0hz。但是實際工作中是達不到0hz的。因為水泵在運行過程中會有水對電機的一個方向阻力，產生一個方向力矩。水泵的運

41、行首先就要克服這個阻力做功。不然水就會出現回流的情況。調節頻率下降到達到某個值時，水泵這時就抽不出水了。這個值才是實際中真正下限頻率。這個下限頻率值與系統在不同的場所和用的不同的水泵有關，它遠遠超過0hz,一般情況下是在20hz左右。恒壓供水系統中，電機的切換時很重要的。在該切換的時候切換，不該切換的時候就不動作。那么什么時候該切換呢？我們在設定程序的時候應該有個延時判別，延時判別就是當系統檢測到的壓力值和設定值不匹配，并且這種情況要延續一段時間，這段時間內條件任成立那么plc才發出調節指令。有的時候由于其他原因實際水壓值會突變，很短時間又恢復正常，這個時候是不需要調節的。如果這個時候plc發

42、出調節指令，就會誤操作。攀枝花學院本科畢業設計（論文） 3 變頻恒壓供水系統的硬件設計3 變頻恒壓供水系統的硬件設計3.1 plc3.11 plc簡介可編程控制器(programmable logic controller)簡稱plc。1968年美國的通用汽車公司對外公開招標提出代替傳統的繼電器控制系統的新型控制系統，1969年美國數字設備公司研制出了世界上第一臺plc(pdp-14)，在此之后plc開始迅速發展，plc克服了傳統繼電器控制系統故障排查難，不能適應工藝改變的等困難。plc以微處理器（cpu）為基礎，結合了現代控制技術，計算機技術，通訊技術，采用簡單的編程語言，面向用戶和控制過程

43、。plc能夠適應不同的工業環境，可靠性高、操作簡單方便，學起來簡單易懂。豐富的i/o接口，較強的驅動能力，靈活的標準配置使plc被應用于石油、電力、化工、汽車、建材、冶金、機制、文化娛樂等各種行業。plc產品性能的不斷提高，促使plc的用于領域不斷擴大。plc被稱為當代工業生產自動化的三大支柱之一。在應用中，我們只需對實際工程進行編程，就能完成控制任務。 plc的硬件結構框圖如下：3.1 plc硬件結構框圖早期的plc采用計算機的設計思路，主要用于順序控制，只能夠處理邏輯運算。隨著社會的進步科技的發展，計算機、通訊、微電子技術快速發展，工業生產自動控制要求越來越高，plc在速度、智能化、功能以

44、及通訊上等技術上都有了很大程度上的提升，現在plc不僅能完整的實現邏輯控制、順序控制還有過程控制、遠程通信和模擬量控制等強大的功能。plc在控制領得到了大家的認可。并得到廣泛運用。plc具有的功能如下：開關量控制;步進控制;模擬量控制;計數控制;數據處理;定時控制;自診斷功能;定位控制;通訊聯網功能;顯示、打印功能。作為工業生產過程控制的專用計算機，plc與實驗室環境下使用的微型計算機機是有區別的。由于使用的環境特殊、控制對象的復雜性，運行的長期連續性等因素使plc在設計上有許多明顯的優點如：編程直觀簡單、可靠性高、接口能力強、通用性強、適應性好、模塊化結構、結構緊湊體積小、安裝維修方便等。3

45、.12 plc的選型plc的種類很多，著名的有日本的三菱、德國的西門子、施耐德、國內的有臺達的。本文采用西門子s7-200。s7-200型plc的價格便宜、結構緊湊、性價比較高，被廣泛應用與一些小型控制系統。西門子公司的plc系列產品的可擴展性強、可靠性高，通信指令較為豐富且通信的協議簡單；plc結合工控機和組態軟件，可以對控制系統進行實時監測控制。工控機和plc采用pc/ppi電纜進行通信，支持點對點接口(ppi)協議，pc/ppi電纜可以很方便的完成plc的通信接口rs485到pc機的通信接口rs232的轉換，用戶程序的三級口令保護可以對程序實施安全保護。西門子公司的plc產品品種豐富。s

46、7系列是傳統意義上的plc，s7-200是一種小型plc，在1998年升級為第二代產品，2004年升級為第三代產品，它具有如下特點：1 功能強大。s7-200有5種cpu模塊，最多可擴展7個擴展模塊，擴展到248點數字量i/o或38路模擬量i/o，最多有30多kb的程序存儲空間和數據存儲空間；2 先進的程序結構，功能強大、使用方便的編程軟件；3 靈活方便的尋址方法；4 強大的通信功能和品種豐富的配套人機界面；5 有競爭力的價格；6 完善的網上技術支持等。3.2 plc擴展模塊em2353.2.1 em235的簡介em235模塊是組合強功率精密線性電流互感器、意法半導體（st）單片集成變送器as

47、ic芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測主回路交流電流轉換成按線性比例輸出的dc420ma（通過250電阻轉換dc 15v或通過500電阻 轉換dc210v）恒流環標準信號，連續輸送到接收裝置（計算機或顯示儀表）。1 主要特點1) 專為電力電氣自動化5060hz交流電流測量而設計的真有效值兩線制隔離變送器模塊；2) 具有國內首創4種補償措施：零位補償、線性補償、溫度漂移補償、頻率帶寬補償；3) 采用印制板直插安裝型模塊結構，將精密電流互感器和單片集成電流變送器兩部分組合為一體化設計；4) 高可靠性、高穩定性、高性價比；5) 原副邊高度絕緣隔離；6) 具有國內首創6大全面保

48、護功能：a.輸入過載保護；b.輸出過流限制保護；c.輸出電流長時間短路保護；d.兩線制端口瞬態感應雷與浪涌電流tvs抑制保護；e.工作電源過壓極限保護35v；f.工作電源反接保護；7) 特別適合于將發電機、電動機、智能低壓配電柜、空調、風機、路燈等饋電電流互感器的二次側1a、5a、10a電流隔離轉換為標準兩線制dc420ma直流信號，輸入智能監控系統；8) 頻率帶寬：ac401000khz9) 超低功耗，單只靜態時0.096w，滿量程功耗為0.48w，輸出電流內部限制功耗為0.6w。2 主要功能與特性1) 將被測工頻交流電流轉換成按線性比例輸出的兩線制dc420ma標準直流信號；2) 優良的溫

49、度特性和長期工作穩定性；3) 第3代定型設計采用意法半導體（st）單片集成變送器asic芯片(絕非lm324或lm258廉價運放搭成)；4) 第3代定型設計采用強功率線性變壓原理,抗干擾能力較第2代增強10倍；5) 精確度高,線性度優良；6) 兩線端口具有輸出過流過壓極性保護功能,具有感應雷擊波和突波保護能力；3.2.2 em235的技術規范 em235是s7200系列plc的模擬量擴展模塊，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量輸出，適合用于恒壓供水控制中下表中，輸入、輸出信號范圍欄給出了em235的輸入、輸出信號規格。4路端子可分別接入4路輸入，當信號的類型(電流或電壓)不同時，接線方法是不一樣

50、的，輸出是電流量還是電壓量在接法上是有區別的。表3.1 em235輸入/輸出技術規范3.2.3 em235的校準及配置em235模擬量模塊要先配置、校準好，然后再接入電路，配置是按照實際需求接入的信號類型對所選模塊進行設定。校準就是儀器儀表在使用前需要的調零和調滿度。配置時要調節使用的6只開關的狀態組合所對應的輸入范圍和分辨率，分成單極性輸入與雙極性輸入兩種。具體校準輸入的步驟如下：1 首先切斷配置用的模塊的電源，通過配置開關選擇所需要的輸入范圍。2 將cpu的各個模塊電源接通，并穩定15分鐘。3 用一個傳感器、一個電流源或電壓源，將零值信號加到一個輸入端。4 將cpu中的測量值讀出來。5 然

51、后通過對偏置電位器的調節來使讀數為0或者是你所需要的數據值。 6 讀取cpu在一滿刻度信號接入某個輸入端下的值。7 通過對增益電位器的調節，使cpu的讀數為32000或你所需要值。必要時，可以重復偏置、增益校準過程。3.2.4 em235的使用說明1 em235擴展模塊一般使用過程：1) 按輸入信號類型與變化范圍來設置dip開關，進行模塊的配置工作。必要時需要進行校準。2) 完成硬件接線。接入時要根據不同的輸入、輸出信號類型采用不同的接入方式。空置端應短接防止空置端對接線端的干擾。接線時傳感器的線路要盡量短并且要用屏蔽雙絞線以保證24vdc傳感器電源沒有噪聲、可靠穩定。3) 正確的安裝模塊在系

52、統中的位置，并編號。s7-200的擴展單元在主機的右邊依次排列安裝，模塊從0開始進行編號。安裝好模塊后，在主機上的擴展總線插口上插上模塊自帶的接線排。4) 在主機中留一定的儲存單元以便在進行輸入模擬量轉換以后對數字數據處理與輸出時要在模擬量單元中轉換為模擬量的數字量。一般情況下用模擬量輸入aiw與模擬量輸出aqw單元安排的是模擬量模塊送來的數字量與待送入模塊轉變為模擬量輸出的數字量。運行中產生中間數據時儲存在主機的變量存儲區v區內。擴展模塊的編址方法按照s7系列plc技術手冊中有關規定。2 em235的工作程序編制1) 首先要為工作做的準備是對初始化子程序的設置。在子程序中進行預置采樣次數、進

53、行采樣并進行單元的清零。2) 進行模塊檢測子程序的設置工作。此程序的作用是：1.檢查模塊的連接是否正確2.模塊工作是否是正確的。通過對子程序的設置將采樣及相關的計算工作完成。3) 完成工程需要的模擬量的處理程序。4) 做好模擬量的輸出工作。3.3 plc的i/o端口分配變頻恒壓供水系統的基本要求如下：1 城市小區的用水量在白天和夜間是不同的，由于白天用水多，夜間用水少所以采用兩種模式白天系統高壓運行，夜間系統低壓運行。2 鑒于水泵長時間工作設備損耗大，系統設有“倒泵功能”。當用水量少的時候，如果一臺水泵已連續運行超3小時，就會換下一臺水泵工作，避免某臺水泵長時間運行，倒泵功能只用于只有一臺變頻

54、水泵長時間運行。3 此系統水泵啟動順序遵循“先啟先停，先停先啟”原則。4 水泵的運行分為自動、手動兩個狀態。手動狀態只用于應急和檢修。系統的水泵通常采用軟啟動。5 系統要具有完善的報警功能。以保障系統運行的安全可靠穩定便于檢修。根據變頻恒壓供水系統控制要求統計系統的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表3.2所示。表3.2 輸入輸出點代碼及地址編號3.4變頻器變頻器是恒壓供水系統的重要組成部分，通過變頻器來對交流電機進行速度的調節，進而改變管道的出水量。選擇變頻器時要參考水泵的功率與電流。如果需要實現監控功能還需要具有通訊功能的變頻器。變頻器按照控制功能的差別可劃分為三類：普通功能型u/f控制

55、變頻器、高功能型u/f控制變頻器（具有轉矩控制功能）、矢量控制高功能型變頻器。由于本系統屬泵類負載，低速運行時轉矩小，考慮選用價格相對便宜的u/f控制變頻器。圖3.2 變頻器的結構圖為了系統變頻器和plc的通訊方便，plc采用的是西門子公司的s7-200所以變頻器同樣選擇西門子公司的產品micromaster440變頻器。它采用三相交流電機調速，微處理器控制，功率輸出器件采用絕緣柵雙極型晶體管，功能強大、運行可靠性很高。模塊化結構使其組態靈活，并具有多種保護功能。變頻器內部具有rs-485/232c接口（可直接與西門子plc相連）與pid閉環控制器，用戶可以根據需要自定義輸入/輸出端子的功能。

56、快速電流限制實現了系統的無跳閘運行，磁通電流控制改善動態響應特性，低頻時同樣可以輸出大力矩。micromaster440變頻器的輸出功率為0.7590kw，比較適用在一些高要求、大功率的場合。在工程的中，要嚴格按照使用手冊進行變頻器的安裝接線。為了不影響變頻器的效率和壽命各種輔助措施要嚴格做到位，如接地安全的保證以及裝置環境條件的保證等，避免造對其它系統造成干擾。變頻器的發熱量較大，對環境溫度的要求非常重要，安裝時要認真考慮散熱問題，必要時需增加通風裝置。變頻器主要優點：1 提高馬達功率因素。2 壓力精確度0.1bar.3 省電：20%-50%。4 降低設備運轉噪音5 降低啟動電流，減少對電網沖擊。6 降低能源消耗和生