1、 . I / 43摘摘 要要隨著改革開放的不斷深入，我國中小城市的城市建設與其經濟迅猛發展，人民的生活水平不斷提高；同時，城市需水量日益加大，對城市供水系統提出了更高的要求。供水的可靠性、穩定性、經濟節能性直接影響到城區的建設和經濟的發展，也影響到城區居民的正常工作和生活。本文根據城區供水管網改造工程設計了一套由 PLC、變頻器、遠傳壓力表、多臺水泵機組、計算機等主要設備構成的全自動變頻恒壓供水與其遠程監控系統，具有自動工頻/變頻恒壓運行、可實現遠程自動控制和現場手動控制等功能。論文分析了采取變頻調速方式實現恒壓供水相對于傳統的閥門控制恒壓供水方式的節能機理。通過對變頻器置 PID 模塊參數的

2、預置，利用遠傳壓力表的水壓反饋量，構成閉環系統，根據用水量的變化，采取 PID 調節方式，在全流量圍利用變頻泵的連續調節和工頻泵的分級調節相結合，實現恒壓供水且有效節能。 論文論述了采用多泵并聯供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各種供水狀態與轉換條件，分析了電機由變頻轉工頻運行方式的切換過程與存在的問題。給出了實現有效狀態循環轉換控制的電氣設計方案和 PLC控制程序設計方案。系統有效地解決了傳統供水方式中存在的問題，增強了系統的可靠性。并與計算機實現了有機的結合，提升了系統的總體性能。關鍵詞關鍵詞：PLC；變頻調速；恒壓供水；變頻工頻切換 . A AbstractbstractWith t

3、he continuous deepening of reforming and opening up, the construction and economy of small and medium-sized cities in China have developed rapidly. Peoples living standards have improved constantly. The water supply system is demanded more as city water consum ption increasing. The urban constructio

4、n and economic development and also peoples daily work and life are impacted directly by the reliability, stability and the economical of energy conservation of the water supply system.An autom atic conversion and voltage constant Water Supply and remote monitoring system, which consist of the PLC,

5、the converter, the remote transition pressure gauges, the multi-pumps unit, the computer and so on. It is of automatic line-frequency /conversion function, remote and local automatic control. In this paper, the mechanism of energy saving, which uses speed governing with invertor to design voltage co

6、nstant water supply system, competing with traditional valve controlled pressure constant system. Closed loop system is built by presetting the parameter of the PID inside of convertor, and feedback of remote transiton hydraulic meter. Using the step regulation of convertor pump and frequency pump i

7、n full rang of flow to apply PID control on the change of water achieves energy saving of voltage constant water supply. This paper discusses the reasonability of water supply scheme with much pump parallel connection, and analyses the conversion condition and the various states of water supply of t

8、he much pump way of water supply as well as the switch process and the problem of a generator from variable frequency operation mode to work frequency operation mode. In addition，the combination of the system and the computer is achieved，which improved the overall function of the systemKeyKey wordsw

9、ords：PLC; Variable Velocity Variab le frequency; Constantp ressure . III / 43water-supply; variable frequency to working frequency . I / 43目錄摘 要 IABSTRACTII1 緒 論 11.1 課題背景與意義 11.2 變頻恒壓供水的現況 11.3 變頻恒壓供水系統的特點 32 2 變頻恒壓供水系統理論分析 42.1 供水系統的基本特性 42.2 不同控制方式下的能耗分析與比較 52.3 變頻恒壓控制的理論模型 62.4 供水系統中的水錘效應與消除方法 7

10、3 3 供水系統恒壓控制與硬件設計 83.1 異步電動機調速方法與選型 83.1.1 變極調速 83.1.2 變頻調速 93.2 供水系統的方案確定 103.2.1 供水系統的流量類型 103.2.2 總體設計方案確定 103.2.3 恒壓供水電控系統組成 123.3 控制系統的硬件設計與選型 13 . 3.3.1 主電路設計 133.3.2 電氣控制電路設計 143.3.3 系統主要配置的選型 163.4 PLC 的選型 193.5 系統可靠性措施 204 4 PLC 控制系統的設計 224.1 水泵工頻/變頻運行狀態與轉換過程分析 224.1.1 供水狀態與其轉換 224.1.2 狀態轉換

11、關系 224.1.3 狀態轉換條件 244.2 PLC 程序設計 254.2.1 PLC 編程語言 254.2.2 梯形圖語言編程的一般規則 254.34.3 供水系統控制模塊的設計 264.3.1 系統初始化模塊 264.3.2 水泵運行與狀態轉換模塊 265 5 恒壓供水系統的 PID 調節 285.1PID 控制與其控制算法 285.2 恒壓供水 PID 調節過程分析 29結 論 31附 錄 32 . III / 43致 34參考文獻 35 . 1 / 431 1 緒緒 論論1.11.1 課題背景與意義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

12、統可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊與網絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統的新要求。變頻恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控；同時系統具有良好的節能效果，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業效率以與人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義在變頻恒壓供水系統中利用變頻器改變電動機的電源頻率，從而達到調節水泵轉速，改變水泵的出口的壓力的目的，這種方法比靠調節閥門控制水泵出口壓力的方法，具有更高的效率和優越性。由于水泵工作在變頻工況下，

13、在其出口流量小于額定流量時，泵的轉速降低，減少了軸承的磨損和發熱，延長了泵和電動機的機械使用壽命。實現恒壓供水的自動控制，不需要操作人員頻繁的操作，大大降低了人員的勞動強度，節省了人力和能源的消耗。1.21.2 變頻恒壓供水的現況國外變頻供水系統現狀從 20 世紀 70 年代起，國外的很多專家，學者就開始嘗試將計算機技術應用于供水系統的模擬，優化設計與供水系統控制等方面。目前，國外供水系統采用的自動控制技術不少，其特點是變頻技術與其他自動化技術相結合。如最初的恒壓供水系統采用繼電接觸器控制電路，是與開關量邏輯控制技術結合，通過人工啟動或停止水泵和調節泵出口閥來實現恒壓供水。該系統線路復雜，操作

14、麻煩，勞動強度大，維護困難，自動化程度低，應用前景不好。后來增加了微機和 PLC 監控系統，提高了自動化程度。但由于驅動電機是恒速運轉，水流量靠調節泵出口閥開度來控制，浪費大量的能源，也沒有很好的發展前景。轉速控制法是通過改變水泵的轉速來調節流量，通過變頻技術調速。變頻調速以其優異的調速和起、制動性能，高效率、高功率因數和節電效果，得到了廣泛的 . 應用。變頻供水系統應用圍變頻恒壓供水系統在供水行業中的應用，按所使用的圍大致分為三類：(1)小區供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統這類變頻供水系統主要用于包括工廠、小區供水、高層建筑供水、鄉村加壓站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在 135kW 以

15、下，控制系統簡單。由于這一圍的用戶群十分龐大，所以是且前國研究和推廣最多的方式。如希望集團推出的恒壓供水專用變頻器。(2)國中小型供水廠變頻恒壓供水系統這類變頻供水系統主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠這類變頻器電機功率在 135kW-320kW 之間，電網電壓通常為 200V 或 380V。受中小水廠規模和經濟條件限制，目前主要采用國產通用的變頻恒壓供水變頻器。(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統這類變頻供水系統用于大中城市的主力供水廠，特點是功率大(一般都大于 320kW)、機組多、多數采用高壓變頻系統。這類系統一般變頻器和控制器要求較高，多數采用了國外進口變頻器和控制系統。如利德福華

16、的一些高壓供水變頻器。變頻供水系統的發展趨勢 (1)變頻供水系統目前正在向集成化、維護操作簡單化方向發展在國外，專門針對供水的變頻器集成化越來越高。很多專用供水變頻器集成了 PLC 或PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時維護操作也越來越簡單，部分新品的變頻供水只需簡單設定壓力值就可以正常運行，控制軟件和其它參數在出廠時就已設定或利用傳感器自動獲取完畢。 (2)高壓變頻系統在供水行業中的應用在過去變頻供水涉與較少的商壓變頻系統，也是發展的重要方向，高一低高型的高壓變頻系統、串聯多電平高壓變頻供水系統目前己在實際應用中不斷完善高壓高頻中的諧波等問題也逐步得到解決。(3)變頻送水系統正在融入

17、更全面的供水管理系統 . 3 / 43面對日益復雜的供水系統，如何在滿足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系統的效益，是所有供水部門共同面臨的重要課題。目前，在美國、日本、法國等地的有些城市已基本上實現了供水系統的計算機優化，把變頻供水與計算機直接調度管理結合起來，我國也正在進行著這方面的研究與小圍應用。1.31.3 變頻恒壓供水系統的特點現有變頻恒壓供水系統具有以下特點:1、滯后性供水系統的控制對象是用戶管網的水壓，它是一個過程控制量，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。2、非線性用戶管網中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵的一些固有特性

18、，使水泵轉速的變化與管網壓力的變化不成正比，因此變頻調速恒壓供水系統是一個非線性系統。3、多變性變頻調速恒壓供水系統要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統，而不同的供水系統管網結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。4、時變性在變頻調速恒壓供水系統中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制是時時發生的，同時定量泵的運行狀態直接影響供水系統的模型參數，使其不確定性地發生變化，因此，變頻調速恒壓供水系統的控制對象是時變的。5、容錯性 完善的保護功能當出現意外的情況時，系統能根據泵與變頻器或軟啟動器的狀態，電網狀況與水源水位，管網壓力等工況自動進行投切，保

19、證管網壓力恒定。在故障發生時，執行專門的故障程序，保證在緊急情況下仍能進行供水。6、節能性系統用變頻器進行調速，節能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零 . 到電機額定電流，減少了啟動電流對電網的沖擊，同時減少了啟動慣性對設備的大慣量轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。2 2 變頻恒壓供水系統理論分析變頻恒壓供水系統理論分析2.12.1 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是以供水系統管路中的閥門開度不變為前提，表明水泵在某一轉速下揚程 H 與流量 Q 之間的關系曲線 f(Q)，如圖 2-1 所示。由圖 2-1可以看出，流量 Q 越大，揚程 H 越小。由于在閥門開度和水泵

20、轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況。因此，揚程特性所反映的是揚程 H 與用水流量 Q（）間的關系。而管阻特性是以水泵的轉速不變為前提，表明閥門在某一開度下，揚程UQ與流量 Q 之間的關系 H=f（） 。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統的水位與壓UQ力差、液體在管道中流動阻力的變化規律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程 H 越大，流量 Q 也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量 Q 之間的關系 H=f（） 。揚程cQ特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統的工作點，如圖 2-1 中 A

21、點。在這一點，用戶的用水流量和供水系統的供水流量處于平衡狀態，供水系統既滿足了揚程特性，UQcQ也符合了管阻特性，系統穩定運行。HAHA揚程特性管阻特性AQQ圖 2-1 供水系統的基本特性 . 5 / 432.22.2 不同控制方式下的能耗分析與比較當用閥門控制時，若供水量高峰期水泵工作在 E 點，流量為 Ql，揚程為，當供水0H量從減小到時必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從移到，揚1Q2Q31程特性曲線不變。而揚程則從上升到，運行工況點從 E 點移到 F 點，此時水泵輸出0H1H功率用圖形表示為(0,F,)圍成矩形部分，其值為1：2Q1H （2-1）02=102DH QPgh當

22、用調速控制時，若采用恒壓()，變速泵()供水，管阻特性曲線為，揚程特0H2n2性變為曲線，工作點從 E 點移到 D 點。此時水泵輸出功率用圖2-2表示為(0，Q2,D,)2n0H圍成的矩形面積，可見，改用調速控制，節能量為（,D,F,）圍成的矩形面積，其0H1H值為： （2-2）0210212()-=-=102102102=FDH QHHQH QP PP所以，當用閥門控制流量時，有功率被浪費掉，并且隨著閥門的不斷102102gh（H-H）Q關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是 E增大，而被浪費的功率要隨之增加。根據水泵變速運行的相似定律，變速前后流量 Q、

23、揚程 H、功率 P 與轉速 N 之間關系為：; ; （2-3）2211=QNQN22211=()HNHN32211=()PNPN式中 Ql、H1、P1 為變速前的流量、揚程、功率，、H2、P2為變速后的流量、揚程、2Q功率。由公式(2-3)可以看出，功率與轉速的立方成正比2，流量與轉速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節能效果顯著，所以本文供水系統采用變頻調速恒壓供水方式。 . H2H1H0HFE1n2n02Q1QQD321圖 2-2 管網與水泵的運行特性曲線2.32.3 變頻恒壓控制的理論模型變頻恒壓控制系統以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上

24、實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段是一個常數。所以，在某個特定時段,恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上3。給定參數變 頻 器 （PID）水泵頻率轉速管網實際壓力壓力傳感器反饋參數 . 7 / 43圖 2-3 變頻恒壓控制原理圖從圖2-3中可以看出，在系統運行過程中，如果實際供水壓力低于設定壓力，控制系統將得到正的壓力差，這個差值經過計算和轉換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸

25、出的頻率。該頻率使水泵機組轉速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止4。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵機組的轉速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調節的結果是實際供水壓力和設定壓力相等。2.42.4 供水系統中的水錘效應與消除方法水錘效應在極短時間，因水流量的急劇變化，引起在管道的壓強過高或過低的沖擊，并產生空化現象，使管道受壓產生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘效應。水錘效應具有極大的破壞性。壓強過高，將引起管子的破裂;壓強過低又會導致管子的癟塌。此外，水錘效應還可能損壞閥門

26、和固定件。產生水錘效應的原因與消除辦法產生水錘效應的根本原因，是水泵在起動和制動過程中的動態轉矩太大，短時間流量的巨大變化而引起的。水泵的動態轉矩大小決定了水泵加速過程的快慢，決定了加速過程流量變化的快慢，也就決定了水錘效應的強弱。通過水泵電動機的軟起動，可減少動態轉矩，因此，選擇好的起動方式和速度調節方法，可以減小或徹底消除水錘效應，提高供水系統運行的安全性。 . 3 3 供水系統恒壓控制與硬件設計供水系統恒壓控制與硬件設計3.13.1 異步電動機調速方法與選型轉速控制法實現恒壓供水，供水質量好、能耗低、效率高，并可延長設備的使用壽命，提高系統的安全性。通過轉速控制法實現恒壓供水，需要調節水

27、泵的轉速。水泵通過聯軸器由三相異步電動機來拖動，因此水泵轉速的調節，實質就是需要調節異步電動機的轉速。由三相異步電動機的轉速公式5： （3-1）160(1)(1)fnnssp=-=-式中， 異步電動機的同步轉速，r/min；1nn 異步電動機轉子轉速，r/min；p 異步電動機磁極對數；f 異步電動機定子電壓頻率，即電源頻率；s 轉速差，11=100%nnSn-可知調速方法有：變極調速、變轉差調速和變頻調整。3.1.1 變極調速在電源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數，實現電機轉速的改變。磁極對數的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現。這種調速方式只適用于專門的變極電機，而且是有極調速

28、，級差大，不適用于供水系統中轉速的連續調節。通過改變電動機的轉差率實現電機轉速的改變。三相異步電動機的轉子銅損耗為: . 9 / 43 (3-2)2222=3= s emCUPI rP該損耗和電機的轉差率成正比，又稱為轉差功率，以電阻發熱方式消耗。電動機工作在額定狀態時，轉差率很小，相應的轉子銅損耗小，電機效率高。但適應流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態，其轉速值往往遠低于額定轉速，此時的轉差率增大，轉差功率增大，電機運行效率降低。雖然變轉差調速中的串級調速法能將增加部份的轉差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網，但其功率因數較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機相匹配的變壓器，成本高，且增

29、加了中間環節的電能損耗。因此變轉差調速方法不適用 于恒壓供水系統中的轉速控制法。3.1.2 變頻調速1、變頻調速機械特性最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通基本不變，其關系為：11=Uf常數式中： 變頻器輸出電壓、變頻器輸出頻率1U1f頻率 f 從額定值往下調時，電機機械特性變化情況如圖3-1 a）所示5，圖中Nf4321fffffN . a)變頻調速機械特性 b)全壓起動圖 3-1 電動機機械特性2、變頻調速過程的特點：靜差率小，調速圍大，調速平滑性好，而且，很關鍵的一點是調速過程中，其轉差率不變。電機的運行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉

30、速控制法。3、變頻調速對供水系統安全性的作用(1)消除水錘效應，減少對水泵與管道系統的沖擊，大大延長水泵與管道系統的壽命。拖動系統中，動態轉矩=-JMLTTT ：是電動機的拖動轉矩：是供水系統的制動轉矩MTLT圖3-1中 b）反映了全壓起動和變頻起動過程中動態轉矩情況。圖中，曲線是異步電動機的機械特性，曲線是水泵的機械特性。(2)降低水泵平均轉速，減小工作過程中的平均轉矩，從而減小葉片承受的應力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長。(3)避免了電機和水泵的硬起動，可大大延長聯軸器壽命。(4)減少了起動電流，也就減少了系統對電網的沖擊，提高了自身系統的可靠性。3.23.2 供水系統的方案

31、確定供水系統的方案確定3.2.1 供水系統的流量類型根據用戶的用水時段特點，可將用戶用水量變化類型分為連續型、間歇型兩大類，根據流量的變化特點，還可進一步細分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。不同季節、不同月份，流量變化類型也會改變。連續型是指一天很少有流量為零的時候，或本身管網的正常泄漏就有一定的流量。間歇型指一天有多段用水低谷時間，流量很小或為零。 . 11 / 433.2.2 總體設計方案確定1、調速方式如今的變頻器調速圍寬、調速精度高、動態響應快、運行效率高、功率因數高、操作方便并且便于同其他設備接口等一系列優點，因此恒壓供水系統中采取變頻調速方式可以獲得優良的運行特性和明

32、顯的節能效果，是實現恒壓供水轉速控制最佳方案。2、泵水方式多泵并聯代替一、二臺特大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。首先是節能，每臺泵都可以較高效率運行，長期運行費用少；其二，供水可靠性好，一臺泵故障時，一般并不影響系統供水，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺泵來配置變頻器容量，減少投資。處于供水低谷小流量或夜間小流量時，為進一步減少功耗，采用一臺小流量泵來維持正常的泄漏和水壓。供水系統如圖3-2所示。圖 3-2 供水系統圖1水位上限檢測 2水位下限檢測 3閘閥 4止回閥 5壓力檢測3、控制方式多泵變頻循環工作方式的可靠切換，是實現多泵分

33、級調節的關鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強、調試方便、維護工作量小的 PLC 通過編程來實現。 . 供水系統的恒壓是通過壓力變送器、PID 調節器和變頻器組成的閉環調節系統控制的。根據水壓的變化，由變頻器調節電機轉速來實現恒壓。3.2.3 恒壓供水電控系統組成（1） 主電路：通過接觸器、斷路器等電氣設備為主水泵與輔泵拖動電動機提供工頻與變頻電源。（2） 電氣控制電路：成對主電路的繼電控制，實現手動或自動控制的切換。（3） 變頻控制電路：根據壓力設定與壓力傳感器的壓力檢測信號，由變頻器輸出變頻電源；提供最高頻率、上下限頻率與啟動頻率等信號；并能實現 PID 調節。（4）PLC 控制系統

34、：包括硬件線路和軟件控制程序，完成對恒壓供水系統壓力設定、順序控制、信號指示報警等。恒壓供水系統構成與控制方案如圖3-3所示。 . 13 / 43圖 3-3 恒壓供水系統構成與控制方案圖3.33.3 控制系統的硬件設計與選型3.3.1 主電路設計三臺大容量的主水泵根據供水狀態的不同，具有變頻、工頻、停泵三種運行方式，因此每臺主水泵均要求通過兩個接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯；輔助泵只運行在工頻狀態，通過一個接觸器接入工頻。連線時一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據電動機制容量來確定。QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6 分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運行空氣開關

35、，FR1、FR2、 FR3 、FR4 為工頻運行時的電機過載保護用熱繼電器，變頻運行時由變頻器來實現電機過載保護。變頻器的主電路輸出端子（U、V、W ）經接觸器接至三相電動機上，當旋轉方向與工頻時電機轉向不一致時，需要調換輸出端子（U、V、W）的相序，否則無法工作。變頻器和電動機之間的配線長度應控制在 100m 以。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子 FWD（REV）來操作，不得以主電路空氣開關QF2 的通斷來進行。為了改善變頻器的功率因素，還應在變頻器的（Pl、P+）端子之間接入需相應的 DC 電抗器。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。

36、在電動機三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來觀察電機工作電流大小，設計三相電源信號指示。圖3-4給出了供水系統電氣控制主回路的主要聯線關系。 . 圖3-4主電路3.3.2 電氣控制電路設計為了保護 PLC 設備，PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在 PLC 輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進而控制電機或者閥門的動作。在控制電路中多處對各主泵電機的工頻/變頻運行接觸器作了互鎖設計；變頻器是按單臺電機容量配置，不允許同時帶多臺電機運行，為此對各電機的變頻運行也作了互鎖設計。為提高互鎖的可靠性，在 PLC 控制程序設計時，進一步

37、通過 PLC 部的軟繼電器來作互鎖。控制電路中還考慮了電機和閥門的當前工作狀態指示的設計，為了節省 PLC 的輸出端口，在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應常開觸點的斷開和閉合來控制相應電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統電機和閥門的工作狀態。出于可 . 15 / 43靠性與檢修方面的考慮，設計了手動/自動轉換控制電路。通過轉換開關與相應的電路來實現6。圖3-5給出了供水系統的部分電氣控制線路圖3-5中，SA 為手動/自動轉換開關，KA 為手動/自動轉換用中間繼電器，打在位置為手動狀態，打在位置 KA 吸合，為自動狀態。在手動狀態，通過按鈕 SB1-SB14 控制各臺泵的

38、起停。在自動狀態時，系統執行 PLC 的控制程序，自動控制泵的起停。中間繼電器 KA 的常閉觸點接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺泵的手動運行。中間繼電器 KA 的常開觸點接 PLC 的 X0，控制自動變頻運行程序的執行。在自動狀態時，四臺泵在 PLC 的控制下能夠有序而平穩地切換、運行。電動機電源的通斷，由中間繼電器 KA1-KA7 控制接觸器 KM1-KM7 的線圈來實現。HL0 為自動運行指示燈。FR1、FR2、FR3、FR4 為四臺泵的熱繼電器的常閉觸點，對電機進行過流保護。圖3-5 電氣控制線路圖 . 3.3.3 系統主要配置的選型1、水泵機組的選型根據系統要求，考慮到用水量類型為

39、連續型高流量變化型，確定采用 3 臺主水泵機組和 1 臺輔助泵機組，設備選用型號與參數見表3-1。2、壓力變送器與數顯儀的選型選用普通壓力表 Y-100 和 XMT-1270 數顯儀實現壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量圍 01MP，精度 1.5；數顯儀輸出一路 420mA 電流信號，送給變頻器作為 PID 調節的反饋電信號，可設定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。表 3-1 水泵機組與參數主要性能參數型號數量流量（/h3m）揚程（m）效率（%）轉速（r/min）電動機功率（kW）主水泵HGT1-250-4003108045721450200輔助水泵HGT1-120-40015

40、045681450103、變頻器的選型與設定（1） 容量確定方法依據所配電動機的額定功率和額定電流來確定變頻器容量。在一臺變頻器驅動一臺電機連續運轉時，變頻器容量（kVA）應同時滿足下列三式7：（KVA） (3-3)CNPcosMkPhj (KVA) (3-4)3103CNMMPkUI (A) (3-5)CNIMIK . 17 / 43式中，負載所要求的電動機的輸出功率；MP電動機的效率（通常在 0.85 以上）;cos 電動機的功率因數（通常在 0.8 以上）電動機電壓（V） ；MU電動機工頻電源時的電流（A）;MIk電流波形的修正系數，對 PWM 方式，取 1.01.05；變頻器的額定容量

41、（kVA） ；CNP變頻器的額定電流（A） 。CNI這三個式子是統一的，選擇變頻器容量時，應同時滿足三個算式的關系，尤其變頻器電流是一個較關鍵的量。（2） 型號選擇根據控制功能不同，通用變頻器為分為三種類型。普通功能型 U/f 控制變頻器、具有轉矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻器、矢量控制高功能型變頻器。供水系統屬泵類負載，低速運行時的轉矩小，可選用價格相對便宜的 U/f 控制變頻器。綜上分析，系統選用專為風機、泵用負載設計的普通功能型 U/f 控制方式的富士變頻器 FRN200P11S- 4CX，變頻器置 PID 控制模塊，可用于閉環控制系統，實現恒壓供水。其主要參數與性能介紹如下。主

42、要參數額定容量：267（kVA ） ；額定輸出電流：386A；過載容量：150%額定輸出電流、1 分鐘；起動轉矩：50%以上；適配電機容量：200kW。功能特點風機、泵等二次方遞減轉矩專用型變頻器；可選用自動和手動的轉矩提升功能，保證最佳的啟動；加速時間設定圍寬（0.01 秒到 3600 秒） ，具有 S 形加減速功能和曲線加 . 減速功能，讓加減速過程變得緩和，防止沖擊和載物倒塌；直流制動功能，制動時間在0-30 秒圍可調，保證快速可控的制動，不需要外接電阻；置 PID 模塊，可用于閉環控制；多種頻率設定方式；多種附加功能；三路晶體管輸出。I/0 特性8 個可設定的多功能開關量輸入口，給操作

43、者極大的靈活性；3 路可設定的開路集電極晶體管多功能輸出，可用于頻率到達、頻率值檢測、過載、運等多種提示；設有模擬電流/電壓輸入端子，實現外部頻率設定。保護功能具有過電壓/欠電壓保護、短路保護、過熱保護、PTC 熱敏電阻保護、電機鎖死保護、缺相保護、電涌保護、失速保護、CPU/存貯器異常保護等。（3） 變頻器接線與功能設定見表3-2，頻率參數設置說明8：（1） 最高頻率：變頻器的最高頻率只能與水泵額定頻率相等。（2） 上限頻率：實際預置需略低于額定頻率 50Hz。（3） 下限頻率：下限頻率不能太低，可根據實際情況適當調整。（4） 啟動頻率：在從 0Hz 開始啟動的一段頻率，實際上電機轉不起來。

44、因此，應適當預置啟動頻率值，使其在啟動瞬間有一點沖擊力。表 3-2 變頻器接線與功能設定變頻器端子現場器件與接線端子功能代碼參數預置注釋FWDPLC的Y0端子啟動/停止變頻運行CMPLC的COMX1PLC的Y16E017PLC 的 Y16 動作，自由停車Y2PLC的X1E211頻率極限信號輸出30APLC的X5變頻器故障總報警信號30CPLC的COM接公共端F0350最高輸出頻率（Hz）F1549.5上限頻率（Hz） . 19 / 43F1630下限頻率（Hz）F2310起動頻率F17100頻率設定信號增益3.43.4 PLCPLC 的選型PLC 的選型主要從 PLC 的輸入/輸出點數、存儲器

45、容量、輸入/輸出接口模塊類型等方面來選擇 PLC 型號。根據供水系統控制任務與設計方案，輸入信號需 16 點，輸出信號需16 點，選擇三菱 FX2N-32MR 型 PLC，其 I/O 端子如表3-3所示。表 3-3 現場器件與 I/O 端子功能示意表現場器件與接線端子I/O地址功能注釋中間繼電器KA常開觸點X0自動/手動功能轉換變頻器Y2端子X1變頻器輸出頻率極限信號遠傳壓力表壓力上限電節點X2壓力下限到達信號遠傳壓力表壓力下限電節點X3壓力上限到達信號水池水位下限信號X4水池水位下限信號（缺水）變頻器輸出報警繼電器30AX5變頻器故障報警信號FR1常開觸點X61#電機過載信號FR2常開觸點X

46、72#電機過載信號FR3常開觸點X103#電機過載信號FR4常開觸點X114#電機過載信號KM1常開輔助觸點X121#電機變頻運行故障信號KM3常開輔助觸點X132#電機變頻運行故障信號KM5常開輔助觸點X143#電機變頻運行故障信號KA25常開輔助觸點X151#電機跳空開故障信號KA26常開輔助觸點X162#電機跳空開故障信號輸入KA27常開輔助觸點X173#電機跳空開故障信號 . 接變頻器FWD端Y0實線復位/運行控制KA1線圈Y11#變頻運行控制與指示KA2線圈Y21#工頻運行控制與指示KA3線圈Y32#變頻運行控制與指示KA4線圈Y42#工頻運行控制與指示KA5線圈Y53#變頻運行控制

47、與指示KA6線圈Y63#工頻運行控制與指示KA7線圈Y7輔助泵工頻運行控制與指示KA10線圈Y10水池水位下限報警指示KA11線圈Y11變頻器故障報警指示KA12線圈Y12現場手動控制指示KA13線圈Y13自動變頻運行指示KA14線圈Y14自動工頻運行指示KA15線圈Y15遠程手動運行指示KA16線圈Y16變頻器X1端子功能有效輸出KA17線圈Y17無人值守自動報警FX2N-32MR 主要參數與特點:I/O 點數：16/16；用戶程序步數:：4K；基本指令：27 條；功能指令：298 條；基本指令執行時間：0.08 微秒；通信功能：強；輸出形式：繼電型；輸出能力：2A/點。3.53.5 系統可

48、靠性措施作為一個完整的系統，應用于工業現場，還需考慮加強抗干擾措施，保證運行的穩 . 21 / 43定性9。（1） 變頻器和 PLC 應安裝于專門的控制柜中，但一定要保證良好的通風環境和散熱，PLC 四周留有 50 mm 以上的凈空間。環境溫度最好控制在 45以下，相對濕度在590%，盡量不要安裝在多塵、有油煙、有導電灰塵、有腐蝕性氣體、振動、熱源或潮濕的地方。（2） 控制柜和水泵現場距離不要太遠，尤其是遠傳壓力表至變頻器的 4-20mA 電流信號和至 PLC 的壓力上、下限開關量信號的傳輸電纜要盡可能短，而且要盡量遠離那些會產生電磁干擾的裝置。（3） 外圍設備信號線、控制信號線和動力線應分開

49、敷設，不能扎在一起，且應采用屏蔽線且屏蔽層接地。（4） 變頻器和 PLC 均要可靠接地。接地電阻應小于 100，接地線須盡可能短和粗，并且應連接于專用接地極或公用接地極上，不要使用變頻器、PLC 外殼或側板上的螺釘作為接地端。而且二者在接地時，應盡量分開，不要使用同一接地線。（5） 電動機在低速運行時，電機冷卻效果下降，應保證電動機具有良好的通風條件。（6） 在電氣設計和軟件設計中，充分考慮電氣設備之間的互鎖關系。（7） 選用性能可靠的繼電器、接觸器對于系統的可靠運行也具有十分重要的意義。（8） 要考慮防雷設計。如電源是架空進線.在進線處裝設變頻器專用避雷器，或按規要求在離變頻器 20m 遠處

50、預埋鋼管做專用接地保護。如果電源是電纜引入，則應做好控制室的防雷系統，以防雷電竄入破壞設備10。（9） 系統設計時還加入了無人執守故障自動撥號報警器。當出現變頻器故障、電機故障、PLC 故障以與水位過低等現象時，自動撥打管理人員的，提高系統故障的應急處理能力。 . 4 4 PLCPLC 控制控制系統的設計系統的設計4.14.1 水泵工頻/變頻運行狀態與轉換過程分析4.1.1 供水狀態與其轉換供水狀態是指供水時按照用水量的大小設定投入運行的水泵臺數與運行狀況。根據城區用水量可分為小、較小、較大和大四種情況，并分別由輔助泵、一臺主泵變頻、兩臺主泵一工一變與三臺主泵兩工一變投入運行。啟動自動變頻運行

51、方式時，首先起動輔助穩壓泵工頻運行供水，當用水量大，超過輔助泵最大供水能力而無法維持管道水壓時，延時 1 分鐘 PLC 通過變頻器啟動 1 號主水泵供水，同時關閉輔助泵的運行。在 1 號主水泵供水過程中，變頻器根據水壓的變化通過 PID 調節器調整 1#主水泵的轉速來控制流量，維持水壓。若用水量繼續增加，變頻器輸出頻率達到上限頻率時，仍達不到設定壓力，延時分鐘，由 PLC 給出控制信號，將 1 號主水泵與變頻器斷開，轉為工頻恒速運行，同時變頻器對 2 號主水泵軟啟動。系統工作于 1 號工頻、2 號變頻的兩臺水泵并聯運行的供水狀態。當用水量減少時，變頻器通過 PID 調節器降低水泵轉速來維持水壓

52、。若變頻器輸出頻率達到下限頻率時，水壓仍過高，延時 1 分鐘，按“先起先停”的原則，由 PLC給出控制信號，將當前供水狀態中最先工作在工頻方式的水泵關閉，同時 PID 調節器將根據新的水壓偏差自動升高變頻器輸出頻率，加大供水量，維持水壓。當用水量持續減少，系統繼續按“先起先停”原則逐臺關閉處于工頻運行的水泵。當系統處于單臺主水泵變頻供水狀態時，若用水量減少，變頻器輸出頻率達到下限頻率時，水壓仍過高時，延時 5 分鐘后，關閉變頻器運行，啟動輔助泵維持供水。4.1.2 狀態轉換關系為保證在一個較長的時間周期，各臺水泵運行時間基本均等，避免某臺電機長期得不到運行而出現繡死現象，供水狀態的切換按照“有

53、效狀態循環法”即“先起先停”的 . 23 / 43原則操作。若有 N 臺水泵參與變頻調速，則滿足“先起先停”原則的最大有效狀態數為+1。將來的供水狀態就在這些有效狀態圍來回循環。2N本系統采用了三臺主水泵和一臺輔助穩壓泵供水，其中只有主水泵參與變頻運行，共有 10 種有效供水狀態，見表4-1表 4-1 系統供水狀態用水量狀態符號供水狀態小S0輔助泵運行，1、2、3#停機S201#變頻運行，2、3#停機S212#變頻運行，1、3#停機較小S223#變頻運行，1、2#停機S231#工頻運行，2#變頻運行，3#停機S242#工頻運行，3#變頻運行，1#停機較大S253#工頻運行，1#變頻運行，2#停

54、機S261、2#工頻運行，3#變頻運行S272、3#工頻運行，1#變頻運行大S283、1#工頻運行，2#變頻運行各狀態之間的轉換關系見圖 4-1： . 圖 4-1 供水狀態轉換圖圖中，箭頭向下為增泵過程，箭頭向上為減泵過程。從圖4-1可見，供水狀態之間的轉換不但和轉換條件有關，還與其目前所處的供水狀態有關；由輔助泵切換到主泵供水也遵循有效狀態循環方式，即上一次啟動 1#主泵，則下次由輔助泵切換到主泵供水，應啟動 2#泵。4.1.3 狀態轉換條件供水狀態之間的轉換條件是依據變頻器輸出頻率是否到達極限頻率與水壓是否達到上、下限值。設變頻器輸出頻率達到極限頻率時的信號為 X1，水壓達到設定壓力下限值

55、時的欠壓信號為 X2，水壓達到設定壓力上限值時的超壓信號為 X3。從輔助泵切換到主泵條件：滿足 X2；從主泵切換到輔助泵條件：同時滿足 X1、X3；增泵條件：同時滿足 X1、X2；減泵條件：同時滿足 X1、X3。狀態轉換過程的實現方法從輔助泵切換到主泵只需斷開輔助泵的供電，同時用變頻器以起始頻率起動一臺主 . 25 / 43泵的運行即可。從主泵切換到輔助泵只需將主泵和變頻器的輸出斷開，同時將輔助泵直接投入工頻運行即可。4.2 PLC 程序設計4.2.1 PLC 編程語言PLC 是由繼電器接觸器控制系統發展而來的一種新型的工業自動化控制裝置。采用了面向控制過程、面向問題、簡單直觀的 PLC 編程

56、語言，易于學習和掌握。盡管國外不同廠家采用的編程語言不盡一樣，但程序的表達方式基本類似，主要有四種形式：梯形圖，指令表，狀態轉移圖和高級語言。梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，它沿用了傳統的繼電接觸器控制中的觸點、線圈、串并聯等術語和圖形符號，與傳統的繼電器控制原理電路圖非常相似，但又加入了許多功能強而又使用靈活的指令。4.2.2 梯形圖語言編程的一般規則通常微、小型 PLC 主要采用繼電器梯形圖編程，其編程的一般規則有11：(1)梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個邏輯行起始于左母線然后是觸點的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號地址必須

57、在所使用 PLC 的有效圍。(2)梯形圖是 PLC 形象化的編程方式，其左右兩側母線并不接任何電源，因而圖中各支路也沒有真實的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流” “得電”等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流” ，而且認為它只能由左向右單方向流，層次的改變也只能自上而下。(3)梯形圖中的繼電器實質上是變量存儲器中的位觸發器，相應某位觸發器為“1”態，表示該繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“0”態。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、部繼電器線圈外，還包括定時器、計數器、移位寄存器、狀態器等的線圈以與各種比較、運算的結

58、果。(4)梯形圖息流程從左到右，繼電器線圈應與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點，而左邊必須有觸點。 . (5)繼電器線圈在一個程序中不能重復使用：而繼電器的觸點，編程中可以重復使用，且使用次數不受限制。(6)PLC 在解算用戶邏輯時，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進行的。4.34.3 供水系統控制模塊的設計4.3.1 系統初始化模塊在初始化模塊中設置通信用數據寄存器 D8120, D8121 ,D8129 的通信參數；至標志為 M6=1，在自動運行時，首先起動輔助泵，進入 S0 狀態:至標志 M0=1，保證輔助泵的運行狀態首次 S0 轉入主泵運行狀態 S20。初始化過程通過

59、M8002 產生的初始化脈沖來完成。4.3.2 水泵運行與狀態轉換模塊（1）輔助泵/主泵的轉換主泵轉輔助泵運行是指在單臺主泵供水時，變頻器輸出下限頻率，水壓處于壓力上限時，延時 5 分鐘，關閉變頻器運行，啟動輔助泵的過程。即由狀態 S11 轉入 S0 的過程。PLC 置輸出繼電器 Y1 為 0，同時置 Y7= 1。輔助泵轉主泵運行是指由輔助泵供水，水壓達到壓力下限時，延時 1 分鐘，關閉輔助泵，用變頻器啟動一臺主泵運行的過程。即由狀態 S0 轉入 S11 的過程。具體起動哪一臺主泵，進入哪一種狀態，要依據其上一個狀態，按有效狀態循環法的原則來操作。在編程時，以輔助繼電器 M3，M2， Ml 作

60、為 S20，S21，S22 狀態的轉入標志，三者按循環方式動作，保證狀態 S20，S21，S22 的循環。（2）主泵的增加增加主泵是將當前主泵由變頻轉工頻，同時變頻起動一臺新水泵的切換過程。當變頻器輸出上限頻率，水壓達到壓力下限時，延時 1 分鐘，PLC 給出控制信號，PLC 的 Y16得電，變頻器的 X1 端子對 CM 短接，變頻器的自由停車指令 BX 生效，切斷變頻器輸出，延時 500ms 后，將主水泵與變頻器斷開，延時 l00ms，將其轉為工頻恒速運行，同時 PLC . 27 / 43的 Y16 失電，BX 指令取消，變頻器以起始頻率啟動一臺新的主水泵。這段程序設計時要充分考慮動作的先后