住宅小區(qū)恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 XXX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 住宅小區(qū)恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 生：XXX學(xué) 號：XXX專 業(yè)：測控班 級：2010.2指導(dǎo)教師：XXX、XXX XXX學(xué)院XXX學(xué)院二O一一年六月摘 要本論文根據(jù)住宅小區(qū)的供水要求，設(shè)計了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器、報警器等構(gòu)成。本系統(tǒng)包含三臺水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運行方式，采用變頻器實現(xiàn)對三相水泵電機(jī)的軟啟動和變頻調(diào)速，運行切換采用“先啟先停”的原則。壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號，送入PLC與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變

2、供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近，實現(xiàn)恒壓供水。通過工控機(jī)與PLC的連接，采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實現(xiàn)了運行狀態(tài)動態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報警的查詢。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；恒壓供水；PLC；組態(tài)軟件ABSTRACTThis thesis is based on the residential area of water supply requirements, design a Constant Pressure Water Supply Control System Based on PLC. The constant pressure water supply control system c

3、onsists of a programmable controller, inverter, water pumps, pressure sensors, alarm and so on.The system consists of three pump motors, they are composed of frequency conversion cycle operation mode, the inverter is used to achieve the soft-start and frequency control three-phase pump motor run swi

4、tch with the principle of first initial first stop. Pressure sensor detects the water pressure signal into the PLC with the set value after the PID operation, so as to control the inverter output voltage and frequency, thereby changing the speed of the pump motor to change the supply quantity, and u

5、ltimately to maintain the pressure stability of the pipe network in the set given the value of the near constant pressure water supply. IPC and PLC connection, using the configuration software system monitoring, dynamic display of operating status and data, and alarm queries. Key words：Frequency con

6、trol；Constant pressure water supply；PLC；Configuration software目錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒 論11.1 小區(qū)恒壓供水控制系統(tǒng)產(chǎn)生的背景及意義11.2 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 本課題的主要研究內(nèi)容3第2章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的理論分析42.1恒壓供水控制系統(tǒng)研究對象及特點42.1.1 研究對象42.1.2 恒壓供水控制系統(tǒng)的特點42.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的比較和確定52.3 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的組成及其工作原理72.3.1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的組成及原理圖72.3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)

7、的工作原理92.3.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)水泵切換控制102.4 供水系統(tǒng)的安全性問題122.4.1 水錘效應(yīng)及其消除方法122.4.2 延長水泵壽命的其他因素122.4.3 對供水電機(jī)和供水電網(wǎng)的保護(hù)12第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計143.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型及介紹143.1.1 PLC及其擴(kuò)展模塊的選型143.1.2 變頻器的選型163.1.3 水泵機(jī)組的選型173.1.4 壓力變送器的選型183.1.5 液位變送器的選型183.2 系統(tǒng)主電路接線圖193.3 系統(tǒng)控制電路接線圖203.4 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖22第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計264.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析264.2 PLC程

8、序設(shè)計274.2.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計284.2.2 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計32第5章 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計355.1 組態(tài)軟件的簡介355.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計355.2.1 組態(tài)王的通信參數(shù)設(shè)置355.2.2 新建工程與組態(tài)變量365.2.3 組態(tài)畫面375.2.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面38第6章 結(jié)束語40致 謝41參考文獻(xiàn)42附 錄43第1章 緒 論1.1 小區(qū)恒壓供水控制系統(tǒng)產(chǎn)生的背景及意義對小區(qū)高層的住戶來說，在白天或者用水高峰時，供水系統(tǒng)的電動機(jī)負(fù)荷很大，常常需要滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運行；而在晚上或者用水低峰時，所需用水量就會減少很多，但是電動機(jī)會依然處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，這樣既會造成能量的浪費，又對電

9、動機(jī)的損耗很大，同時有可能導(dǎo)致水管爆破和用水設(shè)備的損壞。所以根據(jù)不同的需求條件調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)恒壓供水是非常有必要的。傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水等方式。其優(yōu)、缺點如下1：（1） 恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力作出及時的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機(jī)組常處于滿負(fù)荷運行，不但效率低下、耗電量大，而且在用水量較少時，管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。（2） 水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經(jīng)濟(jì)合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大

10、、占地面積大、維護(hù)不方便、水泵電機(jī)為硬起動、起動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要用于高層建筑。（3） 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動且起動頻繁，對電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵工作在低效段同時出現(xiàn)水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了發(fā)展。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源，效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，難以適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的需要。采用基于PLC和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)，可以有效解決以上問題。變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、

11、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，利用變頻技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合，不僅能達(dá)到比較明顯的節(jié)能效果，提高恒壓供水的效率，更能有效地保證供水控制系統(tǒng)的安全可靠運行。利用變頻恒壓供水控制系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時可達(dá)到良好的節(jié)能性，提高供水效率。所以，設(shè)計基于變頻調(diào)速的恒定水壓供水控制系統(tǒng)，對于提高供水效率以及人民的生活水平，同時降低能耗等方面具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。1.2 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水控制系統(tǒng)是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的

12、功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起動控制以及制動控制、壓頻比控制以及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本Samco公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”、“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基

13、板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺電機(jī)（泵）的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)（如BA系統(tǒng)）和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制1。目前，國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器（PLC）及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)；有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。但在系

14、統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。原深圳華為電氣公司和成都希望集團(tuán)也推出了恒壓供水專用變頻器（5.5kw22kw），無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所?？梢钥闯?，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性（EMC）的變頻恒壓供

15、水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐。1.3 本課題的主要研究內(nèi)容本設(shè)計是以小區(qū)樓房供水系統(tǒng)為控制對象，采用PLC和變頻技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，設(shè)計一套住宅小區(qū)恒壓供水控制系統(tǒng)，并引用計算機(jī)對供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組等一起組成的一個完整閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本設(shè)計中有1個貯水池，3臺水泵，PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進(jìn)行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻

16、率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。根據(jù)以上控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計。硬件設(shè)備選型、PLC選型，估算所需I/O點數(shù)，進(jìn)行I/O模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖，包括系統(tǒng)硬件配置圖、I/O連接圖，分配I/O點數(shù)，列出I/O分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計梯形圖控制程序，對程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)。第2章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的理論分析2.1恒壓供水控制系統(tǒng)研究對象及特點2.1.1 研究對象水泵組M水池開關(guān)開關(guān)用戶用水 圖2-1 小區(qū)供水簡單流程圖開關(guān)進(jìn)水此設(shè)計研究的對象是小區(qū)樓房的供水系統(tǒng)。由于較高樓層對供水水壓的要求高，在水壓低時，高層用戶將無法

17、正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況；水壓高時，將造成能源的浪費。如圖2-1所示，是小區(qū)高樓供水系統(tǒng)的簡單流程。自來水廠送來的水先儲存的水池中再通過水泵加壓送給用戶。通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個用戶。2.1.2 恒壓供水控制系統(tǒng)的特點基于PLC和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)與過去的恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水方式相比，不論是設(shè)備的投資、運行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)能適用于小區(qū)生活用水、工業(yè)用水以及消防用水等眾多場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點2:(1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一

18、個過程控制量，與其他一些過程控制量(如溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性，同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。(2)用戶管網(wǎng)中因為受管阻、水錘效應(yīng)等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。(3)供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、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(qiáng)的多變性。(4)在變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀

19、態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。 (5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。(6)水泵的電氣控制柜，其有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等功能。(7)通過改變變頻器的頻率控制水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺

20、水泵進(jìn)行軟啟動，啟動電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的比較和確定恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，有以下幾種方案可供選擇3：(1) 有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件

21、集成在變頻器供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求。在調(diào)試時，PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。(2) 通用變頻器+單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時

22、，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。(3) 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性強(qiáng)。由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)

23、能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。2.3 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的組成及其工作原理2.3.1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的組成及原理圖變頻恒壓供水控制系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖2-2所示。圖2-2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖水泵機(jī)組M變頻器PLC（含PID）液位變送器水池水位信號報警信號壓力變送器用戶管網(wǎng)壓力信號水池從圖中可看

24、出，系統(tǒng)可分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：(l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。(2) 信號檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進(jìn)行A/D

25、轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。(3) 控制機(jī)構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信

26、息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵機(jī)組)進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式。變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達(dá)到

27、用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇4，本設(shè)計中采用前者。作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機(jī)過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進(jìn)行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓

28、控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。給定圖2-3 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖管網(wǎng)壓力PIDD/A變頻器接觸器水泵機(jī)組管道A/D壓力變送器-PLC 恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實時地測量參考點的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為420mA的電信號，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)

29、而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現(xiàn)變頻恒壓供水5。2.3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理合上空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)投入運行。將手動/自動開關(guān)打到自動上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動運行狀態(tài)，PLC中程序首先接通并起動變頻器。根據(jù)壓力設(shè)定值(由管網(wǎng)壓力要求設(shè)定)與壓力實際值(來自于壓力傳感器)的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預(yù)先設(shè)定好的加速時間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實現(xiàn)恒壓控制。同時變頻器在運行頻率到達(dá)上限，會將頻率到達(dá)信號送給PLC，PLC則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號和變頻器的運行頻率是否到達(dá)上限的信號，由程

30、序判斷是否要起動第2臺泵(或第3臺泵)。當(dāng)變頻器運行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時間，則PLC會將當(dāng)前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速起動下1臺泵變頻運行。此時PID會繼續(xù)通過由遠(yuǎn)傳壓力表送來的檢測信號進(jìn)行分析、計算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。增泵工作過程：假定增泵順序為l、2、3泵。開始時，1泵電機(jī)在PLC控制下先投入調(diào)速運行，其運行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運行后，如果供水壓力仍沒達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機(jī)

31、與變頻器連接的電磁開關(guān)斷開，1泵電機(jī)切換到工頻運行，同時變頻器與2泵電機(jī)連接， 控制2泵投入調(diào)速運行。如果還沒到達(dá)設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運行，控制3泵投入變頻運行。減泵工作過程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當(dāng)供水壓力大于預(yù)置值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降；當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限，并穩(wěn)定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機(jī)。如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調(diào)速運行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當(dāng)最后一臺正在運行的主泵處于低速運行時，如果供水壓力仍大于設(shè)定值，則停機(jī)并啟動輔泵投入調(diào)速運行，從而達(dá)到節(jié)能效果6。2.3.

32、3 變頻恒壓供水系統(tǒng)水泵切換控制在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)變頻泵已運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵已運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機(jī)組不過于頻繁的切換呢?盡管通用變頻器的頻率都可以在0400Hz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大或減小。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在50Hz時進(jìn)行。由于電

33、網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)50Hz時，即使實際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實際供水壓力，正如前文所述，只能夠通過水泵機(jī)組切換，增加運行機(jī)組泵的數(shù)量來實現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負(fù)值，最低只能是0Hz。但在實際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到0Hz。因為當(dāng)水泵機(jī)組運行，電機(jī)帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機(jī)一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)。因此，當(dāng)電機(jī)運行頻率下降到一個值時，水泵就已經(jīng)抽不出水了，實際的供

34、水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個頻率在實際應(yīng)用中就是電機(jī)運行的下限頻率。這個頻率遠(yuǎn)大于0Hz，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在15Hz左右。由于在變頻運行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。所以選擇50Hz和15Hz作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率7。當(dāng)輸出頻率達(dá)到上限頻率時，實際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。若出現(xiàn)PsPf時就進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺機(jī)組運行，供水壓力一下就超過了設(shè)定壓力。在極端的情況下，運行機(jī)組增加后，實際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿

35、足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機(jī)組停掉。如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機(jī)組將一直這樣投入-切出-再投入-再切出地循環(huán)下去，這增加了機(jī)組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中，實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命。另外，實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。所以，在實際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時

36、成立。實際的機(jī)組切換判別條件如下：加泵條件： 且延時判別成立 (2.1)減泵條件： 且延時判別成立 (2.2)式中： ：上限頻率 ：下限頻率：設(shè)定壓力 ：反饋壓力2.4 供水系統(tǒng)的安全性問題2.4.1 水錘效應(yīng)及其消除方法 異步電動機(jī)在全電壓啟動時，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速所需要的時間不到1秒。這意味著在這短短1秒不到的時間里，管道內(nèi)水的流量從零迅速地增加到額定流量。由于水具有動量和不可壓縮性，因此，流量在極短時間內(nèi)的巨大變化將引起對管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象。壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，故稱為“水錘效應(yīng)”。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。若壓強(qiáng)過高，將引起

37、管道的破裂；反之，若壓強(qiáng)過低，又將導(dǎo)致管道的癟塌。此外，水錘效應(yīng)還可能破壞閥門和固定件。當(dāng)切斷電源而停機(jī)時，供水系統(tǒng)的水頭將克服電動機(jī)的慣性而使系統(tǒng)急劇地停止。這也同樣會引起壓力沖擊和水錘效應(yīng)。由此可見，產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是在啟動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大。采用變頻調(diào)速后，可通過對升速時間的預(yù)置來延長啟動過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減?。辉谕C(jī)過程中，同樣可以通過對降速時間的預(yù)置來延長停機(jī)過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而消除水錘效應(yīng)。2.4.2 延長水泵壽命的其他因素水錘效應(yīng)的消除無疑可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。此外，可通過由于水泵平均轉(zhuǎn)速下降、工作過程中平均轉(zhuǎn)矩減小的原因，使： （1）葉片承

38、受的應(yīng)力大為減小。 （2）軸承的磨損也大為減小。所以，采用了變頻調(diào)速以后，水泵的工作壽命將大大延長。2.4.3 對供水電機(jī)和供水電網(wǎng)的保護(hù)由于變頻恒壓供水基本上都采用了變頻啟動，啟動頻率低、啟動電流小，因此，除了對供水機(jī)泵和供水管網(wǎng)有保護(hù)作用，對供水電機(jī)和電網(wǎng)也有良好的保護(hù)作用。供水系統(tǒng)電機(jī)直接啟動與變頻啟動的對比表如表2-1所示。表2-1 電機(jī)直接啟動和變頻調(diào)速啟動的對比對比內(nèi)容直接起動變頻調(diào)速起動啟動電流額定電流的57倍額定電流以下啟動對電網(wǎng)的沖擊巨大無啟動對變壓器的沖擊巨大無啟動對開關(guān)、接觸器等電器的沖擊巨大無啟動對電纜的沖擊巨大無啟動對電機(jī)的沖擊巨大無啟動對聯(lián)結(jié)軸的沖擊巨大無啟動對變速

39、箱的沖擊巨大無啟動和運行的可靠性低高第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型及介紹根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3-1所示。AD模塊 可編程控制器(PLC) 通訊模塊故障、狀態(tài)等量輸入報警、控制等量輸出上位機(jī)、組態(tài)等變頻器水泵機(jī)組軟啟動、自耦變壓器壓力變送器人機(jī)界面圖3-1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 從以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出，該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾個部分：(1) PLC及其擴(kuò)展模塊；(2) 變頻器；(3) 水泵機(jī)組；(4) 壓力變送器；(5)液位變送器等。主要設(shè)備選型如表3-1所示8。表3-1 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號可編程控制器（P

40、LC）Siemens CPU 226模擬量擴(kuò)展模塊Siemens EM 235變頻器Siemens MM440水泵機(jī)組SFL系列水泵3臺壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y-100、XMT-1270數(shù)顯儀液位變送器分體式液位變送器DS263.1.1 PLC及其擴(kuò)展模塊的選型PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此，在選擇PLC時，既要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議，還要帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面的因素。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此PLC選用德

41、國SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)，具有如下特點2：1）編程方法簡單易學(xué)；2）功能強(qiáng)，性能價格比高；3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)；4）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；5）系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少；6）維修工作量小，維修方便 ；7）體積小，能耗低。PLC可以上接工控計算機(jī)，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。PLC和上位機(jī)的通信采用PC/PPI電纜，支持點對點接口（PPI）協(xié)議，PC/PPI電纜可以方便實現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機(jī)的通信接口RS232的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護(hù)，可以對程序?qū)嵤?/p>

42、安全保護(hù)。根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226，其開關(guān)量輸出為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入CPU226為24點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出（AQW）信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長（16bit）的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個字長（16bit）的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出

43、信號。EM235模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。PLC的硬件部分由中央處理器單元(CPU模塊)、存儲器模塊、I/O模塊、電源模塊通信模塊、編程器等組成，如圖3-2所示。電源模塊CPU模塊存儲器模塊通信模塊計算機(jī)編程器智能模塊GOT操作模塊控制對象輸入模塊輸出模塊圖3-2 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖3.1.2 變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過改變頻率實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)中要實現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型U/f控制通用變頻器、具

44、有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及高動態(tài)性能型矢量控制通用變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，變頻器的主要效益表現(xiàn)在節(jié)能，可選用價格相對便宜的普通功能型U/f控制通用變頻器。通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO作逆變元件）給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進(jìn)行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運算獲得。對于需要更精密速度或快速響應(yīng)的場合，運算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護(hù)電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損失外，還應(yīng)保護(hù)異步電動機(jī)及傳動系統(tǒng)等9。異步電動機(jī)用變頻器調(diào)速運轉(zhuǎn)時的結(jié)構(gòu)圖如圖3-3

45、所示。圖3-3 變頻器的構(gòu)成驅(qū)動電路運算電路控制電路保護(hù)電路速度檢測電路電壓/電流檢測電路控制電路B控制電路A運轉(zhuǎn)指令電源U1I1f1M主電路速度檢出器控制指令由于本設(shè)計中PLC選擇的西門子S7-200型號，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的MicroMaster440變頻器（簡稱MM440）。它是西門子公司一種適合于三相電動機(jī)速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的變頻器系列，由微處理器控制，采用具有現(xiàn)代技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件。因此，它具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而可降低電動機(jī)運行的噪聲。MM440變頻器實現(xiàn)電動機(jī)三段速頻率運轉(zhuǎn)，

46、三段速設(shè)置如下：第一段，輸出頻率為15Hz，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為840r/min；第二段，輸出頻率為35Hz，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為1960r/min；第三段，輸出頻率為50Hz時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為2800r/min。MM440變頻器在恒定轉(zhuǎn)矩(CT)控制方式下的輸出功率為0.3790kW，在可變轉(zhuǎn)矩(VT)控制方式下的輸出功率為0.75250kW，有多種型號可供用戶選用，恰好其輸出信號能作為75kW的水泵電機(jī)的輸入信號。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信8。3.1.3 水泵機(jī)組的選型水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行，二是要經(jīng)常處于高效區(qū)

47、運行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設(shè)計的要求為：電動機(jī)額定功率75kW，供水壓力控制在0.30.01MPa。根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定采用3臺SFL系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率75KW）。SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低（室外噪音60分貝）、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性

48、質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。因此本設(shè)計中選擇3臺電機(jī)功率為75KW的SFL系列水泵。3.1.4 壓力變送器的選型壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?5V或420mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊（A/D模塊）的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用420mA輸出壓力變送器。在運行過程中，當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備（

49、熱水器、抽水馬桶等），本文中的供水系統(tǒng)使用電極點壓力表的壓力上限輸出，作為PLC的一個數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報警輸出10。根據(jù)以上的分析，本設(shè)計中選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍01MPa，精度1.0；數(shù)顯儀輸出一路420mA電流信號，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。3.1.5 液位變送器的選型考慮到水泵電機(jī)空載時會影響電機(jī)壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設(shè)計要求貯水池水位為2m5m，所以要通過液位變送

50、器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號（420mA電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入PLC。本設(shè)計選擇型號為DS26分體式液位變送器，其量程為0200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點和滿量程外部可調(diào)；供電電源為24V（DC）；輸出信號為兩線制420mA（DC）；精度等級為0.25級。3.2 系統(tǒng)主電路接線圖變頻器RSTUVW工頻電圖3-4 主電路圖KM2KM1FR1FU1M1QS2KM4KM3FR2FU2M2QS3KM6KM5FR3FU3M3QS4變頻電QS1 基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3-4所示。三臺電機(jī)分別為M1、M

51、2、M3，它們分別帶動水泵1#、2#、3#。KM1、KM3、 KM5分別為電動機(jī)M1、M2、M3工頻運行時接通電源的控制接觸器；KM2、 KM4、KM6分別為電動機(jī)M1、M2、M3變頻運行時接通電源的控制接觸器；FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器、電動機(jī)M1、M2、M3的手動開關(guān)；FU1、FU2、FU3分別為三臺水泵電機(jī)主電路的熔斷器。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵在工頻下做恒速運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有

52、“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變頻泵。三相電源經(jīng)閘刀開關(guān)、隔離開關(guān)接至變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點接至電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運行時，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關(guān)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現(xiàn)短路保護(hù)，每臺電動機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器實現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通，而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點。當(dāng)電動機(jī)接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開；同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時

53、，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6絕對不能同時動作，相互之間必須設(shè)計可靠的互鎖。系統(tǒng)啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主電路，而必須通過變頻器實現(xiàn)軟啟動和軟停。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。當(dāng)采用手動控制時，必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動器3。3.3 系統(tǒng)控制電路接線圖系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是PLC，控制電路的合理性、程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行性能。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。如圖3-5為恒壓供水

54、系統(tǒng)控制電路圖。PLC主要是用于實現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要完成以下功能：自動控制三臺水泵的投入運行；能在三臺水泵之間實現(xiàn)變頻泵的切換；三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用；系統(tǒng)要有完善的報警功能并能顯示運行狀況。圖中SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕SB1SB6控制三臺水泵的啟/停；自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。圖中的HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個干觸發(fā)點信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進(jìn)行復(fù)頻

55、控制。圖中的Q0.0Q0.5及Q1.1Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點。圖3-5變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖HL10Q1.1HL7Q1.2HL8Q1.3HL9HAQ1.421PLCNL1FUSAKM1HL2KM2FR1HL1KM1Q0.0KM1KM2SB2SB1Q0.1KM3HL4KM4FR2HL3KM3Q0.2KM31KM4SB4SB3Q0.3KM5HL6KM6FR3HL5KM5Q0.4KM5KM6SB6SB5Q0.5本系統(tǒng)在手動/自動控制下的運行過程如下：(1) 手動控制：手動控制只在檢查故障原因時才會用到，便于電機(jī)故障的檢測與維修。單刀雙擲開關(guān)SA打至1端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關(guān)分別控制三臺水泵電