畢業(yè)設計論文基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計

1、摘摘 要要隨著我國社會的發(fā)展和進步，住房制度改革的不斷深入，人們生活水平的不斷提高，城市建設發(fā)展十分迅速，同時也對基礎設施建設提出了更高的要求。城市供水系統(tǒng)的建設是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性直接影響到用戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了供水管理水平的高低。傳統(tǒng)供水廠，特別是中小供水廠所普遍采用的恒速泵加壓供水方式存在效率較低、可靠性不高、自動化程度低等缺點，難以滿足當前經(jīng)濟生活的需要。隨著人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，需要利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，要求設計出高性能、高節(jié)能、能適應供水廠復雜環(huán)境的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。本文闡明了供水系統(tǒng)的

2、變頻調(diào)速節(jié)能原理，具體分析了變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結構，提出不同的控制方案，通過研究和比較，得出結論：變頻調(diào)速是一種優(yōu)于調(diào)壓調(diào)速、機械調(diào)速等其他調(diào)速方式的方案，也是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣、最有發(fā)展前途的電機調(diào)速技術.它集微機控制技術、電力電子技術和電機傳動技術于一體，實現(xiàn)了工業(yè)交流電動機的無級調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點的結論。因此本文以采用變頻器和plc 組合構成系統(tǒng)方式，逐步闡明如何實現(xiàn)水壓恒定供水得實現(xiàn)。最后，從分析恒壓變頻供水的可行性，改造的理論、技術、經(jīng)濟可行性等方面，確定變頻器的參數(shù)，設計變頻主電路、變頻電機的運行模式、控制模式及流程。關鍵詞：

3、關鍵詞： 變頻調(diào)速， plc，恒壓供水 abstractwith the development of chinas social life, the deepening of housing reform, the continuous improvement of living standards, rapid development of urban construction, but also on a higher infrastructure demands.the construction of urban water supply system is one important

4、 aspect of water supply reliability, stability, economy directly affect the users normal work and life, but also directly reflects the level of water supply management. traditional water supply plant, in particular small and medium water plant widely used by the constant speed pump pressure there is

5、 less efficient water supply, reliability is not high, low automation shortcomings, can not meet the current needs of economic life.this paper highlights the energy supply system frequency control theory, detailed analysis of the principle of variable frequency and constant pressure water supply sys

6、tem, the composition of the structure and proposed a different control scheme, through research and comparison, concluded that: a kind of frequency control is better than surge speed, mechanical speed governor means other programs, is also a benefit of todays international, highest performance, most

7、 widely, the most promising of motor control technology. it combines computer control technology, electric power electronics and motor drive technology, and implementation of industrial variable speed ac motors with high efficiency, wide range and high precision characteristics of the conclusions. t

8、his article in combinations with frequency converter and plc system step by step to clarify how to achieve a constant water pressure was achieved.keywords：frequency conversion speed，plc，constant pressure water supply目目 錄錄摘摘 要要.iabstract.ii目目 錄錄.11 基于基于plcplc的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計.31.11.1變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和

9、意義變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義.31.21.2變頻供水系統(tǒng)應用范圍變頻供水系統(tǒng)應用范圍.41.31.3變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢.52 變頻恒壓供水系統(tǒng)構成及工作原理變頻恒壓供水系統(tǒng)構成及工作原理.62.12.1系統(tǒng)的構成系統(tǒng)的構成.72.1.1執(zhí)行機構.72.1.2信號檢測.72.1.3控制系統(tǒng).82.1.4通訊接口.82.1.5報警裝置.92.22.2工作原理工作原理.92.32.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析.103 基于基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計與實現(xiàn).113.13.1控制要求控制要求.

10、113.23.2 變頻器的選擇與接線變頻器的選擇與接線.113.33.3壓力傳感器的接線圖壓力傳感器的接線圖.133.43.4 原其它元器件的選擇原其它元器件的選擇.143.53.5 plcplc控制控制i/oi/o口配置口配置.163.63.6 電氣控制系統(tǒng)原理及線圖電氣控制系統(tǒng)原理及線圖.173.6.1主電路圖.173.6.2控制電路接線圖.183.73.7基于基于plcplc的變頻恒壓供水系統(tǒng)程序流程的變頻恒壓供水系統(tǒng)程序流程.193.3.8 8控制方控制方式式.213.8.1 手動運行.213.8.2 自動運行.213.93.9主要程序說明主要程序說明.223.9.1 總程序的順序功能

11、圖.223.9.2 自動運行順序功能圖.223.9.3手動模式順序功能圖.233.9.4程序.243.9.5 程序說明.28結束語結束語.33參考文獻參考文獻.341基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計1.1變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義隨著變頻技術的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛應用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。 對于大多數(shù)采用供水企業(yè)來說，傳統(tǒng)

12、供水機泵存在日常運行費用太高，供水成本居高不下，單位供水的能耗偏大的問題，尋求供水與能耗之間的最佳性價比，是困擾企業(yè)的一個長期問題。目前各供水廠的供水機泵設計按最大揚程與最大流量這一最不利條件設計，水泵大多數(shù)時間在設計效率以下運行。導致電動機與水泵之間常常出現(xiàn)大馬拉小車問題。因此，如何解決供水與能耗之間的不平衡，尋求提高供水效率的整體解決方案，是各供水解水企業(yè)關心的焦點問題之一。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的

13、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。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用于生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點：(1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同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)用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的

14、影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。(3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(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)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵（即為每轉的理論排量不變的泵）的加入控制，而定量泵的控制是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(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，因此可以認為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。(5)當出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障

15、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行供水。(6)用變頻器進行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)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(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。1.2變頻供水系統(tǒng)應用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應用，按所使用的范圍大致分為三類:(1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓

16、站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在 135kw以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣最多的方式.如希望集團(森蘭變頻器)推出的恒壓供水專用變頻器。 (2)國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)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和320kw之間，電網(wǎng)電壓通常為220v或380v。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟條件限制，目前主要采用國產(chǎn)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(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點是功率大(一般都大于額定功率)、機組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變

17、頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器 在本文中，研究和設計的變頻器是以第二種應用范圍為基礎。目前國內(nèi)，除了高壓變頻供水系統(tǒng)，多數(shù)恒壓供水變頻系統(tǒng)均聲稱只要改變?nèi)萘烤涂梢酝ㄓ糜诟鞣N供水范圍，但在實際運用中，不同供水環(huán)境對變頻器的要求和控制方式是不一致的，大多數(shù)變頻器并不能真正實現(xiàn)通用。以中小水廠供水環(huán)境來說，由于其包括了自來水生產(chǎn)系統(tǒng)，其溫濕度及腐蝕程度都大于常見小區(qū)和加壓泵站，在水泵組搭配上、需要處理的信號(如水質(zhì)信號停機管理)也多于小區(qū)供水系統(tǒng)，所以在部分條件復雜的中小水廠，采用通用的恒壓供水變頻系統(tǒng)并不能完全滿足實踐要求，現(xiàn)部分中小水廠已

18、認識到這一情況，并針對實際情況對變頻恒壓供水系統(tǒng)加以改進和完善.1.3變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護操作簡單化方向發(fā)展。在國內(nèi)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明顯偏高，維護成本也高于國內(nèi)產(chǎn)品。目前國內(nèi)有不少公司在從事進行變頻恒壓供水的研制推廣，國產(chǎn)變頻器主要采用進口元件組裝或直接進口國外變頻器，結合plc 或pid調(diào)節(jié)器實現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求的變頻供水領域，國產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢占領了相當部分小容量變頻恒壓供水市場。但在大功率大容量變頻

19、器上，國產(chǎn)變頻器有待于進一步改進和完善。1.4 本文主要內(nèi)容本文在通過對plc恒壓變頻供水的技術和原理分析的基礎上，提出了一套基于plc變頻恒壓供水系統(tǒng)的可行性方案，并選擇出了相應的器件，從而使系統(tǒng)通過安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器，把水壓轉換成420ma的模擬信號，通過變頻器來控制改變水泵轉速。用高低水位控制器來控制注水閥yv1，當其自動把水注滿儲水水池，只要水位低于高水位，則自動往水箱中注水。水池的高、低水位信號也直接送給plc作為低水位報警用。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離相差不是很大。生活用水和消防用水共用三臺泵，平時電池閥yv2處于失電狀態(tài)，關閉消防管網(wǎng)，三臺泵根據(jù)生活用水

20、的多少，按一定的控制邏輯運行，使生活供水在恒壓狀態(tài)（生活用水低恒壓值）下進行。當有火災發(fā)生時，電池閥yv2得電，關閉生活用水管網(wǎng)，三臺泵供消防用水使用，并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進行。火災結束后，三臺泵再改為生活供水使用。 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)構成及工作原理此次設計研究的對象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時將造成能源的浪費。如圖2.1所示，是這棟小樓的供水流程。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。圖2.1 供水流程簡圖市網(wǎng)

21、來水用高低水位控制器eq來控制注水閥yv1，其自動把水注滿儲水水池，只要水位低于高水位，則自動往水箱中注水。水池的高、低水位信號也直接送給plc作為低水位報警用。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離相差不是很大。生活用水和消防用水共用三臺泵，平時電池閥yv2處于失電狀態(tài)，關閉消防管網(wǎng)，三臺泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運行，使生活供水在恒壓狀態(tài)（生活用水低恒壓值）下進行。當有火災發(fā)生時，電池閥yv2得電，關閉生活用水管網(wǎng)，三臺泵供消防用水使用，并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進行?；馂慕Y束后，三臺泵再改為生活供水使用。下圖2.2即為生活、消防雙

22、恒壓供水系統(tǒng)工藝流程圖。圖2.2 雙恒壓供水系統(tǒng)工藝流程圖2.1系統(tǒng)的構成整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺plc和一個壓力傳感器及若干輔助部件構成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，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(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分組成。2.1.1執(zhí)行機構 執(zhí)行機構是由一

23、組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng).通常這些水泵包括: (1)調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。 (2)恒速泵:水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充. 此外，通常一些變頻系統(tǒng)還會增設附屬小泵，它只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如:夜間)對管網(wǎng)用水量進行少量的補充.市網(wǎng)來水yv1eq水池3號泵1號泵2號泵yv2消防用水生活用水2.1.2信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號:（1）水壓信號:它

24、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，需進行轉換。另外為加強系統(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行檢測。檢測結果可以送給plc，作為數(shù)字量輸入。 (2)液位信號:它反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時?？刂葡到y(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器。 (3)報警信號:它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。2.1.3控制系統(tǒng) 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、變頻器和電控設備三個部分:(1)供水控制器:它是整

25、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、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(即水泵成行控制.(2)變頻器:它是對水泵進行轉速控制的單元.變頻器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)速泵的轉速控制。根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有如下兩種工作方式: 1)變頻循環(huán)式:變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在50hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去

26、拖動另一臺水泵電機。2)變頻固定式:變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在50hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，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。（3）變頻器的電控設備它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成.用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換及就地/集中等工作。2.1.4通訊接口 通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換;同時通過通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進的網(wǎng)絡技術應用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進行遠程的診斷和維護等

27、。2.1.5報警裝置 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、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行監(jiān)測，由此判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。2.2工作原理合上空氣開關，供水系統(tǒng)投入運行。將手動、自動開關打到自動上，系統(tǒng)進入全自動運行狀態(tài)，plc中程序首先接通km6，并起動變頻器。根據(jù)壓力設定值(根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設定)與壓力實際值(來自于壓力傳感器)的偏差進行pid調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預先設定

28、好的加速時間控制水泵的轉速以保證水壓保持在壓力設定值的上、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上限，會將頻率到達信號送給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上限的信號，由程序判斷是否要起動第2臺泵(或第3臺泵)。當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時間，則plc會將當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)通過由遠傳壓力表送來的檢測信號進行分析、計算、判斷，進一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設定值的上、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泵電機在plc控制下先投入調(diào)

29、速運行，其運行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當供水壓力小于壓力預置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉速上升，反之下降。當變頻器的輸出頻率達到上限，并穩(wěn)定運行后，如果供水壓力仍沒達到預置值，則需進入增泵過程。在plc的邏輯控制下將1泵電機與變頻器連接的電磁開關斷開，1泵電機切換到工頻運行，同時變頻器與2泵電機連接， 控制2泵投入調(diào)速運行。如果還沒到達設定值，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。當供水壓力大于預置值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限，并穩(wěn)定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于

30、預置值，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定值，則停機并啟動輔泵投入調(diào)速運行，從而達到節(jié)能效果。2.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析在上面的工作流程中，我們提到當一臺調(diào)速水泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的。當調(diào)速水泵和恒速水泵都在運行且調(diào)速水泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少恒速水泉來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使

31、機組不過于頻繁的切換。盡管通用變頻器的頻率都可以在0-400hz范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，但當它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在50hz時進行。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。當變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達50hz時，即使實際供水壓力仍然低于設定壓力，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，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機組切換，增加運行機組數(shù)量來實現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0hz。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能

32、降低到0hz。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網(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入管網(wǎng)，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于0hz,具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在20hz左右。由于在變頻運行狀態(tài)下，水泵機組中電機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。在實際應用中，應當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。所謂延時判別

33、，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時間（比如1-2分鐘），如果在這一段延時的時間內(nèi)切換條件仍然成立，則進行實際的機組切換操作;如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。3 基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計與實現(xiàn)水泵m1、m2，m3可變頻運行，也可工頻運行，需plc的6個輸出點，變頻器的運行與關斷由plc的1個輸出點，控制變頻器使電機正轉需1個輸出信號控制，報警器的控制需要1個輸出點，輸出點數(shù)量一共9個?？刂破饎雍屯Ｖ剐枰?個輸入點

34、，變頻器極限頻率的檢測信號占用plc2個輸入點，系統(tǒng)自動/手動起動需1輸入點，手動控制電機的工頻/變頻運行需6個輸入點，控制系統(tǒng)停止運行需1個輸入點，檢測電機是否過載需3個輸入點，共需15個輸入點。系統(tǒng)所需的輸入輸出點數(shù)量共為24個點。本系統(tǒng)選用fxos-30mr-d型plc。 3.1控制要求對三泵生活、消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求如下：（1） 生活供水時，系統(tǒng)應保持低恒壓值運行，消防供水時系統(tǒng)應保持高恒壓值運行。（2） 三臺泵根據(jù)恒壓的需要，采取“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。（3） 在用水量較小的情況下，如果一臺泵連續(xù)工作運行時間超過3h，則要切換到下一臺泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一

35、臺工作時間過長。（4） 三臺泵再起動時要有軟起動功能。（5） 要有完善的報警功能（6） 對泵的操作要有手動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用。3.2 變頻器的選擇與接線根據(jù)設計的要求，本系統(tǒng)選用fr-a540系列變頻器，如下圖所示：圖3.1 fr-a540的管腳說明管腳stf接plc的y7管腳，控制電機的正轉。x2接變頻器的fu接口，x3接變頻器的ol接口。頻率檢測的上/下限信號分別通過ol和fu輸出至plc的x2與x3輸入端作為plc增泵減泵控制信號。圖3.2變頻器接線圖3.3壓力傳感器的接線圖壓力傳感器使用cy-yz-1001型絕對壓力傳感器。改傳感器采用硅壓阻效應原理實現(xiàn)壓力測量的力

36、電轉換。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當壓力作用于傳感器時，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術指標的要求。該傳感器的量程為02.5mpa，工作溫度為560 ，供電電源為283v（dc）。圖3.3壓力傳感器的接線圖3.4 原其它元器件的選擇水泵：m1、m2選用40-160(i)a型，m3選用40-160(i)型，參數(shù)見表3.1示。 122005.8380piau230007.9380piau熱繼電器的選擇：選用最小的熱繼電器作為電機的過載保護熱繼電器fr，fr1 fr2可選用規(guī)格其型

37、號為tk-e02t-c，額定電流58a，fr3可選用規(guī)格其型號為tk-e02u-c，額定電流為69 a熔斷器的選擇：在控制回路中熔斷器fu選用rt18系列。接觸器的選擇：對于接觸器km選擇的是規(guī)格sc-e03-c,功率3kw按鈕sb的選擇：plc各輸入點的回路的額定電壓直流24v，各輸入點的回路的額定電流均小于40ma，按鈕均只需具有1對常開觸點，按鈕均選用lay311型，其主要技術參數(shù)為：un=24vdc，in=0.3a，含1對常開和1對常閉觸點。表3.1元件表總圖表3.2水泵的參數(shù)元件符號型號個數(shù)可編程控制器plcfxos-30mr-d1變頻器fr-a540系列5.5型1接觸器kmsc-e

38、03-c7m1,m240-160(i)a2水泵m340-160(i)1閘刀開關qshd11-100/181fu1，fu2rt18 6a2熔斷器fu3rt18 8a1fr1 fr2tk-e02t-c2熱繼電器fr3k-e02u-c1按鈕sblay31110符號型號流量(m3/h)揚程(m)轉速(r/min)電機功率(kw)m1,m240-160(i)a112829002.2水泵m340-160(i)12.53229003.0表3.3 變頻器的參數(shù)3.53.5 plcplc控制控制i/oi/o口配置口配置控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號的名稱，以及代碼及地址編號如表3.4所示。水位上下限信號分別為i0.1

39、、i0.2 ，它們在水淹沒時為0，露出時為1。表3.4 輸入、輸出點代碼和地址編號輸入信號名稱代碼地址編號手動消防信號sa1i0.0水池水位下限信號slli0.1水池水位上限信號slhi0.2變頻器報警信號sui0.3消鈴按鈕sb9i0.4試燈按鈕sb10i0.5遠程壓力表模擬量電壓值upaiwo1號泵工頻運行接觸器及指示燈km1，hl1q0.01號泵變頻運行接觸器及指示燈km2，hl2q0.12號泵工頻運行接觸器及指示燈km3，hl3q0.22號泵變頻運行接觸器及指示燈km4，hl4q0.33號泵工頻運行接觸器及指示燈km5，hl5q0.43號泵變頻運行接觸器及指示燈km6，hl6q0.5生

40、活、消防供水轉換電磁閥yv2q1.0水池水位下限報警指示燈hl7q1.1變頻器故障報警指示燈hl8q1.2火災報警指示燈hl9q1.3報警電鈴haq1.4壓力傳感器sa4i0.6變頻器sa5i0.7壓力報警信號sai0.8自動消防信號sa2i0.10過載報警信號sri0.11變頻器頻率復位控制ka(kmg)q1.5控制變頻器頻率電壓信號vfagwo變頻器適用電機容量（kw)輸出額定容量(kva)輸出額定電流（a）過載能力電源額定輸入交流電壓/頻率冷卻方式fr-a540系列5.5型（三菱）5.59.112150%60s ,200% 0.5s (反時限特性)3相，380v至480v 50hz/60

41、hz強制風冷3.6 電氣控制系統(tǒng)原理及線圖3.6.1主電路圖圖3.4主電路圖電機有兩種工作模式即：在工頻電下運行和在變頻電下運行。km1、 km3、 km5 分別為電動機m1 、m2 、m3 工頻運行時接通電源的控制接觸器，km0、 km2 、km4 分別為電動機m1、m2、 m3 變頻運行時接通電源的控制接觸器。熱繼電器(fr)是利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它在電路中的用作電動機的過載保護。熔斷器（fu）是電路中的一種簡單的短路保護裝置。使用中，由于電流超過允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設備短路和嚴重過載。3.6.2控制電路接線圖圖3.5 plc的接線

42、圖y0接km0控制m1的變頻運行，y1接km1控制m1的工頻運行；y2接km2控制m2的變頻運行，y3接km3控制m2的工頻運行；y4接km4控制m3的變頻運行，y5接km5控制m3的工頻運行。x0接起動按鈕，x1接停止按鈕，x2接變頻器的fu接口，x3接變頻器的ol接口，x4接m1的熱繼電器，x5接m2的熱繼電器，x6接m3的熱繼電器。為了防止出現(xiàn)某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同時控制m1電動機的兩個接觸器km1、km0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。頻率檢測的上/下限信號分別通過ol和fu輸出至plc的x2與x3輸入端作為plc增泵減泵控制信號。3.7基于pl

43、c的變頻恒壓供水系統(tǒng)程序流程在控制系統(tǒng)中，變頻器通過plc 通過對電機出廠壓力點處設置的壓力變送器反饋信號，進行單閉環(huán)控制。此外，為了適應供水情況的突發(fā)變化等，在必要時，可以實現(xiàn)手動頻率控制功能。p比 程序設計的主要任務是接受外部開關信號的輸入以及管網(wǎng)的壓力信號和水池水位信號，判斷當前的系統(tǒng)狀態(tài)是否正常，然后執(zhí)行程序，由輸出信號去控制接觸器、繼電器和變頻器等器件，以完成相應的控制任務，除了pid運算，plc主要控制任務就是輸出頻率的計算和工頻、變頻的切換。 在設計時，需要注意的是由于供水系統(tǒng)是一個慣性較大無法突變的系統(tǒng)，不需要過高的響應速度，因而在設計思想上應以查詢方式為主，中斷方式為輔.（1

44、）系統(tǒng)初始化程序設計在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對模擬量(管網(wǎng)壓力、液位等)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進行初始化處理，賦予一定的初值。（2）壓力恒定控制程序設計在變頻恒壓供水系統(tǒng)壓力控制程序的設計流程如圖3.2所示，檢測壓力的大小，信號傳送到plc，系統(tǒng)首選對數(shù)值進行分析，確認數(shù)據(jù)正常后，與壓力設定值進行判斷，如果與設定值相同，則直接進入下一采樣周期，如果不同，則進行pid控制，通過plc控制變頻器改變頻率參數(shù)，從而實現(xiàn)恒壓供水。在恒壓供水程序設計中，還應考慮到報警問題，通常要設計中斷程序處理信號報警。特

45、別要注意的是，在中小供水廠有條件的情況下，除了通常的液位報警和過載報警等外，還應將流量儀、濁度儀、余氯儀等報警信號接入plc，從而實現(xiàn)在供水廠出現(xiàn)流量嚴重異常或水質(zhì)事故事可以實現(xiàn)緊急停機。plc在系統(tǒng)中的作用是控制交流接觸器組進行工頻變頻的切換和水泵工作數(shù)量的調(diào)整。工作流程如圖3.6所示。圖3.6 plc程序流程圖系統(tǒng)起動之后，檢測是自動運行模式還是手動運行模式。如果是手動運行模式則進行手動操作，人們根據(jù)自己的需要操作相應的按鈕，系統(tǒng)根據(jù)按鈕執(zhí)行相應操作。如果是自動運行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關的輸入信號執(zhí)行相應的操作。手動模式主要是解決系統(tǒng)出錯或器件出問題在自動運行模式中，如果plc接到頻率

46、上限信號，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量。如果plc接到頻率下限信號，則執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。沒接到信號就保持現(xiàn)有的運行狀態(tài)。3.8控制方式3.8.1 手動運行當按下sb7按鈕，用手動方式。按下sb10手動啟動變頻器。當系統(tǒng)壓力不夠需要增加泵時，按下sbn（n=1,3,5）按鈕，此時切斷電機變頻，同時啟動電機工頻運行,再起動下一臺電機。為了變頻向工頻切換時保護變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時，用時間繼電器作了時間延遲，當壓力過大時，可以手動按下sbn（n=2,4,6）按鈕，切斷工頻運行的電機，同時啟動電機變頻運行。可根據(jù)需要，停按不同電機對應的啟停按鈕，可以依次實現(xiàn)手

47、動啟動和手動停止三臺水泵.該方式僅供自動故障時使用.3.8.2 自動運行由plc分別控制某臺電機工頻和變頻繼電器，在條件成立時，進行增泵升壓和減泵降壓控制. 升壓控制：系統(tǒng)工作時，每臺水泵處于三種狀態(tài)之一，即工頻電網(wǎng)拖動狀態(tài)、變頻器拖動調(diào)速狀態(tài)和停止狀態(tài).系統(tǒng)開始工作時，供水管道內(nèi)水壓力為零，在控制系統(tǒng)作用下，變頻器開始運行，第一臺水泵m1，啟動且轉速逐漸升高，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩(wěn)定到某一定值，這期間m1處在調(diào)速運行狀態(tài).當用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵按設定速率加速到另一個穩(wěn)定轉速;反之用水量減少水壓增加時，水泵按設定的速率減速到新的穩(wěn)定轉速.

48、當用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率增加至工頻時，水壓仍低于設定值，由plc控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運行;同時，使第二臺水泵m2投入變頻器并變速運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，每當加速運行的變頻器輸出頻率達到工頻時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，并有新的水泵投人并聯(lián)運行.當最后一臺水泵m3投人運行，變頻器輸出頻率達到工頻，壓力仍未達到設定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出故障報警.降壓控制：當用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動頻率時，水壓仍高于設定值，系統(tǒng)將工頻運行時間最長的一臺水泵關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設定值.當用水量繼續(xù)下降，每當減速運行的變頻

49、器輸出頻率降至起動頻率時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，直到剩下最后一臺變頻泵運行為止。3.9主要程序說明3.9.1 總程序的順序功能圖系統(tǒng)分為自動運行和手動運行兩部分圖3.7 總程序的順序功能圖3.9.2 自動運行順序功能圖按下sb8按鈕，系統(tǒng)進入自動運行模式，順序功能圖如3.8所示。圖3.8 自動運行順序功能圖y0接km0控制m1的變頻運行，y1接km1控制m1的工頻運行；y2接km2控制m2的變頻運行，y3接km3控制m2的工頻運行；y4接km4控制m3的變頻運行，y5接km5控制m3的工頻運行系統(tǒng)起動時，km1閉合，#1泵以變頻方式運行。 當變頻器的運行頻率超出一個上限信號后，plc通過這個上限

50、信號后將1#水泵有變頻運行轉為工頻運行，km1斷開km0吸合，同時km3吸合變頻起動第2#水泵。如果再次接收到變頻器上限信號，則km3斷開km2吸合，第2#水泵由變頻轉為工頻運行，3#水泵變頻起動。如果變頻器頻率偏低，即壓力過高，輸出的下限信號使plc關閉km5、km2，開啟km3，2#水泵變頻起動。再次接到下限信號就關閉km3、km0，吸合km1，只剩1#水泵變頻運行。為了防止出現(xiàn)某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同是控制m1電動機的兩個接觸器km1、km0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。3.9.3手動模式順序功能圖當按下sb9按鈕，系統(tǒng)進入手動運行模式。系統(tǒng)的每步

51、動作都必須有相應的操作。順序功能圖如圖3.9所示。圖3.9自動運行順序功能圖按下按鈕sb9之后，啟動了變頻器，系統(tǒng)進入手動運行模式。當用戶按下sbn（n=1，3，5）三臺電機分別處于工頻運行，當用戶按下sbn（n=2，4，6）三臺電機分別處于變頻運行?？梢远嗯_電機于不同的頻率工作，但一臺電機只能以一種頻率下工作。（如#1電機，如果控制它工作的sb1,sb2按鈕被同時按下則發(fā)出警報且電機無法起動。3.9.4程序（1）自動運行部分。（1）手動運行部分。3.9.5 程序說明（1）自動運行部分。起動1#泵按下起動按鈕，系統(tǒng)檢測采用那種運行模式。如果按鈕sb7沒按，則使用自動運行模式。變頻起動1#水泵。起動1#，2#泵：接收到變頻器上限信號，plc通過這個上限信號后將1#水泵由變頻運行轉為工頻運行，km1斷開km0吸合，同時km3吸合變頻起動第2#水泵。起動1#，2#，3#泵：再次接收到變頻器上限信號，則km3斷開km2吸合，第2#水泵由變頻轉為工頻運行，3#水泵變頻起動。起動1#泵：接到下限信號就關閉km3、km0，吸合km1，只剩1#水泵變頻運行。起動1#，2#泵：輸出的下限信號使plc關