1、11目录1 绪论 .32 恒压供水系统 .32.1 变频供水系统的选择 .53 变频恒压供水系统构成及工作原理 .73.1 主电路接线图 .73.2 系统控制电路图 .84 相关器件的选型及接线 .104.1 PLC 的选型 .104.1.1 PLC 的特点 .104.1.2 PLC I/O 端口的说明与接线 .104.1.3 PLC 的接线 .114.2 变频器的选择 .134.3 电动机的选型 .144.4 PID 控制参数整定 .154.4.1 泵供水系统的结构 .154.4.2 泵供水系统各环节的传递函数 .154.4.3 simulink 环境仿真及 PID 参数设定 .165 PL
2、C 控制及编程 .195.1 PLC 控制 .205.1.1 手动控制 .20225.1.2 自动控制 .20参考文献 .21致谢 .2133第 1 章 绪论众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。在恒压供水技术出现以前，出
3、现过许多供水方式。以下为传统的泵供水系统，逐一分析。(1) 一台恒速泵直接供水系统这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒速泵+水塔的供水方式这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额
4、定扬程的条件下，水泵处于高效能区。这种方式显然比前种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。(3)射流泵十水箱的供水方式这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用压差和来水管粗，出水管细的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量(流量)的现象，无法满足高层供水的需要。(4) 恒速泵十高位水箱的供水方式这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。44
5、一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操作，使系统的供水质量下降能耗增加。(5)恒速泵十气压罐供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水的方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者作一比较。(6)变频调速供水方式这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出
6、，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内.变频调速水泵调速控制方式有三种:水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。出口恒压控制水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。出口变压控制这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但
7、这取决于将全天24小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。 最不利点恒压控制这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。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，人民对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
8、等应用到供水领域，成为对供水系统55的新要求。由于城市供水量不断加大，对城市管网的实时监测提出了更高的要求。第2章 恒压供水系统2.1 变频恒压供水控制方式的选择目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：1逻辑电子电路控制方式这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。2单片微机电路控制方式这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和
9、抗干扰能力都不太好。3带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲。既要有模拟量输入接
10、口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入，输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入，数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入，输出的可66编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入，输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。4新型变频调速供水设备针对传统的变频调速供
11、水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO I系列； ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的GIISPIIS 系列产品；等等。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳
12、定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。考虑以上四种方案后，此次设计采用第四种方案。如图 2.2 所示。 。E - 1E - 2P - 3用户P - 4P - 5压 力 传 感 器A D 转 换 器A D 转 换 器变 频 器液 位 传 感 器P L C 含 P I DP - 7P - 9P - 1 1P - 1 2P - 1 3MP - 1 4P - 1 5P - 1 6P - 3S - 1S - 2S - 3水 泵 机 组水 池 水 位 信 号管 网 压 力 信 号给 定 值P - 2 0V - 1
13、P - 2 1V - 3P - 2 2V - 4图 2. 2 供水系统方案图77由图可知：水压传感器检测的泵出口水压与给定值比较产生偏差信号，经控制器调节后产生相应控制信号控制变频器的频率。变频器控制电机转速，使水压值位于泵供水系统给定值的允许误差范围内。第 3 章 变频恒压供水系统的构成及工作原理3.1 主电路接线图基于 PLC 的变频恒压供水系统主电路图如图 3.1 所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵 1#、2#、3#。接触器 KM1、KM3、KM5 分别控制 M1、M2、M3 的工频运行；接触器 KM2、 KM4、KM6 分别控制M1、M2、M3 的变频运行； FR1
14、、FR2、FR3 分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2 、 QS3、QS4 分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU 为主电路的熔断器。本系统采用三泵循环变频运行方式，即 3 台水泵中只有 1 台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过 3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。88NL 1L 2L 3F U变频器Q S 1RSTU VWQ S 2K M 2F R 1K M 1M 13
15、K M 3M 23 K M 5M 33 K M 4F R 2Q S 3 Q S 4K M 6F R 3K M 2K M 4K M 6KM1KM3KM5图 3.1 恒压供水系统主电路图三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的 R、S、T 端，变频器的输出端 U、V、W 通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器 FR 实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电
16、动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1 和 KM2、KM3 和 KM4、KM5 和 KM6 绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将 420mA 电流信号送至上位机来显示。同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操99作不能直接断开主电路(如
17、直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须通过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。3.2 系统控制电路图恒压供水系统中要有摸拟量的输入输出，所以要选模拟量扩展模块，根据要求选择；三菱 FX0N-3A 型号的 PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。PLC 主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：自动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/ 自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；
18、系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。如图 3.2 为电控系统控制电路图。图中 SA 为手动/自动转换开关，SA 打在1 的位置为手动控制状态；打在 2 的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮 SB1SB6 控制三台水泵的启 /停；自动运行时，系统在 PLC 程序控制下运行。图中的 HL10 为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器 KA 的触点对变频器进行复频控制。图中的 Y0-Y5 及 Y11-Y15 为 PLC 的输出继电器触点。1010S B 1K M 1S B 2Y 1K M 2K M 1K M 1K M 2H L 1H L 2F R 1S B 5K M 5S B 6Y 4Y 5K M 6K M 5K M 5K M 6H L 5H L 6F R 3S B 3K M 3S B 4Y 2Y 3K M 4K M 3K M 3K M 4H L 3H L 4F R 2P L CNL 1F U 2S A12Y 1 1H L 7Y 1 3H L 9Y 1 2H L 8H L 1 0Y 1 4Y 1 5K AH AN 14681 01 21 41 61 82 02 22 4图 3.2 系统控制电路图
