变频供水设计正文.docx
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变频供水设计正文
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1、绪论
目前，我们国家在水位控制中有很大一部分水泵电机是不变速拖动系统，不变速电机的电能大多消耗在适应供水量的变化而频繁的开停水泵中。
这样不但使电机工作在低效区、减短电机的使用寿命，而且电机的频繁开停使设备故障率很高，导致水资源严重浪费，系统的维护、维修工作量较大。
随着高位生活用水和工业用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。
原先用人工进行水位控制，由于无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停。
使用浮标或机械等水位控制装置使供水状况有了一些改变，但由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。
变频技术以其在节能与恒压方面的优越性能，可以解决水压控制系统存在的以上问题。
考虑选用单片机或PLC与变频器结合为核心构成的系统都能达到较好的控制效果。
但在软件设计上，PLC比单片机的编程更简洁、直观，从硬件接口考虑，单片机电路稍微复杂一些。
从经济方面考虑，由于PLC工艺的日渐成熟，小型PLC的成本与单片机相差无几。
由于要根据现场情况调整系统参数，PLC的软件中时间参数的调整更简单，这样更有利于售后服务人员掌握。
本系统控制效果好，软件设计简单，硬件接口简易可行、可靠性高，则整个系统的性价比非常高。
本次设计将电力和机械相辅相成的结合起来，并以此为目标进行系统的学习研究和思考锻炼自己的综合能力。
2、电机控制系统原理及水泵加、卸载供水控制方式存在的电能浪费
2.1能耗分析
交流异步电动机的转速公式为：
n=60f（1-s）p（式2-1）
其中n—电机转速 f—运行电频率；
p—电机极对数 s—转差率；
加、卸载控制方式使得水的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。
Pmin是最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力。
一般情况下，Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示：
Pmax＝（1＋δ）Pmin
δ是一个百分数，其数值大致在15%～30%之间。
在加、卸载供水控制方式下的水泵电机，所浪费的能量主要在2个部分：
1）加载时的电能消耗
在压力达到最小值后，原控制方式决定其压力会继续上升直到最大压力值。
在加压过程中，一定要克服外界摩擦做功，从而导致电能损失。
另一方面，高于压力最大值的自来水在进入供水元件前，其压力需要经过减压阀减压，这一过程同样是一个耗能过程。
2）卸载时电能的消耗
当压力达到压力最大值时，水泵通过如下方法来降压卸载：
关闭进水阀使电机处于空转状态，同时将水箱分离罐中多余的水通过放空阀放空。
这种调节方法要造成很大的能量浪费。
据测算，水泵卸载时的能耗约占水泵满载运行时的10%～25%。
换言之，该水泵电机20%的时间处于空载状态，在作无用功。
很明显在加卸载供水控制方式下，水泵电机存在很大的节能空间。
2.2电机控制系统原理的不足之处
1）靠机械方式来调节水体流量，使供水量无法连续调节，当用水量不断变化时，供水压力不可避免地产生较大幅度的波动。
严重影响了我们生活中的使用要求。
再加上频繁调节电机转速，会加速电机的冲击磨损，增加维修量和维修成本。
2）频繁调节电机转速，启动冲击电流和启动给水泵电机带来机械冲击，耐用性得不到保障。
因此，对电机的性能要求较高。
3、恒压供水控制方案的设计
针对原有供水控制方式存在的诸多问题，可应用变频调速技术进行恒压供水控制。
我们把管网压力作为控制对象，压力传感器YB将水池中水的压力P转变为电信号送给PID调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按给定的PID控制模式进行运算，产生的控制信号送到变频调速器VF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。
另外，采用该方案后，水泵电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给水泵电机带来的机械冲击。
3.1变频器恒压供水简介
变频恒压供水系统原理如图3-1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路、工业控制计算机（IPC）系统以及3台水泵等组成。
用户通过控制柜面板上的指示灯、按钮和转换开关来了解和控制系统的运行。
通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4～20mA的标准信号送入PID调节器，与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，传送给变频器。
由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。
当用水量超过一台水泵的供水量时，通过PLC控制器增加水泵数量。
即根据用水量的大小由PLC控制所需工作水泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。
同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（由PID控制器和时间控制器实现）。
充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。
正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#。
图3-1供水系统原理图
图3-2水位传感器
3.2工作原理
3.2.1运行方式
本系统有手动和自动两种运行方式：
1）手动运行
按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#~3#泵的启停。
该方式主要供检修及变频器故障时用。
2）自动运行
开始时，合上自动开关，1#泵电机通电启动，变频器随电机转速输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz而此时水压还在下限值，1#泵由变频切换为工频，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，泵的切换过程同上；若用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。
若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。
频率上升到50Hz而此时水压还在下限值后，为了避免由于干扰而引起误动作，需要延时一段时间，再切换为工频运行。
这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，可实现泵组的无冲击切换，使水压平稳过渡，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。
若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。
变频自动功能是该系统最基本的功能系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。
表3-1水泵运行的所有状态
状态1：
000
表示三个水泵都在停止状态
状态2：
B00
表示1#水泵在变频状态，其他为停止状态
状态3：
0B0
表示2#水泵在变频状态，其他为停止状态
状态4：
00B
表示3#水泵在变频状态，其他为停止状态
状态5：
B0G
表示1#水泵在变频状态，2#在停止，3#在工频状态
状态6：
BG0
表示1#水泵在变频状态，3#在工频，2#在停止状态
状态7：
0BG
表示1#水泵在停止状态，2#在变频，3#在工频状态
状态8：
GB0
表示1#水泵在工频状态，2#在变频，3#在停止状态
状态9：
G0B
表示1#水泵在工频状态，2#在停止，3#在变频状态
状态10：
0GB
表示1#水泵在停止状态，2#在工频，3#在变频状态
状态11：
BGG
表示1#水泵在变频状态，2#在工频，3#在工频状态
状态12：
GBG
表示1#水泵在工频状态，2#在变频，3#在工频状态
状态13：
GGB
表示1#水泵在工频状态，2#在工频，3#在变频状态
图3-3供水网管原理图
图3-4供水系统控制电气原理图
图3-5供水网管随时间自动变化
图3-6恒压供水控制流程图
3.2.2故障处理
1）故障报警
当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。
此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。
报警回路如图3-7、图3-8。
表3-2IO点与故障信息对照表
I5.5：
控制柜面板紧急停止
I5.6：
操作面板紧急停止
I0.1：
M1泵电机跳闸
I0.2：
M2泵电机跳闸
I0.3：
M3泵电机跳闸
I2.0：
变频器电源故障
I2.1：
变频器故障
I3.5：
控制电源断路器跳闸
I3.6：
故障报警解除
M23.1：
变频器故障指示灯
图3-7报警回路功能图
图3-8报警回路梯形图
2）水泵检修
为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用泵之间具有周期定时切换功能，周期间隔由时间控制器设定：
1小时次～96小时次连续可调。
图3-9中断程序流程图
3.3系统的设计与实践
3.3.1基本控制原理
由压力变送器测量管网压力和流量信号转换成标准模拟信号经PLD的AD转换，和设定值比较，进行PID运算，通过DP总线控制变频器频率，调节水泵转速而达到恒压及节能原理。
图3-10主程序流程图
3.3.2通讯网络的选择与设计
PLC的发展除了功能越来越多、集成度越来越高外，网络功能也越来越强。
选择好控制器之后，选择数据的传输方式——通讯网络也是非常重要的。
西门子根据不同自动化水平的要求（工厂级,单元级,现场和传感器执行器级），提供了网络解决方案，包括多点接口（MPI）、Profibus、工业以太网、ProfiNet（基于工业以太网）、点对点连接（PtP）、执行器传感器接口（ASI）。
目前网络是一个发展趋势，一个好的网络系统可以大大降低成本。
本系统使用了Profibus－DP的网络，Profibus-DP通信速率达到12Mbps，能够方便将PC、PLC和变频器通过一根RS485屏蔽双绞线连接在一起实现通信控制，降低了布线和维护的费用。
SIMATICSTEP7提供强大的网络诊断工具也给调试带来很大方便。
图3-11PLC系统转换控制图
3.3.3变频参数设置
可以通过多种途径设置G150变频器参数。
使用STARTER软件能够方便而直观的进行所有的参数设置。
通过STARTER的向导设置G150变频器站地址，和波特率等参数，使之连接到DP总线上，成为S7-200PLC的一个从站。
配置连接的电机类型、电流、功率等参数，配置变频器命令源和主参数设定源为Proverbs方式，选择速度控制方式（Speedcontrol），定义ProfibusPZD数据格式，选择使用水泵电机负载类型。
1）变频器的频率参数、PID参数设定
变频器的参数设定有一定规律可循，主要从供水系统的特性、水泵为平方律负载等方面来考虑，变频器的参数设定注意如下几点：
最高频率：
水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方律增加。
因此变频器的工作频率不允许超过额定频率，最高只能和额定频率相等。
上限频率：
一般来说，以等于额定频率为宜，但变频器内部往往具有转差补偿功能，因此也可设置略低些。
下限频率：
在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成“水泵”空转的现象。
所以，下限频率不宜太低。
2）PID参数
PID参数的选择，须保证系统运行稳定、动态响应快、静差小。
调试中，要观察供水系统压力检测点的实际测量值，维持系统的稳定性。
PID参数可按表3-3设置。
表3-3PID参数的设定值
参数
设定值
参数
设定值
参数
设定值
Pr.1（上限频率）
50
Pr.2（下限频率）
15
Pr.3（基底频率）
50
Pr.7（加速时间）
15s
Pr.8（减速时间）
10s
Pr.9（电子过流保护）
9.5
Pr.42（上限切换频率FU信号）
48
Pr.50（下限切换频率FU信号）
20
Pr.73（0~50~10v）
0
Pr.79（操作模式）
2
Pr.128（选择PID）
20
Pr.129（P参数）
200%
Pr.130（积分时间）
1
Pr.134（微分时间）
0.1
Pr.131（上限时间）
100
Pr.132（下限0%）
0
Pr.136（变工切换
时间）
2
Pr.191（FU端子功能
选择）
5
3.3.4上位机监控程序开发
1）OPCServer通信服务器
PLC与上位监控计算机的数据交互采用了先进的OPC接口实现。
OPC（OLEforProcessControl）是以OLECOMDCOM机制作为应用程序级的通信标准。
OPC技术的实现包括两个组成部分，即OPCServer和OPCClient。
OPCClient通过OPC标准接口与OPCServer通信，获取OPCServer的各种信息。
只要符合OPC标准的所有客户应用程序都可以访问来自任何生产厂商的标准OPC服务器程序。
与DDE相比，OPC技术更具优越性。
数据传输速度更快（在远程客户数多时，OPC技术优势尤为突出）、更安全、开发成本更低、可靠性更高等。
西门子公司提供了功能强大的OPCServer软件SIMATICNET。
通过SIMATICSTEP7建立一个PCSTATION配置通信硬件CP5611，添加OPCServer和PLC建立S7通信连接编译后下载到本地PC运行既建立了OPCServer。
SIMATICNET不仅是功能强大的OPCServe，而且包含了测试OPC客户端OPCScout，并带有OPCServerBrowseOCX等控件，为上位机的开发提供了很大的方便。
界面的设计使用VB6，在VB6中添加SIMATIC提供的OPC客户端组件，将PLC的变量和画面上的对象直接连接起来，就象组态软件一样方便。
大大的简化了上位机和下位机通信驱动的开发编程，同时也提高了通信的稳定性和可扩展性。
图3-12PC机通信程序流程图
2）SQLServer数据库服务器
选择了采用客户机服务器计算机模型的SQLServer作为后台关系数据库服务器。
根据需要建立了用户注册信息表、历史数据表、历史报警数据表、历史事件数据表、日志表、用户登陆信息表等。
通过VB的ADO对象能够方便的对数据库进行操作，进行历史数据和历史报警和事件的记录、归档和查询。
3）界面元素设计
在成功建立通信和数据链路后，要将数据动态直观的在计算机屏幕显示出来。
VB的良好的界面设计能力，能够实现各种WINDOWS元素的显示。
本系统还使用了第三方设计的动态显示控件组，对实时曲线，历史曲线，动态指示灯、按钮、棒图等对象做了处理，简单的数据连接即能实现美观的效果，大大的方便了设计。
3.3.5下位机PLC程序开发
PLC是本控制系统的核心元件。
设备服务器工控机（IPC）与S7-200数据通讯使用高速PROFIBUS-DP通讯方式变频器和Profibus总线型西门子变频器。
基于该对象进行PLC的硬件组态和软件组态，然后通过SIMATICSTEP7编程实现PLC控制算法，实现单元级控制。
使用控制字CW（ControlWord）控制变频器的启停及运行方式，故障确认等。
监视状态字SW（StatusWord）实时反馈变频器的运行状态。
4、系统其他组成情况
4.1SINAMICSG150变频器
源于西门子最新传动家族的SINAMICSG150高性能单机变频调速柜适用于所有单电机传动的应用，满足多种负载特性的要求，包括平方转距，线性转距，恒转距及恒功率负载类型。
采用紧凑高品质威图（RITTAL）柜式设计，节省占地面积30%~70%。
柜内强电保护，安静运行（低于67dB）。
使用全新主控制板CU320，智能化设计，采用CF软件存储卡，提供光缆接口和ProfiBus接口，功能操作面板AOP30和功能强大的软件工具STARTER进行选型，调试，节能计算。
SINAMICSG150变频器配合N-Compact电机非常适用于使用平方率扭矩特性驱动泵的变频器操作。
变频器参数设置如下：
1drC电机控制，FCS返回出厂设置恢复配置，InI把当前配置变为出厂设置相同，此功能一被执行，FCS就自动变为No。
UFt电压频率额定值类型选择P可变转矩。
2IO菜单，tCC控制类型，配置为2C，既两线控制，逻辑输入正向LI1；（IO菜单，rrS通过逻辑输入反向运行，配置LI2。
）
3Fun功能，PSS预置速度，PS2（2种预置速度）预置逻辑输入LI3；
PS4（4种预置速度）预置逻辑输入LI4；
PS8（8种预置速度）预置逻辑输入LI5；
4Set设置，SP2、SP3、SP4、SP5、SP6第二、三、四、五、六种预置速度设置分别为10、20、30、40、50Hz。
LSP低速度设为5Hz。
5CtL控制。
FrI配置给定1，设置模拟输入AII。
FLt故障，OPL电机缺相故障配置nO。
6SUP显示，rFr加到电机上的输入频率
4.2可编程序控制器（PLC）
选用西门子S7-200系列通用型PLC。
该系列PLC能适合自动化工程中的各种应用场合，使用模块化结构，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。
使用CPU313C-2DP为核心控制单元，该模块带MPI和ProfiBus-DP通信接口，配有MMC存储卡，免维护，集成了24DI16DI的数字量IO，再扩展一个8AI的模拟输入模块用于管网压力，流量，蓄水池水位及电机轴承温度等模拟量的检测。
4.3工业控制计算机（IPC）系统
使用研华IPC610工控机（IPC），以MSWindows2000为系统平台，配置CP5611用于ProfiBus-DP现场总线通信，SIMATICNET软件配置OPCServer使用VB6开发系统监控软件，MSSQLServer为后台数据库管理平台。
使用SIMATICSETP7软件进行对系统的组态和编程调试，使用STARTER软件进行对SINAMICSG150变频器的配置调试。
其他设备包括水泵电机、出口阀门、压力传感器、液位计及相关电气控制设备等集成，进行变频调速全自动闭环控制管理监视功能，其系统组成示意见图4-1。
图4-1控制系统结构原理图
4.4编程设计及梯形图的绘制
（1）控制系统的IO点及地址分配如表4-1
表4-1控制系统的IO点及地址分配
名称
代码
地址编号
输入信号
手动和自动消防信号
SA1
I0.0
水池水位下限信号
SLL
I0.1
水池水位上限信号
SLH
I0.2
变频器报警信号
SU
I0.3
消铃按钮
SB9
I0.4
试灯按钮
SB10
I0.5
远程压力表模拟量电压值
Up
AIW0
输出信号
1#泵工频运行接触器及指示灯
KM1,HL1
Q0.0
1#泵变频运行接触器及指示灯
KM2,HL2
Q0.1
2#泵工频运行接触器及指示灯
KM3,HL3
Q0.2
2#泵变频运行接触器及指示灯
KM4,HL4
Q0.3
3#泵工频运行接触器及指示灯
KM5,HL5
Q0.4
3#泵变频运行接触器及指示灯
KM6,HL6
Q0.5
电磁阀
YV2
Q1.0
水池水位下限报警指示灯
HL7
Q1.1
变频器故障报警指示灯
HL8
Q1.2
火灾报警指示灯
HL9
Q1.3
报警电铃
HA
Q1.4
变频器频率复位控制
KA
Q1.5
控制变频器频率用电压信号
UF
AQW0
（2）系统控制电路图如图4-2所示：
图4-2系统控制电路图
（3）系统程序控制梯形图如图4-3所示：
图4-3系统控制程序梯形图
（3）系统程序控制指令如下：
LDI0.0
AI0.1
OI0.3
LDNI0.5
LPS
LDNQ0.1
LDNI0.2
=Q0.0
=HL1
LPP
AI0.4
LDNQ0.0
LDNQ0.2
=Q0.1
=HL2
LDI0.5
AI0.6
OI0.2
LDNI0.7
LPS
LDNQ0.3
LDNI0.8
=Q0.2
=HL3
LPP
AI1.1
LDNQ0.2
LDNQ0.8
=Q0.3
=HL4
LDI0.5
AI1.5
OI0.4
LDNI1.6
LPS
LDNQ0.5
LDNI0.9
=Q0.4
=HL5
LPP
LDNI1.3
LDNQ0.4
LDNQ0.9
=Q0.5
=HL6
LDI1.9
AI1.8
OQ0.6
LDNI1.7
LPS
=Q0.6
LRD
AI2.0
=HL7
LRD
AI2.1
=HL8
LRD
AI2.2
=HL9
LRD
AI2.3
=KA
LRD
AI2.4
=KA
LPP
=HL10
5、调试过程
5.1系统设计过程
装配检查及确认：
PLC、变频器、电机、水泵、压力传感器等元件。
确认所有的安全回路组件，如应急按钮、开关、都安装到位则动作有效，处于正常工作状态。
5.2电气装配检查
（1）检查系统的原理及设计是否正确
（2）系统主电路控制电路的连接
（3）程序的编辑
（4）梯形图的绘制
6、注意事项
要使系统稳定的运行，有几个参数需特别注意：
1）变频转工频开关切换时间TMC
设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内TMC必须尽可能的小。
2）上下限频率持续时间TH和TL
变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是TH（TL）。
如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。
结论
经过了本次毕业设计，我受益匪浅，我的专业知识与技能都得到了进一步的提高。
在这个系统的设计过程中我对PLC和电气控制技术有了较大的提高，原本专业基础不够扎实的我通过了这次设计，再次把知识应用到实践中去（实践是检验真理的唯一标准）从而提高了我的动手能力以及理论知识。
为我以后的学习生活以及即将走向的工作岗位都是一次很好的锻炼。
从本次设计的结果来看，这个系统的设计还是比较成功的。
由于一些条件的限制不能制作出实物这便是本设计最大的遗憾。
这个系统与人们的生活息息相关，希望以后通过努力能够设计出产品方便大家的生活。
本个课题的制作，让让我发现了我自己知识综合运用能力以及动手能力的不足，在以后的学习工作中还有待提高。
总之，本次毕业设计不但是对自己
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