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目录

第一章绪论1

1.1恒压供水问题的提出1

1.2本课题设计的内容2

1.2.1恒压供水系统的选型2

1.2.2硬件系统的设计2

1.2.3软件系统的设计2

1.3设计要求2

1.4本课题设计的目的和意义2

第二章恒压供水系统的原理4

2.1变频器调速4

2.1.1变频器的工作原理4

2.1.2变频器的功能设置5

2.2系统控制方案6

第三章硬件系统的设计8

3.1可编程控制器（PLC）的选型8

3.1.1PLC的概述8

3.1.2PLC的选型9

3.2变频器的选型9

3.3水泵的选型9

3.4传感器的选型10

3.5模数与数模转换11

3.5.1I/O分配表11

3.6外部接线图11

3.7PLC外部接线图11

3.8元器件明细表12

第四章软件系统的设计13

4.1流程图13

4.2PLC梯形图15

4.3系统工作过程分析25

4.4故障处理25

第五章结论26

参考文献27

第一章绪论

1.1恒压供水问题的提出

随着人们生活水平的提高与变频器技术的日益成熟和完善,城市和城乡也有过去的水塔供水朝着恒压供水（无塔供水）的方向发展,恒压供水的实现就是变频器技术和功能的应用。

目前除了通用变频器外,还有针对不同行业、不同领域生产的专用变频器,因此变频器在工业和不同生产领域中应用越来越广泛。

变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。

恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

而高校校园的供水和一般城市供水相比较则有些特殊。

主要是由于校园内学生住宿区一般都较为集中，造成了学生宿舍、食堂的用水十分集中，且用水量较大。

而其它建筑物如教室、实验室、教师住宿区等的用水量则相对较少。

同时，用水的时间性强，一般在早上六点到八点，中午十一点到下午两点，下午五点到七点，晚上九点到十点四个时间段用水量最大，而其它时间则用水量一般。

某高校的某区供水方式为：

把城市自来水管网的水源取到蓄水池后，用水泵抽到校园内高位水池，再由高位水池向校园管网供水。

这种方法的缺点是随着高校的扩招，学生人数显著增多，造成了经常性的供水不足，特别是学生宿舍和食堂最为明显，影响了学生和教师的正常生活秩序。

同时该供水方式还存在如下问题：

供水成本高。

由于校园内的用水全部单纯采用水泵供水，造成电能的极大浪费和机电设备的大量损耗。

供水可靠性低。

由于水泵采用人工操作方式，高位水池的水位只能靠人为估计，而且高位水池离水泵房较远，无法做到准时开机和停机。

会造成供水中断或出现高位水池水位过高而溢流，电能和水资源造成浪费。

另外，如果蓄水池水位过低，还会造成水泵空转，导致电能浪费和机电设备的加速损耗。

水资源浪费。

除水泵不能准时停机而造成的溢流浪费外。

学生因高峰期供水中断，故经常打开阀门未关，造成来水后的浪费。

很多学生在上课前或睡觉前打开阀门，用水桶或脸盆接水、贮水，造成来水后大量溢流，极大地浪费了水资源，增大了供水成本。

校园管网系统设计有缺陷。

对于一般建筑物，如教室、实验室、教师住宿区等，本来城市自来水的正常供水即可满足其用水量要求，但采用水泵供水后反而会出现楼房顶层供水不足的现象。

同时，用水量大的学生宿舍屋顶水池设计偏小，

调节能力较差。

1.2本课题设计的内容

1.2.1恒压供水系统的选型

恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。

配单台电机和水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费，电机选小了用水量大时供水不足。

而且水泵和电机都有维修的时候，备用泵是必要的。

恒压供水的主要目标是保持管压网水呀的恒定，水泵电机的转速套跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵供电。

这也有两种配置方式，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不需要切换，但是购买变频器的费用较高。

另一种方案是数台电机陪一台变频器，变频器与电机见可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵共频运行，以满足不同用水两的需求。

1.2.2硬件系统的设计

PLC变频恒压供水控制系统由四台水泵，一台智能型点控柜（包括西门子M420变频器，西门子S7-200PLC，交流接触器，继电器等），一套压力传感器，缺水保护器，断相相序保护装置和供电主电路组成。

1.2.3软件系统的设计

系统的软件设计包括PLC的程序设计和变频器的功能参数的设定。

PLC的程序设计包括手动设计和自动控制的程序设计，手动部分主要是通过按钮控制水泵在工频下启动和停止，主要考虑系统调试和检修时用。

当选择开关打到自动时系统能够自动的进入到自动的工作状态。

由变频器和PLC联合控制各台电机的运行和停止，以及时工频和变频运行。

供水系统有四台水泵机组组成。

根据水压的大小决定水泵运行的个数。

只有第一台投入使用的水泵处于变频调速，其后投入的水泵则处于工频下高速运行，泵组电机的切换由PLC实现。

1.3设计要求

本课题的设计是根据学校一幢楼的用水情况设计的，该楼一共有五层每层有二十个房间，每个房间有四个人住。

每人每天的平均用水量大概在0.1立方米，则每个宿舍所需要的压力0.5mpa（1S=1MPa）。

1.4本课题设计的目的和意义

众所周知,水是我们日常生活中不可缺少的能源之一,我们生活范围的高度集中使得水的供给需求增大,而日常生活中对水的需求也随着时间的变化而变化,为了保障对水的供给需求,也是时代的发展要求就必须有一些辅助装置来确保,在我们居住的环境有稳定的水源供应,根据需要的多少来自行调节水源的供给,从而,既充分利用了水源,又节约了相应的能源,本设计是针对高校实际供水需求情况，结合生活用水和消防用水的需要,拟定为高校恒压供水。

随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。

现将其中的改造情况介绍如下。

恒压供水系统对于高校是非常重要的，例如在高校供水过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响学生的生活。

又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大损失和人员伤亡。

所以，高校采用恒压供水系统，具有较大的经济意义。

日常的生活用水量随季节、昼夜、上下课时间不同而有着变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。

高校由于自来水管网的水压较低，自来水通常不能到达住宅的较高楼层。

传统的供水方式利用蓄水池蓄水，用水泵再次将水送至楼顶的高位水箱，再供应给用户。

蓄水池中的水一般是由市政自来水管网供给，这样，有压力的水进入水池后变成了零压力，造成大量的能源白白浪费，这种供水方式不可避免通过蓄水池和高位水箱造成二次污染，影响学生的身体健康。

但是为保证高校的供水正常，我们利用PLC，配以稳流罐、变频器和传感器等，根据网管的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。

这种变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置。

不对市政供水管网产生负压，适用于一切需要增高水压、恒定流量的给水系统。

结合使用可编程序控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命。

采用西门子PLC作为主控单元。

并充分利用变频器的变频作用，根据系统状态可快速调整供水系统的供给需要，达到恒压供水的目的。

改造提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果 。

第二章恒压供水系统的原理

2.1变频器调速

2.1.1变频器的工作原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们公司现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

　　从理论上可知电机的转速N与供电频率f有以下关系：

 （P-电机极数 s-转差率）（2-1）

由上式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的级数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器在工频以下和工频以上工作时的情况：

（1）变频器小于50Hz时，由于I*R很小，所以U/F=E/F不变时，磁通为常数，转矩和电流成正比，这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力，并成为恒转矩调速。

（2）变频器50Hz以上时，通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。

因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。

（T=Te，P<=Pe）变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。

当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。

举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。

因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速。

下面用公式来定性的分析一下频率在50Hz时的情况。

众所周知，对一个特定的电机来说，其额定电压和额定电流是不变的。

如变频器和电机额定值都是:

15kW/380V/30A，电机可以工作在50Hz以上。

当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30A。

这时如果增大输出频率到60Hz，变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A。

很显然输出功率不变。

所以我们称之为恒功率调速。

这时的转矩情况怎样呢？

由于功率是角速度与转矩的乘积。

因为功率不变，角速度增加了，所以转矩会相应减小。

[7]我们还可以再换一个角度来看：

从电机的定子电压

   （I-电流，R-电子电阻，E-感应电势）               （2-2）   

可以看出，U、I不变时，E也不变。

而

  （k-常数，f-频率，X-磁通）                          （2-3）

所以当f由50-->60Hz时，X会相应减小。

对于电机来说，

   （K-常数，I-电流，X-磁通）                        （2-4）

因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。

结论：

当变频器输出频率从50Hz以上增加时，电机的输出转矩会减小。

（3）变频器结构电路

主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。

2.1.2变频器的功能设置

虽然水泵对系统调速的精度要求不高，但是要使供水系统运行性能的稳定，就需正确对待设置变频器的各种性能。

变频器的频率功能的设置

（1）最高频率水泵属于平方率负载，当转速超过额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重的过载。

因此，变频器的工作频率是不允许超过额定频率的，其最高频率只能与额定频率相等，即Fmax=Fn=50Hz。

（2）上限频率一般来说，上限频率等于额定频率值为宜。

但是也可以预置得稍微低一些，原因有二：

一是变频器内部有转差补偿功能，同时在50Hz的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速。

从而增大了水泵和电机的负载，二是变频调速系统在50Hz下运行时，还不如直接在工频下运行，可以减少变频器本身的损失。

因此，将上限频率预置为49或49.5Hz时合适的。

（3）下线频率在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际的，形成水泵“空转”的现象。

所以，下限频率应定为25—30Hz。

（4）启动频率水泵在启动时，如果从0Hz开始启动，水泵基本没有压力输出，为减少调节时间和节约电能，应预置启动频率值为15—20Hz，即设置变频器PID输出值的下限为最大值的30%—40%。

（5）升速，降速时间控制、升速与降速时间:

通常,决定升速时间的原则是:

在启动过程中,其最大启动电流接近或略大于电动机的额定电流。

降速时间只需和升速时间相等即可。

（6）暂停（睡眠与苏醒）功能:

在生活供水系统中,夜间的用水量常常是很少的,这时,可使主水泵暂停运行。

当变频器的工作频率已经降至下限频率而压力仍偏高时,水泵应暂停工作（使变频器处于睡眠状态）以森兰RT12S系列变频器为例,当压力传感器的量程为1MPa,而所要求的供水压力为0.2MPa时,则目标值为20%,“睡眠值”可设定为21%~25%（相当于压力的上限）,而“苏醒值”（即中止暂停值,相当于压力的下限）可设定为15%—19%。

2.2系统控制方案

变频恒压供水系统原理如图所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。

通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。

其中PID调节器的给定压力应为其最大的压力，当有用水情况出现的时候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，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，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；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。

根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。

当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。

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（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。

此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，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#，4#（其中4#为备用泵）。

第三章硬件系统的设计

3.1可编程控制器（PLC）的选型

3.1.1PLC的概述

PLC可编程序控制器：

PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:

一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生程。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器（PLC）。

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

（1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。

小型PLC一般采用这种整体式结构。

整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。

基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。

扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。

基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。

整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如，模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得到扩展。

（2）模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。

模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。

模块装在框架或基板的插座上。

这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。

大、中型PLC一般采用模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。

叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。

这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

（3）按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为微型、小型、中型、大型和巨型五类。

超小型或微型PLC：

I/O点数小于的64点。

小型PLC：

I/O点数为64点以上、256点以下的为小型PLC。

中型PLC：

I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC。

大型PLC:

 I/O点数为2048以上、8192点以下的为大型PLC。

超大型PLC:

I/O点数超过8192点。

3.1.2PLC的选型

本课题中PLC的选择为西门子S7-200系列，其CPU型号为224CN型，本型号集成14个输入、10输出共24个数量I/O点，可连接7个扩展模块最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

16K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30KHz的高速计数器，2个独立的20KHz高速脉冲输出，具备PID控制器。

一个RS485编程或者通讯口，具有PPI通讯协议，MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

3.2变频器的选型

变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。

选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。

人们在实践中常将生产机械分为三种类型:

恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。

本课题中我选择的是西门子M420型号的变频器。

控制性能先性V/F控制，线性V/f控制；带磁通电流控制（FCC）的线性V/f控制，平方V/f控制；多点V/f控制

输入频率47Hz至63Hz,输出频率0Hz至650Hz

功率因数0.98

变频器效率96%至97%

过载能力在额定电流基础上过载50%，持续时间60s，间隔周期时间5分钟

合闸冲击电流小于额定输入电流

控制方法线性V/f控制；带磁通电流控制（FCC）的线性V/f控制，平方V/f控制；多点V/f控制

脉冲调制频率2kHz至16kHz（每级调整2kHz）

固定频率7个，可编程

跳转频率4个，可编程

设定值的分辩率0.01Hz数字输入；0.01Hz串行通讯输入；10位二进制的模拟输入（电动电位计0.1Hz[0.1%（PID方式）]）

数字输入3个可编程的输入（电气隔离的），可切换为高电平/低电平有效（PNP/NPN）

模拟输入1个（0至10V）用于频率设定值输入或PI反馈信号，可标定或用作第4个数字输入

继电器输出1个可编程，30VDC/5A（电阻性负载），250VAC/2A（电感性负载）

模拟输出1个，可编程（0MA至20MA）

串行接口RS-485，选件RS-232

电磁兼容性可选EMC滤波器，EN55011标准A或B级，也可选内部A级滤波器

制动直流注入制动，复合制动

3.3水泵的选型

泵是一种面大量广的通用型机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的地位。

大力降低泵有能源消耗，对节约能源具用十分重大的意义。

近年来，我们泵行业设计研制了许多高效节能产品，如IHF、CQB、FSB、UHB等型号的泵类产品，对降低泵的能源消耗起了积极作用。

但是目前在国民经济各个领域中，由于选型不合理，许多的泵处于不合理运行状况，运行效率低，浪费了大量能源。

还有的泵由于选型不合理，根本不能使用，或者使用维修成本增加，经济效益低。

由此可见，合理选泵对节约能源同样具有重要意义。

所谓合理选泵，就是要综合考虑泵机组和泵站的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。

具体来说，有以下几个方面：

必须满足使用流量和扬程的要求，即要求泵的运行工次点（装置特性曲线与泵的性能曲线的交点）经常保持在高效区间运行，这样既省动力又不易损坏机件。

所选择的水泵既要体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高的效率。

具有良好的抗汽蚀性能，这样既能减小泵房的开挖深度，又不使水泵发生汽蚀，运行平稳、寿命长。

本课题中我选择了350S44型水泵，泵的额定参数为流量1260m3/h，扬程44m，转速1450r/min，效率87%，叶轮直径406mm。

3.4传感器的选型

本课题中选择了PTJ200型传感器

PTJ200传感器广泛用于工业设备、石油水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。

其主要有以下参数:

量程:

0～1～150（MPA）

综合精度:

0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS

输出信号:

4～20mA（二线制）、0～5V、1～5V、0～10V（三线制）

供电电压:

24DCV（9～36DCV）

介质温度:

-20～85℃

环境温度:

常温（-20～85℃）

负载电阻:

电流输出型：

最大800Ω；电压输出型：

大于50KΩ

绝缘电阻:

大于2000MΩ（100VDC

密封等级:

IP65

长期稳定性能:

0.1%FS/年

振动影响:

在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS

电气接口（信号接口）:

四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母

机械连接（螺纹接口）:

1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等。

3.5模数与数模转换

当压力发生变化时压力通过改变电阻的形状来改变电阻的的阻值，则相应的电阻阻值也将发生相应的变化，当其他条件不不变时，电压状态变量会变化，从而压力的变化信号就变成了电路的电压表示的模拟量。

再通过外接的运放转化成相应的数值。

3.5.1I/O分配表

输入

输出

地址

说明

地址

说明

I0.0

启动

Q0.0

KM1（1号电机接变频器）

I0.1

变频器高频信号

Q0.1

KM2（1号电机接工频电源）

I0.2

变频器低频信号

Q0.2

KM3（2号电机接变频器）

I0.3

故障

Q0.3

KM4（2号电机接工频电源）

Q0.4

KM5（3号电机接变频器）

Q0.5

KM6（3号电机接工频电源）

Q0.6

KM7（4号电机接变频器）

Q0.7

Km8（4号电机接工频电源）

3.6外部接线图

3.7PLC外部接线图

3.8元器件明细表

元器件明细表

名称

数量

西门子s7-200plc

1个

M420变频器

1个

交流接触器

8个

PID

1个

压力传感器

1套

交流电机

4台

热继电器

4个

水泵

4个

短路保护器

6个

导线

若干

第四章软件系统的设计

4.1流程图

4.2PLC梯形图