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（4）系统运行安全可靠，如果其中任意一台水泵故障停机，该系统能保证正常运行；

具有短路、过载、欠电压、掉电保护、缺相、硬件自锁、互锁、故障声光报警指示、远程报警等保护功能。

（5）实现系统的数据通信、采集、监控、管理、实时显示等功能。

（6）水泵流量、扬程和功率分别为6.3m3/h、8m和1.5kW。

（7）水箱容积为lm3，设有溢流口、排污口和防溢流控制功能。

（8）各水泵出口设有止回阀以防止回灌，并在进、出设有闸阀；

管路要求采用螺纹联接，以便系统重组及维修方便。

（9）系统能够避免用水高峰时，水压波动造成频繁起动、停车现象。

控制方案选择

本系统采用目前较为先进的交流变频调速恒压供水的控制方案。

变频恒压供水通常有两种运行方式，即补偿式和循环软启两种。

补偿式也称变频泵固定式，这种方式往往配置多台水泵，组成水泵机组。

在运行时，一般只有一台水泵由变频器拖动。

当水泵电动机的转速达到额定转速即达到工频50Hz时，此时的供水压力如果低于设定压力时，系统会在短时间内降低变频泵的工作频率，并以工频方式起动下一台水泵，使其投入运行进行供水。

系统在运行中会根据反馈的压力值来确定水泵机组的投入和切出，并调整变频泵，以达到实际压力值和设定值一致。

在短时间内降低变频泵的工作频率是为了防止系统超压。

此种方式电控系统比较简单，可节约一部分成本。

缺点是在水泵机组工频投入时对电网的冲击较大，—般水泵功率较小时，可采用此种工作方式。

循环软启动的主要特点在水泵的切换程序。

变频泵运行到工频50Hz时，如果此时的实际供水压力还没有达到设定的供水压力时，不是直接起动另外一台水泵，而是首先将当前以变频运行的水泵切换到工频方式运行，以变频方式起动另外—台水泵，从而达到维持系统压力的目的。

在切换水泵时，按照先起先停的方式进行，这样的好处是机组中的每一台水泵在工作中都可以被使用到，按照大循环的方式进行转换，可有效防止水泵机组长期闲置而锈死的现象发生。

通过以上的分析，所设计的变频恒压供水系统采用循环软启动的工作方式。

主机的选择及控制系统的组成。

主机的选择

变频恒压供水系统技术要求能够实现数据的通信、采集、监控、管理、实时显示等功能，因此本系统采用主-从控制结构，即上下两级计算机控制。

上位计算机采用PC机，通过串行口对下位机进行控制管理，利用组态软件，配合Windows软件平台，形成功能强大的控制管理系统，提供优质友好的图形界面。

由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。

在硬件设计上，只需要确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以灵活地改变存储器中的控制程序，现场调试方便。

因此，采用PLC作为下位机，实现水泵机组的变频控制以及温度、压力、流量、液位等过程量的监视和控制。

控制系统的组成

变频恒压供水系统结构原理图如图1所示。

系统由水箱、管路、阀门和水泵机组，电气操作系统和各种传感器、仪表等组成。

电气操作系统由PLC、变频器、小型断路器、交流接触器、热继电器、直流电源、小型电磁继电器以及各种指示灯和主令器件组成；

传感器和仪表包括温度传感变送器、压力变送器、电压变送器、电流变送器、功率变送器等。

图1变频恒压供水系统结构原理图

水泵机组变频恒压流程

根据控制要求，水泵机组由四台水泵组成，第一台水泵变频启动运行，当水压不足时，将第一台水泵切入工频运行，再投入第二台变频泵，依此类推，直到第四台水泵启动;

停泵时先停第—台工频泵，依此类推，最后停变频泵，即遵循先开先停的原则。

本系统水泵机组变频恒压控制流程如图2所示。

图2水泵机组变频恒压控制流程

控制对象模型分析及控制器设计

变频调速恒压供水是一个具有时变、非线性、滞后时间短、模型不稳定的控制对象。

系统以供水出口管网水压为被控量，实现出口管网的实际压力与设定的供水压力相一致。

设定的供水压力可以是一常数，也可以是一个时间分段常数，在每一个时间段是一常数。

水泵由初始状态向管网进行供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行至管网压力达到要求时，需经历两个过程:

（1）水泵将水送到管网，这个阶段管网压力基本保持在初始压力，是一个纯滞后过程。

（2）水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程。

系统中其他控制和检测环节，如变频环节、继电控制转换、压力检测等的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比，可以忽略不计，均可等效为比例环节。

因此，包含管网、水箱、水泵机组的被控对象可以近似成一个纯滞后的一阶惯性环节

式中，K为系统的总增益;

TP为系统的惯性时间常数;

τ为系统滞后时间。

通常情况下，被控对象的惯性时间常数TP为100s左右，滞后时间τ小于10s，τ＜TP，常规PID控制器完全可以满足控制要求，而且可编程序控制器的CPU模块内部嵌有计算机控制技术PID指令系统，用户不必自行开发PID控制程序，实现简单方便。

因此，恒压供水控制系统采用PID控制。

变频恒压供水系统的原理图如图3所示。

图3变频恒压供水系统的原理图

从图3可以看出，在系统运行过程中，将供水管网实际压力与设定压力比较，得到的压力差经过PID控制器计算与转换，得到变频器输出频率的变化值，据此调节水泵机组的运行方式和运行速度，最终使实际供水压力与设定压力相等。

硬件系统与软件系统设计

硬件系统设计

（1）主电路设计

图4是系统主电路原理图。

主要由四个水泵、小型断路器、交流接触器、热继电器以及各种指示灯和主令器件组成，另外还配有电压表、数字电流表和功率表等。

水泵机组由四台TLS40-200单级单吸立式离心泵组成，技术参数为:

流量2.5m3/h，扬程32m，电动机转速为2830r/min，功率0.75kW，效率25%。

这种水泵运行平稳，噪声小，维修方便。

图4变频恒压供水系统主电路原理

（2）控制系统设计

①I/O模块点数估算

PLC系统所要求的I/O点数与接入的输入/输出设备类型有关。

例如，1个按钮或信号灯各需1个输入，1个光电开关需1个或2个输入，1个双线圈电磁阀需3个输入及2个输出，波段开关有几个波段就需几个输入。

对于控制交流电动机所需的I/O点数，根据其运行方式不同，所需要的I/O点数也不相同，控制一个Y-Δ启动的交流电动机一般需4个输入点及3个输出点，控制一台可逆运行的笼型电动机需5个输入点及2个输出点等等。

实际选用时一般还需留有10%～15%的I/O余量。

根据控制要求，估算出本系统有20个开关量输入/输出点，另外有电压、电流、功率、压力、液位、温度、流量等10个模拟量输入/输出点。

②存储器容量的估算

PLC的程序存储器容量通常以字节为单位。

用户程序所需存储器容量可以预先估算。

一般情况下用户程序所需存储的字数可按照如下经验公式来计算:

（Ⅰ）开关量输入/输出系统开关量输入:

用户程序所需存储的字数=输入点总数×

10。

开关量输出:

用户程序所需存储的字数=输出点总数×

8。

（Ⅱ）模拟量输入/输出系统每一路模拟量信号大约需要120字的存储容量，当模拟输入和输出同时存在时，所需内存字数=模拟量路数×

250。

（Ⅲ）定时器/计数器系统所需内存字数=定时器/计数器数量×

2针对本系统:

开关量输入所需内存字数10×

10=100字节;

开关量输出所需内存字数12×

8=96字节;

模拟量输入/输出所需内存字数10×

250=2500字节;

定时器/计数器容量5×

2=10字节。

开关量和模拟量共需2706字节，另外考虑程序存储空间和备用存储空间，初步估计系统共需5K字节。

系统I/O模块点数和存储器容量的估算为以下PLC的主机型号选择和模块扩展提供了依据。

③主机型号选择和模块扩展

变频恒压供水系统采用西门子S7-200系列的PLC，主机为CPU224模块，I/O点数和存储器容量完全符合要求。

该模块是具有较强的控制能力的控制器，集成14输入/10输出共24个数字量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，13K字节程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，1个RS-485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力，I/O端子很容易整体拆卸。

本系统10个开关量输入点I0.0～I0.7、I1.3、I1.4分别接入4个水泵的故障信号、远程/近控选择信号、PID控制器使能信号、气压供水输入信号、循环/补偿工作方式选择信号等10路开关量输入信号，系统共有12个开关量输出点，分别为1#～4#水泵变频/工频的工作信号、故障报警信号、电磁阀1和电磁阀2驱动信号及变频器驱动信号等。

而主机CPU224只提供10个输出点，所以系统扩展了一个EM222模块，该模块提供8个开关量输出点，能够满足系统数字量I/O点数的要求。

系统具体配置示意图如图5所示

图5CPU224模块配置图

④变频器的选择

变频器控制电流与电网水压的关系。

管网中压力变送器输出的电流信号IP，范围为4～20mA（4mA和20mA分别为压力变送器测量下限、测量上限所对应的电流输出值），对应水压力P测量范围为0～Pmax，管网允许的最低水压力为P1（管网水压力最小设定值），对应压力变送器输出电流信号为I1;

管网允许的最高水压力为P2（管网水压力最大设定值），对应压力变送器输出电流信号I2。

如图6所示可得P为某一时刻的管网水压力，单位为MPa。

图6压力变送器输入输出关系曲线

图7扩展模块EM222和EM235配置

图7注释：

当处于变频状态下运行的水泵要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz运行，由于电网的限制以及变频器和电动机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。

变频器的输出频率不能是负值，最低只能是0Hz。

在实际应用中，变频器的输出频率不可能降低到0Hz，因为当水泵机组运行，水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电动机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止下位水箱中的水进入管网，因此，当电动机运行频率下降到某一个值时，水泵就已经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电动机频率的下降而下降。

这个频率在实际应用中就是电动机运行的下限频率，其值远大于0Hz，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz左右。

由于在变频运行状态下，水泵机组中电动机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。

变频器的控制电流与其输出频率的关系曲线为线性曲线，可由电动机频率和水压之间的关系得到变频器控制电流与水压之间的关系曲线，如图8所示。

图8变频器控制电流与水压关系曲线

工作原理

当水压P小于P1时，变频器得到最大控制电流信号20mA（即变频器按最高输出频率输出所需的电流信号）;

当水压P大于P2时，变频器得到最小控制电流信号4mA（即变频器按最低输出频率输出所需的电流信号）。

当P介于P1与P2之间时，对应变频器的控制电流信号为

If=4+16（P2-P）/（P2–P1）

将P=Pmax（IP-4）/16代入上式，得

If=4+［16P2-Pmax（IP-4）］/（P2-P1）

变频器的选择

变频器是对水泵机组进行转速控制的单元，跟踪PID控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。

本系统的变频器采用循环工作方式，当变频器拖动的调速泵运行在工频状态，其供水量仍达不到用水要求时，系统先将变频器从该水泵中切换出，并将此泵切换为工频状态，同时用变频器去拖动另一台水泵电机运行。

图9为系统变频器单元接线图。

变频器选用西门子MM440矢量型变频器，采用模块化结构，使用灵活方便，调试简单，完善的变频器和电动机保护功能。

具有6个可编程带隔离的数字输入，2个可标定的模拟输入（0～10V，0～20mA），2个可编程的模拟量输出（0～20mA）和3个完全可编程的继电器输出（30V直流/5A，阻性负载，250V交流/2A，感性负载）。

图9系统变频器单元接线图

⑤变送器及执行机构的选择

供水压力、流量、温度分别由：

压力变送器、流量变送器、温度变送器来检测和信号变送，它们均为两线制变送器。

另外系统还配有模拟管网水压扰动的两个电磁阀和一个流量调节阀。

计算机控制系统论文

变频恒压供水工艺设计

自动化124

伊占博

学号：

120123101030