变频供水系统设计文档格式.docx
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因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法是目前较为重要的一件事。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术与一体。
采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便的实现供水系统的集中管理与监控；
同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
1.2设计任务即要求
本系统是以一个供水系统作为被控对象，PLC与变频器协调控制电机的转速与启动和停止。
系统控制要求:
（1）工艺参数:
供水系统由3台水泵组成：
母管压力H≥0.8时，一台定速，一台变速，一台备用。
母管压力H≤0.64时，一台定速或变速，二台备用。
母管压力H≤0.52时，一台变速，二台备用。
（2）电动机参数：
型号：
JD-L-39-4
功率：
75KW
额定频率：
50Hz
额定电压：
380VAC；
额定转速：
1470r/min
额定电流：
126.6A
（3）水泵电机的起动/停止、正转、调速控制。
（4）变频器采用远方控制方式。
（5）通过母管压力变送器测得实际压力大小，同时和压力给定组成闭环控制。
（6）变频器的运行状态指示（如运行、停止、过流、低压等）。
（7）变频器的报警处理。
2.系统的基本构成及基本原理
2.1变频供水系统的机构框图
变频恒压供水系统主要由水泵、电动机、变频器、D/A模块、A/D模块、管道和压力变送器等构成。
通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵连成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。
因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。
其结构框图如图2-1所示：
图2-1变频恒压供水系统框图
恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。
由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。
2.2变频供水系统的工作原理
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2-2所示：
图2-2变频恒压供水系统控制流程图
从图中可看出，系统可分为：
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（l）执行机构：
执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；
工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。
（2）信号检测机构：
在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。
管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。
此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。
另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；
水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。
信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。
此信号来自安装于水池中的液位传感器；
报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。
（3）控制机构：
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。
供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵机组）进行控制；
变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水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。
根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；
变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择[9]，本设计中采用前者。
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。
由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。
变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。
设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。
所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上[10]。
3主电路设计及元件清单
3.1主电路设计结果
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、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。
图3-1变频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4~20mA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、运行和停止的操作不能直接断开主电路（如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主要参数及其器件选择
3.2.1主要参数
控制器参数整定的方法很多，归纳起来可分为两大类：
理论计算整定法与工程整定法，常用的工程整定法有：
动态特性参数法、稳定边界法、阻尼振荡法和现场经验整定法，本设计选用的是动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程（包括调节阀WV（s）、被控对象WO（s）和测量变送Wm（s））阶跃响应特性进行近似计算的方法。
本系统是一个单闭环系统，结构框图如图3-2所示。
图3-2恒压供水系统结构框图
由于本设计对压力控制的要求较高，故选择PI控制器，其传递函数为：
（3-1）
本系统可近似为带纯滞后的一阶惯性环节，假设其过程传递函数为
；
变频器可近似为一个比例环节，即
反馈回路传递函数为
。
由于本系统具有自衡能力，与公式（4.8）、（4.9）可求的PI控制器各参数。
当
时，
（3-2）
（3-3）
计算的：
，
PI控制器的传递函数为：
3.2.2器件选择
PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。
因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。
由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。
S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。
SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；
PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。
PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口（PPI）协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护[12]。
根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；
开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。
由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入（AIW），1个模拟输出（AQW）信号通道。
输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；
输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长（16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。
EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。
（1）变频器的选型
变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。
变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。
本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。
根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：
普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。
供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。
由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。
它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。
它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。
快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。
MicroMaster440变频器的输出功率为0.75~90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。
另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。
（2）水泵机组的选型
水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；
二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。
要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。
本设计的要求为：
电动机额定功率75KW，供水压力控制在0.3±
0.01Mpa。
根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定确定采用3台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。
SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；
采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低（室外噪音60分贝）、磨损小、寿命更长；
下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；
采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。
它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。
因此本设计中选择电机功率为75KW的上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵3台。
（3）压力变送器的选型
压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为1~5V或4~20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块（A/D模块）的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4~20mA输出压力变送器。
在运行过程中，当压力传感器和压力变送器出现故障时，系统有可能开启所有的水泵，而此时的用水量又达不到，这就使水管中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏家中的用水设备（热水器、抽水马桶等），本文中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出[13]。
根据以上的分析，本设计中选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。
压力表测量范围0~1Mpa，精度1.0；
数显仪输出一路4~20mA电流信号，送给与CPU226连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。
（4）液位变送器选型
考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。
本设计要求贮水池水位：
2m~5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准电信号（4~20mA电压信号），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入PLC。
综合以上因素：
本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为DS26分体式液位变送器，其量程为：
0m~200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；
零点和满量程外部可调；
供电电源：
24VDC；
输出信号：
两线制4~20mADC精度等级：
0.25级。
3.3元件清单
根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3-3所示：
图3-3系统的电气控制总框图
由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：
（1）PLC及其扩展模块、
（2）变频器、（3）水泵机组、（4）压力变送器、（5）液位变送器。
主要设备选型如表3-1所示：
表3-1本系统主要硬件设备清单
主要设备
型号及其生产厂家
可编程控制器（PLC）
SiemensCPU226
模拟量扩展模块
SiemensEM235
变频器
SiemensMM440
水泵机组
SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限公司）
压力变送器及显示仪表
普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪
液位变送器
分体式液位变送器DS26（淄博丹佛斯公司）
4保护电路设计
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
保护回路主要包括：
（1）逆变器保护
1）瞬时过电压保护。
由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。
交流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。
2）过载保护。
逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、线路等损坏要停止运转。
恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护（使用电子电路）。
过负载是由于负载的GD2（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生的。
3）再生过电压保护。
采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。
可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。
4）瞬时停电保护。
对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。
但瞬时停电时间在10ms以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。
5）接地过电流保护。
逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器，有时要有接地过电流保护功能。
但为了确保人身安全，需要转设漏电断路器。
6）冷却风机异常。
有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。
（2）异步电动机的保护
1）过载保护。
过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度传感器，或者利用转在逆变器内的电子热保护来检出过热。
动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。
2）超频（超速）保护。
逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。
（3）其他保护
1）防止失速过电流。
急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行（失速）。
所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。
对于恒速运转中的过电流，也进行同样的控制。
2）防止失速再生过电压。
减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过电压。
5驱动电路设计
5.1驱动电路设计结果
系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。
本系统采用西门子公司S7-200系列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；
系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。
如图3.3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SB1~SB6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Q0.0~Q0.5及Q1.1~Q1.5为PLC的输出继电器触点，他们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合下节中图5-1一起读图。
图5-1变频恒压供水系统控制电路图
注：
PLC各I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节I/O端口分配中将详细介绍。
本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：
（1）手动控制：
手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。
单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。
SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。
只有当SB2按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。
同理，可以通过按下SB3、SB5启动电机M2、M3，通过按下SB4、SB6来使电机M2、M3停机。
（2）自动控制：
在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。
单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。
Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。
当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。
同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。
当Q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL7点亮；
当Q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯HL8点亮；
当Q1.3输出1时，白天供水模式指示灯HL9点亮；
当Q1.4输出1时，报警电铃HA响起；
当Q1.5输出1时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位；
处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL10一直点亮。
5.2驱动电路主要参数计算及其器件选择
5.2.1主要参数计算
在供水系统的设计中，选用了含PID调节的PLC来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定。
在连续控制系统中，常采用Proportional（比例）、Integral（积分）、Derivative（微分）控制方式，称之为PID控制。
PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。
具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。
PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r（t）和实际输出值y（t）之间的偏差e（t）[15]：
（5-1）
经比例（P）、积分（I）和微分（D）运算后通过线性组合构成控制量u（t），对被控对象进行控制，故称PID控制器。
系统由模拟PID控制器和被
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