成都理工大学工程技术学院毕业论文
自动恒压供水系统设计
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专业名称：电气工程及其自动化
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2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
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摘要
随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使给供水设计得到了发展的机遇。于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。本系统采用PLC 进行逻辑控制，采用带PID 功能的变频器进行压力调节，系统存在工作可靠，使用方便，压力稳定，无冲击等优越性。
恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入具有压力显示的PID 调节器运算处理后，输出模拟信号给变频器，利用变频器的两个可编程的继电器输出口RO1，RO2，将信号传给PLC ，从而PLC 判断是否加泵还是切泵。用变频器来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。系统的优点是启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免了启动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等使用寿命。 关键词： 变频器 恒压供水系统 PID PLC
Abstract
In company with the improvement of people’s living standard, the application of new technique and advanced equipment provide a new development for the design of water supply. It is a challenge for us to select a way of water supply with high standard, secure and healthy, economical, and reasonable. This system adopts PLC logic control, and transducer with PID function to adjust the pressure, which presents many advantages, such as high reliability, convenience in use, stability in pressure ，and without impact.
This paper introduces a constant pressure water supple system. It can regulate aut-omatically the quantity and rotational speed of the water pump with the variation of the load. The controlling principle and the hardware circuit are presented in detail. The basic control strategy of the control system of constant pressure of water supply is: install the control system with motor speed adjustment and programmable logic controller (PLC), it carries out optimization control pump organization of the operation of speed adjustment, and adjusts the number of running pumps, completes pressure of water supply closed-loop control system, reaches the steady pressure of water supply in the changing of rate of flow in the pipe net and the purpose of economizing electrical energy. The control goal of system is the effluent pressure of pump station. Comparing the pressure of system setting and the actual hydraulic pressure coming from feed backed water supply control system, the comparing result inputs the PID regulator which has pressure show, after handling the result, exports analogy signal to the inverter, then using the inverter of the two programmable relay exports RO1 and RO2 to give PLC signal, so PLC judges whether add pump or cut pump. Compared realizing the constant pressure water supply with inverter with realizing the constant pressure water supply with adjustable valve, the effect of energy
saving is very notable. The system’s advantage is that starting steadily, the starting current may be restricted within specified current, so avoided the impact of electrical network when it starts； because the average rotational speed of pump is reduced, may prolong the using of pump and valve etc. Key words：Inverter ，Constant pressure water supply system ，PID ，PLC
自动恒压供水系统设计
目录
摘要 ................................................................................................................ 1 Abstract ........................................................................................................ I II 目录 ............................................................................................................... V
前言 ................................................................................................................ 1
1. PLC 简介 . ................................................................................................ 2
1.1 PLC的产生 . ...................................................................................... 2
1.2 PLC的定义 . ...................................................................................... 2
1.3 PLC的特点 . ...................................................................................... 3
1.4 PLC的分类 . ...................................................................................... 3
2 变频器概述 .............................................................................................. 5
2.1 变频器的产生发展 .......................................................................... 5
2.2 变频控制方式 .................................................................................. 6
2.3 节能原理分析 .................................................................................. 7
3 恒压供水系统设计 .................................................................................. 9
3.1 控制系统产生的背景 ...................................................................... 9
3.2 系统主要性能与特点 .................................................................... 10 3.3 变频恒压供水控制系统总体设计方法 ........................................ 10
3.4 6SE6430变频器介绍 .................................................................... 10
3.5 CPU224型可编程控制器简介 ...................................................... 11
3.6 硬件电路设计 ................................................................................ 13
3.6.1 硬件电路简介 ...................................................................... 13
3.6.2 供水系统主回路 .................................................................. 13
3.6.3 供水系统控制电路 .............................................................. 13
3.6.4 PLC及变频器控制模块电路 . .............................................. 14
4 系统软件设计 . ....................................................................................... 17
4.1 PLC程序设计 . ................................................................................ 17
4.2 变频器主要功能配置 .................................................................... 18
总结 .............................................................................................................. 20
致谢 .............................................................................................................. 21
参考文献 ...................................................................................................... 21
附件 供水系统主电路图 . ........................................................................... 23
- V-
前言
在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉定压供热和恒压补水喷淋及消防等供水系统中，采用传统的供水方式（一般为水塔或高位水箱供水方式、气压罐供水方式和泵组分时供水方式）其主要缺点是占地面积大, 基建投资较多, 维护困难，已不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水需求。另一方面，由于供水量的随机性，采用传统方法难以保证供水的实时性，且水泵的选取往往是按最大供水量来确定，而高峰用水时间较短，这样水泵在很长一段时间内有较大余量，不仅水泵效率低，供水压力不稳，而且造成大量电力浪费。其已经远远不能满足生活、生产的需要，随着电力电子及计算机技术的发展, 变频调速恒压变量供水系统由于具有造价低、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点而在生活小区供水中得到了较为广泛的应用；PLC 以其性能稳定、成本低廉、功能强大及编程方便等特点, 结合变频调速控制技术设计出基于PLC 的多泵并联推移软启动变频调速恒压供水控制系统。该系统用最小的投入，实现了供水系统的多功能要求。从实际出发针对一般系统中存在的以上几个缺陷，设计一套变频调速恒压变量供水系统。对本次设计提出以下要求：
1、高效节能，体积小，性价比高。
2、性能稳定，通用性和灵活性较强，功能扩展范围较宽，且价格低，便于安装和维护。
3、控制简便，操作方便。
4、在发生意外（电机、变频器、PLC 等发生故障）故障时应具有声光报警功能。
5、既解决用水高峰期的矛盾，又要避免因供水压力偏高造成浪费，起到节水节能的效果。
1. PLC 简介
1.1 PLC的产生
在可编程序控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是传统的电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易改动，对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司（G .M ）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
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序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果，从此这项技术迅速发展起来了。
1.2 PLC的定义
可编程控制器（Programmable Contrller）简称PC ，为了不与个人计算机（也简称PC ）混淆，通常将可编程控制器称为PLC 。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC 已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC 、机器人、CAD/CAM）之一。
国际电工委员会（IEC ）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程序控制器定义如下：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。
1.3 PLC的特点
1. 可靠性高、抗干扰能力强
可靠性高，抗干扰能力强是PLC 最重要的特点之一。PLC 的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施：
1) 硬件方面 I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC 的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU 等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。
2) 软件方面 PLC 采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；在PLC 系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。
2. 编程简单、使用方便
目前，大多数PLC 采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产，面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时PLC 编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC 获得普及和推广的主要原因之一。
3. 功能完善、通用性强
现代PLC 不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID 控制、通信联网等许多功能。同时，由于PLC 产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。
4. 设计安装简单、维护方便
由于PLC 用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC 的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维护方面，由于PLC 的故障率低，维修工作量很小；而且PLC 具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC 的指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维护极为方便。
5. 体积小、重量轻、能耗低
由于PLC 采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。
1.4 PLC的分类
目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制
造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：
1. 开关量逻辑控制
取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2. 工业过程控制
在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC 采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
3. 运动控制
PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4. 数据处理
PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
5. 通信及联网
PLC通信含PLC 间的通信及PLC 与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC 都具有通信接口，通信非常方便。
多年来，可编程控制器（以下简称PLC ）从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC 在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。
2 变频器概述
2.1 变频器的产生发展
今天电器传动作为一个中央行业，广泛应用社会生产、生活的各个方面，值得到国家的重视。电气传动中如何合理地使用电动机，以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能——机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的，一直是人们关注的问题。电气传动最早分成不调速和调速的两大类，调速又分为交流调速和直流调速两种方式。随着电力电子技术的发展，不调速的电动机越来越多地改用调速；交流调速越来越多地替代直流调速；以节约电能，改善产品质量，提高产量为主要设计思想。交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体化的综合性技术，既要处理巨大电能转换（整流、逆变）问题，同时又要处理信息的收集、变换和传输问题。在巨大电能转换的功率部分要解决高电压、大电流的技术问题及新型电力电子器件的应用技术问题，而在信息的手机、变换和传输的控制部分，则主要解决控制的硬件、软件问题。
自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。
目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发`智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20 世纪 60 年代以后，
电力电子器件经历了 SCR(晶闸管) 、GTO(门极可关断晶闸管) 、BJT(双极型功率晶体管) 、MOSFET(金属氧化物场效应管) 、SIT(静电感应晶体管) 、SITH(静电感应晶闸管) 、MGT(MOS控制晶体管) 、MCT(MOS控制晶闸管) 、IGBT(绝缘栅双极型晶体管) 、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管) 的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF 变频器已投入市场并获得了广泛应用。变频器控制方式低压通用变频输出电压为380～650V ，输出功率为0.75～400kW ，工作频 率为0～400Hz ，它的主电路都采用交直交电路。
2.2 变频控制方式
1. U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2. 电压空间矢量(SVPWM)控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差; 通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响; 将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
3. 矢量控制(VC)方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia 、Ib 、Ic 、通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1、It1(Im1 相当于直流电动机的励磁电流;It1 相当于与转矩成正比的电枢电流) ，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电
动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
4. 直接转矩控制(DTC)方式
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算。它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
5 矩阵式交—交控制方式
VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为 l ，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：
(1)控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式。
(2)自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别。
(3)算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制。
(4)实现 Band
Band 控制按磁链和转矩的 Band-Band 控制产生 PWM 信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(
2.3 节能原理分析 根据流体力学的原理知道，水泵流量与转速及轴功率的关系用下述关系式表示：
Q 1/Q2=n1/n2 H 1/H2=[n1/n2]2 P 1/P2=[n1/n2]3
式中，Q 为流量，H 为扬程（水压），P 为轴功率，n 为转速。
当流量减少，水泵转速下降时，其电动机输出功率迅速下降。例如，当流量下降到70%，转速也下降到70%时，其轴功率则下降到额定功率的34.3%；当流量降低到50%，轴功率将下降到额定功率的12.5%。当然还要考虑由于转速降低
引起附加控制装置的效率下降等因素，即使这样，其节能潜力也很大。
图2.1 变频器调速节能效果图
如图2.1所示两条曲线间的阴影部分表示采用变频器调速的节能效果，从图中可以看出，越是速度变化范围大，其节能效果越明显。该变频恒压供水系统采用PLC 控制，实现恒压变频，节能供水。高效节能. 本系统根据自来水一次供水压力自动选择切换传统式加压供水、接力式加压供水和直通式供水，既节电又省泵，在自来水一次供水压力较高地区使用，较传统的变频恒压供水系统节电可达30%-50%以上，机械磨损极小。
3 恒压供水系统设计
3.1 控制系统产生的背景
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摘要
随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使给供水设计得到了发展的机遇。于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。本系统采用PLC 进行逻辑控制，采用带PID 功能的变频器进行压力调节，系统存在工作可靠，使用方便，压力稳定，无冲击等优越性。
恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入具有压力显示的PID 调节器运算处理后，输出模拟信号给变频器，利用变频器的两个可编程的继电器输出口RO1，RO2，将信号传给PLC ，从而PLC 判断是否加泵还是切泵。用变频器来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。系统的优点是启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免了启动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等使用寿命。 关键词： 变频器 恒压供水系统 PID PLC
Abstract
In company with the improvement of people’s living standard, the application of new technique and advanced equipment provide a new development for the design of water supply. It is a challenge for us to select a way of water supply with high standard, secure and healthy, economical, and reasonable. This system adopts PLC logic control, and transducer with PID function to adjust the pressure, which presents many advantages, such as high reliability, convenience in use, stability in pressure ，and without impact.
This paper introduces a constant pressure water supple system. It can regulate aut-omatically the quantity and rotational speed of the water pump with the variation of the load. The controlling principle and the hardware circuit are presented in detail. The basic control strategy of the control system of constant pressure of water supply is: install the control system with motor speed adjustment and programmable logic controller (PLC), it carries out optimization control pump organization of the operation of speed adjustment, and adjusts the number of running pumps, completes pressure of water supply closed-loop control system, reaches the steady pressure of water supply in the changing of rate of flow in the pipe net and the purpose of economizing electrical energy. The control goal of system is the effluent pressure of pump station. Comparing the pressure of system setting and the actual hydraulic pressure coming from feed backed water supply control system, the comparing result inputs the PID regulator which has pressure show, after handling the result, exports analogy signal to the inverter, then using the inverter of the two programmable relay exports RO1 and RO2 to give PLC signal, so PLC judges whether add pump or cut pump. Compared realizing the constant pressure water supply with inverter with realizing the constant pressure water supply with adjustable valve, the effect of energy
saving is very notable. The system’s advantage is that starting steadily, the starting current may be restricted within specified current, so avoided the impact of electrical network when it starts； because the average rotational speed of pump is reduced, may prolong the using of pump and valve etc. Key words：Inverter ，Constant pressure water supply system ，PID ，PLC
自动恒压供水系统设计
目录
摘要 ................................................................................................................ 1 Abstract ........................................................................................................ I II 目录 ............................................................................................................... V
前言 ................................................................................................................ 1
1. PLC 简介 . ................................................................................................ 2
1.1 PLC的产生 . ...................................................................................... 2
1.2 PLC的定义 . ...................................................................................... 2
1.3 PLC的特点 . ...................................................................................... 3
1.4 PLC的分类 . ...................................................................................... 3
2 变频器概述 .............................................................................................. 5
2.1 变频器的产生发展 .......................................................................... 5
2.2 变频控制方式 .................................................................................. 6
2.3 节能原理分析 .................................................................................. 7
3 恒压供水系统设计 .................................................................................. 9
3.1 控制系统产生的背景 ...................................................................... 9
3.2 系统主要性能与特点 .................................................................... 10 3.3 变频恒压供水控制系统总体设计方法 ........................................ 10
3.4 6SE6430变频器介绍 .................................................................... 10
3.5 CPU224型可编程控制器简介 ...................................................... 11
3.6 硬件电路设计 ................................................................................ 13
3.6.1 硬件电路简介 ...................................................................... 13
3.6.2 供水系统主回路 .................................................................. 13
3.6.3 供水系统控制电路 .............................................................. 13
3.6.4 PLC及变频器控制模块电路 . .............................................. 14
4 系统软件设计 . ....................................................................................... 17
4.1 PLC程序设计 . ................................................................................ 17
4.2 变频器主要功能配置 .................................................................... 18
总结 .............................................................................................................. 20
致谢 .............................................................................................................. 21
参考文献 ...................................................................................................... 21
附件 供水系统主电路图 . ........................................................................... 23
- V-
前言
在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉定压供热和恒压补水喷淋及消防等供水系统中，采用传统的供水方式（一般为水塔或高位水箱供水方式、气压罐供水方式和泵组分时供水方式）其主要缺点是占地面积大, 基建投资较多, 维护困难，已不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水需求。另一方面，由于供水量的随机性，采用传统方法难以保证供水的实时性，且水泵的选取往往是按最大供水量来确定，而高峰用水时间较短，这样水泵在很长一段时间内有较大余量，不仅水泵效率低，供水压力不稳，而且造成大量电力浪费。其已经远远不能满足生活、生产的需要，随着电力电子及计算机技术的发展, 变频调速恒压变量供水系统由于具有造价低、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点而在生活小区供水中得到了较为广泛的应用；PLC 以其性能稳定、成本低廉、功能强大及编程方便等特点, 结合变频调速控制技术设计出基于PLC 的多泵并联推移软启动变频调速恒压供水控制系统。该系统用最小的投入，实现了供水系统的多功能要求。从实际出发针对一般系统中存在的以上几个缺陷，设计一套变频调速恒压变量供水系统。对本次设计提出以下要求：
1、高效节能，体积小，性价比高。
2、性能稳定，通用性和灵活性较强，功能扩展范围较宽，且价格低，便于安装和维护。
3、控制简便，操作方便。
4、在发生意外（电机、变频器、PLC 等发生故障）故障时应具有声光报警功能。
5、既解决用水高峰期的矛盾，又要避免因供水压力偏高造成浪费，起到节水节能的效果。
1. PLC 简介
1.1 PLC的产生
在可编程序控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是传统的电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易改动，对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司（G .M ）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
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序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果，从此这项技术迅速发展起来了。
1.2 PLC的定义
可编程控制器（Programmable Contrller）简称PC ，为了不与个人计算机（也简称PC ）混淆，通常将可编程控制器称为PLC 。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC 已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC 、机器人、CAD/CAM）之一。
国际电工委员会（IEC ）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程序控制器定义如下：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。
1.3 PLC的特点
1. 可靠性高、抗干扰能力强
可靠性高，抗干扰能力强是PLC 最重要的特点之一。PLC 的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施：
1) 硬件方面 I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC 的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU 等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。
2) 软件方面 PLC 采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；在PLC 系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。
2. 编程简单、使用方便
目前，大多数PLC 采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产，面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时PLC 编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC 获得普及和推广的主要原因之一。
3. 功能完善、通用性强
现代PLC 不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID 控制、通信联网等许多功能。同时，由于PLC 产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。
4. 设计安装简单、维护方便
由于PLC 用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC 的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维护方面，由于PLC 的故障率低，维修工作量很小；而且PLC 具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC 的指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维护极为方便。
5. 体积小、重量轻、能耗低
由于PLC 采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。
1.4 PLC的分类
目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制
造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：
1. 开关量逻辑控制
取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2. 工业过程控制
在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC 采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
3. 运动控制
PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4. 数据处理
PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
5. 通信及联网
PLC通信含PLC 间的通信及PLC 与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC 都具有通信接口，通信非常方便。
多年来，可编程控制器（以下简称PLC ）从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC 在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。
2 变频器概述
2.1 变频器的产生发展
今天电器传动作为一个中央行业，广泛应用社会生产、生活的各个方面，值得到国家的重视。电气传动中如何合理地使用电动机，以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能——机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的，一直是人们关注的问题。电气传动最早分成不调速和调速的两大类，调速又分为交流调速和直流调速两种方式。随着电力电子技术的发展，不调速的电动机越来越多地改用调速；交流调速越来越多地替代直流调速；以节约电能，改善产品质量，提高产量为主要设计思想。交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体化的综合性技术，既要处理巨大电能转换（整流、逆变）问题，同时又要处理信息的收集、变换和传输问题。在巨大电能转换的功率部分要解决高电压、大电流的技术问题及新型电力电子器件的应用技术问题，而在信息的手机、变换和传输的控制部分，则主要解决控制的硬件、软件问题。
自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。
目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发`智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20 世纪 60 年代以后，
电力电子器件经历了 SCR(晶闸管) 、GTO(门极可关断晶闸管) 、BJT(双极型功率晶体管) 、MOSFET(金属氧化物场效应管) 、SIT(静电感应晶体管) 、SITH(静电感应晶闸管) 、MGT(MOS控制晶体管) 、MCT(MOS控制晶闸管) 、IGBT(绝缘栅双极型晶体管) 、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管) 的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF 变频器已投入市场并获得了广泛应用。变频器控制方式低压通用变频输出电压为380～650V ，输出功率为0.75～400kW ，工作频 率为0～400Hz ，它的主电路都采用交直交电路。
2.2 变频控制方式
1. U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2. 电压空间矢量(SVPWM)控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差; 通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响; 将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
3. 矢量控制(VC)方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia 、Ib 、Ic 、通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1、It1(Im1 相当于直流电动机的励磁电流;It1 相当于与转矩成正比的电枢电流) ，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电
动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
4. 直接转矩控制(DTC)方式
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算。它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
5 矩阵式交—交控制方式
VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为 l ，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：
(1)控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式。
(2)自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别。
(3)算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制。
(4)实现 Band
Band 控制按磁链和转矩的 Band-Band 控制产生 PWM 信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(
2.3 节能原理分析 根据流体力学的原理知道，水泵流量与转速及轴功率的关系用下述关系式表示：
Q 1/Q2=n1/n2 H 1/H2=[n1/n2]2 P 1/P2=[n1/n2]3
式中，Q 为流量，H 为扬程（水压），P 为轴功率，n 为转速。
当流量减少，水泵转速下降时，其电动机输出功率迅速下降。例如，当流量下降到70%，转速也下降到70%时，其轴功率则下降到额定功率的34.3%；当流量降低到50%，轴功率将下降到额定功率的12.5%。当然还要考虑由于转速降低
引起附加控制装置的效率下降等因素，即使这样，其节能潜力也很大。
图2.1 变频器调速节能效果图
如图2.1所示两条曲线间的阴影部分表示采用变频器调速的节能效果，从图中可以看出，越是速度变化范围大，其节能效果越明显。该变频恒压供水系统采用PLC 控制，实现恒压变频，节能供水。高效节能. 本系统根据自来水一次供水压力自动选择切换传统式加压供水、接力式加压供水和直通式供水，既节电又省泵，在自来水一次供水压力较高地区使用，较传统的变频恒压供水系统节电可达30%-50%以上，机械磨损极小。
3 恒压供水系统设计
3.1 控制系统产生的背景