小区高楼变频恒压供水
控制系统设计
摘要
随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。
本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理；具体分析了变频恒水压供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，得出结论:变频调速是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。因此本文以采用变频器和PLC组合构成系统的方式，以某居民小区水泵电动机控制系统为对象，逐步阐明如何实现水压恒定供水。
进行了控制系统的主电路设计，控制电路设计。对输入输出点进行了统计，共有13个输入输出点，根据PLC的选型原则，设备选用了在生产中应用最为广泛的西门子公司生产的S7-200系列(CPU222)的PLC和MM430泵类专用的变频器，利用变频器的本身自有的软启动功能实现水泵电机的启动。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器的内置PID控制方式完成，根据控制系统软硬件设计和控制要求，结合变频器的功能参数表预置了相关的参数。在介绍了PLC的编程方法的基础上，选用了适合初学者的逻辑代数编程，写出了恒压变频供水的逻辑代数，并设计了梯形图，利用PLCSIM仿真软件进行了仿真，仿真的结果表明了设计程序的正确性。利用了WinCC组态软件设计了高楼变频恒压供水控制系统的界面，界面可动态反映水泵变频供水的工作状态。最后对恒压供水进行了经济效益分析，分析的结果表明具有明显的节能效益。
关键词：恒压供水，变频调速，PLC，设计，仿真
目录
第一章绪论 1
1.1引言 1
1.2本课题产生的背景和意义 2
1.3变频恒压供水的现况 2
1.3.1国内外变频供水系统现状 2
1.3.2变频供水系统应用范围 3
1.4本人的主要工作 3
第二章变频恒压供水的理论分析 4
2.1水泵的工作原理 4
2.2供水电机的搭配 4
2.3水泵的调节方式 5
2.4恒压供水系统的能耗分析 6
2.5供水系统的安全性问题 7
2.5.1水锤效应 7
2.5.3水锤效应的消除 8
2.5.4延长水泵寿命的其他因素 8
第三章变频恒压供水控制系统硬件的设计 9
3.1变频恒压供水控制系统的构成方案 9
3.2变频恒压供水系统的控制方案 10
3.3供水设备的选择原则 11
3.4参数的计算与供水设备选型 12
3.4.1水泵的参数计算与型号的选择 12
3.4.2变频器的选择 12
3.4.3压力传感器的选择 14
3.4.4水位传感器的选择 14
3.4.5其他低压电器的选择 14
3.5PLC的选型 15
3.5.1I/O点的统计 15
3.5.2PLC选型的基本原则 15
3.5.3I/O的分配 16
3.6系统硬件线路设计 16
3.7PID参数的预置 17
第四章变频恒压供水控制系统软件的设计 19
4.1常用编程方法 19
4.1.1经验设计法 19
4.1.2翻译设计法 19
4.1.3逻辑代数设计法 20
4.2编程软件的简单介绍 22
4.3恒压供水系统梯形图的设计 23
4.4程序的仿真与调试 26
4.4.1仿真软件的简介 26
4.4.2恒压供水系统程序的仿真调试 27
4.5恒压变频供水系统的WinCC界面设计 29
4.5.1WinCC软件简介 29
4.5.2恒压供水系统的WinCC界面设计 30
4.6经济效益分析 33
第五章总结与期望 35
5.1总结 35
5.2展望 35
参考文献 36
致谢 37
附录语句表 38
第一章绪论
1.1引言
水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。
随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，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，会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。
变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行.变频恒水压供水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。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，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以设计基于变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水，如图1.2)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。
图1.1传统供水机示意图图1.2变频供水机示意图
1.2本课题产生的背景和意义
我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
1.3变频恒压供水的现况
1.3.1国内外变频供水系统现状
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。
目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。
1.3.2变频供水系统应用范围
变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:
(1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。
(2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器、电机功率在135kV～320kW之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。
(3)大型供水厂的变频恒压供水系统
这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kW)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。
目前，国内除了高压变频供水系统，多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善[1][2][3][4]。
1.4设计的主要工作
本课题主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水，通过设计解并熟悉了PLC的工作原理，编程原理以及编程方法。进行了控制系统的主电路设计、控制电路设计，系统的控制设备选用S7-200系列的PLC（CPU222），变频器选用西门子泵类专用的变频器MM430。进行了控制程序（梯形图）的设计。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器完成。最后，对变频恒压供水系统进行调试，对该系统在供水中所取得的节约电耗、恒定压力、保护管网等进行了总结，指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性。
第二章变频恒压供水的理论分析
2.1水泵的工作原理
供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2.1所示，叶轮安装在泵2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。
在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出[5]。
图2.1离心泵结构示意图
2.2供水电机的搭配
供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点:
(1)如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。
(2)如果电动机功率选得过大，就会出现“小马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。
因此，要正确选择电动机的功率，对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(生产机械轴上的功率)（kW），可按式(2.1)计算所需电动机的功率[6](kW)：
(2.1)
式中，为生产机械的效率，为电动机的效率，即传动效率。
按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。
2.3水泵的调节方式
水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。
水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下[6]：
2.4恒压供水系统的能耗分析
在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。
(1)阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。
阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。
如图2.3所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%(即QX=60%QN)。当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至E点，这时，流量减小为QE(=Qx)；扬程增加为HE；供水功率PC与面积ODEJ成正比。
图2.3调节流量的方法与比较
(2)恒压控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，也称为转速控制法。
转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的饿转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。
以用户所需流量等于60%Qn为例，当通过降低转速使得Qx=60%Qn时，扬程特性仍为曲线②，故工作点移向C点。这时流量减小为QE（=Qx），扬程减小为Hc，供水功率PC与面积0DCK成正比。
比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量(Qx<100%QN)的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制方式小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差△P便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果最基本的方面。
对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但是扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量QG表示）和用水要求（由流水量QU表示）之间的平衡情况有关。
如：供水能力QG>用水需求QU，则压力上升（P↑）；
如：供水能力QG<用水需求QU，则压力上升（P↓）；
如：供水能力QG=用水需求QU，则压力上升（P不变）。
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处的压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的[7][8]。
2.5供水系统的安全性问题[9]
2.5.1水锤效应
异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有在0.25S。这意味着在0.25S的时间里，水的流量从零增到额定流量。由于水具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。
水锤效应具有极大的破坏性，压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。
2.5.2水锤效应的产生原因
产生水锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大.在启动过程中，异步电动机和水泵的机械特性如图2.4a所示，图中曲线1是异步电动机的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩TJ(即两者之差)。
（a）全压启动（b）变频启动
图2.4水泵的全压启动与变频启动
在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩
由图2.4a可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影部分所示，是很大的。所以，加速过程很快。
2.5.3水锤效应的消除
采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为减小，如图2.4b命所示。图中，曲线簇1是异步电动机在不同频率下的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩(即不同频率时电动机机械特性与水泵机械特性之差)。
在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小，从而彻底消除了水锤效应。
2.5.4延长水泵寿命的其他因素
水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。此外，由于水泵平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使:
(1)叶片承受的应力大为减小。
(2)轴承的磨损也大为减小。
所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。
第三章变频恒压供水控制系统硬件的设计
3.1变频恒压供水控制系统的构成方案
从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，本次设计才用通用变频器+PCL(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器的构成方案。系统的构成框图如图3.1所示。
图3.1系统构成框图
这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换；通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和变频器的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关[10]。
3.2变频恒压供水系统的控制方案
变频恒压供水系统的控制方案有多种，有1台变频器控制一台水泵的简单控制方案，也有一台变频器控制几台水泵的方案，下面重点介绍一台变频器控制几台水泵的特点。
利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比较先进的一种方案。下面以单台变频器控制2台水泵的方案来说明。该控制方案的控制原理如图3.2所示。
图3.2控制原理框图
控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制2台水泵按1—2—3—4—1的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有1号泵在变频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态1。当用水量增加，变频器输出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动2号泵电机，控制系统处于状态2。
当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将1号泵电机停运，2号泵电机仍由变频器电源供电，这时控制系统处于状态3。
当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则2号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动1号泵电机，控制系统处于状态4。
当控制系统处于状态4时，用水量减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统供水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器启动1号泵电机，控制系统处于状态4。
当控制系统处于状态4时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，可将2号泵电机停运，1号泵电机仍由变频器供电，这时，控制系统又回到了状态1。如此循环往复的工作，以满足系统用水的需要[11]。
3.3供水设备的选择原则
在做供水系统时，应先选择水泵和电机，选择依据是供水规模（供水流量）。而供水规模和住宅类型以及用户数有关。有关选择依据原则使用表格如下。
不同住宅类型的用水标准。
不同住宅类型的用水标准，根据《城市居民生活用水标准》GB/T50331-2002，节录如表3.1。
表3.1不同住宅类型的用水标准
住宅类型 给水卫生器具完善程度 用水标准（/人日） 小时变化系数 1 仅有给水龙头 0.04～0.08 2.5～2.0 2 有给水卫生器具，但无淋浴设备 0.085～0.13 2.5～2.0 3 有给水卫生器具，并有淋浴设备 0.13～0.19 2.5～1.8 4 有给水卫生器具，但无淋浴设备和集中热水供应 0.17～0.25 2.0～1.6 2.供水规模换算表。
不同住宅类型的用水标准，根据《城市居民生活用水标准》GB/T50331-2002，节录如表3.2。上面一行为用水标准(/人日)，中间数据为用水规模(/h)。
表3.2供水规模换算表
户数 用水标准（/人日） 0.10 0.15 0.20 0.25 450 39.40 59.00 78.70 98.40 500 43.80 65.60 87.50 109.40 600 52.50 78.80 105.00 131.30 700 61.30 91.90 122.50 153.10 800 70.00 105.00 140.00 175.00 1000 87.50 131.30 175.00 218.80 3.根据供水量和高度确定水泵型号和台数,并对电动机进行选型,见表3.3。
表3.3水泵，电机和变频器选型表
50xN 40 80LG50-20x2 11 11 60 80LG50-20x3 15 15 80 80LG50-20x4 18.5 18.5 100 80LG50-20x5 22 22 120 80LG50-20x6 30 30
100xN 40 100DL2 18.5 18.5 60 100DL3 30 30 80 100DL4 37 37 100 100DL5 45 45 120 100DL6 55 55 注：N为水泵台数
4.设定供水压力经验数据：平方供水压力P=0.12MPa；楼房供水压力[12]
P=（0.08+0.04×楼层数）MPa(3.1)
（5）系统设计还应遵循以下的原则：
①蓄水池容量应大于每小时最大供水量；
②水泵扬程应大于实际供水高度；
③水泵流量总和应大于实际最大供水量。
3.4参数的计算与供水设备选型
3.4.1水泵的参数计算与型号的选择
(1)根据表3.1确定用水量标准为0.19/人日。
(2)根据表3.2确定每小最大用水量为175.00/h。
(3)根据10层楼高度35m，按照式(3.1)计算得
P=（0.08+0.04×楼层数）MPa=0.48MPa
可确定设置供水压力值为0.48MPa。
根据表3.3确定水泵型号为100DL3，工3台(其中一台做备用)，水泵自带电动机功率为30kW。
3.4.2变频器的选择
本系统中，采用MciorMaster430系列变频器，型号为HVAC(风机和水泵节能型)EC01—4500/3，额定电压为380V—500V，额定功率35kW。MicroMaster430系列变频器是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家，功率范围7.5kW至250Kw。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联(BiCo)技术，具有高度可靠性和灵活性，牢固的EMC(电磁兼容性)设计；控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等[14]。
1.MM430变频器介绍
MciorMaster430变频器的端子接口分布如图3.3所示。
图3.3MM430端子接口分布图
2.端子功能介绍
各端子的功能如表3.4所示。
表3.4端子功能表
引脚序号 引脚名称 功能 引脚序号 引脚名称 功能 1 +10V 电源电压 12 AOUT1+ 模拟输出1 2 0 13 AOUT1- 3 AIN1+ 模拟输入1 14 PTCA 4 AIN1- 15 PTCB 5 DINN1 数字输入 16 DIN5 数字输入 6 DINN2 17 DIN6 7 DINN3 26 AOUT2+ 模拟输出2 8 DINN4 27 AOUT2- 9 +24V 电源电压 28 PE RS-485 10 AIN2+ 模拟输入2 29 P+ 11 AIN2- 30 P- 18 RL1-A 输出继电器的触头 22 RL2-C 输出继电器的触头 19 RL1-B 23 RL3-A 20 RL1-C 24 RL3-B 21 RL2-B 25 RL3-C 3.4.3压力传感器的选择
CYYB-120系列压力变送器为两线制4～20mA电流信号输出产品。它采用CYYB-105系列压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有4～20mA标准信号输出。一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、A/D转换器及计算机数据采集系统连接方便。CYYB-120系列压力变送器新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。可广泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域[13]。主要特点：
（1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；
（2）抗冲击、耐震动、体积小、防水；
（3）标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；
（4）最具有竞争力的价格。
3.4.4水位传感器的选择
SL980-投入式液位变送器，广泛用于储水池、污水池、水井、水箱的水位测量，油池、油罐的油位测量，江河湖海的深度测量。接受与液体深度成正比的液压信号，并将其转换为开关量输出，送给计算机、记录仪、调节仪或变频调节系统以实现液位的全自动控制。主要特点是：安装简单，精度高，可靠性高，性能稳定，能实现自身保护等[14]。
3.4.5其他低压电器的选择
1.断路器的选择
（1），选择。断路器具有隔离,过电流及欠电压等保护功能,当变频器的输入侧发生短路或电源电压过低等故障时,可迅速进行保护。考虑变频器允许的过载能力为150%，时间为1min。所以为了避免误动作，断路器的额定电流应选
（A）(3.2)
式中为变频器的额定输出电流
所以，选90A。
（2）断路器选择。在电动机要求实现工频和变频切换驱动的电路中，断路器应按电动机在工频下起动电流来考虑，断路器的额定电流应选
(A)
式中为电动机的额定电流，=60A。
所以选160A。
2.接触器的选择
接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个档次来选择，由于电动机的额定电流为60A，所以接触器的触点电流选70A即可。
3.5PLC的选型
3.5.1I/O点的统计
恒压变频供水控制系统的输入输出点的统计如表3.5所示。
表3.5I/O统计表
输入器件 输出器件 编号 符号 名称 编号 符号 名称 1 SB1 启动 1 KM1 1#泵变频 2 SB2 停止 2 KM2 2#泵变频 3 S1 液位传感器 3 KM3 1#泵工频 4 S2 变频器达到上限 4 KM4 2#泵工频 5 S3 变频器达到下限 5 KM5 备用泵工频 6 S4 1#水泵故障 6 L1 报警指示灯 7 S5 2#水泵故障 8 SS6 变频器故障 3.5.2PLC选型的基本原则
这是PLC应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几个方面[15]。
（1）规模要适当；
（2）功能要相当，结构要合理；
（3）输入，输出功能及负载能力的选择要正确；
（4）要考虑环境条件。
根据以上原则，这次设计选择西门子S7-200系列的CPU222AC/DC。
3.5.3I/O的分配
根据功能要求和工艺流程，我们统一了I/O接点的分配，分配表如表3.6所示。根据PLC口的分配，系统的控制要求以及合理利用I/O口的原则[16]。
表3.6I/O分配表
输入器件 输出器件 I0.0 启动（SB0） Q0.0 驱动KM1（1#泵变频） I0.1 停止（SB1） Q0.1 驱动KM2（2#泵变频） I0.2 液位传感器 Q0.2 驱动KM3（1#泵工频） I0.3 变频器达到上限 Q0.3 驱动KM4（2#泵工频） I0.4 变频器达到下限 Q0.4 驱动KM5（备用泵工频） I0.5 1#水泵故障 Q0.5 报警指示灯 I0.6 2#水泵故障 I0.7 变频器故障 3.6系统硬件线路设计
供水系统主电路设计如图3.4所示，采用了一台变频器同时连接两台电动机，所以必须确保开关KM1和KM2电气连锁，连锁功能由软件和硬件实现。在变频水泵出现问题或紧急情况下，可以起用备用水泵。
图3.4主电路图
系统的控制线路如图3.5所示。
图3.5控制线路图
3.7PID参数的预置
由于SIEMENSMM430变频器自带了PID模块，我们不需要进行PID调节器的设计，只需进行简单的参数设置就可以了。首先将设置模拟输入的DIP开关1拨到ON位置，选择为4～20mA输入，将DIP开关2拨到OFF位置选择电动机的频率，OFF位置为50Hz。其它参数的设置如表3.7所示[17]。
表3.7MM430参数预置表
参数 名称 参数 名称 P0003=2 用户访问级别为专家级 P2255=100 PID的增益系数 P0004=22 参数滤过，选择PID应用宏 P2256=100 PID微调信号的增益系数 P0700=2 选择命令源，选择为端子控制 P2257=10S PID设定值的斜坡加速时间 P1000=2 频率设定选择为模拟设定值 P2258=10S PID设定值的斜坡减速时间 P1080=5Hz 最小频率 R2260=100% 显示PID的总设定值 P1082=50Hz 最大频率 R2261=3S PID设定值的滤波时间常数 P2200=1 闭环控制选择，PID功能有效 R2262=100% 显示滤波后的PID设定值 P2231=1 允许存储P2240的设定值 P2265=3S PID反馈立场拨时间常数 P2240=75% 键盘给定的PID设定值 P2267=100 PID反馈信号的上限值 P2253=2250:0 选择P2240的值作为PID给定 P2268=0 PID反馈信号的下限值 P2250=100% 显示P2240的设定值输出 P2269=100% PID反馈信号的的增益 P2254=0.0 缺省值，对微调信号没有选择 P2291=100 PID输出的上限 P2292=0.00 PID输出的下限 P2280=3.00 PID的比例增益系数 P2285=7.00S PID的微分时间 P2294=100% 实际的PID控制器输出 第四章变频恒压供水控制系统软件的设计
4.1常用编程方法
4.1.1经验设计法
在熟悉继电器控制电路设计方法的基础上，如能透彻地理解PLC各种指令的功能，凭着经验比较准确地使用PLC的各种指令，而设计出相应的程序。设计步骤如下：
（1）确定输入、输出电器；
（2）确定输入、输出点数；
（3）选择PLC并编程；
（4）将各个环节编写的程序合理地联系起来。
这种编程方法没有普遍的规律可循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大关系，它一般只用于简单的梯形图设计(如手动程序)。
4.1.2翻译设计法
它是把继电器—接触器控制系统的电器原理图直接翻译成PLC梯形图。
1.翻译设计法的设计步骤如下：
(1)将检测元件、控制元件(如行程开关、按钮等)合理安排,接入PLC的输入口；
(2)将被控对象(如电磁阀线圈、接触器线圈等)接入PLC的输出口；
(3)把由继电器—接触器完成的控制功能由PLC的软件(即梯形图)来完成。
2.应用举例
例如:电动机正反转控制电路,原理线路如图4.1所示。
改用PLC控制后,其I/O接线和梯形图分别如图4.2,图4.3所示。
图4.1电气原理图
图4.2I/O接线图
图4.3电机正反转梯形图
4.1.3逻辑代数设计法
在继电器—接触器控制线路中用逻辑代数设计法比较容易获得设计方案。设计出来的控制线路既符合工艺要求，又达到工作可靠、经济合理，因而得以广泛的应用。
1.逻辑代数设计法的设计步骤如下
（1）根据控制要求，列出输入输出及辅助继电器等之间关系的状态表；
（2）根据状态表列写出逻辑函数表达式，并化简；
（3）根据化简后的逻辑表达式画出梯形图。
2.应用举例
例如：某系统中4台通风机，要求在以下几种运行状态下应发出不同的显示信号:三台及三台以上开机时,绿灯常亮;两台开机时，绿灯以5Hz的频率闪烁；一台开机时,红灯以5Hz的频率闪烁；全部停机时，红灯常亮。为讨论方便,设4台通风机分别为A、B、C、D,现以绿灯常亮的设计原理为例，其余类推。绿灯闪烁的程序设计:设灯常亮为“1”,灭为“0”,风机开为“1”,停为“0”,绿灯常亮有5种情况，则其状态表如表4.1所示。
表4.1绿灯闪烁状态表
A B C D F 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 由状态表可得F的逻辑函数表达式为:
化简为:
选择西门子公司S7-200系列的PLC。其I/O分配如表4.2所示。
表4.2I/O分配表
I O A B C D F I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 Q0.0 则其梯形图如图4.4所示:
图4.4绿灯常亮梯形图
其它常用的编程方法还有顺序控制设计法，功能模块设计法等，在此不再一一详细介绍[18]。
本设计采用的是逻辑代数设计法。
4.2编程软件的简单介绍
STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。现在加上全中文化程序后，可在中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方便。
STEP7-Micro/WIN32的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单的语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式，参数和运行监控等。程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。
软件的功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。
S7-200PLC使用STEP7-Micro/WIN32编程软
件进行编程。单击图4.5所示的编程软件图标可
进入如图4.6所示的操作界面，在此界面可完成
主程序，子程序，中断程序的编制与修改，完成图4.5STEP7编程软件图标
程序编制后单击保存，再单击下载，程序即可供PLC使用。
图4.6STEP7-Micro/WIN32操作界面
4.3恒压供水系统梯形图的设计
在控制系统中，变频器通过对电机出厂压力点处设置的压力变送器反馈信号，进行单闭环控制。PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号的输入以及水池水位信号，判断当前的系统状态是否正常，然后执行程序，由输出信号去控制接触器、继电器和变频器等器件，以完成相应的控制任务，PLC主要控制任务就是根据实际情况实现工频和变频的切换。
根据系统的控制要求，经过化简后的各变量的逻辑表达式如下：
(4.1)
(4.2)
(4.3)
(4.4)
(4.5)
(4.6)
(4.7)
(4.8)
(4.9)
(4.10)
(4.11)
(4.12)
(4.13)
根据逻辑表达式（4.1）~（4.13），设计的梯形图如图4.7所示。
图4.7主程序
4.4程序的仿真与调试
4.4.1仿真软件的简介
由于实验室的条件有限，本次设计采用S7-PLCSIM进行仿真。S7-PLCSIM是STEP7中的一个非常实用的软件。我们可以把它作为一台仿真的PLC，用于运行和测试用户程序。因为这中仿真完全是用STEP7软件进行，因此无需连接任何S7硬件，就可以在PG/PC上仿真一个完整的S7-CPU，包括地址和I/O。
S7-PLCSIM提供了一个简洁的操作界面，可以监视或者修改程序中的参数，比如直接对数字量进行操作。下面我进行仿真的地一步，打开软件，如图4.8所示。
图4.8S7-PLCSIM软件的界面
4.4.2恒压供水系统程序的仿真调试
在编程窗口中把程序下载到仿真PLC中，如图4.9所示。
图4.9程序装载界面
点击开始按钮，1#泵开始变频运行，如图4.10所示。
图4.101#泵变频运行
变频器达到上限，1#泵工频运行，2#泵变频运行，如图4-11所示。
图4.111#泵工频运行，2#泵变频运行
当水泵出现故障，启动备用泵，图4-12为1#泵出现故障的界面。
图4-121#泵出现故障
4.5恒压变频供水系统的WinCC界面设计
4.5.1WinCC软件简介
工控组态软件WinCC是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理（SCADA）系统。WinCC是WindowsControlCenter(视窗控制中心)的简称。它集成了SCADA、组态、脚本语言和OPC等先进技术，提供了适用于工业的图形显示、消息归档、以及报表等功能模块。
首先创建通讯驱动程序：建立S7-200与WinCC之间的通讯。其次建立变量标签：每个标签需要对每个变量的标签名，数据类型，地址进行设置。最后建立过程画面。使用WinCC中的图形编辑器可以绘制各种元素和图形。该控制系统画面主要有主画面、参数设置、供电回路、实时曲线、报表统计、历史记录查询、故障报警等画面组成，在上位机上可以显示各个电机的电流、频率、水位、水压、工频和变频运行的时间以及各泵的运行状态等参数。建立好WinCC和PLC的通讯联系后，PLC上的事件顺序将是可视和可操作的。组态软件画面主要由以上七块组成。在实际运行中为了防止有人误操作而对系统产生伤害，我们对不同的操作者的权限作出规定，对不同的操作人员设定不同的操作密码和相应的操作权限，这样可以防止有人误操作而对系统产生伤害[19]。
4.5.2恒压供水系统的WinCC界面设计
监控主画面的简单绘制过程如下：
从“开始”菜单里启动WinCC的资源管理器窗口，如图4.13所示。
图4.13WinCC资源管理器窗口
在资源管理器窗口里点击新建按钮，出现如图4.14所示的窗口，输入项目的名称，并选择好保存的路径，单击“创建”按钮，一个新的工程就建立了。
图4.14创建新项目窗口
新项目建立好后，就要进行变量的添加，以便在以后的过程中随时调用这些变量。添加变量的方法是在图4.13所示的窗口中双击变量管理器，出现如图4.15所示的窗口。在窗口的右半部分右击，再新建变量，并选择好变量的类型，最后保存即可。
图4-15新建变量窗口
添加好变量后，就要进行主画面的绘制了。在图4-13所示的窗口中双击图形编辑器，出现4.16所示的窗口，在该窗口中，可以对主画面的名称进行更改，在本设计中，把它重命名为“zhuhuamian”名称。
图4.16新建主画面窗口
在图4.16所示窗口中双击“zhuhuamian”，在弹出的窗口中即可进行主画面绘制。完整的主画面如图4.17所示。
图4.17监控主画面
1#泵变频的界面如图4.18所示。
图4.181#泵变频画面
1#工频、2#变频的界面如图4.19所示。
图4.191#泵工频，2#泵变频画面
1#泵故障、2#变频的界面如图4.20所示。
图4.201#泵故障，2#泵变频画面
4.6经济效益分析
从流体力学原理知道，水泵供水流量与电动机转速及功率的关系为
式中为供水流量，为扬程，为电动机轴功率，为电动机转速。
本设计系统共有2台30KW的水泵电动机，假设没天运行16h，其中4h为额定转速，其余12h为80%额定转速运行，一年365天节约电能为
kW·h=64124kW·h
若每1kW·h电价为0.60元，一年可节约电费为
0.60×64124元=38474.4元
通过市场调查，本套恒压供水系统的成本约为5万元左右，两年即可收回投资，运行多年经济效益将十分可观。
第五章总结与期望
5.1总结
本课题主要研究的是某小区的恒压供水。为此设计了一套具有高性能的变频器控制系统来代替原有的手动启动、阀门控制系统。此系统重点是根据系统运行的需求，自动调节输出频率控制电动机的转速，从而保持系统工况压力的稳定。
根据供水的要求，此装置属于一拖二闭环调速系统，且变频器带动的电机可实现无级调速。减少系统波动现象和对电源电网的冲击。此装置在变频器出现故障时，可自动关闭电动阀门，系统退出变频式运行，以避免中断供水。
在工频方式运行下，系统带有降压启动装置，在工频启动时，由于启动电流过大，而避免对电网冲击的影响，并可延长电机的使用寿命。装置启动时，电动机与电动阀门同时开启，停止时先关闭电动阀门，电动机延时停止，防止水锤现象，延长水泵使用寿命。
5.2展望
现有系统实现了供水系统的工况控制、调节和设备状态监控功能，将来还可以通过对更多现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、水压、水位、水流量等，通过开发上位机的数据管理系统，实现具有综合功能的供水自动化控制与管理系统，提高后勤管理能力.这部份工作有待在以后的学习与工作中来进一步开展下去。
随着各方面技术的发展以及网络技术被广泛的应用，与此同时能量却日益紧缺，在这种情况下，变频恒压供水系统的使用肯定会越来越普及，当然对恒压供水控制技术将提出更高的要求。如对系统采用基于GPRS的无线方式进行数据的传输、通过网络对系统进行远程诊断和维护等。另外本文的设计、控制方法完全可以用于恒风压控制，进而实现风机的变频节能，因为风机和水泵的能耗大约占整个电能能耗的三分之一左右。所以变频恒压供水技术在逐渐走向成熟的过程中，仍然有必要对其进行更深入的研究。
参考文献
[1]金传伟，毛宗源．变频调速技术在水泵控制系统中的应用．电子技术应用，2000，No.9:38-39
[2]马桂梅，谭光仪.陈次昌泵变频调速时的节能方案讨论.四川工业学院学报.2003，No.9:5-7
[3]崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨.兰州铁道学院学报.2000，No.1:84-88
[4]吴民强.泵与风机节能技术水利电力出版社，1994:2-6
[5]张燕宾.变频调速应用实践机械工业出版社，2002:244-251
[6]付娟.交流调速技米电子工业出版社，2002:1-7
[7]叶汝裕.水泵风机的节电及技术改造重庆大学出版社，1998:1-4
[8]徐士鸣.泵与风机原理与应用.大连理工大学出版社，1992:12-24
[9]陈伯时.电力拖动自动控制系统机械工业出版社，1992:10-19
[10]周玉国.变频调速节能分梳东北电力技术，2004，No.8:4-4
[11]吴浩烈.电机及电力拖动基硷重庆大学出版社，1996:173-174
[12]黄俊，王兆安.电力电子变流技术.机械工业出版，1933:197-206
[13]胡跃冰.水泵电机变频调速的节能与计算节能技术，2003，No.5:48
[14]中国工空信息网www.chinakong.com
[15]西门子（中国）自动化网
[16]张春光.全自动变频调速供水泵运行工况与节能分析.节能技术，2003，No.5:4l-44
[17]任国.泵变频调速节能的理论分析与应甩计算技术与自动么，1994，No.4:37-39
[18]陆秀令.几种常用的可编程控制器梯形图的设计方法.机床电器,2004,No.5:43-48
[19]陈怀忠.西门子PLC和WinCCSCADA在变频恒压供水系统中的应用.自动化仪表，2005，No.5:34-39
附录语句表
Network1//1#泵变频
LDI0.0
OM0.0
ANI0.2
ANI0.5
ANI0.1
=M0.0
Network2//变频器达到上限,2#泵变频
LDI0.3
OM0.1
ANI0.2
ANI0.6
ANI0.1
=M0.1
Network3//变频器达到上限,2#泵变频
LDI0.3
OM0.2
ANI0.2
ANI0.6
ANI0.1
=M0.2
Network4//变频器达到上限,2#泵变频
LDM0.2
TONT33,+200
Network5//变频器达到上限,2#泵变频
LDI0.3
LDM1.1
CTUC0,+2
Network6//时间到,1#泵工频
LDT33
OM0.3
ANI0.2
ANI0.5
ANI0.1
=M0.3
Network7//变频器达到下限,1#泵停止
LDI0.4
OM0.4
ANI0.1
=M0.4
Network8//变频器达到下限,1#泵停止
LDI0.4
LDM1.2
CTUC1,+2
Network9//变频器再次达到上限,1#泵变频
LDC0
OM0.5
ANI0.2
ANI0.5
ANI0.1
=M0.5
Network10//变频器再次达到上限,2#泵停止
LDC0
OM0.6
ANI0.2
ANI0.5
ANI0.1
=M0.6
Network11//变频器再次达到上限,启动定时
LDM0.5
ANI0.2
ANI0.5
TONT34,+200
Network12//变频器再次达到上限,1#泵变频
LDM0.5
=M1.1
Network13//时间到，2#泵工频
LDT34
OM0.7
ANI0.2
ANI0.6
ANI0.1
=M0.7
Network14//变频器再次达到下限,2#泵停止
LDC1
OM1.3
ANI0.1
=M1.3
Network15//变频器再次达到下限,2#泵停止
LDM1.2
=M1.2
Network16//1#泵变频
LDM0.0
ANM0.2
OM0.5
ANI0.7
=Q0.0
Network17//变频器达到上限,2#泵变频
LDM0.1
ANM0.6
ANI0.7
=Q0.1
Network18//时间到,1#泵工频
LDM0.3
ANM0.4
ANI0.7
=Q0.2
Network19//时间到，2#泵工频
LDM0.7
ANM1.3
ANI0.7
=Q0.3
Network20//1#泵，2#泵故障，启动备用泵,并报警
LDI0.5
OI0.6
=Q0.4
=Q0.5
6
|
|
