基于PLC和变频技术的恒压供水系统设计-.doc

本 科 毕 业 设 计基于PLC控制的变频恒压供水系统摘 要本文首先调研了国内部分城市的供水系统现状，在此基础上提出了基于PLC控制的变频恒压供水系统。恒压自动供水系统主要组成包括：可编程控制器、控制盒、变频器以及传感器。在恒压供水速度控制系统中，三个水泵使用变频器设置功率频率f，从而实现发动机转速控制N，从而改变水泵的功率曲线。具有恒定水压的变频技术自动控制系统的控制单元主要从三个阶段发展，从继电器到接触器再到单片机，再到目前使用的PLC。同时，还通过速度控制来控制变频器，该速度控制的多个端用于模拟输入控制，然后到达专用变频器。由于调节器和变频器的不断改进，低消耗量的城市供水变得简单高效，对于供水系统的控制过程也实现了自动化。使用编程软件创建PID控制器以控制供水系统中的压力，并将PID控制器集成到PLC中。控制器可以通过处理实际测得的压力值以及与设定值的偏差来实时控制变频器的输出频率和电压。目的是改变水泵电机的速度和水泵出口处的流量，以便自动调节整个供水压力，保持压力接近设定值。关键词：PID ；PLC；恒压供水；变频器AbstractThis article combines the basic situation of the water supply system in some cities in our country, and proposes a variable frequency and constant pressure water supply system based on PLC control. The main components of the constant pressure automatic water supply system include: programmable controller, control box, frequency converter and sensor. In the constant pressure water supply speed control system, the three water pumps use the frequency converter to set the power frequency f, so as to realize the engine speed control N, thereby changing the power curve of the water pump. The control unit of the variable frequency technology automatic control system with constant water pressure is mainly developed from three stages, from relay to contactor to single-chip microcomputer, and then to the currently used PLC. At the same time, the frequency converter is also controlled by speed control. Multiple ends of the speed control are used for analog input control, and then reach the dedicated frequency converter. Due to the continuous improvement of regulators and frequency converters, low-consumption urban water supply has become simple and efficient, and the control process of the water supply system has also been automated.Use programming software to create a PID controller to control the pressure in the water supply system and integrate the PID controller into the PLC. The controller can control the output frequency and voltage of the inverter in real time by processing the actual measured pressure value and the deviation from the set value. The purpose is to change the speed of the pump motor and the flow rate at the outlet of the pump so as to automatically adjust the entire water supply pressure and keep the pressure close to the set value.Key words：PID；PLC；Constant Pressure Water Supply；Inverter目录1 绪论11.1 研究背景11.2 变频技术恒压供水系统的国内外研究现状11.3 变频恒压供水系统特点及其安全性讨论21.4 本课题的主要研究内容32 供水系统的控制方案42.1变频恒压供水系统节能原理42.2变频恒压控制的调节过程42.3变频恒压供水系统的控制方案52.4供水系统中水泵切换条件分析63 变频恒压供水系统的硬件设计73.1 系统的主要配置73.1.1水泵机组的选型73.1.2变频器的选型及接线83.1.3 PID调节器103.1.4 PLC的选型113.1.5 压力传感变送器133.2 系统主电路分析及设计143.3 系统控制电路分析144 变频恒压供水系统的软件设计154.1系统水泵运行状态分析154.2 PLC程序设计方法154.3 PLC软件设计164.4 PID控制运行214.4.1 PID参数预置214.4.2 PID运行参数设定22结论24致 谢25参考文献26附录2751 绪论1.1研究背景水是人类生活、生产所需要的基本物质。对于我国而言，淡水储量的主要特点是：总储量不太高，人均人口与去年同期相比相对较低。中国是世界第六大水源，人均用水量为2240立方米，约占世界人均用水量的四分之一，所以我国也被联合国列为十三个缺水国家之一。其次，我国的地区资源分配不均，水土资源矛盾突出。我国长江以南的面积约占我国总面积的36.5，水资源总量约占我国总面积的81我们的国家。淮河和淮河以北地区约占我国总面积的63.5。在国水资源总量中占比仅为19。随着现行节水节能措施的推广，我国水力资源不足，对于市政供水的数量，质量和稳定性不断提高。包括生产用水，服务用水和消防供水水等子系统。长期以来，我国大多数城市在循环供水，城市供水和摩天大楼供水中的自动化和逆向技术水平都相对较低。但是，如今由于城市化进程的加快，经济进入高速发展阶段，人们对生活用水和生产用水的需求持续增长，人们对城市供水系统的要求越来越高。根据有关数据统计，我国部分城市在1970年代出现了严重的居民缺水，而且每年都在急剧增加。特别是改革开放后，一些城市的缺水问题越来越严重。全国633个城市中，约有400个城市的供水不足。缺水变得越来越严重，政府和居民对城市供水的需求也增加了。具有高水塔的水箱和带有芯片的变频供水是传统的供水方法，但是由于系统的自动化程度低直接导致了供水系统的可靠性低下，工作流程效率低下。这些问题对居民的生活用水和工商农业的发展的负面影响越来越大。因此，必须升级甚至重新设计现有的供水系统，以提高水资源的节能能力和自动化程度。因此，恒压供水系统的设计和开发，要坐高高节能性能，高可靠性和良好的监管性，这样才能使市场对经济和社会产生了明显的影响，并具有广泛的应用范围。本设计使用结合了可编程控制和变频速率控制技术的供水控制系统，在该系统中使用供水设计具有良好的节能效果，并且可以提高系统的可靠性和稳定性。在当今的能源短缺的状况下，这一点尤为重要，对于降低管网供水中的水压很有用。不论在打开和关闭时，都有利于降低对供水系统的系统的影响以及电力对电网的影响。因此，该系统的设计对改善人们的日常生活，降低能耗具有十分重要的现实意义。城市的重要基础设施是家庭供水的基础设施，所以城市供水系统的经济性、稳定性和可靠性对城市居民的生活和工作有很大影响，并反映了城市基础设施和城市管理水平，所以供水系统的设计意义重大。1.2变频技术恒压供水系统的国内外研究现状随着变频调速技术愈发成熟，恒压恒频的供水系统逐步发展。最初，重点是在性能保护和控制上的进口驱动器，例如：制动控制，前进和后退控制，提升和下降速度控制，正转和反转的速度控制，压力变化和频率比变化的控制，频率控制等。根据目前文献资料的查阅可以发现，国外在恒定外压供水系统的构造中，通常在构造期间使用变频器来驱动单个泵单元。原则上，多个泵单元由一个变频器驱动，因此会产生高投资成本。得益于供水系统的使用以及变频技术和自动化技术的飞速发展，供水系统不仅更可靠，更稳定，而且更节能，更环保。近年来，一些外国生产商发展缓慢。 Slow已推出了许多最新产品，包括ABB ACS400和ACS600系列，TD2100，中国华为SANKEN SAMCO-I系列以及Altivar58 Schneider泵开关卡。变频器使用控制技术来创建具有不同宏的新型变频器。通过变频器中PID的计算，省去了可编程控制器的存储容量，不仅有效地提高了生产率和生产效率，而且还降低了生产成本。具有非常稳定的排水能力。为了确保水压反馈信号的值准确无误，可以调节信号常数滤波时间常数，使系统调试简单快捷。这些变频器比常规变频器贵一些，但是它们具有更多的功能，安装和调试时间已大大减少。当然，首要任务是满足流程要求。现在，中国有许多公司正在开展这一领域的项目。集成供水管理系统是一种特殊的供水变频器，与通用变频器和PLC控制器集成在一起，集成的PID控制器只需要一个压力传感器，所以对于这样的设计就让整的控制系统进行供水变得更加简便高效。变频器的PID输入端口是通过传感器反馈的水压信号输入的，驱动器面板可以直接显示压力反馈值。变频器的键盘可以设置压力，也可以通过带有模拟值的电位计来发送压力。变频器还可以设置日常供水所需的压力值。每天可以设置许多压力水平，以适应供水所需的压力。固定频率循环泵和循环泵是向变频器供水的两种最基本的方法。其中，固定频率的泵最多可有效控制7个泵。可以选择“先打开，先关闭”和“先打开，后关闭”。可以根据使用不同泵的情况，进行选择这两个泵的都关闭顺序。供水系统采用变频供水技术，也是一项土地节约节能型技术。如果选择不当，将导致能源的浪费，这在实际使用中需要很多方面。正在采取广泛的措施以确保供水系统的可靠性和运行的稳定性。因此，在评估设计方案时，有必要充分考虑设备投资、水的性质及规模以及用户的使用量，以确保可靠的供水，同时也要充分考虑用水量。变频节能功能的优势。目前，无论是进口的恒定频率和变频水压控制系统还是具有恒定压力速度控制的自助供水控制系统，在本实施例中都可以适应各种水的应用，基本技术是网络技术，通信技术和现代控制技术的结合。它可能与系统中的电磁兼容性（EMC）变频兼容，并且在恒压供水系统中对闭环水压控制技术的研究很少。因此，为了使变频恒压供水系统更好地用于工业生产和人们的生活，有必要改善其性能并进行深入研究。1.3变频恒压供水系统特点及其安全性讨论一些用于城市社区，办公楼，高档酒店，饭店等的生活用水它们可用于具有可变频率和恒定压力的供水系统，同样可以用于工业企业以及其他生产用水和消防用水。本文设计的供水系统可以用于居民的生活用水，所以本系统的基本功能特点如下： 1）节能性：在任何速度下，变频调速器的能量损耗极低，电动机轴的功率几乎与变频器的输入功率相同。可以看出，当使用变频巡航控制技术来供水时，控制系统的损失大约为零。泵负载的实际能耗大致与三档速度成正比，可以节省20到60的电力。另外，电动机的启动由变频器控制。该技术可以有效地防止或减少启动电流对电动机的负面影响，对于电动机的使用寿命也能得到一定程度的延长。2）可靠性：由于在启动和停止时使用了软启动和软停止方法，因此可以有效消除水锤的影响并更合理地工作，并且电机轴上的平均扭矩磨损更少，从而降低了维护和维修成本可以减少泵的使用寿命，大大提高了使用寿命。该系统具有防止过载，过热，过电压和缺乏等效性的保护功能。此外，FR2n使用微电子技术，并已采取措施来提高PLC在软件和硬件方面的可靠性。PLC控制技术大大减少了系统故障。3）自动化程度高：具有过热保护，手动/自动切换，低水位保护和过载保护。压力设置，恒定压力和其他功能使系统能够完全自动运行和控制。另外，人机界面的设置可以根据用户的要求进行配置，并且可以进行远程检测和维护和更改。4）时变性：在变频供水系统中，由于用户在不同时期的用水量不同，用户管网中的压力值不断变化。压力值不断变化，这会影响供水系统的实际检测值和系统设置。定值差的反馈具有明显的作用，这意味着系统的不确定性不断变化。因此，可以假定变频调速对象和恒压供水系统具有时变性。5）可扩展性：该系统具有用于水泵的集成电气控制面板，该面板配有通讯接口以及本地控制和远程控制功能。它可以连接到控制信号或控制软件进行实时显示和监控。影响供水系统安全的主要因素是水锤效应。过度的流量故障或阀门关闭会在很短的时间内导致流量变化过多，管路压力过高或过低以及出现气穴现象。由于压力波动，管壁会产生噪音。此过程与用锤子敲打管道相同，这就是所谓的水锤效应。当电动水泵以全电压启动时，它可以在不到1s的时间内从静态加速到额定速度。由于液体具有动量和一定程度的可压缩性，因此水锤的负面影响相对较大。例如，管道可能因压力过高而破裂，或者管道因压力过低而倒塌，这也可能损坏阀门。和固体成分。切断电源并停止机器时，供水系统的水位会克服电动机的惯性，导致系统突然停止，这还会引起压力冲击和水冲击的影响。1.4本课题的主要研究内容本文重点研究和设计用于城市住宅小区恒压供水的变频器和控制系统，包括软件和硬件。该系统结合了传感器，逆变器，PLC和执行器，以充分利用每个组件的优势。这种易于使用的自动控制系统将变频作为基本的速度控制，并借助智能供水系统取代了以前的高压水箱和水箱。以PLC和变频器为主要控制装置的变频调速恒压供水系统，是根据用户对供水系统的要求而定的。它不仅提供稳定安全的操作性能，简单方便的操作，而且还提供便捷的维护和灵活的编程功能。该系统可以由计算机进行远程控制和管理，以确保整个系统的可靠，安全和节能运行。这最终可以保证了高效，高质量的运行，降低了自来水生产的成本，并使用户的日常生活更加轻松。2 供水系统的控制方案2.1变频恒压供水系统节能原理变频恒压供水系统的主要组件包括电动机，阀门，泵，管道和其他组件。速度控制方法的原理是通过控制水泵电机的速度来调节系统中的水量，但是在调节过程中水通道阀保持不变。本质是通过改变通过泵的供水量来调节用户的流量需求。因此，泵速的改变直接影响供水能力，并且管道的电阻特性不会随着泵速的改变而改变。气门控制方法的原理是通过控制气门开度来调节水量，但是电动机转速不会因此而改变。实际上，该原理的实质是泵本身的供水能力没有改变，但是通过改变水泵中的阻力而改变流量。此时，当阀开度改变时，水网的阻力改变，但是供水能力没有改变。在现实生活中，人们实际的用水需求始终在变化。如果阀门开度在短时间内保持不变，则管路压力过高或压力过低。速度控制涉及以恒定的压力频率供水。其工作原理是自动将泵电机的速度调整到用户管网中的水压，以保持管网中的恒定压力。当水消耗增加时，发动机加速，而当水消耗减少时，发动机制动。通过改变定子电源的频率以改变同步速度来控制异步电动机的变频速度。三相交流电动机的速度和频率，极数和转差率之间的关系如下： （2-1）其中：n是每分钟的速度；f是交流频率；s是孵化率；p是极对数。根据等式（2-1），如果极对数P恒定，则速度n与频率f成比例。因此，如果变频器连续改变频率f，则可以连续不断地改变电动机速度，因此，如果频率f的变化范围是从0到50Hz，则变频器到电动机的速度控制范围是很大。由于水泵负载是二次转矩负载，也就是说，转矩T与转数n的第二平方成正比，即T，电动机轴上的输出为P，即P。即，当发动机处于发动机转速略微降低的状态时，电动机的功率损耗大大降低，能量消耗大大降低。关于节电率的公式如下： （2-2）其中：是电机的额定功率；是电机的实际功率。从等式（2-2）可以看出，如果水泵电机以40Hz的频率运行，并且电机实际消耗的功率为其额定功率设置的50，则理论上可以节省48.8的电能。节能效果非常显着，因此本文中的供水系统采用变频控制和恒压供水。2.2变频恒压控制的调节过程变频供水控制系统的控制对象是用户管道网络中的压力，因此用户管道网络中的实际供水压力将等于设定的供水压力。从下面的图2.1中可以看出，在系统运行期间，如果e（k）<0，则测得的压力小于设定压力，用水量的增加会降低用户管道网络中的水压，而e（k）是一个正压差。该压力差通过正PID积分增加了变频器的输出频率，从而使泵单元提高了速度，增加了用户管网中的水压，并恢复了设定值。在运行过程中，压力传感器实时检测供水压力，在达到实际供水压力之前，该过程会重复进行。图2.1 变频恒压供水系统调节原理图该力对应于设定压力。如果在运行期间e（k）>0，则测得的压力大于设定值，这意味着经过PID计算后，变频器的水消耗和输出频率将降低。设定值相同。如果用水量太高，即使变频器设置为全速运行，管网中的压力也无法达到完全恒定的状态。在第二状态下，PLC将自动启动另一个水泵，并通过电源频率和频率转换切换到第一模式。然后，转换器调节频率转换率。当用水量减少时，变频器的输出频率接近其下限，但是管网中压力测试的实际值仍大于系统的设定值。在这种状态下，PLC主动读取频率单位并控制速度控制变频器。2.3变频恒压供水系统的控制方案变频恒压供水系统的控制图如下：控制系统的主要组件包括水泵单元，变频器，低压电气设备和传感器。该系统的主要功能是通过变频器控制三台水泵，不仅可以实现水泵的变频和工频的切换，而且可以有效地实现对管网水压的恒定调节。恒定频率和恒定压力的供水系统的控制方案是通过PLC和变频器来实现的。它可以灵活地调节泵组的速度，自动调节泵的数量，并实现对供水压力的封闭控制。它还可以节省能源并使系统保持可靠的运行状态。本文重点介绍城市住宅区中的恒压供水系统。该系统由压力传感器，变频器，PLC，低压电气设备和三个水泵单元组成。控制系统的主要功能是通过PLC系统控制变频器的周期，以调节三个水泵，在管道网络中实现恒定的水压，并切换电动机的频率转换和工频并启动发生火警信号时，进行消防水供应。图2.2 变频恒压调速系统流程图如图2.2系统控制流程图，说明如下：如图2.2所示，是本文的变频恒压调速系统流程图：（1）开启系统并接收到有效的启动信号后，首先启动变频器，启动水泵机组1，并根据管道实际用户压力与管道实际压力之间的误差设置变频器的输出功率。将1#水泵的压力值设置为即可更改泵速。当出口压力达到设定值时，电机处于平衡供水和用水量的速度控制状态。（2）当用水量增加且水压降低时，通过反馈设置，泵速将增加到新的稳定点。当用水量减少且水压升高时，泵电机的速度降低至新的稳定点。（3）当水量持续增加时，变频器的输出频率也会增加到市电频率的50Hz，但是此时用户管道中的测得压力尚未达到设定值，系统将1切换至电机的电网供电频率。此时，2电动机同时启动并以变频器设置的控制速度运行，系统也返回到闭环控制状态。如果用水量继续增加，上述转换将反复发生。如果启动最后一个3水泵，并且输出频率达到50Hz的上限频率，则压力尚未达到设定值，系统将发出警报。（4）当用水量逐渐减少而水压持续升高时，系统变频器的输出频率也将下降至下限。管系统首先切换，关闭以供水频率运行的水泵，并恢复控制。如果用水量继续减少，则已切换到工频的第二个电动机将停止并继续运行，直到只有一个泵单元保持变频运行。2.4供水系统中水泵切换条件分析通用变频器的理论设计范围是0到400Hz，但是当应用于实际的供水系统时，其频率设置范围会受到限制。例如，输出网络的频率范围和电动机工作频率的上限为50Hz，这意味着泵单元也可以以50Hz的频率进行变频切换。这意味着，如果此时变频器的输出频率已达到50Hz，则即使用户管道网络中的压力实际测量值仍低于设定值，也无法提高变频器的输出频率。要达到恒定压力状态，只能通过增加泵单元的数量来实现。同时，逆变器的输出频率必须大于零且不小于零，最低频率只能为0Hz。在系统中，用户的管网中的水将泵向相反的方向推动，从而给驱动泵的电机产生反向扭矩。因此，如果电动机的工作频率下降到某个值，则泵将失去其泵功能。在实际应用中，此时的电动机频率已达到电动机本身频率的下限，通常约为20H。如果变频器的输出频率达到上限频率，并且当前的实际供水压力差不再能够增加输出频率，则实际供水压力不会增加。当变频器的输出频率下降到下限频率并且设定供水压力仍低于实际供水压力时，实际压力差将不再降低电动机输出频率，可以在实际应用中使用，其供水压力不会相应降低。因此，建议执行这两种情况作为切换水泵单元的选择。3 变频恒压供水系统的硬件设计3.1系统的主要配置对变频恒压供水系统原理进行充分的研究与分析后展开系统电气的控制设计，图3.1展示的是电气控制总框图。图3.1 电气控制总框图从住宅小区实景情况出发，以小区居民生活用水所需为衡量标准来完成主要器件选择，这是一个极为重要的过程。3.1.1水泵机组的选型在供水系统中存在两个重要的组件，分别是水泵以及电动机，在选择的过程中率先需要对住宅小区用户实际使用需求进行考量，这是评判选择是否恰当的重要衡量标准，需要引起重视。进行泵选取时，第一步是对供水系统要求进行满足：1）对实际供水高度进行确定，并保证水泵扬程超过此范围；2）对实际最大供水量进行确定，并保证水泵流量总量超过此范围；3）对供应最高用水量进行确定，并保证水泵能力足以应对，并对水泵特性曲线进行分析，并将扬程始终控制在该曲线高效工作范围内，使得耗电量实现最小化；4）保证水泵机组运行持续稳定；5）保证安装管理具备便捷性。系统需要水泵以及电动机各三台，这一情形下，在水泵机组选择时最好保证型号一致，有利于安装，同时为后期的维修管理提供便捷。此外，还需确保各水泵与电机型号可以实现同一变频器下运行正常，这对他们的型号与容量提出了新的要求，要求其相互匹配。由上可知，在水泵的选取过程中，需要同时对流量、扬程以及实际的使用情况进行供水系统充分的考量。同时需符合机组两点选择原则，分别是：能保证运行稳定；保证高效运行的高频次。本次设计中，对ISG型立式离心泵50-250（I）进行选用，以下是具体参数：表3.1 水泵参数型号流量（）扬程（m）转速（r/m）电机功率(kw)50-250(I)12.580290015.03.1.2变频器的选型及接线变频器实现的主要功能是完成对异步电机调速控制。从本质出发，其是对电力半导体器件进行的运作，对器件进行通断路，完成交流电进行转换，使得固定的频率与电压转变为连续调节性的。变频调速恒压供水系统内，变频器发挥着极为重要的作用，具有不可取代性，蚌珠水泵电机完成调速，图3.2展示的是变频器同电动机之间的衔接。图3.2 变频器与电动机的连接框图按照分类的不同，变频器有着较多的划分。从电路组成视角出发，具体可分为两类：一是交到交变频器，二是交到直到交变频器。对前者的工作原理进行分析，主要是将交流电源频率进行转换，使得原本的恒定转化成具备可持续调节性。这一变频器具有的最大亮点就是高效性，在变化过程中不需要涉及其他中间环节。但同时它也具有一定的缺陷，在进行交流电源频率转化的过程中，使用的器件数量较多，同时不具备宽泛的连续可调频率范围，这一缺陷使其在供水系统使用中造成了一定阻碍。对后者的工作原理进行分析后可获知该变频器也是率先对频率恒定的交流电进行处理，使其成为直流电，并对逆变电路进行运用，最终获得三相交流电，同时确保电源频率具有连续可调性。下图3.3展示的便是交到直到交变频器组成框架。图3.3 变频器的组成框图直流电与交流电的转化是较为容易的，特别是交流电源电压频率都具备可调节性，控制在机电频率调节范围内或机电实现变频，那么其在机电特性改善等方面有着其他无法比拟的优势，此供水系统设计主要对直到交变频器加以运用。变频器的型号具有多样性，为确保系统稳定运行需要对变频器进行合理化的选择。这一过程中首先需要对变频器容量作出考量，可利用电动机额定电流来完成，同时还需要对额定电压进行利用。在对变频器容量选择中，必须对变频器额定电流加以确定，这是最为重要的。完成电动机确定，驱动异步调速过程中对变频器加以运用，其中，变频器选取衡量标准就是异步电动机额定电流大小。以下3点是变频器容量性能考察中重要的内容：（1） 变频器是否可对不止一台电动机进行驱动；（2） 确定电动机的启动方式，是属于直接启动亦或是软启动；（3） 在多台电机驱动的过程中，变频器是否是同时启动。此次系统设计中，选用的变频器主要是对三台电动机加以驱动，启动方式为软启动，且三台分开单独实施，其中需保证该系统中三台电动机具有的型号是相同的。选择的变频器额定电流需控制在电动机的1:05-1.11倍范围间。在此次系统设计中，水泵为二次方律负载，故将选取FR-A740通用变频器。该变频器产自日本三菱公司，其控制方式具体为U/f。这一款变频器风扇与接线端子可以根据需求进行拆卸，后期维护具有便捷性。该变频器中使用了RS485通信口，这同世界通信标准匹配，使得必要时可进行扩展卡的利用。而柔性PWM，使得运行过程中的噪音变得更小。PID等功能扩大了使用的范围，提高了运用度。在供水系统中，FR-A740变频器的运用，有效提升了使用效率，加强了供水系统抗干扰能力，保证运行稳定性，在调速供水节能方面有着较为优异的表现，实现高可靠性与高精度的转变，大大缩减了动态响应时间，充分展示了恒压供水以及变频调速特性。通过表3.2，我们可以进一步了解该变频器的具体参数。表3.2 变频器的参数变频器型号适用电机容量（KW）输出额定容量（KVA）输出额定电流（A）过载能力电源额定输入交流电压/频率冷却方式FR-A740-15-CHT1523.631150%60s200%3s三相380480V50Hz/60Hz强制风冷接线端子使得变频器同外界有了联系，通过图3-4中我们可以对三菱FR-A740变频器外部端子做进一步的了解。这是由控制电路以及主电路接线端子两个部分共同构成。图3.4 FR-A740变频器外部端子示意图从供水系统实际需求出发，通过对图3.4进行分析，将同PLC Y7端口加以连接的是变频器端子STR，以实现控制电机正转。将同FU接口进行连接的为X2接变频器，与OL接口匹配的是X3接变频器。对PLC增泵控制信号进行确定，FU输出至X2输入端频率检测上/下限信号，而相对应的减泵控制信号则为OL输出至X3输入端。由此可以获知变频器接线，具体如图3.5。图3.5 变频器接线3.1.3 PID调节器 比较、测量、执行是PID负反馈控制的基本要素，改反馈控制的一大基本结构就是一般闭环反馈控制系统，对被控对象实施负反馈保持其稳定性。图3.6是PID控制原理图。图3.6 PID控制原理差分功能、比较功能是PID控制模块的基本功能，变频器在供水压力比设定压力高的情况下会降低输出频率，在供水压力比设定压力低的情况下会升高输出频率。变频器还可以以压力变化速度为依据针对性调节差分。譬如在正作用下，压力与设定值靠近时如若有着过快的下降速度，PID运算为了保持压力的稳定会自动进行执行量的增加。PID是一项线性控制的流行策略。PID控制器中压力控制电源驱动电路出现错误信号之前会通过三种方式做放大处理。以下是PID控制器各部分作用及调节规律： （1） 比例增益部分（P）。这部分主要对输出控制量提供基本保证，使得其与系统偏差存在线性关系，一般通过比例体现系统误差。出现偏差系统时为了减小偏差比例调节作用会马上得到发挥。一般越大的比例作用对应的是较快的调节速度，目的是最大化降低误差。但是当比例超出应范围时会导致系统稳定性降低。一般适用于没有很高控制要求，不会出现较大负荷变化等场合。（2） 积分部分（I）。调节器的输出与输入控制系统的偏差持续时间、偏差大小存在一定的关联性。误差出现时就会进行积分调节，积分调节在误差不存在时才会停止。一般较大的Ti对应的是较弱的积分作用。积分调节可以降低系统稳定性和系统相应速度。（3） 微分部分（D）。可以对偏差的变化趋势进行直观预见，预见性是其基本特性之一。同时可以对系统偏差信号的变化率进行直观体现，实现变化的提前控制。微分调节功能可以在提前消除偏差，削减调节时间，改善系统性能。对于噪声干扰微分会产生一定的负面影响。微分主要体现的是变化率，恒定不变的输入对应的输出就是零。微分无法单独使用发挥作用，需要组合使用。PID的三种作用互不干涉、互不影响，相互独立。进行一个调节参数的调整只会对一种调节作用产生影响。在系统使用过程中一般进行组合使用。图3.7是PID调节的内部框图。图3.7 变频器内PID控制框图图中（目标信号）和（反馈信号）相减结合成信号PID调节处理后得到频率来给定信号，改变变频器的输出频率3.1.4 PLC的选型设计PLC的主要目的是设计一款电子装置可以实现数字操作。PLC自带储存装置，属于可编程控制器。基本功能包括指令执行、指令存储、逻辑运算、数据记载等。同时可以对机械生产过程实施有效控制。PLC的基本特点是调试和安装简单方便，具有较高的性价比和可靠性，具有较强的功能性和适应性等。供水系统一大核心控制器件就是PLC，PLC选用的基本原则是具有可靠的系统稳定性和性价比，可以实现基本的功能控制。市场上现有的PLC种类较为多样，不同类型的PLC产品有着不同的结构形式和性能特点，适用的场合也有所不同。但是有着基本一致的硬件结构。主要组成部分包括CPU模块、CPU模块、存储器模块、编程器等。图3.8是PLC的硬件结构。图3.8 PLC硬件简化框图PLC选型时需要考虑的内容包括：1）功能。选用的PLC需要在备件和维修方面具有通用性，与控制系统的基本功能需求相适应。2）I/O点数。PLC的选用基础是控制系统精准的输入输出点数。一般为了在之后的使用过程中更好的进行扩充和调整，会在原本点数的基础上增量15%。3） 以程序存储器容量为依据精准选型。选型前需要提前预算存储器容量。4）根据使用需求进行外围设备、编程器等的选择。一般小型PLC控制系统选用的是简易编程器，价格相对较低。我国目前使用较多的是三菱公司的FX2N系列，这一编程控制器具备一定的价格优势，性价比相对较高。主要技术指标有电源指标、性能指标、输入输出指标、一般技术指标等；硬件配置包括：基本单元、I/O模块、外围设备等。FR2N是三菱公司推出的系列产品，基本特点是具有较强的可靠性和丰富的内部集成功能，具有较强的通信功能和实时性。此次设计的三台水泵电动机实施运行包括工频运行和变频运行。工频运行输出点需要六个，分别是变频器的启停、控制电机正传、报警器控制、控制启停、变频器极限频率信号检测、系统自动启动、系统手动启动等。变频运行或者对电机进行手动控制时需要的输入点有六个，分别是改变系统运行状态、判断电机过载情况等。整个系统运行过程中总计需要24个输入输出点。本设计以控制系统的功能要求为依据进行PLC选型，最终选用的是FX2N-32MR型，该型号FX2N-32MR型的基本参数如下：I/O点数： 16/16基本指令： 27条功能指令： 298条基本指令执行时间： 0.08微秒程序容量： 最大16K输出形式： 继电型扩展输出模块一共16个输出点。图3.9是PLC接线图示。图3.9 PLC接线X0、X1分别连接启动和停止按钮，X2、X3分别连接变频器的OL和FU接口，X4、X5、X6分别连接热继电器M1、M2和M3。Y0、Y1分别连接KM0、KM1，分别对M1的变频运行、工频运行实施控制。Y2、Y3分别连接KM2、KM3，分别对M2的变频运行、工频运行实施控制。Y4、Y5分别连接KM4、KM5，分别对M3的变频运行、工频运行实施控制。电气互锁的设计主要是为了以免电机出现工频、变频同时连接的情况。3.1.5 压力传感变送器压力传感器的主要作用是对水管网上的水压进行收集，将压力信号转变成模拟电流信号或者模拟电压信号，在此基础上通过PID进行信号调节。得出运算参数后向变频器传送。变频器对水泵对电机转速进行有效控制。压力变松器选用420mA主要是为了对传输过程中对损耗和干扰进行有效预防。本文选用的NS-I1型压力变送器工作过程中有着较强的稳定性和抗干扰能力。电源电压为24V，测量范围和工作温度范围分别是01MPa、-4085。3.2 系统主电路分析及设计控制系统能否进行保证运行工程可实现安全稳定并且可靠，这与供电系统设计合理性有着密切联系。故在设计过程中，需要对众多因素进行考量：1）设定合理范围，将电源电压设置在该范围2）控制器程序以及相关数据不会因为设备突然断电而出现被破坏等现象；3）抗干扰措施对电源系统有着积极作用，需要对其进行全面考虑。供水的不同状态会使得该系统水泵电机出现不同的运行方式，分别有变频与工频两类，三台大容量水泵均具备这一特点，所以需要在频电与变频电源端分别进行接触器的添加，并落实到每台水泵。图3.10展示的是控制主回路，其中热继电器（FR）主要作用是在水泵过出现过载的情况下施予保护，实现电路保护。熔断器（FU）的运用是为了避免电气设备出现严重过载情况或者是短路的情形。图3.10 变频恒压供水