基于PLC控制的无塔变频恒压供水系统设计(共33页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于PLC控制的无塔变频恒压供水系统设计第一章 绪论1.1 概述随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，人们生活水平不断提高，同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工作和生活。我国中小城市城市传统的供水方式主要采用恒速泵加压供水以及水塔高位供水等，恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于

2、超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，影响城市整体规划，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，且能耗大。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。当前，随着可编程序控制器(PLC)技术的发展，由于其高可靠性、高性价比、广泛的工业现场适应性方便的工艺扩展性能，PLC在工业自动控制过程中得到了越来越广泛的应用。同时，交流异步电动机变频调速技术的日益成熟

3、，与以往任何调速方法相比具有节能效果明显、调速过程简单、起动性能优越、自动化程度高等许多优点。因此将PLC及变频器应用于供水系统，可满足城市供水系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求。1.2 问题的提出及解决方案张家口市地处河北省西北部山区，城市人口约45万人，过去为军事重地，改革开放较晚，属经济欠发达地区。改革开放后，张家口加快了城市建设步伐。但城市供水系统陈旧，城区管网多采取传统的水塔高位供水方式。水塔分布在市区内，不仅影响城市整体规划，且存在能耗大，维护不方便，电机的启动电流对电网冲击大的缺点；各供水系统相距较远，不能及时有效地掌握各供水系统的运行状况，系统运行可靠性低，故障排除慢，系统

4、运行中的一些参数也无法监控与记录。为满足城市需水量日益加大的要求，供水公司决定兴建新水源在距市区南17公里的洋河边打井取水，并经西泵站二次加压为城区供水。同时为降低单位供水能耗，实现全自动、可靠、稳定的供水，需要利用变频恒压供水技术对原供水系统进行自动化改造，采用PLC控制并进行远程监控、管理及故障远程报警。在实现过程中主要研究并解决以下问题。1、研究并完成利用PLC、变频器、远传压力表和多台水泵机组等主要设备构建变频调速恒压供水系统的设备选型与方案设计，为提高变频器的使用效率，减少设备投资，采用一台变频器拖动多台水泵电机变频运行的方案。2、深入分析变频恒压供水系统的工况变化过程，确定工况转换

5、方式，完成PLC控制程序的设计，实现水泵的变频起动，保证水泵从变频到工频的可靠、安全的切换。3、设定PID调节参数，实现在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，维持供水压力恒定。4、研究PLC和计算机的通信模式，确定通信协议，开发通信与监控软件，实现供水系统的远程监控、管理与报警。5、加强系统的可靠性设计，提高系统的冗余度，设计自动工频运行方式和手动运行方式作为系统全自动变频恒压运行的备用方案，在故障时作为应急处理，维持供水。通过该项目的研究和实施可以极大地改善城区供水的可靠性和稳定性，降低能耗及维护成本，方便管理。具有较好的应用前景和推广价值。1.3相关技术概况1.3.1

6、PLC技术概况对于由继电器控制装置构成的自动控制系统，每一次设计或改进都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。因此，可编程控制器这一新的控制装置应运而生，并取代了继电器控制装置。可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普通应用，越来越多的工厂设备采用PLC、变频器、人机界面等自动化器件来控制，使设备自动化程度越来越高。现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程

7、控制器(PLC)由于具有以下特点而深受工程技术人员的欢迎。(1) 可靠性高，抗干扰能力强其平均无故障时间大大超过IEC规定的10万小时，同时，有些PLC还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了其可靠性。(2) 适应性强，应用灵活多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。(3) 编程方便，易于使用梯形图语言和顺控流程图语言(Sequential Function Fig)使编程简单方便。(4) 控制系统设计、安装、调试方便设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计，并可在实验室进行模拟调试。(5) 维修方便，工作量小PLC有完善的自诊断、历史资料存储及监视功能，工作人员可以方便的查出故障原因，迅速

8、处理。(6) 功能完善除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，既方便管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备1由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。1.3.2变频调速技术概况变频调速技术是近十几年来迅速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，显著的节能效果也给众多的企业带来了巨大的经济效益，特别是

9、近几年来随着IGBT功率元件和DSP微处理系统在变频器中的应用，变频器本身己非常成熟，使得变频调速技术的优越性更加突出，传动效率越来越高，使用越来越方便，可靠性也得到了进一步的提高。变频器已形成了与电机相配合的不同功率、不同用途的系列化产品，具有多种速度切换、加减速时间的外部设定、V/F曲线设定、转距升高调整、输出频率上、下限幅、频率跳跃等功能;具有各种接口，能与计算机、可编程序控制器及自动化仪表联机，并具有远程控制的功能。目前产品已经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业。1.4本章小结本章首先概述了论文的选题背景、意义及课题来源，在对现有供水系统存在问题调研

10、的基础上，确定了以实现节能、自动、可靠、稳定供水的PLC控制的变频恒压供水及其远程监控系统的设计目标。对PLC及变频调速技术做了简要叙述，提出了设计需要解决的主要技术问题和论文的主要研究内容。第二章 恒压供水方案与分析2.1 恒压供水的方案比较与选择在传统城市供水系统中，常采取恒速泵供水方式。由于用户用水具有不确定性，用水量处于动态变化过程之中，恒速泵供水方式虽然可通过水泵切换控制管网压力，但无法维持管压恒定，不断地起停水泵电机不仅也影响设备的寿命同时也使能耗增加，供水质量不能保证。若采取阀门控制调节流量来维持管压，一方面频繁的调节使阀门的机械磨损加剧，设备维护工作量及设备投资增大；另一方面控

11、制精度差且造成大量的电能浪费。此外，水泵电机直接工频起动与制动带来的水锤效应，对管网、阀门等也具有破坏性的影响。考虑到交流异步电动机对于泵类负载可采用调电压调速，虽然能够实现恒压供水，但其调速范围小、能耗大，调节效果差。随着变频调速技术发展，变频器的日益成熟，以及功能的完善，基于恒压、节能及安全性考虑，采取变频调速恒压供水方式是一种最好的选择。变频调速精度高、调速范围大、效率高。据统计采用变频调速技术调节流量实现恒压供水，可节能20-50%，节能效果相当显著。2.2 供水系统的模型、特性及恒压控制2.2.1 供水系统的基本模型和主要参数张家口市供水公司西泵站为二级泵站，是将清水池中的水经二次加

12、压后为城区供水。供水系统的基本模型如图2-1所示。图中：水泵中心位置；水面 吸入口 水压表 城区管网 吸水口水位；水平面水位；管道最高处水位；在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真实的管道系统中，这个位置并不存在。只有在大于管道的实际最高位置的情况下，才能正常供水 。主要参数有：1. 流量 单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位是m3/min。2. 扬程 也称水头，是供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差。常用单位是m。3. 实际扬程 供水系统中，实际的最高水位与最低水位之间的水位差，即供水系统实际提高

13、的水位。即：=4. 全扬程 水泵能够泵水上扬的最高水位与吸入口的水位之间的水位差。全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。即=5. 损失扬程全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。、之间的关系是：=+ 。供水系统为了保证供水，其全扬程必须大于实际扬程，这多余的扬程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失。6. 管阻阀门和管道系统对水流的阻力。和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述。7. 压力表明供水系统中某个位置水压大小的物理量。其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与流量与扬程之间的平衡情况

14、有关。2.2.2 供水系统的特性曲线和工作点供水系统的参数表明了供水的性能。但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。这种联系和变化规律可用供水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管组特性曲线，如图2-2。通过特性曲线可以掌握供水系统的性能，确定其工作点图2-2中： 曲线额定转速时的扬程特性曲线曲线转速时的扬程特性曲线曲线阀门开度100%时的管阻特性曲线曲线阀门开度不足100%时的管阻特性曲线1. 扬程特性以管路中的阀门开度不改变为前提，即截面积不变，水泵在某一转速下，全扬程与流量间的关系曲线=称为扬程特性曲线。不同转速下，扬程特性曲线不同，图2-2中的曲线、分

15、别对应于转速、，且。曲线表明转速一定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越大，供水系统的全扬程就越小，反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。在这里，流量的大小取决于用户，用水流量用表示。用水量一定时，即不变，转速越低，水泵的供水能力越低，供水系统的全扬程就越小。2. 管阻特性以水泵的转速不改变为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线=，称为管阻特性曲线。不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图2-2中的曲线对应阀门开度大于曲线对应的阀门开度。管阻特性表明由阀门开度来控制供水能力的特性曲线。此时转速一定，表明水泵供水能力不变，流量的大小取决于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧

16、来决定的，故管阻特性的流量可以认为是供水流量，用表示。在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在供水流量与用水流量的差别。这里的和是为了便于说明供水能力和用水需求之间的平衡关系而假设的量。当供水流量接近于0时，所需的扬程等于实际扬程(=)。表明了如果全扬程小于实际扬程的话，将不能供水。因此，实际扬程也就是能够供水的基本扬程。3. 供水系统的工作点扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点。在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。图2-2中的点表示水泵工作于额定转速，阀门开度为100%时的供水状态，为系统的额定工作点。4 供水功率供

17、水系统向用户供水时所消耗的功率PG（Kw）称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比： （21）式中：比例常数2.2.3供水系统中恒压实现方式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需求。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，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与供水能力(由流量表示)和用水需求(由用水流量表示)之间的平衡情况有关。若: 供水能力用水需求，则压力上升；若:供水能力变频调速过程的特点:静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。电机的运行效率高，适合于

18、恒压供水方式中的转速控制法。因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果。2.4 变频调速恒压供水系统能耗分析1转速控制调节流量实现节能(1)转速控制法与阀门控制法供水能耗分析在图2-2中，将阀门控制法和转速控制法的特性曲线画在了同一坐标系中。假设系统原工作于额定状态点，当所需流量减少，从额定流量变为时，在恒压前提下，采用阀门控制法时供水系统工作点将移到A点，对应的供水功率与面积成正比；采用转速控制法时供水系统工作点将移到B点，对应的供水功率与面积成正比。两种控制方式下的面积之差表明了采取转速控制方式相对于阀门控制方式可以实现节能。(2)转速调节与恒速运行供水能耗分

19、析根据水泵比例定理，改变转速n，水泵流量、扬程和轴功率都随之相应变化，其关系式为： （25） （26） （27）式中，、分别为调速后的水泵转速、流量、扬程和轴功率。从以上关系可知，当转速下降时，轴功率按转速变化的3次方关系下降，可见转速对功率的影响是最大的。一般在设计中，水泵均考虑在最不利工况下供水，水泵在选型上也是按水泵额定工作点选型和安装使用，即按额定工作点设计。但在实际运行中，管网用水量常常低于最不利工况，这时，如降低转速相对于恒速泵供水运行，能使水泵的轴功率大大减少。可见，在供水系统中根据用水量的大小，通过变频方式调节水泵转速的方式来实现供水具有很好的节能效果。而且这种方式在用水量较少

20、时节能效果更为明显。2转速控制供水系统的工作效率高(1)工作效率的定义供水系统的工作效率为水泵的供水功率与轴功率之比，即： （28）该效率是包含了水泵本身效率在内的整个供水系统的总效率。式(2-8)中，是指水泵是在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即电动机的输出功率；是供水系统的输出功率也就是水获得的实际功率，由实际供水的扬程和流量计算。供水过程中的损耗主要来自于水泵本身的机械损耗、水力损失、容积损失，以及管路中的管阻损耗。(2)供水系统工作效率的近似计算公式水泵工作效率相对值的近似计算公式如下 （29）式（29）中：、效率、流量和转速的相对值，均小于1：有以下关系：、常数，其关系为。(3

21、)不同控制方式时的工作效率阀门控制法方式，因转速不变，比值随着流量的减小。减小，水泵工作的效率降低十分明显。转速控制方式时，因阀门开度不变，由式(25)，流量和转速矿是成正比的，比值不变。即水泵的工作效率是不变的，总是处于最佳状态。所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，供水系统的工作效率要大得多。这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面。3变频调速电机运行效率高在设计供水系统时，额定扬程和额定流量通常留有裕量，而且，实际用水流量也往往达不到额定值，电动机也常常处于轻载状态，电机恒速运行时效率和功率因数很低。采用变频调速方式变频器能够根据负载轻重调整输入电压，从而提高了电动机的工作效率。这是

22、变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。2.5 供水系统安全性讨论1水锤效应在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂;压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。2产生水锤效应的原因及消除办法产生水锤效应的根本原因，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现彻底消除水锤效应。水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢，决定了加速过程流量变化的快慢，也就

23、决定了水锤效应的强弱。拖动系统中，动态转矩 ：是电动机的拖动转矩：是供水系统的制动转矩图24反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。图中，曲线是异步电动机的机械特性，曲线是水泵的机械特性，图24 b)中的锯齿状线是变频起动过程中的动态转矩。由图24可知，水泵在直接起动过程时，因动态转矩很大，造成了强烈的水锤效应，通过变频起动，可有效地降低动态转矩消除水锤效应。停机过程效果类似。3变频调速对供水系统安全性的作用采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处(1)消除了水锤效应，减少了对水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。(2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小

24、叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长。(3)避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。(4)减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。2.6 本章小结本章在分析供水系统模型及其特性参数的基础上，探讨了影响供水系统能耗及其安全性的一些因素，得出了以下结论:1. 对供水系统进行的控制，归根结底是对供水能力的调节，以满足用户对流量的需求。这种调节又是以水压调节为目标。2. 供水系统扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点是系统的工作点，实际运行中的工作点会随用水需求的变化而改变。为保证水压恒定，采取转速调节方式较阀门控制方式节能效果明显。3. 采取变频调

25、速方式控制流量实现恒压供水，可减少系统能耗，提高工作效率。4. 采取变频调速方式可以消除水锤效应，可减少冲击，增加系统运行的安全性，延长系统运行寿命。第三章 变频调速恒压供水控制系统设计3.1 供水系统总体方案的确定1对西泵站供水系统总体要求：(1)由多台水泵机组实现供水，流量范围4000m3/h，扬程45米左右(2)设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水(3)供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小(4)系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能(5)各主泵均能可靠地实观软启动(6)具有完善的保护和报警功能(7)系统要求较高的经济运行性能2. 方案确定确定供水系统总体设计方案的基

26、本依据是设计供水能力能满足系统最不利点用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性，及其它技术要求。根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量。 间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。各种类型的水流量变化关系曲线如图31西泵站供水系统主要负责张家口市桥西区域用户的用水，属连续型高流量变化型。这类型用水需求在较长时间段表现为高流量，低流量

27、时，采用变频调速方式来实现的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达30%。水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，噪声小。由于用水呈高流量变化型的特点，采用多台水泵并联供水，根据用水量大小调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四

28、，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。供水系统的恒压通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，先启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。综合以上分析，确定以可靠性高、使用简单

29、、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，其总体结构如图3-2所示。3.2 控制系统的硬件设计3.2.1系统主要配置的选型1. 水泵机组的选型根据系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力(水泵扬程)，考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用3台主水泵机组和1台辅助泵机组，型号及参数见表3-1。2. 变频器的选型(1). 容量确定方法依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量(kVA)应同时满足下列三式： （kVA） （31）（kVA） （32）（A） （33）

30、式中，负载所要求的电动机的输出功率； 电动机的效率（通常在0.85以上）； 电动机的功率因数（通常在0.8以上）； 电动机电压（V）； 电动机工频电源时的电流（A）； 电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.01.05； 变频器的额定容量（KVA）；变频器的额定电流（A）。这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。(2). 型号选择根据控制功能不同，通用变频器为分为三种类型。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、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

31、频器。综合以上因素，系统选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型U/f控制方式的富士变频器FRN55P11S- 4CX，变频器内置PID控制模块，可用于闭环控制系统，实现恒压供水。其主要参数及性能介绍如下。.主要参数额定容量：85(kVA )；额定输出电流：112A；过载容量：110%额定输出电流、1分钟；起动转矩：50%以上；适配电机容量：55KW；. 功能特点风机、泵等二次方递减转矩专用型变频器;可选用自动和手动的转矩提升功能，保证最佳的启动;加速时间设定范围宽(0.01秒到3600秒)，具有S形加减速功能和曲线加减速功能，让加减速过程变得缓和，防止冲击和载物倒塌;直流制动功能，制动时间在0

32、-30秒范围可调，保证快速可控的制动，不需要外接电阻;内置PID模块，可用于闭环控制;多种频率设定方式;多种附加功能;五路晶体管输出. I/0特性9个可设定的开关量输入口，给操作者极大的灵活性(如固定频率、固定给定、电动电位计、点动);四路可设定的开路集电极晶体管输出，可用于频率到达、频率值检测、过载、运行等多种提示;RS-485接口，可实现远程通信;. 保护功能具有过电压/欠电压保护、短路保护、过热保护、PTC热敏电阻保护、电机锁死保护、缺相保护、电涌保护、失速保护、CPU/存贮器异常保护等。3. PLC的选型依据控制任务，从PLC的输入1输出点数、存储器容量、输入l输出接口模块类型等方面等

33、来选择PLC型号。在供水系统的设计中，我们选择三菱FX2N-32MR及扩展输出模块FX2N-16EYR，其I/O端子分配在3.4节给出。FX2N-32MR主要参数及特点:I/O点数:16/16;用户程序步数:4K;基本指令:27条;功能指令:298条;基本指令执行时间:0.08微秒;通信功能:强;输出形式:继电型;输出能力：2A/点;扩展输出模块FX2N-16EYR有16个输出点;4. 压力变送器及数显仪的选型选用普通压力表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01MP，精度1.5；数显仪输出一路420mA电流信号，送给变频器作为PID调节的反馈电信号，可

34、设定压力上下、限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。3.2.2 主电路方案设计三台大容量的主水泵(1#,2#,3#)根据供水状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联;辅助泵只运行在工频状态，通过一个接触器接入工频。连线时一定要注意，保证水泵旋向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。QF1,QF2,QF3,QF4,QF5,QF6分别为主电路、变频器和各水泵的工频运行空气开关，FR1, FR2, FR3, FR4为工频运行时的电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器来实现电机过载保护。变频器的主电路输出端子(U,V,W )经

35、接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子(U, V, W)的相序，否则无法工作。变频器和电动机之间的配线长度应控制在100m以内。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路空气开关QF2的通断来进行。为了改善变频器的功率因素，还应在变频器的(Pl、P+)端子之间接入需相应的DC电抗器。变频器接地端子必须可靠接地，以保证安全，减少噪声。在电动机三相电源输入端前接入电流互感器和电流表，用来观察电机工作电流大小;设计三相电源信号指示。图3-3给出了供水系统电气控制主回路的主要联线关系。3.2.3

36、控制电路设计在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失电，进而控制电机或者阀门的动作。通过隔离，可延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。因此，在控制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计;另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行

37、，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。为提高互锁的可靠性，在PLC控制程序设计时，进一步通过PLC内部的软继电器来作互锁。控制电路中还考虑了电机和阀门的当前工作状态指示的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动/自动转换控制电路。通过转换开关及相应的电路来实现。图3-4给出了供水系统的部份电气控制线路图。图3-4中，SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动转换用中间继电器，打在位置为手动状态，打在位置KA吸合，为自动状态

38、。在手动状态，通过按钮SB1-SB14控制各台泵的起停。在自动状态时，系统执行PLC的控制程序，自动控制泵的起停。中间继电器KA的7个常闭触点串接在四台泵的手动控制电路上，控制四台泵的手动运行。中间继电器KA的常开触点接PLC的XO，控制自动变频运行程序的执行。在自动状态时，四台泵在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。电机动电源的通断，由中间继电器KA1-KA7控制接触器KM 1-KM7的线圈来实现。HLO为自动运行指示灯。FR1, FR2, FR3, FR4为四台泵的热继电器的常闭触点，对电机进行过流保护。3.2.4 PLC I/0端子分配说明:1#. 2#. 3#分别代表I号主水泵、

39、2号主水泵、3号主水泵。3.2.5 变频器接线及功能设定表3-2中频率参数设置说明：(1).最高频率:水泵属于平方律负载，转矩，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重过载。因此，变频器的最高频率只能与水泵额定频率相等。(2).上限频率:由于变频器内部具有转差补偿功能，在50Hz的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了电动机的负载，因此实际预置得略低于额定频率。(3).下限频率:在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于基本扬程(实际扬程)，形成水泵“空转”的现象。所以，在多数情况下，下限频率不能太低，可根据实际情况适当调整。(4).启动频

40、率:水泵在启动前，其叶轮全部在水中，启动时，存在着一定的阻力，在从0Hz开始启动的一段频率内，实际上转不起来。因此，应适当预置启动频率值，使其在启动瞬间有一点冲击力。3.3 PLC控制程序的设计3.3.1全自动变频恒压运行方式水泵运行状态及转换过程分析1. 转换过程分析启动自动变频运行方式时，首先起动辅助稳压泵工频运行供水，当用水量大，超过辅助泵最大供水能力而无法维持管道内水压时，延时1分钟PLC通过变频器启动1号主水泵供水，同时关闭辅助泵的运行。在1号主水泵供水过程中，变频器根据水压的变化通过PID调节器调整1#主水泵的转速来控制流量，维持水压。若用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率时

41、，仍达不到设定压力，延时分钟，由PLC给出控制信号，将1号主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对2号主水泵软启动。系统工作于1号工频、2号变频的两台水泵并联运行的供水状态。若用水量继续增加，两水泵也不能满足水压要求时，将按上述过程继续增开水泵台数直到满足水压要求。整个加泵过程中，总是保证原来工作于变频运行状态的水泵转入工频恒速运行，新开泵软启动并运行在变频状态，保证只有一台水泵运行在变频状态。当用水量减少时，变频器通过PID调节器降低水泵转速来维持水压。若变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高，延时1分钟，按“先起先停”的原则，由PLC给出控制信号，将当前供水状态中最先工作在工频方式的水泵关闭，同时PID调节器将根据新的水压偏差自动升高变频器输出频率，加大供水量，维持水压。当用水量持续减少，系统继续按“先起先停”原则逐台关闭处于工频运行的水泵。当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量减少，变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高时，延时5分钟后，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水。2 供水状态及其转换关系供水状态是指在供水时投入运行的水泵台数及运行状况(工频或变频)。为保证在一个较长的时间周期内，各台水泵运行时间基本均等，避免某台电机长期得不到运行而出现绣死现象，供水状态的切换按照“有效状态循环法”即