【变频恒压供水设备】变频恒压供水:变频恒压供水设备怎么样

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变频恒压供水

变频恒压供水控制系统设计

作者姓名：

专业名称：电气工程及其自动化

指导教师：

摘要

本文介绍一种变频调速恒压供水系统，该系统由PLC、变频器、传感器、低压电气控制柜和水泵等组成。通过PLC、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒压变流量供水要求。设备运行时,压力传感器不断将管网水压信号变换成电信号经变频器内部PID运算，获得最佳控制参数,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，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压变量供水。

供水系统主要包括水泵的自动启停控制、供水压力的测量与调节、系统主管道水压的测量；系统水处理设备运转的监视、控制；故障及异常状况的报警等。该系统能够根据运行负荷的变化自动调节供水系统水泵的数量和转速，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。文中详细介绍了系统的控制原理及硬件电路。

关键词：

PLC 变频器 传感器

Abstract

This article introduced that one kind of frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system,this system by PLC,the frequency changer,the sensor,the low pressure electricity control cubicle and the water pump and so on is composed.Through PLC,the frequency changer,the relay,the contact device control water pump unit running status,realizes pipe network"s constant pressure variable current quantity water supply request.When the equipment moves,the pressure transmitter the pipe network hydraulic pressure signal translation electrical signal after the frequency changer interior PID operation,obtains unceasingly the optimizing control parameter,using frequency changer"s two programmable relay outlet RO1,RO2,passes to the signal PLC,cuts through the PLC control frequency conversion and the power frequency,realizes the closed loop automatic control constant pressure variable water supply.

The water supply system mainly includes the water pump to open automatically stops the control,the water supply pressure survey and the adjustment,the system main pipe line hydraulic pressure survey;

System water-treating equipment revolution surveillance,control;

Breakdown and unusual condition warning and so on.This system can act according to the service load change automatic control water supply system water pump"s quantity and the rotational speed,causes the overall system maintains throughout the highly effective energy conservation the optimum condition.In the article introduced system"s control principle and the hardware circuit in detail.

Keyword:Programmable Logic controller,Transducer,sensor

目录

摘要................................................................................................................II Abstract.......................................................................................................III 目录..............................................................................................................IV

前言.................................................................................................................1

1 变频恒压系统概述.....................................................................................3

1.1问题的提出........................................................................................3

1.2方案设计分析....................................................................................3

1.2.1PLC控制系统的优点..........................(转载于: 在点 网)........................................4

1.2.2应用变频器的优点.....................................................................5

1.2.3变频恒压供水系统节能原理.....................................................5

1.3变频恒压供水系统基本原理............................................................7

1.3.1变频恒压供水基本系统构成.....................................................7

1.3.2调节原理方框图.........................................................................8

1.4总体设计方案....................................................................................8

2 系统硬件设计...........................................................................................10

2.1供水系统的具体要求......................................................................10

2.2主电路的设计..................................................................................10

2.3控制回路的设计..............................................................................12

2.3.1传感器电路部分.......................................................................12

2.3.2PLC控制模块电路....................................................................14

2.4控制面板相关设计..........................................................................17

3系统软件设计............................................................................................21

3.1变频器参数设定..............................................................................21

3.1.1频率功能的设定.......................................................................21

3.1.2水压的控制...............................................................................22

3.2 PLC程序设计..................................................................................22

3.2.1PLC的基本工作原理................................................................22

3.2.2程序设计思路范文写作...........................................................................23

3.2.3PLC梯形图程序........................................................................24

总结...............................................................................................................29

致 谢.............................................................................................................30

参考文献.......................................................................................................31

附件 元器件明细表.....................................................................................32

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变频恒压供水

前言

一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须 “提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。

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。交流变频调速恒压供水设备的主要应用场合为：（1）高层建筑，思想汇报专题城乡居民小区，企事业等生活用水；（2）各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等；（3）中央空调系统；（4）自来水厂增压系统；（5）农田灌溉，污水处理，人造喷泉；（6）各种流体恒压控制系统。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。

可编程控制器，简称PLC，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。它具有如下特点（1）可靠性高，抗干扰能力强；（2）配套齐全，功能完善，适用性强；（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎；(4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；(5)体积小，重量轻，能耗低。正因为如此的特点，PLC在工业控制中的地位和应用日渐广泛，特别是在顺序控制中。

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；可以消除启动和停机时的水锤效应。

该系统具有体积小、重量轻、安装操作简单、数据可靠、性能稳定和节电效果明显等特点,是一项较为成熟的高科技成果。该系统综合运用计算机技术、变频调速技术以及自动控制技术，实现了恒压供水的参数整定自动控制，保证了随时供水系统维持在最佳运行状况。

1 变频恒压系统概述

恒压供水控制系统可以采用电器控制方式和PLC控制方式，但在能源紧缺的今天，我们应该要采用控制方式简单，节约能源的方案。

1.1问题的提出

某小区有居民约5000人，由于用水高峰较为集中，该小区供水系统极不稳定，高峰期供水上不到高层楼，无法满足小区居民的正常用水要求。基于以上的情况，该小区进行了供水系统的改造。

1.2方案设计分析

该小区居民楼比较集中，居民用水量较大，高峰期有规律。为了保证稳定供水，在该区修建了150T贮水池，采用3台15KW水泵和变频调速装置构成一个完整的微机控制恒压供水系统，如图1.1所示。系统通过调节供水量，保证管网压力恒定（误差不大于0.01MPa）,实现恒压变量控制供水方式，从而达到节能、范文TOP100节水的目的，满足小区用水需要。

图1.1 二次供水系统结构示意图

系统以3台15kW的水泵P1、P2、P3变频恒压运行，以变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和变频器组成恒压闭环控制系统，系统时刻跟踪管网压力与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行PID运算，由PLC控制变频泵与工频泵的运行，自动控制水泵电机投入台数和电机转速，实现闭环自动调整恒压供水。

1.2.1PLC控制系统的优点

PLC控制系统与电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。

1）从控制方法上看，电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复(来自:WWw.fwwang.cn )杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。另外，继电器的触点数量有限，所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。最全面的范文参考写作网站而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。

2）从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。

3）从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。

4）从定时和计数控制上看，电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化

的影响，定时精度不高。而PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。

5）从可靠性和可维护性上看，由于电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

1.2.2应用变频器的优点

在工业生产、交通运输及人民生活中大量采用交流异步电动机与变频器相结合的交流调速传动在国内外已极为广泛。采用变频器调速传动主要是为了达到两个目的：一是满足工业生产、交通运输及人民生活中的各种要求，如提高生产率、改进产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等。二是为了使交流异步电动机处于最佳运行状态，从而节约能源和资源。同时，还会带来下面一些好处：

（1）实现电动机的软启动软停止。这样就可以减少电动机在起动时对电网的冲击，消除了对其他运行设备的影响。

（2）降低了设备对供电变压器的占用率。

（3）对变频器驱动单台电动机来说，可以不适用交流接触器而实现电动机的正反向运行。这就避免了机械切换的弊端。

（4）附带的节能。有些设备采用变频调速主要是为了非节能的目的，但却带来了节能的效果。如恒压供水、运输机等。

（5）消除了电动机在起动和停止时对电动机本身及设备的冲击，延长了电动机和其他设备的寿命。

1.2.3变频恒压供水系统节能原理

异步电动机采用变频器调速的原理是：通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变桥变换为频率可调的交流，作为交流异步

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变频恒压供水

电动机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压、电流和频率。

水泵供水系统具有管网特性曲线，即通道管网的流量与所消耗的能量之间的关系曲线，它同时表明水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差，液体在管道中流动的阻力。

水泵运行工作点位置与水泵负载有关，在水泵负载经常变化的情况下，水泵不能总处在高效区域里工作。为使水泵适应外界负载变化的要求。我们可采用变速调节，即在管网特性曲线基本不变时，采用改变水泵转速来改变泵的Q—H特性曲线。从而改变它的工作点，达到即改变流量又能保证水泵恒定和输入功率减少的目的。如图1.2。

图1.2 水泵变速运行图

根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间关系为：

（1-1）

（1-2）

（1-3）

式1-1、式1-2、式1-3中P1、H1、Q1为转速n1时的功率、扬程、流量；P2、H2、Q2为转速n2时的功率、扬程、流量。由此可

见，当水泵在变负荷工作情况下，采用变频器调节水泵电机转速时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显。

1.3变频恒压供水系统基本原理

变频调速以其优异的调速和启动、制动性能，高效率、高功率因数和显著的节能效果，在城市功能供水、污水处理的水泵驱动系统得到了广泛的应用。

1.3.1变频恒压供水基本系统构成

恒压供水系统基本框图如图1.3所示。由图可知，该系统有压力反馈回路，即通过两个控制信号：目标压力信号和反馈压力信号。用这二信号实现PID调节功能。

（1）目标信号Xt通过外接电位器Rp的滑动触点加在变频器的VRF端上，通常用百分数表示。目标信号也可以由变频器的键盘直接给定，而不必通过外接电路来给定。

（2）反馈信号Xf是压力变送器SP反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。

图1.3恒压供水系统基本框图

1.3.2调节原理方框图

图1.4所示为变频器恒压供水系统原理框图。其原理是由压力传感器测得供水管网的实际压力，输出的电压信号送入变频器内，经其PID程序进行压力的比较，即给定压力和管网压力的比较，对变频器的输出频率进行调节，进而控制水泵电动机的转速以达到恒压的目的。同时最高频率和最低

频率，由变频器的两个继电器输出模块传送给PLC，PLC根据压力差和频率信号，输出控制信号，执行相关接触器的动作。

图1.4所示为变频器恒压供水系统原理框图

1.4总体设计方案

该小区属于中小型用户，考虑恒压系统主要在高峰期投入使用，以西门子S7-200(CPU226)的PLC和TGCV5-H-4T15G变频器为控制核心，采用变频率控制的闭环控制系统。

通过对用户管网压力进行实时采样，并与设定压力值比较，根据压力偏差来控制变频泵的速度及工频泵和备用泵的起、停，实现恒压变量的供水方式，从而更好地达到节能、节水的效果。

当用户管网压力低于设定压力时，控制器通过压力传感器检测，输出控制信号启动变频泵作变频运行，通过控制变频泵使用户管网压力与设定值相等。如用户用水量较大，变频器输出频率为50Hz，变频泵转速达到最高，用户管网压力低于设定压力，控制器启动工频泵运

行，待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台备用泵，工频泵和变频泵同时供水。直至满足用户用水要求。

当用户用水量较少，变频泵转速降到一定程度时，控制器自动停止备用泵和工频泵，并根据管网压力调整变频泵转速，使管网压力始终保持恒定，这样每台水泵的启动均经PLC和变频器控制。当外来管网压力达到设定压力值时，则控制器完全停止各泵工作，由外界管网直接向用户供水。

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要包括主电路设计、控制回路和控制面板等的设计。

2.1供水系统的具体要求

（1）可转换自动或人工手动开、停机。

（2）3台水泵能自动变频软启动，并根据用水量自动调节开泵台数。

（3）电控自动状态时，变频泵先运行，当压力不够及频率达到最高频率时，工作泵投入运行。

（4）当用水量显著增加时，则工作泵故障时备用泵自动投入。可转换自动或人工手动开、停机。

（5）当用水量逐步减少时，则备用泵、工频泵便依次退出运行，由变频泵维持正常供水。

（6）设备短路、过载等多种电气保护功能，并具有缺水保护及水位恢复开机功能，有设备工作、停机、报警指示。

2.2主电路的设计

主电路图如图2.1所示，M1、M2、M3为三台电机，继电器KM1-KM6分别为控制M1-M3电机工频与变频运行的继电器，FR1、FR2、FR3分别为M1、M2、M3三台电机的过载保护用的热继电器。QS1-QS5分别为主电路、变频器和三台泵的工频运行空气开关。

TGCV5-H-4T15G/18.5L变频器是高性能矢量控制型变频器。其端子配置图如图2.2及表2.1所示。产品采用了与目前国际最领先技术完全同步的无速度传感器矢量控制技术，不仅具有与国际高端变频器同样优异的控制性能，同时还结合中国的实际应用特点，进一步强化了产品的可靠性和环境的适应性以及客户化和行业化的设计，能够更好地满足各种传动应用的需求。

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变频恒压供水

图2.1主电路原理图

图2.2TGCV5?4T11G/15L端子配置图

表2.1TGCV5?4T11G/15L端子

2.3控制回路的设计

控制回路由两部分组成，即传感器和PLC控制。

2.3.1传感器电路部分

传感器控制原理图见图2.3，下面进行简要分析。

（1）压力传感器型号及应用

GF3051高精度系列压力（差压）变送器是新型变送器，关键原材料，元器件和零部件均源自进口，整机经过严格组装和测试，该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安装使用简便等特点。由于该机型外观上完全融合了目前国内最为流行，并被广泛使用的两种变送器（罗斯蒙特3051与横河EJA）的结构优点，让使用者有耳目一新的感觉，同时与传统的1151、CECC等系列产品在安装上可直接替换，有很强的通用性和替代能力。该系列产品除设计小巧精致外，更推出具有HART现场总线协议的智能化功能。

WP800型智能压力变送器是一种带有微处理器的全数字化产品。

它是由智能模块与高精度压力传感器组合而成，该智能模块可与望源公司生产的任一种WP系列压力、差压、液位变送器组合而成相应的智能型变送器。智能模块中采用了以CPU微处理器为中心的数字化电路，传感器的输出信号经A/D转换进入CPU，经过运算修正以及外围操作和接口电路产生出模拟输出信号、接点开关信号、数据通讯以及LED或LCD显示。

图2.3传感器控制原理图

压力传感器的信号（4-20mA）送入压力数字显示控制仪WP输入端口，可以显示任意时刻的水压值，经转换为模拟量后，其压力上限、下限已经预先设定，面板上还有一只20mA表，用表指示变频器输出频率（即变频泵的转速），这只毫安表指示“20”时的频率为50Hz。信号送至PLC输入端口，PLC根据接受的电压上、下限信号及变频器输出的频率的上、下限信号控制工频电机和备用电机的运行/停止等操作。

（2）液位传感器型号及应用

UQZ-55系列顶（底）装式磁性浮子液位计是以浮球为测量元件，通过连杆上磁钢将液位变化传递给现场指示器，使指示醒目地指

示出液位的高度。可实现液位的上、下极限报警及限位控制，液位远传变送器装置可将液位变化转换成（4~20mA）线性电流信号，实现远距离的指示、检测、控制和记录。

当水位传感器检测到池中的水位后，将信号传送到光柱数字显示仪WH，即可随时显示储水池中水位，光柱高度与水位成正比，十分形象直观一目了然。当系统处于自动控制状态下，水位位置信号可以传送给PLC。当达到下限位置时，继电器KA1吸合，电磁阀便会自动开启进水，下方绿色指示灯HL27亮；当水位上升到“上

限”位置时，KA1断电，电磁阀自动关闭停止进水，因储水池水位将在上限与下限之间变化，总会有合理的储备以保证供水和消防的需要。

在特殊情况下（例如公共供水管网停水）储水池水位下降到“下下限”位置时，水泵全部停止运行，防止水泵受到损伤。

2.3.2PLC控制模块电路

如图2.4所示，恒压供水系统占用PLC的25个输入点，8个输出点，具体的I/O分配表见表2.1。

西门子S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或者相连成的网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。CPU 226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

图2.4 PLC控制电路原理图

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变频恒压供水

2.4控制面板相关设计

控制柜操作面板接线图见图2.5，操作面板示意图见图2.6所示。

该系统具有“手动”、“自动”两种供水方式，SA1为手动/自动转换开关，储水池水位也能有效控制。

（1）水泵工作方式设置

通过三只万能转换开关LW(来自:WWw.fwwang.cn )1-3选择水泵工作方式，将其分别设定为“变频”、“备用”、“工频”三个档位之一。就整体而言，变频、工频、备用这三种不同状态只能分别设置一台水泵，如果有两台以上的水泵选择了同一种工作状态，则控制柜左面“系统指示”红色指示灯HL0常亮，系统无法投入运行，提示值班人员应调整设置，如果HL0熄灭，表明可以投入工作。

（2）手动控制方式

将“运行方式”选择开关SA1置于“手动”档位，其上方黄色指示灯亮，值班人员操作三台水泵的“启动”（绿色）或者“停止”（红色）按钮，便可直接控制水泵的运行状态，非常方便。水泵由变频电源供电时，相应的绿色指示灯亮，水泵由工频电源供电时，相应的红色指示灯亮，备用泵不参加运行。

（3）自动控制方式

值班人员按动下面的绿色按钮SB1首先是变频泵启动运行，由于这台水泵是由变频泵调速供电的，当用水量增大时，供水压力将下降，通过变频器内部的PID调节器的作用，使变频泵输出

频率上升，水泵转速自动提高以维持水压稳定。反之，用水量减小时，水泵转速又自动降低，水压不会升高，水压的给定值由多圈电位器RP调节。当用水量增加，变频泵输出频率已经达到50Hz，供水压力降低至下限且维持时间大于30s时，工频泵便会自动投入运行；当用水量显著增加时，变频泵输出频率再次达到50Hz，供水压力降低至下限且维持时间大于30s时，备用泵便会也自动投入运行；当用水量逐步减少，供水压力上升至上限且维持时间大于30s时，则备用泵、工频泵便依次推出运行，由变频泵维持正常供水。

综上所示，采用自动运行方式时，供水压力将在设定的上、下

图 2.5控制柜操作面板接线图

图2.6 操作面板示意图

限之间波动，变频泵连续运行，工频泵、备用泵则在供水高峰时参加 运行，不需值班人员管理。

按下红色“系统停止”按钮SB2,全部水泵均停止运行。

（4）水泵全部停止时的供水

通常情况下深夜时段用水量很小，而此时城镇供水管网的压力较

高，在这种情况下可以将水泵全部停止，公共供水管道通过另一支管的逆止阀接通该小区供水总管网直接供水，当控制柜遇到突然停电也是如此，对提高小区供水可靠性有所帮助。

以上即为变频恒压供水系统的大致硬件设计。

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变频恒压供水

3系统软件设计

本系统稳定运行的关键是PLC程序的合理性、可行性和变频器功能的预置问题。

3.1变频器参数设定

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

虽然水泵对系统调速的精度要求不高，但要使供水系统运行性能稳定，工作可靠，就必须正确设置变频器的各种性能。变频器功能的设定通过变频器操作面板上的相关按键确认。

3.1.1频率功能的设定

(1)起动频率

水泵在起动时，如果从0Hz开始起动，水泵基本没有压力输出，为减少调节时间，应预置起动频率值为15-20Hz，即设置变频器PID输出值的下限为最大值的30%-40%。

(2)上限频率

一般说来，上限频率以等于额定频率为宜。但有时也可以预置得略低一些，原因有二：一是变频器内部有转差补偿功能，同在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，从而增大了水泵和电动机的负载；二是变频器系统在50Hz下运行时，还不如直接在工频下运行，可以减少变频器本身的损失。因此，将上限

频率预置为49Hz或49.5Hz是适宜的。

(3)下限频率

在供水系统中，转速过低，会出现水泵的扬程小于实际扬程，形成水泵“空转”的现象。所以，下限频率应定为25-30Hz。

3.1.2水压的控制

传感器检测水压，压力设定为系统的水压期望值。压力设定值和压力反馈值送变频器的PID回路，经PID运算后输出给变频器一个转速调节信号。当供水开始工作时，先起动变频泵，当管网水压达到设定值时，变频器输出频率则稳定在一定的数值上。当用水量增加，水压降低时，传感器将这一信号送人变频器内部的PID模块，PID模块则送出一个较大的信号，使变频器输出频率上升，水泵的转速提高、水升。如用水量增加很多，变频器的输出频率达到最大值，仍不能使水压达到设定值时，PLC就发控制信号，起动一台工频泵。传感器反馈的水压信号送入变频器的PID输入口AR2，而压力设定可以用变频器用RP电位器送入AR1。

3.2 PLC程序设计

PLC为该系统的主要控制元件，因此其程序设计显得尤为重要。PLC的软件由系统程序和用户程序组成。系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制的目的。

PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳两种类型：一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式的编程语言，如梯形图。

3.2.1PLC的基本工作原理

PLC的硬件主要又中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出

单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运行速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。

可编程控制器的执行程序过程如图3.1所示。PLC用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。

图3.1 PLC执行程序过程示意图

PLC执行程序的过程分为三个阶段，即（1）输入采样阶段-把输入信息从缓冲区一次打入输入锁存器，再依次送入内存输入影像区；

（2）程序执行阶段-逐条执行用户程序，把要输出信息以个个送入输出缓冲区保存；（3）输出刷新阶段-PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。

3.2.2程序设计思路

由于供水系统是一个惯性较大无法突变的系统，不需要过高的相应速度，因而在设计思想上以查询方式为主，中断方式为辅，这样大大提高了系统的适应性，使用户减少了调试的工作，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增强。

3.2.3PLC梯形图程序

梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似，继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观，实用的特点。因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言。与传统电器控制系统相比，PLC的梯形图使用的是内部继电器，定时/计时器等，都是由软件来实现的，使用方便，修改灵活。

此程序主要由公用程序、自动程序和手动程序组成。梯形图中使用跳转指令使得自动程序和手动程序不会同时执行。

(1)公用程序

梯形图程序如图3.2,公用程序主要为M1-M3的变频、工频、备

图3.2公用程序

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变频恒压供水

用状态的设定。三台电机的工作状态不能相同，否则报警指示灯亮。

(2)手动程序

手动工作时，用对应按钮分别控制三台电机的变频/工频的运行。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的连锁。进水阀门也要手动控制运行或停止。程序如图3.3所示：

图3.3 手动程序

(3)自动程序

程序梯形图如图3.4所示，选择“自动”档位时，当按下开始按钮SB1，首先是变频泵起动运行，当用水量增大时，输出频率上升，电机转速增大；反之，当用水量减小时，输出频率下降，电机转速减小。当用水量持续增加，输出频率已达50Hz，供水压力降至下限且维持时间大于30s时，工频泵便自动运行，当再次达到上述条件时，备用泵再也会投入运行。当用水量逐步减少，供水压力升高至上限且持续时间大于30s，则备用泵、工频泵便依次退出运行，由变频泵维持正常供水。

图3.4 自动程序

当水位达到下限时，进水阀自动开启进水，直到水位达到上限结束。当水位下降到“下下限”位置时，水泵全部停止运行，防止水泵受到损伤。

由于在分部分程序设计时已经考虑各部分之间的相互联系，因此只要将公用程序、手动程序、自动程序按照总体结构综合起来即为变频恒压供水系统的PLC程序。

模拟调试时各部分程序可现分别调试，然后再进行全部程序的调试，也可以直接进行全部程序的调试。

总结

该篇论文由西门子S7-200系列PLC、TGCV5-H-4T15G变频器和压力传感器等组成的恒压供水系统，自动调节输出功率和投入泵数，达到恒压供水的目的。

该系统虽然没有实际应用，但在程序模拟时使用方便，工作可靠，具有较好的控制效果。同时恒压供水系统节能效果显著，节能率可达40%左右。由于由于采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。因此，采用PI C和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统，具有良好的技术、经济效益，有广阔的应用前景和推广价值。

通过这次毕业设计，我受益匪浅。刚开始的时候不知道从何下手。后来请教了老师和同学就渐渐的就入门了，随着时间的推移，感觉也越来越熟悉了。从这次毕业设计中，本人从中获得了几点心得：

（1）做事情应该重在实践，要自己亲自动手才能真正地掌握知识。遇到的问题应该尽量通过上网查资料自行解决。这样才能对知识牢固的掌握。（2）只有通过不断的学习，不断更新自己的知识体系结构，不断充实自己，才不会落后，才能有所作为。人应该活到老，学到老。

另外，设计中仍有些不足，例如自动化程度不是很高，软件程序有些复杂，望以后可以加以提升。

最后敬请各位老师和同学对论文和今后的研究工作提出宝贵的指导意见和建议。

致 谢

本论文是在老师的悉心指导下完成的。从论文的选题，分析过程到论文的书写过程，幸老师都给予了耐心的指导。幸老师学识渊博，治学严谨，思维创新，使我受益匪浅。幸老师不仅指导我学习本研究方向的专业知识，也教会了我用科学的思维方法去发现问题、解决问题。对我以后的学习和工作也起到了很好的指导作用。在此，我向幸老师致以最衷心的感谢，谢谢您！

在课题完成过程中同时也得到了同学和其他老师的无私帮助，在此也向他们表示感谢。

同时感谢全体老师和管理工作人员在我学习和生活中提供的各项便利、帮助、保障及指导。

特别地，对评阅本论文的各位专家表示衷心的感谢！

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变频恒压供水

参考文献

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(来自:WWw.fwwang.cn )

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附件 元器件明细表

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