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目录

一、绪论………………………………………………..

1.摘要……………………………………………………. 2．变频恒压供水系统组成简介....................

二、设计思想及方案的确定..................... 三、变频恒压供水系统的组成...................

1.系统的组成................................... 2.主电路图及其分析.............................. 3.控制电路及其说明.............................. 4. 变频恒压供水系统硬件设计......................

四、元器件的选择和主要参数计算…………………….

1.PLc选型………………………………………………… 2.变频器的选型…………………………………………… 3. PLc、变频器及电路要求………………………………

五、系统电路工作原理及分析…………………………… 六、元器件明细表………………………………………… 七、系统总原理图及程序图……………………………… 八、心得体会……………………………………………… 九、参考文献………………………………………………

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一、 绪论

1 摘要：

随着经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势

本论文分析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出控制方案，通过本论文采用变频器和PLc实现恒压供水和数据传输，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。并对系统采取的可靠性措施进行了说明。 小区变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。经实践证明该系统具有可靠性，并且节省了人力，带来很好的效益。 2．变频恒压供水系统组成简介

系统以抽水系统和加压系统两部分构成，抽水系统由一台功率70KW， 145A，扬程150米的深井泵构成。加压系统由三台功率30KW，65A，扬程100米的立式离心泵构成。整个系统采用通用变频器和PLc及压力传感器等构成，以PID为控制算法，有PLc控制变频与工频切换，使四台泵以先起后停的循环工作方式，实现闭环自动调整恒压供水。

二、 设计思想及方案的确定

在变频调速恒压供水系统中用水量是随用户多少及用水量多少而变化，因此根据最大估算用水量加入定量的泵加入控制，定量泵的运

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行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。

因此本设计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。

在住宅小区水厂的管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的。泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失，△H和流量Q为基本出发点，存在着如下关系，即：

△H=KQ2

式中，K为系数，设HL为压力最不利点所需的最低压力，则泵站出口总管压力H应按下式关系供水，才可满足用户用水的要求压力值，又有最佳的节能效果，即 H=HL+△H=HL+ KQ2

方案如图

方芳芳、】

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三、 变频恒压供水系统的组成

1. 系统的组成

整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLc和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调 工作以满足供水需要

1)执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网 调速泵:由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。

恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定。在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。

(2)信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:

①水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。

②报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。

(3)控制系统

供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLc系统)、变频器和电控设备三个部分。

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①供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。

②变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。

③电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLc和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要

恒压闭环控制系统

2. 主电路及其分析

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电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、 KM3、 KM5 分别为电动机M1 、M2 、M3 工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、 KM2 、KM4 分别为电动机M1、M2、 M3 变频运行时接通电源的控制接触器。

在总系统图中交流接触器组KM1,KM4分别控制泵1的变频运行和工频运行；KM2和KM5分别控制泵2的变频运行和工频运行；KM3和KM6分别控制泵3的变频运行和工频运行。

3. 控制电路及其说明

控制电路图如总系统图中电控系统电路所示：图中PLc上X0为手动|自动转换开关，手动运行时，可用按钮SB1-SB3 SB4-SB6控制三台泵的起停；自动运行时，系统在PLc程序控制下运行。

4. 变频恒压供水系统硬件设计

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1）、图中选用的是松下的PLc FP1c40型号 PLc接线图如总系统图中所示 2)、PLc程序控制图如后梯形图所示 3）、PLc I|o分配表如下:

手动|自动转X0 换开关 变频器Y0 正传信号KM0 KM1 KM2 KM3 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 1#泵变频 2#泵变频 3#泵变频 X1 X2 X3 X4 X5 X6 输入信号 1#泵工频 2#泵工频 3#泵工频 输出信号 KM4 KM5 KM6 频率上限信X7 号 频率下限信X8 号 加压系统启XB|Xc 动|停止

报警信Y7 号 报警信Y7 号 四、 元器件的选择和主要参数计算

1.PLc的选型

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PLc使用松下FP1c40型号，其有24个输入点和16个输出点，另加一个FP1-2D|A扩展单元，扩展单元可扩展4个模拟点。FP1是松下电工中的FP系列产品中一种功能很强的小型机，虽然其进入中国市场比较晚，但由于其设计上的独到之处和优良的控制功能，一推出就很受欢迎。FP1主控单元有高速计数器，可输入高达10KHZ的脉冲，本设计是输入两路脉冲。还可以输出频率可调的脉冲信号，具有8个中断源优先权管理。通过主机上配有的RS-422或RS-232接口，可实现PLc和Pc机之间的通信。FP1的硬件配置较全，主机可通过外界I|o扩展单元（扩展单元为一些扩展I|o点数的模块，由E8-E40系列组成）。FP1的智能单元主要有A|D、D|A模块。当需要对模拟量进行测量和控制时，可以连接智能单元。

2.变频器的选型

变频器采用ABB公司的AcS400变频器，该产品具有矢量控制，过流、过压、电机热保护、失速、瞬时关断保护、外部故障、脉冲编码、电机过载（V|F）、变频器过载保护等功能。通过PLc模拟量输出端子来控制变频器的频率及其复位操作，从而达到电机速度跟随压力给定，保证管网水压的恒定。

AcS400系列.AcS400的可靠性来自于灵活的模块化设计和最少的元件数量，AcS400是当前市场上体积最小的变频器之一。

3. PLc、变频器及电路要求

变频恒压供水系统输出压力一般小于或等于0.6Mpa，YTZ——150型带电接点式的压力传感器，其水压检测范围为0-1Mpa，检测精度

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为0.01Mpa，该传感器将0-1Mpa范围的压力对应转换成0-10V的

电信号。

AcS400技术数据 电源 电压：

一路： 三相 200-240V

另一路：三相 380-480V频率：48-63HZ

基本功率因素：大约0.98

电机 电压: 三相，0-Umains；Umax（弱磁点设定值） 频率：0-250HZ

连续负载能力（恒转矩，环境温度不超过40°c） comp-Ac 额定电流 12

环境温度最大40°c时的过载能力：

一路： 恒转矩 1.5*12，每10分钟允许1分钟 另一路：恒转矩 1.25*12，每10分钟允许2分钟

短时间工作制，间歇性或周期性负载时的过载能力，可根据要求提供相应数据。 电机额定电压：

一路： 200-240V 另一路：380-480V 开关频率：

一路： 4KHZ，标准型

10% 10%

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另一路：8KHZ，静音型 加速时间：0.1-1800s 减速时间：0.1-1800s

控制连接 两个可编程的模拟输入： 电压信号：0（2）-10V，190千欧 单端 电流信号：0（4）-20mA,500欧 单端 电位器给定：10V

2%，max. 10mA, 电阻值：1千欧- 10千欧

响应时间：小于等于60ms 分辨率： 0.1%；精度：一个可编程的模拟输出： 0（4）~20mA，负载<500欧姆 辅助电源：24VDc，max 250 mA 五个可编程的数字量输入：

12VDc，PnP和nPn逻辑（使用外部电源） 24VDc，PnP和nPn逻辑（使用外部电源） 输入阻抗：1.5千欧姆 响应时间：，不小于9ms 两个可编程的继电器输出： 分断电压：12~250VAc/30VDc 连续电流：10mA~2A 串行通讯能力：8

标准串行通讯位Modbus协议，另有多种通讯协议可选。

1%

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变频器有两个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的起动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。

PID选具有压力显示的PID调节器。

熔断器的选择：在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。 接触器的选择：对于接触器AM选择的是规格cJ10-100。 按钮SB的选择：PLc各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY——11型，其主要技术参数为：Un=24VDc，In=0.3A,含1对常开和1对常闭触点。

热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR1 FR2 FR3；JR16-60/3D。

五、系统电路工作原理及分析

1）原理：合上空气开关，供水系统投入运行。将手动.自动开关

打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLc中程序首先接通KM0，并起动变频器。根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号（IRF）给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限（设定为工频50Hz），会将频率到达信号送给PLc，PLc则根据管网压力的上下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起

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动第2台泵（或第3台泵）。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间（程序设定为15秒），则PLc会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速（时间设定为5秒）起动下一台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析，计算，判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上下限偏差范围之内。3台泵切换及变频控制程序框图如图3所示。

系统控制程序图

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增泵工作过程：增泵工作过程：假定增泵顺序为l、2、3泵。开始时，1泵电机在PLc控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限（50HZ），并稳定运行15s后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLc的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，延时1秒后，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵调速运行。如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。

减泵工作过程：减泵顺序依次为1,2,3泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限（30Hz），并稳定运行一段时间（30s）后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。

2）分析：（1）该系统逻辑控制采用PLc控制变频器实现调

速恒压供水，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，具有较好的控制效果。

该系统采用变频器调节水泵转速，使系统实现了高效节能，

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节能效率可达40%左右，同时由于采用变频器对电机实现软起动，减少了设备损耗，延长了水泵，电机设备的使用寿命。系统采用闭环控制，参数超调波动范围小，偏差能及时进行控制。变频器的加速和减速可根据工艺要求自动调节，控制精度高，能保证生产工艺稳定，而且由于变频调速器具有十分灵敏的故障检测，诊断，数字显示功能，提高了水泵运行的可靠性。综上所述，采用PLc和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，为供水领域的技术革新，开辟了切实有效的途径。 系统采用3台水泵并联运行方式，压力传感器将主水管网水压变换为电信号，经模拟量输入模块，输入PLc，PLc根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下稳定运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力稳定时，PLc给定的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLc检测到，PLc自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将下一台备用泵用变频器启动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，再将一台备用泵投入变频运行，当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号入仍出现，PLc首先将最先工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述2个信号仍存在时，PLc再停

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掉第2台工频运行的电机，直到最后一台泵用变频器恒压供水。

所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制，实现带载软起动，避免了启动大电流给水泵电机带来冲击，相对延长了电机的使用寿命。同时，系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死，这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效的防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。

（2）系统软件

1、手动运行模块

当系统处于手动运行时，PLc只接收各电路保护信号和各传感器信号，并由此判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。水泵的起、停和切换由人工通过面板上的按钮和开关来实现。

2、自动运行模块

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自动运行模块包括系统的初始化，开机命令的检测，数据采集子程序，控制量运算子程序，置初值子程序，电机控制子程序等。模块流程图如图2所示。其中：数据采集子程序完成对主水管压力的数据采集。控制量运算子程序完成变频器控制量的计算和控制量的输出，其中控制量的计算按PID控制规律进行。 （3）故障诊断和报警输出模块

变频器具有短路，过载等保护功能，当变频器所驱动的水泵电机发生短路，过载等故障时，变频器将自动切换一次供电回路，进入保护状态并输出报警信号。系统把各故障点相应的接触器，

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断路器等元件的辅助触点接到PLc，PLc扫描输入这些触电的状态，并通过PLc程序将这些状态存放在数据存储区，再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析，判断设备或元件是否出了故障，如果发生故障，则切断该泵的接触器，然后对变频器复位，再将备用泵的接触器接通，启动变频器运行备用泵，同时输出该泵故障报警信号。如电机故障指示灯亮等。

电机控制子程序完成对3台水泵的运行和停止控制。由于变频

器的输出频率与水泵的运转速度直接相关，用水量大时，变频器输出频率升高，水泵的运转速度大；用水量小时，频率降低，水泵的运转速度小。因此程序根据变频器的输出频率的大小就可以判断和控制水泵到工作状态。当频率上升到50Hz（即水泵全速运行时）仍不能满足供水需要时，则PLc自动将第一台泵切换到工频运行；第2台泵由变频器供电投入运行，如果第2台泵电机达到满转速时仍不能满足供水要求，则PLc自动将第2台泵切换到工频运行，第3台泵由变频器供电投入运行，依此规律逐个投入运行；当2台泵都处于工频全速运行方式，第3台泵处于变频运行工作方式时，如果此时用水量减小，变频器输出频率下降，当频率到达一定的下限30Hz时，供水量仍大于用水量，则系统自动将第三台泵停止运行。同样，第三台泵停机后，如果此时供水量仍大于用水量，则系统自动将第二台泵停止运行，依此类推。

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六．元器件明细表： 元件 可编程控制器 变频器 接触器 符号 PLc VVVF KM1~KM6 ０ Ｙ２００Ｌ１－电机 刀开关 热继电器 按钮 液位检测器 压力传感器 蓄水池 电机 熔断器

七．系统总电路图及ＰＬＣ梯形图

M1~M3 ２ QS1~QS3 FR1~FR3 ／３Ｄ SB1~SB9 SP M ８ FU1~FU3 ＲＴ０－４００ ３ ＬＡＹ３－１１ 压阻式 ＹＴＺ－１５０ １００吨 Ｙ２００Ｌ１－１ ９ １ １ １ ＨＲ３－３００ ＪＲ１６－６０３ ３ ３ 型号 松下FP1c40 ABB/AcS400 ＣＪ１０－１０６ 数量 １ １ 陕西工业职业技术学院

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八．心得体会：

一个月的毕业设计即将结束，回想设计的过程，我感触颇多，虽然这中间遇到了不少的问题，让我不知所措，但是在我们的指导老师帮助下，困难一个一个的迎刃而解，随着设计渐渐接近尾声，我们从中学到了许多我们以前不曾接触过的知识，也让我们明白“纸上谈兵终觉浅，绝知此事要躬行”。

虽然这中间遇到了不少的问题，让我不知所措，但是在我们的指导老师帮助下，同组同学的努力下，困难一个一个的迎刃而解，随着设计渐渐接近尾声，我们从中学到了许多我们以前不曾接触过的知识，也让我们明白了理论要与实际相结合才能真正的有价值。

本次设计的顺利完成，首先感谢三年来为我们代课的所有老师，再次向他们致以最高的敬意，其次，要感谢我们的指导老师，要不是他的倾囊相授，我们的毕业设计也不会这么顺利完成，还要感谢我们同组的成员们，是你们的鼓励与支持支撑着我前行。此过程中的艰难与坎坷也只有经历过过的人才会体会，不过我很高兴，因为学到

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了许多东西，体会到了成功的喜悦。最后，还要感谢所有关心、帮助过我的同学和朋友们。

九，参考文献：

１． 张燕宾《变频器及应用》。

２． 有关艾默生，ＡＢＢ，富士，台达变频器使用手册及参考书。

３． 《电机与电气控制》《检测与转换技术》《可编程序控制器及应用》等教材。