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1、封面作者： PanHongliang仅供个人学习毕业设计任务书设计题目：（ 变频器在恒压供水中的应用）学校：河南工院 学号： 0202180650姓名：梁少森班级：机电 0806指导老师：周伟PLC、变频器恒压供水的设计摘 要传统的供水系统存在着占地面积大、建设费用高、治理爱护复杂困难、供水质量 低下等缺点和不足；为明白决这些问题，本文采纳掌握技术和变频调速技术相结合的 方法来争论恒压供水系统，该系统与现场液位传感器、压力传感器一起组成了两个独 立的闭环掌握子系统；设计好的系统每天24 小时不间断按预先设定的水压恒定地向城市供水，保证了水厂的不间断生产；通过该工程的研制和应用，不仅能够节省珍贵
2、 的水、电资源，降低了生产成本，削减设备爱护，降低修理成本；而且提高了整个水 厂的生产调度治理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率；论文论述了采纳 多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析 了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题；给出了实现有效状态循环转换掌握的电气设计方案和PLC掌握程序设计方案；通过对运算机和PLC之间通信协议的争论，完成了上、下位机的通信设置，给出了运算机监控程序编写方法，通过通信模块实现了对供水系统的远程监控和故障报警；关键字 ： 恒压供水； 掌握；变频器 ； PLC目录PLC 变频器恒压供水系统的设计 II摘 要 II
3、ABSTRACT 错误！未定义书签；2. 变频器 113. 1 PLC的定义 173. 2 PLC的特点 173. 3 PLC的组成 193. 4 PLC的应用领域 213. 5 PLC的工作方式 223. 6 PLC工作过程 223. 7 PLC机型挑选 233. 8 SIMATIC S7-200 产品介绍 25 4.1 S7-200掌握原理 294.1.1 掌握原理 294.1.3 系统的软件设计 314.2 PID 的相关学问 324.2.1 PID 的参数的预置与调整 324.2.2 PID 调剂器在掌握回路中的工作过程334.3 压力传感器工作原理 344.4 变频器的基本掌握原理
4、345.1 系统组成 365.2 系统掌握工作原理 375.3 变频器恒压供水系统硬件设计 385.4 变频器恒压供水系统软件设计 385.5 系统工作过程 39结论 39参考文献 411 绪论1.1 课题背景及意义众所周知，水是人类生活、生产中不行缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特点的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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始终比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的进展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深化，城市中各类小区建设进展特别快速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求；小区供水系统的建设是其
5、中的一个重要方面，供水的牢靠性、稳固性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接表达了小区物业治理水平的高低；传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：l 、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出准时的反应，水泵的增减都依靠人工进行手工操作，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，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严峻，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采 用；2、水塔高位水箱供水具有掌握方式简洁、运行经济
6、合理、短时间修理或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，爱护不便利，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，目前主要应用于高层建 筑；3、气压罐供水具有体积小、技术简洁、不受高度限制等特点，但此方式调剂量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统爱护工作量大，而且为削减水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使铺张加大，从而限制了其进展；4、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需常常检修；优点是价格低廉，结构简洁明白，修理便利；5、单片机变频调速供水系
7、统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素养要求比较高，牢靠性比较低，修理不便利，且不适用于恶劣的工业环境；综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在铺张水力、电力资源；效率低；牢靠性差；自动化程度不高等缺点，严峻影响了居民的用水和工业系统中的用水；目前的供水方式朝向高效节能、自动牢靠的方向进展，变频调速技术以其显著的节能成效和稳固牢靠的掌握方式，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，特殊是在城乡工业用水的各级加压系 统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能成效尤为突出，其优越性表现在：是节能显著；二是在开、停机时
8、能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗口1；PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代掌握技术于一体；采纳该系统进行供水可以提高供水系统的稳固性和牢靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今日尤为重要，所以争论设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义；1.2 变频恒压供水系统的国内外争论现状变频恒压供水是在变频调速技术的进展之后逐步进展起来的；在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率掌握、升降速掌握、正反转掌握、起制动掌握、起制动掌握、压频比掌握及各种爱护功能；应用在变频恒压供水
9、系统中，变频器仅作为执行机构，为了满意供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部供应压力掌握器和压力传感器，对压力进行闭环掌握；从查阅的资料的情形来看，国外的恒压供水工程在设计时都采纳一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情形，因而投资成本高；随着变频技术的进展和变频恒压供水系统的稳固性、牢靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能成效被大家发觉和认可后，国外很多生产变频器的厂家开头重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式 、“变频泵循环方式一两种模式，它将 PID调剂器和 PLC
10、可编程掌握器等硬件集成在变频 器掌握基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载 配套的恒压供水单元，便可直接掌握多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机 泵 的供水系统；这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏敏捷性，系统的动态性能和稳固性不高，与别的监控系统 如BA系统 和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范畴将会受到限制；目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采纳国外的变频器掌握水泵的转速，水管管网压力的闭环调剂及多台水泵的循环掌握，有的采纳可 编程掌握器 PLC及相应的软件予以实现：有的采
11、纳单片机及相应的软件予以实现；但在系统的动态性能、稳固性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，仍远远没能达到全部用户的要求；原深圳华为 现己更名为艾默生 电气公司和成都期望集团 森兰变频器 也推出了厦压供水专用变频器5.5kw 22kw，无需外接 PLC和PID调剂器，可完成最多 4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环；该变频器将压力闭环调剂与循环规律掌握功能集成在 变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不便利且不具有 数据通信功能，因此只适用于小容量，掌握要求不高的供水场所；可以看出， 目前在国内外变频调速恒压供水掌握系统的争论设计中，对于能适应不同的用 水场合
12、，结合现代掌握技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性EMC，的变频恒压供水系统的水压闭环掌握争论得不够；因此，有待于进一步争论改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践；1.3 变频调速的进展简况变频技术是应沟通电机无级调速的需要而产生的；20世纪60岁月后半期开头，电力电子器件从 SCR晶闸管 、GTON极可关断晶闸管 、BJT双极型功率晶体管 、MOSFET金 属氧化物场效应管 、SIT 静电感应晶体管 、SITH静电感应晶闸管 、MGTMO控S制晶体管 、MCT掌握晶闸管 进展到今日的 IGBT绝缘栅双极型晶体管 、HVIGBT耐高压绝缘栅双极型晶闸管 ，器件的
13、更新促使电力变换技术的不断进展； 20世纪70岁月开头，脉宽调制变压变频 PVM-VVVF调速争论引起了人们的高度重视，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的深厚爱好，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式成效正确； VVVF变频器的掌握相对简洁，机械特性硬度也较好，能够满意一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用；但是，这种掌握方式在低频时，由于输出电 压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小；另外， 其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩才能和静态调速性能都仍不尽如 人意，因此人们又争论出矢量掌握变频调速；矢量掌握变频调速的做法是：将 异步
14、电动机在三相坐标系下的定子沟通电流再通过按转子磁场定向旋转变换， 等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1、It l Im l 相当于直流电动机的励磁电流， nl 相当于与转矩成正比的电枢电流 ，然后仿照直流电动机的掌握方法，求得直流电动机的掌握量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的掌握； 矢量掌握方法的提出具有划时代的意义；然而在实际应用中，由于转子磁链难 以精确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机掌握过 程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的掌握成效难以达到抱负分析的结果；现在，变频调速技术已被国内外公认为沟通调速领域里最抱负调速方式， 特殊是高压大功率的变频调速
15、器的研制，具有宽阔的市场前景和重要的理论争论价值，在工业应用各相关领域，对原有传动系统进行变频改造也是势在必 行，无疑会优化资源配置，改善原有系统的运行并产生较大的经济效益；1.4 变频调速的优点和现实意义沟通调速从用途上可以分为工艺调速和节能调速，前者如轧钢机、造纸 机、矿井卷扬机、机床、电梯等；这类生产工艺要求的调速，调速的指标较 高，即要求有宽的调速范畴，小的静差率，快的动态响应；目前这类调速多采纳变频变压 VVVF的矢量掌握方式，正在进展的调速方式是直接转矩掌握的变频调速；后者如风机、泵类电机，应用量很大，节电成效很可观，可达30 - 40；据有关部门统计，在我国的工业电动机负荷中，沟
16、通电机占90左右；其中鼠笼型电动机又占沟通电机的 90以上；沟通电机的负载主要是风机、泵类平方根转矩电动设备、恒转矩电动设备、以及倒数转矩类电动设备，虽然这 几类设备节能潜力不同，但一般都在 20以上；变频调速的优点是可以做到无级并精确调速，调速范畴大，变频调速系统可同时满意调速精度和节能两个要求，达到高性能、高动态、高品质的行业标 准；并且正日益向着智能化、自适应化、自诊断的方向进展，给各种实际应用带来很大的便利和经济效益；当今微电子技术快速进展，器件质量好，也为能供应高性能，高牢靠性，高掌握精度的变频器制造了条件；推广变频调速的现实意义：(1) 可以大大提高生产设备加工工艺精度、工艺水平、
17、生产效率，进而提高产品质量和数量；(2) 节能和环保意义；泵和风机负载的耗电量约占工业总用电量的50左右；变频调速技术用于泵和风机的感应电动机，节能成效显著，可以达到200-60 ，并且输出谐波小，对电网污染小，简洁满意国际和国内标准；(3) 削减生产机械的体积和重量，削减金属耗量和成本，增加产品竞争力；(4) 变频调速简洁实现电机的频繁起动及软启动，对电机冲击小，不需电机降额使用，延长驱动部件的寿命；1.5 变频恒压供水系统特点及其安全性争论变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合，在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点：1) 滞后性：供水系统的掌握对
18、象是用户管网的水压，它是一个过程掌握量，同 其他一些过程掌握量 如：温度、流量、浓度等 一样，对掌握作用的响应具有滞后性，同时用于水泵转速掌握的变频器也存在肯定的滞后效应；2) 非线形：用户管网中由于有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统；3) 多变性：变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面对各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其掌握对象的模型具有很强的多变性；4) 时变性：在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入掌握，而定量泵 的掌握
19、包括定量泵的停止和运行 是时时发生的，同时定量泵的运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 速恒压供水系统的掌握对象是时变的；5) 容错性：当显现意外的情形 如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等 时，系统能依据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压 力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定；在故障发生时，执行特地的故 障程序，保证在紧急情形下的仍能进行供水；6) 可扩充性：水泵的电气掌握柜，具有远程和就地掌握的功能和数据通讯接口，能与掌握信号或掌握软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等；7) 节能性：系统
20、用变频器进行调速，用调剂泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能成效显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从0到电机额定电流，削减了启动电流对电网的冲击的同时削减了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命；影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短时间内，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，如同锤子敲击管子一样的现象；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，水锤效应仍可能损坏阀门和固定件；而采纳变频调速，对系统的安全性有一系列的好处：1) 产生水锤效应的根本缘由
21、是：水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的庞大变化而引起的；采纳变频调速，通过削减动态转矩，可以实现排除水锤效应，削减了对水泵及管道系统所受的冲击，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，从而减小叶片承担的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长；3) 变频调速的软启动器防止了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命；1.6 本课题的主要争论内容本文主要通过对现有供水系统的调研和分析，依据用户对供水系统的要求，确定以牢靠性高、使用简洁、爱护便利、编程敏捷的工控设备变频器和PLC作为主要掌握设备来设计变频调速恒压供水系统，并引入运算机
22、对供水系统进行远程监控与治理，保证整个系统运行牢靠，安全节能，获得正确的运行工 况；具体而言，论文包括以下内容：1) 论文在对课题进行分析和争论的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的争论内容和争论方法；2) 分析了变频恒压供水系统节能的原理，给出了恒压供水的理论模型及近似的数学模型；确定变频恒压供水系统的掌握方案，给出了变频恒压供水的掌握流程及工作原理；最终分析了在变频恒压供水中，水泵切换的条件；3) 论文就变频调速恒压供水掌握系统的设计做了具体的分析和争论；从用户的需求入手确定合适的设备选型；具体分析全自动变频恒压运行方式水泵运行的 各种工况及其转换过程，争论 PLC的程序设计
23、方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统掌握程序的功能模块和设计方案；在介绍PID调剂原理的基础上，分析利用 PID调剂原理实现恒压供水的调剂过程，给出PID参数设置方法； 最终仍提出了保证系统牢靠性的一些措施；2. 变频器2.1 变频器的概述2.1.1 定义变频器是把工频电源 50Hz 或 60Hz变换成各种频率的沟通电源，以实现电机的变速运行的设备；其中掌握电路完成对主电路的掌握，整流电路将沟通 电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路 将直流电再逆变成沟通电；对于如矢量掌握变频器这种需要大量运算的变频 器来说，有时仍需要一个进行转矩运算的CPU 以及一些相应
24、的电路2.1.2 主要结构1. 整流器，它与单相或三相沟通电源相连接，产生脉动的直流电压；2. 中间电路，有以下三种作用：a.使脉动的直流电压变得稳固或平滑，供逆变器使用；b.通过开关电源为各个掌握线路供电；c.可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能；3. 逆变器，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的沟通电压；4. 掌握电路，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来 自这些部分的信号；其主要组成部分是：输出驱动电路、操作掌握电路；主 要功能是： a.利用信号来开关逆变器的半导体器件；b.供应操作变频器的各种掌握信号； c.监视变频器的工作状态，供应爱护功能变频器外围设备的种类与
25、用途电源变压器 T电源侧断路器 QF 电磁接触器 1KM无线电噪声滤波器 FIL 电源侧沟通电抗器 1ACL 、2ACL制动电阻 R电动机侧电磁接触器 2KM I 频电网切换用接触器 3KM 电动机侧沟通电抗器 2ACL2.1.3 变频器的外围设备及其挑选（1）电源变压器 T电源变压器用于将高压电源变换到通用变频器所需的电压等级，考虑到变频器的输入电流有肯定量的高次谐波，使电源侧的功 率因数降低，加上变频器运行效率的影响，变压器的容量按如下式考虑频器的输变出功率变压器的容量（ KVA）=变频器输入功率因数 X 变频器效率其中变频器的功率因数在有输入沟通电抗器1ACL 时取 0.80.85,无输
26、入电抗器 1ACL 时就取 0.60.8；变频器效率可取 0.95，变频器输出功率应为所接电动机的总功率；变频器生产厂家所举荐的变压器容量的参考值，常取变频器容量的 130%左右；（2） ）电源侧断路器 QF用于电源回路的开闭，并且在显现过流或短路事故时自动切断电源，以防事故扩大；假如需要进行接地爱护，也可以采纳漏电爱护式断路器；使用变频器无例外地都应采纳QF；（3） ）电磁接触器 1KM 用于电源的开闭，在变频器爱护功能起作用时，切断电源；对于电网停电后的复电，可以防止自动再投入以爱护设备的安全及人身安全；（4） ）无线电噪声滤波器 FIL 用于限制变频器因高次谐波对外界的干扰，可酌情选用；
27、（5） ）沟通电抗器 1ACL 和 2ACL1ACL 用于抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因数；选用与否视电源变压器与变频器容量的匹配情形及电网电压答应的畸变程度而定； 2ACL 用于改善变频器输出电流的波形，减低电动机的噪声；（6） ）制动电阻单元 R用于吸取电动机再生制动的再生电能；可以缩短大惯量负载的自由停车时间；仍可以在位能负载下放时，实现再生运行；（7） ）电磁接触器 2KM 和 3KM 用于变频器和工频电网之间的切换运行；在这种方式下 2KM 是必不行少的，它和 3KM 之间的联锁可以防止变频器的输出端接到工频电网上；一旦显现变频器输出端误接到工频电网的情形，将损坏变频器；假如
28、不需要变频器 工频电网的切换功能，可以不要2KM ；2.1.4 制动电阻的运算在异步电动机因设定频率下降而减速时，假如轴转速高于由频率所打算的同步转速，就异步电动机处于再生发电运行状态；运动系统中所储备的动能经逆变器回馈到直流侧，中间直流回路的滤波电容器的电压会因吸取这部分回馈能量而提高；假如回馈能量较大，就有可能使变频器的过压爱护功能动 作；利用制动电阻可耗散这部分能量，使电动机的制动才能提高；制动电阻的挑选，可按如下步骤进行：（1） ）制动转矩的运算制动转矩 TB 可由下式算出：GD2M+GD2Ln1 n2TB=T L N.m375ts式中GD2M 电动机的 GD2N.m2 GD2L负载折
29、算到电动机轴上的 GD2 TL负载转矩 N.mn1 减速开头速度（ r/min ）N2减速完了速度（ r/min ）ts减速时间（ s）（2） ）制动电阻阻值的运算在附加制动电阻进行制动的情形下，电动机内部的有功损耗部分，折合成制动转矩，大约为电动机额定转矩的20%；考虑到这一点，可用下式来运算U2CRBO =UC 直流回路电压（ V）TB 制动转矩 N.m TM 电动机额定转矩N1开头减速时的速度1.04TB -0.2TM n1假如系统所需制动转矩TB0.2 TM, 时，系统就有需要另外的制动电阻，仅电动机内部的有功损耗的作用，就可使中间直流回路电压限制在过压爱护的动作水平以下（3） ）制动
30、时平均消耗功率的运算如前所述，制动中电动机自身损耗的功率相当于20%额定值的制动转矩，因此制动电阻器上消耗的平均功率Pro（KW ）可以求出：N1+n2Pro=1.047TB-0.2TMX 10-3 KW2.1.5 变频器硬件设计380V去 PLC接传感器F1Fc电机M 1M 2 M AM C去 PLC接指示灯变频器选用日本安川变频器 CIMR-P5A 45P5产品,适配电机 5. 5 kW ,该变频器基本配置中带有 P ID功能.通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给 定值,压力传感器反馈来的压力信号 0 10 V 接至变频器的帮助输入端 FI 、FC, 作为压力反馈 ,变频器依据压力给定
31、和实测压力,调剂输出频率 ,转变水泵转速,掌握管网压力保持在给定压力值上 1 .如图3所示. M1 、M2为变频器的极限输出频率的检测输出信号端 ,该信号进 PLC, 作为泵变频与工频切换的掌握信息之一 ,变频器的极限输出频率通过面板可以设定.MA、MC为变频器发生故障的输出信号 ,该两端连接信号灯 ,以显示变频器故障 ,变频器面板上有故障复位按键 ,轻故障用复位按键复位 ,可重新启动变频器 . S1 和S3短接,并与Sc 连接到PLC 的输出点上 ,由PLC 掌握变频器的运行与关断； U、V、W输出端并联两个接触器分别接 P1、P2泵电机 ,变频器可分别驱动两台泵 , P1 、P2泵电机仍通
32、过另外两个接触器并联到工频电源上,这四个接触器线包连接到 PLC 的四个输出点上 ,由PLC 掌握其工频、变频切换工作 .R STS1UP1S2VP2VVVFW2.1.6 变频器的应用水泵在运行中普遍存在以下三个问题：单机效率低，系统运行效率低，多数风机、水泵都要靠阀门来节流、增压，铺张大量的电能另外，在节能调剂方式中，电动机、水泵等长期处于高速、大负载下运行，造成爱护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，污染环境；出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采纳变频调速器易操作、免修理、掌握精度高，并且可以实现高功能优化等特点，设计人员采纳变频器驱动的方案逐步取代风门、挡板、阀门的
33、掌握方案；通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速与流量，压力以及轴功率具有如下关系：即，流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比； 以一台水泵为例，它的出口压头为 出口压头即泵入口和管路出口的静压力差；额定转速，阀门全开时的管阻特性为，额定工况下与之对应的压力为，出 口流量为；流量转速压力关系曲线如图1.1所示；在现场掌握中，要求管网压力不得低于，在此范畴内调剂系统供水流量；通常采纳水泵定速运行，调剂出口阀门开度掌握流量；当流量从减小到50%至时，阀门开度减小使管网阻力特性由变为，系统工作点沿方向由原先的A 点移至 B 点，受其节流作用使得泵口
34、压力由变为，管网压力就由于节能缘由降至；2.2 工艺流程简介系统投入时，用 3 台泵供水；假设第一用 1 号泵供水，开头用变频运行；假如供水管网欠压，其转速由零逐步增加，管网水压上升；如用水量大，就管网水压达不到设定值，经过肯定的延时后，将1 号泵由变频运行切换为工频运行，同时启动泵 2 变频，通过压力传感器的压力信号反馈掌握转速，使得转速动态跟随供水压力的变化；假如管网水压仍低于设定值，先延时切除泵2 的变频运行，将泵 2 转换为工频运行，同时将泵3 启动为变频运行；如此递推，直到泵 1、2、3 全都运行在工频态，此时系统满负荷运行；假如仍不能达到恒压的掌握目的，就说明系统设计的有问题，或者
35、是水泵的总供水量满意不了用户的需求，或者是管压参数的定位有问题，需重新调整，相应增加水泵台数或对管压参数作相应的修改；图 2.1 启动程序流程图在用水量削减时 假设此时泵 1、2、3 都工频运行 ，由于供水管网积水蓄压，管网水压上升，依据“先投先停”的原就，掌握系统使泵 1 工频切换为变频运行，通过 PID 的调剂作用变频器使 1 号泵转速下降；当转速下降到下限值 本设计中为零转速 时， 1 号泵停止运行，如仍不能使管网水压下降到设定值，就掌握系统将运行在工频态的2 号泵工频切除，转换为变频运行；如管网水压仍高于设定值，就又将2 号泵停止运行且将运行在工频的3 号泵工频态切除，由 3 号泵运行
36、在变频态，连续调剂水压，逐步使其稳固在设定值，最终一直到全部泵都停止运行；实际上，系统的大部分时间应当是工作在2 工频 1 变频的状态，转速跟随供水管网压力的变化；在以上的掌握流程中，水泵的启动和运行都需考虑延时的问题，一方面防止发生切换振荡，另一方面保证水泵的次序投入和切除；3 PLC 系统的基本学问及选型3.1 PLC 的定义可编程掌握器 PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计；它采纳了可编程序的储备器，用来在其内部储备执行规律运算、次序控 制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，掌握各种类型的生产过程；他将传统的继电器掌握技术、运算机掌握技
37、术和通信技术融为一体，具有功能强、通用敏捷、牢靠性强、环境适应性好、编程简洁、使用便利、体积小、重量轻、功耗低等一系列优点；近年来，随着可编程掌握器的日渐成熟，越来越多设备的掌握都采纳PLC 掌握器来代替传统的继电器掌握，并取得了很好的经济效益；3.2 PLC 的特点随着运算机技术、通信技术和自动掌握技术的快速进展，可编程序掌握器 将传统的继电器掌握技术与新兴的运算机技术和通信技术融为一体，具有牢靠 性高、功能强、应用敏捷、编程简洁、使用便利等一系列优点，以及良好的工 业环境工作性能和自动掌握目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用；1969年，美国数字设备公司 DEC研制出世界上第一台可编
38、程掌握器；早期的可编程掌握器由分别元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的次序掌握、定时等； 70岁月初期，体积小、功能强和价格廉价的微处理器被用于 PLC，使得 PLC的功能大大增强；在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，仍增加了模拟量模块、远程I O模块和各种特殊功能模块；在软件方面， PLC采纳极易为电气人员把握的梯形图编程语言，除了保持原有的规律运算等功能以外，仍增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能；进入 80岁月中、后期，由于超大规模集成电路技术的快速进展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得 PLC所采纳的微处理器的档次普遍提高；而且，为了进一步
39、提高 PLC的处理速度，各制造厂商仍研制开发了专用规律处理芯片，大大提高了 PLC软、硬件功能；在发达工业国家， PLC己经广泛的应用在全部的工业部门；据“美国市场信息力的世界 PLC以及软件市场报告称， 1995年全球 PLC 及其软件的市场经济规模约 50亿美元，随着电子技术和运算机技术的进展，PLC 的功能得到大大的增强，具有以下特点：1) 牢靠性高； PLC的高牢靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式；2) 具有丰富的 I O接口模块； PLC针对不同的工业现场信号，有相应的 I O模块与工业现场的器件或设备直接连接；另外为了提高操作性能，它仍有多种人机对
40、话的接口模块；为了组成工业局部网络，它仍有多种通讯联网的接口模块；3) 采纳模块化结构；为了适应各种工业掌握需要，除了单元式的小型 PLC以外， 绝大多数 PLC均采纳模块化结构； PLC的各个部件，包括 CPU、电源、 I O等均采纳模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可依据用户的需要自行组合；4) 编程简洁易学； PLC的编程大多采纳类似于继电器掌握线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备运算机的特地学问，因此很简洁被一般工程技术人员 所懂得和把握；5) 安装简洁，修理便利； PLC不需要特地的机房，可以在各种工业环境下直接运行；各种模块上均有运行和故障指示装置，便
41、于用户明白运行情形和查找故障；由于采纳模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块 的方法，使系统快速复原运行；由于 PLC强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用； PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动掌握系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCAD系A 统和供水管网信息治理系统等；其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程掌握、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等3.3 PLC 的组成1. 中心处理单元 CPU中心处理单元一般由掌握器、运算器和寄存器组成，CPU 是 PLC 的核心， 主要任务有掌握用户程序和数据的接受与储备；用扫描的方式
42、通过I/O 部件接受现场信号的状态或数据，并存入输入印象寄存器或数据储备器中；诊断PLC 内部电路的工作故障和编程中语法错误等；PLC 进入运行状态后，从储备器逐条读取用户指令，经过命令说明后按指令规定的任务进行数据传送、规律或算数运算；依据运算结果，更新有关标志位的状态和输出印象寄存器的内容，再经输出部件实现输出掌握、制表、打印或数据通信等功能；2. 储备器储备器包括：系统储备器和用户储备器；系统储备器用来存放有PLC 生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM 内，用户不能直接转变；它使PLC 具有基本的功能，能够完成 PLC 设计者规定的各项工作；系统程序的好坏，很大程度上打算了PLC 的性
43、能，其内容主要包括三部分；第一部分为系统治理程序；这样掌握PLC 的运行，使整个 PLC 按部就班地工作；其次部分为用户指令说明程序；通过用户说明程序，将PLC 的编程语言变成机械语言指令，再由CPU 执行这些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用；它包括很多不同功能的子程序及其调用治理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序；PLC 的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也打算了PLC 性能的高低；用户储备器包括用户程序储备器和数据储备器两部分；用户程序储备器用来存放用户针对具体掌握任务用规定的PLC 编程语言编写的各种用户程序；用户数据储备器可以用来存放用户程序中所使用器件
44、的ON/OFF 的状态和数值、数据等；3. 输入/ 输出单元PLC 的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量；输入/输出单元从广义上包含两部分：一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的印象寄存器；输入单元接受来自用户设备的各种掌握信号，如限位开关、操作按钮、挑选开关、行程开关以及其它一些传感器的信号；通过接口电路将这些信号转换成中心处理器能够识别和处理的信号，并存到输入印象寄存器；运行时CPU 从印象寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出印象寄存器；输出印象寄存器有输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电掌握信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀
45、、接触器、指示灯等被控执行元件；4. 电源部分PLC 一般使用 220V 的沟通电源，内部的开关电源为 PLC 的中心处理器、储备器等电路供应 5V 、 12V 、24V 等直流电源，使 PLC 能正常工作；5. 扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使 PLC 的配置更加敏捷以满意不同掌握系统的需求；6. 通信接口为了实现人机对话， PLC 配有多种通信接口； PLC 通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的 PLC 或计数机相连；当 PLC 与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器相连时，可将过程图像显示出来；当与其他的PLC 相连时，可以组成多
46、机系统或连成网络，实现更大规模的掌握；当与计数机相连时，可以组成多级掌握系统，实现掌握与治理相结合掌握；7. 编程器编程器的作用是供用户进行编制、编辑、调试和监视；编程器有简易型和智能型两种；简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化成机器语言助记符后，才能输入；它一般由简易键盘和发光二极管和其他显示器件组成；智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有 LCD 或 CRT 图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话；8. 其他部件有些 PLC 仍可以配有 EPROM 写入器、储备器卡等其他外部设备；3.4 PLC 的应用领域1. 数字量规律掌握PLC 用“与”、“或”、“非”等规律指令来实现触点和电路的串、并连，代替继