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恒压供水控制系统
第一章绪论
1.1课题的的产生及其研究意义
水是万物之源，在现实生产生活中不可或缺。
在我国水资源和电能短缺的客观现状下，节水节能就成为了当前迫切需要进行推广的。
但是，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环用水等几个方面和供水技术一直比较落后且自动化程度低。
主要表现在用水高峰期水的供给量常常低于需求量，水压降低无法正常供水，但在用水低谷期水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供水供过于求的现象。
这样不仅造成水资源及电能的浪费，同时水压过高有可能导致输水管爆裂和用水设备的损坏。
在这样的历史背景下，恒压供水控制系统应运而生。
1.2恒压供水控制系统的国内外研究概况
恒压供水控制系统是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水控制系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。
从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用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况，因而投资成本高。
即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一）后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水控制功能的变频器，像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。
目前国内有不少在做变频恒压供水工程的公司，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速。
对于水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。
在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。
深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器（2.2kw-30kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环（丹麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换）。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制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，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制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控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。
因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于居民生活、工业生产中。
采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。
这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以水管进口压力保持恒定为条件，实际上给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。
因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。
变频调速优于以往的调压调速、变极调速、串级调速等调速方法，其是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术；电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。
1.3PLC变频恒压供水系统的优点及可行性分析
通常变频恒业供水存在以下6个特点特点：
1、节能，可以实现节点20%-40%，能实现绿色用电；
2、占地面积小，投入少，效率高；
3、配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠；
4、运行合理，系统的软起和软停，不但消除水锤效应，而且缩短电机轴上的平均扭矩和减少磨损，减少了维修量和维修费用，并且延长水泵的寿命；
5、由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头；
6、通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。
第二章恒压供水控制系统总体设计方案
2.1变频恒压供水系统的特点
传统的供水方式普遍存在不同程度水力、电力资源的浪费；供水系统效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中用水。
目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，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，特别是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，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：
一是节能显著；二是在开、停机时能减少电流对电网的冲击以及供水对管网系统的冲击；三是能减少水泵、电机自身的机械冲击损耗。
变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:
（1）变频恒压供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量（如:
温度、流量、浓度等）一样，对控制作用的响应具有滞后性。
同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
（2）变频调速恒压供水系统是一个线性系统。
由于用户管网中有管阻、水锤等因素的存在，同时又水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成线性变化。
（3）变频调速恒压供水系统面向各种各样的供水系统具有广泛的通用性，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，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
（4）变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。
由于系统中有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（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。
（5）当出现意外的情况（如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。
在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。
2.2系统原理及电气控制要求
图2.1系统原理结构框图
如图2.1，整个系统由电机泵组（3台）、一台变频调速器、一台PLC300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，三台水泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器（反馈0—5V电压信号）或压力变送器（反馈4—20mA）；变频器是恒压供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、波动稳压的效果和各项功能。
图2.2变频恒压供水构成图
从原理框图2.2，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。
（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.通常这些水泵包括:
变量泵:
是由变频调速器控制、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。
定量泵:
水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以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：
水压信号：
它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制系统的主要反馈信号。
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系统柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。
供水控制器：
它是整个变频恒压控制系统的核心。
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。
变频器：
它是对水泵进行转速控制单元。
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。
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等。
（4）人机界面
人机界面是人与机器进行信息交流的场所。
通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定。
（5）通讯接口
通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换。
（6）报警装置
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。
由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量实时反馈，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。
2.3系统设计
系统主电路图如下：
图2.3主电路图
由图2.3可以看出，合上空气开关，供水系统投入运行。
PLC中程序首先接通KM6，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器的运行频率是否到达信号，由程序判断是否要起动第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，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速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，使管压设定值的上、下限偏差范围之内。
增泵工作过程：
假定增泵顺序为1、2、3泵。
开始时，1泵电机在PLC控制下线投入调速运行，其运行速度由变频器调节。
当供水压力小于压力设定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，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到设定值，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，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泵投入调速运行。
如果还没有达到设定值，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：
假定减泵顺序依次为3、2、1泵。
当供水压力大于设定值时，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，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于设定值，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。
2.4控制思想
本设计的程序流程图如下，启动系统后首先判断报警信号是否有效，有效则停泵和报警输出，无效则设定水压设定，如果设定水压等于实际水压则无其他操作，如果实际水压大于设定水压执行降压控制，反之，执行升压控制。
图2.4变频恒压供水系统控制流程图
第三章系统硬件组成及选型
本设计中，变频恒压供水系统它主要是由西门子PLC300、变频器、触摸屏、压力传感器、以及3台水泵等组成。
用户通过触摸屏上的控制画面和趋势试图来了解和控制系统的运行。
3.1PLC
可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。
继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。
由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。
可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。
在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。
图3.1PLC的硬件结构框图
可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。
随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。
现在的PLC已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。
美国电气制造商协会（NEMA）将其正式命名为可编程控制器（ProgrammableController），简称PC，但是为了和个人计算机（Persona1Computer）的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC。
3.1.1PLC在恒压供水系统中的任务
（1）PLC用来调节水压的给定值和反馈值。
而且，在PLC产生之前，用调节器设定PID参数，一个传统的调节器只能达到一路控制，用PLC作为调节器，只要在PLC里设定相应的数字参数便可实现多路PID控制。
（2）控制多个水泵的运行及切换。
在恒压供水系统中，由于需要根据管网水压的大小来改变水泵的运行状态，PLC的输出继电器就是控制多个水泵之间的工频/变频切换以及水泵的启停控制。
（3）变频器的驱动。
在系统中，管网水压等信号量都属于模拟量，所以在PLC主机外需要扩展一个模拟量输入输出模块。
利用该模块输入压力传感器发来的信号并转化为模拟信号，将这个输出的值与给定值和反馈值比较，并将比较结果经PLC的PID模块FB41处理转换后由模拟量输出模块输出模拟量，进而控制变频器的运行。
3.1.2PLC的选型
本次设计任务书中要求使用西门子PLCS7-300，因此接下来是以S7-300PLC为例介绍的。
S7-300PLC具有其他型号PLC的所有优点，且在本设计中由于需要实时采集管网水压信号，因此，需要模拟量输入\输出模块；而PLCS7-300有此模块FC105\FC106。
PLCS7-300还具有内置PID模块FB41。
因此，选择PLCS7-300可以不用另外再选择PID模块。
3.2变频器
3.2.1变频器的构成
通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。
此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。
而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。
对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等。
图3.2变频器的构成图
1.主电路：
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。
图3.2所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。
（1）整流器
最近大量使用的是二极管的交流器，图3.2所示，它把工频电源变换为直流电源。
可用两组晶体管交流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
（2）平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电压吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路的构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
（3）逆变器
同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。
（4）制动回路
异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。
一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用由逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。
2.控制电路：
给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。
如图3.2所示，控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。
在图3.2点划线内，仅以控制电路A部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制。
在控制电路B部分增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。
控制电路主要包括：
（1）运算电路
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、功率。
（2）电压/电流检测电路
与主电路电位隔离，检测电压、电流等。
（3）驱动电路
为驱动主电路器件的电路。
它使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路
以装在异步电动机轴上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号
送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
保护回路主要包括：
（1）逆变器保护
1）瞬时过电压保护。
由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。
交流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。
2）过载保护。
逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、线路等损坏要停止运转。
恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护（使用电子电路）。
过负载是由于负载的GD2（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生的。
3）再生过电压保护。
采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。
可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。
4）瞬时停电保护。
对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。
但瞬时停电时间在10ms以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。
5）接地过电流保护。
逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器，有时要有接地过电流保护功能。
但为了确保人身安全，需要转设漏电断路器。
6）冷却风机异常。
有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。
（2）异步电动机的保护
1）过载保护。
过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度传感器，或者利用转在逆变器内的电子热保护来检出过热。
动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。
2）超频（超速）保护。
逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。
（3）其他保护
1）防止失速过电流。
急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行（失速）。
所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。
对于恒速运转中的过电流，也进行同样的控制。
2）防止失速再生过电压。
减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过电压。
3.2.2变频器型号选择
变频器产品说明书都提供了标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数，因此，直接按照变频器标称功率进行选择，在实践中可能会行不通。
根据具体工程情况，可以有几种不同的变频器规格选择方式。
1.按照标称功率选择
一般而言，按照标称功率选择只适合作为初步投资估算依据，在不清楚电动机额定电流时使用，比如电动机型号还没有最后确定的情况。
作为估算依据，在一般恒转矩负载应用时可以放大一级估算，例如，90KW电动机可以选择110KW变频器。
在需要按照过载能力选择是，可以放大一倍来估算，例如，90KW电动机可以选择185KW变频器。
2.按照电动机额定电流选择
对于多数的恒转矩负载新设计项目，可以按照这个方式选择变频器规格：
Ievf≥K1Ied（3-1）
式中，Ievf是变频器额定电流；Ied是电动机额定电流；K1是电流裕量系数，根据应用情况一般可取为1.05～1.15，一般情况可取小值，在电动机持续负载率超过80%时，则应该取大值，因为多数变频器的额定电流都是以持续负载率不超过80%来确定的。
另外，启动停止频繁的时候也应该考虑取大值，这是因为启动过程以及有制动电路的停止过程电流会短时超过额定电流，频繁启动停止则相当于增加了负载率。
3.按照电动机实际运行电流选择
这个方式用于改造工程，对于原来电动机已经处于大马拉小车的情况，可以选择功率比较合适的变频器以节省投资：
Ievf≥K2Id（3-2）
式中，K2是电流裕量系数，考虑到测量误差，可取K2=1.1～1.2，在频繁启动停止时应该取大值；Id是电动机实测运行电流，指的是稳态运行电流，不包括启动、停止和负载突变的动态电流，实测时应该针对不同工况作多次测量，取其中最大值。
4.按照转矩过载能力选择
变频器的电流过载能力通常比电动机的转矩过载能力低，因此，按照常规配备变频器时电动机转矩过载能力不能充分发挥作用。
由于变频器能够控制在稳定转矩下持续加速直到全速运行，因此，平均加速度并不低于直接启动的情况，一般应用中没有什么问题。
通过上述论述和系统要求，决定选用富士公司的P11S系列变频器P11S。
系列是风机泵用标准系列，采用高性能和多功能的理想结合动态转矩矢量控制，能在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制。
动态转矩矢量控制是一种先进的驱动控制技术[10]。
3.2.3开关指令信号的输入
变频器的输入信号中包括对运行、停止，正转、反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号（数字输入信号）。
变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件（如晶体管）与PLC连接，获取运行状态指令。
使用继电器接点时，常因接触不良而带来误动作;使用晶体管进行连接时，则需要考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。
在考虑变频器的输入信号电路时还应该注意到，当输入信号电路连接不当时有时会造成变频器的误动作。
如当输入信号电路采用继电器等感性负载，继电器开闭时产生的浪涌电流带来的噪声有可能引起变频器的误动作，应该尽量避免，这时可以考虑采用阻容振荡吸收，光电隔离的方式。
3.2.4变频器与PLC的连接
图3.3变频器与PLC连接图
变频器与PLC的连接如主电路图所示，其中变频器各端子功能如下：
R,S,T端子为主电路的电源输入端子，连接三相电源，不需考虑连接相序；U,S,W端子为变频器输出连接端子，连接三相电机水泵，如电机转动方向不对，则可交换其中的任意两相；G端子为接地端子；端子11为模拟输入信号的公共端子；端子12为设定电压输入端，输入PID控制的反馈信号，以此来设定频率；F
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