基于PLC的变频器恒压供水系统论文设计.doc

目 录
1 概述 1
1.1变频恒压供水产生背景和意义 1
1.2变频供水系统发展趋势 3
1.3 本文主要内容 3
2 变频恒压供水系统构成及工作原理 5
2.1系统构成 6
2.1.1执行机构 6
2.1.2信号检测 7
2.1.3控制系统 7
2.1.4通讯接口 8
2.1.5报警装置 8
2.2工作原理 8
2.3 变频恒压供水系统中加减水泵条件分析 9
2.4主电路接线图 10
3 基于PLC变频恒压供水系统设计及实现 11
3.1控制要求 11
3.2 变频器选择及接线 11
3.3压力传感器接线图 13
3.4 原其它元器件选择 14
3.5 PLC控制I/O口配置 16
3.6 电气控制系统原理及线图 17
3.6.1主电路图 17
3.6.2控制电路接线图 17
3.7基于PLC变频恒压供水系统程序流程 19
3.8控制方式 21
3.8.1 手动运行 21
3.8.2 自动运行 21
3.9主要程序说明 22
3.9.1 总程序顺序功能图 22
3.9.2 自动运行顺序功能图 22
3.9.3手动模式顺序功能图 23
3.9.4 程序说明 24
4 结束语 30
致 谢 31
参考文献 32

42 / 44
1 概述
内容摘要
随着我国社会发展和进步，住房制度改革不断深入，人们生活水平不断提高，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高要求。城市供水系统建设是其中一个重要方面，供水可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户正常工作和生活，也直接体现了供水管理水平高低。传统供水厂，特别是中小供水厂所普遍采用恒速泵加压供水方式存在效率较低、可靠性不高、自动化程度低等缺点，难以满足当前经济生活需要。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求不断提高，需要利用先进自动化技术、控制技术以及通讯技术，要求设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境恒压供水系统成为必然趋势。
本文阐明了供水系统变频调速节能原理，具体分析了变频恒压供水原理及系统组成结构，提出不同控制方案，通过研究和比较，得出结论：变频调速是一种优于调压调速、机械调速等其他调速方式方案，也是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途电机调速技术.它集微机控制技术、电力电子技术和电机传动技术于一体，实现了工业交流电动机无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点结论。因此本文以采用变频器和PLC 组合构成系统方式，逐步阐明如何实现水压恒定供水得实现。
最后，从分析恒压变频供水可行性，改造理论、技术、经济可行性等方面，确定变频器参数，设计变频主电路、变频电机运行模式、控制模式及流程。
1.1变频恒压供水产生背景和意义
随着变频技术发展和人们对生活饮用水品质要求不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑生活、消防供水中。变频恒压供水调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量变化自动调节系统运行参数，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、合理节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用专用变频器内置各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式及过去水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备投资，运行经济性，还是系统稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟优势，而且具有显著节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求必然趋势。
变频恒压供水系统能适用于生活水、工业用水以及消防用水等多种场合供水要求，该系统具有以下特点：
(1)供水系统控制对象是用户管网水压，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，对控制作用响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制变频器也存在一定滞后效应。
(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素影响，同时又由于水泵自身一些固有特性，使水泵转速变化及管网压力变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。
(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛通用性，面向各种各样供水系统，而不同供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大差异，因此其控制对象模型具有很强多变性。
(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵（即为每转理论排量不变泵）加入控制，而定量泵控制是时时发生，同时定量泵运行状态直接影响供水系统模型参数，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控制对象是时时变化。
(5)当出现意外情况(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，执行专门故障程序，保证在紧急情况下仍能进行供水。
(7)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网冲击同时减少了启动惯性对设备大惯量转速冲击，延长了设备使用寿命。
1.2 变频供水系统发展趋势
变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展。在国内外，专门针对供水变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。
目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。
1.3 本文主要内容
本文在通过对PLC恒压变频供水技术和原理分析基础上，提出了一套基于PLC变频恒压供水系统可行性方案，并选择出了相应器件，从而使系统通过安装在管网上压力传感器，把水压转换成4~20mA模拟信号，通过变频器来控制改变水泵转速。用高低水位控制器来控制注水阀YV1，当其自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池高、低水位信号也直接送给PLC作为低水位报警用。为了保证供水连续性，水位上下限传感器高低距离相差不是很大。使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行。
2 变频恒压供水系统构成及工作原理
此次设计研究对象是一栋楼房供水系统。由于高层楼对水压要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水情况，水压高时将造成能源浪费。如图2-1所示，是这栋小楼供水流程。自来水厂送来水先储存水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。

图2-1 供水流程简图

市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，其自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池高、低水位信号也直接送给PLC作为低水位报警用。为了保证供水连续性，水位上下限传感器高低距离相差不是很大。水使用。下图2-2即为生活恒压供水系统工艺流程图。
市网来水
生活用水

YV2
YV1

2号泵
1号泵
3号泵
水池
EQ

图2-2 双恒压供水系统工艺流程图

2.1系统构成
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；变频供水系统中检测管路压力压力传感器，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电流)；变频器是供水系统核心，通过改变电机频率实现电机无极调速、无波动稳压效果和各项功能。
从原理框图，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。
2.1.1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:
(1)调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整水泵，用以根据用水量变化改变电机转速，以维持管网水压恒定。
(2)恒速泵: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最大供水能力不足时，对供水量进行定量补充.
此外，通常一些变频系统还会增设附属小泵，它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小情况下(例如:夜间)对管网用水量进行少量补充.
2.1.2信号检测
在系统控制过程中，需要检测信号包括水压信号、液位信号和报警信号:
（1）水压信号:它反映是用户管网水压值，它是恒压供水控制主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行 冉刃 转换。另外为加强系统可靠性，还需对供水上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测结果可以送给PLC，作为数字量输入。
(2)液位信号:它反映水泵进水水源是否充足。信号有效时。控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处液位传感器。
(3)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。
2.1.3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、变频器和电控设备三个部分:
(1)供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统核心。供水控制器直接对系统中压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵成行控制.
(2)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控制信号改变调速泵运行频率，完成对调速泵转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动情况不同，变频器有如下两种工作方式:
1)变频循环式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频同时用变频去拖动另一台水泵电机。
2)变频固定式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动水泵在系统运行前可以选择。
变频器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.用于在供水控制器控制下完成对水泵切换、手/自动切换及就地/集中等工作。
2.1.4通讯接口
通讯接口是本系统一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他工业监控系统进行数据交换;同时通过通讯接口，还可以将现代先进网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程诊断和维护等。
2.1.5报警装置
作为一个控制系统，报警是必不可少重要组成部分。由于本系统能适用于不同供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由P比判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要损失。
2.2工作原理
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KM6，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)及压力实际值(来自于压力传感器)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加速时间控制水泵转速以保证水压保持在压力设定值上、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，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力上、下限信号和变频器运行频率是否到达上限信号，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1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器运行频率，使管压保持在压力设定值上、下限偏差范围之内。
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。当变频器输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLC逻辑控制下将1泵电机及变频器连接电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器及2泵电机连接， 控制2泵投入调速运行。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：假定减泵顺序依次为3、2、1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，当变频器输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制水泵停机，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。
2.3 变频恒压供水系统中加减水泵条件分析
在上面工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压目。当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泉来减少供水流量，达到恒压目。那么何时进行切换，刁能使系统提供稳定可靠供水压力，同时使机组不过于频繁切换。
尽管通用变频器频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节范围是有限，不可能无限地增大和减小。当正在变频状态下运行水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。由于电网限制以及变频器和电机工作频率限制，50Hz成为频率调节上限频率。当变频器输出频率己经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器输出频率了。要增加实际供水压力，正如前面所讲那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。另外，变频器输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。其实，在实际应用中，变频器输出频率是不可能降低到0Hz。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中水压会反推水泵，给带动水泵运行电机一个反向力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际供水压力也不会随着电机频率下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行下限频率。这个频率远大于0Hz,具体数值及水泵特性及系统所使用场所有关，一般在20Hz左右。由于在变频运行状态下，水泵机组中电机运行频率由变频器输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节下限频率。
在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换时候才进行机组切换。所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力判别条件是不够，如果真要进行机组切换，切换所要求频率和压力判别条件必须成立并且能够维持一段时间（比如1-2分钟），如果在这一段延时时间内切换条件仍然成立，则进行实际机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间要求，说明判别条件满足只是暂时，如果进行机组切换将可能引起一系列多余切换操作。
2.4主电路接线图

3 基于PLC变频恒压供水系统设计及实现
水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC6个输出点，变频器运行及关断由PLC1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。系统所需输入／输出点数量共为24个点。本系统选用FX2N-32MR-D型三菱PLC
3.1控制要求
对三泵生活恒压供水系统基本要求如下：
（1） 生活供水时，系统应保持低恒压值运行。
（2） 三台泵根据恒压需要，采取“先开先停”原则接入和退出。
（3） 再用水量较小情况下，如果一台泵连续工作运行时间超过3h，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台工作时间过长。
（4） 三台泵再起动时要有软起动功能。
（5） 要有完善报警功能
（6） 对泵操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。

3.2 变频器选择及接线
根据设计要求，本系统选用FR-A540系列变频器，如下图所示：

图3-1 FR-A540管脚说明

管脚STF接PLCY7管脚，控制电机正转。X2接变频器FU接口，X3接变频器OL接口。频率检测上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLCX2及X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。

图3-2变频器接线图

3.3压力传感器接线图
压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量力－电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上惠斯登电桥输出电压发生变化，信号调理电路将输出电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器电性能满足技术指标要求。
该传感器量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60 ℃，供电电源为28±3V（DC）。

图3-3压力传感器接线图

3.4 原其它元器件选择
水泵：M1、M2选用40-160(I)A型，M3选用40-160(I)型，参数见表3.1示。
热继电器选择：选用最小热继电器作为电机过载保护热继电器FR，FR1 FR2可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流5－8A，FR3可选用规格其型号为TK-E02U-C，额定电流为6－9 A
熔断器选择：在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。
接触器选择：对于接触器KM选择是规格SC-E03-C,功率3Kw
按钮SB选择：PLC各输入点回路额定电压直流24V，各输入点回路额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY3—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。

表3-1元件表总图
元件
符号
型号
个数
可编程控制器
PLC
FX2N-32MR-D型三菱PLC
1
变频器

FR-A540系列
5.5型
1
接触器
KM
SC-E03-C
7

水泵
M1,M2
40-160(I)A
2
M3
40-160(I)
1
闸刀开关
QS
HD11-100/18
1

熔断器
FU1，FU2
RT18 6A
2
FU3
RT18 8A
1

热继电器
FR1 FR2
TK-E02T-C
2
FR3
K-E02U-C
1
按钮
SB
LAY3—11
10

水泵
符号
型号
流量(m3/h)
扬程
(m)
转速
(r/min)
电机功率
(kw)
M1,M2
40-160(I)A
11
28
2900
2.2
M3
40-160(I)
12.5
32
2900
3.0
表3-2水泵参数

变频器
适用电机容量（KW)
输出额定容量(KVA)
输出额定电流（A）
过载能力
电源额定输入交流电压/频率
冷却方式
FR-A540系列5.5型（三菱）
5.5
9.1
12
150%60s ,200% 0.5s (反时限特性)
3相，380V至480V 50Hz/60Hz
强制风冷
表3-3 变频器参数
3.5 PLC控制I/O口配置
控制系统输入、输出信号名称，以及代码及地址编号如表3-4所示。水位上下限信号分别为I0.1、I0.2 ，它们在水淹没时为0，露出时为1。
表3-4 输入、输出点代码和地址编号
输入信号
地址编号
名称
代码
手动和自动消防信号
SA1
I0.0
水池水位下限信号
SLl
I0.1
水池水位上限信号
SLh
I0.2
变频器报警信号
Su
I0.3
消铃按钮
SB9
I0.4
试灯按钮
SB10
I0.5
远程压力表模拟量电压值
Up
AIWO
1号泵工频运行接触器及指示灯
KM1，HL1
Q0.0
1号泵变频运行接触器及指示灯
KM2，HL2
Q0.1
2号泵工频运行接触器及指示灯
KM3，HL3
Q0.2
2号泵变频运行接触器及指示灯
KM4，HL4
Q0.3
3号泵工频运行接触器及指示灯
KM5，HL5
Q0.4
3号泵变频运行接触器及指示灯
KM6，HL6
Q0.5
生活、消防供水转换电磁阀
YV2
Q1.0
水池水位下限报警指示灯
HL7
Q1.1
变频器故障报警指示灯
HL8
Q1.2
火灾报警指示灯
HL9
Q1.3
报警电铃
HA
Q1.4
变频器频率复位控制
KA(KMG)
Q1.5
控制变频器频率电压信号
Vf
AGWO

3.6 电气控制系统原理及线图
3.6.1主电路图

图3-4主电路图

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控制接触器。热继电器(FR)是利用电流热效应原理工作保护电路，它在电路中用作电动机过载保护。
熔断器（FU）是电路中一种简单短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生热量使串接于主电路中熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。
3.6.2控制电路接线图

图3-5 PLC接线图

Y0接KM0控制M1变频运行，Y1接KM1控制M1工频运行；Y2接KM2控制M2变频运行，Y3接KM3控制M2工频运行；Y4接KM4控制M3变频运行，Y5接KM5控制M3工频运行。
X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器FU接口，X3接变频器OL接口，X4接M1热继电器，X5接M2热继电器，X6接M3热继电器。
为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同时控制M1电动机两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方常闭触头形成电气互锁。频率检测上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLCX2及X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。

3.7基于PLC变频恒压供水系统程序流程
在控制系统中，变频器通过PLC 通过对电机出厂压力点处设置压力变送器反馈信号，进行单闭环控制。此外，为了适应供水情况突发变化等，在必要时，可以实现手动频率控制功能。P比 程序设计主要任务是接受外部开关信号输入以及管网压力信号和水池水位信号，判断当前系统状态是否正常，然后执行程序，由输出信号去控制接触器、继电器和变频器等器件，以完成相应控制任务，除了PID运算，PLC主要控制任务就是输出频率计算和工频、变频切换。
在设计时，需要注意是由于供水系统是一个惯性较大无法突变系统，不需要过高响应速度，因而在设计思想上应以查询方式为主，中断方式为辅.
（1）系统初始化程序设计
在系统开始工作时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动时候，先对系统各个部分当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对模拟量(管网压力、液位等)数据处理数据表进行初始化处理，赋予一定初值。
（2）压力恒定控制程序设计
在变频恒压供水系统压力控制程序设计流程如图43，检测压力大小，信号传送到PLC，系统首选对数值进行分析，确认数据正常后，及压力设定值进行判断，如果及设定值相同，则直接进入下一采样周期，如果不同，则进行PID控制，通过PLC控制变频器改变频率参数，从而实现恒压供水。
在恒压供水程序设计中，还应考虑到报警问题，通常要设计中断程序处理信号报警。特别要注意是，在中小供水厂有条件情况下，除了通常液位报警和过载报警等外，还应将流量仪、浊度仪、余氯仪等报警信号接入PLC，从而实现在供水厂出现流量严重异常或水质事故事可以实现紧急停机。
PLC在系统中作用是控制交流接触器组进行工频—变频切换和水泵工作数量调整。工作流程如图5.1所示。

图3-6 PLC程序流程图

系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己需要操作相应按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关输入信号执行相应操作。
手动模式主要是解决系统出错或器件出问题
在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵工作数量。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵工作数量。没接到信号就保持现有运行状态。

3.8控制方式
3.8.1 手动运行
当按下SB7按钮，用手动方式。按下SB10手动启动变频器。当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn（n=2,4,6）按钮，切断工频运行电机，同时启动电机变频运行。可根据需要，停按不同电机对应启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵.该方式仅供自动故障时使用.
3.8.2 自动运行
由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制.
升压控制：系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态.系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量及用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1处在调速运行状态.当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速;反之用水量减少水压增加时，水泵按设定速率减速到新稳定转速.当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行;同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，每当加速运行变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新水泵投人并联运行.当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警.
降压控制：当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长一台水泵关掉，恢复对水压闭环调节，使压力重新达到设定值.当用水量继续下降，每当减速运行变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。

3.9主要程序说明
3.9.1 总程序顺序功能图
系统分为自动运行和手动运行两部分

图3-7 总程序顺序功能图

3.9.2 自动运行顺序功能图
按下SB8按钮，系统进入自动运行模式，顺序功能图如3-8所示。

图3-8 自动运行顺序功能图

Y0接KM0控制M1变频运行，Y1接KM1控制M1工频运行；Y2接KM2控制M2变频运行，Y3接KM3控制M2工频运行；Y4接KM4控制M3变频运行，Y5接KM5控制M3工频运行
系统起动时，KM1闭合，#1泵以变频方式运行。 当变频器运行频率超出一个上限信号后，PLC通过这个上限信号后将1#水泵有变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。
如果再次接收到变频器上限信号，则KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。
如果变频器频率偏低，即压力过高，输出下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频起动。
再次接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。
为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同是控制M1电动机两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方常闭触头形成电气互锁。
3.9.3手动模式顺序功能图
当按下SB9按钮，系统进入手动运行模式。系统每步动作都必须有相应操作。顺序功能图如图3-9所示。

图3-9自动运行顺序功能图

按下按钮SB9之后，启动了变频器，系统进入手动运行模式。当用户按下SBn（n=1，3，5）三台电机分别处于工频运行，当用户按下SBn（n=2，4，6）三台电机分别处于变频运行。可以多台电机于不同频率工作，但一台电机只能以一种频率下工作。（如#1电机，如果控制它工作SB1,SB2按钮被同时按下则发出警报且电机无法起动。）
3.9.4 程序说明
（1）自动运行部分。

起动1#泵
按下起动按钮，系统检测采用那种运行模式。如果按钮SB7没按，则使用自动运行模式。变频起动1#水泵。

起动1#，2#泵：
接收到变频器上限信号，PLC通过这个上限信号后将1#水泵由变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。

起动1#，2#，3#泵：
再次接收到变频器上限信号，则KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。

起动1#泵：
接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。

起动1#，2#泵：
输出下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频起动。

起动1#泵：
接到下限信号关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。

(2)手动运行部分

按下手动起动按钮SB10，手动起动变频器。

按下SB2,断开KM0，在10个计数脉冲后起动M1在变工频电源下运行。

按下SB4,断开KM2，在10个计数脉冲后起动M2在变频电源下运行。

按下SB6,断开KM4，在10个计数脉冲后起动M3在变频电源下运行。

按下SB1,断开KM1，在10个计数脉冲后起动M1在工频电源下运行。

按下SB3,断开KM3，在10个计数脉冲后起动M2在工频电源下运行。

按下SB5,断开KM5，在10个计数脉冲后起动M3在工频电源下运行。

（3）公用部分

当热继电器断开系统报警。

电机只能在一种频率下运行，当电机工频/变频同时打开时将发出警报且电机停止运行。

辅助继电器M1,M2,M3,…M9依次控制输出继电器Y0,Y1,Y2,…Y10

按下停止按钮，所有泵停止运行。

4 结束语
本论文研究是变频恒压供水系统。恒压供水系统以PLC和变频器为核心进行设计，借助于PLC强大而灵活控制功能和内置PID变频器优良变频调速性能，实现了恒压供水控制。该系统采用PCL控制变频器进行PID调节，按实际需要随意设定压力给定值，根据压差调整水泵工作情况，实现恒压供水，使给水泵始终在高效率下运行，在启动时压力波动小，可控制在给定值5%范围内。
恒压供水在日常生活中非常重要，基于PLC和变频器技术设计生活恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。对整个供水过程来说，系统可扩展性好，管理人员可根据每个季节用水情况，选择不同压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优节能方式，实现供水最优化控制和稳定性控制。
目前在国内外变频调速恒压供水控制系统研究设计中，对于能适应不同用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统电磁兼容性(EMC)变频但压供水系统水压闭环控制研究还是不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统性能，使其能被更好应用于生活、生产实践中。
致 谢

参考文献
1. 廖常初编 。PLC编程及应用。北京：机械工业出版社，2007年
2. 张扬 蔡春明 孙明建编。S7-200 PLC原理及应用系统设计。北京：机械工业出版社，2007
3. 夏彬彬 任明泉 屈金学编。PLC单片机常用模块及综合系统设计。北京：电子工业出版社，2008
4. 求是科技编。PLC单片机典型模块设计实例导航。北京：人民邮电出版社，2005
5. 陈伯时编。电力拖动自动控制系统。北京：机械工业出版社，1996
6. 李华编。变频调速技术在供水系统中应用。电气传动自动化，1996，