一、绪论(一) 课题的意义及应用背景近十年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果。

采用变频器和可编程控制器等现代控制设备和技术实现恒定水压供水，是供水领域技术革新的必然趋势，以往采用的水塔供水既不卫生又不经济，更重要的是浪费了大量的能源，本文介绍的变频调速恒压供水系统以其有效的实用性，彻底解决了上述问题，是一项颇有实用价值的调速系统，为已有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径。

变频控制技术的进步不仅仅是异步电动机结构简单、坚固、易于维护等优点，更主要的是采用变频调速技术的异步电动机的机械特性达到了直流电动机调压调速的特性。

由于计算机技术的介入，使得变频器具有丰富的功能和方便好用的特点，因此人们才有可能按照实际要求，自行构成一个适用和可靠的调速系统。

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，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，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，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。

变频恒压供水控制系统主要有：(1)带PID回路调节器和/或可编程序控制器(PLC)的控制系统在该系统中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无级调速，从而使管网水压可控。

传感器的任务是检测管网水压；压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值；压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号。

还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个转速控制信号。

由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。

由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，就增加了供水设备的成本。

若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。

所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

(2)新型变频调速供水设备针对传统的变频调供水设备的不足之处，新产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。

由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。

同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便,在满足工艺要求的情况下应优先采用。

(3)供水专用变频器供水专用变频器是将普通变频器和PLC控制器集成在一起，是集供水管控一体化的系统，内置供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。

传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。

每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。

也可设定指定日供水压力。

面板可以直接显示压力反馈值(MPa)。

系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵循环方式。

变频泵固定方式最多可以控制7台泵，可选择“先开先关”和“先开后关”(适用泵容量不同场合)两种水泵关闭顺序；变频泵循环方式最多可以控制4台泵，系统以“先开先关”的顺序关泵。

供水系统采用变频供水技术可改善供水水质，且自动化程度高，但若选择使用不当，又会造成电能"浪费"，在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、设备投资等因素综合考虑，在保证可靠供水前提下，充分发挥变频调速的节能潜力（二）本文研究的内容本文介绍以可编程控制器(PLC)为控制核心，ATV38系列变频器为执行元件，采用PID算法控制水泵电机转速，即可调节出口管网压力，使之达到用户期望的恒定压力。

其中主要内容包括恒压供水原理，PLC原理，变频调速原理，通过设置几个主要器件I/O参数，实现PLC，变频器，压力传感器之间的通讯、控制功能。

（三）任务及工艺要求用PLC，变频器，压力传感器及低压部件组成PLC控制的变频调速恒压供水自动控制系统，并使系统达到恒压及自动控制的工艺要求。

利用恒压供水原理、设置几个主要器件I/O参数，实现PLC，变频器，压力传感器之间的通讯、控制功能。

以MCS-51系列单片机为核心器件，通过外围硬件电路来实现控制目的。

可根据需要设定压力控制高度，同时具备报警、高度显示等功能的性能指标。

（四）系统的组成和基本工作原理系统由水泵机组、变频柜、压力仪表、管路系统等构成。

变频柜由变频器，PLC低压电器等构成。

系统控制75KW水泵3台，其工作情况如下：1台泵供水不足时，该泵倒为工频运行，变频柜启动第2 台泵，若流量还不够，第2台泵倒为工频运行，变频柜再启动第3台泵。

若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后1台泵变频恒压达到一定时才可以停止工作。

系统控制组成框图如下：图1-1系统控制组成框图（五）主要元器件选型PLC：CPM1A-40CDR-A（欧姆龙）变频器：ATV38(施耐德)压力传感器：YYB-ES（钱江仪器仪表厂）其他低压配件选择施耐德品牌为主二、变频调速控制系统设计（一）系统的方案设计及工作过程1.系统的方案设计变频调速恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器、工控机以及接触器控制柜等构成。

系统采用一台变频器拖动3台电动机的起动、运行与调速。

通过压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的PID模块，PLC根据这两个信号经PID运算，发出控制信号，控制水泵电机进行切换。

PLC上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒压供水系统进行监测控制。

2.控制系统硬件设计（1）主电路设计在硬件系统设计中，采用一台变频器连接3台电动机，其中1#，具有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联,变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。

所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。

由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前的工作电流，必须在每台电机三相输入电源前面都接入两个电流互感器，电流互感器和热继电器、两个电流表连接。

两个电流表一个安装在控制柜上，另一个安装在控制台上，可以方便的观察电机的三相工作电流，便于操作人员监测电机的工作状态。

同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。

图2-1主电路图变频器主电路电源输入端子(R, S, T)经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子(U. V, W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子(U. V, W)的任意两相。

特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。

在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路的通断来进行。

另外为了改善变频器的功率因素，还需配置相应的DC电抗器，变频器的[P，，P+]端子是连接DC电抗器之用。

水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反转，实现阀门的开启和关闭。

对于系统中真空泵控制电路，使用一台三相交流异步电动机和4个两位两通电磁换向气阀组成抽取真空的回路。

每次抽真空的时候，需要预先决定需要抽真空的水泵，然后先开启真空抽取电动机，接着开启控制要抽真空的水泵的电磁换向气阀，这样就能实现系统要求的抽取真空的功能。

如有必要，在系统中这样还可以安装多台真空泵，实现同时抽取多台水泵真空，确保系统的正常工作。

（2）控制电路设计在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。

在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照PLC的程序逻辑来完成的。

为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。

在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。

控制电路之中存在电路之间互锁的问题，由于控制系统是实现分组的组内自动循环，所以电路的自锁包括组内互锁和组间互锁。

组内互锁是指同一组中电动机的互锁，组间互锁是指不同机组之间电动机的互锁。

在实现组内互锁的时候，严禁出现一台电动机同时接在工频电源和变频电源的情况，同时要求变频器始终只与一台电动机相连，而且当大容量电动机变频工作的时候，小容量电动机要么是工频工作运行，要么是停止工作。

所以在大容量电动机变频工作的时候，要自动切断小容量电动机的变频控制电路。

控制电路的组间互锁是通过输入按钮，控制PLC的输入端口来实现的，当选择一组机组运行时，按下另一组起动按钮则为无效操作。

PLC控制系统设计步骤如图所示：图2-2 PLC控制系统设计图控制电路中还必须考虑系统电机和阀门的当前工作状态指示灯的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。

（二）PLC可编程控制器(CPM1A-40CDR-A)部分可编程序逻辑控制器现在已经成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。

它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果,应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。

可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱。

初期的PLC只是用于逻辑控制场合，代替继电器控制系统。

随着微电子技术的发展，PLC以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等场合的控制领域。

目前，可编程序控制器既保留了原来可编程序逻辑控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统、过程仪表控制系统、集散系统、分散系统等。

在许多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统。

1.可编程控制器的工作原理（1）PLC的等效工作电路①输入部分这部分的作用是接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。

输入接线端是PLC与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。

每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个线圈由接收到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源部件提供(如直流24V)，也可由独立的交流电源(如交流110V)供给。