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基于PLC的恒压变频供水系统的研制


江苏大学 硕士学位论文 基于PLC的恒压变频供水系统的研制 姓名:陈彦涛 申请学位级别:硕士 专业:控制工程 指导教师:刘国海 20081218

江苏大学工程硕士学位论文





随着经济与社会的高速发展,能源越来越紧缺,而人们对供水质量和供水系 统可靠性的要求也不断提高,因此采用先进的自动化控制技术来设计高节能、高 可靠性的恒压供水系统成为必然趋势。
针对目前的小区供水系统中存在的电能、水资源浪费且供水质量差等问题,

本文研究并设计了一种变频调速恒压供水控制器。该控制器是以三菱FX2N

PLC

为核心,并与变频器、压力传感器等器件结合起来,共同构成了变频恒压供水系 统。该系统是以管网水压为设定参数,根据用水量的大小由PLC控制投入运行 的水泵的数量及电机的转速,实现管网水压的闭环调节,即实现恒压供水。
本文首先根据供水系统的管阻特性曲线和水泵扬程特性曲线,分析了恒压供

水的原理;然后根据管网和水泵的运行特性曲线,阐明了供水系统的变频调速节 能原理。接着分析了变频调速恒压供水系统的构成、工作原理和控制流程。在研 究了PID算法的基础上,设计了应用于变频恒压供水系统的PID控制器。最后
对系统的软硬件设计进行了详细的介绍,并指出了系统所存在的问题,并给出了

相关的抑制方法。 本系统是针对安阳市某住宅小区供水而设计的,经过现场调试和运行表明本 课题所设计的恒压供水系统对水压的实时控制性能良好,硬件模块工作稳定、可
靠,所设计的PID控制器正确有效,较好的保证了管网水压的稳定性。该系统是

一种较理想的控制系统。

关键词:PLC,变频,供水,恒压

江苏大学工程硕士学位论文

ABSTRACT

With

the rapid development of economy and

society,energy

resources

are

seriously lacking.At the same time,the supply system
are

demands

for quality and reliability of water
one

increased continually.So it is inevitable tendency to design
saves on

kind of water supply system which is high reliable and help of advanced technique of automation

energy well,with the

and contr01.

Direct towards the problems of actual water supply system,such as electric power and water studied and supply
resource a

waste and low quality of water supply,this paper mainly

designed

controller of the VF speed regulating constant—pressure water
core

system.With

the

of

Mitsubishi

FX2NPLC,this controller combined

transducer
set,and

and pressure sensor.The pressure value of the water-supply pipeline was

the number of running pumps and the rotate speed of motor to implement the control of

closed—loop

water pressure
supply.

was

controlled

in

this

system,namely

constant—pressure water

This paper explained the principle of constant—pressure water supply of characteristic
curve

on

the basis

of pipeline resistance

and

water pump head.And water supply VF speed control Was clarified the

system’S energy—saving principle of water
according to characteristic
structure
curve

pump

of running pipelines and

water'pump.Then
on

and

work

principle

and

control flow of VF speed regulating constant the research of PID of the system’S

pressure water supply system Was analyzed in the paper.Based control theory,this paper has designed


PID controller.The

design

hardware and software Was introduced thoroughly,and system’S EMI problems and

relevant

restraining methods were put forward in the end. supply system is designed for


The water

residential area in

An

yang city.After

on—site commissioning and operation shows the real time control

performance to the

water pressure of water supply system designed in this paper Was proved to be all-right according
to

the

experimentation
PID

validated.The

hardware

module iS
can

steady—going and reliable,and the

controller iS proper

and valid and

guarantee

the better stability of water pressure.And this control system is perfect.

Key words:PLC,Variable frequency,Water supply,Constant pressure

II

学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论

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保密口,在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于

不保密吼

学位论文作者签名:侈,声肖
2008年l≥只|船

指导教师签名:

伊7c驴扣

2008年}≯只僧日

独创性声明
本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名:修、青存
日期: 2008年/≯月

江苏大学工程硕士学位论文

第一章

绪论

1.1

课题背景及意义
众所周知,水是人类生活、生产中不可缺少的重要物资,在节水节能已成为

时代特征的现实条件下,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一直比较落后,自动化程度低, 而随着我国社会经济的发展,人们生活水平的不断提高,以及住房制度改革的不 断深入,城市中各类小区建设发展十分迅速,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中的一个重要方面,供水的可靠性、稳

定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活,也直接体现了小区物业管
理水平的高低【JJ。

1。2几种供水系统的比较
1.恒速泵加压供水:这种方式无法对供水管网的压力做出及时的反应,水 泵的增减都依赖人工进行手工操作,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,爆损现象严重,电机硬起动易产生水锤效应,破坏性大,目前较少
采用。

2.重力供水:重力供水通常需要设置水箱或者水塔,系统用水是由水箱或 者水塔直接供应,所以供水压力比较稳定。但它需要由位置高度所形成的压力进 行供水,为此需要建造水塔或者将水箱置于建筑物顶层的最高处。在大型建筑物 中,即使如此,还常常不能满足最不利供水点的供水要求。同时由于其存水比较 大,在屋顶形成很大的负重,增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积,也妨碍 美观,此外,屋顶水箱还必须高出屋面几米,建筑立面较难处理,存在投资大、
周期长、能源浪费大的缺点。

3.气压供水:气压供水是采用气压罐代替水塔或高位水箱利用密闭压力罐 内的空气将罐内储水压到管网中去。它的优点是灵活性大、建设快、污染少、有 利于抗震、可消除管道中的水锤与噪声,缺点是体积和投资大、压力变化大、运 行效率低、需要使用张力膜、维护费用高、耗费动力大。
4.变频恒压供水:变频恒压供水系统即实现水泵电机的无级调速,根据用

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

江苏大学_T-程硕士学位论文

用水要求。将变频调速技术用于更新改造传统供水设备之后,大大地推动了恒压
供水技术装备的发展。这种恒压供水方式与传统的水塔或高位水箱以及气压供水

方式相比,在设备的投资、运行的经济性、系统的稳定性、可靠性和自动化程度 等方面具有无法比拟的优势。供水系统采用变频控制,既能大量节约能源,又能 稳定供水系统的压力,保障管网系统的安全运行,是非常有实际意义的,并且供 水系统的电动机相对鼓、引风机而言容量较小,投资不大,还可以在恒压供水的 过程中,实现水泵电机的软启动、水泵及管路保护,并且可以节约能源、提高劳 动生产率,所以非常值得推广和应用t2J。 综上所述,传统的供水方式普遍不同程度的存在着浪费水电力资源、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的用水。 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,特别是在城乡工业用水的各级加压系统和居民生活用水的 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【3J。

1.3

国内外变频调速技术的发展与现状
变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机

控制理论的发展。1964年,最先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用
到交流传动中的是德国人。20世纪80年代初,日本学者提出了基于磁通轨迹的

磁通轨迹控制方法。此方法以三相波形的整体生成效果为基础,以逼近电机气息
的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成两相调制波形,使变压变频 VVVF(Variable
Voltage Variable

Frequency)成为变频调速技术的核心。从20世纪

80年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频 器已商品化并广泛应用。1980年,德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取 得了进展,促进了矢量控制的实用化。此后,日本厂商竟相研究矢量控制技术,
并在产品性能和价格两方面取得进展;理论界则应用现代控制理论把矢量控制的

理论进一步深化,取得了解藕控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量 控制等方面的理论成果。自1992年开始,德国西门子公司相继开发了6SE70系 列通用变频器,通过FC,VC,SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制 等;至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到3lkw以上。1985年,德国人 提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论(DSC)。这种方法不需 要复杂的坐标变换,而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小,



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并通过磁链和转矩的直接跟踪,实现脉宽调制和系统的高动态性能【4】。最初,这 种控制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用;目前被应 用于通用变频器的控制方法的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。 1995年,ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器,目前已成为其各系列
通用变频器的核心技术。

国外在交流变频调速技术的发展方面特点为:市场需求量大;功率器件发展
迅速;控制理论和微电子技术的支持。

变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三 个方面决定的。在现代自动化控制领域中,以现代控制论为基础,融入模糊控制、 专家控制、神经网络控制等新的控制理论,为高性能变频调速提供了理论基础;
16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快

速发展,则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段【5J。 在我国,60%的发电量是通过电动机消耗掉的,因此,如何利用电机调速技 术进行电机运行方式的改造以节约电能,一直受到国家和业界人士的重视。我国 电气传动产业始于1954年。当时,在机械工业部属下建立了我国第一个电气传 动成套公司,即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在,我国约有200家 左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作,但自行开发生产的变频调 速产品和国际市场上的同类产品相比,还有比较大的技术差距。随着改革开放和 经济的高速发展,我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备,要么 内外结合,即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频 调速设备,然后自己开发应用软件的办法,很好地为国内重大工程项目提供了电 气传动控制系统的解决办法,适应了社会的需要。总之,虽然国内变频调速技术 取得了较好的成绩,但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较 弱,对国外公司的依赖还很严重。国内交流变频调速技术产业状况表现如下【6】:
1.变频器的整体技术落后,国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研

究变频技术并开发新产品,但由于分散,所以并没有形成一定的技术和生产规模。 2.变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。 3.相关配套产业及行业落后。
4.产品可靠性及工艺水平低。

1.4变频恒压供水系统的研究现状
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期,由于
国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制

动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中,

江苏大学工程硕士学位论文 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,以前国外的恒压供水工程在设计时大都采用一台 变频器只带一台水泵机组的方式,很少采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。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”两种模式,基于PLC的变频恒压供水系统的设计它将PID调节器和PLC可

编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上,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,便可直接控制多个内置的电 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灵活性,系统的动态性能和 稳定性不高,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围将会受到限制【_71。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程,但是大多都采用国外的变频 器控制水泵的转速,水管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。但在系统的动态性能、稳定性能、抗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。原深圳华为(现己更名为艾默生) 电气公司和成都希望集团(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调节器,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节与循坏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。另外博世集团下的康沃变频器 系列中就有专门为供水系统中的变频开发的P2系列变频器等。 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控制研究得不够。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生活、生产实践
【8】。

1.5本课题的主要研究内容
本文主要通过对本市某小区供水系统的调研和分析,依据用户对供水系统的



江苏大学工程硕士学位论文 要求,确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和可

编程控制器PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统,保证整个系 统运行可靠,安全节能,获得最佳的运行情况。
具体而言,论文包括以下内容:

1.论文在对课题进行分析和研究的基础上,提出了系统的设计方案和思路, 确定论文主要的研究内容和研究方法; 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控制方案,给出了变频恒压供水的控制 流程及工作原理;分析了在变频恒压供水中水泵切换的工作状况。 3.论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用
户的需求入手确定合适的设备选型;详细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,讨论PLC的程序设计方法及程序执行特点,并在此 基础上编写了供水系统控制程序;在介绍PID调节原理的基础上,分析利用PID
调节原理实现恒压供水的调节过程。

江苏大学工程硕士学位论文

第二章

系统控制原理及方案确定

2.1

供水系统的要求
供水系统采用的水泵绝大多数都是离心泵,它们的供水特性曲线如下图2.1

所示,其中H(m)表示扬程,Q(m3/s)表示流量。图中两条曲线均是在供水管路中

的阀门开度不变的前提下描绘出的扬程特性曲线和管阻特性曲线。

/s)
图2.1供水系统的基本特性

从图中可以看出,流量Q越大,扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速
都不变的情况下,流量的大小主要取决于用户的用水情况,因此,扬程特性所反 映的是扬程H与用水流量Qu之间的关系。而管阻特性是以水泵转速不变为前提,

表明阀门在某一开度下,扬程H与流量Q之间的关系。管阻特性反映了水泵的
能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中的流动阻力的变化规律。由

图可知,在同一阀门开度下,扬程H越大,流量O也越大。由于阀门开度的改 变,实际上是改变了在某一扬程下,供水系统向用户的供水能力。因此,管阻特 性所反映的是扬程与供水流量QG之间的关系。扬程特性曲线和管阻特性曲线的
交点,称之为供水系统的工作点,如图2.1中A点。在这一点,用户的用水流量

Qu和供水系统的供水流量QG处于平衡状态,供水系统既满足了扬程特性,也 符合了管阻特性,系统稳定运行。 变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通 常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵做成一体,通过变频器 调节异步电机的转速,从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此,供水 系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定



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子供电频率来改变同步转速而实现调速的。 异步电机的转差率定义为‘91: 异步电机的同步速度为:
异步电机的转速为:
咒=

S:塑
nl
刀l

(2—1) (2—2)

60厂 2上


一Sl 咒:60f(11一s1

(2.3)



其中:n1为异步电机的理想空载转速;n为异步电机转子转速;f是异步电 机的定子电源频率;P为异步电机的极对数。 从上式可知,当极对数P不变时,电机转子转速与定子电源频率成正比,因 此连续调节异步电机供电电源的频率,就可以连续平滑地调节电机的同步转速, 从而调节其转速。变频调速时,从高速到低速都可以保持有限的转差率,因而变 频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点, 调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此,变频调速是交流异步电机中一 种比较合理和理想的调速方法,它被广泛应用于水泵电机的调速。 在供水系统中,通常以流量为控制目的,常用的控制方法为阀门控制法和转 速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量,水泵电机转速保持不变。 其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量,因此,管阻将随阀门开度的改 变而改变,但扬程特性不变。由于实际用水中,需水量是变化的,若阀门开度在 一段时间内保持不变,必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改 变水泵电机的转速来调节流量,而阀门开度保持不变,是通过改变水的动能改变 流量。因此,扬程特性将随水泵转速的改变而改变,但管阻特性不变。变频调速 供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电 机的转速,使管网压力始终保持恒定,当用水量增大时电机加速,用水量减小时
电机减速。

/s)
图2.2管网及水泵的运行特性曲线



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由图2.2管网及水泵的运行特性曲线可知,当用阀门控制时,若供水量高峰 期水泵工作在E点,流量为Q1,扬程为H0,当供水量从Ql减小到Q2时,必 须关小阀门,这时阀门的摩擦阻力变大,阻力曲线从p3移到p1,扬程特性曲线

不变。而扬程则从H0升到H1,运行工况点从E点移到F点,此时水泵输出功
率用图形表示为(O,Q2,F,H1)围成矩形部分,其值为:

pF=面YHIiQ2

(2.4)

当用调速控制时,若采用恒压(H0),变速泵(n2)供水,管阻特性曲线为132, 为(0,Q2,D,H0)围成的矩形面积,其值为:
。一rEoQ2 ~‘
1027/

(2—5)

所以,当用阀门控制流量时,有丛半的功率被浪费掉。并且随着
所以,当用阀门控制流量时,有尘二b毒塑的功率被浪费掉。并且随着

仰:砟一R:盥盟一丝垒:—y(H,-—Ho)(22




(2.6)

1020

1020

102卵

糌鲁饼;鲁㈣;
2.2

协7,

与转速成正比,损耗功率与流量成正比【lo】,所以调速控制方式要比阀门控制方式

变频恒压供水系统的特点
1.节能性:恒压供水技术因为采用变频器改变电动机的供电频率,从而达

到调节水泵转速改变水泵出口压力,相对于阀门调节控制水泵出口压力的方式来



江苏大学工程硕士学位论文 说,具有降低管道阻力、大大减少截流损失的效应。同时,由于变量泵工作在变 频电源下,其运行过程中的转速是由外界供水量决定的,故系统在运行过程中可

节约大量的电能,经济效益十分明显。由于其节能效果明显,所以系统投资成本
可在短期内收回,并能长期受益,其产生的社会效益也是非常巨大的。

2。可延长电机和水泵寿命:由于变频泵在变频下工作,其出口流量小于额 定流量时,泵转速降低,减少了轴承的磨损和发热,延长了泵和电动机的机械使
用寿命。

3.便于实现自动化:采用闭环恒压控制之后,管网用水流量变化时,系统
会自动调节供水压力使其与实时用水流量处于平衡状态,整个过程不需要人员操

作,可完全实现自动化。
4.减少电网冲击:水泵电机采用软启动方式,可以避免电动机启动时的电

流冲击,减少对电网电压造成波动的影响,同时也避免了电动机突然加速造成水
泵系统的喘振。

5.时滞性和非线性:变频恒压供水系统具有时滞性和非线性的特点。时滞 性是由于控制量(管网水压)在闭环反馈中有一个时间上的响应过程,而非线性则 是由于管阻、水锤等因素的影响导致水泵转速的变化与管网水压的变化不成正 比。因此,变频调速恒压供水系统是一个非线性的时滞系统。 6.容错性:当出现意外情况时,系统能根据水泵及变频器的状态,电网状 况及水源水位,管网压力等工况自动切换,保证管网内压力恒定【l¨。

2.3变频恒压控制的理论模型及数学模型
2.3.1变频恒压控制的理论模型 变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标,在控制上实现出口总管 网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数,也可 以是一个时间分段函数,在每一个时段内是一个常数。所以,在某个特定时段内, 恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上【121。

给定

图2.3变频恒压控制原理图



江苏大学工程硕士学位论文 从图2.3中可以看出,在系统运行过程中,如果实际供水压力低于设定压力, 控制系统将得到正的压力差,这个差值经过计算和转换,计算出变频器输出频率

的增加值,该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值,将这个增量和变 频器当前的输出值相加,得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水
泵机组转速增大,从而使实际供水压力提高,在运行过程中该过程将被重复,直

到实际供水压力和设定压力相等为止。『13]女13果运行过程中实际供水压力高于设 定压力,情况刚好相反,变频器的输出频率将会降低,水泵机组的转速减小,实
际供水压力因此而减小。同样,最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。

2.3.2变频恒压供水的近似数学模型 由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、 模型不稳定的对象,我们难以得出它的精确数学模型,只能进行近似等效。水泵 由初始状态向管网进行恒压供水,供水管网从初始压力开始启动水泵运行,至管
网压力达到稳定要求时经历两个过程:

(1)水泵将水送到管网中,这个阶段管网压力基本保持初始压力,这是一个
纯滞后的过程;

(2)水泵将水充满整个管网,压力随之逐渐增加直到稳定,这是一个大时间
常数的惯性过程。 系统中其他控制和检测环节,例如变频环节、继电控制转换、压力检测等的

时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比,可忽略不计,均可 等效为比例环节。因此,恒压供水系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一
阶惯性环节,即可以写成【14】:

GfSl=羔

fib-lr¥
、7

(2-8)

2奢+l

式中:K为系统的总增益,T为系统的惯性时间常数,r为系统滞后时间。
2.3.3

PID算法 在生产过程自动控制的发展历程中,PID控制是历史最久、生命力最强的基

本控制方式。在本世纪40年代以前,除在最简单的情况下可采用开关控制外, 它是唯一的控制方式。PID控制具有很多优点:算法简单,使用方便,容易通过 简单的硬件和软件方式实现;适应性强,可以广泛的应用于各种行业;鲁棒性强, 它的控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 由于具有这些优点,PID控制直到现仍然是应用最广泛的基本控制方式之 一。在供水系统的设计中,选用了具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制保 证供水系统中的压力恒定,较好地满足系统的恒压要求。在连续控制系统中,常
10

江苏大学工程硕士学位论文

采用Proportional(L匕例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式,称之为PID
控制。

PID控制器是一种线性控制器,它是对给定值“t)和实际输出值y(t)之间的偏
差e(t)t15】: e(t)2 y(t)一r(t) (2-9)

经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t),对被控 对象进行控制,故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成,其 控制系统原理框图如图2.4所示,图中u(t)为PID调节器输出的调节量。

t)

图2.4

PID控制原理图

PID控制规律为:

“(f)=砟l嘶)+击p。)衍+乃_deF(t)l
式中:KP为比例系数;正为积分时间常数;%为微分时间常数。

(2-1。)

相应的传递函数为:G(J)=警等=K,(1+去+%s)
PID控制器各环节的作用及调节规律如下:

(2-11)

(1)比例环节:成比例地反映控制系统偏差信号的作用,偏差e(t)一旦产生, 控制器立即产生控制作用,以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种 反应。比例环节不能彻底消除系统偏差,系统偏差随比例系数K,的增大而减少,

但是比例系数过大将导致系统不稳定。 (2)积分环节:表明控制器的输出与偏差持续的时间有关,即与偏差对时间 的积分成线性关系。只要偏差存在,控制就要发生改变,实现对被控对象的调节, 直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用
的强弱取决于积分时间常数rl,Z越大,积分作用越弱,易引起系统超调量加大, 反之则越强,易引起系统振荡。

(3)微分环节:对偏差信号的变化趋势(变化速率)做出反应,并能在偏差信

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号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作 速度,减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡,减小超调量,加快 系统响应时间,改善系统的动态特性。但过大的R对于干扰信号的抑制能力却
将减弱。 PID的三种作用是相互独立,互不影响。改变一个调节参数,只影响一种调

节作用,不会影响其他的调节作用。然而,对于大多数系统来说,单独使用一种 控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合,可以 使调节器快速,平稳、准确的运行,从而获得满意的控制效果。 自从计算机进入控制领域以来,用数字计算机代替模拟调节器来实现PID控 制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字PID控制算法是通过对式(2.10)离散化 来实现的。用一系列的采样时刻点nT代表连续时间,用矩形法数值积分近似代 替连续系统的积分,以一阶后向差分近似代替连续系统的微分,得到PID位置控 制算法表达式:

甲” 个



“(玎)=Kp{P(刀)+争∑P(/)+等k(聆)+P(甩一1)】} L J
11 J=o


(2—12)

式中:T为采样周期;11为采样序号;e(n)为第11时刻的偏差信号;e(n.1)为第n一1
时刻的偏差信号。

PID位置控制算法采用全量输出,一方面需要计算本次与上次的偏差信号e(n)
和e(n.1),而且还要把历次的偏差信号e(j)相加,计算繁锁,占用内存大;另一

方面计算机输出的控制量u(n)对应的是执行机构的实际位置偏差,如果位置传感 器出现故障,u(n)可能出现大幅度变化,引起执行机构的大幅度变化,这是不允 许的。为此实际控制中多采用增量式PID控制算法,其表达式为:

全u(n尸)k=(玎u)(一n)-u一(n1)-】+1)K

e(n =尸k(玎)一一1)J+1)+Dk(刀)一 K。e(n)+K。k(刀)一2e(n一1)+e(n一2)】 一)+一2)J

、…7 (2-1 3)

式中:Au(n)为调节器输出的控制增量;Kl=K尸寺;KD=KP等
』1 』

增量式算法中不需要累加,调节器输出的控制增量Au(n)仅与最近几次采样 有关,所以误动作时影响较小,必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量,而且 较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。

恒压供水的目的就是要保证供水能力QG适应用水需求觋的变化。当供水能 力线和用水需求鳊之间不能平衡时,必然引起压力的变化。因此,可根据压力 的变化,来实现对供水流量的调节,维持供水能力QG和用水需求缆之间的平衡。
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在供水系统中,变频器(PID调节器)、压力变送器、电机、水泵等构成了一
个闭环控制系统,可以对供水能力实现有效的自动调节,从而实现恒压供水。其

实现方法是,首先据用户对水压的要求,给PID调节器预置一个目标压力值,管 道中的实际水压,经压力变送器转换成4"-20mA的模拟电流信号反馈给变频器 内置的PID调节器,PID调节器根据目标压力值和实际压力值的偏差,给出调节 量,自动调节变频器输出频率,调节电机转速,使供水量适应用水量的变化,取 得动态平衡,维持水压不变。其具体调节过程如下:

1.稳态运行:当供水能力QG等于用水需求砚,目标压力信号r和压力反馈 信号Y相等,偏差e=yfO,PID输出的控制增量Au=0,变频器输出频率不变,
水泵转速不变,处于稳态运行。 2.用水量增加时:当用水量增加,用水需求Q,大于供水能力QG,水压下 降,压力反馈信号Y减少,偏差e--y-r<0,PID输出的控制增量加au>0,变频器 输出频率上升,水泵转速升高,增加供水能力,最后达到一个新的平衡状态,使
压力回复,维持供需平衡。

3.用水量减少时:当用水量减少,用水需求珐,小于供水能力QG,水压上
升,压力反馈信号Y增大,偏差差e=y.r>0,PID输出的控制增量加au<0,变频

器输出频率下降,水泵转速降低,减弱供水能力,最后达到一个新的平衡状态, 使压力回复,维持供需平衡。 2.3.4系统仿真分析 在MATLAB6.5环境中,构建PID模型如图2.5所示,PID控制器参数为P
=O.8,I=0.5,D=O。

图2.5 PID模型

通过Transfer Fen构造恒压供水系统的数学模型,构建变频恒压供水系统控 制原理图如图2.6所示:

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图2.6恒压变频供水系统控制原理图

系统阶跃相应仿真曲线如图2.7所示:仿真结果表明,PID控制的控制效果
好,它的调整时间短,响应快速性好。

图2.7系统仿真图

2.4系统控制方案的设计与选择
从变频恒压供水的原理分析可知,该系统主要有压力变送器、变频器、恒压
控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单

元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵,实现管网水压的恒定和水泵电机 的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换,同时还要能对运行数据进行传输。根 据系统的设计任务要求,结合系统的使用场所,有以下几种方案可供选择【l 6】:
1、有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器

这种控制系统结构简单,它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成 在变频器供水基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。
它虽然微化了电路结构,降低了设备成本,但在压力设定和压力反馈值的显示比

较麻烦,无法自动实现不同时段的不同恒压要求,在调试时,PID调节参数寻优
困难,调节范围小,系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺

乏灵活性,数据通信困难,并且限制了带负载的容量,因此仅适用于要求不高的
小容量场合。

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2、通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便,具有较高的性能价格

比,但开发周期长,程序一旦固化,修改较为麻烦,因此现场调试的灵活性差, 同时变频器在运行时,将产生干扰,变频器的功率越大,产生的干扰越大,所以 必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的
小容量的变频恒压供水中。

3、通用变频器+PLC+人机界面+压力传感器 这种控制方式灵活方便,具有良好的通信接口,可以方便地与其他的系统进 行数据交换:通用性强,由于PLC产品的系列化和模块化,用户可灵活组成各 种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上,只需确定PLC的硬件配置和外部 接线,当控制要求发生改变时,可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程 序,所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高,因此系统 的可靠性大大提高。因此该系统能适用手各类不同要求的恒压供水场合,并且与
供水机组的容量大小无关。

通过对以上这几种方案的比较和分析,可以看出“变频器主电路十PLC+人机 界面十压力传感器”的控制方式更适合本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活 方便、便于数据传输的优点,又能达到系统稳定性及控制精度的要求。

2.5系统运行方式的分析
本文的供水系统主要用于小区生活用水,其水量主要集中早、晚两个时间段, 平时处于低流量状态,属连续型低流量变化型。这类型用水需求在较长时间段表 现为低流量,相对于设计流量有较大的余量,采用变频调速方式来实现低流量时 的恒压供水节能效果比较明显,与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达 30%。水泵变频软起动冲击电流小,也有利于电机泵的寿命,此外水泵在低速运
行时,平稳、噪声小【l 7。。

由于用水呈低流量变化型的特点,采用多台水泵并联供水,根据用水量大小
调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级

调节相结合,使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台大泵单独供 水不会增加投资,而其好处是多方面的。首先是节能,每台泵都可以较高效率运 行,长期运行费用少;其二,供水可靠性好,一台泵故障时,一般并不影响系统
供水。 基于PLC的变频恒压供水系统的设计处于供水低谷小流量或夜间小流量时, 为进一步减少功耗,采用一台泵来维持正常的泄漏和水压。

多泵变频循环工作方式的可靠切换,是实现多泵分级调节的关键,可选用编

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程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程 来实现。 供水系统的恒压通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统 控制。根据水压的变化,由变频器调节电机转速来实现恒压。为了减少对泵组、
管道所产生的水锤,泵组配置电动蝶阀,开启水泵后打开电动碟阀,当水泵停止 时先关电动碟阀后停机。

综上所述,系统可分为:执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分,具
体为:

1、执行机构:执行机构是由一组共三台水泵组成,它们用于将水供入用户 管网,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、在变频调速恒压供水系统中,这样构成 水泵组有下几个原因:用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵,使水泵选型 容易,同时这种结构更适合于大功率的供水系统;供水系统的增容和减容容易, 无需更换水泵,只要再增加恒速泵即可;以小功率的变频器代替大功率的变频调 速器,以降低系统成本,增加系统运行可靠性。在用水量不太大时,系统中不是 所有的水泵在运行,这样可以提高水泵的运行寿命,同时降低系统的功耗,达到
节能的目的。

2、信号检测机构:在系统控制过程中,需要检测的信号包括主要为水压信
号和报警信号。水压信号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。此信号是模拟信号,需进行A/D转换,当然,某些压力交送器也可
以直接输出数字信号。报警信号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、控制机构: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。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统
的核心。供水控制器通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制;变

频器是对水泵进行转速控制的单元,其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。
根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同,变频器有两种工作方式即变 频循环式和变频固定式,变频循环式即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,将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另

一台水泵电机;变频固定式是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,变频器固定拖动的水泵在系统运行前可 以选择Il引;本文采用前者。

16

江苏大学工程硕士学位论文 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、供水水源中断造成故障,因此系统必须要对各种报

警量进行监测,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ll 9。。

2.5.1系统控制过程分析
下面分析一下系统控制的过程。 (1)系统通电,按照接收到有效的自控系统启动信号后,首先启动变频器拖动 水泵M1,通过恒压控制器,根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频

器的输出频率,控制M1的转速,当输出压力达到设定值,其供水量与用水量相 平衡时,转速才稳定到某一定值,这期间M1工作在调速运行状态。 (2)当用水量增加水压减小时,通过压力闭环和恒压控制器,增加水泵的转速 到另一个新的稳定值,反之,当用水量减少水压增加时,通过压力闭环和恒压控 制器,减小水泵的转速到另一个新的稳定值。
(3)当用水量继续增加,变频器的输出频率达到上限频率50Hz时,若此时用 户管网的实际压力还未达到设定压力,并且满足增加水泵的条件时,在变频循环

式的控制方式下,系统将电机M1切换至工频电网供电后,M1恒速运行,同时
使第二台水泵M2投入变频器并变速运行,系统恢复对水压的闭环调节,直到水

压达到设定值为止。如果用水量继续增加,满足增加水泵的条件,将继续发生如 上转换,并有新的水泵投入并联运行。当最后一台水泵M3投入运行,变频器输 出频率达到上限频率50Hz时,压力仍未达到设定值时,控制系统就会发出水压 超限报警。当然,在选择水泵容量时已经考虑过此问题,不会出现三台水泵同时
运行水压不够的情形。

(4)当用水量下降水压升高,变频器的输出频率降至下限频率,用户管网的基 于PLC的变频恒压供水系统的设计实际水压仍高于设定压力值,并且满足减少 水泵的条件时,系统将上次转换成工频运行的水泵关掉,恢复对水压的闭环调节, 使压力重新达到设定值。当用水量继续下降,并且满足减少水泵的条件时,将继 续发生如上转换,直到剩下一台变频泵运行为止。 (5)当系统中只有1台调速泵在工作,而调速泵的运行频率已降至下限频率 时,且满足关泵条件,此时关闭调速泵。在这种情况下,若实际压力低于设定压 力,则延时后开启再开启调速泵进行控制,工作过程同2、3、4步。 2.5.2水泵切换条件分析 在上述的系统工作流程中,我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率,此
时管网的实际压力仍低于设定压力,此时需要增加水泵来满足供水要求,达到恒
17

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压的目的;当调速水泵和工频运行水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率, 此时管网的实际压力仍高于设定压力,此时需要减少工频运行水泵来减少供水流 量,达到恒压的目的。那么何时进行切换,才能使系统提供稳定可靠的供水压力,
同时使机组不过于频繁的切换呢?

尽管通用变频器的频率都可以在0~400Hz范围内进行调节,但当它用在供 水系统中,其频率调节的范围是有限的,不可能无限地增大和减小。当正在变频 状态下运行的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 电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制,50Hz成为频率调节的上限频率。 当变频器的输出频率已经到达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的输出频率了。要增加实际供水压力,正如前面所讲的那

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,变频器的输出 频率不能够为负值,最低只能是0Hz。其实,在实际应用中,变频器的输出频率 是不可能降传到0Hz。因为当水泵机组运行,电机带动水泵向管网供水时,由于 管网中的水压会反推水泵,给带动水泵运行的电机一个反向的力矩,同时这个水 压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网,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,实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而 下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0Hz,
具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关,一般在20Hz左右。由于在变频

运行状态下,水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定,这个下限频 率也就成为变频器频率调节的下限频率【20】。
从上面的分析可以看出,当变频器的输出频率已经到达上限频率,而实际的

供水压力仍然低于设定压力时,存在的实际供水压力差己经不能够使输出频率增 大,实际供水压力也不会提高。当变频器的输出频率己经下降到下限频率,实际
的供水压力却仍高于设定的供水压力时,存在的压力差不会使输出频率继续降 低,实际的供水压力也不会降低。所以,选择这两个时刻作为水泵机组切换的时

机是合理的,但要做以下考虑。 判别条件可简写如下【2lJ:
f=lUP

P§P F

(2-9) (2—10)

,=l删PS婶f

式中:岛:上限频率;如矽:下限频率;es:设定压力;弓:反馈压力
对于第一个判别条件,可能出现这种情况:输出频率达到上限频率时,实际 供水压力在设定压力上下波动。在这种情况下,如果按照上面的判别条件,只要 条件一满足就进行机组切换,很可能由于新增加了一台机组运行,供水压力一下 就超过了设定压力。并且使新投入运行的机组几乎在变频器输出频率的下限运
18

江苏大学工程硕士学位论文 行,对供水作用很小。在极端的情况下,运行机组增加后,实际供水压力超过设

定供水压力,而新增加的机组在变频器的下限频率运行,此时又满足了机组切换 的停机条件,需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。假设这一段时间内用户 的用水状况保持不变(其实在一个稳定的供水时段可以看作这种情况),那么按照 要求停掉了一个工频状态下运行的机组之后,机组的整体运行情况与增加运行机
组之前完全相同。

可以预见,如果用水状况不变,供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一 直这样投入-÷切出_÷再投入_再切出地循环下去,这增加了机组切换的次数,使
系统一直处于不稳定的状态之中。同时,在切换过程和变频器从启动到稳定的过 程中,系统的供水情况是不稳定的,实际供水压力也会在很大的压力范围内震荡。

这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力,也使得机组由于相互切换频繁 而增大磨损,减少运行寿命122J。对于第二个判别条件,通过相同的讨论方法也能 够得到类似的结论。所以,在实际应用中,应当在确实需要机组进行切换的时候
才进行机组的切换。相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的,

其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。 在恒压供水中,机组的切换为机组增加与机组减少两种情况,这两种情况由 于变频器输出频率与供水压力的不同逻辑关系相对应。考虑到只有当变频器的输 出频率在上下限频率时才可能发生切换,并且上限频率时不可能减泵,下限频率
时不可能增泵,所以,可以采用回滞环思想进行判别如图2.8表示:
J L

设定压力 增
I I I

实际 压力

减泵 际压力 (上限频率)






.-了
apd
J0

(‘F限频翠) 图2.8判断压力的回滞环

如果变频器的输出为上限频率,只有当实际的供水压力比设定压力小APd/2 的时候才允许进行机组增加;如果变频器的输出为下限频率,则只有当实际的供 水压力比设定压力大APd/2的时候才允许进行机组的增加。回滞环的应用提供了 这样一个保障,即如果切换的判别条件满足,那就说明此时实际供水压力在当前 机组的运行状况下满足不了设定的要求。但这个判别条件的满足也不能够完全证 明当前确实需要进行机组切换,因为有两种情况可能使判别条件的成立有问题: 实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰,这两种情

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况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足,造成判断上的失 误,引起机组切换的误操作。这两种情况有一个共同的特点,即创门维持的时间
短,只能够使机组切换的判别条件在一个瞬间满足。根据这个特点,在判别条件 中加入延时的判断就显得尤为必要了。 所谓延时判别,是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的,如果真的

要进行机组切换,切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一
段时间,比如一、两分钟,如果在这段延时的时间内切换条件仍然成立,则进行

实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求,说明判别条件 的满足只是暂时的,如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作【231。经 过以上的分析,将实际的机组切换的条件优化为:

增泵条件:f=岛

PI<Ps一丁APe

且延时判别成立(2-11)

减泵条件:f=厶矿

e厂}es+TAPe

且延时判别成立

(2—12)

20

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第三章系统的硬件选择
通过前面的分析最终确定下来的小区供水系统方案主要由PLC、变频器、压 力变送器和水泵组成,本章将具体分析并选定合适的硬件设备。

3.1水泵的选择
由于恒压供水是要靠水泵抽水来实现的,所以水泵的选择应该是放在第一位 的。常用的水泵型号的表示方法有以下几种:
一、4BA.12型水泵

4:水泵进口直径的时数(时为英寸,1英寸=25毫米),所以这台水泵的进口
为4时,即4


25=100毫米;

BA:泵形式的代表字母,这种泵的结构特点是悬臂式的,即水泵是从泵座 上伸悬出来的; 12-水泵的水力特点,表示水泵的比转数为120(12是由比转数120除以10 得来的)。 又如,4BA一6型水泵,它与4BA.12型水泵的不同点就在于比转数,4BA.12

型水泵的比转数是120,4BA.6型水泵的比转数是60,其余进G7直径大小和结
构特点完全一样。

什么是比转数?这是一个从理论上研究水泵的特性得出来的数字,一般在设 计中不用它,所以我们不再介绍。简单说,比转数又称比速。比转数是指一个水
泵的假想叶轮的转动数字,用它来表示水泵特性的一个综合性能的参数。比转数 是当流量O.075m3时,扬程高1米(有效功率相当于l马力)所具有的转动数,叫

做比转数。一般讲,流量大扬程低的水泵,它的比转数就大。反之,流量小扬程 高的水泵,它的比转数就小。也就是,比转数越小,水泵的扬程越高,4BA一6型 水泵的扬程就比4BA.12型水泵的扬程高,所以配套的电机功率也要高。就水泵 叶轮的形状来说,比转数越小,它的形状就越扁。
二、4835型水泵

这是433A.12型水泵的新型号。4表示水泵进口直径的时数,它把中间BA 两个字母精简成B(由于臂字拼音的第一个字母是B,所以用A代替旧型号的BA,
把悬臂构造的特点直接反映出来了),35指这种泵在效率最高点时的扬程约为35

米。旧型号的12是从比转数来的,这对一般选泵的人来说,没有什么意义,可 以省去。新型号把泵的扬程35米包括进去,因此,从泵的型号上看,可以知道
泵的流量和扬程,这对选泵是很方便的。不过,扬程的数字比较繁琐,记泵的型
2l

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号也有些不方便。
三、 10Sh.9A型水泵

1旺表示水泵进口直径的时数,这台水泵的进口是lO时,即250毫米。
Sh.表示水泵的结构特点,Sh是“双”字拼音的头两个字母,说明这台水泵的叶轮

是“双面”都进水的,9~表示比转数为90(90除以10得9),A.一表示把10Sh.9
型号水泵换了小一号的叶轮。
同样,12Sh.13型水泵。12时(300毫米)表示泵的进口直径,它是比转数130

的双吸泵(x2面吸水泵)。如果这种水泵改用小一号的叶轮,就表示为12Sh一13A。 代表叶轮改小的字母在BA型水泵也一样通用,如果有两种较小的叶轮, 还可以分别用a及B表示。例如,6BA一8,6BA.8A及6BA一8B三种型号水泵差别 只是叶轮大小不同,其它构造完全一样,6BA一8A型的叶轮比6BA.8型的小一号, 6BA一8B型的叶轮比6BA一8型的小两号。叶轮小,扬程就低,因此,配套电机的 功率也相应的小了。
水泵的全部性能可以从水泵样本中查到。主要项目有流量、总扬程、效率、

转数、配套功率和最大吸水扬程等。 表3.1是10Sh一13型水泵的工作性能表。表中每行数据都是配套的。例.如, 流量为360吨/时,总扬程为27米,效率为80%,这是一套。又如,流量为486 吨/时,总扬程为23.5米,效率为86%,这又是一套。从表3.1可以看出水泵的 性能,当流量加大时,扬程就变小。所以在最大流最576吨/时,它的总扬程只
有19米。
表3.1 10Sh.13型水泵性能工作表 流量 (吨/时)
360 486 576

总扬程 (米)
27 23.5 19

效率
(%)
80 86 82

转数 (转/分)

配套功率 (千瓦)

最大吸水扬程 (米)

1450

55



当然,10Sh一13型水泵,并不是只能供给这三个流量。水泵的流量可以在一 个相当大的范围内变化,流最变化的时候,扬程也就跟着变化。这种变化的相互 关系,可以画成一条曲线,在水泵样本上可以查到这种曲线。
在水泵的铭牌上,都标有水泵的主要性能。其中,流量和扬程只标出曲线上 效率最高的一套数据。例如,在10Sh.13型水泵的铭牌上,只标出流量486吨/ 时和扬程23.5米。 表3.1中最大吸水扬程为6米,这就是要求吸水扬程不要超过6米。如果吸

水扬程超过8米,流量和扬程的关系就不能保持,流量就耍降低,如超过太多, 水泵甚至抽不出水来。但是,有一些水泵的最大吸水扬程还是有变化的,流最越

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大,最大吸水扬程就越小。一般水泵的最大吸水扬程都在5~6米以下,因此,
在选择吸水管的大小和决定水泵安装高度时,就要特别注意。 此外,应注意水泵样本上的最大吸水扬程还有两个限制条件:第一、安装水 泵的地点不能比海面高出200米。第二、水的温度不能超过200C。如果超出了

这些限制,最大吸水扬程还耍减少,减小的数值在一些书上有计算的方法。例!zl:l- 在比海面高出450米的地方安装水泵,水温为300。(2,可以算出它的最大吸水扬 程要比水泵样本上允许的数值减少大约0.6米。所以,表3.1的10Sh.13型水泵 的最大吸水扬程就要降为:6—0.6=5.4米。因此,在选择水泵位置的高度和吸水 管径的大小时,应注意这个问题。如果,使吸水扬程比最大允许吸水扬程低一些,
那就会满足这个需求,而不必再去计算吸水扬程的改正数。

水泵的流量,可以从水泵的进水口的大小沽计出来。如果把进水口当成一根
管子,按流速2.5米/秒算出管子的流量。那就是水泵的大致流量。

4BA.12型水泵的流量大致是多少?水泵进口直径=4



25=100毫米,Dgl00

管子在流速为1.0米/秒时的流量是30吨/时,当流速为2.5米/秒时,则流量为2.5


30=75吨/时,所以4BA.12型水泵的大致流量是75吨/时。这样,算得的流量

一般都在水泵样本中列出的流量范围内,至于个别出现的情况,可能是水泵效率
最高点的流量。 从上面的计算可以看出型水泵,无论是BA型水泵或者是Sh型水泵,只要 水泵型号的头一个数字相同(90进水El直径的大小相同),不管它的比转数大小, 它的流量大致是一样。例如,4BA.8型水泵和4BA.12型水泵的流量大致一样。 6BA一8型水泵和6Sh.9A型水泵的流量也大致是一样的。

选择水泵要根据两个条件,一个是水泵抽水的流量,另一个是水泵供水的总 扬程。表3.2是水泵快速选型表,是帮助我们在知道流量和扬程后,可以选出水
泵型号。例如,流量为100吨/时,扬程为25米的水泵,在表中找到有4BA.18、

4BA.12A和4BA.12三种都能用的型号(从流量50~150吨/时一栏往下数,与扬 程21"-'30米一行相交的一格)。但是,究竟哪一种最好呢?我们还要进一步结合 生产的要求和水泵的特点来定。

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表3.2水泵快速选型表

\流量

扬程(米卜\\
2BA.6B

Ⅶ/时)

10~30

20"-'70

50"-150

98~200

150~350 300~650 500~950

700~
1700

11~20

2BA一9B 2BA.9A 2BA.9

3BA.13A 3BA.13

4BA一25 4BA.18A 4BA.18

6BA.18 6BA.12A 6BA—12

8BA一25

10Sh.19 10Sh一13

1 2Sh一28A 12Sh.28 12Sh.19A 12Sh一19 1 4Sh一28A 14Sh.28 14Sh.19A

8BA一18A 10Sh.13A 8BA.18

21~30

2BA.6A 2BA一6

3BA一9A 3BA-9

4BA一18 4BA—12A 4BA.12

6BA.12 6BA一8B 6BA一8A 6BA.8 6BA.8 6Sh.9A 8Sh—13A 8Sh.13 8BA.12A 8BA.12

10Sh.13A 10Sh.13 10Sh.9A

12Sh.19 12Sh一13A 12Sh—13 14Sh.19a 14Sh.19

31"-一40

2BA.6

3BA.9 3BA一6

4BA.12 4BA.8A

10Sh.9A 10Sh.9

14Sh.19 12Sh.13 14Sh一1 3A 14Sh.13 14Sh.13 14Sh.9B

41"--50

3BA.6

4BA.8A 4BA.8

6Sh.9A 6Sh一9

8Sh.13A 8Sh.13

5l~60

3BA.6

4BA.8

6Sh一9A 6Sh.6A

8Sh.9A 8Sh.9

12Sh一6B

12Sh.6B

14Sh一9B 14Sh一9A 14Sh-9 14Sh.6B

61"-80

4BA.6A

6Sh.6A 6Sh.6

8Sh.9

12Sh.6B 12Sh一6A

12Sh.6B 12Sh.6A

8l~100

4BA.5

8Sh.6

12Sh.6

12Sh.6

14Sh.6B 14Sh.6A

水泵选型的步骤如下:

第一步、估计水泵的总扬程:水泵总扬程=地形扬程+管道阻力扬程+水泵管
道阻力扬程(3米)+设备扬程

第二步、选型:根据总扬程和流量查表3.2选型,得出几个可能用的水泵型
号后,再查水泵样本,落实究竟哪一种是最合用的水泵型号【24】。

根据以上的分析以及本系统所针对小区的用户,最后选定国产扬子江泵业有 限公司生产的IS型离心泵,IS型单级单吸(轴向吸入)离心泵,是全国联合设
计的节能泵,它是BA型、B型及其他单级清水离心泵的更新型。优点有:全系

列水力性能布局合理,用户选择范围宽,检修方便;效率和吸程达到国际平均先
进水平。具体型号为IS65—40—250A,其参数见表3.3:
表3.3 IS65—40.250A水泵参数表 流量 型号
(m3/h)

扬程 (所)

转速 (r/rain)

电机功率 (KW)

效率 (%)

叶轮名义 直径 (ram)
238

汽蚀余量 (ram)

IS65-40—250A

23.4

70

2900

11

49

2.0

24

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3.2变频器的选择
恒压供水系统的实现就是靠变频器控制水泵的变频运行,所以变频器的选择
也是很重要的一环。

3.2.1变频器选择条件
要对系统所用的变频器进行选型,首先得确定变频器的容量,方法是依据所 配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机

连续运转时,变频器容量(KVA)应同时满足下列三式‘25】:

‰≥』殳(KVA)
77COS妒

PcⅣ≥k×d3U^fIM
IcN≥kx/M(A)

x10-3(KVA)

式中:

‰:负载所要求的电动机的输出功率;
”:电动机的效率(通常在0.85以上);

cos6p:电动机的功率因数(通常在O.8以上);

U。:电动机电压(V); ,。:电动机工频电源时的电流(A); k:电流波形的修正系数,对PWM方式,取1.0—1.05;

圪:变频器的额定容量(KVA);
,。:变频器的额定电流(A);

这三个公式是统一的,选择变频器容量时,应同时满足三个算式的关系,尤 其变频器电流是一个较关键的量。根据控制功能不同,通用变频器可分为三种类 型:普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器 以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载,低速运行时的转矩小,可
选用价格相对便宜的U/f控制变频器。

综合以上因素,系统选用深圳市康沃电气技术有限公司生产的CVF.P2系列
风机、水泵专用变频器。康沃系列变频器型号说明见图3.1。

25

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0220B



一w陀盔一

函冒
图3.1康沃系列变频器型号说明
3.2.2

P2系列变频器的参数特点

P2系列变频器是根据风机、水泵在运行当中的各种状态及参数而专门设计

的,规格覆盖了大中小各种风机水泵的功率等级。它们的使用使风机水泵的集中
控制和自动调节成为现实。 其性能特点有:

◆宽调频范围0"-'-'500Hz任意可调 ◆提供直流0"-'5V/10V、.10V~+10V两组电源 ◆6种多段速控制功能

◆脉冲输入口0~10KHz(上、下可选) ◆高达15KHz的载波频率,最大限度降低电机噪音 ◆标准RS485通信接口(可选)
◆具有自动节能运行功能,可根据负载大小,自动调节电机的工作状态, 保持高效率节能运行

◆具有内部计数器和定时器 ◆内置PID控制器的参数,应根据实际需求和系统特性进行调整【261。
推荐使用的电气规格见表3.4。
表3.4推荐使用的电气规格表

适配 P2系列
CVF.P2.4T0 1 50 CVF.P2—4TO 1 85 CVF.P2.4T0220 CVF.P2—4T0300 CVF.P2.4T0370 CVF.P2.4T0450 CVF.P2.4T0550

线规 (主回路)
(mm2)
10 16 16 25 25 30 30

空气 断路器
(A)
60 75 75 125 125 150 1 75

电磁 接触器
(A)
35 50 50 80 80 100 1 80

电机
(KW)
15 18.5 22 30 37 45 55

26

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从推荐使用的电气规格表和水泵的电机功率最终选定本系统所用变频器为
CVF.P2.4T0370。其技术指标见表3.5
表3.5康沃P2系列变频器技术指标 输 入 额定电压、频率 电压允许变动范围 电压 输


三相380V 320V~460V O~380V

50/60Hz

频率 过载能力 控制方式 模拟端子输 频率 设定 分辨 窒 入 数字设定 面板模拟设 定 外部脉冲 模拟输入 频率 精度 数字输入 外部脉冲

OHZ~500Hz G2系列:150%1分钟, P2系列: V/F控制 最大输出频率的O.1%
0.01HZ



180%2秒;

120%1分钟

最大频率的O.4% 最大频率的0.1% 最人输出频率的0。2%以内 设定输出频率的0.01%以内 最大输出频率的0.1%以内

控 V/F曲线 (电压频率特性) 制 转矩提升 自动节能运行 加、减速时间设定 性 制动 直流制动 自动限流功能 电压失速防止 低噪音运行 检速再启动功能 频率 设定 信号 模拟输入 数字设定 脉冲输入 能耗制动

基准频率在5"-'500Hz任意设定,可选择恒转矩、递减转矩l、递减转
矩2共三类 曲线 手动设定:额定输出的0"-'20% 自动提升:根据输出电流自动确定提升转矩 根据输出电流适时调整输出电压及转差补偿,使电机一直在最高效率 下工作 0.1"-'6000秒连续可设,S型、直线型模式可选 75%以上(外接制动电阻时)



启动、停止时分别可选,动作频率0"-'15Hz,动作电压0"-'15%,动作
时间0~20.0秒、或持续动作 快速电流自动抑制能力,确保在加速过程中及冲击性负载下不发生过 流 保证减速过程中不发生过电压 载波频率1.5KHz~10.0KHz连续可调,最大限度降低电机噪声 可实现运转中电机的平滑再启动及瞬停再启动功能 直流电压0~10V、.10V~10V,直流电流0"---'20mA(上、下限可选) 使用操作面板 0~10KHz(上、下限可选)

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启动信号 定时器、计数器 控 多段速控制功能/摆 频运行 内置 制
PID

正转、反转、启动信号自保持(三线控制)可选 内置定时器、计数器各一个,方便系统集成 最多7段可编程多段速控制,每段速度的运行方向、运行时间分别可 设。当用外部端子控制时,可达15段速,具有包括摆频运行在内的6 种运行模式

普通PID 供水专用(需 附件)

可以方便地构成简易控制系统而不需附加PID控制器。 通过附件可以构成最多4泵切换的恒压供水系统,包括压力上下限报 警、压力上下限限制、睡眠/苏醒、定时供水等多种专用功能

控制 特

上、下限频率设定,频率跳跃运行,反转运行限制,转差频率补偿,
运行功能 自动稳压运行,RS485通讯,频率递增、递减控制,故障自恢复运行、 多机连动运行 变频器运转中,频率到达,频率水平检测,过载报警,外部故障停机,

性 输出 信号

运行状态

(of输出)
指示仪表

频率上限到达,频率下限到达,欠压停止,零速运转,可编程多段速
状态,内部计数器到达,内部定时器到达,压力上、下限报警

输出频率、输出电流、输出电压、电机转速、PID设定与反馈,可外接
电压表、频率计 输出频率,输出电流,输出电压,电机转速,设定频率,PID设定, PID反馈,模块温度,运行时间累计,模拟输入输出、端子输入状态等 最近六次故障记录,最近一次故障跳闸时的输出频率、设定频率、输 出电流、输出电压、直流电压、模块温度、端子状态、累计运行时间8 项运行参数记录

显 不
。——

操作 丽板 显示

运行状态

报警内容

保护/报警功能
周陶温度 环 境 周嗣湿度 周围环境

过电流,过电压,欠压,电子热继电器保护,过热,短路
.100C至+500C(不冻结) 90%以下(不结霜) 室内(无阳光直晒、无腐蚀、易燃气体,无油雾、尘埃等) 低于1000m
IP20

海拔
结 构 防护等级 冷却方式

强制风冷 肇挂式

安装力式

3.2.3变频器装配线路
安装配线是需要注意的事项有: (1)必须由合格的专业技术人员进行配线操作。 (2)接线前,确保已完全切断电源10分钟以上,否则有触电危险。

(3)绝对禁止将电源线接到变频器的输出端子U、V、W上。 (4)变频器和电动机必须安全接地。
(5)确保变频器与供电电源之间连接有中间断路器,以免变频器故障时事

故扩大。

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(6)变频器与电机之间不可加装电磁接触器。 (7)变频器U、V、w输出端不可加装吸收电容或其它阻容吸收装置,如
图3.2所示。

图3.2

输出端禁止连接阻容吸收装置或电磁接触器

(8)为减小电磁干扰,请给变频器周围电路中的电磁接触器、继电器等装置的
线圈接上浪涌吸收器。

(9)频率设定端子Ⅳ11、V12、II)、仪表回路(AM、FM)等模拟信号的接线 请使用0.3mm2以上的屏蔽线,屏蔽层连接到变频器的接地端子AM.上,
接线长度小于30m。 (10)继电器输入及输出回路的接线(X1~X7、OCl、OC2、FWD、REV、RST),

应选用0.75mm2以上的绞合线或屏蔽线,屏蔽层与变频器的接地端子CM 相连,接线长度小于50m。 (11)控制线应与主回路动力线分开,平行布线应相隔10cm以上,交叉布线时 应使其垂直。 (12)变频器与电机间的连线应小于30m,当接线长度大于30m时,应适当降 低变频器的载波频率。
(13)所有引线的耐压必须与变频器的电压等级相符。 主回路端子分配如图3.3,功能说明见表3.6

④ ① ④ ① ① ④ ①④ ① ④
R S T P P+ P. U V





① ① ① ① ① ① ① ① ① ①


图3.3主回路端子分配

29

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表3.6主回路端子功能说明

端子符号
P P+ P. R、S、T

功能说明 直流侧电压正端子 P、P+间可接直流电抗器 直流侧电压负端子 接电网三相交流电源 接三相交流电动机 接地端子

U、V、W


控制回路端子如图3.4,功能说明见表3.7
TA Tc



X4

硒FⅣD

CM

REV∞1 GND

V.

II

AM

FM

囵固 西巫 西巫 西亚 西巫 虿巫 虿亚 虿巫 西巫 虿巫 晒亚 虿巫 虿巫 一⑦巫
TB Xl X3 A B

RS485通讯

CM

X6

X7

RST+24

0C2

V+VIl

V12

A~I-E

图3.4

控制同路端子图

表3.7控制回路端子功能说明 种类 端子符号
V+

端予功能 向外提供+5V/50mA电源 或+IOV/1 0mA电源 向外提供。10V/10mA电源 频率设定电压信号输入端1 频率设定电压信号输入端2

备 由控制板上JPl选择



V-

模 拟 输 入

V11 V12

O~10V .10~10V

II

频率设定电流信号输入正端(电流流入 0~20mA 端) 频率设定电压信号的公共端(V+、V-电 源地),频率设定电流信号输入负端(电 流流出端) 多功能输入端子l 多功能输入端子2 多功能输入端子3 多功能输入端子4 多功能输入端子5 多功能输入端子6 多功能输入端子7,也可作外部脉冲信号 的输入端子 正转控制命令端 逆转控制命令端 故障复位输入端 与CM端闭合有效,FWD.CM决定面 板控制方式时的运转方向。 多功能输入端子的具体功能由参数 ..63~L.69设定,端子与CM端闭合 有效

GND

控 制

X1 X2 X3

端 子

X4 X5 X6 X7

FWD
REV RST

30

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CM
+24

控制端子的公共端 向外提供的+24V/50mA的电源(CM端 子为该电源地) 可编程电压信号输出端,外接电压表头 最大允许电流lmA (由参数b.10设定) 输出电压0~10V 可编程频率信号输出端,外接频率计(由 最高输出信号频率50KHz、幅值10V 参b.1 l设定) AM、FM端子的公共端 内部与GND端相连 可编程开路集电极输出,由参数b一15及 最大负载电流50mA,最高承受电压 24V b.16设定 变频器正常:TA.TB闭合TA—TC断开 变频器故障:TA.TB断开TA.TC闭合 触点容量:AC250V 阻性负载
1A

AM

模拟 输出

FM
AM.

oC

oCl OC2

输出 故 障


TB TC A B



R¥485

通讯


RS485通讯端子 接地端子

具体的功能参数详细设定见附录二 变频器的基本配线见图3.5

图3.5变频器的基本配线图

3l

江苏大学工程硕士学位论文 变频器系统配线见图3.6所示

图3.6

变频器系统配线

配线时需要注意的地方有:电源依照指定的输入电源规格供电;空气开关: 当变频器进行维修或长时间不用时,空气开关使变频器与电源隔离;当变频器输 入侧有短路或电源电压过低等故障时,空气开关可进行保护。接触器:方便地控 制变频器的通电和断电。AC电抗器:提高功率因数;降低变频器对电网的谐波 注入;削弱三相电源电压不平衡的影响。制动电阻:当电动机处于再生制动状态 时,避免在直流回路中产生过高的泵升电压。 通过以上的分析,画出本系统的变频器与电机的电气连接图如图3.7:

L2
1.3 l pII





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电机2

电扼3

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图3.7变频器与电机的电气连接图

32

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3.3压力变送器的选择
压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室,作用在即敏感元件的 两侧隔离膜片上.通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。测量膜片 与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时,致使测量膜 片产生位移,其位移量和压力差成正比,故两侧电容量就不等,通过振荡和解调 环节,转换成与压力成正比的信号。压力变进器和绝对压力变送器的工作原理和 差压变送器相同,所不同的是低压室压力是大气压或真空。 采用压力变送器可以直接把网管内的水压这个模拟信号转换为标准的电信 号,从而有效的减少了系统的硬件配置,利用较少的元件实现较复杂的功能,在 实际应用中,压力变送器的使用环境比较恶劣,考虑到水对人们生活的重要性, 保证供水的压力满足人们生活的需要,为此选用奥脉络AM693变频恒压供水专 用仪表压力变送器。 AM693系列变频恒压供水专用仪表压力变送器(见图3.8)由压力传感器和 信号转换电路、壳体及过程连接件组成。压力传感器由灌充液实现压敏元件和 SS316不锈钢膜片之间的压力传递。敏感元件的微小位移改变传感器的输出,通 过转换电路转换成4~20mA或1~5v标准信号。为了适应中小企业的旧信号标 准体制,本产品增加了0~10mA电流输出。

h I_==∥


正硼
AM69系列压力变送器的独特之处在于:

一硼

图3.8AM693压力变送器

◆采用全不锈钢结构的激光温补硅传感膜片; ◆采用绝对工业级的高可靠变送模块; ◆采用创新的奥脉络制造工艺。 此三项领先技术的结合使该系列产品达到了模拟式压力变送器的最新水准。 目前,AM69系列压力变送器共分为AM691、AM693、AM697三种型号。 其中AM693压力变送器是AM690系列产品的标准型式,采用精铸铝外壳,结构

江苏大学工程硕士学位论文 精巧美观,性能优越。其技术指标如下【27】: ◆使用温度:-20"--70℃ ◆贮藏温度:.40---125℃ ◆相对湿度:
(95%RH

◆工作电压:12一-,36VDC

◆输出信号:4"--20mA.DC,也可选择其它输出信号(详见选型表) ◆量程:.0.1~70MPa详见选型表
◆零点:在量程的30%内连续可调

◆过压:量程<34KPa时为138KPa,其它为3--一10倍量程
◆灌充液体积:约0.2cm3 ◆过程连接件:SS316不锈钢 ◆膜片:SS316不锈钢

◆壳体材料:无铜铝合金压铸件
◆颜色:银灰色、驼灰色、蓝色 ◆安装型式:螺纹或法兰安装

◆重量:约0.8kg法兰结构除外
◆综合精度:0.2%F.S;0.5%F.S

◆环境温度影响:0.001%F.S/℃
◆介质温度影响:0.015%F.S/℃

◆长期稳定性:每年优于0.2%
◆电源影响:0.0015%F.S/V ◆防爆等级:ExibIICT4 ◆防护等级:IP65

3.4

PLC的选择
PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心,它要完成对系统中所有输入信号

的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选 择PLC时,要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口
及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。

可编程序控制器(Programmable

Logic

Controller),简称PLC,是一种专为

在工业环境应用而设计的数字运算电子系统,它是以微处理机为基础,综合了计 算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动 控制装置,是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。 可编程控制器PLC是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控

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制机,其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似, 只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口,使用更直接的适应
于控制要求的编程语言12剐。

PLC机硬件主要由中央处理单元(CPU)、存贮器、输入/输出单元以及编程器、 电源和智能输入/输出单元等构成。由于PLC采用了“三机一体化”的综合技术即 集计算机、仪器仪表、电气控制于一身,具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵 活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点,因而与其它控制器相比它更加适 合工业控制环境和市场的要求;再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化
和标准化,使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制,开始进入 批量控制和过程控制领域,并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前,PLC在小

型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。 早期的可编程序控制器,主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技 术、通信技术和自动控制技术的迅速发展,可编程序控制器将传统的继电器控制 技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体,PLC的功能得到大大的增强,具
有以下特点:

1.可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、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,它还有多种人 机对话的接口模块;为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块。
3.采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以

外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/0 等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根
据用户的需要自行组合。

4.编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式, 对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员
所理解和掌握。

5.安装简单,维修方便。PLC不需要专门的机房,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,便于用户了解运行情况和查找故 障。由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的 方法,使系统迅速恢复运行【29】。 3.4.1三菱FX2N系列PLC的功能特点
三菱公司20世界80年代推出了F系YOd',型PLC,90年代初F系列被Fl系 列和F2系列取代,后来又相继推出了FX2、FXl、FX2N、FX0、FXON、FXOS 等系列产品。目前,三菱公司的FX系列产品样本中仅有FX2S、FXlN、FX2N

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和FX2NCc这4个子系列。FX系列是国内使用得最多得PLC系列产品之一,特
别是近年推出得FX2N系列PLC具有功能强、应用范围广、性能价格比高,并

且有很强得网络通信功能,最多可扩展到256个I/O点,可满足大多数用户的需
要,在国内占有很大的市场份额。 FX2N目前是FX系列中功能最强、速度最快的微型PLC,它有20种基本单

元。电源有AC和DC两种,输入电路采用24V直流电源,输出方式有继电器输 出和晶体管输出两种。基本单元最小I/O点数为16,最大为128点。它的基本指
令执行时间高达O.08每条指令,内置的用户存储器为8kB步,可扩展到16kB步,

最大可扩展到256个I/O点。有多种特殊功能模块或功能扩展板,可实现多轴定 位控制,每个基本单元可扩展8个特殊单元。机内有实时时钟,PID指令可实现 模拟量闭环控制。有功能很强的数学指令集,如浮点数运算、开平方和三角函数
等。

通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接,如CC.Link、AS—I
网络、PROFIBUS、DeviceNet等开放式网络通信、RS.232C、RS一422和RS.485

通信,N:N链接、并行链接、计算机链接和I/O链接【30】。
3.4.2

FX2N系列PLC的元器件

1.输入继电器X 输入继电器与PLC的输入端子相连,是PLC接收外部开关信号的窗口。PLC 通过输入端子将外部信号的状态读入并存储在输入映像寄存器中。FX2N系列
PLC的输入继电器采用八进制地址编号,如X000--一X007,x010~X017等,最 多可达256点。

2.输出继电器Y 输出继电器与PLC的输出端子相连,是PLC向外部负载发送信号的窗口。 输出继电器用来将PLC的输出信号传送给输出单元,再由后者驱动外部负载。 FX系列PLC的输出继电器采用八进制地址编号,如y0--一y7,Y10--一Y17等,
最多可达256点。

输出继电器用于连接电磁阀、接触器、小型电机、灯和电机起动器。具有电 平转换、隔离和功率放大的作用。输出单元有继电器输出方式、晶体管输出方式 和双向晶闸管输出方式三种。FX2N系列的PLC只有继电器输出方式和晶体管输
出方式两种。

继电器输出方式的特点是:可使用交直流电源,其动作慢,但安全隔离效果
好,可靠性高。

晶体管输出方式的电路的其特点是:只能使用直流电源,其响应速度最快

——场效应管输出模块的工作频率可达20kHz,但过载能力较差。
双向晶闸管输出方式只能使用交流电源。
36



江苏大学工程硕士学位论文 3.辅助继电器M

PLC内部有很多辅助继电器,它是一种内部的状态标志,相当于继电器控制
系统中的中间继电器。它的常开常闭接点在PLC的梯形图内可以无限制的自由

使用,但是这些接点不能直接驱动外部负载。FX2N的辅助继电器有三种。 (1)通用型:MO--一M499,共500点。通用辅助继电器没有断电保持功能。 (2)掉电保持型:M500~'M1023,共524点。在电源中断时用锂电池保持 RAM中映像寄存器的内容。在某些控制系统要求记忆电源中断瞬间的状态,重
新通电后再现其状态,可以用掉电保持型辅助继电器。

(3)特殊辅助继电器:特殊辅助继电器共256点,它们用来表示PLC的某 些状态,提供时钟脉冲和标志,设定PLC的运行方式,或者用于步进顺控、禁 止中断、设定计数器是加计数还是减计数等。常用的特殊辅助继电器如下:

M800峨行监视,PLC运行时接通;M8002—初始化脉冲,仅在运行开始瞬间
接通一个PLC扫描周期;M801 4.状态继电器S

1~M80l仁时钟脉冲序列,分别是10ms、lOOms、 1s和lmin的时钟脉冲序列。M803旺锂电池电压指示,当锂电池电压跌落时接 通;M8033_PLC停止时输出保持;M803仁禁止输出;M8039一定时扫描。
状态继电器是构成状态转移图的重要软元件,它与后面要讲的步进顺控指令
配合使用。不用步进顺控指令时,状态继电器S可以作为辅助继电器使用。通常 状态继电器有下面5种类型:

(1)初始状态继电器S0--一¥9共lO点;

(2)回零状态继电器S10~-S19共

10点;(3)通用状态继电器¥20~¥499共480点;(4)保持状态继电器¥500--一
¥899共400点; 5.定时器T

(5)报警用状态继电器S900~S999共100点。

FX2N的定时器如表3.8所示。定时器可以用常数K作为设定值,也可以用 数据寄存器D的内容作为设定值。
表3.8 FX2N的定时器

类型 通用型

时基
100ms 10ms

地址
200(TO~T199) 46(T200~T245)
4(T246 T249)

定时范围
0.1

s~3276.7s s~327.67s

0.0 l

1ms

0.00 1 s~,32.767s O.1 s~3276.7s

积算型
100ms

6(T250~T255)

通用型定时器的工作特点是得电开始定时,延时闭合,断电自动复位。积算 型定时器是得电开始定时,延时闭合,断电保持,高电平复位。 6.计数器C

FX2N的计数器如表3.9所示。

37

江苏大学工程硕士学位论文
表3.9 FX2N的计数器

类型 16位通用型 16位掉电保持型

地址
100(CO"--"C99)

定时范围 1~32
767

100(C100"-C199)

32位通用双向型 32位掉电保持双向


20(C200~C219)
.2 147 483 648"--+2 147 483

15(C220~C234)
647

高速计数器

21(C235~C255)

(1)16位加计数器:具有掉电保持功能的计数器在电源断电时可保持其状

态信息,重新送电后能立即按断电时的状态恢复工作。 (2)32位加/减计数器:计数方式由特殊辅助继电器M8200~M8234设定。 对于Cxxx,当M82xxx接通时为减计数器,当M82xxx断开时为加计数器。 (3)高速计数器:高速计数器均为32位加减计数器。但适用高速计数器输 入的PLC输入端只有6个:X0"-'X5。最多只能用6个高速计数器同时工作。
高速计数器的类型如下:

单相无起动/复位端子高速计数器C235"-'C240; 单相带起动/复位端子高速计数器C241"-'C245; 单相双输入(双向)高速计数器C246~C250; 双相输入(A.B相型)高速计数器C25
7.数据寄存器D
1"--'C255。

FX2N的数据寄存器如表3.10所示。数据寄存器在模拟量检测与控制以及位 置控制等场合用来存储数据和参数,数据寄存器可储存16位二进制数或一个字, 两个数据寄存器合并起来可以存放32位数据。如DO和D1可组成一个双字,
DO存放低16位,D1存放高16位。最高位为符号位,该位为0表示正数,为1

表示负数。
表3.10 FX2N的数据寄存器

类型
通用寄存器 掉电保持寄存 器 特殊寄存器 文件寄存器

地址
200(D0~D199)
7800(D200"-"D7999) 106(D8000"--"D8195)
7000(D 1 000"---"D7999)

用途
存储数据 存储重要数据 控制和监视PLC内部的工作方式和元件 为PLC的参数区,可被外部设备存取

8.变址寄存器V和Z

FX系列PLC有16个变址寄存器V0"-'V7和Z0"-'Z7,在32位操作时将V、
38

江苏大学工程硕士学位论文

Z合并使用,Z为低位。变址寄存器用来改变软元件的元件号口l,。

3船选定三袭FX2N.-40MR系列PI.,C
依据本系统所要实现的控制任务,从PLC的输入,输出点数、存储器容量、 输入,输出接口模块类型等方面的要求最后选定使用三菱FX2N-401vlR系列PLC。 此系列产品输入量为24点,输出量为16点,除具有可编程逻辑控制功能之外, 每台产晶均支持人机界面。其外部接线如图3.9所示。



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圈3.9PLC外部接线图

由于PLC的输入输出点数有限,为了节省输入数输出点数,在箱_入和输出口 出采用了开关并联和使用联动开关的接线方式,如图3.10和3.11所示:

图3.10输入口接法

江苏大学工程硕士学位论文

图3.11输出口接法

输入端子X0外接了一个按钮SBl,可以实现系统中水泵的手动启动和自动启 动两个选择。 输入端子X1外接了按钮SB2,当选为自动运行时,用来实现自动运行的启动。
输入端子X2外接了按钮SB3,实现的是使系统急停的功能,无论系统运行在

手动还是自动状态,只要按下SB3,均可停止所有水泵。
输入端X3,X4的功能是在手动启动水泵时选择变频启动还是工频启动。

X5,X6和X7这三个输入口分别代表了l}f、2≠f和3撑三台水泵。从X3到X7这五 个输入口分别采用几组联动开关来连接。1A1.1和1A1.2是一组联动开关,功能 是实现l撑水泵的变频启动;2A1.1和2A1—2是一组,功能是实现2存水泵的变频
启动,3A1.1和3A1.2是一组,功能是实现3撑水泵的变频启动。1A2.1和1A2.2 是一组联动开关,功能是实现1拌水泵的工频启动;2A2—1和2A2.2是一组联动开

关,功能是实现2拌水泵的工频启动;3A2.1和3A2.2是一组联动开关,功能是实
现3撑水泵的工频启动。联动开关的意义在于只要按下一组开关中的一个,整组

开关都将同时动作。如果想让1群水泵在变频启动,只需按下和输入端X3相连的 1A1.2按钮,由于1A1—1和1A1—2是联动的,所以与输入端X5相连的lAl.1按 钮也同时闭合,此时1撑水泵变频启动。这种设计思路是为了节省输入口,正常 的话,三台电机,每台都有变频、工频两个状态,共六种状态,需要六个输入输
出口,而采用这种接法只需要三个输入口就可以实现了。

输入端子X10,X1l和X12分别接了3个按钮,其功能是实现l撑、2撑和3撑
水泵的手动停止。

输入端子X13和X14分别接变频器的50Hz满负荷报警和压力上限报警,当 水泵满以工频负荷工作压力还不够时,X13所接的继电器线圈得电,KAl闭合,
如果压力超过上限,X14所接的继电器线圈得电,KA2闭合。

输入端子X15、X16和X17分别接了热继电器FRl、FR2和FR3,这三个热
继电器是用来保护l群、2撑和3撑水泵防止它们过载的。 输出端子Y0接变频器,当Y0有输出时变频器丌始工作。 输出端子Y1、Y2和Y3分别接继电器KMl、KM2和KM3,这3个线圈分别 表示1撑、2撑和3撑水泵的工频运行。

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输出端子Y5、Y6和Y7分别接继电器KM4、KM5和KM6,这3个线圈分别 表示1拌、2拌和3舟水泵的变频运行。 输出端子Y10接灯泡HLl,是系统自动运行的指示灯,此灯亮表示系统处于 自动运行状态,否则就是手动运行状态。
输出端子Y12、Y13和Y14分别接灯泡HL3、HL4和HL5,是l撑、2拌和3#

水泵的变频运行指示灯。某盏灯亮,表示其对应的水泵处于变频运行状态。 同样为了节省输出口,在输出端分别采用KMl、KM2和KM3的常开触点来
控制灯泡HL7、HL8和HL9,是1撑、2拌和3拌水泵的工频运行指示灯。HLl0是 报警指示灯。

3.5硬件连接图
根据所选的水泵、变频器、压力变送器和PLC,最终确定下来的系统硬件连
接图如图3.12所示:

图3.12系统硬件连接图

压力变送器收集来的水压信号送到变频器与设定的水压进行比较,由PLC来 控制变频器的运行,从而使三台水泵之间的工作状态不断地轮转切换,保证了供
水系统所提供的压力始终为恒定值,从而确保了小区供水的可靠性。
4l

江苏大学工程硕士学位论文

第四章软件设计及调试运行
根据前面的分析,在确定了系统的控制方案和选定了硬件设备之后,本章主

要通过软件即编写PLC的程序来实现控制整个系统的运行。

4.1

I/O分配
要编写程序,必须首先确定I/O(输入输出口)的分配。在这个控制系统中,

共用到16个输入和11个输出。输入口从X0"-'X7和X10"-'X17,输出口从Yl~
Y7和Y10~Y14。具体分配如下表4.1。
表4.1 I/O地址分配表

输入点
XO X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 XlO X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17

功能 手动/自动 自动启动 急停

输出点
Y0 Y1 Y2 Y3 Y5 Y6 Y7 Y10 Y12 Y13 Y14

功能 变频器启动 1群泵工频启动 2群泵工频启动 3群泵工频启动 1撑泵变频启动 2捍泵变频启动 3拌泵变频启动

变频启动
工频启动 1拱泵手动启动 2#泵手动启动 3撑泵手动启动 1拌泵手动停止 2撑泵手动停止 3撑泵手动停止 50Hz满负荷报警 压力上限报警 1撑泵过载报警 2莓泵过载报警 3jfj}泵过载报警

自动运行指示
1群泵变频运行指示 2拌泵变频运行指示 3群泵变频运行指示

表中己详细标明了各个输入输出口的功能,因此这里就不再赘述。

4.2调试运行分析
4.2.1程序流程图

42

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对于系统应该设立的手动和自动两种运行方式,主要靠在系统启动时判断输 入口XO的状态来实现;另外由于本系统涉及到三台水泵的变频、工频等运行以 及三台水泵之间的运行切换,因此在设计软件时时采用步进式的编程方法,而且 三台水泵之间最终通过不断循环的方式来切换运行,可以在保证正常供水的前提
下,更有效的利用和保护水泵。

根据这样的设计思想,画出流程图如图4.1所示:

《斜刊翩卜
l 是;
1{f变频启动


一JI

。.悬≤蕊 一《苎!苎哆≯唑型
否●
步骤l一’ l嚣变为工频。2ll变频启动
l一

网 圈 幽 圆 圆


-q手动停止l

否l
墉练燹为工频,辅变凝启动
LI

是I
整磺,牡l 式ml哥l
一 —

一是一.《≤=≥》、
步骤2……

一搠怕一秃平
此后类能步骤】到步骤2. 3台电机将不断循环运行
l I




图4.1系统流程图
43

江苏大学工程硕士学位论文

4.2.2程序流程分析 开始后,本系统设计有自动和手动两个状态可以供用户选择。如果X0的按 钮SBl没有按下,则系统进入手动运行状态。
手动运行时,由于三台水泵1{!f、2撑和3群各自有两种工作方式:即变频和工

频,那么就共有六种工作状态可以通过手动来选择。例如:想选择1拌水泵变频 启动,只需按下按钮1A1即可(硬件连接详见图3.91和3.10)。由于采用联动开 关,此时X3和X5(梯形图见程序清单)同时得电,常开触点变常闭,中间继 电器M100得电,并且实现自锁,M100的常开触点闭合,输出继电器Y5得电,
控制l群水泵变频启动,同时输出继电器Y012得电,l群变频器工作指示灯HL3

亮。其它几种手动与之类似。 如果按下SBl,系统选择自动运行。首先X0的常开变常闭,输出继电器
YlO得电,与之相连的自动运行指示灯HLl亮。同时中间继电器M60得电,那

么程序将自动使中间继电器M20置位,程序步进。 中间继电器M20得电,其常开触点闭合,使中间继电器M130得电,输出 继电器Y5得电,1撑水泵变频运行,同时通过变频器监测水压来调整水泵电机的 频率,如果当1撑水泵以满负荷即工频运行时,水压仍不够,那么满负荷报警输
入端X13得电,其常开触点闭合,经延时后对中间继电器M20复位,同时对

M30置位,程序继续步进。
中间继电器M30得电,其常开触点闭合,使中间继电器M140得电,这样

输出继电器Y1得电,1撑水泵转为工频运行,延时后中间继电器M131得电,使 输出继电器Y6得电,2拌水泵变频启动,同时Y13得电,与之相连的2撑变频运 行指示灯HL4亮。此时仍不断监测水压,当水压达到压力上限时,与之相连的 输入端X14得电,其常开触点闭合,中间继电器M90得电并自保,使1拌水泵停 止运行,只留2撑水泵变频运行。如果“1样工频运行+2捍变频运行”水压仍然不够, 同样X13得电,经延后对M40置位,同时对M30复位,程序步进。 中间继电器M40得电,其常开触点闭合,使中间继电器M141得电,这样 输出继电器Y1得电,l撑水泵工频运行,若水压不够,经延时后,中间继电器
M142得电,输出继电器Y2得电,2}f水泵也转入工频运行,若水压还不够经延

时后,中间继电器M132得电,使输出继电器Y7和Y14得电,3撑水泵变频启动, 其变频工作指示灯HL5亮。在选择水泵时通过选取合适的电机容量,保证3台 水泵同时运行时水压一定足够,因此不会出现3台同时运行水压不够的情况。如
果水压达到压力上限,X14得电,先通过中间继电器M91得电,从而使中间继 电器M141断电,输出继电器Y1断电,关闭1稃水泵。经延时后如果水压仍然达

到压力上限,再使中间继电器M93得电,使中间继电器M142断电,输出继电
器Y2断电,关闭2撑水泵。只留3拌水泵变频运行,如果水压再次不够,经延时

江苏大学工程硕士学位论文

后对M40复位,同时对M50置位,程序步进。 中间继电器M50得电,其常开触点闭合,使中间继电器M143得电,输出 继电器Y3得电,3撑水泵为工频运行,延时后中间继电器M134得电,使输出继
电器Y5得电,1{fj}水泵变频启动,同时Y12得电,与之相连的1拌变频运行指示

灯HL4亮。此时仍不断监测水压,当水压达到压力上限时,与之相连的输入端 X14得电,其常开触点闭合,中间继电器M92得电并自保,使3拌水泵停止运行, 只留1拌水泵变频运行。如果“3撑工频运行+l群变频运行”水压仍然不够,同样X13 得电,经延后对M50置位,同时对M61复位,程序步进。 中间继电器M61得电,其常开触点闭合,使中间继电器M146得电,这样 输出继电器Y3得电,3撑水泵工频运行,若水压不够,经延时后,中间继电器 M147得电,输出继电器Y1得电,1撑水泵也转入工频运行,若水压还不够经延
时后,中间继电器M148得电,使输出继电器Y6和Y13得电,2拌水泵变频启动 并且其指示灯HL4亮。如果水压达到压力上限,X14得电,先通过中间继电器

M95得电,从而使中间继电器M146断电,输出继电器Y3断电,关闭3撑水泵。 经延时后如果水压仍然达到压力上限,再使中间继电器M94得电,使中间继电
器M147断电,输出继电器Y1断电,关闭1拌水泵。只留2#水泵变频运行,如果 水压再次不够,经延时后对M61复位,同时对M62置位,程序步进。

中间继电器M61得电,其常开触点闭合,使中间继电器M160得电,输出 继电器Y2得电,2群水泵为工频运行,延时后中间继电器M135得电,使输出继 电器Y7得电,3撑水泵变频启动,同时Y14得电,与之相连的3捍变频运行指示 灯HL4亮。此时仍不断监测水压,当水压达到压力上限时,与之相连的输入端 X14得电,其常开触点闭合,中间继电器M70得电并自保,使2群水泵停止运行, 只留3撑水泵变频运行。如果“2#I频运行+3群变频运行”水压仍然不够,同样X13 得电,经延后对M62置位,同时对M63复位,程序步进。 中间继电器M63得电,其常开触点闭合,使中间继电器M162得电,这样
输出继电器Y2得电,2拌水泵工频运行,若水压不够,经延时后,中间继电器

M161得电,输出继电器Y3得电,3撑水泵也转入工频运行,若水压还不够经延 时后,中间继电器M136得电,使输出继电器Y5和Y12得电,1拌水泵变频启动 并且其指示灯HL3亮。如果水压达到压力上限,X14得电,先通过中间继电器 M71得电,从而使中间继电器M162断电,输出继电器Y2断电,关闭2群水泵。 经延时后如果水压仍然达到压力上限,再使中间继电器M72得电,使中间继电
器M161断电,输出继电器Y3断电,关闭3群水泵。只留1撑水泵变频运行,如果

水压再次不够,经延时后对M62复位,同时对M63置位,程序步进。 至此程序又回到自动运行刚开始的情况,之后将不断循环运行。
如果按下按下急停按钮SB3,中间继电器M30、M40、M50、M61、M62、

45

江苏大学工程项士学位论文

M63都将复位,所有水泵都会停止运行。



3小区实际运行
该系统现已投入安阳市文峰小区运行,保持无故障连续运行3个月以上,经

过跟踪监测,管网水压基本维持在设定值附近,水压平稳,系统控制效果显著。 自动化控制大大降低了工人的劳动强度.提高了工作效率;同时也提高了净水生 产的稳定性、连续性与供水的安全性。并且相比同类采用传统供水方式的小区, 在用电费用上减少30%,节约了电能.得到了小区管理者和用户的一致好评。

图42小区示意图

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第五章结论与展望
经过设计、开发、调试、运行再调试之后,本论文所设计的由PLC、变频器、 压力变送器、多台水泵机组等主要设备构成的全自动变频恒压供水系统已经被成
功的运用在了安阳市文峰小区的生活供水上,通过与传统供水方式进行比较,不

仅克服了传统供水方式普遍存在的效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点, 而且实现高效节能、自动可靠、维护简单、管理方便的恒压供水。
本系统具有以下的特点: 1、采用了可靠性高、使用简单、编程灵活的工控设备PLC和内置PID调节 模块的变频器作为主要控制设备,在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频

泵的分级调节相结合,确保恒压供水;
2、系统提供了自动、手动运行等多种运行方式让用户选择,并且具有完备

的故障处理能力,具有故障实时的报警功能,确保了供水的可靠性;
3、在研究系统的稳定性和可靠性的同时,通过引入PID控制等自动控制的

技术,使得系统具有了更高的控制性能和性价比;
4、在电路设计上,选择了把外接电路中开关的组合和联动操作,这也为节 省PLC的I/O点数提供了一种新的思考方法。

当然,任何系统都不可能是完美的,本系统还存在以下缺点和不足: l、由于时间关系,供水监控系统的设计不够完善,例如对于供水需求可以 引入模糊算法等智能控制理论,把经典控制理论与现在控制理论相结合起来,能 实现更好的控制作用。 2、现有设计研究实现了供水系统的工况控制、调节和设备状态监控功能, 将来还可以通过对更多现场数据的采集与传输,如电压、电流、功率、水压、水 位、水流量等,通过开发上位机的数据管理系统,实现具有综合功能的供水自动 化控制与管理系统,提高后勤管理能力。 以上问题有待在以后的学习与工作中进一步完成。

47

江苏大学工程硕士学位论文

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[22】俞光的,陈战平,季菊花.计算机控制技术(M).电子工业出版社,
2002:167—170

【23】Szyehta,Leszek.System for optimising pump
PumPs.2004,454:32.34

station

control—PartlI[J].World

[24】许保玖.管道和水泵简易计算法.中国建筑工业出版社.1973:54.68 【25】满永奎,韩安荣,吴成东.通用变频器及其应用【M】.机械工业出版社,
1999:212

[26】康沃变频器使用手册 【27】奥脉络压力变送器说明书

【28]常斗南,李全利,张学武.可编程序控制器原理、应用、实验.北京:机械工
业出版社,1998,150—153 [29】魏志精.可编程控制器应用技术.北京:电子工业出版社,1995,85.90

[30】郁汉琪.电气控制与可编程控序控制器应用技术【M】.东南大学出版社,
2003:152.154

[3 l】三菱FXl S,FXlN,FX2N,FX2NC编程手册

49

江苏大学工程硕士学位论文





首先衷心感谢我的论文指导老师刘国海教授!刘教授学识渊博,治学严谨, 勤奋敬业,使我于耳濡目染中受益匪浅;这些日子以来,刘教授对我倾注了大量 的心血,不断给我方向性的指导和建议,同时也不断鼓励我独立思考,提出自己 的见解,锻炼我独立的科研能力,这一切都将对今后的工作和生活产生重要的积 极影响。特此在本论文完成之际,对刘国海教授的精心指点和谆谆教诲表示崇高
的敬意和衷心的感谢!

在笔者学习、生活中,系里的同事们给予了诸多的指导和帮助,特别是王保 吉书记、张继军主任和赵彦春老师,在此表示衷心的感谢! 最后,还要感谢所有关心、帮助过我的其他朋友们1

50

江苏大学工程硕士学位论文

附录

附录A:程序清单



110

I'110

XOO;
I-

900S;H010
-_ I-I"

H101

H102:
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I'1112

110

45

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55

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H20

江苏大学工程硕士学位论文

T2:

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X014

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H013

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H30

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H40

52

江苏大学工程硕士学位论文

53

江苏大学工程硕士学位论文

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H134

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T14



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T14 T2,


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I'1‘1

江苏大学工程硕士学位论文

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刊辨明
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I I

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55

江苏大学工程硕士学位论文

‘2 254

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I I

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江苏大学工程硕士学位论文
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1,120‘

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K50 T3≥ T33
I I

I"172
-●

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Hf,3

H30

57

江苏大学工程硕士学位论文

≥搴S

H30

H40

H50

H‘1

H‘Z

H‘3

395

YOOS

Y01;"

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YOOE.

Y013

YOO?

Y014

58

江苏大学工程硕士学位论文

I'1110

升O'5
l-
I I

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I-1"

417

--

,I

一 ’

I'1140

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H147

——_卜—一
H1+11

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Httt
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I J-




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——-|卜—一
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I I

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l_

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I'11‘1

——-{卜—一
I'11,13

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I+114(-

——_}.—一
H200
43+
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I+1201

——_|-—一
I"tZ02

——_I}.一
I,120≥

——_|卜—一
H20一

—一卜_一
H:O;

——一{卜—一
I'120‘

——_.|一—一
H100

——_|卜—一
H'O'

——_I}-一
H102

——1|_—一

449

59

江苏大学工程硕士学位论文

附录B:变频器功能设定详表
最小

代码





说 0:基本运行参数



出厂 设定

单位

更改 限制

编码 地址

b.O

运行参数选择

l:中级运行参数 2:高级运行参数 0:面板电位器 l:面板数字设定 2:外部电压信号1 3:外部电压信号2







OOH

b.1

频率输入通道选择

4:外部电流信号 5:UP/DW端子递增、递减控制 6:外部脉冲信号 7.-RS485接口 8:组合设定 9:外部端子选择





01H

b.2

频率数字设定

0.0~上限频率 0:键盘控制 1:外部端子(键盘STOP无效)

0.01

O.O

02H

b.3

运行命令通道选择

2:外部端子(键盘STOP有效) 3:RS485端口(键盘STOP无效) 4:RS485端口(键盘STOP有效) 0:与设定方向一致





03H

b4

转向控制

l:与设定方向相反 2:反转防止 100~250V
200,、一500V





04H

b.5

负载电机额定电压 负载电机额定频率 加速时间1 减速时问l 加、减速方式 模拟输出(AM)设定 频率输出(FM)设定 模拟输出(AM)增益 频率输出(FM)增益 模拟输if{(AM)偏置

220 l 380 O.01 0.1 0.1 50.00
● ×

05H

b一6 b.7 b.8 b.9

5.00~500.0Hz

06H 07H 08H 09H 0AH

0.1~6000秒 0.1~6000秒 O:直线 0:输jJj频率 2:输出电压 4:PID设定
O.50~2.00 O.10~5.00 .1.00~1.00



l:S曲线 l:输出电流 3:电机转速 5:PID反馈

l l

O 0

b-10
b。ll b.12 b.13 b.14

l 0.01 0.Ol 0.Ol

O 1.oo 1.OO O.0

0BH OCH ODH 0EH

0:变频器运转中 l:频,牢到达 2:频率水平检测信号(FDT)
b.15

OCI输出设定

3:过载报警 4:外部故障停机 5:输出频率到达上限 6:输{lj频率到达下限 7:变频器欠压停机





OFH

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8:变频器零转速运行中 9:PLC运行过程中 10:PLC运行一个周期结束 ll:PLC运行一个阶段结束
b.16

OC2输出设定

12.PLC运行结束 13:内部定时器时间到 14-内部计数器终值到达 15:内部计数器指定值到达 16:压力上限报警 17,压力下限报警





lOH

b.17

REV/JOG键功能选择

0:反转控制

l:点动控制





11H

代码



称 0:恒转矩曲线





最小 单位

出厂 设定

更改 限制

编码 地址

L.0

v/F曲线类型选择 转矩提升 转矩提升方式 上限频率 下限频率 下限频率运行模式 启动方式 启动频率 启动频率持续时间 启动时的直流制动电压 启动时的直流制动时间 停机方式 停机时直流制动起始频率 停机时直流制动动作时间 停机时直流制动电压 点动频率 点动加速时间 点动减速时间 多段速频率1 多段速频率2 多段速频率3 多段速频率4 多段速频率5 多段速频率6 多段速频率7 多段速频率8 多段速频率9 多段速频率10 多段速频率11 多段速频率12 多段速频牢13 多段速频率14

l:递减转矩曲线l 2:递减转矩曲线2
0~20%





×

12H

L.1 L.2 L.3 L.4 L-5

l 1 O.Ol 0.0l l



13H
×

0:手动l:自动 下限频率~500.0Hz 0.0~上限频率 O:停止l:按下限频率运行 0:由启动频率启动 l:先制动、再启动 2:检速再启动

0 50.00 0.50 0

14H 15H 16H

×

17H

L-6





18H

L.7 L.8 L.9 L.10 L.1l L.12 L.13 L.14 L.15 L.16 L.17 L.18 L.19 L.20 L.2l L.22 L.23 L.24 L.25 L.26 L.27 L。28 L.29 L.30 L.3l

0.0~10.OOHz

0.0l 0.1 l O.1 l O.Ol O.1 l O.Ol O.1 0.1 O.01 0.Ol O.Ol O.01 O.Ol 0.0l 0.0l O.0l O.0l 0.Ol 0.0l O.Ol 0.0l 0.OI

0.50 0.0 0 0.O O 3.00 O.O 5 10.00 lO.0 10.0 35.00 15.00 3.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.OO 45.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00
× ×

19H lAH lBH 1CH 1DH lEH lFH 20H 2lH 22H 23H 24H 25H 26H 27H 28H 29H 2AH 2BH 2CH 2DH 2EH 2FH 30H 3lH

0.0~20.0秒
0~15(%)

0.0~20.0秒 0:减速 l:自由停止

×

0.0~15.00Hz

0.0~20.0秒
0~15(%)

0.0~上限频率 O.1~6000秒 0.1~6000秒 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~上限频率 0.0~一J:限频率

江苏大学工程硕士学位论文
L-32

多段速频率15 外部运行指令方式选择 Ⅵl输入下限电压 Ⅵl输入上限电压 Ⅵl输入调整系数 Ⅵ2输入下限电压 Ⅵ2输入上限电压 Ⅵ2输入调整系数 Ⅵ2输入零点偏置 Ⅵ2输入双极性控制 Ⅵ2输入双极性控制零点 滞环宽度 II输入下限电流 II输入上限电流 II输入调整系数 脉冲输入下限频率 脉冲输入.卜限频率 脉冲输入调整系数 输入下限对应设定频率 输入上限对应设定频率 保留 保留 保留 保留 模拟输入通道滤波时问常数 频率输入通道组合 载波频率 频率到达检出幅度 FDT(频率水平)设定 FDT输出延迟时间 过载报警水甲 过载报警延迟时间

0.0~上限频率 O:两线控制模式l l:两线控制模式2 2:三线控制模式

0.0l

5.OO

32H

L.33





×

33H

L.34 L.35 L.36 L.37 L.38 L.39 L.40 L.4l

0.0V~【L一35】 【L-34】~10.0V
O.01~5.00

0.1 0.1 0.01 0.1 O.1 0.0l 0.0l l

0.0 10.O 1100 0.0 lO.O 1.OO 0.O 0

34H 35H 36H 37H 38H 39H 3AH 3BH

-10.0V~【L一38】 【L一37】~10.0V 0.0l~5.00
一1.00~1.00V

O:无效
0.00~1.00V

1:有效

L.42

O.01

0.20

3CH

L.43 L.44 L.45 L.46 L.47 L.48 L.49 L.50 L.5l L.52 L.53 L.54 L.55 L.56 L一57 L.58 L-59 L.60 L一6l L一62

0.0mA~【L-44】 【L-43】~20.0mA
0.0l~5.OO

0.1 0.1 0.0l 0.1 O.1 0.01 O.Ol 0.0l

4.O 20.O 1.OO O.0 10.0 1.OO 0.0 50.00

3DH 3EH 3FH 40H 4lH 42H 43H 44H 45H 46H 47H 48H

0.0KHz~【L-47】 【L-46】~1 0.0KHz
0.01~5.00

0.0~上限频率 0.0~上限频率

0.01~5.00秒 参见功能详细说明(第38.39页)
1.5KHZ~10Kllz O.0~20.00Hz

O.Ol l O.1 0.01 O.0l O.1 l 0.1

0.20 0


×

491t 4AH 4BH 4CH 4DH 4EH 4FH 50H

×

5.00 10.00 2.O 110 2.0

0.0~上限频率 0.0~20.0秒 50~200(%) 0.0~20.0秒 0:控制端闲置 1:多段速控制端子l 2:多段速控制端子2 3:多段速控制端子3 4:多段速控制端子4

L-63

输入端子l功能选择(O~21)







5lH

L.64

输入端子2功能选择(0~21)

5:正转点动控制 6:反转点动控制 7:自由停机控制 8:外部设备故障输入





×

52H

L.65

输入端子3功能选择(O~21)

9:加减速时间选择端l 10:加减速时间选择端2 11:频率递增控制(UP) 12:频率递减控制(DW)





×

53H

L.66

输入端子4功能选择(O~21)

13:频率设定通道选择端予1 14:频率设定通道选择端子2





×

54H

62

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15:频率设定通道选择端子3
L.67

输入端子5功能选择(0~21)

16:简易PLC暂停 17:三线式运转控制 18:直流制动控制 19:内部定时器触发端 20:内部定时器复位端 2l:内部计数器清零端 22:内部计数器时钟端





×

55H

L-68

输入端子6功能选择(0~22)





×

56H

L-69

输入端子7功能选择(0~23)

23:外部脉冲输入



23

×

57H

L.70

线速度系数设定 名称 监控项目选择 参数写入保护

0.Ol~100.O

0.01

1.oo

58H

代码
L.7l

说明
O~lO

最小


出厂


更改

编码
59H

0:所有参数允许被改写
L.72

1:禁止改写除b-2之外的参数 2:禁止改写所有参数 O:不动作





5AH

L.73

参数初始化

l:初始化动作 2:清除故障记录







5BH

代码
H.O

名称 转差频率补偿 过载、过热保护动作方式 电机过载保护系数 自动节能运行 停电再启动设置 停电再启动等待时间 故障自恢复次数 故障自恢复间隔时间 自动稳压 电流限制水平 正反转死区时间 内部定时器设定值 内部计数器终值设定 内部计数器指定值设定
0~150(%)

说明

最小 单位


出厂

更改 限制
×

设定


编码 地址
5CH

H-l

0:变频器封锁输出 lt限流运行(报警)
50~110(%)





5DH

H.2 H.3 H-4 H.5 H.6 H.7 H一8 H.9 H.10 H.1l H.12 H.13



110 O O 0.5 O 5 O 150 O.1 0.O l l
× ×

5EH 5FH 60H 6lH 62H 63H 64H 65H 66H 67H 68H 69H

0:不动作 0:不动作 0.0~10.0秒
0,l,2

1:动作 l:动作

l l 0.1 l l



×

×

2~20秒 0:不动作
110%~200%

×

I:动作

l l O.1 O.1 l l

0.0~5.0秒 0.1~6000秒
l~60000 l~60000





0:不动作 l:单循环 2:连续循环
H.14

可编程多段速运行设置

3:保持最终值 4:摆频运行 5:单循环停机模式 6:连续循环停机模式 7:保持最终值停机模式





×

6AH

H.15 H.16 H.17 H.18 H.19 H.20

阶段l运行时间 阶段1运行方向 阶段1加减速时间 阶段2运行时间 阶段2运行方向 阶段2加减速时间

0.1~6000秒 0:J下转 0.1~6000秒 0.0~6000秒 0:正转 l:反转 1:反转

0.1 1 0.1 0.1 l O.1

lO.O 0 10.O lO.O 0 10.O
×

6BH 6CH 6DH 6EH 6FH 70H

0.1~6000秒

63

江苏大学工程硕士学位论文
H.2l H.22 H.23 H一24 H.25 H.26 H.27 H.28 H-29 H.30 H.3l H.32 H.33 H.34 H.35 H.36 H.37 H.38 H.39 H.40 H.4l H.42 H.43 H.44 H.45 H.46 H.47

阶段3运行时间 阶段3运行方向 阶段3加减速时间 阶段4运行时间 阶段4运行方向 阶段4加减速时间 阶段5运行时间 阶段5运行方向 阶段5加减速时间 阶段6运行时问 阶段6运行方向 阶段6加减速时间 阶段7运行时间 阶段7运行方向 阶段7加减速时间 跳跃频率l 跳跃频率l幅度 跳跃频率2 跳跃频率2幅度 跳跃频率3 跳跃频率3幅度 加速时间2 减速时间2 加速时间3 减速时问3 加速时间4 减速时间4

0.0~6000秒 0:正转 l:反转 0.1~6000秒 0.0~6000秒 0:正转 l:反转

O.1 l 0.1 0.1 I O.1 O.1 l O.1 O.1 l O.1 O.1 l O.1 0.01 O.0l O.Ol O.0l 0.0l 0.0l 0.1 O.1 0.1 0.1 0.1 O.1

10.O O lO.0 lO.0 O lO.O 10.O O lO.O lO.0 O 10.0 lO.O O 10.0 0.O 0.0 0.0 0.O 0.O O.O
● × ×

7lH 72H 73H 74H 75H 76H 77H 78H 79H 7AH 7BH 7CH 7DH 7EH 7FH 80H 8lH 82H 83H 84H 85H 86H 87H 88H 89H 8AH 8BH

0.1~6000秒 0.0~6000秒 0:正转 l:反转

0.1~6000秒 0.0~6000秒 0:正转 1:反转

0.1~6000秒 0.0~6000秒 0:正转 l:反转

0.0~6000秒 0.0~上限频率
O.0~5.00Hz

0.0~上限频率
0.0~5.OOHZ

0.0~上限频率
O.0~5.OOHz

0.1~6000秒 0.1~6000秒 0.1~6000秒 0.1~6000秒 0.1~6000秒 0.1~6000秒 0:无PID控制 l:普通PID控制 2:恒压供水PID 3:双泉恒压供水PID(需附件) 4:三泵恒压供水PID(需附件) 5:叫泵恒压供水PID(需附件) O:面板电位器 1:面板数字设定 2:外部电压信号1(0~10V)











H.48

内置PID控制







8CH

H.49

PID设定通道选择

3:外部电压信号2(.10V~10V) 4:外部电流信号 5:外部脉冲信号 6:RS485接口设定 0:电压输入l(0~10V) l:电流输入 2:脉冲输入 3:电雎输入2(.10V~10V)





×

8DH

H.50

PID反馈通道选择





×

8EH

H.5l H.52 H.53

反馈信号特性 反馈通道增益 PID设定、反馈显示系数 PID控制器结构选择 比例增益

0:正特性
0.0l~lO.00

1:逆特性

l 0.0l O.00l

0 1.00 1.000

81:H 90H 9lH

O.00l~10.000 0:比例 2:比例积分
O.0~5.00

H.54

1:积分 3:比例积分微分





×

92H

H.55

0.Ol

0.5

93H

江苏大学工程硕士学位论文
H.56 H一57 H.58 H一59 H一60

积分时间常数 微分增益 采样周期 允许偏差限值 PID反馈量断线检测阀值 名称

1.0~100.0秒
0.0~5.0

O.1 O.1 O.Ol l 0.1

10.0 0.1 O.1 O 0.O

94H 95H 96H 97H 98H

0.0l~1.oo秒
0~20(%1 0.0~20.0(%)

代码

说明

最小 单位

出厂 设定

更改 限制

编码 地址

H.61

PID反馈量断线动作选择

0:停机 l:按数字设定频率运行 2:按.上限频率运行 3:按上限频率的一半运行





99H

H一62 H.63 H.64 H.65 H.66 H.67 H.68 H.69 H.70

远传压力表量程 报警下限压力 报警上限压力 下限压力限定值 上限压力限定值 苏醒阀值 睡眠阀值 泵切换判断时间 电磁开关延迟时间 多泵运行方式 定时轮换间隔时间 定时供水时间 保留 保留 保留 保留 本机地址 数据格式

0.00 1~20.000Mpa

0.00l 0.00l 0.OOl O.001 O.00l 0.00l 0.001 0.1 0.1

1.000 0.0 1.000 0.O 1.000 0.O 1.000 300.0 0.5

9AH 9BH 9CH 9DH 9EH 9FH AOH AlH A2H

0.001~【H-64】 【H-63】~【H一62】 0.001~【H-661 【H-65J~【H-62】 0.001~[H?68】 【H-67】~【H?62】 0.1~1000.0秒 0.1~10.0秒 0:按固定顺序切换 1:定时轮换 0.5~100.0小时 0.5~24.0小时

H.7I





A3H

H.72 H.73 H.74 H.75 H.76 H.77 H.78

O.1 O.1

5.O 24.O

A4H A5H A6H A7H A81t A9H

O~30





×

AAH

0:无校验
H.79

l:偶校验 2:奇校验
0-1200bps 1:2400bps 3-9600 bps





×

ABH

H.80

波特率

2-4800bps 4-19200bps





ACH

H.8l

主站设置 连动设定比例 RS485通讯断线动作模式 保留

0:本变频器为从站 l:本变频器为主站
0.10~lO.00





×

ADH

H.82 H.83 H.84

0.0l

1.00 O

AEH AFH BOH

0:停机

1:维持现有状态



65

江苏大学工程硕士学位论文

攻读硕士学位期间的研究成果
参加科研项目及科研获奖情况或专利情况: 1.卧式单面两工位镗孔、铣端面数控专机控制系统,被评为河南省科学技术成果 2.活性石灰竖炉控制系统,被评为河南省科学技术成果

在校期间发表论文情况:
PLC在交通信号灯中的应用.《新作文(教育教学研究)》2008年第8期

基于PLC的恒压变频供水系统的研制
作者: 学位授予单位: 陈彦涛 江苏大学

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4.期刊论文 徐腊梅.曲斌.XU La-mei.QU Bin 模糊控制在变频恒压供水系统中的应用 -襄樊学院学报2006,27(2)
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1451792.aspx 下载时间:2010年5月2日


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