基于PLC的恒压供水系统设计

摘 要

随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用 ，使给供水设计得到了发展的机遇。于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。本系统采用PLC进行逻辑控制，采用带PID功能的变频器进行压力调节，系统存在工作可靠，使用方便，压力稳定，无冲击等优越性。

本设计恒压变频供水设备由PLC、变频器、传感器、低压电气控制柜和水泵等组成。通过PLC、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒压变流量供水要求。设备运行时,压力传感器不断将管网水压信号变换成电信号送入PLC,经PLC运算处理后,获得最佳控制参数,通过变频器和继电器控制元件自动调整水泵机组高效率地运行。供水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、供水压力的测量与调节、系统主管道水压的；系统水处理设备运转的监视、控制；故障及异常状况的报警等。现场监控站内的控制器按预先编制的软件程序来满足自动控制的要求，即根据供水管的高/低水压位信号来控制水泵的启/停及进水控制阀的开关，并且进行溢水和枯水的预警等。

文中详细介绍了所选PLC机、变频器、传感器的特点、各高级单元的使用及设定情况，给出了系统工作流程图、程序设计流程图及设计程序。

关键词： 可编程控制器；变频器；传感器

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目录

1前言 ...................................................... 1 1.1供水系统发展过程及现状 .................................. 1 1.2供水系统的概述 .......................................... 2 1.2.1．变频恒压供水系统主要特点： ................... 2 1.2.3．恒压供水设备的主要应用场合： ................. 2 1.2.4．恒压供水技术实现： ............................. 3 2 系统总体设计方案 .......................................... 4 2.1系统设计方案 ............................................ 4 2.1.1 系统控制要求 ....................................... 4 2.1.2 控制方案 ........................................... 4 2.1.3运行特征 ............................................ 5 2.1.4 系统方案 ........................................... 5 2.2可编程控制器(PLC)的特点及选型 ........................... 7 2.2.1 PLC特点及应用 ...................................... 7 2.2.2可编程控制器的选型 .................................. 8 2.2.3．PLC CPM2A模拟量输入/输出单元 ..................... 12 2.3变频器选型及特点 ....................................... 15 2.3.1 ABB产品信息： ..................................... 15 2.3.2 变频节能理论： ................................. 15 2.3.3．变频恒压供水系统及控制参数选择： ............ 16 2.3.4．变频恒压供水系统的优点及体现 .................... 17 2.4 远传压力表 ............................................ 19 2.4.1 主要技术指标 ...................................... 19 2.4.2结构原理 ........................................... 19 2.5 系统控制流程设计 ..................................... 20 2.5.1系统组成及作用 ..................................... 20 2.5.2 系统运行过程 ...................................... 20 3 软件设计 ................................................. 24 3.1 系统中检测及控制开关I/O分配 ......................... 24 3.2 I/O地址及标志位分配表 ............................ 25 3.3 流程图 ................................................ 28 3.4 程序设计： ............................................ 29 4.节能实例计算 .............................................. 43 5.结论 ..................................................... 47 致 谢 ..................................................... 46 参考文献 ................................................... 47

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1 前言

1.1 供水系统发展过程及现状

一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。

自从变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。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，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。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。

新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。

目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，

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很快发展成为主导产品。

1.2 供水系统的概述

1.2.1变频恒压供水系统主要特点：

1、 节能，可以实现节电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，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。

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。

1.2.2 传统定压方式的弊病：

1、管理不便、因与大气连通易引起的管道腐蚀。

2.由于水箱内微生物、藻类孳生，还可能对系统造成二次污染，所以每年定压水箱都需定期维护，并由卫生防疫部门检验。

3.定压水箱需占用较大空间，需要专门的地点来放置。

4.高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种调节方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵长期偏离高效区工作，效率低下。

5.系统频繁的起停泵，对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命。 6.使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户资用压头不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。

7.在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小或低区采用减压阀、节流孔板等来调节剩余水头时，大量的能量消耗在阀上，都造成电能的浪费。

1.2.3 恒压供水设备的主要应用场合：

1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。

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2.各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

3.空调系统。 4.自来水厂增压系统。

5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。 6.各种流体恒压控制系统。

1.2.4 恒压供水技术实现：

通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。

目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术。由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。

长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。

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2 系统总体设计方案

2.1 系统设计方案

2.1.1系统控制要求

恒压供水控制系统的基本控制要求是：采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。

2.1.2 控制方案

在住宅小区水厂的管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失ΔP和流量Q之间存在着如下关系：

ΔP=KQ2；

式中K一为系数设PL为压力最不利点所需的最低压力，则泵站出口总管压力P应按下式关系供水，则可满足用户用水的要求压力值，又有最佳的节能效果。

P=PL+ΔP=PL+KQ2

因此供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调。典型的自动恒压供水系统的结构框图如图所示；系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器，实时将压力、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器(PLC)的输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及

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变量泵的运行工况，并实现对每台水泵的调节控制。

2.1.3 运行特征

以4台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，可编程控制器控制变频器、软启动1#泵，此时1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量Q<1/3Qmax时(Qmax为4台水泵全部工频运行时的最大流量)，可编程控制器CPU根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力。当用水量Q在1／3Qmax2.1.4 系统方案

目前，住宅小区变频恒压供水系统设计方案主要采用“一台变频器控制一台水泵”(即“一拖一”)的单泵控制系统和“一台变频器控制多台水泵”(即“一拖N”)的多泵控制系统。随着经济的发展，现在也有采用“二拖三”、“二拖四”、“三拖五”的发展趋势。“一拖N”方案虽然节能

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效果略差，但独有投资节省，运行效率高的优势;具有变频供水系统启动平稳，对电网冲击小，降低水泵平均转速，消除“水锤效应”，延长水泵阀门、管道寿命，节约能源等优点，因此目前仍被普遍采用。 A.“一拖N”多泵系统的一般控制要求 （1）多泵循环运行程序控制

以“一拖三”为例:先由变频器启动1#水泵运行，若工作频率已达到变频器的上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将1#水泵切换成工频运行，此时变频器的输出频率迅速下降为0，然后启动2#水泵，供水系统处于“1工1变”的动行状态;若变频器再次达到上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将2#水泵也切换成工频运行，再由变频器去启动3#水泵，供水系统处于“2工1变”的运行状态。反之，若变频器工作频率已下降至下限值(一般设定为25~35Hz)而压力仍高于规定值时，令1#水泵停机，供水系统又处于“1工1变”的运行状态;若变频器工作频率又降至下限值而压力仍高于规定值时，令2#水泵停机，系统回复到1台水泵变频运行状态。如此循环不已。其他的“一拖N”程序控制，依此类推。

（2）设置换机间隙时间当水泵电机由变频切换至工频电网运行时，必须延时几秒进行定速运行后接触器才能自动合闸，以防止操作过电压;而当水泵电机由工频切换至变频器供电运行时，也必须延时几秒后接触器再闭合，以防止电动机高速运转产生的感应电动势损坏变频器。延时时间根据水泵电机的功率而定:功率越大，时间越长，一般取值2~3s。

（3）确保触点相互联连锁

在电路设计和PLC(可编程控制器)程序设计中，控制每台水泵“工频-变频”切换的两台接触器的辅助触点或者PLC内部“软触点”必须相互联锁，以保证可靠切换，防止变频器UVW输出端与工频电源发生短路而损坏。为杜绝切换时接触器主触点意外熔焊、辅助触点误动作而损坏变频器的事故，最好采用两台连体、机械和电气双重联锁的接触器，如德力西公司的CJX2-N型联锁接触器等。

（4）水泵轮换启动控制

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可以自由设置水泵启动顺序:可设置成1#水泵先启动，也可设置2#、3#或N#水泵先启动。所有水泵平均使用，能有效防止个别水泵可能长期不用时发生的锈死现象。

（5）设置定时换机时间在水泵群中，定时切换运行时间最长的水泵，以保证所有水泵的均衡使用。

（6）变频器或PLC带有PID调节器

PID(比例-积分-微分)调节器的积分环节I(即积分时间)调整应合理:时间太短，则系统动态响应快，反应灵敏，但易产生振荡，水泵来回切换;时间太长，则当压力发生急剧变化时，系统反应过慢，容易产生压力过高，导致管道爆裂。

B.常用的“一拖N”多泵系统控制方式 （1）变频器+PLC

这种配置不仅可以灵活地实现上述控制，而且可以实现更多复杂的控制。缺点是需要专业技术人员编制并现场调试PLC程序，安装调试费工、费时，设备投资也较大。

（2）变频器+专业供水控制器

最近，有的厂家专门为变频恒压供水研制了能实现上述控制要求的专业供水控制器，操作简单，调试方便，功能齐全，产品价格也与“变频器+PLC”接近。

2.2 可编程控制器(PLC)的特点及选型

2.2.1 PLC特点及应用

可编程控制器（ProgrammableLogicController）是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有

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了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序(步进)控制，还具有了模拟量控制、闭环过程控制、数据处理和通信联网等功能。

由于可编程控制器可通过软件来改变控制过程，并且编程简单，同时采用了模块化结构设计，易于扩展和拆装，因而具有体积小，功耗低，可靠性高，组装维护方便，控制功能完善和抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，成为当今自动化电气控制的主流。

2.2.2 可编程控制器的选型

1.本设计的主要控制过程是利用可编程控制器的A/D,D/A模块和可编程控制器内置的控制模块来控制水泵电机的切换从而调节供水管中水的压力。

整个控制系统除了用到PLC逻辑控制、定时控制和计数控制等基本控制功能外，关键是要用到PLC的高级控制单元，主要包括A/D、D/A单元等。

现代大中型的PLC一般都配备了专门的A/D和D/A转换模块，可以将现场需要控制的模拟量通过A/D模块转换为数字量，经微处理器运算处理后，再通过D/A模块转换，变成模拟量去控制被控对象。但现在考虑到系统的安装以及成本问题，故本系统供水泵的自动控制采用的是日本欧姆龙公司的PLC，机器型号为CPM2A-30CDR-A和模拟量控制模块CPM1A-MAD02。其特性简介如下：

2.CPM2A为系统提供了众多的功能

• 高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。 • 同步脉冲控制可方便地调整时间。 • 带高速扫描和高速中断的高速处理。

• 可方便地与OMRON的PT相连接，为机器操作提供一个可视化界面。 小机壳内汇集了先进的功能和优异的表现。为食品包装行业，传送设备和紧凑型设备的制造商提供更优越的性能和更高的附加值。

• 通过脉冲输出可实现许多基本的位置控制。 • 可进行分散控制和模拟量控制。

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3.价格低廉

• CPM2A的价值在于它具有非常卓越的性能价格比。 4.紧凑型设计能安装在任何地方

• 机器设备的小型化对安装在控制板或机器内的PLC也提出了节省空间的要求。

PLC规格介绍 项目 交流电源 电源电压 直流电源 允许电源交流电源 电压 消耗 电力 浪涌 电流 直流电源 交流电源 直流电源 交流电源 直流电源 40点CPU单元 AC100~240V，50/60Hz DC24V AC85~2V DC20.4V~26.4V 60VA以下 20W以下 60A以下 20A以下 24VDC 300mA 20MΩ以上（DC500V）外部电源AC端子与所有端子之间 AC2300V，50/60Hz，1分钟,外部电源AC端子和所有端子之间， 漏电六：10mA以下 抗干扰性：1500Vp-p:脉冲宽度：0.1~1μs;上升延1ns(通过模拟干扰） 抗振：10~57Hz;振幅0.075mm;57~150Hz,加速度9.8m/s2,在X,Y,Z方向各80分钟（每次振动8分钟×实验次数10次=合计80分钟） 147m/s2,在X,Y,Z方向各3次 使用：0℃~55℃保存：-20℃~75℃ 10%~90%（不结露） 无腐蚀性气体 M3 交流电源：最小10ma直流电源：最小2ms 800g以下 外部供给供电电压 电源（仅交流型号） 绝缘阻抗 耐压 抗干扰性 抗振 耐冲击 环境温度 环境湿度 气体环境 端子螺丝尺寸 电源保持 CPU单元交流形式

供输出 容量 9

重量 直流形式 700g以下 20点单元：300g以下 扩展I/O单元重量 8点输入单元：250g以下 8点输出单元：200g以下 模拟量I/O单元：200g以下 CompoBus/SI/O链接单元：200g以下 项目 控制方式 I/O控制方式 编程语言 指令长度 指令 存储程序方法 循环扫描直接输出(通过IORF(97)即时刷新处理) 梯形图 1步/1指令,1~5字/1指令 基本指令:14种 特殊指令:105种,185条 基本指令:0.μs(LD指令） 特殊指令:7.8μs(MOV指令） 4096字 40点 最大100点 IR00000~IR00915(不使用的输入位可用作工作位) IR00000~IR01915(不使用的输出位可用作工作位) 928位:IR02000~IR04915和IR200000~IR22715(IR200~227CH) 448位:SR22800~SR25515(IR228~225CH) 8位:(TR0~TR7) 320位:HR0000~HR1915(HR00~19CH) 384位:HR0000~HR2315(AR00~23CH) 256位:HR0000~HR1515(HR00~15CH) 256位定时器/计数器(TIM/CNT000~CNT255) 1ms定时期：TMHH（—） 规格 执行时间 程序容量 最大I/O点数 输入位 输出位 工作位 特殊位(SR区) 暂存位(TR区) 保持位(HR区) 辅助位(AR区) 链接位(LR区) 定时器/计数器 CPU单元 带扩展I/O单元

10ms定时期：TMHH（15） 10

100ms定时期：TIM 1s/10s定时期：TIML（—） 减法记数：CNT 可逆记数：CNT（12） 读写：2048字（DM0000~DM2047） 数据内存 只读：456字（DM6144~DM6599） PC设定：56字（DM6600~DM6655） 出错标志存储于DM2000~DM2021 基本中断 高速计数器 高速计数器 计数器中断：1（设定值比较或设定值范围比较） 中断处理 内部定时器中断 外部中断：4（分为外部中断输入（计数模式）和快速响应输入） 1（单触发模式或定时中断模式） 一个高速计数器：20KHz单相或5KHz双相（线性计数模式） 中断输入4点输入（分为外接中断输入（计数器模式）和快速响应输入） 计数器中断：4（分为外部中断输入和快速响应输入） 2点没有加速/减速，每个10~10KHz，并且没有方向控制 (计数器模式) 脉冲输出 1点带有波形加速/减速，每个10~10KHz，并且有方向控制 2点带有PWM（-）的可调脉宽比 （仅晶体管输出型具有此功能，继电器输出型无该功能） 1点：可通过合并高速计数器和脉冲输出并将输入脉冲的频率乘以 同步脉冲控制 快速响应输入 模拟控制 输入时间常数 时钟功能 通信功能

一个特殊的系数，得到一个输出脉冲/（仅晶体管输出型具有此功能，继电器输出型无该功能） 4点（最小输入脉冲宽幅0.05ms) 2点，设定范围（0~200） 可为所有输入点数进行设定(1ms,2ms,3ms,5ms,10ms,20ms,40ms,80ms, 默认设置10ms) 显示年，月，日，星期，小时，分钟和秒（电池后备） 内置外设端口：支持上位链接，外设总线，无协议链结和编程器连接。内置RS-232C端口:支持上位链接，无协议链接，1：1NT链接。 11

扩展单元所附带的功能 断电保持功能 存储器后备 自我诊断功能 程序检查 模拟量I/O单元：提供2路模拟量输入，1路模拟量输出。CompoBus/SI/O链接单元：作为一个CompoBus/S从单元提供8点输入和8点输出。 断电时，AR区域，程序内容，CNT,读写DM区域中的内容能保存 快闪存储器，用户程序，只读DM区和PC设置，电池后备，读/写DM区，HR区，AR区和记数器值由电池提供后备（电池寿命约为5年） CPU异常（watchdogtimer),I/O总线异常，存储器异常，电池异常 在运转开始时检查无END指令和程序错误 2.2.3 PLC CPM2A模拟量输入/输出单元

OMRON模拟量输入/输出单元CPM1A-MAD02简介：

输入/输出单元CPM1A-MAD02与PLC连接使用，具有4路输入通道1路输出通道，输入信号范围为0～10V、1～5V、4～20mA，输出信号为-10V～10V、1～10V、4～20mA；启动时，必须设定范围码后，模拟单元开始AD/DA的转换。序开始时，将范围码写入模拟单元的输出通道。 输入/输出范围设置

设置字（“MAD02-输出通道n”+“1”） 位 7 6 5 4 3 2 1 0 输入4 输入3 输入2 输入1 启动 量程 启动 量程 启动 量程 启动 量程 设置字（“MAD02-输出通道n”+“1”） 位 15 14 13 12 11 10 9 8 不使用 1 1 输入4 输入3 输入2 输入1 平均值 输出1 启动 量程 设定值 项目 输入 量程 启动位 平均值 输出 量程 启动位 内容 0:0~10V 1:1~5V/4~20mA 0:不使用 1:使用 0:不使用 1:使用 0:0~10V/4~20mA 1:-10~+10V/4~20mA 0:不使用 1:使用

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注:设定通道只能用于量程设定,不能作它用。 通道分配 CPU 30CDR 输出1 12CH 输入4 03CH 输入3 03CH 输入2 02CH 输入1 02CH 低八位 高八位 低八位 高八位 低八位 40CDR 12CH 03CH 03CH 02CH 02CH 低八位 高八位 低八位 高八位 低八位 输入通道的IR位分配 “输入通道1” 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 d d D d d d d d d d d d d d d d 输入1 输入2 “输入通道1”＋1 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 d d D d d d d d d d d d d d d d 输入4 输入3 输出通道的IR位分配 输出通道 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 S × × × × × × × d d d d d d d d 不使用（0） 输出1数据位 S：符号位 0：正电压输出 1：负电压输出

注：只有当使用±10V量程时，符号位才有用。 CPM1A-MAD02的输入/输出模拟单元的接线如下： 输出接线图 CPM1A-MAD02-CH

屏蔽电缆

电压输出 V+

I+ 电流输出

COM

0V

FG

+

-

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输入接线图

+

电压输入

_

+ 电流输入

_

屏蔽电缆 CPM1A-MAD02-CH V+ I+ COM 10K V+ I+ COM FG 0V 10K 0V 250E 250E 也就是说，输出情况下，分别接出电压和电流的输出，而在输入情况下，电流输入时，必须短接电流和电压端子。

CPM1A-MAD02的输入/输出模拟单元的输入输出数据都是16进制，分别对应的电流电压值如下：

-5V

输出 电压/电流

10V/20mA 5V/12mA 0V/4mA

80FF 8080

0000 0080 00FF 输出数据 （十六进制）

-10V

输入 电压/电流 10V/5V/20mA

5V/3V/12mA

0V/1V/4mA

输入数据 （十六进制）

00 80 FF

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在系统设备中我们采用的压力传感器以及变频器频率的输入单元分配如下：输入1是小区供水压力输入，输入2是水管压力输入，输入3是变频器当前频率的输出。在硬件接线上，用扩展模拟单元连接电缆（MADO2自带）与PLC上的扩展连接器连接。

由于在本系统中，无其他扩展单元，我们采用的是30点的PLC，所以我们可以确定MADO2的通道分配是：输入1是02CH、输入2是02CH、输入3是03CH、输出是12CH。范围码是C2F3。

2.3 变频器选型及特点

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，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。

2.3.1 ABB产品信息：

ACS400变频器在2.2-37KW的功率范围内，节约能源，控制准确,安全可靠,铸铝件和塑料件的使用,保证了足够的加工精度,ACS400预置了九种应用宏.主电源：230—500V50/60HZ控制电源：115—230V.在励磁部分中采用了最新的IGBT控制技术，不再需要磁场电压匹配变压器，磁场进线熔断器和电抗器也已集成在DCS400模块中。由于磁场部分采用了三相进线供电方式，且直接取自为电枢供电的三相电源，因而DCS400不再需要单独的磁场电源进线。DCS400拥有多种调试工具。在调试向导的引导下进行参数设定，加上全部的自优化调试过程，DCS400的典型调试时间为15分钟。

2.3.2 变频节能理论：

a.交流电机变频调速原理：

交流电机转速特性：n=60f(1-s)/p，其中n为电机转速，f为交流电频率，s为转差率，p为极对数。电机选定之后s、p则为定值，电机转速n和

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交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。

b.各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

流量与转速成正比：Ｑ∝Ｎ 转矩与转速的平方成正比：Ｔ∝N2 功率与转速的三次方成正比：Ｐ∝N3

而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：Ｐ变＝Ｎ3Ｐ额＝Ｑ3Ｐ额采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：Ｐ阀＝（0.4+0.6Ｑ）Ｐ额其中，Ｐ为功率Ｎ为转速Ｑ为流量例如设定当前流量为水泵额定流量的６０％，则采用变频调速时Ｐ变＝Ｑ３Ｐ额＝0.216Ｐ额，而采用阀门控制时Ｐ阀＝（0.4+0.6Ｑ）Ｐ额＝0.76Ｐ额，节电＝（Ｐ阀-Ｐ变）／Ｐ阀*１００％＝71.6％。 流量％ 节电量％ 100 0 90 22.5 80 41.8 70 61.5 60 71.6 50 82.1 由此可见从理论计算结果可以看到节能效果非常显著，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。而且新型的小区变频恒压供水系统能自动地控制一至多台主泵和一台休眠泵的运行。在管网用水量减少到单台主泵流量的约1/6-1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率的休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。

2.3.3 变频恒压供水系统及控制参数选择：

a.变频恒压供水系统组成

小区变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵（主泵+休眠泵）、压力

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传感器、PID调节器、变频器（主泵+休眠泵）、管网组成。工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。

b.变频恒压供水系统的参数选取

（1）、合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水。这个目的的实现关键就在于压力控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管网最不利点压力恒压控制，另一个就是泵出口压力恒压控制。两者如何选择，我们来简单分析一下（如变频器控制原理图示）管网最不利点压力恒定时，管网用水量由QMAX减少到Q1，水泵降低转速，与用水管路特性曲线A（不变）相交于点C，水泵特性曲线下移，管网最不利点压力H0。而泵出口压力恒压控制时，则Ha不变，用水量由QMAX减少到Q1与Ha交于B点，用水管路特性曲线A上移并通过B点，管网最不利点压力变为Hb，Hb-H0的扬程差即为能量浪费，所以选择管网最不利点的最小水头为压力控制参数，形成闭环压力自控系统，使得水泵的转速与PID调节器设定压力相匹配，可以达到最大节能效果，而且实现了恒压供水的目的。 （2）、变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。

为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖，但是变频器达不到最佳运行状态。所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。

2.3.4 变频恒压供水系统的优点及体现

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a.高效节能

变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。

b.恒压供水

变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。

c.安全卫生

系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。

d.自动运行、管理简便

新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。

e.延长设备寿命、保护电网稳定

使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。

f.占地少、投资回收期短

新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。

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2.4 远传压力表

本系统采用YTT-150型差动远传压力表，此表适用于测量对钢及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。因为在仪表内部设置一滑线电阻式发送器，故可把被测值以电量值传至远离测量点的二次仪表上，以实现集中检测和远距离控制。此外，YTT-150型差动远传压力表既可对所测压力作现场指示又能转换为0-10mA•DC或4-20mA•DC,标准电流信号输出。

2.4.1 主要技术指标

a.精确度等级：1.5

b.发送器起始电阻值：3～20Ω c.发送器满度电阻值：340～400Ω d.发送器接线端①②外加电压不大于6V e.滑线电阻式发送器接线图

f.使用环境条件：-40～60℃，相对湿度不大于85%，且震动和被测（控）介质的急剧脉

g.温度影响：使用温度偏离20±5℃时，其温度附加误差不大于0.4%/10℃。

h.重量：1.2kg

2.4.2 结构原理

本仪表由一个弹簧管压力表和一个滑线电阻式发送器等所组成。 仪表机械部份的作用原理与一般弹簧管压力表相同。由于电阻发送器系设置在齿轮传动机构上，因此当齿轮传动机构中的扇形齿轮轴产生偏转

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时，电阻发送器的转臂（电刷）也相应地得以偏转，由于电刷在电阻器上滑行，使得被测压力值的变化变换为电阻值的变化，而传至二次仪表上，指示出一相应的读数值。同时，一次仪表也指示相应的压力值。

2.5 系统控制流程设计

2.5.1 系统组成及作用

恒压变频供水设备由变频器、传感器、低压电气控制柜和水泵等组成。通过变频器和继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒压变流量供水要求。设备运行时,压力传感器不断将管网水压信号变换成电信号送入PLC,经PLC运算处理后,获得最佳控制参数,通过变频器和继电控制元件自动调整水泵机组高效率地运行。供水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、水位流量、压力的测量与调节；使用水量、排水量的测量；污水处理设备运转的监视、控制；水质检测；节水程序控制；故障及异常状况的记录等。现场监控站内的控制器按预先编制的软件程序来满足自动控制的要求，即根据水箱和水池的高/低水位信号来控制水泵的启/停及进水控制阀的开关，并且进行溢水和枯水的预警等。

结构如图一：

1 2 3 4 低压电气控制柜 传感器 变频器 PLC 1－4号水泵 2.5.2 系统运行过程

远程压力表监测管网供水压力，其输出的模拟量传递到PLC，经过PLC转换后以模拟量输出的形式传给变频器（压力反馈），变频器根据管网压

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力的变化调整电机频率。管网压力当前值高于变频器设定时，变频器就会提高其频率；当前值低于变频器设定时，变频器就会降低其频率。当变频器的运行频率达到50hz时，若此时管网压力仍低，系统将自动启动一台工频泵；当变频器的运行频率降到10hz时，若此时管网压力仍高，系统将自动摘除一台工频泵。加泵、减泵时均需考虑30秒的延时，以免电机产生震荡

由于变频器采用的是一拖四的多频控制系统，四台泵都有可能处于变频的状态。假设1号泵正处于变频的状态，向2号泵传递的工作流程如下：

1．先停止变频器的工作； 2．关闭1号泵的变频接触器 3．接通2号泵的工频接触器 4．最后在接通变频器

变频器控制原理图

在供水系统中，4台泵的运行状态为一台处于变频而其他泵有可能处于工频。所以，每台泵的供电接触器其上口电源均来自与变频器输出和电

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网的三相电源。供水管网压力进入PLC，经处理和转换后再由PLC以模拟量的方式输出，将该输出模拟量信号与变频器的模拟量反馈信号连接，作为变频器对管网压力的检测。同时，再将变频器输出的频率信号接入PLC，作为频率的检测和控制缘。变频器中还有一些开关量的设置，如变频器的启停控制（由PLC输出的数字点控制），多台泵运行的连锁控制（多台泵的手/自动转换信号控制）等。在“变频自动”运行方式下，先利用变频器启动并运行一台泵，同时系统检测供水管网的实时压力，当供水管网压力低于设定值时（外界用水量增加），系统完成变频泵频率的上调，当频率到达50Hz时，管网压力仍低则启动第一台工频泵（由PLC采用星/角启动控制）。以此类推，顺序实现工频泵的加入。当供水管网压力高于设定值时（外界用水量减少），系统完成变频泵频率的下调，当频率到达10Hz时，管网压力仍高则摘除一台工频泵（由PLC控制）。以此类推，顺序实现工频泵的摘除。系统采用定时轮换工作制，其变频的工作顺序为1#——2#——3#——4#，当切换时，为了防止工频电源和变频输出短路，必须先将变频器关闭，待外部将其接触器连接好后再开启变频器。工频和变频接触器应有机械上的联锁。

4台泵手动控制系统

当需要进行手动控制时（此时，只可以在工频下运行），由于电动机的功率较大，所以应对其进行降压启动。降压启动的方式采用的是星/角启动控制。

星/角启动过程全部由继电逻辑控制完成，为了防止主运行接触器与变频控制接触器一起上电，本方案除了采用必要的互锁外，还对主接触器和变频接触器选用了带机械联锁控制。从根本上杜绝了一起上电的可能性。四台水泵没有严格规定哪一台是专门用于变频，而是采用了循环换泵运行的特点，所以，其手动控制也是由四套完全的控制电路组成。

4台泵自动控制系统

供水泵的自动控制系统主要完成供水泵的工频、变频自动运行。其控制包括1—4号泵的工频、变频接触器、报警灯、报警器、变频器启停控制

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等。

图三1号、2号泵的手动星/角启动电路

图四3号、4号泵的手动星/角启动电路

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3 软件设计

3.1 系统中检测及控制开关I/O分配

在控制系统中，除各单元本身占用的I/0外，整个控制系统外部还有其他控制开关及指示输出等，如报警消除、变频器起停指示等。接线情况见下图

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在模拟量控制中，模拟量模块是由四路输入和一路输出组成，四路输入分别连接为P1小区供水管网压力（002CH中的低八位）、P2市供水管网压力（002CH中的高八位）、F变频器的当前频率（003CH中的低八位）。一路输出为P11（12CH中的低八位，P11=P1）。一路输出为P11（12CH中的低八位，P11=P1）。

3.2 I/O地址及标志位分配表

电气符号 YXBP YHDB YXBPOUT SWD SBGZ RF4 RF3 RF2 RF1 PYS PQGZ PBGZ P_Sec_Min P_On P_Off P_N P_Month_Year P_Max_Cycle_Time P_LT P_Hour_Date P_GT P_First_Cycle P_ER 类型 BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL UINT_BCD BOOL BOOL BOOL UINT_BCD UINT_BCD BOOL UINT_BCD BOOL BOOL BOOL PLC地址 说明 35.1 循环变频器标志 35.07 循环倒泵 10 变频器起停指示灯 30.01 低水压报警指示灯 30.05 0.07 0.06 0.05 0.04 水泵故障标志 4号水泵过载 3号水泵过载 2号水泵过载 1号水泵过载 30.04 变频器运行标志 30.15 变频器故障 35.09 AR18 253.13 253.14 2.02 AR20 AR14 255.07 AR19 变频泵故障 秒(00-07)&分(08-15) 常通标志 常断标志 负数(N)标志 月(00-07) &年(08-15) 最大循环次数 小于(LT)标志 小时(00-07)日期(&D)(08-15) 255.05 大于(GT)标志 253.15 第一次循环标志 255.03 指令执行错误(ER)标志 255.06 等于(EQ)标志 AR15 当前扫描时间 AR13.05 循环时间错误标志 255.04 进位(CY)标志 25

P_EQ BOOL P_Cycle_Time_Value UINT_BCD P_Cycle_Time_Error BOOL P_CY

BOOL 电气符号 P_1s P_1min P_0_2s P_0_1s P_0_02s P2 P1 LS4 LS3 LS2 LS1 KM9 KM8 KM5 KM4 KM16 KM13 KM12 KM1 KAPL KAP KA4G KA43 KA42 KA41 KA4 KA3G KA34 KA32 KA31 KA3 KA2G

类型 BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL 26

PLC地址 说明 255.02 1.0秒时钟脉冲位 2 1分钟时钟脉冲位 255.01 0.2秒时钟脉冲位 255 0.1秒时钟脉冲位 2.01 0.02秒时钟脉冲位 220 城市供水网压力 210 小区供水网压力 33.08 4号泵摘泵延时标志 33.07 3号泵摘泵延时标志 33.06 2号泵摘泵延时标志 33.05 1号泵摘泵延时标志 11 3号水泵工频运行 10.07 10.06 10.05 11.03 11.02 2号水泵变频运行 2号水泵工频运行 1号水泵变频运行 4号水泵变频运行 4号水泵工频运行 11.01 3号水泵变频运行 10.04 1号水泵工频运行 37.01 供水低水压报警 0.11 低水压报警 35.04 4号泵故障标志 4号水泵作为3号泵第1工33.09 频运行标志 33.06 33.08 0.03 35.03 33.13 33.05 3号水泵作为2号泵第2工频运行标志 4号水泵作为1号泵第3工频运行标志 4号水泵手/自转换 3号泵故障标志 3号水泵作为4号泵第3工频运行标志 3号水泵作为2号泵第1工频运行标志 3号水泵作为1号泵第2工33.03 频运行标志 0.02 3号水泵手/自转换 35.02 2号泵故障标志 电气符号 KA24 KA23 KA21 KA2 KA1G KA14 KA13 KA12 KA1 JZKB INKM8 INKM6 INKM4 INKM2 INKM16 INKM14 INKM12 INKM10 FMIN FMAX BPYX BPQT BPB4 BPB3 BPB2 BPB1 BJX bjq BJQ BJD bjd

类型 BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL 27

PLC地址 说明 2号水泵作为4号泵第2工33.13 频运行标志 2号水泵作为3号泵第3工33.1 频运行标志 2号水泵作为1号泵第1工33.02 频运行标志 0.02 2号水泵手/自转换 35.01 1号泵故障标志 1号水泵作为4号泵第1工33.12 频运行标志 1号水泵作为3号泵第2工33.11 频运行标志 1号水泵作为2号泵第3工33.07 频运行标志 0 1号水泵手/自转换 35.05 禁止开泵 1.01 2号水泵变频运行 0.09 2号水泵工频运行 1 1号水泵变频运行 0.08 1号水泵工频运行 1.03 4号水泵变频运行 1.05 4号水泵工频运行 1.02 3号水泵变频运行 1.04 3号水泵工频运行 39.14 频率下限 39.13 频率上限 30.04 10 36.04 36.03 36.02 变频运行标志位 变频器起停控制 4号泵变频工作标志 3号泵变频工作标志 2号泵变频工作标志 36.01 1号泵变频工作标志 0.1 报警消除 30.14 报警器标志位 10.03 系统故障报警蜂鸣器 10.02 系统故障报警指示灯 30.12 报警指示灯标志

3.3 流程图

N=N+1 k=k-1 第k-1台泵切换为市电运行 第n＋1台泵软启动 水压>设定值 N 延 时 第n台泵切换为市电运行 延 时 Y 频率＝10HZ N 大于 N 频率＝50HZ 降频控制第n台泵 升频控制第n台泵 小于 水压＝设定值 Y K=N

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3.4 程序设计：

首先，对模拟量模块进行参数的设定。在PLC运行的第一个周期里，将数值#C2F3送入13CH。其中，#C2F3是对模拟量参数进行规定后的代码。处理002CH通道中的数值，利用常ON指令，将002CH的内容与数值#00FF进行逻辑与操作，目的是屏蔽高八位，保留低八位。并将结果传送到数据区DM210（P1当前值）中。处理002CH通道中的数值，利用常ON指令，将002CH的内容与数值#FF00进行逻辑与操作，目的是屏蔽低八位，保留高八位。并将结果传送到数据区DM220（P2当前值）中。将DM220中的高八位传送到DM230的低八位中，再将DM230中的二进制数值转换成BCD吗后传送到DM240中。处理003CH通道中的数值，利用常ON指令，将003CH的内容与数值#00FF进行逻辑与操作，目的是屏蔽高八位，保留低八位。并将结果传送到数据区DM310（F当前值）中。处理003CH通道中的数值，

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利用常ON指令，将003CH的内容与数值#FF00进行逻辑与操作，目的是屏蔽低八位，保留高八位。并将结果传送到数据区DM320（备用）中。将DM320中的高八位传送到DM330的低八位中，再将DM330中的二进制数值转换成BCD吗后传送到DM340中。将DM210的内容传送给12CH通道，即将P1的内容传送给P11，为变频器提供管网压力值。

手动或电机过载的信号处理程序：

当1号泵手动/自动转换信号在手动位置或1号泵电机过载时，输出一个手动或故障标志。当2号泵手动/自动转换信号在手动位置或2号泵电机过载时，输出一个手动或故障标志。

KA1 RF1 ka1g KA2 RF2 Ka2g 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 当3号泵手动/自动转换信号在手动位置或3号泵电机过载时，输出一个手动或故障标志。当4号泵手动/自动转换信号在手动位置或4号泵电机过载时，输出一个手动或故障标志。

KA1 RF1 ka1g KA2 RF2 Ka2g 0 0 1 1

0 1 0 1 1 1 1 0 30

0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0

分别取ka1g——ka4g的上升沿操作并放置于中间标志35.01—35.04中，分别将上升沿信号与变频器控制信号进行与操作，即在供水泵处于变频工作时，改变频泵换到手动控制或电机过载，则视为变频泵故障，该信号在后面用来关闭变频器的运行。

市供水压力超低（T80经延时后）、循环倒泵的上升沿（35.07）、变频泵故障的上升沿（35.09）、出现任意信号时，将输出一个禁止变频泵工作信号。经过2秒后解锁。设定循环倒泵时间为24小时，到达时间后输出倒泵信号，禁止变频泵运行，对变频运行标志实施左移操作，将变频运行权移交到下一台泵上。PLC第一次运行或变频运行标志超界时，设定第一台泵为变频泵。

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在变频状态下时，变频泵处于自动运行且无过载现象，同时市供水管网压力正常、无循环倒泵信号、变频泵无故障、变频器无故障时，系统允许变频器进入运行状态。当各联锁出现其中的某一个时，变频器运行允许将进入停止状态。从而关闭变频器的工作。设定工频加泵频率的区间和摘泵的区间。频率设定在#00F8——#00FF（大约在48Hz——52Hz）时，为加工频泵的上限频率，频率设定在#0000——#0033（大约在0Hz——10Hz）时，为减工频泵的下限频率。用变频器输出频率的当前值（DM310）与DM10至DM40数据区进行比较，并将对应的结果放到039通道。

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当变频器的频率值低于10Hz时，系统并不时立刻摘工频泵，而需要进行一定时间的延时，摘泵的顺序是先投入的工频泵后摘，而后投入的工频泵则先摘。下段程序是完成工频泵在摘泵时的联锁控制，即在出现摘泵条件时，应在规定的延时时限下方可操作，避免在信号出现时连续摘泵现象的出现。

1号泵变频组合（1号泵变频、2号泵作为第一台工频、3号泵作为第二台工频、4号泵作为第三台工频）程序。1号泵处于变频状态，当出现下列任意信号时，1号泵退出变频运行。注：手动或电机故障、禁止开泵标志、变频器故障、市供水管网压力低。2号泵作为第一台工频泵必须在1号泵变频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当3号或4号泵也在工频运行时，2号泵不可以退出工频运行。

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3号泵作为第二台工频泵必须在2号泵工频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当4号泵也在工频运行时，3号泵不可以退出工频运行。当2号泵处于手动或出现故障时，3号泵应替代2号泵运行。

4号泵作为第三台工频泵必须在3号泵工频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当2号或3号泵处于手动或出现故障时，4号泵应替代2号或3号泵运行。

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2号泵变频组合（2号泵变频、3号泵作为第一台工频、4号泵作为第二台工频、1号泵作为第三台工频）程序。2号泵处于变频状态，当出现下列任意信号时，2号泵退出变频运行。注：手动或电机故障、禁止开泵标志、变频器故障、市供水管网压力低。3号泵作为第一台工频泵必须在2号泵变频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当4号或1号泵也在工频运行时，3号泵不可以退出工频运行。

4号泵作为第二台工频泵必须在3号泵工频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当1号泵也在工频运行时，4号泵不可以退出工频运行。当3号泵处于手动或出现故障时，4号泵应替代3号泵运行。1号泵作为第三台工频泵必须在4号泵工频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当3号或4号泵处于手动或出现故障时，1号泵应替代3号或4号泵运行。

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3号泵变频组合（3号泵变频、4号泵作为第一台工频、1号泵作为第二台工频、2号泵作为第三台工频）程序。3号泵处于变频状态，当出现下列任意信号时，3号泵退出变频运行。注：手动或电机故障、禁止开泵标志、变频器故障、市供水管网压力低。4号泵作为第一台工频泵必须在3号泵变频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当1号或2号泵也在工频运行时，4号泵不可以退出工频运行。1号泵作为第二台工频泵必须在4号泵工频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当2号泵也在工频运行时，1号泵不可以退出工频运行。当4号泵处于手动或出现故障时，1号泵应替代4号泵运行。2

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号泵作为第三台工频泵必须在1号泵工频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当4号或1号泵处于手动或出现故障时，2号泵应替代4号或1号泵运行。

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4号泵变频组合（4号泵变频、1号泵作为第一台工频、2号泵作为第二台工频、3号泵作为第三台工频）程序。4号泵处于变频状态，当出现下列任意信号时，4号泵退出变频运行。注：手动或电机故障、禁止开泵标志、变频器故障、市供水管网压力低。1号泵作为第一台工频泵必须在4号泵变频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当2号或3号泵也在工频运行时，1号泵不可以退出工频运行。2号泵作为第二台工频泵必须在1号泵工频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当3号泵也在工频运行时，2号泵不可以退出工频运行。当1号泵处于手动或出现故障时，2号泵应替代1号泵运行。3号泵作为第三台工频泵必须在2号泵工频工作正常下有效，根据上限频率和下限频率来实施加泵和摘泵操作。注：当1号或2号泵处于手动或出现故障时，3号泵应替代1号或2号泵运行。

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当系统出现禁止开泵标志、变频器故障、市供水管网压力低等报警信号时，应全面禁止4台泵的自动运行（将#0000分别传送到031CH、032CH、033CH、034CH）。这时可以利用手动控制（星/角启动）实现继续供水。在变频工作有效且变频器处于运行状态时（检测变频运行信号），输出变频器工作信号（中间标志30.04）。1号至4号泵中，有任意一台电动机过载，输出水泵故障信号（中间标志30.05）。变频器报警信号R01断开时（四个电机过载信号同时出现，无供电电源），输出变频器故障信号（输出中间标志30.15）。市供水管网压力低等报警信号时，输出低压报警信号（中间标志30.01）。将上述信号并联后驱动运行状态指示灯，正常时运行指示灯亮，水泵故障时，指示灯按1秒时钟闪烁，变频器故障时，指示灯按0.2秒时钟闪烁.分别利用市供水管网压力低等报警信号、水泵故障、变频器故障、的上升沿来启动报警器，以便提示检修人员。为了避免报警器长时间报警，系统提供了报警消除按钮，按下该按钮后，可以消除报警器发声，但报警灯仍处于报警状态，直至故障信号彻底消除为止。将中间运行标志传送给输出通道，包括：工频、变频的控制输出（变频工作组合的分部信号），报警信号的输出，运行状态的显示。

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4节能实例计算

我们讨论问题的前提是恒压供水系统，在此前提下必须是恒压控制，那么在这种条件下选择一台变频还是两台变频，其经济技术的合理性到底怎样呢？同样我们以例子进行计算分析。系统各流量下水泵所需轴功率进行了计算，见表。 Q总（m3/s） 1.1Qr 1.2Qr 1.3Qr 1.41.5Qr 1.6Qr 1.7Q1.8Qr 1.9Qr Qr r 变 Q 0.023 0.046 0.060.092 0.115 0.130.160.184 0.207 一一 频 9 8 1 台台 泵 H 45 45 45 45 45 45 45 45 45 变工 η 20% 42% 58% 71% 76% 81% 83% 83% 82% 频频 P 50.8 48.3 52.5 57.7 66.8 75.2 85.6 97.9 111.4 二台泵P轴177.200.176.2 173.7 182.6 192.2 211 223.3 236.8 (KW) 9 6 Q 0.1260.138 0.140.161 0.1720.180.190.207 0.2185 二 5 95 5 4 55 台 H 45 45 45 45 45 45 45 45 45 变 η 79% 81% 82% 83% 83% 83% 82% 82% 82% 频 P 55.8 75.2 80.5 85.6 91.7 97.9 105.111.4 117.6 2 二台泵P轴195.210.111.6 150.4 161 171.2 183.4 222.8 235.2 (KW) 8 4 二台变频较一台变频.6 23.3 11.9 11.4 8.8 4.8 0.6 0.5 1.6 对比节能（KW） 经 济 比 较 每天运行10小时计消耗电能6 233 119 114 88 48 6 5 16 （KWh） 每度电按0.8元计每年耗电费18.86 6.8 3.47 3.33 2.57 1.4 0.18 0.15 0.47 （万元） 43

一台变频控制装置设备价格（万20 20 20 20 20 20 20 20 20 元） 预计收回成本年限 1 3 6 6 8 14 111 133 43 表一 设置一台和二台变频器的技术经济比较表 假设系统设二台12sh-9A泵，以此为例对恒压供水主体方案进行计算分析讨论，以更为直观地使大家判断出选择几台变频控制设备更为合理。设每台水泵在额定工况下Hr=45m

Qr=0.23m3/s η水=81% P轴=125.4KW 配套电动机P电动机=160KW n=1470r/min 恒压变频控制压力整定为H=45m，分别对系统所需流量为1.1Qr、 1.2Qr、 1.3Qr、1.4Qr、1.5Qr、1.6Qr、1.7Qr、1.8Qr、1.9Qr进行计算水泵所需轴功率。

当系统所需流量为 1.1Q r 即 0.253 m 3 / s 时，分别对设置一台变频器、二台变频器方案进行计算。

i） 当设置一台变频器时，即一台工频运行，一台变频运行。变频运行的泵的流量为0.023 m 3 / s，此时水泵扬程为Hr=45m η水=20% P轴=50.8KW ，二台泵的轴功率为176.2KW。

ii） 当设置二台变频器时，则二台泵同时进行变频运行。每台变频运行的泵的流量为0.1265 m 3 / s，此时水泵扬程为Hr=45m η水=73% P轴=76.5KW ，二台泵的轴功率为153KW。其节能23.2KW。

综合看二台变频装置确实节能，从表一可以看到，当系统所需的流量在额定流量85%范围内运行，那么选择一台变频装置为经济合理；若系统运行流量变化很大，但在小流量下运行时间很短，那么也没有必要为此设置二台变频装置；若系统所需流量在额定流量的55%以下长期运行，那么应考虑增加机组台数与增加变频装置数量的综合经济比较后确定更为合理的方案。 4.1

小结

恒压供水主体方案的确定是一个非常复杂的问题，即要了解用户用水量分配情况，还要了解工艺特性、管道特性等综合因素，只有充分了解了系统的运行方式，才能确定出合理的方案。

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5 结论

近年来国内高层建筑不断兴建，它的特点是高度高、层数多、体量大。面积可达几万平方米到几十万平方米。这些建筑都是一个个庞然大物，高高的耸立在地面上，这是它的外观，而随之带来的内部的建筑设备也是大量的。为了提高设备利用率，合理地使用能源，加强对建筑设备状态的监视等，自然地就提出了自动化控制系统。在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。自动化恒压供水系统的飞跃发展给我国的小区供水带来了很大的便利。它充分利用了变频软启动和PLC技术的相结合实现一拖多泵的供水系统。PLC编程在工业领域更适用，它通过梯形图编程、它更容易被人们理解。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PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。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，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

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致 谢

本设计的选题、研究及论文撰写工作是在导师×××和×××老师的直接关怀和悉心指导下进行的，在设计过程中许老师态度认真、工作负责，对我的设计提出了许多宝贵的意见，能够及时解决我们设计中遇到的难题，对我们的设计提供了很大的帮助；同时老师严谨的学风、渊博的知识、丰富的实践经验和敏锐的思维将使我受益终身，在此，谨向×××老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！

在毕业设计论文的撰写过程中，机械学院的许多老师都给了我很大的帮助，在此向他们表示深深的谢意。同时也感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们。

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参考文献

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