内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

管网压力信号报警信号水池水位信号PLC(含PID)变频器压力变送器M液位变送器用户水泵机组水池

图2.2变频恒压供水系统框图

(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号、故障报警信号和火灾发生信号。管网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，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的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；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。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。此信号来自安装于水池中的液位开关；故障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。火灾报警信号是手动信号，当有火灾发生时，按下报警按钮，PLC接收到信号后，使三台水泵同时工频运行，达到火灾的高恒压供水。

(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。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频器和接触器对执行机构(即水泵机组)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水泵的运行频率，完成对水泵的变频控制。

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，供水量仍不能达到用水需求时，则需要增加水泵机组，首先系统先将变频器从

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该水泵电机中脱出，在将该泵切换为工频，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，本设计中采用前者。

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、变频器故障、电网过大波动、供水水源中断、火灾的发生等造成的故障，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。

水塔水位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。水塔水位控制系统中的PID调节框图如图2.3所示：

居民供管网压力水管道压力给定PID模块D/A转换变频器－PLCA/D转换接触器水泵机组压力传感器

图2.3 变频恒压供水系统PID调节框图

该系统通过安装在用户供水管道上的压力传感器实时地测量用户管网的水压，将检测到的管网出水压力，转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。 1.6.3 系统中水泵切换条件分析

在整个谁为谁他控制系统中，当一台水泵己变频运行在上限频率时，如果此时的管网实际压力仍比设定的压力值低，则需要增加水泵来满足供水需求，来达到恒压供水的

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目的；当变频运行的水泵和工频运行水的泵都在运行且变频运行的水泵已经运行在下限频率时，如果此时的管网实际压力仍比设定的压力值高，此时则需要减少工频运行的水泵来减少供水量，从而达到恒压供水的目的。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。在供水系统的，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。

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。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1-2分钟），如果在这一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。PID控制及其控制算法

在该水塔水位控制系统中，供水系统的设计，选用了含PID调节的PLC来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定。在连续控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t)：

e(t)?y(t)?r(t) 式（2.1）

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