【《基于PLC的恒壓供水變頻控制系統設計仿真研究》23000字（論文）】

. 緒論1.1研究背景及意義隨著我國經濟與技術的發展，供水壓力不足影響著人們以及工業的生產生活，傳統的供水方法年難以滿足我國現代化生產生活的需要。電能對于改善我們的生活方式也有極其重要的價值,電能宏觀上又是整個現代化社會產業不可或缺的動力源,若機器沒有了電,機械設備也無法繼續運行,工業的生產、人們的生活將無法進行。與其他國家相比我國水電資源始終處于匱乏狀態，在水、電的局域分布上也十分不均，使用量較大的地區需要從其他地區進行調配，增加了運輸、使用、開發的成本，影響整體的供水效益。然而,我國長期以來處于人力資源的浪費極其嚴重、自動化的技術程度甚低、供水系統不完善的狀態。所以此供水系統的規劃設計研究對中國工農業灌溉以及對城市供水系統方案的整體改進探索、升級研究等具有跨越時代性的重要意義。傳統的供水方式目前主要包括：水塔高位水箱供水、恒速變頻水泵加壓水箱供水、氣壓罐供水系統等。主要的缺點如下：（1）水塔高位水箱的供水工作方式一般采用泵機自動將水加壓提升至建筑物高位水塔中儲存，當工程需要生活用水需要時，由高位水塔直接提供，常常用于各種高層建筑供水中。控制方式操作簡單、快速運營經濟、可實現停電不停等優點。但是存在投資較大、泵機硬啟動的啟動電流較大、占地面積較大、維護困難等缺點。（2）恒速泵加壓供水方式采用了功率恒定的機泵組對系統進行恒壓供水，供水壓力不會發生較大變化。當遇到壓力突然變化情況時，能夠迅速作出處理反應，但是由于需要長時間人工進行操作，自動化控制程度極低。目前很少使用這種供水方式。（3）氣壓罐泵供水這種方式的機組供水量變化浮動較小、電網高度等限制極其微小，但是其對硬件操作要求仍然較高。機組一般啟停狀態切換頻繁，為有效減少水泵啟動次數，需要保持相對較高的啟停壓力，不符合節約理念。因此應用較少。綜上所述，目前大多還采用純人工控制過程的用水方式，效率相對較低，可靠性又差，自動化控制程度不高，因此并不能真正滿足客戶對整體供水設備系統穩定性、可靠性以及綜合經濟性上的高度要求,所以對集中式供水的系統結構進行整體技術架構升級、系統優化處理是非常的必要的。隨著西方國家以及近些年我國數字化、計算機、自動化與控制測量技術應用等相關電子行業科學技術應用的快速、不斷地向前縱深發展，目前對變頻給水系統應用的研究越來越趨于成熟，集先進的PLC、變頻供水電子技術、計算機控制應用技術等技術應用于一體而產生的新一代全自動智能恒壓變頻供水技術系統也應運而生,它已經具備了能直接根據現場管網水壓流量速度的瞬時變化而進行應急供水調節的能力，與現在國內傳統、單一的城市管道供水的系統相比，已經具有甚優的運行時效，擁有了更好的儲水經濟性等多項優點。同時有利于解決我國淡水資源緊缺、水資源分布不平衡的現狀，以滿足在現代化的發展進程中日益增長的供水需求。在效率最大化、成本最低話等諸多方面有特別的意義和價值。1.2國內外變頻調速技術發展與現狀變頻電機自動調速和控制系統的每一步發展都是在經過了電力電子技術、自動變速調節及其控制領域的相關理論、計算機技術方面知識的進一步深化發展及積累完善之后，才更科學、更成熟。第四次人類世界工業革命潮的迅速興起,使電力電子技術、計算機技術、現代工業自動智能化控制等各種理論技術，獲得了又一次長足地的突破和充分地應用發展。在上世紀的60年代初期，前聯邦和德國西德公司的電機技術專家們就首先提出來建立了一種可采用雙脈寬帶數字調制技術以用于控制高速的交流三相異步電動機牽引的電動機轉速變化速率的新技術想法，并打算逐步的開發，使其技術可先由專業試驗室開始的推廣試驗到后期普及推廣至各種小型工業裝置及現場的使用；八十年代中期，在日本的中國專家課題組，首次成功在研究實驗室內完成了純凈無污染的永磁交流電動機旋轉磁場調制波形技術的實現。80年代后期，系統變頻控制及變頻調速的裝置、設備以及產品已經能夠達到一定規模的制造，同時具有了商業價值。1992年,德國西門子公司正式投入研發首批SE70系列能夠在工業上通用的控制變頻器。1994年，該系列工業變頻器產品中的各主要電機配套變頻器產品的容量范圍很快就被升級并擴充提高超過了500多兆kw功率。1995年，瑞士ABB公司的直接交流控制及轉矩矢量直流控制等系列的新型通用直線交流調速變頻器已經作為核心技術大范圍開發。由以上發展歷史可以充分看出，近兩半個多世紀時期以來，國外市場尤其是西方發達國家，交流數字變頻與調速控制技術領域在快速綜合借鑒各方新技術取得進步水平的同時，取得了空前的飛速發展，形成了眾多成熟且穩定發展的商業技術品牌，取得了一系列極佳的國際商業價值和重大社會效益。國外近年來，在數字交流變頻和調速控制器技術研究的應用、發展等方面擁有以下特點：市場需求量比較大；新型功率器件應用發展相當迅速；控制理論方法和先進微電子的技術支持。在整個國際上，60%左右的實際可發電量基本上是靠交流牽引和電動機，逐漸將電能的消耗利用替換掉，從而完成任務。因此，如何科學有效地利用新型交流電機原理及其無級調速等技術，積極對傳統電機和機械運行方式改造或提升以實現大幅度高效節能、循環使用大量電能，受到全球的專業人士以及領導人的高度重視。我國最早是始于上一個世紀1954年。這個時期，我國第一個大型國有工業電氣傳動公司獲批建設，后更名為天津電氣傳動設計研究所。近200家不同大小規模的公司、工廠、研究所，專門研究成套變頻交流直線調速裝置及其成套系統。隨著新中國新一輪改革的大發展開放新浪潮來臨，促進了中國工業經濟與現代化步伐的進一步高速化發展。我國開始采用從西方世界發達國家中大量的進口產品來構成新型國產交流變頻與直流調速及其控制系統設備，采取內外機的結合。首先在采用國產的成套大型變頻調速及其裝置系統體系中大量地采用從外國大量進口產品，然后又通過用戶自己設計獨立開發成套系統并應用國外成套系統軟件自行編程完成的一種方式方法，有效地完成了國內外重大工程科研與工程項目并提供了解決一些復雜大型電氣傳動控制系統設計中問題的有效辦法，適應滿足了目前社會大生產現代化的迫切需要。變頻器核心部件創新研制以及批量生產和商業化都較為落后；截至今日國產變頻器產品仍然不能達到優質、可靠、廣泛推廣的標準。（2）國產整體發展上，超大功率變頻器的研究制造前行依舊十分艱難，工業領域上應用成熟的案例較為稀少，國外的產品依舊支配著我國大部分市場。（3）目前變頻自動調速裝置設備研制及其配套系統研究產業基礎及整體行業水平均不高，不能有效滿足現代國家工業變頻控制產業領域廣闊的應用發展與需求。在市政供水、煉鋼、煤礦瓦斯通風系統等智能化控制精度要求已經相對過于粗放苛刻的復雜工業流程控制的領域，尚有相當少量的國產變頻調速的產品和使用的情況，但是目前在化工造紙、精密數控機床、煙草流水線系統等過程精細化流程自動過程控制領域被國外企業的變頻器產品限制。我國與變頻調速技術相關的產業發展受限十分嚴重，此部分產業已處于低谷，基本都是整合、借用外國品牌產品。（4）目前國產變頻直流調速控制設備品牌產品美譽度均低于大部分國外名牌設備，而且性價比存在相當大技術差距。故當前在整個國內石油石化、電力通信軍工等國家重點、關鍵耗能行業設備及其主要核心工藝部位，大量企業選擇應用國產大功率變頻電源設備系統的工程案例中還比較稀少。1.3變頻恒壓供水系統的國內外研究現狀變頻恒壓供水系統是隨著我國工業在經過了變頻控制技術及電機調速控制新技術兩個日新月異的重大技術變革發展歷史階段之后，得以逐漸成長完善起來發展形成出來的。初步時期，國產的變頻器大量使用國外技術，極大限制了變頻器件的主體功能。最大程度上限定頻率變比控制、升降速變比控制、正反轉比例控制、啟停速度控制等功能，還有后續的過載短路保護和控制功能。滿足用戶供水量需求從而在各種工作狀態轉換時,為持續恒壓供水，必須單獨配置提供了一套壓力控制器裝置和另一組壓力傳感器，對系統給水壓力實時進行遠程的閉環自動監測控制。基本技術參數從目前所能查閱得到的國外的一些有關資料或了解國內外的一些有關開發情況等介紹材料來看，國外許多已有成熟的大型變頻器的恒壓供水工程系統方案在進行最初的設計或開發時，通常也都只選擇了采用傳統的使用一臺中小型變頻器來拖動或者只根據需要帶驅動著某一臺小型的水泵機組進行使用等方式，幾乎都從沒有實際發生或用到過某一臺小型的變頻器，甚至可以同時拖動著多臺的微型變頻水泵機組進行連續穩定運行多年以上的開發使用情況。因而造成的投資成本高。隨著中國現代水利變頻與自動化控制系統技術及其應用方面的日益高速地發展和在變頻恒壓供水系統及其運行設備的運行高電壓穩定性、可靠性能高以及遠程控制及自動化運行可靠穩定程度高等方面變頻器具有無可比擬的各種顯著的優點。通過變頻器可顯著的增強節水及節能的應用效果開始逐步被中國社會發現了解和得到普遍地認可。國內目前還在積極參與國內外各種變頻交流調速及恒壓供水控制系統方面的試驗研究或設計過程，對于一個既能保證靈活又適應了各個用戶不同供水工況環境的給水場合，結合了現代工業計算機智能控制設備的總線技術、網絡遠程控制設備和工業計算機通訊技術，同時還要注意兼顧到給水系統自身內部設備的外部環境，電磁兼容性條件下(EMC)可靠性問題的變頻恒壓供水系統技術中涉及的變頻恒定水壓控制系統的閉環水壓調節及控制的技術方面研究還進展得比較不夠。我國正處于深化研究、深入分析過程，使產品能有效滿足各類生產、技術管理實踐的特殊需要。1.4可編程控制器（PLC）的特點與應用可編程序控制器裝置，簡稱為可編程PLC，是一種基于新型面向現代工業領域的計算機自動編程和控制的裝置，自動編程與控制包括裝置技術和計算機工業通信技術等，依托著現代信息電子科技進步要求而得到快速地發展并成長完善起來的一種具有現代功能的標準裝置，已經成為當今世界大多數工業自動化發達國家工業生產中自動編程及控制裝置領域采用的幾種主流自動化標準及設備裝置類型之一。系列PLC由于具有高系統可靠性、抗干擾性能極佳、組合結構比較合理靈活、編程操作相對簡單易懂、維修及管理較方便快捷可靠和輸出效率及應用成本較為適宜經濟等諸多特點，使得與現有工業控制系統其它各類自動化智能控制器系統產品比較之下，顯得更加完善。能夠進一步適合中國目前自動化工業計算機自動化控制行業工作環境迅速變化發展和產品應用的市場類型多樣化帶來的諸多客觀變化要求。隨著機械電子技術研究和應用計算機技術水平的高速發展，PLC數控系統的使用功能已經得到了大大的擴展增強，具有著以下這些特點：（1）可靠性很高。PLC產品的極高運行可靠性是得益于它軟、硬件結構上采用一系列特殊的抗干擾防護措施和基于它的特殊結構的周期循環掃描的工作方式。（2）擁有靈活可靠的專用I/O接口模塊。PLC應用系統需要針對連接各個系統不同單元設備中的來自各種典型工業場合的應用現場各種輸入與輸出控制信號。用來進一步的提高計算機操作系統性能，它本身也應該還有多種用于組成人機信息交互對話系統中的各種接口模塊來組成的。（3）采用完全模塊化控制系統的硬件結構。為了可更好適應我國當今企業各種大型現代化自動工業的生產與控制等技術需要，絕大多數的小型工業PLC電控設備基本都是采用的全模塊化硬件系統結構。系統模塊化組合中的整體規模的設計原則和系統部分功能模塊可以分別地根據其各種特殊用戶功能的特定使用環境及需要程度，來自行加以調整組合。（4）編程簡單易學。PLC軟件的邏輯編程方式大多會采用一些類似于繼電器的控制邏輯線路的梯形圖路形式，很容易就被廣大一般專業工程技術人員們所認識理解學習和掌握。可編程控制器（PLC）使用的基本軟、硬件系統配置與傳統計算機相極為接近類似，只不過由于它本身比其它通用計算上位機通用性更強，能夠與多種工業過程系統相交互連接應用的總線接口系統和具有更簡便直接操作性，能夠適應于多種控制方式要求程序設計的編程語言。PLC硬件組成主要有中央高級處理功能單元微處理器(CPU)芯片、存貯器、輸入信號/數字輸出轉換單元以及可編程器、電源模塊和智能數字輸入單元/模擬輸出控制單元模塊等元件構成。PLC應用的控制軟件大致可大致分為控制系統軟件程序和系統用戶程序軟件兩個大部分:系統軟件：一個標準的嵌入式系統內部容納有一定質量和數量相同的可編程控制單元模塊插件，包含了一定數量的主機模塊插件和一部分I/O模塊插件單元，通常情況下稱為嵌入式標準可編程邏輯控制單元。其最主要的監控功能可表現為：對PLC控制器軟件及自身生產過程中的過程管理監控和運行過程管理監督；循環解釋和運行用戶程序等；集中進行對輸入信號控制執行信號數據的自動掃描與檢測和實現對控制輸出執行信號和控制輸出數據的實時自動跟蹤。當任何一個執行用戶程序單元成功地被裝進了PLC控制器系統內的存儲器，也就意味著立即就可以實現自動分離。考慮到嵌入式工業PLC控制系統軟件的內部拓撲與結構系統復雜的較高設計復雜性，系統軟件內部都應有較高級、專業的設計及技術人員能夠獨立的進行系統軟件開發設計。實際用戶一般不應允許硬件設計師直接參加到設計過程中的內部的拓撲操作。用戶程序：這是一般用戶對于應用型PLC儀表進行自動化控制工作所通常需要預先編制出來的程序。目前,在現代PLC控制中也普遍開始使用繼電器梯形圖式編程控制方法。它的形成過程基于梯形圖程序，經過進一步優化改進、技術演變而形成。突出表現了繼電器各編程控制原件之間緊密的邏輯關系。與傳統硬件接線上的梯形圖邏輯不同，PLC中梯形圖邏輯主要是可以由編程軟件直接實現出來的。因此其既能夠形象而直觀的便于用戶編寫，又具有易于用戶擴展設計和編輯修改等功能。1.5本課題主要研究內容本文通過廣泛深入現有大中型高壓工業供水系統生產運營系統設計的調研、觀察和相關技術需求分析，依據生產實際運行中用戶要求和客戶對其整個工程供水過程運行，主要系統技術需求的基本設計與要求，確定合理的方案，選擇確保采用安全可靠性要求比較高、使用維護安裝方法簡單、維護及保養簡單方便、編程靈活的工控設備變頻器系列設備和微型工業電腦及PLC控制器系列作為高壓供水的主要供水過程自動化控制設備主要設備系列設備，來設計開發自動調速變頻及智能恒壓供水系統。此系統保證整個系統長期持續運行的高效、優質、可靠、安全和高效節能。具體的工作而言，論文內容至少可分為以下四部分內容：論文詳細對相關課題研究成果進行綜合分析、研究和調查，在研究評價的論證基礎上，提出形成了完整系統的選題設計工作方案設想和工作思路，確定相關論文選題主要研究的方向、研究工作內容范圍和基本研究的方法思路；分析闡述了變頻恒壓供水系統的節能設計的主要原理，給出了變頻恒壓供水技術的相關理論模型推導及數值近似方法的基本數學模型等；確定了變頻恒壓供水系統運行的總體控制措施方案；在最后重點分析介紹了在實現變頻恒壓供水工程中，水泵三相切換工作的運行條件。主要內容是對泵站自動供水變頻技術、自動調速水泵和泵站恒壓供水控制系統配套設備技術的系統開發，及其設計應用技術開展了全面深入且詳細和透徹系統的系統案例技術分析及論證設計和技術實例驗證研究。從實際工程和實際設備的現場使用以及需求情況出發入手，設計并初步確定一個比較全面合適我們自己應用的變頻水泵設備及其選型使用策略方案。研究了PLC控制系統程序優化的最基本的程序邏輯設計與優化的方法步驟及程序邏輯設計執行過程優化方法特點，并希望可以在上述的特性分析為基礎框架上，進一步具體探討提出了供水自動化設備系統控制與程序邏輯設計轉換的相關技術功能模塊框架設計和相關軟件設計實現的方案等等；另外文章中最后的部分內容還重點提出解決了如何進一步保障該系統可靠性問題的一些對策措施。通過遠程計算機控制系統和智能PLC設備的互聯通信，實現城市供水調度系統對運行過程狀態數據的智能實時遠程在線監控，是研究本課題內容的最后一個顯著特色創新之所在。提出了城市供水自動化系統及監控自動化軟件系統設計方案。2系統理論分析及確定方案2.1變頻恒壓供水理論分析2.1.1變頻恒壓供水系統原理閥門開度恒定值是供水用泵系統的一種工作狀態特性H=fQn,水泵機組必須運行在某一個給定或一個相對固定值的額定轉速狀態條件之下,揚程H與流量Q間關系,如圖2.1。在閥門的開度值和供水泵機組轉速值均已趨于某個恒定的數值時，流量變化的空間大小往往就取決于整個機組用水量變化的平均時間有多少。因此，揚程特性反映H與Q之間關系。管阻曲線特性主要反映水泵在運行情況下，克服水位差而產生造成管內液體流動的壓力勢變差、管道系統及其管網部件對管中液體流動阻力的改變而影響的特性規律。根據管阻特性曲線，使閥門口處開度不變，揚程H數值越大,流量Q也就越大。揚程曲線和管阻曲線相交處為供水系統的工作點（A點），此工作點用戶用水量Qu和系統供應流水量QG相等圖2.1供水系統特性曲線供水系統的自動調速變頻控制實質就是利用交流變頻異步制電動機控制的自動變頻調速。基本參數主要就是通過改變施加在三相電機的定子繞組線圈上的額定電源頻率信號來達到改變交流電動機轉子的電磁同步繞組轉速，最終能夠實現動態調整單相電動機轉速頻率的目的。交流異步電機的轉差率定義為:s=n1?nn1交流異步電動機同步轉速定義為:n1=60fp交流異步電動機轉速計算公式為:n=60fp1?sn1:電動機空載轉速；n:電動機轉子轉速；f：電動機電源頻率；p：電動機的結構決定磁極對數p，轉子轉速n與電源頻率成正比，從而使水泵轉速增加。水泵控制閥法通常是進出口式水泵閥門的開度大小的調節控制和對水泵原動機轉速調節的控制。前者是直接通過一個變頻器來控制泵的出口轉速和泵閥門入口位置的氣門扇開度的大小,電動機轉子之間的空氣轉速則始終為恒定，采用這種變頻器控制的水泵方式實質也是通過改變與供水輸送設備管路阻力之間相對的空氣阻力值變化，來自動實現及調整給泵流量。根據給供水介質用量急劇變化導致的流體壓力突然變化，決定了水泵電動機相應的瞬時工作轉速，從而才保證了給用戶供水時水泵的輸入介質壓力能長期保持相對基本的恒定，用水量急速減少時，電動機急劇減速，使水泵輸出的靜水動能急劇地減小。反之，電動機加速。根據客戶具體的用水需求及時調整出水機的水力動能，減小消耗在管網上的阻力。圖2.2管網及水泵運行特性曲線由以上圖2.2可知，當使用出口閥門控制時,若供水量處于高峰工作負荷，即工作在圖上的X點，對應流量為Q1,揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，將出口閥門關小，則增大了閥門的阻力，管阻曲線從β3上升到β1，而揚程特性曲線不發生變化。當揚程則從H0PY=gH當泵機組中通過變頻調速器來實現控制水泵總供水量時，管阻特性曲線為β2,揚程特性為線n，機泵組工作點變為J點。此時圖形(0，Q2,J，PJ=gH當通過調速控制供水流量時，節省能量為(H0，J，Y，HDP=PY?因此調速前后之間揚程H、功率P、轉速N之間關系為：Q2Q1=N2N1式2.7中Q1、H1、P1為調速之前的流量、揚程及功率，Q2、H2、P2為調速之后的流量、揚程及功率。由以上公式分析可知2.1.2變頻恒壓控制模型在此系統運作時，需長時間保持系統供水能力的穩定性，因此保證供水總壓力是連續恒定的。由圖2.3可以看出：當整個系統正常穩定運行工作時，檢測得到的實際供水總壓力低于設定值，控制系統得到正壓級差，提高水泵變頻器的輸出電流頻率，提高了水泵機組定子的電機轉速從而進一步提高系統了的供水壓力。相反的，使供水機組轉速顯著減少，較少累積供配水量，直到使實際出廠供水的流量壓力與系統設定值相等。圖2.3變頻恒壓控制流程圖整個系統運行必須經過如下兩個完全不同的機械工作的過程：1、電動機啟動開始到達到設定的供水壓力值是一個滯后的過程；2、整個供水過程，設備壓力達到穩壓的供水效果是一個慣性過程。用水量分析監控過程及供水安全控制的整個過程，基本上都是等效的比例環節，恒壓供水系統在數學模型中也能被我們近似定義成一階的慣性環節，即為G(s)=Ke?τsTs+1K：系統總增益，T：系統慣性時間常數，τ：滯后時間2.2變頻恒壓供水系統控制方案2.2.1供水系統控制流程此套變頻恒壓自動化供水系統的設備組成主要由配套專用PLC、供水管網壓力表、壓力變送器、液位傳感器、開關與控制閥門、變頻器、PID調速、變頻恒壓及水泵自動控制系統保護功能單元、水泵機組電動機調速控制部分等模塊組成。可自動實現功能模塊的開發設計及任務設計分別是：以可編程的PLC控制器單元模塊作為系統功能核心，使用恒壓控制單元模塊使多臺工頻電動機實現自動定時，相互切換控投設或備用，還能夠根據供水壓力及客戶具體實際用水壓力情況變化，做出實時合理地、有序地、自動地定時投入設備或切除設備，盡量的保證整個系統內供水壓力和負荷壓力的相互恒定，并實現自動地將實際運行或使用的情況、故障信息報告等及時地傳輸到計算機后臺服務器及設備控制室內，使系統擁有監視、遠程操控功能。具體的控制方案如下:核心控制單元是由交流變頻器、PLC控制器、壓力傳感器單元組成。變頻輔助電動機的PID自動調節及控制可以由單片機變頻器內置模塊程序實現。基本參數在系統硬件配置選擇功能上,采用了PLC控制系統的多種標準硬件的設置方法及系統外部電路的接線，能夠通過設定系統存儲器單元中存儲器的控制程序、IO端口的設定方式以及軟接觸點定義達到自動控制目的，實現三相工頻電動機系統的有序互投和備用切換以及直流變頻電動機控制系統的自動有序投切。基本設計供水依據：此系統供水的能力要求必須保持在設計供水量規定的容量最低限度前提下，并考慮大、中流量供水情況下的經濟性。根據我國一般家庭用戶用水量較大的歷史時段特點,用戶實際用水需求類型可初步劃分為間歇型家庭用戶、連續型家庭用戶等兩種。根據每個用戶用水流量大小上的具體區別,還可適當將之進一步細化為:“高流量變化型、低流量變化型、全流量變化型等多種類型”。具體流量與時間關系如圖2.4所示。a)b）c）d）圖2.4用水量變化類型a）連續型（全流量變化型）b）連續型（高流量變化型）B）連續型（低流量變化型）d）間歇型由上圖的用戶特性分類可以看出，用水量呈現出集中、分時段特點。為滿足高峰期用水需求并保證最低限度供水量，根據供水量的變化，調整投入的水泵數量。整個的供水系統由：執行調節機構、控制調節機構、信號與檢測控制機構共同組成：供水執行的機構：執行機構通常是由至少一組的水泵裝置構成，直接將管網水源通過變頻水泵控制系統供入主管網，其控制系統內部包括一組大型變頻泵機組和一臺其他的小型泵機組，變頻泵是通過變頻調速器進行控制或對水泵頻率自動進行頻率調節，主要就是通過手動改變交流電動機轉速來達到控制泵頻率，保證管網供水或管網給水的恒定，水壓在一個恒定的狀態條件下。控制單元機構：控制機構組成是建立在自動化系統功能的組織基礎之上，主要包括PLC控制器、變頻器單元和輔助電控設備系統三個基礎部分。PLC控制器是構建此智能化系統的關鍵核心部分。它一般會定時收集系統管路中產生的最大供水量、水位、水壓值等測量信號，并結合分析整個電控系統中采集得到的有關數據信息。對所有收集檢測到的有關數據信息進行相應算法的計算。最終獲得準確的智能控制調整方案。變頻調速裝置主要實現控制轉速來調節頻率，根據跟蹤的信號實施調頻。水壓信號檢測處理機構：此處理機構需要對供水系統管道中發生的各類水壓信號、水位信號和故障報警信號進行綜合檢測。水壓信號發生器是壓力檢測系列裝置中采用的一項主要的裝置，檢測各用戶在供水管網中的最大水壓值，方便實時控制。在將模擬水信號傳送進入PLC信號輸入控制端口時，對信號電平進行一個A/D電平轉換。同時系統需檢測出水壓差的正常上限值和正常下限，增強整個系統的工作可靠性能力和設備穩定性等；水位信號輸出是一種通過傳感器檢測到水位高低并反饋過來的保護信號，以進一步保證供水系統運行的穩定，防止水壓空抽和損壞二次水泵；報警保護信號則是用于保證供水設備系統電路的連續正常工作運行，當水泵電機突然出現電壓過載、變頻器信號存在嚴重異常時，報警信號輸入控制水量變化以及對系統的保護。控制流程如下：將系統通電，啟動信號傳輸給控制機構，控制機構啟動水泵M1，M1與如果水泵M1發生故障或無法正常運行，控制機構將發出指令，關閉M1閥門同時打開M2當用水需求量進一步增大時，M3頻率達到50Hz，但水壓還未達到穩定值時，系統會對M3發出指令，在工頻下運行，M4進入變頻調節狀態，若經過M當用水需求量逐漸降低、供水水壓上升時,按照“先投運電動機先停止”的設計原則，先將M3變換成變頻下工作，到達下線頻率時，若還不滿足要求，在對M2.2.2系統內水泵切換條件本系統中M1和M2狀態切換控制條件設定為：無論系統所需的供水系統壓力大小，M1和M2在系統中必須要保證只有一臺水泵在連續運行模式之中，M1運行工作狀態時，Mf=fupf=flowfup：上限頻率；flow：下限頻率；Ps供水壓力在設定壓力周圍上下浮動時，變頻機組也會不斷地在投入、切除狀態之間來回轉換，增加了投切次數，對設備的的損害較大，影響設備的正常使用。當降低在設定壓力周圍時，也會出現反復投切的現象。因此，在實際中會在控制器上設定一個回滯延時環節，來改善上述現象。即在電動機啟動、停止的時候，會延遲一段時間，以保證剔除投切的暫時性，防止反復投切對設備造成損壞，影響使用壽命。回滯延時環節如圖2.5圖2.5回滯延時環節在滿足壓力和頻率的條件下，需維持一段時間，從而減少設備投切次數，能夠有效延長使用壽命。此延時一般設置為1-2min，基于此條件上，設置延時時長為1min。實際切換條件可改良為：增泵條件：f=fup減泵條件：f=flow3變頻恒壓供水系統硬件設計3.1系統框圖電氣控制總框圖如圖3.1所示圖3.1系統電氣控制總框圖由以上框圖可以看出，本系統所需硬件主要包括：水泵機組、變頻器PLC及附屬模塊壓力傳感器及數顯表本控制系統的核心為可編程控制器（PLC），接收壓力傳感器中的反饋信號，將其變換成為4~20mA的電信號反饋給控制模塊，控制水泵的投切，實現恒壓供水功能。再由通信模塊進行監視與遠程操控。3.2系統主要設備選型3.2.1水泵機組選型水泵機組選型需要遵循的基本原則：具有平穩運行的能力；為獲得最好的節能效果，需要長期運行在高效區域內，同時所選機型要與用水量及其供水量相對變化幅度匹配。為尋求較高性價比，所選水泵需有適合的尺寸、結構、價格、維護成本以及較好的質量。下面簡要說明水泵選型的基本數據（工藝參數）：水泵機組可以有多臺水泵輪流進行自動供水，供水額定流量范圍在280到1000m3水泵具體參數見下表3.1所示。表3.1水泵具體參數型號數量流量m揚程m效率%轉速r/min電機功率kW汽蝕余量m進出口徑mm水泵FB-200-5343605369.52970753.9200SLF型低噪音離心式水泵采用不銹鋼外殼與軸承，葉輪和導葉使用鑄造件，為提高效率，使用靜電噴塑，最少可提高5%。此種SLF型水泵，整體機構密封，能夠有效減少噪音，減小磨損程度，使用時間更長并有良好的泄壓保護裝置。內部軸承應用柔性技術，更加耐磨、減小噪音，整體上低進低出，在設計上更加前衛，性能穩定可靠，其性能曲線如圖3.2所示。圖3.2SLF型水泵性能曲線多級容積離心泵電動機的工作原理簡述為：電動機軸的往復轉動帶動多級葉輪，液體始終存在于兩級葉輪泵腔內，通過多級轉動電機產生多級離心力，液體被旋轉甩向二級葉輪泵外圍，液體受到泵更大容積的徑向壓力和葉輪速度。通過外殼的引流槽，將水供送到下一個葉輪。循環往復不斷的增加水柱的流速同時又升高了液體中的壓力，最后液體獲得足夠的揚程。3.2.2變頻器選型對系統變頻器進行選型時，需要確定變頻器的容量。一臺變頻器在正常運行下，容量（kVA）滿足以下公式：PCN≥PCN≥ICN≥上式中：PM η為電動機效率（通常取0.85）；UMcosφIMk為電流波形修正系數；PCNICN 變頻器的使用主要有三個方面的作用：（1）變頻節能在水泵系統中，需要確保大功率電動機參數的正確水平，存在一定范圍的有效功率余量。水泵調節負載的傳統的調整工作方式是手動改變電機入口擋板、出口閥門等開度，這種調速方法通常是將其大量諧波能量全部浪費在電機調速變頻設備功能上。當變頻器采用變頻電動機調速變頻水泵調速變頻設備時，可通過工況實時的動態變化，來調整控制電動機轉速、輸出水泵功率，最終將能夠完全起作用到變頻節能和調速效率的目的。（2）功率因數補償對變頻器系統的負荷進行瞬時、自動的無級調速功能轉換設計，首先會想到通過增加電動機系統內部的勵磁電容來達到對整個變頻器系統的負載電流進行瞬時無功補償、自動諧波補償，無功系統的電流損耗也就被大大地減小，減少了大量的電能浪費，自然地增加無功補償量，更加方便。（3）電動機軟啟動電動機高頻的直接工作和工頻軟啟動時，往往會同時振動金屬閥門、電網設施以及對現場周圍各種管線設備，造成了相對較大范圍地直接沖擊，因此現場若能夠采用大功率變頻電動機的低頻軟啟動，可以方便進行遠距離控制，能夠大大的減小低頻振動電流對周遭各種系統信號的直接沖擊損壞、間接沖擊干擾，大大的地延長各種管線設備壽命及現場管網閥門的使用壽命。根據上述分析，選用東芝VFPS1-4900PL。主要參數如下表3.2：表3.2變頻器主要參數額定容量：110kVA冷卻方式：風冷額定電流：160A使用環境溫度：-15~40℃額定電壓：三相380V~480V外殼尺寸：390×870×260mm啟動時間：80s重量：65千克啟動方式：軟啟動啟動轉矩：50%以上過載容量：150%額定輸出電流適配電機容量：90kw保護功能：過電流、過電壓、過負載、接地等。變頻器常見故障原因及對策見下表3.3表3.3變頻器常見故障原因及對策內容對策加速中過電流將加速時間（ACC）設定的長些減速中過電流將減速時間（DEC）設定的長些運轉中過電流1、檢查負載；2、減少負荷的變動情況啟動時母線過電流檢查主回路元器件啟動時負載過電流檢查主回路配線及電機的絕緣情況減速中過電壓將減速時間設定的長些過電壓檢查電源電壓電源側欠電壓電源電壓低直流主回路欠電壓1、電源電壓低；2、檢查主回路溶斷器過負載負載太大檢查電機水泵有無異常過熱檢查風扇是否工作負載側接地檢查負載側是否發生接地緊急停止非正常方式停止，電機復位后可再啟動頻率設定異常重新設定主體RAM異常廠家處理主體ROM異常廠家處理過載報警檢查電機水栗有無異常3.2.3PLC選型可編程序控制器(PLC)是系統極其重要的核心之處。它將自動智能控制電子技術、計算機技術以及移動通信技術三者結合，形成自動化和專業的控制裝置，可以說是現階段自動控制標準設備之一。它的系統選型是重中之重，需要配合實際輸入及輸出函數、所用控制設備基礎特性等，綜合比較分析各PLC單元的存儲器容量類型和工作特性，根據設備工作的主要特點、應用系統的細節要求以及控制系統的操作細則，選擇性能、價格比相對較高、可靠的PLC模塊和相關配套的控制系統。現階段，隨著微電子的發展，PLC已經得到大幅度的提升，具有以下特點：（1）編程軟件操作簡單、容易學習，對使用者而言，梯形圖語言與控制線路及其相似，有利于使用者的理解與學習，不需要學習某一個專業的計算機語言，容易于被一些基礎的技術人員所學習使用。（2）可靠性比較高，PLC采用的一系列計算機軟硬件設備具有較強的、有效的干擾抑制能力和特別的工作方式，使該PLC電路具有相對可靠的電氣特性。（3）部件模塊化。市場大部分國產PLC控制系統均可以采用模塊化，將控制器各主要模塊緊密連接起來，有利于整體系統功能的快速實現，可以根據用戶設備的應用需求而進行一系列較為復雜靈活調整，使系統更具有靈活性與輕便性。通過綜合分析考慮，最終選擇西門子S7-200系列PLC和相應的控制系統。CPU中央處理器:采用CPU224，DC直流/直流AC繼電器輸出型，該系列處理器產品同時集成了多達14個數字量繼電器的輸入接口和多達10個數字量繼電器的輸出，可同時擴展多達7個模塊接口。并且還具備良好性能的串口通訊保護協議功能，具有PPI串行通訊保護協議、MPI串口通訊保護協議等通訊保護方式。內部控制系統還設有自助整定PID功能、診斷LED，數據記錄功能和自動配方功能。水箱水位的檢測采用了液位開關，水箱低于規定最低水位時，發出水位突然過低的事故報警的信息。水泵系統過載保護信號通過與系統各個電機繞組相連的熱繼電器執行保護信號動作，系統即進行保護響應。啟動相應的保護報警應急處理程序，當問題解決，報警信號消失。3.2.4數顯儀器及壓力變送器選型壓力變送器設計之初的作用為：將可檢測的壓力的實際變化參數轉換輸出為電信號輸出。通過檢測元件的功能，將參數信息通過相應電路轉換后，輸出成為一個穩定的電學壓力參數(一般為的直流電流信號)。然后信號反饋給系統相應調節器、記錄設備等處理設備。壓力變送器的基本工作原理：檢測液體正反兩種方向不同壓力，液體通過壓力傳感器元件分別進入高、低壓兩個液體試壓室，壓敏傳感器元件電極兩側各有一個液體隔膜，其側電極上的液體絕緣片和電極之間形成了一個電容器，如果液體隔膜兩側的液體壓力方向不同，存在著液體壓差，則這兩個液體壓敏感反應元件電極板上的兩個隔膜之間會因此產生了一段距離，這段距離相當于壓力差，再經一系列其他環節后，輸出電流、電壓信號，電壓、電流信號正比于壓力差。此設計系統選用常規壓力表Y-100和3051T系列壓力變送器，用其傳輸4-20Ma電流，完成對壓力的檢測、顯示與輸送。根據系統的供水要求，壓力變送器能夠測量的壓力范圍是0.5Mpa~1.2Mpa，能夠輸出4~20Ma的電流信號，它內部測量盒的隔膜上，充滿了硅油，采用不銹鋼的外殼設計，已經通過雙重聯合認證。3.3系統電路設計3.3.1系統總電路設計恒壓變頻供水控制系統系統的電路部分由主電路、控制電路兩部分組成。控制系統主電路組成主要包含：供水量控制系統、電力元件、變頻調壓勵磁機構、水泵機組系統等。控制電路模塊主要包含：壓力傳感器、人機界面后臺以及實時視頻監控及管理系統等這三塊部分。對于供電部分，需要考慮以下因素：輸入電源的電壓滿足在一定的范圍之內；輸入交流電間斷時，需要保護控制器程序和數據不被破壞；外部設備的電源電力中斷時，不可以影響對控制器的電力供應；考慮備用電源維持系統穩定以及一定的抗干擾措施；系統的變頻器輸入、輸出信號均有兩種;輸入信號：1、控制信號；2、輸入電源信號輸出信號：1、提供給PLC的輸出過壓脈沖信號、欠壓脈沖信號以及來自變頻器控制系統的輸出故障信號等三種；2、提供給水泵的變頻器直接輸出電源信號。系統變頻調速控制方式如圖3.3圖3.3系統控制方式QF2、QF3、QF4、QF5為主回路進線斷路器。FR1為電動機的工頻保護器，電動機在變頻運行中，其內部通常裝有電動機熱容過載保護。在進行第一次電動機的接線調試時，確定好水泵軸的順時針旋轉方向是十分之重要的。在一些實際項目的調試應用開發過程中，電動機第一次啟動工作之前請務必要確定轉向。系統主電路圖如下3.4所示。圖3.4恒壓供水系統主電路圖3.3.2系統控制電路設計控制電路主要有PLC與電動機組成，PLC中的繼電器輸出控制端可以實現對中間繼電器回路的自動閉合、分離斷幵等一系列動作，來改變電動機的運行狀態。PLC系統就這樣通過一個中間的繼電器去控制電動機PLC的控制線路圖如下圖3.5所示圖3.5PLC的控制線路圖同一臺電動機決不可以同時接到工頻電源和變頻輸出上，在輸出電路控制，主菜電動機的工頻變頻運行接觸器有互鎖設計。在電動機控制回路分析中，應用輸出口中間繼電器的輔助觸點，作為電動機運行指示燈的一個控制輸出觸點，能夠提供控制輸出端口觸點的接點數量，實際分析反應速度快，能夠及時反映判斷出電動機當前的最佳運行狀態。此設計應用手動/自動轉換幵關，方便在檢修時切換至手動狀態。在圖中，轉換開關SA轉換手動/自動，再通過手動轉換SB控制機泵閥的開停，在自動位置時，由PLC及其組件自動控制水泵機組的開停。電動機電源的通斷由KA1~KA系統指示燈示意圖如下圖3.6所示圖3.6系統指示燈示意圖3.4可編程控制器的I/O分配系統結構采用西門子S7-200系列的PLC，它是由CPU、存儲器、輸入及輸出的端口電路及其控制電源線路等各部分共同組成PLC的輸入輸出接線圖如圖3.7圖3.7PLC輸入輸出接線圖本設計的PLC數字I/O地址分配如下表3.4表3.4PLC數字I/O地址分配I0.0泵1運行反饋AIW0壓力I0.1泵2運行反饋M10.0啟動1臺泵運行I0.2泵3運行反饋M10.1啟動2臺泵運行I0.3泵4運行反饋M10.2啟動3臺泵運行I0.4泵1故障反饋M10.3啟動4臺泵運行I0.5泵2故障反饋M10.4全部停止運行I0.6泵3故障反饋Q0.0泵1運行I0.7泵4故障反饋Q0.1泵2運行I1.0斷水Q0.2泵3運行I1.1自動啟動Q0.3泵4運行I1.2自動停止Q0.4自動運行指示燈4恒壓變頻供水控制系統軟件設計恒壓變頻供水控制系統的性能要求為：系統具有安全、可靠、穩定、恒壓供水能力，互投切換備用工頻電動機、有序自動投切變頻輔助電動機組合；控制系統能夠自動使整套系統連續安全穩定的循環供水；軟件系統安全、可靠、有效的正常運行，能夠真正保證系統整體的工作穩定性以及質量可靠性。在進行軟件優化分析的實踐過程中，需注意的問題如下：互投機組的連鎖；變頻器精準調頻且只調整當前水泵；機組可以自動檢查故障并進行報警信號處理與上報；壓力變化時，采用“先啟電機先停止”的原則，保證系統供水壓力恒定；4.1水泵運行狀態與轉換過程在軟件設計前，首先對水泵的運行狀態及其轉換過程進行分析。系統運行過程：1#、2#工頻水泵對系統進行供水，當供水量發生變化，增大到管網無法維持恒定水壓的時候，經一段時間的延時后，3#水泵機組軟啟動，經過PID調節器對頻率的調整，使水壓保持恒定。若還無法滿足要求，使3#水泵機組工頻運行，在經一段時間的延時之后，4#水泵機組軟啟動，經過調節對系統進行恒壓供水，保持壓力的穩定。直至滿足系統的一系列要求。相同的，若系統壓力發生變化，壓力減小時，經過一段時間的延時，根據“先啟動的電機先停止”的原則要求，通過PLC中間控制器的控制，由于3#水泵機組先投入運行，因此先停止3#水泵機組，若還不滿足系統供水要求，則對4#水泵機組進行調節，降低供水量，使管網壓力滿足要求，若水量仍然減小，則停止4#水泵的運行，直至保證的最低安全供水量。供水狀態及其切換情況如下表4.1所示：表4.1供水狀態及其切換情況狀態信號供水狀態S101#工頻運行、2#、3#、4#停止S202#工頻運行、1#、3#、4#停止S111#工頻運行、3#變頻運行、2#、4#停止S121#工頻運行、3#工頻運行、4#變頻運行、2#停止S131#工頻運行、3#工頻運行、4#工頻運行、2#停止S141#工頻運行、3#變頻運行、4#工頻運行、2#停止S151#工頻運行、3#停止、4#變頻運行、2#停止S212#工頻運行、3#變頻運行、1#、4#停止S222#工頻運行、3#工頻運行、4#變頻運行、1#停止S232#工頻運行、3#工頻運行、4#工頻運行、1#停止S242#工頻運行、3#變頻運行、4#工頻運行、1#停止S252#工頻運行、3#停止、4#變頻運行、1#停止供水運行狀態及其切換過程圖如下圖4.1所示：圖4.1供水運行狀態及其切換過程恒壓供水運行狀態下的切換方法有兩個技術：一個是M1和M具有可靠穩定的切換動作：在輸出過程中，變頻器的輸出不可以直接連接工頻電網，需要通過控制電路作為中間過程與電網相連，確保切換動作的穩定性以及可靠性，能夠順利切換。切換過程中的切換耗時間隔要合理：在實現工頻切換和半變頻狀態自動切換功能的使用過程中，如果轉換時間太長，會嚴重地影響電動機轉子的轉速，會帶來較大沖擊。若時間太短，會使系統誤認為短路，因此，切換時間的合理設定十分重要。在本方案中，切換時間設定為200ms。要合理處理變頻切換過程中的電流沖擊：一般情況下，使用續流二極管和定子繞組構成的回路進行快速滅磁，此種方法比較簡單有效，通常設置700ms的延時進行滅磁，經過滅磁后才能安全投入工頻電網之中。4.2PLC程序設計方案在次系統中，PLC是控制核心，此節中討論PLC的程序設計方案。PLC控制器是現代自動控制中最常用的設備，從上世紀開始，隨著計算機以及集成電路的飛速發展，PLC相關的設備取得了長足的發展，到現階段，已經逐步趨向成熟，目前的PLC的表達方式有梯形圖、指令表以及狀態轉換圖。在本系統的設計中，主要采用梯形圖。梯形圖語言是一個圖形化的編程語言，是現階段PLC行業的第一主流編程語言。它方便、便于學習，類似于繼電保護的二次保護展開圖，大部分電氣工程師最熟悉與應用最廣的編程語言。指令符號則是一個能夠完整表示PLC指令功能要求的、使用英文縮寫的輔助輸入符號。指令需要用戶手動輸入到內部的儲存器，具有接線簡單、方便、利于用戶現場進行調試維修的一些特點。狀態轉換圖-SFC，與計算機程序框圖比較接近，思緒明了、結構簡單，比較利于編程，也是一種非常常用的程序描述方法。采用梯形圖進行編程需要遵循的主要規則：在梯形圖編程語言中，要遵循元件及其觸電等邏輯元件按照一定的順序，即從上至下、從左至右的順序進行編譯。梯形圖表是極具形象化描述功能的編程語言，兩側母線之間均保證不能夠接另一個電源，即使是在程序實際執行中，各支路線之間也完全不存在任何電流流過。在梯形圖中，繼電器實際上是位觸發器，“1”表示有電流通過，常開觸點處于閉合狀態、常閉觸點處于斷開狀態；“0”則表示，沒有電流流過，常開觸點處于斷開狀態，常閉觸點處于閉合狀態。在梯形圖中，線圈的最左側必須有一個觸點存在，在線圈的最右側卻不能有兩個觸點同時存在。PLC再識別梯形圖的時候，按照先上后下、先左后右的順序進行識別。在運行梯形圖時候，每一時刻只能執行一個操作。在使用梯形圖進行編程的時候，需要注意一下的一些問題：一些軟繼電器的觸電在梯形圖中可以多次使用，且使用位置可以不同。其觸點的數量和容量不受硬件設備的限制。線圈不可以直接與左側的母線進行連接梯形圖在編程及其運行的過程中，要遵循順序要求，即自上而下、自左到右。當電路存在不符合要求的命令時，則被可以直接運行。在運行、讀取梯形圖時，一定是從左側母線開始，而軟線圈必須位于最右側，在線圈的右側也可以有觸電的存在。4.3PLC控制程序的設計PLC控制程序的作用：接收外部信號，并識別外部信號的運行狀態，然后輸出相關的控制信號，使各器件進行動作，同時檢測各機泵的運行狀態是否正常，并給出相應的報警信號。控制流程圖如下圖4.2所示圖4.2控制流程圖初始化模塊當整個系統處于自動運行狀態之下，工頻水泵機組一個處于運行狀態，一個處于備用狀態。工頻機組運行狀態切換模塊當系統完成初始化之后，工頻機組接收信號進行運行，電動機M1正常運行向系統供水，電動機M增加主水泵機組狀態的切換模塊當系統檢測的供水壓力低于下限的時候，則發出啟動信號，電動機M3減少水泵機組狀態的切換模塊減少水泵機組應滿足“先啟先停”的原則，需要切除水泵機組時，先從工頻電網中切除最先投入的電動機M3遠程控制及其手動通信模塊在最開始的初始化模塊中對PLC與上機通訊協議進行設置，在PLC執行程序命令時，接收來自上機位的遠程控制信號，對系統進行遠程操控。故障報警及其閉鎖模塊PLC控制梯形圖程序如下：4.4變頻器PID控制參數的設定4.4.1PID控制PID是現在最常見的線型控制器，最主要的原理是：控制設定值與實際的數值之間的差值。給定值r(t)和實際值y(t)之間的偏差e(t)關系為：e(t)=y(t)?r(t)（4-1）偏差量e（t）經過一定的比例、微積分的精準計算之后，經過線性關系組合控制量u（t）進行控制。系統基本原理如圖4.3所示圖4.3系統基本原理圖PID控制規律如下：y(t)=Kp式中Kp：比例系數、T1積分時間常數、傳遞函數是：G(s)=U(s)E(s)PID控制作用及其規律：只要在比例環節中有偏差信號的產生，就有控制器產生控制信號，從而減小偏差。但是比例環節的存在不能夠完全消除偏差，比例系數的增大會減小偏差數值，但是隨著比例系數的增大，會使系統極不穩定，因此，要有合適的比例系數既能夠減小偏差又能夠保證系統的相對穩定性。積分環節則是通過積分過程使系統能夠做到無差調整，使系統的實際偏差減小為0。積分時間常數代表著積分效果的相對強弱，若此間常數值大，積分環節效果則越不明顯，因此造成積分調節的過量。反之，則會造成系統出現振蕩，因此也需要設置一個較為合適的積分環節時間常數。微分環節的作用是對系統偏差的變化率進行調整，當系統偏差的變化率較大時，微分信號引入修正信號，使系統更加穩定。4.4.2恒壓供水系統PID的調節過程分析此恒壓變頻供水控制系統最大的作用表現為：最大供水能力上滿足用戶基本用水供應需求。當以上兩者出現不平衡關系時，即城市供水能力無法同時滿足社會用水總量的用水需求，就會存在一定的水壓差。檢測到管網水壓等級的相應變化信息后，可以通過閥門控制二次供水管線的總流量，使用戶供水負荷與生活用水負荷需求迅速達到平衡。具體過程如下所示：平衡狀態：用戶的用水需求與系統的供水量相同時，不出現壓力差，PID的增量為0，系統處于穩定狀態，繼續以此狀態進行供水。用戶的用水需求量增大時：系統的管網壓力減小，壓力的反饋量減少，PID控制器的增量為正值，通過控制頻率的增加使供水能力增加，當增加到用戶需求量時，停止繼續增加，系統達到全新的穩定狀態。用戶的用水需求量減小時：與上述情況相反，PID控制器的增量為負值，頻率降低，減小供水量，直到系統達到一個全新的穩定狀態。4.4.3PID控制器參數設置PID控制代碼共有5個，分別為H20、H21、H22、H23、H24。代碼功能如下表4.2所示表4.2代碼功能表代碼功能H20PID調節器的動作狀態；0：激勵時不動作、1：激勵時正向動作、2：激勵時反向動作H21系統反饋輸入方式；1：電壓輸入、2：電流輸入H22比例增益范圍：0.01-10倍H23積分時間范圍：0.1-3600sH24微分時間范圍：0.01-10s4.5穩定性分析本套系統結構中采用進口的高精度PLC控制器、變頻器模塊等電氣控制設備元件，均保證較強的系統抗干擾設計能力，具備較高的操作可靠性。對于整個系統而言，應該更為全面的考慮其抗干擾能力。因此可采取的措施具體如下：將PLC、變頻器等電控設備單獨安裝配置在專用機房的空調控制柜體中、擁有較良好、穩定的制冷通風、散熱效果。并且還要保證設備與工作區域環境良好、整潔。用于現場和設備之間的控制電纜分開鋪設、并有效減少其長度，盡可能地遠離具有電磁干擾的設備，確保控制的穩定性。設備的控制電纜和動力電纜要分開鋪設，選用時，選擇具有良好屏蔽能力的電纜，并擁有可靠絕緣層，能夠有效的單端接地。低速運行的電動機，冷卻效果有所下降。因此應確保電動機安裝處于通風的狀態下。要慎重選擇具有優良可靠性能特點的繼電器、接觸器等元件設備。對于整個系統設備的長期可靠工作具有十分之重要深遠的意義。要應用一定的防雷技術，供電網絡應具有三級防雷措施，設置繼電保護裝置以及防浪涌保護器。5恒壓變頻供水系統設計及仿真5.1監控系統硬件構成PLC是在現場應用的控制設備。而處在集中控制室里的運行人員，若想了解現場的運行情況以及各個設備的運行狀態，需要遠程監控系統，為實現這一目的，使用上位機對運行情況進行遠程監視，在必要時刻，可以遠程控制電動機的運行，有效提高系統的可靠性。監控系統采用上、下兩機位，上機位為計算機，負責采取各個設備的運行狀況數據，并有實時報警與顯示的功能。下機位為西門子S7-200PLC，對數據采集并對設備進行控制、數據傳輸等功能。恒壓供水系統遠程監控示意圖如下圖5.1所示圖5.1恒壓供水系統遠程監控示意圖各部分功能如下：裝置一、裝置二：安裝在現場的控制箱內，主要作用為對主體設備進行交流量的數據測量、信號采集以及對現場設備的保護。當需要進行操作時，還可以對遠程搖桿操作控制。前置機1、前置機2：安裝于控制室的總控裝置內，他是前端操作站和現場設備的樞紐連接部分，將測量、監控到的數據傳輸給后臺，并顯示在屏幕上，并將后臺的指令傳輸回去，進行實際的操作。使用兩臺前置機是為了在一臺出現故障的時候，系統還可以正常完成監控工作，能夠不間斷的傳輸后臺信號，并進行相應操作。路由器（D-link）：路由器是后臺機于前置機的連接設備，可以從圖中看出，前端有7根網線與之相連。此部分不能間斷供電，因此殿宇應與緊急備用電源相連以保證不間斷的供電。光纖與網線連接設備：從距離間隔上，現場的控制室與中心控制室相距較遠，周圍干擾會使信號減弱，可靠性降低，因此設置此設備增強信號強度，減小信號對實際操作的影響。通過光纖連接兩控制室，3條光纖共鏈接6各設備，前三條位于總控制室內，后三條處于現場副控制室內。后臺機1、后臺機2：主要是用于在控制室內完成監控作用，可以操作電動機以及各個電閘，顯示電壓、電流等數據。兩臺后臺機互為備用，提高了系統的穩定性以及可靠性。操作站：可以查看故障報告以及事故錄波，對故障以及波形進行分析，對功能保護進行查看，但是不能對系統進行操作。5.2仿真測試與后臺設備兩臺計算機安置于中央控制室內，負責監控、測試現場設備的運行狀態以及對現場數據的測量與控制。（1）后臺設備簡介及其啟動后臺計算機即是服務器又是客戶端，能夠保證在故障或者運行出錯時，仍然有服務器在運行，使可靠性提高，同時實現操控作用。電腦開機，點擊“SCADA服務器”，保證后臺能夠正常工作，實現相應功能，若想檢測服務器的運行狀態，點擊“WIN”然后遙測欄，查看測量數據，確保服務器的正常運行。（2）操作界面功能①工具欄畫面索引：能夠顯示當前所有畫面，若想進入查看相應畫面，則雙擊畫面名稱。參數設置：用于設置任務名稱、遙控權限設置、報警幵關、安全運行參數、閉鎖條件調試等參數。畫面打印：打印所需要的畫面。靜音：關閉聲音。內核：數據庫的顯示，修改數據，監視數據以及運行狀態的修改變化。畫面縮放：對畫面的放縮。導航：定位到相應功能部分。修改密碼：在此處修改密碼。系統退出：退出程序/客戶端系統。（需要高級用戶權限）圖形組態：修改畫面中的圖形組態。配置庫編輯：編輯實時的數據庫數據、歷史數據庫數據。事故追憶：對事故進行追憶。②狀態欄SOE事件保護事件自檢信息：存在未確認的自檢信息。命令跟蹤：運行系統中存在未確認的操作命令。③操作菜單遙控：發出遙控命令，其運行過程分為請求、校驗、執行。遙控請求：對需要做出的遙控命令進行再次請求確認。遙調：調節變頻器輸出頻率。仿真組態界面如下：圖5.2仿真軟件初始畫面圖5.3啟動PLC圖5.4泵1運行圖5.5泵2運行圖5.6泵3運行圖5.7泵4運行圖5.8拖動AI0圖5.9執行減泵3運行圖5.10執行減泵2運行其他的測試類似，不再累述結論本系統設計了一套由PLC、變頻器、壓力傳感器、水泵、計算機、通信系統、監控系統組成的恒壓變頻供水系統，改善了傳統供水方式供水效率較低、穩定性不高、自動化程度不足等缺點。并采用遠程監控系統，有效提高了系統自動化程度與自動解決故障問題的能力，有效減少了工作人員的工作強度，提高了供水效率，減小了管理難度以及維修難度。本系統具有以下特點：使用方便、穩定性與可靠性高，使用變成簡單、使用靈巧的PLC和PID控制的變頻器作為控制設備，能夠實現實時控水，使水壓能夠保持穩定，能全方位的變頻控制，使供水能力得到明顯提升。此系統擁有一定的故障處理能力，再發現問題時能夠發出報警信號，通過遠程監控，對問題進行分析并做出相應解決操作。還具有故障電動機鎖定功能。系統與PLC的有效結合，并給予工作人員一定的監控與操作權限。采用閉環控制，對水泵的壓力變化響應靈敏，有效提高了動作的時效性，提高供水效率。應用變頻調速實現恒壓供水，對電動機進行軟啟動操作，減小了對電動機等設備的傷害，提高使用壽命。存在的問題與展望：供水的遠程監控系統的設計不夠完善，對監控軟件程序介紹較少，具體的監控界面的設計和數據處理環節設計較少。目前來看，此系統的設計研究，初步上實現了供水系統的監視、控制、調節等功能，從長遠上來看，未來還有很大的發展空間，還可以對現場數據（電壓、電流、功率、水壓、水位、水流量）的采集、傳輸進行更好的完善。繼續開發上位機的管理系統數據，實現綜合功能更加豐富的恒壓變頻供水控制與管理系統。參考文獻王煜.采用PLC控制的變頻恒壓供水系統設計[D].大連理工大學,2014.王嵐.居民小區變頻恒壓供水控制系統設計與實現[D].南京理工大學,2008.鄧鳴.變頻恒壓供水控制系統設計和應用[J].科技創新與應用,2019(34):87-89.陳思思,杜林,尹丹君.變頻調速恒壓供水水控制系統設計研究[J].價值工程,2011,30(12):1.DOI:10.14018/13-1085/n.2011.12.176.姜素霞,閆艷霞,楊小亮.基于PLC控制的恒壓變頻調速供水系統設計與仿真[J].鄭州輕工業學院學報(自然科學版),2011,26(01):62-65.劉衛平,王明泉.PLC的發展及應用前景[J].機械管理開發,2009,24(05):78-80.DOI:10.16525/14-1134/th.2009.05.060.潘勇,高俊雄,王耘波.PLC的應用和發展[J].計算機與數字工程,2007(02):76-78+186+190.郝戰存.可編程控制器發展綜述[J].河北工業科技,2004(02):53-56.李友泉,詹永麒.基于PLC和變頻器的多電機速度同步控制[J].制造業自動化,2000(03):55-57.王興,齊向東,郭建國.智能供水系統設計及應用[J].計算機測量與控制,2007(05):624-626+631.DOI:10.16526/ki.11-4762/tp.2007.05.024.孫小權,秦春節,何喜玲.基于PLC的變頻恒壓供水控制系統優化設計[J].自動化儀表,2007(01):47-48+51.丁莉.變頻恒壓供水控制系統研究[D