随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以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。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压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。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、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、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:

(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。

(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。

(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。

(5)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

(6)水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。

(7)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：

1．逻辑电子电路控制方式

这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。

2．单片微机电路控制方式

这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。

3．带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式

该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。

由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲。既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入，输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入，数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入，输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入，输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

4．新型变频调速供水设备

针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO― I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的GIIS／PIIS系列产品；等等。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。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。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。

              水电站集水井排水系统运行框图及梯形图控制的编制、和调试，画出硬件接线图；完成PLC+变频器电气控制系统的设计。

（1）系统由水位信号自动启动和停止主用泵和备用泵，维持集水井水位在规定的范围内；水泵为离心泵。

（2）系统由PLC和变频器控制两台水泵组成，系统正常情况下，一台为主用泵，一台为备用泵，电机运行时应有指示。

（3）系统中的两台泵每一台都可以选择为主用泵或选为备用泵，每次选择只能是一主一备，不可两台都选择为主用泵或备用泵，如果两台选为一样，系统应不能运行并给出指示。

（4）每台泵都各自单独做出手动，主用、备用的选择，主、备用泵应能单独手动启停。

（5）系统由变频器控制，当主用泵启动条件满足时，由变频器控制按斜坡启动主用泵，当备用泵启动条件满足要求时将主用泵投给工频恒速运行，备用泵再由变频器带的完成按斜坡启动，两台泵均采用自由停车。

（6）当备用泵投入时，应同时发出报警信号（光报警）；

（7）按电动机功率10kW设计主回路；

（8）水位由电极检测，应设计出驱动电路（电路应采用低压电控制）。

（9）两台电机各自有过载保护，过载故障时应有指示（声光报警，其中声报警应能消除）。

（10）系统有过高水位（备用泵启动水位）、主用泵启动水位、水泵停止水位触点信号输入PLC。

              控制系统方框图如图2-1所示。以PLC为控制核心，左边是数字量输入，右边是数字量输出。

图2-1 控制系统方框图

              整个系统由二台水泵，一台变频调速器，一台PLC和三个电极水位传感器及若干辅助部件构成。

              启动和停止按钮接PLC的输入，用于自动启动和停止系统。急停开关接PLC的输入，用于有紧急情况，按下急停，停止所有输出。消声按钮接PLC的输入，用于按下停止声音报警。泵1自动手动为选择开关，用于选择泵1自动手动模式，为ON选择手动模式，为OFF选择自动模式。泵1主用备用用于选择泵1主备用，为ON选择泵1主用泵，为OFF选择泵1备用泵。泵1启动按钮用于选择泵1为手动模式时，手动启动泵1。泵1停止按钮用于选择泵1为手动模式时，手动停止泵1。泵2控制跟泵1类似，都有自动手动选择，主备用选择，和泵2启动和停止按钮。泵1故障反馈，泵2故障反馈，变频器故障信号接PLC的输入，用于进行故障报警，停止相应的系统。水位过高，启动主泵水位，停止水位，接PLC的输入，用于启动停止泵，启动一台还是2台泵运行。

              PLC输出接变频器启动，用于启动变频器。PLC输出接泵1变频器启动接触器，用于启动泵1变频运行。PLC输出接泵1工频器启动接触器，用于启动泵1工频运行。PLC输出接泵2变频器启动接触器，用于启动泵2变频运行。PLC输出接泵2工频器启动接触器，用于启动泵2工频运行。

              PLC输出接泵1过载指示灯，泵2过载指示灯，变频器故障指示灯，总故障指示灯，用于状态显示。PLC输出接报警，用于声音报警提示。

。

进行分析系统共使用了18路数字量输入，10路数字量输出，没有使用模拟量输入和模拟量输出，系统为小型自动化应用。

西门子的S7-300 PLC是高性能的中型PLC，其中的S7-314C，性能如下：48 KB 工作内存;0.1 ms/1000 条指令;DI24/DO16;集成有 AI5/AO2;4路脉冲输出(2.5 kHz);4 通道计数与测量增量型编码器 24 V (60 kHz);集成有定位功能;MPI+ DP 连接器(DP 主站或 DP 从站);多排最多可组态 31 个模块;用于直接数据交换的发送和接收功能;恒定总线循环时间;路由;S7 通讯(可加载的 FB/FC);固化程序 V1.0，可以满足本次控制要求。

主电路如图3-1所示。电源采用3相5线，380V交流电经L1，L2，L3，N，PE供设备使用。L1，L2，L3是三相火线，N是零线，PE是接地线。QA01是总断路器，可以通断整台设备电源。

QA02是变频器断路器，起到通断变频器电源作用。VFD1是变频器，驱动水泵1，2变频抽水，变频器输出经QA11，FR1接MA1，控制泵1变频运行；经QA13，FR2接MA2，控制泵2变频运行。PLC输出的变频器控制信号KF1，接变频器的端子14、15，用于启动变频器，PLC控制KF1线圈得电，KF1常开触点闭合，接通变频器的端子8、12和14、15，启动变频器。24V接变频器故障端子17，经变频器内部，经端子19接PLC的I1.6，用于变频故障反馈。

MA1是水泵1电机，驱动水泵1抽水。QA11是水泵1电机变频启动接触器，接变频器VF1的U,V,W，用于泵1变频运行。QA03是水泵1电机工频断路器，QA12是水泵1电机工频接触器，FR1是水泵1电机过载保护热继电器，起到保护电机作用，防止长时间过载运行烧毁电机作用。

同样的，MA2是泵2电机，QA13是水泵2电机变频接触器，QA04是水泵2电机工频断路器，QA14是水泵2电机工频接触器，FR2是水泵2电机过载热保护。

图3-1 主电路图

              控制电路如图3-2所示。外部220V交流电经L1，N供控制电路使用。QA05是控制电路断路器。

              DY1是开关电源，将交流220V变成24V供PLC的数字量输入和输出，PLC的模拟量输入和输出使用。

              PG1是电源指示灯，灯亮表示有电。

图3-2 控制电路

              PLC输入和输出分配表见表3-1，3-2所示。

表3-1 PLC数字量输入分配表

表3-2 PLC数字量输出分配表

              PLC输入和输出接线图见图3-3,3-4所示。

图3-3  数字量输出接线图

图3-4  数字量输入接线图

主要器件清单见表3-3所示。

表3-3 器件清单

              总的硬件配置如图4-1所示，插入S7-300机架，然后插入电源PS307 5A，插入CPU314-2DP，双击DI24/DO16，更改地址为数字量输入开始地址为0，数字量输出开始地址为0

图4-1 硬件配置

              为了方便阅读，定义符号

图4-2 定义符号

              编程界面如下

图4-3编程界面

              OB1是主程序，循环执行。开始是自动运行程序控制。然后是启动一台泵，二台泵运行条件判断程序。然后是选择主用备用错误判断程序。然后是泵1变频，泵1工频，泵2变频，泵2工频控制程序。然后是各故障指示输出程序，声音报警和消声程序。

详细的程序如下：

第五章 调试

              STEP7编程软件里，点编程软件的打开/关闭仿真器，启动仿真。

图5-1 打开仿真器

              仿真器初始画面如下，

图5-2 仿真初始画面

              仿真器打开后，点下载按钮，下载程序到PLC。

图5-3 下载程序

              插入需要监控的变量，例如IB0，IB1，IB2，MB0，MB1，QB0，QB1等

图5-4 添加变量

              点RUN-P，启动PLC，观察到PLC从STOP变为绿色的RUN。观察到Q1.4点亮，故障灯亮。观察到M0.1为ON，主用备用泵选择错误标志有效，因为没有选择泵1或者泵2为主用泵。

图5-5 启动PLC

              选择泵1为主用泵，点I0.5，观察到Q1.4熄灭，故障消失，M0.1变为OFF。

图5-6 选择泵1为主用泵

              点启动按钮SB1，启动系统，观察到自动运行标志有效，M0.0为ON，预设泵1泵2都为自动，I0.4为OFF，I1.0为OFF。水位不到，没有泵运行。

图5-7 启动系统

              模拟水位到停止水位，点I2.1，I2.1为ON，观察到还是没有泵启动。

图5-8 到停止水位

              模拟水位到启动主泵水位，点I2.0，观察到Q0.0输出，泵1为主用泵，泵1变频运行，同时启动变频器，Q1.0为ON。M1.0为ON，执行主泵变频运行，备泵停止。

图5-9 泵1为主泵运行

              模拟水位继续升高，点I1.7过高水位，观察到Q0.0熄灭，泵1为主用泵，泵1变频停止，泵1工频运行，Q0.2变为ON，泵2变频运行，Q0.2点亮，同时启动变频器，Q1.0为ON。M1.1变为ON，执行主泵工频，备泵变频运行。

图5-10 泵1为主泵泵1变频泵2工频

              模拟水位降低，I1.7变为OFF，I2.0变为OFF，观察到Q0.2熄灭，泵1为主用泵，泵2变频停止，泵1工频停止，Q0.1变为OFF，泵1变频运行，Q0.0点亮，同时启动变频器，Q1.0为ON。M1.0变为ON，执行主泵变频，备泵停止运行。

图5-11 泵1为主泵泵1变频泵2停止

              模拟水位降低，I1.7变为OFF，I2.0变为OFF，I2.1变为OFF，观察到Q0.0熄灭，泵1为主用泵，泵1变频停止，同时Q1.0为OFF，停止变频器，M1.0变为OFF。

图5-12 泵1为主泵泵1、2停止

              选择泵2为主泵，I0.5为OFF，I1.1为ON。

图5-13 选择泵2为主泵

              模拟数位上升，点I2.1变为ON，I2.0变为ON，观察到M1.0为ON，执行主泵变频，备泵停止。Q0.2为ON，启动泵2变频运行，Q1.0为ON，启动变频器。

图5-14 泵2为主泵泵2变频泵1停止

              其他的测试类似，不做累述。

通过本次设计，采用西门子的S7-300 PLC 为控制核心，外加ABB变频器，2台泵，实现一拖二恒压水电站集水井排水。通过检测高水位，启动主泵水位，停止水位，根据水位情况控制泵启动和停止，1台或者2台运行，或者都停止。通过分析控制要求，进行了总体设计，进行了硬件设计，软件设计，最后进行了仿真调试。

因为时间仓促，和个人能力有限，设计中还是存在着一些不足，还需要改进。

              本设计在指导老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着老师的心血和汗水，在本人的课程设计期间，老师为本人提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，本人不会这么顺利的完成课程设计。在此向老师表示深深的感谢和崇高的敬意。

              本人还要感谢同组的同学，在课程设计的这段时间里，给了本人很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于大家帮助和支持，在此本人表示深深地感谢。