目 录第一章 绪 论 11.1 恒压供水问题的提出 11.2 本课题设计的内容 21.2.1 恒压供水系统的选型 21.2.2 硬件系统的设计 21.2.3 软件系统的设计 21.3 设计要求 21.4 本课题设计的目的和意义 2第二章 恒压供水系统的原理 42.1 变频器调速 42.1.1 变频器的工作原理 42.1.2 变频器的功能设置 52.2 系统控制方案 6第三章 硬件系统的设计 83.1 可编程控制器（PLC）的选型 83.1.1 PLC的概述 83.1.2 PLC的选型 93.2 变频器的选型 93.3 水泵的选型 93.4 传感器的选型 103.5模数与数模转换 113.5.1 I/O分配表 113.6 外部接线图 113.7 PLC外部接线图 113.8 元器件明细表 12第四章 软件系统的设计 134.1流程图 134.2 PLC梯形图 154.3 系统工作过程分析 254.4 故障处理 25第五章 结论 26参考文献 27II恒压供水控制系统设计3第一章 绪 论1.1 恒压供水问题的提出随着人们生活水平的提高与变频器技术的日益成熟和完善, 城市和城乡也有过去的水塔供水朝着恒压供水(无塔供水)的方向发展, 恒压供水的实现就是变频器技术和功能的应用。
目前除了通用变频器外, 还有针对不同行业、不同领域生产的专用变频器, 因此变频器在工业和不同生产领域中应用越来越广泛变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）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先进、合理的节能型供水系统在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义而高校校园的供水和一般城市供水相比较则有些特殊主要是由于校园内学生住宿区一般都较为集中，造成了学生宿舍、食堂的用水十分集中，且用水量较大而其它建筑物如教室、实验室、教师住宿区等的用水量则相对较少同时，用水的时间性强，一般在早上六点到八点，中午十一点到下午两点，下午五点到七点，晚上九点到十点四个时间段用水量最大，而其它时间则用水量一般某高校的某区供水方式为：把城市自来水管网的水源取到蓄水池后，用水泵抽到校园内高位水池，再由高位水池向校园管网供水这种方法的缺点是随着高校的扩招，学生人数显著增多，造成了经常性的供水不足，特别是学生宿舍和食堂最为明显，影响了学生和教师的正常生活秩序。
同时该供水方式还存在如下问题：供水成本高由于校园内的用水全部单纯采用水泵供水，造成电能的极大浪费和机电设备的大量损耗 供水可靠性低由于水泵采用人工操作方式，高位水池的水位只能靠人为估计，而且高位水池离水泵房较远，无法做到准时开机和停机会造成供水中断或出现高位水池水位过高而溢流，电能和水资源造成浪费另外，如果蓄水池水位过低，还会造成水泵空转，导致电能浪费和机电设备的加速损耗 水资源浪费除水泵不能准时停机而造成的溢流浪费外学生因高峰期供水中断，故经常打开阀门未关，造成来水后的浪费很多学生在上课前或睡觉前打开阀门，用水桶或脸盆接水、贮水，造成来水后大量溢流，极大地浪费了水资源，增大了供水成本 校园管网系统设计有缺陷对于一般建筑物，如教室、实验室、教师住宿区等，本来城市自来水的正常供水即可满足其用水量要求，但采用水泵供水后反而会出现楼房顶层供水不足的现象同时，用水量大的学生宿舍屋顶水池设计偏小，调节能力较差1.2 本课题设计的内容1.2.1 恒压供水系统的选型恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠配单台电机和水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费，电机选小了用水量大时供水不足。
而且水泵和电机都有维修的时候，备用泵是必要的恒压供水的主要目标是保持管压网水呀的恒定，水泵电机的转速套跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵供电这也有两种配置方式，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不需要切换，但是购买变频器的费用较高另一种方案是数台电机陪一台变频器，变频器与电机见可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵共频运行，以满足不同用水两的需求1.2.2 硬件系统的设计PLC变频恒压供水控制系统由四台水泵，一台智能型点控柜（包括西门子M420变频器，西门子S7-200PLC，交流接触器，继电器等），一套压力传感器，缺水保护器，断相相序保护装置和供电主电路组成1.2.3 软件系统的设计系统的软件设计包括PLC的程序设计和变频器的功能参数的设定PLC的程序设计包括手动设计和自动控制的程序设计，手动部分主要是通过按钮控制水泵在工频下启动和停止，主要考虑系统调试和检修时用当选择开关打到自动时系统能够自动的进入到自动的工作状态由变频器和PLC联合控制各台电机的运行和停止，以及时工频和变频运行供水系统有四台水泵机组组成根据水压的大小决定水泵运行的个数。
只有第一台投入使用的水泵处于变频调速，其后投入的水泵则处于工频下高速运行，泵组电机的切换由PLC实现1.3 设计要求 本课题的设计是根据学校一幢楼的用水情况设计的，该楼一共有五层每层有二十个房间，每个房间有四个人住每人每天的平均用水量大概在0.1立方米，则每个宿舍所需要的压力0.5mpa（1S=1MPa）1.4 本课题设计的目的和意义众所周知,水是我们日常生活中不可缺少的能源之一,我们生活范围的高度集中使得水的供给需求增大,而日常生活中对水的需求也随着时间的变化而变化,为了保障对水的供给需求,也是时代的发展要求就必须有一些辅助装置来确保,在我们居住的环境有稳定的水源供应,根据需要的多少来自行调节水源的供给,从而,既充分利用了水源,又节约了相应的能源,本设计是针对高校实际供水需求情况，结合生活用水和消防用水的需要,拟定为高校恒压供水随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势现将其中的改造情况介绍如下恒压供水系统对于高校是非常重要的，例如在高校供水过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响学生的生活。
又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大损失和人员伤亡所以，高校采用恒压供水系统，具有较大的经济意义日常的生活用水量随季节、昼夜、上下课时间不同而有着变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高高校由于自来水管网的水压较低，自来水通常不能到达住宅的较高楼层传统的供水方式利用蓄水池蓄水，用水泵再次将水送至楼顶的高位水箱，再供应给用户蓄水池中的水一般是由市政自来水管网供给，这样，有压力的水进入水池后变成了零压力，造成大量的能源白白浪费，这种供水方式不可避免通过蓄水池和高位水箱造成二次污染，影响学生的身体健康但是为保证高校的供水正常，我们利用PLC，配以稳流罐、变频器和传感器等，根据网管的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围这种变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置不对市政供水管网产生负压，适用于一切需要增高水压、恒定流量的给水系统结合使用可编程序控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命采用西门子PLC作为主控单元。
并充分利用变频器的变频作用，根据系统状态可快速调整供水系统的供给需要，达到恒压供水的目的改造提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果 恒压供水控制系统设计6第二章 恒压供水系统的原理2.1 变频器调速2.1.1 变频器的工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置我们公司现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率 从理论上可知电机的转速N与供电频率f有以下关系： ( P-电机极数 s-转差率) （2-1）由上式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的级数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
变频器在工频以下和工频以上工作时的情况：（1）变频器小于50Hz时，由于I*R很小，所以U/F=E/F不变时，磁通为常数，转矩和电流成正比，这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力，并成为恒转矩调速2）变频器50Hz以上时，通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速 (T=Te， P<=Pe)变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速下面用公式来定性的分析一下频率在50Hz时的情况众所周知，对一个特定的电机来说， 其额定电压和额定电流是不变的如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A， 电机可以工作在50Hz以上当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30A 这时如果增大输出频率到60Hz，变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A 很显然输出功率不变。
所以我们称之为恒功率调速这时的转矩情况怎样呢？由于功率是角速度与转矩的乘积因为功率不变，角速度增加了，所以转矩会相应减小[7]我们还可以再换一个角度来看：从电机的定子电压 (I-电流，R-电子电阻，E-感应电势) （2-2） 可以看出，U、I不变时，E也不变而 (k-常数，f-频率，X-磁通) （2-3）所以当f由50-->60Hz时，X会相应减小对于电机来说， (K-常数，I-电流，X-磁通) （2-4）因此转矩T会跟着磁通X减小而减小结论：当变频器输出频率从50Hz以上增加时，电机的输出转矩会减小3）变频器结构电路 主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成2.1.2 变频器的功能设置 虽然水泵对系统调速的精度要求不高，但是要使供水系统运行性能的稳定，就需正确对待设置变频器的各种性能变频器的频率功能的设置（1） 最高频率 水泵属于平方率负载，当转速超过额定转速时，转矩将按。