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。
变频恒压供水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。变频恒压供水系统的结构框图如图2.4所示：
PLC 水泵电机 用户 变频器 压力传感器 图2.4 变频恒压供水系统框图
恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为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。 2.2.3 变频恒压供水系统控制流程
变频恒压供水系统控制流程如下:
(l) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。
(2) 当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。
(3) 当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件(在下节有详细阐述)时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2(变速运行)，同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。
(4) 当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3关掉。
2.2.4频恒压供水系统中加减水泵的条件分析
在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵已运行在上限频率，此时管网的实际压力仍远低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的，当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵已运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泵来减少供水流量，达到恒压的目的，那么何时进行切
换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁切换。
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，变频器频率调节的范围时有限的，不可能无限的增大和减小，当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行，由于电网的限制以及变频器和电机工作的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。当变频器的输出频率已经达到50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力值时，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的切换，增加运行机组的数量来实现。另外，变频器的输出的频率不能为负值，最低值只能是0Hz。其实，在实际应用中，变频器的输出由于管网的水压会反推水泵，给带动水泵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，水泵就已经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率下降而下降。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0 Hz，具体数值与水泵特性即系统所使用的场合有关，一般在20Hz左右。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，应当在确定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额判别条件是不够的，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，则进行时间的机组切换操作；如果切换条件不能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。
3系统主电路设计
3.1 系统主电路结构
基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3.1所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；FU1、FU2、FU3为电路的熔断器。
图3.1变频恒压供水系统主电路
三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互
锁。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4~20mA电流信号送至上位机来显示。同时可以通过转换开关接电压表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须通过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。
3.2系统主电路工作原理
系统启动时，KM0闭合，1#水泵以变频方式运行。如果水压过低，而变频器已经达到上限设定值，OL发出“发出频率上限”动作信号，PLC启动增泵程序；PLC通过这个上限信号将KM0断开、KM1吸合，1#水泵由变频运行转为工频运行，同时KM2吸合变频启动2#水泵。此时电动机M1工频运行，M2为变频运行。如果再次接收到变频器上限输出信号，则KM2断开、KM3吸合，2#水泵由变频转为工频，同时KM4闭合3#水泵变频运行，这时电动机M1、M2为工频运行，M3为变频运行。如果变频器频率过低，即压力过高，输出下限信号，PLC启动减泵程序，将正在使用的“变频泵”切除，将另一台“工频泵”切换为“变频泵”，使PLC关闭KM4、KM3，开启KM2，2#水泵变频启动，此时电动机M1工频运行，M2为变频运行。若再次收到下限信号，就关闭KM2、KM1，吸合KM0，只剩下1#水泵变频工作。