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功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。
1.4 本文研究的内容
本文设计了一个以西门子S7-200系列的可编程控制器(PLC)为控制核心，MM 430变频器为执行元件，采用PID 调节仪控制水泵电机转速，即可调节出口管网压力，使之达到用户期望的恒定压力的系统。本文共分五章，各章节具体安排如下：
第一章绪论，主要了概括变频恒压供水系统的国内外研究现状，以及变频恒压供水系统原理概述。最后针对本系统的主要指标，提出本文的具体内容。
第二章主要是对恒压供水系统的方案论证，选择系统的控制方案；对控制系统进行组成分析，并确定控制系统组成。
第三章硬件系统设计，包括主电路设计、控制系统设计、主机型号选择和模块扩展、变频器选择、变送器及执行机构的选择和保护电路设计。
第四章软件系统设计，包括模块程序设计、PID控制及其控制算法、采样周期和控制周期的选择。
第五章进行全文总结，并提出系统的改进和完善措施。
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第2章 第二章 变频恒压供水系统理论分析和方案论证
2.1 变频恒压供水系统理论分析
2.1.1 变频恒压供水系统节能原理
供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f(Q)，如下图所示。由图可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q(u)之间的关系H?f(Qu)。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Q之间的关系H?f(Qc)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如下图中A点。在这一点，用户的用水流量的Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
图2-1 供水系统的基本特征
变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为
n?n（2-1） s?1n1
异步电机的同步速度为
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f?异步电机的转速为
n?60f（2-2）
p
60f(1?s)（2-3） p
其中：n1为异步电机的理想空载转速
n为异步电机转子转速
f异步电机的电机的定子电源频率
p为异步电机的极对数
从上式可知，当极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机中一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。
图2-2 管网水泵的运行特性曲线
当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从?3移到
?1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此
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时水泵输出功率用图形表示为（0，Q2，F，H1）围成矩形部分，其值为：
?H1Q2PF?（2-4）
102?
当用调速控制时，若采用恒压(H0)，变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为?2，扬程特性变为n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率用图形表示为（0，Q2，D，
H0）围成的矩形面积，其值为：
PD??H0Q2（2-5）
102?
可见，改用调速控制，节能量为（H0，D，F，H1）围成的矩形面积，其值为：
?P?PF?PD???H1Q2?H0Q2?102?102?
?(H1?H0)Q2102?（2-6）
所以，当用阀门控制流量时，有
?(H1?H0)Q2功率被浪费掉，并且随着阀门的不
102?断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后的流量Q、扬程H、功率P与转速N之间关系为：
Q2N2H2NPN（2-7） ?;?(2)2;2?(2)3Q1N1H1N1PN1 1式中Q1、H、P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2、H2、P2为变速后的的流量、扬程、功率。由公式(2-7)可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。 2.1.2 变频恒压控制系统的数学模型及分析
变频恒压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。从图2-3中可以看 出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力
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给定参数 变频器 （PID） 频率 水泵 转速 管网 实际压力 反馈参数 压力传感器 图2-3变频恒压控制原理图
提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
如前文所述，由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象，难以得出它的精确数学模型，只能进行近似等效。水泵由初始状态向管网进行恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行，至管网压力达到稳定要求时经历两个过程：首先是水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个纯滞后的过程；其次是水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程；然而系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测兼的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比，可忽略不计，均可等效为比例环节。因此，恒压供水系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一阶惯性环节，即可以写成：
Ke??sG(s)?（2-8）
Ts?1
式中：K为系统的总增益，T为系统的惯性时间常数，?为系统滞后时间
2.2 变频恒压供水系统控制流程
2.2.1 水泵机组变频恒压流程
从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可供选择： 1)有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微
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