净水厂送水泵房控制系统设计及应用
第4章 监控程序设计 ......................................................................................................... 24 4.1 WINCC软件简介 ........................................................................................................ 24 4.2 监控界面 .................................................................................................................... 24 4.3 WINCC与PLCSIM的模拟 ............................................................................................. 26 4.4 系统仿真调试 ............................................................................................................ 27 参考文献 .............................................................................................................................. 31 致 谢............................................................................................................................... 32 附录 梯形图......................................................................................................................... 33
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第1章 绪论
1.1课题研究背景及意义
我国人口众多，每年所消耗的能量巨大，近年来，能源紧张不时影响到了工业生产及人民生活。从2003年开始，中国的能源消耗速度开始高于经济增速，从“电荒”,“油荒”，到“水荒”，中国的能源问题日益突出。因此，节能降耗是保证工业和生活稳定发展的一项关键措施，是各行各业的技术改革方向。然而，长期以来，我国的电、用水行业的技术水平相对比较落后，自动化程度低，节能节水具有较大的发展空间。如供水系统，由于用户用水的不稳定性，经常出现在用水高峰期，水压较低，水的供给量低于需求量，特别是高层用户经常出现水压太低而无法用水的状况。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。以下对各种供水方式的优缺点进行讨论。
1 恒速泵供水
恒速泵供水即水泵电机的转速恒定，通过改变阀门的开度及投入运行的泵的数量来适应用户用水量的改变需求。水泵机组全部或部份不间断运行，通过人工调节运行机组数量和调节出口阀门开度，从而调节管网压力。这种方式过去较多使用，但自动化程度低，压力变化大，水泵电机启动频繁，电力消耗大，能量大量损失在阀门和调节阀上。且频繁启停将影响设备使用寿命及电网电压。因此这种方法已逐渐被淘汰。
2 高位水箱供水
此种方法利用水泵工作时将水位提高到高于用户位置，储存水源，利用水源自身重量形成重力供水，但需要修建水塔、水箱、水池等，这种方式占用空间大、建址地势高、修建周期长、建筑投资大，后期维护、管理工作量较大。
3 气压罐供水
气压罐供水是用水罐储存水源，用户用水时，通过压缩空气使水进入用户管道，随着罐内水的减小，压力也会降低。气压供水技术简单，不受高度限制，近年来已在高层建筑中广泛采用。但其体积大，实际应用中受场地限制，且电机启动频繁，对设备要求较高。另外这种方式制造成本高、投资大，电力消耗较大。因此一般常用于增压及稳压设施。
1.2变频调速恒压供水的发展
变频调速被认为是一种理想的交流调速供水方法。20世纪60年代中期，随着普通晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置。这个时期的变频装置，多为分立
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元件，体积大，造价高，大多为特定的控制对象而研制。调速后的电动机静、动态性能较差，因此应用场合较少。20世纪70年代以后，电力电子和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速供水技术也随之取得了日新月异的进步，石油危机以后以节能为目的的变频器供水开始出现并得到了广泛应用。由于变频器供水具有的高效率性能和良好的控制特性，使之在供水系统中较多采用。
1.3变频恒压供水系统的国内外研究现状
变频恒压供水是在变频调速技术的基础上发展起来的。早期，由于变频器功能较简单，在恒压供水系统中仅作为执行机构，为满足用户需求的变化，保证管网压力恒定，需通过压力变送器和PID控制器对压力进行闭环控制。如图1.1所示：
给定值sp e - 压力y 变频器 水泵 用户管网 + pv 压力变送器 图1.1变送器和PID控制器实现的恒压供水
水压由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。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，使系统的调试更为简单、方便。
1.4本文主要研究内容
本系统是以一个供水系统作为被控对象。采用通用变频器实现三相水泵电机的软启动和变频调速，压力传感器检测当前水压信号，水压信号经变送器输出标准电信号(4-20mA)通过A／D转换模块送入PLC，经PLC进行压力反馈值与设定值的PID运算，运算结果送入变频器频率控制端,控制变频器的输出频率，从而改变电机转速。压力反馈值经PLC送入上位监控机，经组态软件进行显示。由PLC接受控制信号，并实现对电机的启停及切换控制。变频器的故障输出及报警信号以及系统显示信号全部送入PLC，
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以方便利用PLC与上位机进行通讯并实现监控。系统的操作与管理采用微机实现，运行参数有记录，使系统节能达到最佳效果。
(1)对水泵电机的调速供水原理进行分析。根据供水特点，分析泵电机的运行特点、运行参数及工作点，分析供水系统对电气调速的要求，设计一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统。
(2)从水泵运行曲线及管网特性曲线入手，分析水泵工况调节的几种方法，详细阐述变频调速恒压供水系统耗能原理及节能原理。
(3)重点阐述变频调速恒压供水系统的构成及其工作原理，进行系统硬件的选择及PLC程序的设计、变频器功能预置等。根据压力大小进行PID控制，调整变频器的输出频率，从而改变水泵电机转速，改变流量的大小，适应用户用水量改变的需求，保持管网压力恒定。
(4)用wincc组态软件在上位机中开发恒压供水控制系统的主监控界面、数据查询界面、报警界面、实时及历史曲线界面等。
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第2章 恒压供水基本原理
2.1 恒压供水工艺简介
供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能： （1）维持水压恒定；
（2）控制系统可手动/自动运行； （3）多台泵自动切换运行；
（4）系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；
（5）在线调整PID参数；
（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等。
将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。
2.2变频调速供水原理
1 异步电动机的调速方法
水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为： n?60
式中f是电源频率，p是电动机极对数，s是转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：
(1)改变电源频率 (2)改变电机极对数
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