基于PLC的变频给水程序设计

本文根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了二次加压给水系统的变频调速节能原理，接着分析了变频恒压给水的原理及系统的组成结构，提出基于PLC的多种不同的控制方案：控制系统有使用自带PID功能的变频器及PLC构成的最简系统，和使用带模拟量输入输出的PLC加上不带PID的变频器构成的系统。应用范围包含常规多泵变频恒压给水系统，无负压变频恒压给水系统，以及高稳定度的多泵变频恒压系统。并详细阐述了系统的构成及相应的PLC程序设计。

本文先介绍常规多泵变频恒压给水系统。无负压变频恒压给水系统，以及高稳定度的多泵变频恒压系统将在基于PLC的给水泵组变频恒压控制程序设计（二）、(三）中介绍。关键词:PLC；恒压给水；PID控制; 第一章 绪 论

随着社会经济的迅速发展,水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对给水的质量和给水系统可靠性的要求不断提高，其水质、水压、流量的监测与控制,直接影响给水系统的产品质量、服务质量和工作效率。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到给水领域,成为对给水系统的新要求. 1。1 项目的背景及现状分析

［1]—［4］

水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，城市的生活生产用水主要由自来水公司的市政管网提供。然而自来水的给水压力通常只能达到0。35Mpa,一般只能达到7～8层楼。随着国家经济的发展，城市内的次高层和高层建筑的比例不断增加.自来水的给水压力已无法满足次高层和高层建筑的生活消防给水的要求，只能依靠二次加压给水设备进行加压.

当前的二次加压生活给水设备的给水方式主要有高位水塔、水箱给水、增压给水，其中增压给水又包括气压给水和变频恒压给水。

高位水塔和高位水箱给水由水箱、水塔直接向用户给水，即为重力给水。给水压力比较稳定，但它需要由位置高度所形成的压力进行给水，为此需要建造水塔或将水箱置于建筑物顶层的最高点。即使如此,还常常不能满足最不利给水点的给水要求，同时由于其存储的水量比较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积,也妨碍美观,且投资大、增加建筑周期长，还存在二次污染问题。

气压给水系统仅在地下室或某些空余之处设置水泵机组和气压储水罐设备，采用气压增压给水来满足给水要求，即以气压罐代替水塔或高位水箱,利用密闭压力水罐内空气的压力将水加压到管网中去，其优点是不必设高位水箱。但压力采用上下限控制，压力变化较大，耗费动力较多，运行效率低，不节能，橡胶隔膜气压水罐的维护费用较高。

近年来随着电机变频调速技术的成熟、普及和应用，其产品己用来更新改造传统给水系统,使我国的给水行业技术的装备水平经历了一次飞跃。变频调速系统实现了水泵电机无级调速,根据水泵出口的压力情况自动调节水泵电机的转速,从而保持水压恒定，以满足人们对给水系统的高要求.恒压给水系统与传统的水塔、高位水箱或气压给水系统相比，无论是投资的规模，运行的经济性，可靠性，稳定性和自动化程度等方面都优于水塔给水系统和水箱给水系统,而且还有显著的节能效果。 1。2 二次加压给水系统的技术发展趋势

为了满足国家相关标准对恒压生活给水的相关要求,二次加压给水系统的类型除了由高位水箱给水或气压给水发展到变频恒压给水以外，还从带储水箱的变频恒压给水泵组加压系统发展到无负压变频变频恒压给水系统。在技术上还从普通的继电器开关量控制发展到电脑全自动程序控制,从本地控制发展到远程、超程监控.

控制系统的核心通常有单片机或PLC加变频器构成。用于给水控制单片机由于无法达到足够的批量，因而其可靠性、工作稳定性、寿命的持久性均比不上PLC；单片机控制程序固定，无法更新；一旦生产厂服务跟不上，设备出故障用户就无法维修和更换。因而使用PLC构成的控制系统更受用户的欢迎。

目前市面占主流地位的变频器均增设了PID控制功能，采用该类变频器加上一只小型PLC，就可以构成一套最简的变频恒压给水控制核心.其构成成本较低,使用较广。但功能无法扩展。

控制核心采用带模拟量输出输入的高性能PLC与常规变频器构成的系统，变频恒压的PID控制由PLC实现，可扩展液晶显示单元将运行数据传送到液晶显示屏上显示，或通过显示屏方便的修改控制参数。还可以扩展远程通讯模块实现系统的远程和超远程控制。 1.3 项目研究的主要内容 1。3.2 项目研究的主要内容

通过对现有给水系统的调研和分析，确定以工作可靠、性能稳定、价格合理等特点的西门子S7系列单片机和西门子变频器构成的控制核心来设计变频恒压给水系统，确定控制要求，设计控制软件，并在工程项目实践中考验与使用，保证整个系

统运行可靠,安全节能，获得最佳的技术经济性能。具体的研究内容主要包括以下几个方面：1、分析给水系统特性和原理，分析和论证变频调速方式在恒压给水系统中的节能原理和效果。通过对比异步电动机的调速方法后，给水系统中采用的变频调速节能效果显著。最后列举变频调速恒压给水系统的主要特点.2、本文就最简的给水泵组控制系统的设计做了详细的叙述,包括硬件电路设计，控制软件的总体方案及程序结构设计,以及相关的控制程序实际.阐述设备的调试及变频器参数设定。最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。 1。4 小结

本章首先介绍了论文的选题背景、意义及课题来源，在对现有给水系统存在问题调研的基础上，确定了以实现节能、自动、可靠、稳定给水的变频恒压给水及其远程监控系统的设计目标。提出了设计需要解决的主要技术问题和本文的主要研究内容。

第二章 变频恒压给水系统的特性及原理

变频调速恒压给水系统主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成,通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来给水。在同一路给水系统中，设置多台常用泵，给水量大时多台泵全开,给水量小时开一台或两台。这章主要分析给水系统的一些基本概念和特性。

2.1 给水系统基本特性

给水系统的参数表明了给水的性能.但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。这种联系和变化规律可用给水系统的特性曲线

［7］［8］

［3]

直观地反映,主要有扬程特性曲线和管阻特性曲线。见图2—1。水系统的基本特性和工

作点扬程特性是以给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）

.由图2-1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Qv之间的关系。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之间的关系H=f(Qv）。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,给水系统向用户的给水能力.因此，管阻特性所反映的是扬程与给水流量Qg之间的关系H=f(Qg）。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为给水系统的工作点,如图2-1中A点。在这一点，用户的用水流量Qv和给水系统的给水流量Qg处于平衡状态,给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 给水系统的基本特性

Fig 2-1 The basic characteristics of feed-water system 2。2 给水系统恒压实现方式

实现对给水系统的控制就是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是给水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下,管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与给水能力(由流量Qg表示)和用水需求（由用水流量Qg表示）之间的平衡情况有关。 若：给水能力Qg 用水需求Qv，则压力P上升； 若：给水能力Qg 用水需求Qv,则压力P下降； 若:给水能力Qg 用水需求Qv，则压力P不变.

由此可见,流体压力P的变化反映了给水能力Qg与用水需求Qv之间的矛盾.从而,选择压力控制来调节管道流量大小。这说明，通过恒压给水就能保证给水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。将来用户需求发生变化时，需要对给水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。 常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种. 1、阀门控制法

转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量.

实质是水泵本身的给水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。 2、转速控制法

阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量.

实质是通过改变水泵的给水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。

2。3 异步电动机调速的方法及其原理

通过转速控制法实现恒压给水，需要调节水泵的转速。水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节,实质就是异步电动机转速的调节[9]异步电机的转差率定义为: 异步电机的同步速度为：

异步电机的转速为：

其中：s为转速差;n1为异步电机的理想空载转速,r/min； n为异步电机转子转速，r/min；f是异步电机的定子电源频率； p为异步电机的极对数.

可知调速方法有：变极调速、变转差调速和变频调速. 2。3。1变极调速

在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现.这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于给水系统中转速的连续调节。 2.3。2变转差调速

通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。 三相异步电动机的转子铜损耗为

［9]［10]

。

：

该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率 很小，相应的转子铜损耗小,电机效率高。但在给水系统中由转速控制法实现恒压给水时，为适应流量的变化,电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速,此时的转差率 增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低,低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器,成本高，且增加了中间环节的电能损耗。 因此变转差调速方法不适用于恒压给水系统中的转速控制法。 2。3.3变频调速[11

］ —

[13］

从公式（2。3)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。

这种调速方式需要专用的变频装置,即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的,简称为VVVF (Variable voltage Variable Frequency)。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通基本不变，其关系为：

U1/f1=常数

式中:U1为变频器输出电压； f1为变频器输出频率。

变频调速方式时，电动机的机械特性表达式式中：m1为电机相数；r1为定子电阻； X1为定子漏电抗；x2’为转子漏电抗折算值。

频率f从额定值fn往下调时,电机机械特性的变化情况，如图2—2所示。图中 Fn〉f1〉f2>f3〉f3〉f4.

图2—2 变频调速机械特性Fig 2—2 The mechanical characteristics of frequency control

2。4 水泵调速运行节能原理

在给水系统中,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

［9]

［9]

:

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，管阻将随着阀门开度的改变而改变，但其扬程特性不变.由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门的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14。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻的特性不变.变频调速给水方式属于转速控制。其工作原理[7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[15

］-［17］

］

［

］

。

图2-3 管网及水泵的运行特征曲线

Fig 2-3 The operating characteristic curve of pipe network and pump

用阀门控制时，若给水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当给水量从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β3移到β1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H!，运行的工况点从E点移到F点,此时水泵输出功率用图形表示为（ 0，Q1 ，F ,H1)围成矩形部分，其值为:

用调速控制时，若采用恒压（H0）、变速泵（n2）给水，管阻特性曲线为β2，扬程特性变为曲线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（ ,Q2 ,D ,H0）围成的矩形面积，其值为:

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：

所以，当用阀门控制流量时，有功率被浪费掉。并且随着阀门的不断关小,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,变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间关系为:

式中，Q1、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。

由公式（2.9)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给水功率要小得多，节能效果显著。 2。5 变频恒压给水系统特点

变频恒压给水系统能适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的给水，具有以下特点[7]

［15］

:

滞后性：给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。

非线性：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比,因此变频调速恒压给水系统是一个非线性系统。

多变性：变频调速恒压给水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的给水系统，而不同的给水系统管网结构、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。

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

节能性：系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压给水,节能效果显著。对每台水泵均采用软启动，启动电流可从0到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，能延长设备的使用寿命。 2。6 小结

本章分析了给水系统的基本特性。根据扬程特性曲线和管阻特性曲线可以看出用水流量和给水流流量处于平衡状态时系统稳定运行。通过对比异步电动机的调速方法后,给水系统中采用的变频调速节能效果显著。最后列举变频调速恒压给水系统的主要特点

第四章PLC程序控制流程及相应的梯型图控制程序

确定了系统控制电路、PLC的输出输入端子、以及相应的控制功能要求后，必须对PLC程序控制流程加以确定.

4。1变频恒压给水泵组的PLC控制主程序由下列部分构成: 4.1.1 输入信号处理:

为了抗干扰,输入信号必须通过定时器延时后才送到内存对应的影像寄存单元。主程序依据影像单元值对输出进行控制。普通输入信号延时时间取300ms。其中： 缺水信号I0。0→延时300ms→M0。0 给水压力下限I0。3→延时300ms→M0.3 给水压力上限I0。4→延时300ms→M0.4

频率上限及频率下限的延时时间可以使用PLC面板右端的电位器0进行调整，延时时间调整范围是0~255×100ms即0～25s.在西门子S7—224中电位器0的代号为SMB28，先将SMB28的值传送到累加器AC1,然后以AC1的值作为延时时间，即：

频率下限I0.1→延时AC1→M0.1 频率上限I0。2→延时AC1→M0。2。 4.1。2 频率上限控制流程：

频率上限M0。1高电平时，表明变频器达到50Hz，应将该变频泵切换到工频运行，然后变频器软启动下一台泵。具体控制流程为：频率达到上限时，

如果1#泵变频运行，2＃泵3＃泵4#泵均停机，设1＃泵工频运行,2#泵变频运行，3#泵、4#泵均停机。

如果1#泵变频运行，2#泵3#泵停机，4#泵工频运行，设1＃泵工频运行，2＃泵变频运行，3#泵停机,4＃泵工频运行。 如果1＃泵变频运行,2#泵停机,3＃泵4＃泵工频运行，设1#泵工频运行,2＃泵变频运行,3#泵、4#泵工频运行。 如果2#泵变频运行,3＃泵4＃泵1＃泵均停机，设2#泵工频运行，3＃泵变频运行，4＃泵、1＃泵均停机.

如果2#泵变频运行，3＃4#泵停机，1#泵工频运行，设2#泵工频运行，3＃泵变频运行，4#泵停机，1#泵工频运行。 如果2#泵变频运行，3#泵停机，4＃泵1＃泵工频运行，设2＃泵工频运行，3#泵变频运行，4#泵、1＃泵工频运行。 如果3＃泵变频运行、4＃泵1#泵2#泵均停机，设3＃泵工频运行，4#泵变频运行。1#泵、2＃泵均停机。 如果3#泵变频运行，4#泵1#泵停机，2#泵工频运行,设3＃泵工频运行,4＃泵变频运行,1＃泵停机,2#泵工频运行. 如果3＃泵变频运行，4#泵停机，1#泵2＃泵工频运行,设3＃泵工频运行，4＃泵变频运行，1＃泵、2#泵工频运行。 如果4#泵变频运行、1＃泵2#泵3＃泵均停机，设4#泵工频运行,1＃泵变频运行,2＃泵、3#泵均停机.

如果4＃泵变频运行，1＃泵2＃泵停机,3#泵工频运行，设4#泵工频运行,1＃泵变频运行，2＃泵停机，3#泵工频运行。 如果4#泵变频运行,1#泵停机，2＃泵3#泵工频运行，设4＃泵工频运行,1＃泵变频运行，2#泵、3#泵均工频运行。 如果4＃泵变频，1＃、2#、3＃泵工频，转程序结束 如果3＃泵变频，1#、2＃、4#泵工频,转程序结束 如果2#泵变频，1＃泵、3＃泵、4#泵工频，转程序结束 如果1＃泵变频，2＃泵、3#泵、4＃泵工频，转程序结束 4。1。3频率下限控制流程：

频率下限M0.1低电平时，表明变频器运行频率低于设定频率下限，应停止一台工频泵运行： 停泵时先开的泵先停。

如果1＃泵变频运行，2#泵3#泵停机，4#泵工频运行，则停止4＃泵运行。 如果1#泵变频运行,2＃泵停机，3＃泵4＃泵工频运行，则停止3#泵运行。 如果1#泵变频运行，2#泵、3＃泵、4＃泵工频运行，则停止2#泵运行。 如果2＃泵变频运行，3#泵4#泵停机，1#泵工频运行,则停止1＃泵运行。 如果2#泵变频运行，3＃泵停机,1#泵、4#泵工频运行，则停止4#泵运行。 如果2＃泵变频运行,3＃泵、4#泵、1＃泵工频运行，则停止3#泵运行。 如果3#泵变频运行、4#泵、1＃泵泵均停机，2#泵工频运行，则停止2#泵运行。 如果3＃泵变频运行，4#泵停机，1＃泵、3#泵工频运行，则停止1＃泵运行。 如果3#泵变频运行,4#泵、1＃泵、2＃泵均工频运行,则停止4#泵运行。 如果4＃泵变频运行、1＃泵、2#泵均停机,3#泵工频运行，则停止3#泵运行。 如果4＃泵变频运行,1#泵停机,2#泵、3#泵工频运行，则停止2＃泵运行 如果4#泵变频运行，1#泵、2#泵、3#泵均工频运行，则停止1#泵运行.

如果1＃泵变频运行，2＃泵3＃泵4＃泵均停机，转程序结束 如果2＃泵变频运行,3#泵4＃泵1#泵均停机,转程序结束 如果3#泵变频运行、4＃泵1＃泵2#泵均停机，转程序结束 如果4#泵变频运行、1＃泵2#泵3#泵均停机，转程序结束 4.1。4输出部分:

经程序按照控制要求确定变频泵及工频泵的启动运行或停机后，程序最后将变频泵与工频泵对应的内部寄存单元的值传送到PLC对应的输出继电器Q0。0～Q0.7，以控制水泵的运行与切换. PLC输出继电器对应的内部寄存单元本程序设置为：

Q0.0→M18。0；Q0。2→M18。1；Q0。4→M18。2;Q0.6→M18.3； Q0.1→M6.0；Q0。3→M6.1；Q0。5→M6.2；Q0.7→M6.3。 其中M18。1～M18。3为记忆寄存器。

4。2 对应的PLC梯型图程序举例: 4.2.1缺水信号输入延时：

图4.1缺水信号输入延时 4。2。2频率下限输入延时：

4.2。3 频率上限控制程序实例: 4.2。4频率下限控制程序实例

4。2.5 运行结果输出程序

4.3特定的控制要求及其实现 4.3。1开机时变频泵自动轮换

开机时先检查变频泵运行记忆存储器值18.1~18。4，将高电平的值清零，然后将下一变频泵运行记忆存储器值置为高电平。即可实现开机时变频泵自动轮换。该程序放置在子程序SBR0内，利用西门子S7系列PLC的特殊存储器SM0。1，可实现上电时仅调用一次，进行初始化。 4。3。2上电启泵延时:

上电时，变频器需要一定的初始化时间，因此PLC上电时应延时约5秒，在变频器初始化完成后才接通变频接触器。该功能的实现可在主程序起始部分编一个延时时间为5秒的开机延时定时器,使一个开机延时存储器（本程序中设为M）延时5秒后才接通.将该存储器串入输出处理的梯型图程序中便可实现上电开机时的启泵延时。 4.3.3缺水保护：

缺水保护信号接入PLC的I0。0脚,该信号由程序送到对应的存储器M0。0，M0。0的常开点串入输出处理的梯型图程序中，只要I0.0没有高电平输入,PLC的输出就会被切断，达到缺水保护的目的。 4.3.4时控功能：

系统程序可以由时钟控制器控制水泵的运行。时钟控制器信号接入PLC的I0.5脚，该信号由程序送到对应的存储器M0。5,M0。5的常闭点串入输出处理的梯型图程序中，只要由时钟控制的I0。5有高电平输入,PLC的输出就会被切断，达到时钟控制水泵停机的目的。 4.3.5外控信号撤销时的处理：

外控信号撤销即缺水保护信号恢复到高电平或时鈡控制信号转为低电平时，为避免突然开多台水泵，应使用外控信号撤销时的脉冲信号来调用初始化子程序SBR0，使泵组由初始状态启动。

4.4小结：本章设计了PLC程序控制流程，包括输入信号处理、及相应的梯型图控制程序频率上限控制流程、频率下限控制流程、输出处理以及特定的控制要求及其实现.并提供了相应控制程序的部分实例。 第五章 变频器控制参数设定 5.1变频器选型

本设计采用的变频器为西门子440.选取西门子440的原因是：1、品牌知名度高；2、功能强大；3、调试方便；4、故障率低.另外西门子设计了一款价格较低的给水专用的变频器430,最好不用.因为其整流模块及输出模块的均比440选小一个等级，过载能力仅为140％，持续时间3秒。工作温

度为-10～+40℃，电源电压不稳定时较易损坏(440为150％过载，持续时间60秒;200%过载，持续时间3秒;440变频器的工作温度为—10～+50℃）。变频器的额定功率应与水泵电机功率相同。

5.2使用西门子变频器MICROMASTER 440时需保证其他参数为出厂缺省值。将变频器的所有参数恢复为出厂缺省值的方法： 1、设定P0010＝30

2、设定P0970＝1（设定P0970＝1后变频器将自动进入参数恢复程序，大约要10～20秒钟后才能将所有参数恢复为出厂缺省值，恢复的过程中变频器显示busy(忙)字样并闪烁.）

5。3需另行设定的基本参数见表5.1、设定的PID参数见表5。2 表5。1 用于变频恒压给水的西门子440基本参数设定表

参数名称 用户访问级 数字输出1的功能 数字输出2的功能 设电动机最低频率 设电动机最高频率 斜坡上升时间 斜坡下降时间 自动再起动 参数号及设置值 P0003＝3 P0731＝53.A P0732＝52.A P1080＝10Hz P1082＝50Hz P1120＝8s P1121＝3s P1210＝3 功能 设用户访问级为专家级，可访问及设置绝大多数参数 PID控制器的输出在下限幅值（由P2292确定） 已达到最大频率 设电动机的最低频率为10Hz 设电动机的最高频率为50Hz 设电动机斜坡上升时间，该值与PID上升值无关，（缺省值为10) 设电动机斜坡下降时间，该值与PID下降值有一定关联(缺省值为10) 在故障/主电源跳闸后再起动(缺省值为1） 表5.2 用于变频恒压给水的西门子440PID参数设定表 参数名称 允许PID控制器投入 PID-MOP的存储 参数号及设置值 P2200＝1 P2231=1 功能 允许投入PID闭环控制器 允许存储PID-MOP的值（缺省值为0：不允许修改P2240的值） 数字PID的设定值用于设置给水设备的恒压值,该值修改后必需停电一下PID－MOP的设定值 P2240＝10 重新上电才能方生效，而且P2231必需等于1。（缺省值为10，即设定值为总量程的10％） PID设定值信号源 PID设定值的斜坡上升时间 PID设定值的斜坡下降时间 PID反馈信号 PID反馈滤波时间常数 PID反馈信号的增益 PID比例增益系数 PID积分时间 PID输出上限 PID输出下限 PID限幅值的斜坡上升/下降时间 5.4 变频恒压参数P2400的确定：

采用远传压力表作为压力传感器时,其内部电位器的阻值通常为390Ω，耐压小于5V,通常必须串联一个470Ω的电阻（见图3—2中的R1)接到变频器的10V电压端子1。假如选用总量程为2.5Mpa的远传压力表，变频给水的恒压值需设定在0.6Mpa时，远传压力表的活动端子在恒压时的对应电阻为0.6÷2.5×390=93.6Ω，输出电压为总电压的百分比为:93.6÷（390+470)=10.88%。则应设定变频恒压参数P2400为10.88.实际使用时可设P2400=10,然后在运行时用P2269的值对给水恒压值进行微调.P2269值加大，水压下降;P2269值减小，水压上升。 5。5 小结

本章介绍了选用西门子MICROMASTER 440变频器时，在其他参数为缺省值时须另行设定的变频器参数,并对恒压设定值的确定方法进行了详细说明。

P2253＝2250 P2257＝8s P2258＝3s P2264＝755.0 P2265＝0.30 P2269＝100 P2280＝1.5s P2285＝0.5s P2291＝100％ P2292＝20% P2293＝2s 已激活的PID设定值 对PID设定值起作用 对PID设定值起作用 由模拟输入1输入反馈设定值 设PID反馈滤波时间常数为0.30ms 设PID反馈信号的增益缺省值为100% ，(该值可用于微调给水压力；该值加大,水压下降；该值减小,水压上升，该值可以在运行中调整。) 设PID比例增益系数为1.5s 设PID积分时间为0。5s 设PID输出上限为100% 设PID输出下限为20％(20％×50Hz=10Hz) 设PID限幅值的斜坡上升/下降时间为2s 第六章 总结与展望 6。1总结

变频调速恒压给水是现在化城市和生活小区给水的发展发向，采用采用由普通开关量控制的PLC和带有PID功能的变频器构成的基于PLC控制的变频给水系统具有工作可靠、实现容易、价格低廉等特点，是较理想的控制系统。本文主要完成了以下工作：

1、分析了给水系统的基本特性，研究了变频调速运行在给水系统的工作原理和节能原理；通过对比异步电动机的调速方法后, 指出了给水系统中采用的变频调速节能效果显著，并列举变频调速恒压给水系统的主要特点。

2、设计了基于PLC控制的变频给水系统控制系统硬件的一、二次控制电路，和PLC、变频器的输入输出电路。

3、设计了PLC程序控制流程，包括输入信号处理、频率上限控制流程、频率下限控制流程、输出处理以及特定的控制要求及其实现。并提供了相应控制程序的部分实例。

4、介绍了选用西门子MICROMASTER 440变频器时，在其他参数为缺省值时须另行设定的变频器参数，并对恒压设定值的确定方法进行了详细说明。 6.2 展望

1、本控制系统采用一台变频器软启动多台水泵实现变频恒压给水，具有水泵均衡工作及节省投资的优点。但在用水流量略超过单台或多台配用水泵的额定流量时,会出现增加一台泵、流量过多，停开一台泵、流量又不够的临界状况。此时,系统常常无法处于恒压状态，而是频繁地加泵与减泵。造成给水压力不稳定，影响用户的用水。简单的解决办法是：增加一条由总出水管通过电磁阀回到储水池的DN15回水管。在容易出现临界状态的时段由时控器打开电磁阀将小量水返回水池,以破坏临界状态。但该方法将消耗一定的能量。最佳方案是，采用双变频器系统.由于有两台水泵变频运行,变频调节范围较大，切换时的压力波动小，系统将不会出现临界状态，可以始终保持在恒压给水状态。双变频器系统将另文介绍。

2、在日常生活中，深夜的用水量很小,采用单纯变频调速给水设备的水泵在低流量状态下无法停机，而增加系统能耗(实际上夜间维持管网压力时水泵电机的频率仅为10～20Hz，电耗仅为额定功率的10%,工耗很低）。针对这种情况，设计部门往往考虑在原有的给水设备的基础上,附加一个小气压罐和一台辅助稳压水泵组成一个副系统.这样在用水量很小时，主系统（由变频器控制的主给水泵）自动切断，而由副系统给水,从而使主给水泵具有休息的机会。这样的副系统，辅助泵流量一般为主泵的一半，直接频繁启动，能耗也不低。实际上，如果系统增设由气压稳压罐,在用水低峰器，可用一个由时控器控制的中间继电器在远传压力表前端的电阻R1多并接一个电阻R2，就可从硬件上提高给水的恒压值，利用电接点压力表接入PLC的I0.3（压力下限）与I0。4（压力上限）就可实现压力高于I0.4水泵停机，低于I0.3水泵变频开机.由于此时水泵为变频软启动，所以不必增设半流量辅助泵，能节省系统投资。

二进制变流量水泵组合稳压给水方法 水泵组合优化变频调速恒压给水方案

一种新型给水方案,它既保留了变频调速恒压给水方案的优点：出水流量连续可调、出水压力恒定、供水品质优良，又利用水泵组合技术降低了变频调速器的设计容量，提高了全系统的性能价格比。

目前，建筑物给水系统已逐渐放弃水塔、高位水箱、气压罐等传统技术，而采用电脑控制配合变频调速器对水泵电机无级调速、恒压给水。这种技术在稳定水压、减少设备体积、节能等方面有很大进步，但由于使用了价格昂贵、技术复杂的变频调速器，降低了给水系统的性能价格比. 要解决这一问题，最有效的方法是在基本不降低给水系统性能前提下降低变频调速器的选用容量.市场调查表明，变频调速器的容量越大,对工程造价的影响越大。因此，在设计容量较大的给水系统时,如何降低变频调速器的容量，是提高工程性能价格比的最有效技术途径。 1、二进制变流量水泵组合稳压给水方法

在文献［1]中提出了一种不使用变频器（或气压罐)的自动稳压给水方法，即二进制变流量水泵组合稳压给水方法,现介绍如下：

该系统共有四台水泵M0、M1、M2、M3并联运行，组合给水。各台水泵的额定扬程相同,额定流量呈二倍递变,即如M0的额定流量为q，则其他三台水泵M1、M2、M3的额定流量分别为2q、4q、8q。

以数字1表示水泵工作，数字0表示水泵停止工作。于是M0、M1、M2、M3四台水泵的工作状态各用一位二进制数a0、a1、a2、a3加以表达.它们组合在一起时的工作状态用一个四位的二进制数a3a2a1a0表示。

四位二进制数共有16种变化情况,这些变化状况不仅代表了当时水泵的组合，而且代表了当时水泵组合所能提供给水系统的出口流量Qt（在计算每种工况的出口流量时，近似忽略了由于水泵并联运行所造成的流量损失）。即这个数越大，则出口流量越大；这个数越小，出口流量越小。由此找到了根据用户用量大小，调节系统的出水流量以保证稳压给水的方法，其工作原理是：电接点压力表设定上限压力H2、下限压力H1，由H1与H2构成了压力稳定区间。如实际水压H偏低，H＜H1时，可编程控制器按表1所示二进制数a3a2a1a0的递增规律切换水泵组合的工作状态，增加系统出水流量，水压上升直到H≥H1，如水压H偏高，H＞H2时，可编程控制器按a3a2a1a0递减规律切换水泵组合的工作状态,减少系统流量，水压下降直至H＜H2。这样正常工作时H1＜H＜H2,供水系统的实际水压H就被稳定在H2与H1所规定的范围之内，达到稳定水压之目的.

这种技术，在稳压精度不高，用水负荷波动不太频繁情况下，不使用变频调速器亦可稳压供水.但当稳压精度较高时，如不使用变频调速器，就必须配备较多的水泵(当然水泵的数目比传统水泵并联组合方法大为减少),对优化工程设计与方便施工十分不利。另外，用户负荷变化较大时，不使用变频调速器会造成水泵组合频繁切换，使系统的动态稳压精度大为下降,电机的不断启停使能耗加剧。综合评价较为理想的方案是把变频恒压给水技

术与二进制变流量水泵组合稳压给水技术结合使用。 2、水泵组合优化变频调速恒压给水方案

该系统共有三台水泵（虚线所画水泵不计入)P0、P1、P2,其中P0与P1的额定流量为q，而P2的额定流量较大为2q，三台水泵的额定扬程相同。另外只有P0采用变频器连续控制转速，而P1与P2直接工频电源开关控制。

这样配备的水泵系统与典型的变频恒压给水系统相比较，后者一般采用两台大小一致的相同水泵，一台变频调速控制、一台工频开关控制，多用了一台小水泵。但由于变频器所控制的水泵流量下降一倍，故所采用变频器的容量也大致下降一倍。实现了用容量小的变频器代替大容量的变频器，降低了整个系统的性能价格比。

对采用开关控制的水泵P1与P2，用数字1表示水泵工作，以数字0表示水泵停止工作，于是P1与P2的组合工作状态用一个两位的二进制数a2a1表示(如表2）。P0采用变频器连续调节电机转速，把它与P1P2的组合工作相结合，则整个给水系统的流量可以在0≤Qt≤4q的区间连续变化（计Qt时近似忽略了由于水泵并联所造成的流量损失)。表2与表1的不同之处在于：由于变频调速水泵P0的加入，可以在0≤Qt≤4q的全流量范围内连续调节给水流量，故理论上可以实现高精度的恒压控制，而不是表1所描述的在一定范围内的稳压控制。同时，与传统的恒压变频调速给水系统相比较，变频器的设计选用容量可减小一半。因此，本方案兼具了二进制变流量水泵组合方案和典型变频调速恒压给水方案的优点。

若再增加一个容量为4q的水泵P3(虚线画出），依据相同的工作原理，给水系统的出口流量可以在0＜Qt＜8q范围内连续调节，同时水压基本恒定(见表3）.

通过以上二例可以总结出，如给水系统的设计流量为Q，则可以把变频水泵的容量设计成q=Q/2n（n=1、2、3……)。同时再配备n台工频电源开关控制的水泵，这n台水泵的额定扬程相同且与变频水泵的扬程一致,但额定流量设计值却是两倍递变，即从小到大为：q、2q、4q……2n—1q。 由这(n+1）台水泵(1台变频调速控制，n台工频开关控制）构成的水泵组合优化变频调速给水系统，即实现在全流量变化范围内高质量的恒压给水，又把变频器的设计容量降为q=Q/2n,降低了变频器的工程预算价格，提高了整个给水系统的性能价格比。