隨著變頻技術的發展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統以其環保、節能和高品質的供水質量等特點，廣泛應用于多層住宅小區及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調速系統可以實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節能型供水系統。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產品質量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢，而且具有顯著的節能效果。目前變頻恒壓供水系統正向著高可靠性、全數字化微機控制、多品種系列化的方向發展。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設備適應城鎮建設中成片開發、智能樓宇、網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。
變頻恒壓供水系統能適用生活水、工業用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統具有以下特點:
(1)供水系統的控制對象是用戶管網的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。
(2)用戶管網中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網壓力的變化成正比，因此變頻調速恒壓供水系統是一個線性系統。
(3)變頻調速恒壓供水系統要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統，而不同的供水系統管網結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。
(4)在變頻調速恒壓供水系統中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和運行)是時時發生的，同時定量泵的運行狀態直接影響供水系統的模型參數，使其不確定性地發生變化，因此可以認為，變頻調速恒壓供水系統的控制對象是時時變化的。
(5)當出現意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統能根據泵及變頻器或軟啟動器的狀態，電網狀況及水源水位，管網壓力等工況點自動進行切換，保證管網內壓力恒定。在故障發生時，執行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。
(6)水泵的電氣控制柜，其有遠程和就地控制的功能和數據通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關數據進行實時傳送，以便顯示和監控以及報表打印等功能。
(7)用變頻器進行調速，用調節泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。
1.2國內外發展概況目前國內變頻恒壓供水設備電控柜的控制方式有：
1．邏輯電子電路控制方式
這類控制電路難以實現水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調節，往往采用一臺泵固定于變頻狀態，其余泵均為工頻狀態的方式。因此，控制精度較低、水泵切換時水壓波動大、調試較麻煩、工頻泵起動時有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。
2．單片微機電路控制方式
這類控制電路優于邏輯電路，但在應付不同管網、不同供水情況時，調試較麻煩；追加功能時往往要對電路進行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不太好。
3．帶PID回路調節器或可編程序控制器(PLC)的控制方式
該方式變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源。實現電機的無級調速，從而使管網水壓連續變化。傳感器的任務是檢測管網水壓，壓力設定單元為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控后，經可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入PID回路調節器，由PID回路調節器在調節器內部進行運算后，輸入給變頻器一個轉速調節信號。
由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID回路調節器給出的，所以對可編程控制器來講。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入，數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口端另接一塊PWM調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為模擬量。這樣，可編程控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入，輸出的可編程控制器和一個PID回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入，輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。
4．新型變頻調速供水設備
針對傳統的變頻調速供水設備的不足之處，國內外不少生產廠家近年來紛紛推出了一系列新型產品，如華為的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切換卡；SANKEN的SAMCO— I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列產品；富士公司的GIIS／PIIS系列產品；等等。這些產品將PID調節器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。
水電站集水井排水系統運行框圖及梯形圖控制的編制、和調試，畫出硬件接線圖；完成PLC+變頻器電氣控制系統的設計。
2.2 具體要求（1）系統由水位信號自動啟動和停止主用泵和備用泵，維持集水井水位在規定的范圍內；水泵為離心泵。
（2）系統由PLC和變頻器控制兩臺水泵組成，系統正常情況下，一臺為主用泵，一臺為備用泵，電機運行時應有指示。
（3）系統中的兩臺泵每一臺都可以選擇為主用泵或選為備用泵，每次選擇只能是一主一備，不可兩臺都選擇為主用泵或備用泵，如果兩臺選為一樣，系統應不能運行并給出指示。
（4）每臺泵都各自單獨做出手動，主用、備用的選擇，主、備用泵應能單獨手動啟停。
（5）系統由變頻器控制，當主用泵啟動條件滿足時，由變頻器控制按斜坡啟動主用泵，當備用泵啟動條件滿足要求時將主用泵投給工頻恒速運行，備用泵再由變頻器帶的完成按斜坡啟動，兩臺泵均采用自由停車。
（6）當備用泵投入時，應同時發出報警信號（光報警）；
（7）按電動機功率10kW設計主回路；
（8）水位由電極檢測，應設計出驅動電路（電路應采用低壓電控制）。
（9）兩臺電機各自有過載保護，過載故障時應有指示（聲光報警，其中聲報警應能消除）。
（10）系統有過高水位（備用泵啟動水位）、主用泵啟動水位、水泵停止水位觸點信號輸入PLC。
2.3 方案設計控制系統方框圖如圖2-1所示。以PLC為控制核心，左邊是數字量輸入，右邊是數字量輸出。
圖2-1 控制系統方框圖
整個系統由二臺水泵，一臺變頻調速器，一臺PLC和三個電極水位傳感器及若干輔助部件構成。
啟動和停止按鈕接PLC的輸入，用于自動啟動和停止系統。急停開關接PLC的輸入，用于有緊急情況，按下急停，停止所有輸出。消聲按鈕接PLC的輸入，用于按下停止聲音報警。泵1自動手動為選擇開關，用于選擇泵1自動手動模式，為ON選擇手動模式，為OFF選擇自動模式。泵1主用備用用于選擇泵1主備用，為ON選擇泵1主用泵，為OFF選擇泵1備用泵。泵1啟動按鈕用于選擇泵1為手動模式時，手動啟動泵1。泵1停止按鈕用于選擇泵1為手動模式時，手動停止泵1。泵2控制跟泵1類似，都有自動手動選擇，主備用選擇，和泵2啟動和停止按鈕。泵1故障反饋，泵2故障反饋，變頻器故障信號接PLC的輸入，用于進行故障報警，停止相應的系統。水位過高，啟動主泵水位，停止水位，接PLC的輸入，用于啟動停止泵，啟動一臺還是2臺泵運行。
PLC輸出接變頻器啟動，用于啟動變頻器。PLC輸出接泵1變頻器啟動接觸器，用于啟動泵1變頻運行。PLC輸出接泵1工頻器啟動接觸器，用于啟動泵1工頻運行。PLC輸出接泵2變頻器啟動接觸器，用于啟動泵2變頻運行。PLC輸出接泵2工頻器啟動接觸器，用于啟動泵2工頻運行。
PLC輸出接泵1過載指示燈，泵2過載指示燈，變頻器故障指示燈，總故障指示燈，用于狀態顯示。PLC輸出接報警，用于聲音報警提示。
。
進行分析系統共使用了18路數字量輸入，10路數字量輸出，沒有使用模擬量輸入和模擬量輸出，系統為小型自動化應用。
西門子的S7-300 PLC是高性能的中型PLC，其中的S7-314C，性能如下：48 KB 工作內存;0.1 ms/1000 條指令;DI24/DO16;集成有 AI5/AO2;4路脈沖輸出(2.5 kHz);4 通道計數與測量增量型編碼器 24 V (60 kHz);集成有定位功能;MPI+ DP 連接器(DP 主站或 DP 從站);多排最多可組態 31 個模塊;用于直接數據交換的發送和接收功能;恒定總線循環時間;路由;S7 通訊(可加載的 FB/FC);固化程序 V1.0，可以滿足本次控制要求。
3.2 主電路設計主電路如圖3-1所示。電源采用3相5線，380V交流電經L1，L2，L3，N，PE供設備使用。L1，L2，L3是三相火線，N是零線，PE是接地線。QA01是總斷路器，可以通斷整臺設備電源。
QA02是變頻器斷路器，起到通斷變頻器電源作用。VFD1是變頻器，驅動水泵1，2變頻抽水，變頻器輸出經QA11，FR1接MA1，控制泵1變頻運行；經QA13，FR2接MA2，控制泵2變頻運行。PLC輸出的變頻器控制信號KF1，接變頻器的端子14、15，用于啟動變頻器，PLC控制KF1線圈得電，KF1常開觸點閉合，接通變頻器的端子8、12和14、15，啟動變頻器。24V接變頻器故障端子17，經變頻器內部，經端子19接PLC的I1.6，用于變頻故障反饋。
MA1是水泵1電機，驅動水泵1抽水。QA11是水泵1電機變頻啟動接觸器，接變頻器VF1的U,V,W，用于泵1變頻運行。QA03是水泵1電機工頻斷路器，QA12是水泵1電機工頻接觸器，FR1是水泵1電機過載保護熱繼電器，起到保護電機作用，防止長時間過載運行燒毀電機作用。
同樣的，MA2是泵2電機，QA13是水泵2電機變頻接觸器，QA04是水泵2電機工頻斷路器，QA14是水泵2電機工頻接觸器，FR2是水泵2電機過載熱保護。
圖3-1 主電路圖
控制電路如圖3-2所示。外部220V交流電經L1，N供控制電路使用。QA05是控制電路斷路器。
DY1是開關電源，將交流220V變成24V供PLC的數字量輸入和輸出，PLC的模擬量輸入和輸出使用。
PG1是電源指示燈，燈亮表示有電。
圖3-2 控制電路
3.4 輸入和輸出分配表PLC輸入和輸出分配表見表3-1，3-2所示。
表3-1 PLC數字量輸入分配表
名稱 | PLC地址 | 外部編號 |
啟動按鈕 | I0.0 | SF1 |
停止按鈕 | I0.1 | SF2 |
急停開關 | I0.2 | SF3 |
消聲按鈕 | I0.3 | SF4 |
泵1自動手動選擇 | I0.4 | SF5 |
泵1主備用選擇 | I0.5 | SF6 |
泵1啟動按鈕 | I0.6 | SF7 |
泵1停止按鈕 | I0.7 | SF8 |
泵2自動手動選擇 | I1.0 | SF9 |
泵2主備用選擇 | I1.1 | SF10 |
泵2啟動按鈕 | I1.2 | SF11 |
泵2停止按鈕 | I1.3 | SF12 |
泵1故障反饋 | I1.4 | FR1 |
泵2故障反饋 | I1.5 | FR2 |
變頻故障反饋 | I1.6 | FP1 |
過高水位 | I1.7 | SL1 |
主用泵啟動水位 | I2.0 | SL2 |
水泵停止水位 | I2.1 | SL3 |
表3-2 PLC數字量輸出分配表
名稱 | PLC地址 | 外部編號 |
泵1變頻 | Q0.0 | QA11 |
泵1工頻 | Q0.1 | QA12 |
泵2變頻 | Q0.2 | QA13 |
泵2工頻 | Q0.3 | QA14 |
變頻啟動 | Q1.0 | KF1 |
泵1過載指示燈 | Q1.1 | PG6 |
泵2過載指示燈 | Q1.2 | PG7 |
變頻故障指示燈 | Q1.3 | PG8 |
總故障指示燈 | Q1.4 | PG9 |
報警聲音 | Q1.5 | HA1 |
PLC輸入和輸出接線圖見圖3-3,3-4所示。
圖3-3 數字量輸出接線圖
圖3-4 數字量輸入接線圖
3.6 器件清單主要器件清單見表3-3所示。
表3-3 器件清單
名稱 | PLC地址 |
自動運行標志 | M 0.0 |
選擇主備用錯誤標志 | M 0.1 |
主用泵變頻運行備用停止 | M 1.0 |
主泵工頻運行備變頻運行 | M 1.1 |
總的硬件配置如圖4-1所示，插入S7-300機架，然后插入電源PS307 5A，插入CPU314-2DP，雙擊DI24/DO16，更改地址為數字量輸入開始地址為0，數字量輸出開始地址為0
圖4-1 硬件配置
4.3 定義符號為了方便閱讀，定義符號
圖4-2 定義符號
4.4 編輯界面編程界面如下
圖4-3編程界面
4.5 PLC程序設計OB1是主程序，循環執行。開始是自動運行程序控制。然后是啟動一臺泵，二臺泵運行條件判斷程序。然后是選擇主用備用錯誤判斷程序。然后是泵1變頻，泵1工頻，泵2變頻，泵2工頻控制程序。然后是各故障指示輸出程序，聲音報警和消聲程序。
詳細的程序如下：
第五章 調試
STEP7編程軟件里，點編程軟件的打開/關閉仿真器，啟動仿真。
圖5-1 打開仿真器
仿真器初始畫面如下，
圖5-2 仿真初始畫面
仿真器打開后，點下載按鈕，下載程序到PLC。
圖5-3 下載程序
插入需要監控的變量，例如IB0，IB1，IB2，MB0，MB1，QB0，QB1等
圖5-4 添加變量
點RUN-P，啟動PLC，觀察到PLC從STOP變為綠色的RUN。觀察到Q1.4點亮，故障燈亮。觀察到M0.1為ON，主用備用泵選擇錯誤標志有效，因為沒有選擇泵1或者泵2為主用泵。
圖5-5 啟動PLC
選擇泵1為主用泵，點I0.5，觀察到Q1.4熄滅，故障消失，M0.1變為OFF。
圖5-6 選擇泵1為主用泵
點啟動按鈕SB1，啟動系統，觀察到自動運行標志有效，M0.0為ON，預設泵1泵2都為自動，I0.4為OFF，I1.0為OFF。水位不到，沒有泵運行。
圖5-7 啟動系統
模擬水位到停止水位，點I2.1，I2.1為ON，觀察到還是沒有泵啟動。
圖5-8 到停止水位
模擬水位到啟動主泵水位，點I2.0，觀察到Q0.0輸出，泵1為主用泵，泵1變頻運行，同時啟動變頻器，Q1.0為ON。M1.0為ON，執行主泵變頻運行，備泵停止。
圖5-9 泵1為主泵運行
模擬水位繼續升高，點I1.7過高水位，觀察到Q0.0熄滅，泵1為主用泵，泵1變頻停止，泵1工頻運行，Q0.2變為ON，泵2變頻運行，Q0.2點亮，同時啟動變頻器，Q1.0為ON。M1.1變為ON，執行主泵工頻，備泵變頻運行。
圖5-10 泵1為主泵泵1變頻泵2工頻
模擬水位降低，I1.7變為OFF，I2.0變為OFF，觀察到Q0.2熄滅，泵1為主用泵，泵2變頻停止，泵1工頻停止，Q0.1變為OFF，泵1變頻運行，Q0.0點亮，同時啟動變頻器，Q1.0為ON。M1.0變為ON，執行主泵變頻，備泵停止運行。
圖5-11 泵1為主泵泵1變頻泵2停止
模擬水位降低，I1.7變為OFF，I2.0變為OFF，I2.1變為OFF，觀察到Q0.0熄滅，泵1為主用泵，泵1變頻停止，同時Q1.0為OFF，停止變頻器，M1.0變為OFF。
圖5-12 泵1為主泵泵1、2停止
選擇泵2為主泵，I0.5為OFF，I1.1為ON。
圖5-13 選擇泵2為主泵
模擬數位上升，點I2.1變為ON，I2.0變為ON，觀察到M1.0為ON，執行主泵變頻，備泵停止。Q0.2為ON，啟動泵2變頻運行，Q1.0為ON，啟動變頻器。
圖5-14 泵2為主泵泵2變頻泵1停止
其他的測試類似，不做累述。
通過本次設計，采用西門子的S7-300 PLC 為控制核心，外加ABB變頻器，2臺泵，實現一拖二恒壓水電站集水井排水。通過檢測高水位，啟動主泵水位，停止水位，根據水位情況控制泵啟動和停止，1臺或者2臺運行，或者都停止。通過分析控制要求，進行了總體設計，進行了硬件設計，軟件設計，最后進行了仿真調試。
因為時間倉促，和個人能力有限，設計中還是存在著一些不足，還需要改進。
本設計在指導老師的悉心指導和嚴格要求下業已完成，從課題選擇到具體的寫作過程，無不凝聚著老師的心血和汗水，在本人的課程設計期間，老師為本人提供了種種專業知識上的指導和一些富于創造性的建議，沒有這樣的幫助和關懷，本人不會這么順利的完成課程設計。在此向老師表示深深的感謝和崇高的敬意。
本人還要感謝同組的同學，在課程設計的這段時間里，給了本人很多的啟發，提出了很多寶貴的意見，對于大家幫助和支持，在此本人表示深深地感謝。
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