恒压供水系统的PLC控制设计毕业设计论文.docx
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恒压供水系统的PLC控制设计毕业设计论文
恒压供水系统的PLC控制设计
摘要
随着城市经济的发展，城市高楼不断的增高，城市区域不断扩展，城市供水开始出现压力不足的问题，水是人类生活的必须品，传统的供水系统已经不能满足现代城市的需要。
需要一个新的供水系统，要保证城市供水的压力恒定，满足用户，并且节约能耗，自动调节，便于维护。
本设计针对上述问题，通过对现代控制技术的研究，对不同的恒压供水系统进行比较和分析，采用变频器结合PLC的控制方案，来解决恒压供水问题。
以PLC与变频器控制水泵电机工作，实现运行可靠、节能、低噪，维护简单，经济实用的恒压供水系统。
这个系统能自动控制水泵转速，实时读入管网压力值，与设定值比较，由PID控制算法得出一调节参量，控制调速泵的转速，最终实现恒压供水。
关键词变频器，恒压供水，PLC
ABSTRACT
Withthedevelopmentofcityeconomy,increasedcontinuouslycitybuilding,cityexpandingregional,citywatersupplybegantoappearthepressureofshortage,thewateristhehumanlifenecessities,traditionalwatersupplysystemhasbeenunabletomeettheneedsofmoderncity.Theneedforanewwatersupplysystem,toensuretheconstantpressureofcitywatersupply,satisfytheuser,andsavesenergyconsumption,automaticadjustment,convenientmaintenance.
Thispaperinviewoftheabovequestion,throughthestudyofmoderncontroltechnology,comparisonandanalysisofdifferentcombinationofconstantpressurewatersupplysystem,thecontrolschemeofPLCconverter,tosolvetheproblemofconstantpressurewatersupply.PLCandinvertercontrolpumpmotor,toachievereliableoperation,energysaving,lownoise,easymaintenance,constantpressurewatersupplysystemiseconomicalandpractical.Thissystemcanautomaticallycontrolthepumpspeed,real-timereadintothepipenetworkpressurevalue,comparedwiththesetvalue,controlledbythePIDalgorithmtoobtainacontrolparameter,controlthespeedofthepump,theultimaterealizationofconstantpressurewatersupply.
Keywords：
Speed-frequencyvariable,Constantpressurewatersupply,PLC
1绪论
1.1研究背景
1.1.1城市供水需求
众所周知，水是生命之源，是人类生产、生活必不可少的资源。
我国本就是人口大国，现在随着我国社会经济的发展，城市建设也十分的迅速，城市高楼是越来越高了，城市的面积在不断的扩张，同时也对基础设施的建设提出了更高的要求。
城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性，稳定性，经济性直接影响到用户的工作和生活。
随着人们对供水质量和供水系统的可靠性要求越来越高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能，高节能能够适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为了必然的发展趋势。
用户用水量得多少是经常变化的，因此供水不足或者供水过剩的情况时有发生。
而用水量和供水量之间的关系可以通过检测水的压力来体现（即是：
用水量＞供水量——水泵供水侧压力低；用水量＜供水量——水泵供水侧压力高）。
如此一般，我们就可以使供水量和用水量之间保持一种动态平衡的关系（即是：
用水量大的时，供水量也大；用水量小时，供水量也小），这样就有利于用户用水的水压质量良好和供水水源的节能节约。
1.1.2传统供水系统的比较
传统的供水系统不足之处主要表现在用水高峰期水的供给量不能满足用户的需求量，出现了水压降低供不应求的现象，这样很多高楼住户和远距离的用户得不到供水。
在用水量少的时期，系统水的供给量又经常超出了用户的用水需求量，这样就会供给大于需求水的压力过高，此时就会造成资源的浪费，而且很可能损坏用水设备，使用水管道破裂。
下面就介绍一些在变频恒压供水技术没有出现时，人们采用过的一些传统的供水方式。
1 一台恒速泵直接供水系统
这种供水方式是水泵从水池里抽水加压之后送往用户，有些甚至还没有蓄水池，直接就从城市公用水网中抽水，这些会严重使城市公用管网压力变的不稳定。
此供水方式，水泵整天不停运转，在夜间用水量少时可能停止工作。
此系统造价便宜、结构简单，但是耗电大、水的损失严重，水压力不稳定，供水质量极差。
2 恒速泵+水塔的供水方式
此方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。
这种就要求水塔的高度满足水塔的最低水位要略高于供水系统所需要的压力。
当水塔里的水低于设定的下限值，水泵电机启动，开始抽水，水满后，水泵停止运行。
水泵的工作是断续的，这种方式显然比上一种要节能些，节电率与水塔容量、用水不均匀系数、水泵额定流量、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。
优点是比上一种节能，供水的压力较稳定。
缺点是建设投资大，占地宽。
水压不可调，不能兼顾近期与远期的需求。
水压不能根据系统需要而改变，存在不必要的能量损耗以及对用水进行二次污染。
还有一种情况是可能发生供水质量的剧烈下降和能耗增加，此情况发生是由于供水系统水塔的水位监控装置受到破坏，水泵不的自动开、停功能受到损坏，水泵的启、停只能有人来操作。
3 射流泵十水箱的供水方式
这种方式在工艺和技术上还有待改进，它是结合射流泵自身的特殊结构和压力差以及进水管道粗出水管道细来实现供水的。
这种方式有时会出现有压力而没有流量的情况。
不能满足现代城市的供水需要。
4 恒速泵十高位水箱的供水方式
这种方式的原理与水塔是一样的，只是水箱被放置在建筑物的顶层上，建筑物过高还可以分层设立水箱。
这种方式的设备投资和占地面积有所减少，缺点是对建筑的设计和与造价会有一定的影响，并且水箱还受到建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围受到限制。
水箱可能被一些动物甚至人进入，导致水质污染。
水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，是完全由人工操作的，导致系统的供水质量下降能耗增加。
5 恒速泵十气压罐供水方式
这种供水方式是将高位水箱用封闭的气压罐来取代。
泵的启动停止靠气压罐内检测到的压力信号来控制。
气压罐需要的占地面积也比较小，可以把它直接放地上，这样成本就要低于水塔方式。
因为气压罐是密封的，所以很大程度上减少了异物进入污染水质的可能性。
这种方式明显优于前面几种方式。
气压罐供水是靠压缩空气送水，罐的配套水泵工作时，水泵电机是在额定流量、额定转速下运行，这样当用水需求小时，就会浪费流量。
而且水泵工频启动，启动频繁会有一定的能耗，电气机器设备损坏快。
气压罐的占地面积稍大。
6 变频调速供水方式
变频恒压供水系统是变频器结合PLC控制的系统，自动化程度高，系统的原理是通过系统中安装的压力传感器，将用水的压力信号传到PLC中，与设定压力值作比较、运算，然后由控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。
系统水压不管如何变化，系统的输出始终在一定的范围内稳定.变频恒压供水的水泵调速控制方案一般分三种:
水泵出口处的恒压控制、水泵出口的变压控制、给水系统中的最不利点恒压控制。
变频调速式供水系统优于前面介绍的所有系统，它的流量输出根据用户需求而改变，调节能力强，节约了能源。
在工建上节省钢材、节省占地面积、节省了投资。
系统采用软开关技术对电网、设备冲击小，运行稳定可靠，维修方便，还可以配以组态实时监控，具有明显的经济效益与社会效益，应用前景广阔。
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，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。
先进的控制技术、自动化技术、通讯及网络技术等在供水领域的应用，成为了对供水系统的新要求。
由于城市供水量不断加大，对城市管网的实时监测提出了更高的要求。
1.2恒压供水系统的国内外研究现状
随着电子技术电力技术的发展，变频器开始逐步进入市场，变频器对交流电机的调速日益成熟，变频恒压供水系统开始发展起来。
早期，国外生产的变频器在恒压供水系统中只用于执行机构。
其主要功能主要是正反控制、频率控制、启动控制、制动控制、升降速控制、压频比控制和各种保护。
在变频器的外面需要提供压力传感器和压力控制器，通过压力进行闭环控制以满足在不同用水需求时，保持管道的压力不变。
变频技术应用于恒压供水系统中使系统节能、可靠、稳定、并且自动化程度高。
这些优点得到了大家的认可，于是国外的一些变频器生产公司开始生产推出了专供恒压供水的变频器。
比如日本的Samco公司，他们就生产出了恒压供水基板，这种设备具有两种工作模式：
一种是变频泵固定方式另一种是变频泵循环方式。
这种变频器的控制基板上集成了PLC可编程控制器和PID调节器等硬件，可以通过一些指令代码的设置来实现PLC和PID等控制功能，只需要使用一些配套的恒压供水单元，就可以直接完成对多个内置的电磁接触器的控制工作。
这样就可以构成恒压供水系统（最多可以有7台水泵电机）。
这种设备的优点是使电路结构微化，成本低。
但也有一定的缺点。
这种设备的输出接口扩展功能不够灵活，构成的系统稳定性不高，动态性能也不高。
不能与其他组态软件、监控系统实现通讯，虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，所带负载的容量受到限制，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信。
在实际应用中这种变频器的应用范围也受到一定的限制。
在我国也同样有许多企业在做恒压供水变工程。
从系统的稳定性和动态性能开放性以及抗干扰性能的各个综合指标来看，还达不到现代形式复杂要求高城市供水需要。
国内的供水系统有的是采用的单片机结合相应的软件加上国外进口的变频器来实现，有的采用PLC结合其他软件加变频器来实现的。
多是通过压力来实现闭环控制。
对于用在恒压供水的专用变频器国内的企业也有研究，成都希望集团和原深圳华为电气公司就生产出了专用的恒压供水变频器（5.5kw~22kw），这种变频器最多可以完成4台电机的定时循环、循环切换、定时启动、停止控制。
它不在需要外接PLC与PID调节器就可以完成控制。
PLC和PID控制器功能已经内置于变频器中。
不过该变频器不足之处是它的操作不是很方便，没有数据通讯功能，所带的负载容量受到输出接口的限制。
容量小，只适合用于需求不高、控制要求低的地方。
由此可见，现在国内外在研究能适应不同场合的变频调速恒压供水控制系统的研究设计中还待提高，系统的研究要结合现代控制技术、网络和通讯技术同时还要兼顾系统的电磁兼容性（EMC）。
因此，我们还需要进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使供水系统能够适应不同的环境，保障生活、生产实践。
1.3供水系统安全性讨论
供水系统安全性受到影响的重要因素是水锤效应，水锤效应是在很短的时间内，由于水流量的变化很急巨，引起供水管道受到的高、低压强的冲击，发生了空化现象，使供水管道受到压力发出噪声，像锤子敲击管子的声音一样。
水锤效应的破坏性极大。
压强过高的时候，会使供水管道破裂，压强过低了又会引起供水管道的瘪塌。
而且，水锤效应还有可能损坏阀门和一些固定件。
如果采用变频调速，那么对提高系统的安全性有很大的好处：
1 发生水锤效应的根本原因是水泵在启动和制动的过程中动态转矩太大，导致短时间内流量发生巨大变化。
采用变频调速技术，可以减少动态转矩，消除水锤效应，减少了水泵和管道的冲击，延长水泵管道系统的寿命。
2 通过降低水泵平均转速，减小工作时的平均转矩，叶片承受的应力减小，轴承的磨损也就减小，延长水泵的寿命。
3 变频调速系统的软启动代替了硬启动，有效保护了电气设备。
4 启动电流减少，对电网的冲击减小，提高系统稳定性。
1.4本论文主要设计思想
本设计的任务是设计一套恒压供水系统，能够实现智能控制，节约能耗，无论在用水高峰期还是低峰期都能满足用户的用水问题，本文以城市小区供水系统为研究对象，采用现在控制技术，用PLC和变频器（含pid模块）集合来控制3台水泵电机的工作，代替了传统的水塔、压力罐的供水方式，变频器与PLC组成控制系统，对水泵电机进行的调速运行，实现对供水压力的闭环控制，当管网流量发生变化时实现恒压供水的目的。
通过压力传感器反馈的总管网实际压力值与系统设定的给水压力值进行比较，将其差值通过输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制水泵的转速，从而使压力值稳定在设定的压力值上。
本设计中恒压供水系统中电动机调速装置采用交流变频技术，控制装置采用PLC控制器。
PLC不仅可以实现泵组、阀门的逻辑控制，还可以完成系统的数字PID调节功能，还可以根据需要结合组态软件对系统中的各种运行参数、控制点进行实时监控，在CRT画面显示，还具有故障报警功能。
市政供水管网中自动恒压供水系统的标准通讯接口，还可以和城市供水系统的上位机进行联网，实现整个城区供水系统的优化控制，使城市供水系统提具有现代化的调度、监控、管理、经济运行等特点。
随着人们生活水平的提高和城市建设的不断扩大，对城市供水系统的可靠性（流量、压力）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐渐增多。
变频调速恒压供水系统在这些加压设施中越来越显示出其优越性。
2系统的理论分析及方案的确定
2.1供水系统的主要参数
1 流量
流量是单位时间内流过管道内某一截面的水量，常用单位是m3/s、m3/min、m3/h等.符号是Q，供水系统的基本任务是满足用户的流量需求。
2 扬程
扬程是单位质量的水被上扬时所获得的能量，常用单位是m，符号是H。
扬程主要包含是以下几个方面：
一、供水中水位提高需要的能量；二、供水中水在管道中流动时有阻力，要克服这个阻力所需的能量；三、要使水在管网流动，具有流速所需的能量。
一般情况下，我们认为提高水位需要的能量是扬程的主要部分，因为在同一个管道里，上面所说的二和三是基本上不变化的，其数值相对较小。
由此我们在分析系统时，同一管道扬程常常只考虑把水位提高所需要的那部分能量而忽略了其他两个因素，即水位差就简单的代表了扬程。
3 全扬程
全扬程可以叫总扬程也可以叫做水泵扬程，它是一个说明水泵的泵水能力的物理量。
水从蓄水池被上扬到最高的水位时所要的那部分能量和使水具有流速及克服管道阻力所需要的能量，符号是HT。
4 实际扬程
实际扬程就是用水泵提声水位时所需的能量，符号是HA。
5 损失扬程
全扬程减去实际扬程就是损失扬程，符号是HL。
HT、HA和HL之间的关系是:
HT=HA+HL
6 管阻
管阻是管道系统包括水管、阀门等对水流阻力的物理量，符号是R。
通常用扬程与流量间的关系曲线来描述。
2.2供水系统的基本特性
供水系统的基本特性和工作点扬程特性的前提是供水系统管网中的阀门开度为定值，如图2-1所示，阐述的关系是水泵在某一转速下系统中扬程H与流量Q，从图中可以反映出，当流量Q增大的时候，扬程H逐渐变小。
以阀门开度和水泵转速都不改变为前提的情况下，流量的大小主要是由用户的实际用水量来决定的。
所以，可以得出扬程特性主要是反映扬程H与用水流量间的关系。
管阻特性是在前提为水泵的转速不变的情况下，表明阀门在某一开度下，扬程与流量之间的关系。
水泵中的能量用来克服水泵系统中的压力差、水位、水在管网中流动受到的阻力的变化规律就是由管阻特性来反映的。
从图中可以得知，在同一阀门开度下，扬程增大，流量也随着变大。
在某一扬程下，系统向用户供水的能力，取决于阀门开度的大小。
由此可知，扬程与供水流量间的关系是由管阻特性来反映。
供水系统的工作点是扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，如图2.1所示。
在这一点上，系统的供水量与系统中用户的用水量刚好相同。
达到一种平衡状态。
这样供水系统同时满足了管阻特性与扬程特性，系统达到稳定运行状态。
图2.1供水系统的基本特性曲线
研究恒压供水系统就是要提供一种能够在不同环境下满足用户对水流量的需求。
因此，供水系统的基本控制对象就是流量。
按照前面说叙述的，流量的大小决定于扬程，可是扬程是很难进行具体测量和控制。
在动态情况下，管道中水压的大小与用户用水需求、供水能力之间的平衡关系如下：
供水能力＞用水需求，则压力上升；
供水能力＜用水需求，则压力下降；
供水能力＝用水需求，则压力不变。
可此可见，流体压力的变化诠释了供水能力与用水需求之间的矛盾。
所以，我们把压力作为一个控制流量大小的参考变量。
意思就是如果在系统中保证了检测管道处的压力保持不变，那么这个地方的供水能力与用水量的平衡状态就得到了保证。
这样就能使供水系统最优化的满足用户的用水需求。
变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵电机、阀门和管道等构成。
恒压供水系统通过异步电动机带动水泵工作，一般电机和水泵都做为一体的（所以文中将水泵直接代替电机和水泵），由变频器对电机进行速度调节，进而根据需要来调节供水量实现恒压供水。
异步电动机的变频调速就是供水系统变频的实质。
变频器通过改变异步电动机定子供电的频率进而实现改变异步电动机同步转速。
根据电机学理论,交流电动机的转速公式为：
式（2-1）
其中：
f为定子的电源或稳压器频率；p为极对数；n为转速；s为转差率。
转差率S，是同步转速减去异步转速的值再去比同步转速的百分比，三相异步电动机各机种型号及生产厂家的转差率不尽相同，应根据铭牌额定转速计算就能得出转差率。
从上式可知，当极对数p不变时，电机转子转速刀与定子电源频率成正比，所以我们要连续平滑的调节电机的转速就可以通过连续调节异步电机供电电源频率来实现。
在进行变频调速过程中，电机从高速到低速都能够保持有限的转差率，因此变频调速具有高精度、机械特性较硬、高效率、平滑性较高、调速范围广的优点，其调速的性能完全可以同直流电动机调速系统相媲美。
综上所诉，采用变频器对交流异步电动机调速是一种比较理想合理调速方试，它被广泛地应用于对水泵电机的调速中。
流量是供水系统中常用的控制量，通常采用控制阀门或转速来进行流量的控制。
阀门控制法不常用，此方法在控制中可能会出现超压或欠压现象。
原因是通过调节阀门开度来调节流量，此时的电机转速是保持不变的。
阀门控制法的实质是通过改变管道中水路阻力大小来改变流量，由此，管道阻力将随阀门开度的变化而变化，但其中的扬程特性是不变的。
而实际用水过程中，用户的用水需求是不定的，它在不断的变化，如果阀门的开度在某一段时间内维持恒定不变的化，就会造成这种现象的出现。
转速控制法是常用的一种控制方法。
它是保持阀门的开度不变，通过改变水泵电机的转速来调节流量，实质是通过改变水的动能来使流量改变。
因此，这种方式下的管阻特性是不变的，扬程特性就会随水泵转速而改变。
变频调速供水方式属于转速控制。
其工作过程中，水泵电机的转速是根据用户用水量的变化自动地调节的，始终保持了管道压力的稳定不变，如果用水需求量增大，则电机开始加速运行。
如果用水需求量减小时，则电机减速运行。
当用阀门控制流量时，无论用水量多大，电机都一样运行，尤其用水量少时，效率很低，有很多功率被浪费掉。
转速调节时，用多少水，抽多少水，水泵的效率不变，总处于最佳状态。
电子技术的发展和完善，促进了变频调速领域的发展，变频调速的机械特性好，精度高，效率高，调整特性曲线平滑，调速范围宽，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护方便、自动化水平高。
这一系列突出的优点倍受人们的青睐。
现在交流电机的变频调速技术已经发展成为一项成熟的技术，它将配电网恒定频率的交流电经过整流二极管变成直流，再由IGBT或GTR模块等组成的逆变电路变成频率可调的交流电源，用此电源拖动交流电机在变速状态下运行，并能自动适应负荷变动的条件。
它改写传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式的历史，达到现代社会节能的要求。
变频调速技术应用于供水系统中，较传统的供水方式可节电40％～60％，节水15％～30％，所以本文采用变频调速恒压供水方式。
2.3变频恒压供水方式的选择
目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：
1 逻辑电子电路控制方式
这类控制电路往往采用一台泵变频运行，其余泵为工频运行的方式。
难实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，所以控制精度较低、抗干扰能力较弱、调试较麻烦、工频泵起动时对电网有冲击、水泵切换时水压波动大，但是成本较低。
2 单片微机电路控制方式
此控制电路要好于逻辑电路，但在对不同供水、不同管网情况时，调试比较繁琐。
追加功能时往往还要重新修改电路，不灵活也不方便。
电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。
3 新型变频调速供水设备
由于传统的供水设备都有着不同的缺点，国内外很多厂家研制出了一批新的供水设备，华为的TD2100、富士公司的GIIS／PIIS系列产品、SANKEN的SAMCO—I系列、施耐德公司的Altivar58泵切换卡、ABB公司的ACS600、ACS400系列产品等等。
这些产品的特点是减少了对PLC的容量的要求，不用对PID调节器编程，调试容易，成本低，还提高了生产效率。
水压的调节很平滑，反馈准确。
这些特点都源于新产品综合了PLC的一些简单功能和PID调节器。
而且，PID调节器采用了优化算法。
这种变频器在供水领域很受欢迎。
分析以上3种方案后，本次设计就采用的第四种方案，用新型的变频调速设备。
供水系统方案如图2.2所示。
图2.2供水系统方案图
2.4变频恒压供水系统的工作原理
2.4.1系统的构成
本系统有变频器，可编程控制器（PLC），3台水泵电机，压力传感器和若干辅助部件构成。
每台水泵的出水管都配有手动阀门，便于系统维修和调节水量，3台泵在控制信号下变频或工频运行，以满足供水需求。
系统中压力传感器检测管道上的压力，一般采用电阻式传感器（反馈0～5V电压信号）或压力变送器（反馈4～20mA电流）；变频器是供水系统的核心，是实现电机无极调速、无波动稳压和其他功能的重要器件。
图2.3系统结构图
通过的上图的分析，我们可以知道恒压供水系统由控制系统、信号检查、执行机构、报警装置等组成。
1 控制系统
供水控制系统由可编程逻辑控制器、变频器、电控设备组成，安装在专门的控制柜中。
1）可编程逻辑控制器（PLC）:
它像人的大脑，是整个控制系统的核心。
它可以采集系统中的压力、工况、报警信号，分析数据信息，再处理运算，得出控制方案供水控制器，发送指令给变频器、接触器对执行机构实施控制。
2）变频器:
它是控制水泵电机转速的单元。
变频器通过接收跟踪PLC给出的控制信号来调节水泵的转速，其原理是通过改变运行频率来完成对
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