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基于plc控制的恒压供水系统

成人高等教育毕业设计（论文）

题目：

基于PLC控制的恒压供水系统

专业：

电气工程自动化技术

班级：

学生：

指导教师：

年

摘要

随着我们国家社会和经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施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正常工作和生活，也直接体现了供水管理水平的高低。

传统供水厂，特别是中小供水厂所普遍采用的恒速泵加压供水方式存在效率较低、可靠性不高、自动化程度低等缺点，难以满足当前经济生活的需要。

随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，需要利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，要求设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。

本文阐明了供水系统的变频调速节能原理，具体分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，得出结论：

变频调速是一种优于调压调速、机械调速等其他调速方式的方案，也是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术，它集微机控制技术、电力电子技术和电机传动技术于一体，实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点的结论。

因此本文以采用变频器和PLC组合构成系统方式，逐步阐明如何实现水压恒定供水得实现[1]。

最后，从分析恒压变频供水的可行性，改造的理论、技术、经济可行性等方面，确定变频器的参数，设计变频主电路、变频电机的运行模式、控制模式及流程。

关键词：

恒压供水，变频调速，PLC

ABSTRACT

WiththedevelopmentofChina'ssociallife,thedeepeningofhousingreform,thecontinuousimprovementoflivingstandards,rapiddevelopmentofurbanconstruction,butalsoonahigherinfrastructuredemands，

Theconstructionofurbanwatersupplysystemisoneimportantaspectofwatersupplyreliability,stability,economydirectlyaffecttheuser'snormalworkandlife,butalsodirectlyreflectsthelevelofwatersupplymanagement，Traditionalwatersupplyplant,inparticularsmallandmediumwaterplantwidelyusedbytheconstantspeedpumppressurethereislessefficientwatersupply,reliabilityisnothigh,lowautomationshortcomings,cannotmeetthecurrentneedsofeconomiclife，

Thispaperhighlightstheenergysupplysystemfrequencycontroltheory,detailedanalysisoftheprincipleofvariablefrequencyandconstantpressurewatersupplysystem,thecompositionofthestructureandproposedadifferentcontrolscheme,throughresearchandcomparison,concludedthat:

akindoffrequencycontrolisbetterthansurgespeed,mechanicalspeedgovernormeansotherprograms,isalsoabenefitoftoday'sinternational,highestperformance,mostwidely,themostpromisingofmotorcontroltechnology，Itcombinescomputercontroltechnology,electricpowerelectronicsandmotordrivetechnology,andimplementationofindustrialvariablespeedACmotorswithhighefficiency,widerangeandhighprecisioncharacteristicsoftheconclusions，ThisarticleincombinationswithfrequencyconverterandPLCsystemstepbysteptoclarifyhowtoachieveaconstantwaterpressurewasachieved，

Keywords:

Constantpressurewatersupply,Frequencyconversionspeed,PLC

1概述

目前国内，除了高压变频供水系统，多数恒压供水变频系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。

以中小水厂供水环境来说，由于其包括了自来水生产系统，其温湿度及腐蚀程度都大于常见小区和加压泵站，在水泵组搭配上、需要处理的信号（如水质信号停机管理）也多于小区供水系统，所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。

1.1变频恒压供水产生的背景和意义

水是人们生活必不可少的重要组成部分，但由于近些年来，随着人们生活水平的提高，楼房的层数也在不断的剧增。

再加上受到输送管道和供水设施的影响，使居民的生活用水存在着自来水管网压力不足的现象，尤其是供水高峰期的高层供水尤为突出,给人们的生活带来了许多困扰。

以前为了解决用水难的问题，通常会在楼顶固定一个高位水箱，通过水箱的高度给水提供一定压力，再供给用户使用。

但这种方案明显非常落后，不仅投资大而且不利于房屋的维护和抗震。

上个世纪80年代后，气压供水逐渐替代了高位水箱供水。

但这种供水方式依旧存在很多缺陷。

气压供水所需要的设备的主要部件是压容器，其成本高，耗钢量大，结构复杂，而且水泵功率较大，反复启动，不仅影响电网，耗费电力资源，而且严重缩短了水泵和电磁设备寿命。

尤其是气压供水水压变化较大，缩短了水网，阀门，水表的使用寿命。

而水压过高会导致水管爆裂，造成水资源的大量流失。

而水压过低，则会造成用户供水不足或无法供水。

对于工业生产和特殊用途的供水而言，供水就更显得异常重要，例如在工业生产中如突然供水不足或断水，就可能会对产品的安全卫生产生某些不良影响。

而对于灭火水源来讲，供水不足则更加致命，对人民的生命财产安全造成极大隐患。

面对这些问题，恒压供水的重要性已经不言而喻。

本文的课题就是恒压供水控制器的设计。

该控制器通过检测水管中的水压得到的数据，通过对变频器输出频率的控制来调节水泵电机的转速，使之形成一个闭环控制系统，可以令管网中的水压自动的保持在事先设定好的压力值范围内[3]。

当用户的用水量增加时，管网中的水压下降，恒压供水控制器通过加大变频器的输出频率，从而使水泵转速加快，供水量相应增多，如果一台水泵不能满足用户的供水量，那么则通过控制器加泵；当用户用水量减少时，管网中水压上升，控制器减小变频器输出频率，使水泵转速降低，供水量减少，如水泵转速降到最低还高出所需供水量，则关闭一台水泵。

简单来说就是根据用户用水量的大小，通过恒压供水控制器对水泵的数量和转速的控制，从而使用户无论用水量的多少，管网中的水压始终能保持在设定范围内。

既满足了用户供水量的要求，又不会是水泵空转，造成电能的浪费，同时避免了水箱造成的二次污染。

是一种现代化的供水方案。

随着PLC与变频器技术的发展，结构简单，节省资源，抗干扰能力强，可靠高效的恒压供水系统将是高层建筑供水的研究方向[2]。

本文主要采用了PLC控制的恒压供水系统，PLC通过传感器检测得到的水压信号，与设定的水压数值比较，再通过调节变频器的输出频率来控制水泵的数量和转速，达到恒压供水的效果。

变频恒压供水系统能适用于生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点[4]：

（1）供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。

（2）用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。

（3）变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、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。

（4）在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵（即为每转的理论排量不变的泵）的加入控制，而定量泵的控制是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。

（5）当出现意外的情况（如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。

在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

（7）用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

1.2变频供水系统应用范围

变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:

（1）小区恒压供水系统：

这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kw以下，控制系统简单。

（2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统：

这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。

这类变频器电机功率在135Kw和320Kw之间，电网电压通常为220V或380V。

（3）大型供水厂的变频恒压供水系统：

这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大（一般都大于额定功率）、机组多、多数采用高压变频系统。

这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。

1.3变频供水系统的发展趋势

变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展。

在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。

同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品[5]。

目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。

但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。

1.4本文主要内容

本文在通过对PLC恒压变频供水的技术和原理分析的基础上，提出了一套基于PLC变频恒压供水系统的可行性方案，并选择出了相应的器件，从而使系统通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过变频器来控制改变水泵转速。

用高低水位控制器来控制注水阀YV1，当其自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。

水池的高、低水位信号也直接送给PLC作为低水位报警用。

为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离相差不是很大。

生活用水和消防用水共用三台泵，平时电池阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行。

当有火灾发生时，电池阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行[6]。

火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。

2变频恒压供水系统构成及工作原理

此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。

由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。

如图2-1所示，是这栋小楼的供水流程[7]。

自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。

通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。

图2-1供水流程简图

消防用水

市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，其自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。

水池的高、低水位信号也直接送给PLC作为低水位报警用。

为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离相差不是很大。

生活用水和消防用水共用三台泵，平时电池阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行。

当有火灾发生时，电池阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。

火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。

下图2-2即为生活、消防双恒压供水系统工艺流程图。

生活用水

市网来水

YV2

YV1

EQ

1号泵

2号泵

水池

3号泵

图2-2双恒压供水系统工艺流程图

2.1系统的构成

整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成[8]。

三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，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，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。

从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。

2.1.1执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，通常这些水泵包括:

（1）调速泵:

是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。

（2）恒速泵:

水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。

此外，通常一些变频系统还会增设附属小泵，它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下（例如:

夜间）对管网用水量进行少量的补充。

2.1.2信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号[9]:

（1）水压信号:

它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。

此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行冉刃转换。

另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。

检测结果可以送给PLC，作为数字量输入。

（2）液位信号:

它反映水泵的进水水源是否充足。

信号有效时。

控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。

此信号来自在安装于水源处的液位传感器。

（3）报警信号:

它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。

2.1.3控制系统

供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器、变频器和电控设备三个部分:

（1）供水控制器:

它是整个变频恒压供水控制系统的核心。

供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵成行控制，

（2）变频器:

它是对水泵进行转速控制的单元，变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。

根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有如下两种工作方式:

a，变频循环式:

变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。

b，变频固定式:

变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。

变频器的电控设备它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成，用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中等工作[10]。

2.1.4通讯接口

通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换;同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。

2.1.5报警装置

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。

由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由P比判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

2.2工作原理

合上空气开关，供水系统投入运行。

将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。

根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。

变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。

同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵（或第3台泵）。

当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。

此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。

增泵工作过程：

假定增泵顺序为l、2、3泵。

开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。

当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。

当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。

在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。

如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。

减泵工作过程：

假定减泵顺序依次为3、2、1泵。

当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。

如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。

2.3变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析

在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的。

当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泉来减少供水流量，达到恒压的目的。

那么何时进行切换，刁能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换。

尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。

当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。

由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。

当变频器的输出频率己经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。

要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。

另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。

其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降低到0Hz。

因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。

这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。

这个频率远大于0Hz,具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz左右。

由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。

在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。

所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间（比如1-2分钟），如果在这一段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。

3基于PLC的变频恒压供水系统设计与实现

水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。

控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。

系统所需的输入／输出点数量共为24个点。

本系统选用FXos-30MR-D型PLC。

3.1控制要求

对三台泵的生活、消防双恒压供水系统的基本要求如下：

（1）生活供水时，系统应保持低