基于plc的变频恒压供水系统大学本科方案设计书标准版2.docx
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基于plc的变频恒压供水系统大学本科方案设计书标准版2
在城市化进程迅速的今天，城市的居住形式主要是生活小区，那么小区供水系统的建设就显得尤为重要。
而且随着城市用水量不断增加，对供水系统的建设提出了更高的要求。
供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作。
本系统是针对居民生活用水而设计的一套由变频器、PLC、水泵机组等设备组成的自动变频恒压供水控制系统。
该系统将PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，能够最大程度满足需要，具有运行稳定、操作简单和高效节能等特点。
该系统对变频器内置PID模块参数进行预置，通过压力传感器对水压的反馈构成闭环控制系统；PID模块根据用水量的变化调节水泵的输出流量，实现恒压供水，并达到有效节能的目的。
本文首先介绍了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能原理；其次，对水泵机组的各种供水状态及转换的条件、水泵由变频转工频运行方式的切换过程进行分析，着重研究并提出了基于PLC和变频器的恒压供水系统的方案，并给出了硬件设计和PLC控制程序设计。
关键词：
PLC；变频调速；恒压供水
ABSTRACT
Intoday'srapidurbanization,urbanlivingismainlylivingquarters,thentheconstructionofresidentialwatersupplysystemisparticularlyimportant.Andwiththegrowingurbanwaterdemand,watersupplysystems,theproposedhigherrequirements.Economicsofwatersupply,reliabilityandstabilitytothedistrictresidentsdirectlyaffectedthenormallifeandwork.Thesystemisdesignedforhouseholdwatersetbythefrequencyconverter,PLC,waterpumpandotherequipmentconsistingofautomaticconstantpressurewatersupplycontrolsystem.SystemPLC,frequencyconverter,thecorrespondingsensorsandactuatorstogetherorganically,andplaytheirrespectiveadvantages,thecontrolsystemeasytooperate,notonlytothegreatestextenttomeettheneedsofstabilityandsecurityofitsoperatingperformance,simpleandconvenientmodeofoperation,andthecompleteandthoughtfulfeatures,willmakewatersavingwater,saving,laborsaving,highefficiencyhigh-qualityfinalrun,reliable,energy-savingpurposes.Thispaperintroducesthewaytoachievefrequencycontrolconstantpressurewatersupplyvalvecontrolcomparedtoconventionalenergy-savingprincipleofconstantpressurewatersupply.Converterbuilt-inPIDmoduleonthepresetparameters,usinghydraulicpressuresensorfeedback,closedloopsystem.Accordingtochangesinwaterconsumption,toPIDregulationmode,byadjustingthepumpoutputflow,constantpressurewatersupplyandefficientenergy.Thenitanalyzesthestateofpumpunitsandconversionofvariouswaterconditions,analysisofthepumpfrequencybythefrequencychangeoperatingmodeoftheswitchprocess.Importantpartsoffunctionalanalysis,focusingonresearchandputforwardbasedonPLCandfrequencyconstantpressurewatersupplysystemprogram,weregivencontrolofthehardwaredesignandPLCprogramming.
Keywords:
PLC。
frequencycontrol。
constantpressurewatersupply
绪论
研究背景
在城市化进程迅速的今天，城市的居住形式主要是生活小区，那么小区供水系统的建设就显得尤为重要。
供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作。
假定一栋楼有10层，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。
因此，自来水厂通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。
传统的供水方式如水塔高位水箱供水，单片机变频调速供水系统等都存在不同程度浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。
目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展。
变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出。
应用变频器恒压供水，因为水箱能大幅度减小，因此能有效地减小楼房的负载，由于减小了供水水箱和楼房的负荷，何以节约工程造价，相应地也扩大了楼房的面积。
由于采用了变频调速，减小了供水水泵的频繁启动，可以使水泵工作在高效状态，从而可以节约能源，减小对电网的冲击。
由于电动机所消耗的功率与转速的立方成正比，因此可以获得较好的节能效果。
二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击。
三是用变频器进行调速，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。
变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等尤其重要。
PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。
采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
变频恒压供水系统的国内外研究现状
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用PLC及相应的软件予以实现：
有的采用单片机及相应的软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。
原深圳华为电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出了厦压供水专用变频器，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。
可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。
因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。
供水系统安全性讨论
影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样的现象。
水锤效应具有极大的破坏性。
压强过高，将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。
此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。
而采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处：
（1）产生水锤效应的根本原因是：
水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。
采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现消除水锤效应，减少了对水泵及管道系统所受的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。
（2）降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长。
（3）变频调速的软启动器避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。
（4）减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。
本文的设计思想
本设计针对恒压供水控制系统包括软硬件方面在工业实际应用中具体作用进行详细的介绍。
系统将PLC、变频器（含PID）、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，这个操作方便的自动控制系统，以变频调速为核心，以智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。
使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。
变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率优质运行，降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。
系统的理论分析及方案的确定
调速方式的比较与选择
供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供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，如图2-1所示。
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，扬程与流量之间的关系。
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，扬程越大，流量也越大。
由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。
因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量间的关系。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2-1中交点。
在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，供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供水系统的基本特性曲线
对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。
所以，流量是系统的基本控制对象。
如前所述，流量的大小取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。
考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关：
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。
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。
因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。
即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供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。
变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。
通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。
因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。
根据电机学理论,交流电动机的转速公式为：
（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。
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戚正比，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。
变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。
因此，变频调速是交流异步电机中一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。
在供水系统中，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，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。
由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门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。
因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。
变频调速供水方式属于转速控制。
其工作原理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。
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[3]。
随着电子技术的发展、完善，变频调速所具有的调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。
而发展到现在为止交流电机的变频调速技术已经发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。
它改变了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，从而达到节能目的。
现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式可节电40％～60％，节水15％～30％，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。
控制系统方案
该系统主要有压力传感器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。
系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。
由于PLC+变频器组成的恒压控制方式灵活方便，便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，本文采用PLC与变频调速装置构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速，自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水[6]。
整个系统由一台PLC，一台变频器，水泵机组（本系统设计为3台），一个压力传感器，低压电器及一些辅助部件构成。
各部分功能如下：
（1）水泵用来提高水压以实现向高处供水；
（2）安装于供水管道上的远传压力表将管网水压力转换成电信号；
（3）变频调速器用于调节水泵转速以调节管网中水流量；
（4）PLC用于水泵的逻辑切换、控制等；
（5）外围辅助电路可以当自动控制系统出现故障时可以通过人工调节方式维持系统运行，以保障连续供水。
系统主要的设计任务是利用PLC控制系统使变频器循环控制3台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时对运行过程中的数据信号进行传输，处理。
通过压力传感器检测管道压力信号不断反馈给变频器，有变频器自动调节所控制水泵的电机转速，当变频器所控制的水泵达到工频时还不能满足要求时由PLC自动把那台水泵切换到工频运行，把变频器自动切换到下一台水泵使其软启动运行，当供水量减少时在自动进行切换，减少水泵运行台数，实现自动控制。
系统设计时考虑到水泵切换时电机的自感电动势现象，各种连锁保护及报警、应急措施。
系统总体框图如下：
图2-2系统总体框图
从整体框图中，我们可以看出系统由控制系统、执行机构、信号检测、人机界面、以及报警装置等部分组成。
（1）控制系统
控制系统包括PLC系统、变频器和电控设备三个部分。
①PLC系统:
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工况、压力、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）进行控制。
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。
③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/自动切换等。
（2）信号检测
在系统控制过程中，需要检测水压信号反馈信息和系统报警信号。
①水压信号:
反映了用户管网的水压值，是恒压供水系统保持恒压的关键反馈信号。
②报警信号:
监测系统是否正常运行，水泵是不是过载、变频器是否正常工作，为开关量信号。
（3）执行机构
执行机构就是一组水泵，它们协调工作，通过控制系统的增减泵工作，使得用户管网的水压保持恒定。
（4）报警装置
任何一个自动控制系统，都离不开报警装置。
为了保证系统稳定，安全运行，防止因水泵过载、变频器异常、电网出现大波动、水源中断、泵站内溢水等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，经PLC收集判断，进行各种显示和保护动作控制，维护系统安全稳定。
供水系统的控制流程
系统流程图如图2-3所示。
变频调速恒压供水系统中压力传感器将主水管网压力信号转换成电信号再经PID运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速和泵水量以使管网的压力稳定，由此构成压力闭环控制系统。
变频器的上、下限频率信号及其持续时间长短可作为PLC进行逻辑切换、起停泵的依据。
图2-3变频调速恒压供水系统流程图
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，当将最后一台正在运行的水泵置于低速运行。
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，才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
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