基于PLC小区变频恒压供水系统.docx
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基于PLC小区变频恒压供水系统
摘要
随着社会主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出具有高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。
本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。
变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器等构成。
本系统包含3台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。
采用变频器实现对水泵电机的软启动和变频调速。
压力传感器检测当前水压信号，送入变频器与设定值比较后进行PID运算，改变变频器的输出频率调节水泵电机的转速；压力信号与工频变频的切换信号同时送入PLC中，通过变频泵循坏方式来调节总供水量，使管网压力稳定在设定值。
本设计完成了系统的硬件设计，包括电器元件的选型以及系统电路的设计；完成系统的软件设计，包括系统流程图的设计与系统程序的设计。
关键词 变频调速恒压供水PLC
Abstract
Withthedevelopmentofthesocialistmarketeconomy，people'swaterqualityandreliabilityrequirementsandcontinuouslyimprovethewatersupplysystem；coupledwiththecurrentenergyshortage，theuseofadvancedautomationtechnology，controltechnologyandcommunicationtechnology，designahigh-performance，high-energy，abletoadapttodifferentareasofwatersupplysystemshasbecomeaninevitabletrend。
AccordingtoChina'surbanresidentialwaterrequirements，designaPLC-basedfrequencycontrolwatersupplysystem。
Constantpressurewatersupplysystemconsistsofaprogrammablecontroller，inverter，waterpumps，pressuresensors。
Thesystemincludesthreepumpmotor，theyformtheloopvariablefrequencyoperationmode。
Inverterisusedtoachievethepumpmotorsoft-startandfrequencycontrol。
HydraulicpressuresensordetectsthecurrentsignalintothePIDoperationaftersettingcomparedwiththeinverter，changetheoutputfrequencyoftheinvertertoadjustthepumpmotorspeed；pressuresignalwithfrequencyinverterswitchingsignalsaresimultaneouslysenttothePLCviapump-waythroughthebadtoadjustthetotalamountofwater，thepipenetworkpressurestabilizedatthesetvalue。
Thecompletedesignofthehardwaredesignofthesystem，includingtheselectionoftheelectricalcomponentsofthecircuitandsystemdesign；completesystemsoftwaredesign，includingthedesignofthesystemdesignandsystemflowchartoftheprogram。
Keywords Variablefrequencyspeed-regulatingConstant-pressurewatersupplyPLC
第1章绪论
1.1课题背景
目前，居民生活用水和工业用水日益增加。
由于居民日常用水和工业用水会随季节、昼夜等变化而随之发生变化，如采取传统的供水方式不仅影响生活也不利于资源的优化配置。
传统的供水系统已经不能满足人们的需求，为了能更合理的分配资源，使能最大限的为人们所用，可采用变频恒压供水方式来代替传统的供水系统，以达到供水稳定，满足人们需求，合理优化分配等目的[1]。
本文介绍的是关于变频恒压供水系统的设计，因为变频恒压供水系统有高效节能，恒压供水，安全卫生，自动运行，管理简便等优点，非常适合现在的国民需求。
变频恒压供水系统根据用水量的变化，自动调节运行参数，在水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。
变频调速是现在优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等）的技术，是当今国际上一项效益最高、性能最佳、应用广泛、最有发展前途的电机调速技术[2]。
它采用了微机控制技术，电力电子技术和电机传动调速技术实现了工业交流电动机的无极调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有可靠性高，抗干扰能力强，组合灵活，变成简单，维修方便和低成本低能耗等诸多特点。
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，方便实现供水系统的集中管理和监控；同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计系统，对于调高企业效率以及人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义[3]。
1.2变频恒压供水系统的国内外的发展状况
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网
压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。
从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。
即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一）后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。
它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机（泵）的供水系统。
这类设备虽然说是微化了电路结构，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，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（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、抗干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（现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团〔森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器（2。
2kw-30kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环（月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换）[4]。
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[5]。
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（EMC）的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。
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、生产实践中。
采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。
这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件。
实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。
因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。
变频调速是优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等），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。
它采用微机控制技术；电力电子技术和电机传动技术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。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点[6]。
1.3本课题的主要研究内容
设计是以供水系统为设计对象，采用PLC和变频技术相结合技术，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理，保证供水系统安全可靠的运行。
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器、和水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有3台泵所有泵可
设计成变频循环软启动的工作方式；采用PID算法实现水压的控制；FX型系列PLC控制变频及现场设备的运行；系统具有自动/手动操作功能；具有故障自诊和自处理能力，并发出报警信号。
根据以上控制要求，进行系统的总控制方案设计。
硬件设备选型、PLC选型、估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图：
包括系统硬件配置图、I/O连接图、分配I/O点数，列出I/O分配表，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。
第2章恒压供水系统理论分析
2.1变频恒压供水系统
2.1.1变频恒压供水系统特点
变频恒压供水系统能适用生活水、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：
（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，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（包括定量泉的停止和运行）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。
（6）水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。
（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[7]。
2.1.2变频恒压供水系统的节能原理
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。
在供水系统中，通常以流量控制为目的，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[6]。
2.2变频恒压供水系统控制方案的确定
2.2.1控制方案的比较和确定
恒压变频供水系统主要有压力变送器、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起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和监控。
根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：
（1）有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。
它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。
其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。
（2）通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+压力传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。
该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
（3）通用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+压力传感器
这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。
该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关[8]。
通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。
这种控制方案既有扩展功能灵活方便、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。
2.2.2变频恒压供水系统控制流程
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2-1所示：
图2-1变频恒压供水系统控制流程图
从图2-1中可看出，系统可分为：
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（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，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频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；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。
（2）信号检测机构：
在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、变频器信号和报警信号。
管网水压信号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A/D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；报警信号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。
（3）控制机构：
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。
供水控制器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（即水泵机组）进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其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。
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PLC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。
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。
2.2.3水泵切换条件分析
在上述的系统工作流程中，我们提到当变频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，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频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，此时需要减少工频泵来减少供水流量，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呢?
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。
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。
所以选择50HZ和20HZ作为水泵机组切换的上下限频率。
当输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。
若出现
时就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力一下就超过了设定压力。
在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力超过设定供水压力，而新增加的机组在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。
如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入—切出—再投入—再切出地循环下去，这增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中，实际供水压力也会在很大的压力范围内震荡。
这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。
另外，实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。
所以，在实际应用中，相应的判别条件是通过对上面
两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。
实际的机组切换判别条件如下：
加泵条件：
且延时判别成立
减泵条件：
且延时判别成立
式中：
：
上限频率
：
下限频率
：
设定压力
：
反馈压力
2.3供水系统的安全性问题
2.3.1水锤效应
异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有在0。
25S。
这意味着在0。
25S的时间里，水的流量从零增到额定流量。
由于水具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。
压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。
水锤效应具有极大的破坏性，压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。
此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。
在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。
这也同样会引起压力冲击和水锤效应。
2.3.2水锤效应的消除
采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为减小。
在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小，从而彻底消除了水锤效应[9]。
2.3.3延长水泵寿命的其他因素
水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。
此外，由于水泵平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使：
（1）叶片承受的应力大为减小。
（2）轴承的磨损也大为减小。
所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。
第3章系统硬件设计
3.1系统主要设备选型
3.1.1简
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