基于PLC控制的恒压供水系统设计Word下载.docx
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关键词：
PLC；
变频调速；
PID控制；
恒压供水
ABSTRACT
Accordingtothecitywatersupplysystem,thispaperdesignedaPLC-basedcontroloffrequencycontrolwatersupplysystem.ThesystemconsistsofPLC,inverter,waterpump,pressuresensorsandotheraccessories.
Thesystemusesfrequencyconverterthree-phasepumpmotorofthesoftstartandfrequencycontrol,anduse"
firststartfirststop"
principletoswitchtorunthepump.PressuresensorstodetectpressuresignalsintothePLCcomparedwiththePIDsetpointoperationandthuscontroltheinverteroutputvoltageandfrequency,therebychangingthewaterpumpmotorspeedandwatersupply.Itmakesthepipenetworkwaterpressureisalwaysmaintainedaroundthesetvalueinordertoachieveconstantpressurewatersupply.
Keywords:
PLC;
frequencycontrol;
PIDcontrol;
constantpressurewatersupply
1绪论
1.1课题的背景及意义
城市中各类小区的供水系统是小区众多基础设施当中的一个重要组成部分。
由于传统的小区供水方式具有各自不同的缺陷，如恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，供水机组运行效率低、耗电量大，电动机硬启动易产生水锤效应等缺点，传统供水系统的工作性能直接影响到小区居民的正常生活。
另一方面，由于供水的随机性，采用传统方法供水难以保证实时，水泵的选择往往是由最大供水确定，而最高水位时间短，使泵在一段很长的时期有大幅度的，不仅泵效低，水压不稳定，造成了浪费大量电力，远远不能满足生活和生产需要。
随着电力电子技术和计算机技术的发展，变频调速供水系统由于成本低，施工简便，节能效果显着，自动化控制，无二次污染，已被越来越广泛的应用。
PLC性能稳定，成本低，功能强大，编程方便的特点，采用变频控制技术相结合，设计了基于可编程控制器的变频调速供水系统。
该设计以最小的投资体制，实现了多功能供水系统要求。
在提倡节能减排的今天，具有很好的经济和社会意义。
1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状
从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水系统在设计时都采用一台变频器只带一台水泵的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵的情况，因而投资成本高。
随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性提高，国外厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，日本Samc公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”和“变频泵循环方式”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。
虽然这些设备采用微型电路结构，降低设备成本，但缺乏灵活性输出接口，系统的动态性能和稳定性不高，和其他监测系统和组态软件是很难实现数据通信，带负荷能力的限制，所以在实际使用的范围将是有限的。
目前国内公司在做恒压供水系统，但变频控制大部分是用国外的技术，系统的动态性能、稳定性能、抗扰性等多方面的技术，还没能达到用户的要求。
由此可以看出，国内和国际研究变频调速恒压供水系统中，在与现代控制技术，网络和通信技术系统相结合，闭环压力控制方面做的是不够的。
因此，需进一步研究，以提高恒压供水系统的性能，使其能更好地应用于生活和生产实践。
1.3本课题主要研究内容
本课题从实际应用出发，针对一般系统中存在的几个缺陷，设计出了基于PLC的变频调速恒压供水系统，具有以下优点：
（l）系统具有较高的恒压精度。
（2）系统能长时间稳定可靠运行。
（3）有友好的用户操作界面。
2恒压供水系统总体方案设计
2.1系统的主要结构及组成
本设计中，系统的控制机构由PLC和通用变频器构成，系统的整体结构如图2-1所示。
可以看出，水泵拖动机组﹑供水管道﹑水泵机组的控制单元以及信号检测环节构成生活小区的供水系统。
图2-1中，液位检测机构把测量的水箱水位信号送入到变频控制柜，经过PLC程序的运算处理，输出运行与停止控制信号，控制水泵启动与停止工况的转换。
图2-1生活小区公示系统示意图
2.2PLC概述及其系统组成
PLC是一种数字运算操作的电子系统，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，逻辑运算，顺序控制，定时可编程记忆，计数等面向用户的指令，通过数字输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器和外部设备和工业控制系统轻松地联成一个整体，以扩大其功能设计的原则。
如图2-2所示为可编程控制器的结构。
图2-2可编程控制器的基本结构。
PLC有着其它工业控制设备难具备的优点:
高可靠性，丰富的I/O接口模块，采用模块化结构，编程方便，易于使用。
2.3变频器简介及选型
2.3.1变频器简介
交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。
微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。
我们知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50Hz。
而交流电动机的同步转速
式中
---同步转速，r/min；
---定子频率，Hz；
---电机的磁极对数。
而异步电动机转速
。
---异步电机转差率，
，一般小于3%，均与送入电机的电流频率成正比例。
因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。
2.3.2变频器的基本结构
依据频率变换的形式来分，变频器分为交-交和交-直-交两种形式。
交-交变频器将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。
而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。
然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电．又称间接式变频器。
市售通用变频器多是交-直-交变频器，其基本结构图如图2-3所示，
图2-3交-直-交变频器的基本结构
它由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下：
（1）整流器。
电网侧的变流器是整流器，其作用是把三相（可以是单相）交流整流成直流。
（2）直流中间电路。
直流中间电路的作用是平滑输出电流，以确保逆变电路和控制电源得到高品质的直流电。
由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载。
所以其功率因数总不会为1。
因此，中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换。
（3）逆变器。
负载侧的变流器为逆变器。
逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。
逆变电路的输出就是变频器的输出。
（4）控制电路。
变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、栅极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。
其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。
一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。
直流中间电路的储能元件在整电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。
逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。
有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。
图2--4为电流型变频器主电路基本结构示意图。
图2-4电压型变频器和电流型变频器主电路基本结构
（a）电压型变频器主电路；
（b）电流型变频器主电路
3系统硬件选择及系统电路设计
根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3-1所示：
图3-1系统的电气控制总框图
由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：
（1）PLC及其扩展模块、
（2）变频器、（3）水泵机组、（4）压力变送器、（5）液位变送器。
主要设备选型如表3.1所示：
表3-1本系统主要硬件设备清单
主要设备
型号及其生产厂家
可编程控制器（PLC）
SiemensCPU226
模拟量扩展模块
SiemensEM235
变频器
SiemensMM440
水泵机组
SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限公司）
压力变送器及显示仪表
普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪
液位变送器
分体式液位变送器DS26
3.1硬件选择
3.1.1PLC及其扩展模块的选型
PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。
因此在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力等多方面因素。
由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用SIEMENS公司的S7-200型。
S7-200型PLC具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统；
又具有可靠性高，可扩展性好，有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点。
根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；
开关量输入为24点，输入形式为+24V直流输入。
由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入（AIW），1个模拟输出（AQW）信号通道。
输入和输出信号，可自动完成A/D转换，标准输入信号可以转换成一个字数字信号，输出信号则可以自动完成端口的D/A转换，一个字的数字信号转换成标准的输出信号。
EM235模块由DIP设置不同的标准，切换输入信号。
3.1.2变频器的选型
变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。
变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。
由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，选择西门子的MicroMaster440变频器。
它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。
它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。
MicroMaster440变频器的输出功率为0.75~90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。
3.1.3水泵机组的选型
水泵机组选型基本原则，一是要确保平稳运行；
二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。
要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。
本设计的要求为：
电动机额定功率75KW，供水压力控制在0.3±
0.01Mpa。
根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定采用3台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。
它可用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。
3.1.4压力变送器的选型
压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，作为模拟输入模块（A/D模块）的输入。
在选型时，为防止传输过程中的干扰与损耗，通常采用4~20mA输出压力变送器。
在运行过程中，当压力变送器出现故障时，系统有可能启动所有的水泵，如果此时的用水量又达不到，则会造成水压过高。
为防止爆管和超高水压损坏用水设备，本设计中的供水系统采用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，系统关闭所有水泵并报警输出。
供水系统的压强是
，下面单位都是估计标准单位
，g=9.8，一般情况下，h<
60米，所以本系统供水系统输出压力一般小于或等于0.6Mpa，据以上综合分析，系统选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。
压力表测量范围0~1Mpa，精度0.01；
数显仪输出一路4~20mA电流信号，送给与CPU226连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。
3.1.5液位变送器选型
考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。
本设计要求贮水池水位：
2m~5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准信号（4~20mA电压信号），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入PLC。
综合以上因素：
本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为DS26分体式液位变送器，其量程为：
0m~200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；
零点和满量程外部可调；
供电电源：
24VDC；
输出信号：
两线制4~20mADC；
精度等级：
0.25级。
3.2系统主电路分析及其设计
基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3.2所示：
三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。
接触器KM1、KM3、KM5分别控制水泵机组M1、M2、M3工频运行；
接触器KM2、KM4、KM6分别控制水泵机组M1、M2、M3变频运行；
FR1、FR2、FR3为过载保护用的热继电器；
QS1、QS2、QS3、QS4为主电路的隔离开关；
FU为主电路的熔断器。
图3-2变频恒压供水系统主电路图
本设计采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。
因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。
三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。
当电机工频运行时，应先断开变频器的隔离开关和其输出端的接触器，再把工频回路的接触器和隔离开关接通。
主电路中的低压熔断器除接通电源外，还可实现短路保护，每台水泵的过载保护由相应的热继电器FR实现。
变频和工频两个回路决不能同时接通，而且变频器的输出端绝不能直接接电源，必须经过接触器的触点。
当电动机接通工频回路时，应先断开变频回路接触器的触点。
相应地从工频转换为变频时，工频接触器也应先断开，才可接通变频器输出端接触器，因此KM1和KM2，KM3和KM4，KM5和KM6不允许同时动作，相互之间必须有可靠的互锁。
为监视电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4~20mA电流信号送至上位机来显示。
系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路，而需通过变频器实现软启动和软停。
手动控制系统时，必须采用降压启动或软启动的方式以降低启动电流，本设计采用软启动器。
3.3系统控制电路分析及其设计
系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，采用西门子公司S7-200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。
PLC用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要实现以下功能：
自动控制三台水泵的投入运行；
能在三台水泵之间实现变频泵的切换；
三台水泵在启动时要有软启动功能；
对水泵的操作要有手动/自动控制功能。
如图3.3为电控系统控制电路图。
图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；
打在2的状态为自动控制状态。
手动运行时，可用按钮SB1~SB6控制三台水泵的启/停；
自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
图3-3变频恒压供水系统控制电路图
注：
PLC各I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节I/O端口分配中将详细介绍。
图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。
对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。
图中的Q0.0~Q0.5及Q1.1~Q1.5为PLC的输出继电器触点，他们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合下节中图3-4一起读图。
本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：
（1）手动控制：
手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。
单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。
SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。
只有当SB2按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。
同理，可以通过按下SB3、SB5启动电机M2、M3，通过按下SB4、SB6来使电机M2、M3停机。
（2）自动控制：
在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。
单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。
Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。
当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。
同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。
当Q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL7点亮；
当Q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯HL8点亮；
当Q1.3输出1时，白天供水模式指示灯HL9点亮；
当Q1.4输出1时，报警电铃HA响起；
当Q1.5输出1时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位；
处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL10一直点亮。
3.4PLC的I/O端口分配及外围接线图
基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：
（1）由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。
白天，小区的用水量大，系统高恒压值运行；
夜间，小区用水量小，系统低恒压值运行。
（2）在用水量小的情况下，如果一台水泵连续变频运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵”功能，以防止某一台水泵工作时间过长。
倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。
（3）考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。
（4）三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
（5）系统要有完善的报警功能。
根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址如表3-2所示。
表3-2输入输出点代码及地址编号
名称
代码
地址编号
输入信号
供水模式信号（1-白天，0-夜间）
SA1
I0.0
水池水位上下限信号
SLHL
I0.1
变频器报警信号
SU
I0.2
试灯按钮
SB7
I0.3
压力变送器输出模拟量电流值
Ip
AIW0
输出信号
1#泵工频运行接触器及指示灯
KM1、HL1
Q0.0
1#泵变频运行接触器及指示灯
KM2、HL2
Q0.1
2#泵工频运行接触器及指示灯
KM3、HL3
Q0.2
2#泵变频运行接触器及指示灯
KM4、HL4
Q0.3
3#泵工频运行接触器及指示灯
KM5、HL5
Q0.4
3#泵变频运行接触器及指示灯
KM6、HL6
Q0.5
水池水位上下限报警指示灯
HL7
Q1.1
变频器故障报警指示灯
HL8
Q1.2
白天模式运行指示灯
HL9
Q1.3
报警电铃
HA
Q1.4
变频器频率复位控制
KA
Q1.5
变频器输入电压信号
Uf
AQW0
结合系统控制电路图3.3和PLC的I/O端口分配表3-2，画出PLC扩展模块外围接线图，如图3-4所示：
图3-4PLC及扩展模块外围接线图
本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字量和1个模拟量。
压力变送器将测得的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；
开关SA1用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入I0.0；
液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入窗口比较器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平1，送入I0.1；
变频器的故障输出端与PLC的I0.2相连，作为变频器故障报警信号；
开关SB7与I0.3相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作。
本变频恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。
Q0.0~Q0.5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；
Q1.1输出水位超限报警信号；
Q1.2输出变频器故障报警信号；
Q1.3输出白天模式运行信号；
Q1.4输出报警电铃信号；
Q1.5输出变频器复位控制信号；
AQW0输出的模拟信
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