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基于PLC的变频恒压供水系统毕业论文
PLC的变频恒压供水系统
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，再加上目前能源紧缺，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。
本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。
最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。
本论文设计与实现通过MCGS进行数据传输的远程网络巡回监控系统。
具体讲述了系统的总体设计与软件的实现，并对系统采取的可靠性措施进行了说明。
关键词变频调速ＰＬＣ恒压供水MCGS监控系统
目录
引言
变频器恒压供水是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、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术与一体。
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，方便的实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好节能性，这在能量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。
第一章变频恒压供水系统简介
1.1变频恒压供水系统简介
随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。
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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。
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。
1.1.1变频恒压供水系统节能原理
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f（Q），如图1-1所示：
图1-1供水系统的基本特征
由图可以看出，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Q（u）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H与流量Q之间的关系HJ（Qu）。
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H越大，流量Q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Qc之间的关系Hf（Qc）。
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，如图中A点。
在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc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。
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。
1.1.2本课题的主要内容
本系统以一个供水系统作为被控对象，研究基于MCGS组态软件的供水监控系统设计，使系统获得较好的性能指标。
主要设计内容为：
了解供水系统的运行工艺情况，设计恒压供水控制系统的硬件电路；研究恒压变频供水的控制方法，开发MCGS组态软件的监控界面，完成系统监控调试，实现对系统的高性能控制。
第二章变频恒压供水系统的分析
2
2.1变频恒压供水控制系统构成
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，并且把电机和水泵连成一体，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。
变频器
水泵
用户管网
压力
压力变送器
给定值
+
-
图1-3恒压供水系统方框图
水压由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。
由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。
同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。
2
2.1
2.2变频恒压供水控制方式的优点
变频恒压供水设备的优点：
1．变频供水设备具有最佳的节能效果。
2．水泵机组实现软启动方式，多台水泵实现循序启动运行，噪音低并可延长其使用寿命和保证运行的可靠性。
3．调速运行，可方便地实现恒压供水、压力可调，可避免在火灾初期阶段或水泵检验时的超压问题。
4．变频供水设备全自动运行，使用方便。
图2.2供水系统方案图
2.3变频构成恒压供水系统的及工作原理
2.3.1系统的构成
图2.3系统原理图
如图2.3所示，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。
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。
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，图2.3中的3个水泵分为二种类型:
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。
恒速泵:
水泵运行只在工频状态，速度恒定。
它们用于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。
2、信号检测
在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:
（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。
（2）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。
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（PLC系统）、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。
4、人机界面
人机界面是人与机器进行信息交流的场所。
通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。
人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。
5、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
6、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、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，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。
2.3.2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。
2.4主电路接线图
电机有两种工作模式即：
在工频电下运行和在变频电下运行。
KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。
热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。
熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。
使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。
第三章器件的选型及介绍
3
3.1变频器简介
3.1.1变频器的基本结构与分类
1、变频器的基本结构
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。
变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。
其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
2、变频器的分类
变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
2.2
3.2变频器的选型
根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，如下图所示：
图3.1FR-A540的管脚说明
3.2.1变频器的接线
管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。
X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。
频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。
3.3压力传感器的接线图
压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。
改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力－电转换。
传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。
该传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，供电电源为28±3V（DC）。
图3.2压力传感器的接线图
第四章PLC控制及编程
4.1PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。
PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
4.2确定I/O点及选择PLC的选型
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FX2n-30MR。
3.3
3.4.1PLC的接线
Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。
X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。
为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。
在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。
频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。
3.4.2PLC的I/O分配表
项目
名称
序号
名称
备注栏
输
入
X0
SB8
启动
X1
SB9
停止
X2
FU
变频器FU端口
X3
OL
变频器OL端口
X4
FR1
水泵1过载保护
X5
FR2
水泵2过载保护
X6
FR3
水泵3过载保护
X7
SB1
水泵1工频开关
X10
SB2
水泵1变频开关
X11
SB3
水泵2工频开关
X12
SB4
水泵2变频开关
X13
SB5
水泵3工频开关
X14
SB6
水泵3变频开关
X15
SB7
自动/手动
输
出
Y0
KM0
水泵1变频运行
Y1
KM1
水泵1工频运行
Y2
KM2
水泵2变频运行
Y3
KM3
水泵2工频运行
Y4
KM4
水泵3变频运行
Y5
KM5
水泵3工频运行
Y6
Km6
Y7
变频器STF端子
Y10
报警
1.1.
3.4.3手动运行
当按下SB7按钮，用手动方式。
按下SB10手动启动变频器。
当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。
为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn（n=2,4,6）按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。
可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵.该方式仅供自动故障时使用。
3.4.4自动运行
由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制.
升压控制：
系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态.系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1处在调速运行状态.当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速;反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速.当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行;同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。
如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行.当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警。
降压控制：
当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。
当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。
3.5程序说明
1、自动运行部分
起动1#泵，按下起动按钮，系统检测采用那种运行模式。
如果按钮SB7没按，则使用自动运行模式。
变频起动1#水泵。
起动1#，2#泵，接收到变频器上限信号，PLC通过这个上限信号后将1#水泵由变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。
起动1#，2#，3#泵：
再次接收到变频器上限信号，则KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。
（2）手动运行部分
按下手动起动按钮SB10，手动起动变频器。
按下SB2,断开KM0，在10个计数脉冲后起动M1在变工频电源下运行。
按下SB4,断开KM2，在10个计数脉冲后起动M2在变频电源下运行。
按下SB6,断开KM4，在10个计数脉冲后起动M3在变频电源下运行。
按下SB1,断开KM1，在10个计数脉冲后起动M1在工频电源下运行。
按下SB3,断开KM3，在10个计数脉冲后起动M2在工频电源下运行。
按下SB5,断开KM5，在10个计数脉冲后起动M3在工频电源下运行。
（3）公用部分
当热继电器断开系统报警。
电机只能在一种频率下运行，当电机工频/变频同时打开时将发出警报且电机停止运行。
辅助继电器M1,M2,M3,…M9依次控制输出继电器Y0,Y1,Y2,…Y10
按下停止按钮，所有泵停止运行。
当按下停止开关，所有泵停止运行
第四章MCGS组态软件
4
4.1概述
MCGS（MonitorAndControlGeneratedSystem,通用监控系统）是一套全中文工控组态软件,用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行,通过对现场数据的采集处理,以动画显示,报警处理,流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,在自动有着广泛的应化领域用.它功能齐全，便于方案设计。
MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件能快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。
用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题，，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。
具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。
4.2MCGS组态软件的整体结构
MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。
两部分互相独立，又紧密相关。
图4.1MCGS组态软件的整体结构
4.3MCGS工程的五大部分
主控窗口：
是工程的主窗口或主框架。
在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
主要的组态操作包括：
定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
设备窗口：
是连接和驱动外部设备的工作环境。
在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
用户窗口：
本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：
生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。
实时数据库：
是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。
在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
运行策略：
本窗口主要完成工程运行流
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