基于PLC的变频恒压供水系统设计.docx
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基于PLC的变频恒压供水系统设计
题目基于PLC的变频恒压供水系统设计
英文题目DesignofVariableFrequencyConstantPressure
WaterSupplySystemBasedOnPLC
作者声明
本人以信誉郑重声明：
所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。
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对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。
特此声明。
毕业设计（论文）作者（签字）：
年月日
本人声明：
该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。
学位论文指导教师签名：
年月日
摘要
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,并利用组态软件开发良好的运行管理界面。
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。
系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。
采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。
压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。
通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。
变频恒压技术集低成本、高度自动化、高稳定性、高可靠性、高效节能、方便调试等优点于一身。
当前变频恒压控制正逐步走向全数字化控制和各种体系化的发展方向。
追求高度智能化、系列化、标准化，在将来给水系统设备将占领城镇各个楼层、各个用水单位的绝大部分市场。
关键词：
变频器；PLC；传感器；恒压供水；调速
Abstract
AccordingtotherequirementsoftheChineseurbancommunitywatersupply,thispaperdesignedasetoffrequencyconversionvelocitymodulationconstantpressurewatersupplysystembasedonPLC,andbyusingconfigurationsoftwaretodevelopagoodoperationmanagementinterface.Frequencyconstantpressurewatersupplysystembyprogrammablecontroller,inverter,pump,pressuresensor,etc.Systemconsistsofthreewaterpumpmotor,theiroperationmodeoffrequencyconversioncycle.Adoptinverterforthree-phasepumpmotorsoftstartandfrequencycontrolofmotorspeed,runningswitchbasedontheprincipleof"inceptiontostop".Thecurrenthydraulicpressuresensorsignal,intoaftercomparedwiththesetvalueofPIDofPLC,frequencyconvertertocontroltheoutputvoltageandfrequency,andchangethewaterpumpmotorspeedtochangewatersupply,eventuallymaintainstabilityofthepipenetworkpressurenearthesetpoint.ThroughtheindustrialcomputerandPLCconnection,usingconfigurationsoftwaretocompletethesystemmonitoring,thedynamicrunningstatedisplayanddata,alarmqueries.
Frequencyconversionconstantpressuretechnologycollectionoflowcost,highautomation,highstability,highreliability,highefficiencyandenergysaving,convenientdebugging,etc.Currentfrequencyconversionconstantpressurecontrolisgraduallytowardsthedevelopmentdirectionoffulldigitalcontrolandavarietyofsystematism.Pursuitofhighlyintelligent,seriation,standardization,andinthefuturewatersupplysystemequipmentwillbeoccupiedtownseachfloor,eachunitofwatermostofthemarket.
Keywords:
transducer；PLC；sensorconstant；pressurewatersupply；speedregulation
绪论
1.1课题的提出及其意义
.
目前，不论城市还是农村用水量都在增长。
不同的时间，不同的季节，不同的地理环境和人口数量等都或多或少的会影响到用水量，老的供水方式不能满足居民的用水需求和用水安全。
供水压力是否恒定对于工业生产和一些用户来说是非常重要的，如果遇到紧急情况，由于水压的不稳定而导致发生的火灾，甚至导致了人员的伤亡，那将后悔莫及。
而由于用水量的多少是时时刻刻都在变动的，人多的时候自然压力大，人少时压力低。
确保管道压力变化很小，实现用水与供水基本平衡。
这不仅保障了用户用水安全，减少事故的发生，还起到了节约水资源的目的。
因此老的给水设计早已不能达到人们的需求。
要想满足人们的这一需求减少水资源的浪费，采用变频恒压给水设计，摒弃以前的设计，无疑是目前非常合理、可高、方便、安全、节能、省心的选择。
我国是个水资源缺乏的国家，另外我国的水泵机虽然数量多、范围广、类型多，在技术上也有自己的一定水平，但是和发达国家相比还有不小的差距。
使用变频恒压技术不仅具有上述意义，还能为我国水泵机的研究发展出力。
因此，本论文的研究设计具有多个重要意义。
1.2供水系统的国内外发展及现状
变频调速技术发展快速的后几年内变频恒压也快速的发展起来，由于国外生产的变频器的功能一般都限于速度控制，从制动控制、频率控制、变频调速、正反转控制、控制和各种保护功能。
变频恒压供水系统的实施机构，为满足不同的供水规模的需求，以确保恒定的压力管道，需要增加压力控制器和外部的压力传感器，与外部的压力传感器，形成闭环控制。
目前，这类项目的恒压供水系统中存在着大量的企业在做；其中绝大部分水管的调节、管网压力的检测和转速的调节等都是用的发达国家的变频器，还有些厂家用的是单片机；有的采用PLC来控制及相应软件予以实现。
但在一些其他方面还达不到特殊客户的具体要求。
如稳定性、动态平衡性等。
从搜查的文件资料来看，有多数国外的设计采用的是一台变频器控制只控制了一台水泵机组，因此存在成本较高的情况。
德国人在1964年最先提出把通信技术中的脉宽调制和PWM技术结合到交流传动中。
从20世纪80年代后半期开始，从上世纪80年代的后半部分，基于变频调速技术的通用变频器已经商业化并广泛应用于美国、日本、德国、英国等发达国家。
在我国，通过电动机消耗掉的电量占了60%，因此如何通过电机调速技术进来达到节约电能的目的，一直备受到国家相关单位和专业人士的重视。
目前，我国从事变频恒压设计的工作单位约有200家左右，但自己研发生产的变频产品和发达国家研发的同类产品相比，还存在比较大的技术水平差距的。
1968年，丹弗斯公司独创并第一个设计出产变频器后，变频器技术的提高表现在体系的稳定性、高效性、节能性以及自动化水准等方面。
另外其显著地节能效果被广泛发现认可。
此后，国外大部分研究变频器工厂开始注重具备带有恒压给水功效的变频器且大力研发生产；像瑞士ABB集团推出的空调变频技术；法国的施耐德公司首先研发出恒压给水基板，基板上附带着PID和PLC控制器，通过相应的程序代码实现的可编程控制器和控制功能，如电子控制系统，配有配套恒压供水系统。
这将能够实现对系统的直接控制，在一些内置的电磁接触器的工作，可以驱动多达七个电机在同一时间的供水系统。
但美中不足的是，它的输出端的扩展灵敏性不够强，导致体系的动静性能与稳定性相对低些，在与其他监控系统或组态软件实现数据双方的通信上存在一定障碍，另外限制了带负载的容量，因此在适用范围这块比其他窄。
显而易见，如今变频调速恒压系统的研究领域要解决的问题有：
能在各种用水环境下运行：
能完美的与当前的控制技术、互联网技术和通信技术并且一齐统筹体系的电磁兼容性恒压系统给水闭环监控，在这一领域仍然存在技术的缺乏。
所以说，变频恒压给水体系的研发在全球范围内还有较大钻研空间，使其能更好的服务于社会各个层面。
1.3PLC概述
可编程控制器，简称PLC，它是以微处理器为基础的通用控制装置。
国际电工委员会在1987年颁布了PLC标准草案，对PLC做了以下概念:
“PLC是一种电子装置，运用于产业生产环境下的数字运算操作。
它远用能够编程的存储器，在内置的存储器中进行各种各样的复杂的操作指令，能够以控制输入和输出的数字量、模拟量来监控各类生产制作过程。
正是因为PLC的强大功能，被广泛用于各种制造生产和加工过程的自控系统中。
可编程控制器在民用和家庭自动化中得到了广泛的应用，其功能强大、操作开放性强，不仅是应用最广泛的控制设备。
PLC的广泛应用程度、强大的功能是其他控制设备难以超越的。
1.4西门子S7-200PLC简介
西门子公司具有品种多样的PLC产品。
S7系列是经典的PLC，S7-200属于小型PLC，分别在1998年和2004年进行了2次升级，其特点如下：
（1）体型小，但功能多。
可以实现复杂的控制功能；
（2）编程方法简单易学；
（3）硬件配套齐全，用户使用方便；
（4）抗干扰性强，可靠性高；
（5）能耗低，体积小；
（6）维修方便等。
1.5本课题的主要研究内容
本次策划是以小区给水为控制目标，PLC结合变频器，设计一套包含PLC、变频器、传感器、水泵机组、监控系统及用户等组成的恒压供水系统，力求做到可靠，安全节能。
该系统由三个泵马达，形成一个频率转换周期。
采用变频器实现对三相水泵电机的工频调速和变频调速，运行切换采用“先变后工”的原则。
即先启动一台水泵机从变频慢慢加速，当达到最大值时，保持不变进入工频。
压力传感器检测到当前的实际水压信号，并在可编程控制器和人工设定值之间的比较后发送控制偏差操作，得到的偏差信号用来控制输出频率，输出频率的改变带动水泵机组转速改变实现给水量的变化，最后确保持管道压力值与设定值相差不大，这不仅供水量达到了用户要求还使管道得到了保护。
经过工控机与PLC相结合，利用组态软件来实现系统监控，达到了动态显示工作状态、数据以及现场报警的监控目的。
2系统的理论分析和控制方案确定
2.1电动机的调速原理
水泵是三相异步电动机，其转速公式为：
（2.1）
式中，f是频率，p是电动机极对数，s是转差率。
很明显，改变式中出现的字母就是调速方法，即;
（l）f调速法（改变f）
（2）p调速法（改变p）
（3）s调速法（改变s）
改变p的调控方式为有级调速，其特点是简单、费用少、节能效果好、效率高；其缺点是要有专门的变极电机，级差较大（变速时转速变化大）只适用于一些特定的场合的特定生产。
改变s的调节方式一般采用串级调速方法，其优点是对转差功率的回收起较好的作用，节能效果明显，调速性能突出。
其缺点很明显就是线路比较复杂，由此增加了能源的损耗。
此外其成本高，难以推广。
改变f的调试方法，即我们常说的变频调速。
从公式中我们可以看出，当s基本稳定时，转速n基本与f成正比。
通过调节电源频率，就可以改变水泵机组的转速，变化的快慢程度随电源频率变化快慢而变化。
随着电力电子技术的迅速发展，目前已经研发出了各类功能良好、稳定的变频调速装配，并广泛应用于变频恒压系统中。
综上述说，改变f的调速方法最适合本设计课题。
2.2恒压供水系统的基本特征
在供水系统中，扬程H与供水水流量Q之间的关系我们称之为扬程特性，它是本系统中重要的描述H与Q关系的特性。
在阀门开度一定，水泵机的转速一定时，用户的用水情况直接决定了水流量的多少，即用水频率。
因此，H=f*Q。
另一管阻特性是指泵的转速是恒定的，该阀在一个特定的开启度与曲线之间的关系。
如下图所示，由于水管不论大小、水位不论高低等都存在一定的阻力因素，当上述情况一定时，水泵的一小部分水的动能必定要用以平衡液位差和网道存在的一定阻力，而管阻特性正是用来反应这一现象的。
如图2.1的A点中，用户的用水流量Qu和系统供水量Qc处于平衡状态，此时系统既满足了扬程特性。
又满足了管阻特性，系统处于稳定运行状态。
图2.1系统稳定时的基本特性曲线
本系统的节能原理在于：
在实际用水中，客户在不同时间不同地点的用水量是不断变化的，如果说阀门开度在一段时间内不变的话，必然回出现超压或者低压的情况，导致能源的浪费。
而变频恒压调速是通过改变水的动能来控制流量的。
换言之，当用水量增大时水泵机组转速加快；反之，转速减小，从而使官网压力恒定，达到节能的目的。
2.3控制方案的对比和确定
当前我国变频恒压给水设备的控制方式主要有：
逻辑控制模式；单片机控制模式以及可编程控制模式。
1.逻辑电子控制
这种类型的控制基本上是用在一个单泵是固定在变频状态下，而且很难做到所有的水泵机组的软启动和全流量变频，所以控制精度低。
2.单片机控制方式
这类方式优于前着，但其缺点是：
处理不同的水管以及用水波动较大时，调试依然麻烦。
想要对系统增加其他附加功能时要对电路重新设计，不方便，功能性不强，稳定性偏弱。
3.PLC控制方式
该方式中可以实现电机的无极调速，能够较好的解决前两者方式的不足之处，调试简单，抗干扰性强，控制精确，高效节能，稳定性强等特点。
综上所述，本设计适合采用第三种控制方式。
如下图所示：
图2.3变频恒压供水系统组成方案图
从图中可以看出，该系统由一个频率转换器（带比例控制），一个可编程控制器，一个压力传感器，泵装置（3个单位的设计），报警装置和一些辅助设备组成。
其中压力传感器有电阻式和压力式两种选择。
前者用来反馈0～5V电压信号，后者用来反馈4～20mA电流信号，本设计选用前者电阻方式。
变频器是本次设计的核心，通过改变水泵的转速频率来实现无极调速、无波动稳压的效果。
2.4本系统的工作原理
当合上空气开关，将系统调到自动运行状态。
此时已启动了变频器，压力传感器的实际值和偏差信号的压力值设置传送给可编程控制器（经过模数转换后），得出给定信号的频率（通过数模转换），然后发送到变频器。
此时变频器会依据所给信号和预先设定的信号来监制水泵的转速来确保管道压力在压力允许偏差范围内，达到恒压控制的目的。
在变频器的频率增加到50HZ时，会把这一信号送给可编程器，此时可编程控制器根据该信号和管道允许的压力范围信号来判断是否需要启动下一台水泵机。
当频率在50HZ并运行一小段时间（可以是1-2分钟）上述条件仍然满足时，PLC会立即把当前的变频水泵切换到工频保持其转速，同时用变频启动下一台水泵，再按照上述条件控制直到满足用水需求和允许的压差。
2.5水泵的实际增减条件分析
在上述的系统工作原理流程中，已经阐明增泵条件，减泵条件大同小异，即当变频水泵和工频水泵都工作在下限频率时，管道的实际压力仍然高于设定压力，为了达到恒压的目的，此时系统会自动减少工频水泵。
这些理论分析其实和实际是存在一定差距的，接下来进行实际分析。
我们知道50HZ是上限频率，那下限频率是0吗？
答案是否定的，实际控制中，由于管道中的水会给水泵机一个反向的水压阻力，同时在一定程度上会阻碍管道进水，所以当频率降低到一定数值时，已经抽不上水了。
这个值跟水泵的特性和系统有关，从查询的资料中了解到在10~20HZ左右。
实际的机组增减判别条件如下：
当
（2.1）
且延时判别成立时，增泵；
当
（2.2）
且延时判别成立时，减泵。
式中：
：
上限频率
：
下限频率
：
设定压力
：
反馈压力△Pd：
偏差压
3系统的硬件设计
3.1系统主要设备的选型
根据上述PLC设计原理以及增减泵分析思想，现将系统框图设计如下：
图3.1系统的电气控制总框图
图中包含的系统组成主要有：
变频器；水泵机组；可编程控制器；通讯模块；压力变送器及显示仪表；液位变送器等。
现将它们的选型制作如下表。
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
变频器
MM440
可编程控制器（PLC）
西门子S7-200系列的CPU222AC/DC。
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（淄博丹佛斯公司）
这里提一下变频器的选择：
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，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。
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。
快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。
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。
另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。
3.2系统的主电路分析以及设计
本次设计采用3台水泵循环变频的工作模式。
为避免有某一台水泵长期运行，而存在其余水泵长期休停的情况，在PLC编程中设定当有水泵连续工作超过3小时，则切换另一台休停的水泵来代替运行，即系统具备人性化的“轮休功能”。
承接上文的设计思路，现设计系统主电路图如下：
图3.2变频恒压供水系统主电路图
图中M1、M2、M3为三台电机，它们分别带动水泵1、水泵2、水泵3（图中未画出）转动抽水。
M1、M2、M3由接触器KM1、KM3、KM5控制其在工频状态下运行；M1、M2、M3由接触器KM2、KM4、KM6控制其在变频状态下运行。
M1、M2、M3这3台水泵电的过载保护由FR1、FR2、FR3来实现；变频器和2台水泵电机的电路隔离开关依次是QF1、QF2，FU为主电路的熔断器。
当电机处于工频状态时，接到变频器的隔离开关断开，输出端的接触器断开，接通工频接触器和工频可离开关。
熔断器FU实现短路保护；热继电器FR实现过载保护。
在运行中，禁止变频和工频同时进行，并且不允许输出的转换器被直接连接到电源。
在变频与工频转换时，必须现将所连接的接触器断开。
即每两台接触器不能同时动作，两两只间要有互锁设计。
在电机刚开始启动时需注意其转向，若反向，可通过改变电源的相序来调整。
另外值得注意的是，当采用手动控制时为了保护人体安全，须采用软启动或者自耦变压器降压启动来减小电流，在此次设计中采用软启动。
3.3系统内部电路的设计及分析
S7-200系列PLC性能优越是本次设计的控制中心，要实现控制的功能有：
（1）能够自动有序的控制3台水泵的运行；
（2）能够在3者之间将完成工、变频的相互转换；
（3）在每台水泵启动时要能达到软启动；
（4）水泵机组要有手动挡和自动挡（自动挡便于应急和调试或者修检）；
（5）系统要有完善的报警功能。
3.4PLC的I/O端口分配及外围接线图
本设计需要考虑的因素综合如下:
1.考虑到用户在白天和晚上的用水量有明显的不同，故设计了白天和黑夜2种运行模式，一般情况下，白天用水量大，故水压设定值相对高；夜晚用水量相对少，故水压设定值低些；
2.为避免在用水量小而存在某台水泵机长期工作，其余长期休停情况，如上文提到须设计切换另外1台，即“轮休功能”。
超过3小时进行切换。
结合3.1所提到的功能要求，统计输入输出信号、地址和代码汇总如下：
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
液位变送器下限信号
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压值
Up
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
输出信号
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
表3.4-1输入点代码及地址编号汇总
综合上述表格，设计可编程控制器接线图如下所示：
图3.4-2主电路接线图（截图不太清楚已单独打印）
由表3.4-1可见本次设计有5个输入量，其中4个数字量1个模拟量。
图中SA1是用来控制白天与夜间之间的转换的开关，输入I0.0；模拟量的压力输入信号来源于压力变送器对管压的测量；图中作为模拟量的水位信号来自于液位变送器对液位的监测；做A/D转换后送入窗口比较器。
当检测到水位不在设定的范围内时，I0.1得到输出为1的高电平；故障输出端与可编程控制器的I0.2连接，组成故障报警装置。
由表3.4-2可知，本系统有12个输出信号，其中11个数字量，1个模拟量。
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
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