基于PLC变频调速恒压供水系统设计Word下载.docx
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Constantpressurewater-supplymeansthatthewatersupplynetworksintheeventofchangeablewaterconsumption,buttheexportsstillremainthesamepressure.ThecomponentofthissystemincludesthePLC,tranducer,pumpmotorgroup,andthepressuresensor.Thisdesignusesonetransducerdrivers2Motorsstarting,runningandspeedcontrol.Anothermotorisusedtobereserved.ThecontrolsystemusedS7-300programmablecontrollerwhichbemadeinGermanySIMENScorporation.ThroughthePIDcontrollers,pressurewillbegiventhefixedvalueandprocessingerrorofthemeasurementbyFB41.Usingthecontrollerstocontrolthevoltageandfrequencyofthefrequencyconverterinreal-timeandthenchangethepumpmotorSpeedtochangethepumpoutletflow,thepressureonthepipenetworktoachieveautomaticadjustmentsothatthepressurepipelinenetworksettingsstabilityinthevicinity.theauxiliarypumpsoftstart,hastheshortcircuitprotection,theoverflowprotectionfunctionstably,theworkreliable,lengthenedelectricalmachinery'
sservicelifegreatly.
Keywords:
PLC;
constantpressurewater-supply;
variablefrequencyspeed-regulating
第一章绪论
一.1课题提出的背景
随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。
而我们国家是个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区供水，尤其县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。
而其中的老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。
控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。
在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象。
传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。
这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点；
不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的供水系统，在维护和升级系统方面，是非常昂贵的。
因此，如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。
同时随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、信息技术、计算机技术和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机无级调速，能够极大地改善给水管网的供水环境。
所有这些现代自动化控制技术的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。
利用PLC控制技术和变频调速技术开发的全自动恒供水系统,管道内水压恒定,既可以满足供水要求,避免出现供水事故,还可节约电能。
一.2课题研究的目的和意义
众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。
小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。
传统的小区供水方式有:
恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：
1、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，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。
2、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。
3、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。
4、液力涡合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修;
优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。
5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。
综上所述，传统的供水方式普遍存在不同程度的浪费水力、电力资源;
效率变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。
恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）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，是当今先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等具有重要的现实意义。
一.3国内外在变频恒压供水系统研究现状及分析
一.3.1变频恒压供水系统的国内外研究现状
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。
早期，变频器的功能主要是应用在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、及各种保护功能上。
用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足需求不同时的供水量，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变送器，对压力进行闭环控制。
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，像日本Samc0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，可构成最多7台电机（泵）的供水系统。
此类设备简化了电路结构，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能不高，与其它的监控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，在实际的应用中受到限制。
目前国内有很多公司在做变频恒压供水的工程，多数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、抗扰性能等多方面的综合技术指标方面，还未能达到所有用户的要求。
艾默生电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出了恒压供水专用变频器，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、网络和通讯技术的大功率变频恒压供水系统的
水压闭环控制及监控研究的不够。
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。
一.3.2可编程序控制器技术国内外发展现状
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，变成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了便于使用，可编程控制器采用梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
此时它的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；
从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；
从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
一.4设计主要内容
变频恒压供水系统是利用变频器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，取代水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水。
通过对水泵的智能变频调速控制不仅能实现节能降耗，而且有利于实现供水的自动控制，远程监测，实现生产的自动化。
对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对水的压力的需求。
本文介绍的恒压供水系统是采用可编程序控制器进行逻辑控制,采用变频器进行压力调节。
变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件,时刻跟踪管网压力与给定压力的偏差变化,经PID运算,通过可编程序控制器控制变频与工频切换,自动控制水泵投入的台数和电机转速,实现闭环自动调节恒压变量供水,在保持恒压下达到控制流量的目的。
本文首先对供水系统的特性和变频调速的原理进行介绍，在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。
对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程、控制系统的硬件设计进行研究，通过学习德国SIEMENS公司的S7-300的硬件及其编程语言，做出控制用的相关程序。
第二章恒压供水基本原理
二.1供水系统简介
自80年代初，全国各行业大力开展节能工作。
自此，住房小区的给水系统已逐步取消了高位水箱，而采用变频调速恒压供水代替以前的重力供水、气压供水，克服了传统供水方法的缺点。
这种供水方式既满足供水安全，又避免水质的二次污染。
对于多层住宅来说，是一种比较完善的供水系统。
在自动恒压供水系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户实际用水量决定的。
根据反馈原理:
要维持一个物理量的数值大小恒定或者基本不变，就应该引入这个物理量跟该恒定值比较，形成闭环系统。
因为在恒压供水系统中，我们要想保持的供水管网的压力恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定的压力值比较，从而形成闭环系统。
二.2恒压供水基本原理
二.2.1恒压供水原理
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。
但是，流量的大小取决于扬程，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QG>
用水需求QU，则压力上升；
供水能力QG<
用水需求QU，则压力下降；
供水能力QG=用水需求QU，则压力不变。
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾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。
二.2.2系统结构框图设计
采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）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，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入经运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
恒压供水就是利用PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。
即将压力控制点测的压力信号（4－20mA）直接输入到变频器中，由变频器将其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调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。
恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。
配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。
而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。
而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。
在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。
另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。
图2.1为恒压供水的系统构成框图。
图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。
当用水量大时，水压降低；
用水量小时，水压升高。
水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。
图2.1系统结构框图
调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。
调节器的输出信号一般是模拟信号，4-20mA变化的电流信号或0-10V间变化的电压信号。
信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。
在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器。
用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字PID调节；
它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。
如规定和变频器相连接的泵为主泵（主泵也是轮流担任的），主泵在运行时达到最高频时，须增加一台工频泵投入运行。
PLC则是泵组管理的执行设备。
PLC同时还是变频器的驱动控制。
恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。
另外，泵站的其他控制逻辑也由PLC承担，如：
手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。
二.3恒压供水的优点
对供水系统进行的控制，归根到底是为了满足用户对流量的需求。
所以，流量是供水系统的基本控制对象。
而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。
考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（供水流量）和用水需求（用水流量）之间的平衡情况关系有关，即供水能力大于用水需求时压力上升，供水能力小于用水需求时压力下降，当两者相等时压力不变。
供水能力和用水需求之间的矛盾具体反映在水压的变化上。
从而压力就成为用来作为控制流量大小的参变量。
当供水系统中某处压力恒定时，供水与用水处于平衡状态，恰好满足用户所需的用水流量，恒压供水有以下优点：
1.节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。
2.占地面积小，投入少，效率高。
3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。
4.运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。
5.由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。
6.通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力
二.4本章小结
通过控制压力可以达到控制流量的目的。
本章先对恒压供水的原理进行介绍，再进行方案设计，最后阐述恒压供水的优点。
第三章恒压供水系统部件选择
三.1变频恒压供水系统的构成
三.1.1变频恒压供水系统硬件结构
系统的硬件原理图如图3.1所示。
由图可知：
该系统主要由压力传感器、差压变送器、变频器、PLC控制单元、水泵机组等组成。
系统主要的设计任务是利用PLC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。
图3.1系统硬件原理图
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:
执行机构是由三台水泵组成，它们用于将水供入用户管网。
2）信号检测机构:
在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号。
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;
液位信号反映水泵的进水水源是否充足。
信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。
此信号来自在安装于水源处的液位传感器;
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）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。
三.1.2恒压供水系统构成
为保证供水压力恒定，系统采用压力闭环控制的方式。
来自压力传感器的信号与压力设定信号比较，控制变频器的频率大小，从而控制电机的转速。
水泵启动后，压力传感器向控制器提供控制点的压力值，当压力低于控制器设定的压力值时，控制器向变频调速装置发送提高水泵转速的控制信号，当压力高于设定压力值时，则发送降低水泵转速的控制信号，变频调速装置则依次调节水泵工作电源的频率，改变水泵的转速，以此构成以设定压力值为参数的恒压供水自动调节闭环控制系统。
系统构成与设计
变频恒压供水系统由控制柜，压力传感器，异步电动机及水泵组成，由此构成一个压力负反馈闭环控制系统。
压力传感器将管道中的水压值变换成电信号（4~20mA），送入系统内置数字PID控制器进行比较，其偏差值经控制运算后，去控制变频器的输出频率，通过上位机对当前压力信号的反应，再由PLC控制
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