PLC恒压供水系统的应用.docx
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PLC恒压供水系统的应用
题目PLC恒压供水系统的应用
英文并列题ApplicationofPLCConstantPressureWaterSupplySystem
PLC恒压供水系统的应用
摘要：
针对传统供水系统压力不稳定、能源浪费严重、自动化程度低等缺点,基于PLC和变频器的恒压供水系统的设计。
这个系统使用了频率转换器，PLC和PID调节器构造的闭环自动调节恒压供水系统。
供水系统的控制目标为总管道的出水压力,将给定压力值和反馈的出水压力值相比较,把偏差值送到CPU中进行处理,从而发出控制指令来调整水泵电动机投入运行的台数和调节水泵电动机的转速,以保持总管道出水压力的稳定。
PLC和逆变器自动调整的增加和泵的数量的减少和泵马达的速度，从而减少了能量的过度消耗。
又防止了电动机启动时电流对供水设备的影响,实现了恒压供水。
关键词：
PLC；变频器；PID调节器；恒压供水
ApplicationofPLCConstantPressureWaterSupplySystem
Abstract:
Aimingatthedisadvantagesofunstablepressure,seriousenergywasteandlowautomationoftraditionalwatersupplysystem,theconstantpressurewatersupplysystembasedonPLCandfrequencyconverterisdesigned.Thissystemusesfrequencyconverter,PLCandPIDregulatortoconstructaclosed-loopautomaticregulationconstantpressurewatersupplysystem.Thecontrolobjectiveofthewatersupplysystemistheoutletpressureofthemainpipe.Comparingthegivenpressurevaluewiththefeedbackpressurevalue,thedeviationvalueissenttotheCPUforprocessing,andthecontrolinstructionisissuedtoadjustthenumberofpumpsandmotorsinoperationandspeedofwater-savingpumps,soastomaintainthestabilityoftheoutletpressureofthemainpipe.TheincreaseofautomaticadjustmentofPLCandinverters,thedecreaseofthenumberofpumpsandthespeedofpumpsandmotorsreducetheexcessiveconsumptionofenergy.Italsopreventstheinfluenceofthecurrentonthewatersupplyequipmentwhenthemotorstarts,andrealizestheconstantpressurewatersupply.
Keywords:
PLC;frequencyconverter;PIDregulator;constantpressurewatersupply
一、绪论
1.1研究背景
供水系统是工业生产和生活中人们不可或缺的公共设施之一。
如今，智能建筑科技快速发展,人们对供水系统也提出了更高的要求，要求达到可靠性和稳定性。
目前全球都展现资源匮乏的现状,所以设计节能、稳定、工作可靠的恒压供水系统是必然趋势。
传统的供水系统采用水塔,高级水箱或压力罐进行升级,经济实惠,耗能大。
而基于PLC和变频器的恒压供水系统将电气控制技术与变频器技术融为一体,大大提高了供水系统的可靠性和稳定性。
同时,供水系统节能效果明显,这在能源日渐紧缺的今天显得尤为重要。
水和电是人类生活中不可缺少的重要组成部分。
在节水节能成为时代流行被人们逐渐重视的现实条件下,我国水电短缺的情况长期以来一直都是在城市这一片区域,还有的就是在高层建筑供水和工业的使用中。
我国生产循环供水系统技术还是相对落后的,而且系统的自动化程度也比较低。
我国社会经济的迅猛发展也致使人民对于生活水平的质量和要求也不断提高,国家对于人民的住房政策改革也在不断深入贯彻落实,我国对于城市各个社区的建设规划也正在迅速发展。
与此同时,对社区的基础设施建设也提出了更高更严格的要求。
建设好住宅供水系统是一个重要的方面,住宅供水的可靠性和稳定,以及其经济性,在不久的将来甚至于当前，就会很大程度上的直接影响人们的正常生活需求,这种情况也是会直接体现出该城市社区的物业管理质量和水平。
目前我国传统化的区域供水方式有:
恒速泵加压供水,压力罐供水,水塔高水箱供水,液压耦合器和电池滑动离合器调速这几种供水模式,是靠单片变频调速来实现供水的供水系统。
因此,本次研究在PLC和变频器的恒压供水系统的基础之上,表明了提高我国居民住宅的生活水平,工业生产效率和能源的节约使用,都具有十分重要的意义。
因此,本文逆变器是用于控制泵电机的频率的,PLC用于控制变频-电源频率的切换。
PID调节器用于压力调节,设计闭环供水自动控制系统,从而来实现恒压的供水效率。
1.2课题主要研究内容
PLC主要是依靠变频器,可编程控制器,压力变送器和现场泵单元组成,从而来实现控制变频恒压供水系统,这样就形成了一个完整的,闭环调节系统。
在本项设计中,一共设有3个水库,3个泵和一些其他的组成部件。
所谓的流量调节法,也就是这三个泵中,只有一个泵在逆变器的控制下才能运行,其他泵都以恒定的速度来运行。
由于管网的压力,PLC会自动控制泵与泵之间进行的切换操作,并根据压力检测值与给定值之间的偏差对PID进行计算,然后将输出频率显示到变频器控制输出频率,调节流量,使供水管网之间的压力形成恒定。
泵切换操作主要是在首先停止这一原理的基础进行的。
目前我国的城市社区使用的供水系统,也都逐渐朝着高效,节能和自动化的方向发展。
由于在变频调速技术十分显著的节能效果,和稳定的控制方式之下,已经很快被广泛应用于风机,水泵和制冷压缩机这之类的高能消耗的设备中,特别是在各个城乡工业用水压力系统以及住宅用水恒压供水系统中,变频调速泵功能中最为突出的就是他的节能效果,其优越性主要在:
第一,节能效果十分显著;第二,它具有开放性,在停止时,它可以减少电流对电网的影响和供水压力对管网系统的影响;第三,它可以减少泵和电动机在机械冲击当中造成的损失。
1.3恒压供水系统的国内外研究现状
1.3.1变频调速技术的国内外发展与现状
电力电子技术使得变频器能够快速发展,这一点也在计算机技术中、自动控制技术和电机控制理论这些方面也都得到了相对较快的发展。
20世纪80年代以来,在美国,德国和英国等发达国家,基于VVVF技术的使用,逆变器已经十分商业化,并且被广泛使用。
可是放眼中国的情况,有60%的发电都是使用电机消耗的,因此国家和行业一直都十分重视如何利用电机调速技术改造电机运行模式,从而来达到能源的节约作用。
时至今日,我国也已经设立有200多家相关的工厂和研究所,都开始进行了变频调速技术的工作。
但是目前与国际市场上的同行业相比,在技术上仍然存在很大的差距。
改革开放以来,我国社会经济快速发展,中国也逐渐开始直接运用那些发达国家的转换变频调速设备,也洗去了内外结合的做法,就是说,采用外国进口或合资企业的先进的变频调速控制设备,再由其自行设计并制造出的整套设备,从而开发出自己的应用软件,为国内主要工程项目的电气传动控制系统提供解决方案,从而适应了当前社会的需求。
总之,虽然国内变频调速技术可以说是取得了良好的效果,但总的来说,国内开发生产相关设备的能力与发达国家相还是比较弱的,而且对于国外企业的依赖程度也还是很高。
1.3.2变频恒压供水系统的国内外研究与现状
变频调速技术的发展,也使得变频恒压供水技术开始崭露头角。
早期,国外生产的逆变器的功能主要限于频率控制,加速控制,前进-后退控制,启动控制,制动控制,电压-频率比控制等功能,主要用于变频恒压供水系统。
变频器仅仅是用于作为执行器。
为了保证管网压力恒定,来满足不同供水量的要求,应在变频器外部设立一个压力控制器和传感器,从而达到控制闭环压力的作用。
电磁接触器就用于形成多达七个电动机（泵）的供水系统。
目前,中国已经有很多公司在做关于变频恒压供水的项目。
但他们大多都是使用的国外逆变器来控制水泵的速度,水管网络压力的闭环调节和多个泵的循环控制,还有一些使用可编程控制器（PLC）,和相应的软件实现;有些则是使用微控制器和对应的软件来实现的。
但是,在动态性能,稳定性能,抗干扰性能和系统开放性等综合技术指标方面,还是不能满足所有用户的需求。
目前,国内外有关于变频调速恒压供水控制系统的研究中,变频恒压供水系统是可以适应各种各样的居民用水情况的,它主要是结合了现代控制技术,网络通讯技术,并考虑到系统的电磁兼容性。
水压的闭环控制尚未得到充分研究。
因此,我们在一段时间内还是需要对该系统进行进一步的深入研究,从而来提高变频恒压供水系统的性能,让该系统更好地在生产生活实践中被应用,对居民用水供水系统的使用起到很大的作用。
系统理论分析及控制方案确定
二、系统理论分析及控制方案确定
在供水系统中,水压的变化规律是无法预先确定的时间函数。
恒压供水系统的任务是被控量能够以一定的精度跟随实际水压变化的控制系统。
随着可编程序控制器功能模块的增加以及控制指令的完善,恒压供水系统在这种随动系统中得到了越来越广泛的应用。
恒压供水系统是采用了压力传感器监测管道中的水压的基本控制策略的。
在A/D进行了转换后,反馈的实际值输入到PLC数据寄存器,并与设定值进行比较;CPU进行PID计算处理后,进行D/A之间的转换,由变频器控制输出的结果,从而实现水泵电机之间的无级调速,达到设定压力下供水管压力的稳定性值。
2.1恒压供水系统的理论分析
2.1.1电动机的调速原理
泵电机采用了三相异步电动机，他的转速公式为：
n=60f（1-s）/p
这个公式中：
f表示电源频率，p表示电机极数，s表示滑差率。
从上式可以看出，三相异步电动机的速度控制方法如下：
（l） 改变电源频率
（2）改变电机极对数
（3）改变转差率
改变电动机极数调速的控制方法比较简单,也节省了投资,节能效果也是十分的显著,而且操作起来效率高,但是需要有特殊的变极电动机,阶梯式调速,阶梯差相对来说较大,也就是说在换档过程中的速度变化大,扭矩的变化也很大,因此这种只适用于具有特定速度的生产机器的使用。
改变滑差速度调节是为了确保其大调速范围,一般采用级联调速模式,特有一个很显著的优点,就是可以恢复滑动功率,节能效果也很好,调速性能好,缺点就是线太复杂了,之间增加了中间环节的功率损耗,成本相对较高,这就影响了它的推广价值。
以下重点介绍一下改变工频调速的方法和特点:
根据上述公式,当滑移率变化不大时,异步电动机的转速n基本上与电源频率f成比例。
通过不断调整电源频率,我们就可以平稳地改变电机的速度。
但是,简单地调整电源频率会导致电机性能下降。
电子电力技术不断的发展,如今也涌现出了各种性能好,运行也比较可靠的变频调速电源装置,这一情况的实现也推动了变频调速的广泛使用。
2.1.2变频恒压供水系统的节能原理
供水系统的升程特性是在以下几个前提之下的:
供水系统中的阀门开度必须是恒定的,这表示水头H与泵在一定速度下的流量Q之间的关系,如图1所示。
当阀门的打开度与泵转速达到恒定状态的时候,流量主要就会由使用者的用水量来决定,因此升力特性就反映了水头H与水流量之间的关系曲率H=f（曲率）。
如图1所示。
管道阻力的特殊性能主要反映了泵的独特能量。
他的作用是克服泵系统的水位和压力差的变化以及管道中液体对流动的阻力。
由于阀的开度的变化，在实际意义上，用户当前使用的供水系统的供水能力在一定程度上改变。
因此，管道阻力的性能也反映了水头与供水流量QcH=f（Qc）之间的关系。
升力特性曲线与管道阻力特性曲线的交点称为供水系统的工作点，如图1中的A点所示。
此时，用户的水流量Qu和供水流量Qc供水系统处于平衡状态，居民用户使用的供水系统也满足水头性能和管道阻力特性，从而使系统运行稳定。
图1恒压供水系统的基本特征
在使用该供水系统期间，水流通常用于控制阀门和速度，即常用的控制方法-阀门控制方法和速度控制方法。
阀门控制方法通过调节阀门的开度来调节水流量，此时泵电机的速度保持恒定。
在运行期间系统的本质是改变水路中的阻力以实现水流的变化。
所以,管道阻力将随着阀门开度的变化而变化,但是头部特性仍然是不会改变的。
由于实际需水量基本都是不同的,如果阀门开度在一段时间内还是保持不变的话,就可能会不可避免地会导致超压或负压的情况发生。
速度控制法,也就是说,改变水泵电动机的转速来调节水的流量,在这个操作的同时,阀门的打开度也会因此保持不变,并且通过改变水的动能来改变水的流量。
因此,磁头特性就会随着泵的速度变化而发生变化,但是电阻的特性是不会发生其他改变的。
利用变频调速来控制供水模式的方法属于对水的速度的控制。
该系统是根据用户在住宅区用水量上的变化,来对水泵电机自动调节转速的,这是泵电机的工作原理，目的是使管网压力保持恒定。
当用户的耗水量开始增加时，电机将加速，当耗水量减少时，电机将减速。
我们可以把这一现象归结在流体力学的理论,这样我们就不难看出，当泵运行到管网时，泵的输出功率与水压和管网水流的乘积成正比;泵的转速n也与出口流量成正比;水管的水压和流出水流的平方是成比例的。
通过数据之间的这种关系，不难得出结论，水泵的输出功率P与转速n的第三速度之间的关系也是成比例的。
以这种方式，我们还可以推导出这样的公式：
P=k1HQn=k2QH=k3Q2P=kn3
其中k，k1，k2，k3是比例常数。
图2管网及水泵的运行特性曲线
当使用阀门控制时,如果供水峰值泵在E点工作,则流量为Q1,水头为H0。
当供水量从Q1减少到Q2时,必须关闭小阀门,阀门的摩擦阻力变大,电阻曲线从b3移动到b1,头部特性曲线不变。
升力从H0升至H1,运行条件?
?
点从E点移动到F点。
此时,泵的输出功率与H1和次数成正比;Q2。
使用运转的速度来控制时,如果使用恒压（H0）,变速泵（n2）供水,管电阻特性曲线为b2,磁头特性变为曲线n2,工作点从E移动指向D点。
这时,泵输出功率与H0×成正比;Q2,因为H1>H0,当流量由阀门控制时,它与（H1-H0）以及次数是成正比例关系的;Q2的功率浪费,阀门也会不断关闭,这时的阀门之间的摩擦阻力也会随之开始变大,管道阻力特性曲线也会随着这个趋势开始向上移,工作状态点也跟着这点向上移动,H1增加,浪费的力量从而开始增加了。
因此,速度控制方法会远远小于阀控制方法的供水功率,并且这样的效果是节能效果十分显著。
2.2恒压供水系统控制方案的确定
根据控制所提出的要求,系统采用了PID控制,他的控制原理图如图1所示。
系统通过安装在水管上的压力传感器,将当前水压实时转换为电信号的形式,并转换模拟信号与压力所成的比例,通过与PLC匹配的功能模块A/D转换器输入到可编程序列的数字信号。
控制器（PLC）与设定信号进行比较,并在PID计算后获得最佳运行参数。
D/A转换后,发送到变频器的模拟控制输入,控制变频器的输出频率。
泵电机根据当前的实际水压以合理的速度运行。
2.2.1控制方案的比较和确定
在该系统中，有一个恒压变频供水系统，包括压力变送器，变频器，恒压控制单元，泵单元和低压电器。
他使用恒压控制单元制造变频器，从而控制泵或多个循环泵，从而实现管网中的恒定水压以及泵电机之间的启动和切换操作，这是其主要任务。
系统。
在变频水泵和工频水泵之间，它可以与运行数据通信并执行监控操作。
根据系统的设计要求，我们提供以下选项：
（1）带供水基板的逆变器与控制系统
相比，泵单元+压力传感器的结构非常简单。
PID调节器，PLC可编程控制器等硬件集成在变频器的供水基板上，并设置了具体的命令。
因此，代码实现了诸如PLC和PID的电子控制系统的功能。
在该过程中电路结构将变得小型化，并且还将降低器件的制造成本。
然而，即使在这种情况下，在设置压力和显示反馈值时也很麻烦，并且在不同的时间段内不支持。
实现不同的恒压要求。
在对系统进行适当的调试时,我们就会很难找到PID参数来进行调整修改。
他的调节范围相对较小，系统的稳态和动态性能不易保证。
他的输出接口的扩展功能也缺乏灵活性，数据通信困难，负载容量有限，因此该系统仅适用于要求不高的小批量应用。
（2）通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器
使用这种方法,他的控制精准度很高,计算方法也比较灵活,对参数进行调整时也很方便,性价比高,但它存在的缺点是,研究开发的周期太长,一旦程序被固定化,人们想要对他进行修改就会变得非常的繁琐困难,对于在现场进行调节适应的灵活性也较差。
运行时变频器产生的干扰越大,逆变器的功率也就越大,所以我们对此也是采取了必要的措施来来完成对抗干扰的实施,以此来保证系统的稳定可靠性。
该系统适用于特定领域的小容量变频恒压供水。
（3）通用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器
这种控制方式相对来说比较灵活方便。
通过良好的通信接口,与其他的系统数据进行轻松快速的交换,通用性十分强大。
由于PLC系列产品固有的系列化和模块化的特性,用户可以用此灵活地根据自身不同的需求制造形成各种规模的控制系统。
在硬件设计中,只需要对PLC的硬件配置和I/O的外部接线进行数据确定即可,当对于其控制要求发生变化时,PC可以很轻易简便地改变存储器中的控制程序,因此需要现场调试的时候就可以很方便的进行操作。
同时,PLC的抗干扰能力很强,可靠性又高,这将大大提高系统的可靠性。
该系统可应用于恒压供水应用的各种不同要求，无论供水单元的容量如何。
总之，可以看出第三控制方案稍微更适合于该系统。
该系统的控制方案具有扩展功能，功能灵活方便，数据传输快捷方便。
满足稳定系统和控制数据准确性的要求。
2.2.2变频恒压供水系统的组成及原理图
PLC用于控制变频恒压供水系统。
主要部件是变频器，可编程控制器，压力变送器和现场水泵机组。
这些内部系统组合在一起形成。
一个完整的闭环调节系统，系统的控制流程图如图3：
图3变频恒压供水系统控制流程图
报警设置是这种控制系统不可或缺的一部分。
由于该系统可以应用于不同的供水领域，为了保证系统足够的安全可靠和稳定，防止电机过载，变频器报警，电网波动过大，以及当供水中断时，操作突然中止操作，这些都是至关重要的步骤。
监控报警量，PLC在判断报警系统的类型时，执行显示和保护的动作控制，为的就是避免造成诸多没有必要产生的损失。
变频恒压供水的控制目标是供水出口管网的水压，用于完全实现出水管网的实际供水压力，控制供水压力。
设定供水压力能够使常数或时间段功能,在每个时间段中都处于恒定状态。
因此,在一定时间内,恒定压力控制的目的所在,就是将出口歧管网络的实际供应压力,在最大限度上维持住对已经设定好的压力供应。
变频恒压供水系统的结构框图如图4所示:
变频恒压供水系统的结构框图如图4所示：
图4变频恒压供水系统框图
我们从在居民住宅处的供水管管道上安装压力变送器,来对参考点处的水流压强进行实时的测量并收集数据便于后期分析,对此我们也检测了管网的水压强的恒压供水系统,他将其转换为4-20mA的电信号。
检测出来的信号就是恒定电压。
供水关键参数。
由于该系统是模拟信号作为电信号的,所以必须以PLC的A/D转换模块为读取,与已经设定的数值进行仔细对比。
比较偏差值是PID操作的,随之我们将计算所得的数字信号以模块的形式转换为模拟信号作为逆变器的输入信号,控制变频器的输出频率,从而控制电机的转速,由此来控制水泵的供水流量,最后控制供水的流量大小。
用户供水管上的压力保持恒定,就会实现变频恒压供水。
2.2.3变频恒压供水系统控制流程
变频恒压供水系统控制流程如下:
（l）已经开启的系统,按照他收到有效的自控系统启动电信号之后,我们先要做的是对变频器驱动变频泵M1进行开启发动,依据用户管网的实际压力和压力变送器测量的设定压力偏差调整变频器。
输出频率控制M1的速度。
当水流量的输出压力达到设定值并且供水量与耗水量保持一定程度的平衡时,速度稳定在一个定值点。
此情况期间,M1工作就在调速它本身的运行状态。
（2）水压随着耗水量的增加而后组建降低,这两者成反比例,压力变送器的水压信号也会减小，偏差会逐渐变大，PLC输出信号会变大，变频器的输出频率会变大。
泵的转速将逐渐增加。
随着供水量的增加，最终的泵速将达到另一个新的稳定值。
相反，当消耗的水流量减少时，水压开始逐渐增加,并且水泵由此产生的压力就会降低到另一个新的稳定值。
（3）当水流量在持续增加的时候，变频器的输出频率如果达到了50Hz的上限频率时，此时用户管网的实际压力尚未达到设定压力的话，那么他的增长条件就算是满足了。
那么如果泵还处于变频循环模式时，系统将会在PLC的控制下自动输入水泵M2。
变频泵M1将以工频开始运行，系统将逐步恢复水压的闭环调节。
这种情况将一直持续到水压达到其设定值。
如果所消耗的水流量在持续增加,并能够满足增加泵所需要的条件,则上述转换操作将继续进行,并且另一个工频泵M3也将对此展开运行工作。
当变频器的输出频率达到50Hz的上限频率时,如果压力还没有达到预定的设定值的话,控制系统A就会对此发出水压超限警报系统进行超限警报。
2.3基于PLC与变频器的恒压供水系统设计
对于传统的供水系统,电动机工作在额定功率,流量和出水压力只能靠阀门来控制。
使用PLC和变频器控制,通过控制电动机运行台数和转速就可以达到调节流量和压力的目的,彻底地取消了增压气罐、高位水箱以及水塔等设备,排除了水质的二度污染,从而提高了供水的质量、操作方便、自动化程度高且节约能源。
2.3.1多台水泵的切换
为了保证用户对供水流量的要求,系统常采用多台水泵联合供水。
通过用一台变频器来控制多台水泵相互协调工作,称为"1"控"X",其中X是水泵台数。
在不同季节和不同时间段用户用水需求量变化是很大的,为避免能源浪费,应采用"多用多开","少用少开"的原则。
2.3.2主电路说明
本系统采用的PLC型号为西门子S7-200,变频器型号为欧姆龙3G3MX2型变频器,图6显示了1控制3恒压供水系统的主电路。
系统使用PLC来控制变频器。
变频器的S1
（1）端子由PLC的Y0点控制,SC（L）端子与PLC的COM点相连接。
在PLC的COM点设置了复位按钮,用于变频器的复位操作。
由信号处理器的UO点和COM点接变频器的"FV（0）"和"SC（L）"端子用于变频器频率给定。
变频器的异常输出信号连接到PLC的X2点,C端子连接到COM点。
图51控3恒压供水系统主电路
图6所示为基于PLC与变频器的恒压供水系统的程。
系统启动后,首先1号泵运行,当用水求量变大时,若1号泵已经达到了额定频率50Hz,水压还是不足,则延时一段时间,将1号泵机设置为工频运行状态。
同时,将2号泵机设置为变频运行,输出频率降为0
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