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2010年05月25日

目录

第一章.概述

第二章.项目设计任务及要求

第三章.系统设计与实现

3.1系统软硬件组成

3.2硬件设计

3.3软件设计

3.4PID应用及介绍

3.5系统调试

第四章.结论

第五章.心得体会

第六章.参考文献

第一章概述

随着城市建筑供水问题的日益突出，保持供水压力的恒定，提高供水质量是相当重要的；

同时要求供水的可靠性和安全性。

本次设计是针对上述问题设计的供水方式和控制系统，由主回路，备用回路，一个清水池及泵房组成。

其中，泵房装有1#~3#共3台泵机，还有多个电动闸阀或蝶阀控制各供水回路和水流量。

控制系统采用了以具有丰富功能的PLC为核心的多功能高可靠性控制系统。

水泵作为供水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的60%以上，在我国，每年水泵的电能消耗占电能总消耗的21%。

为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷变化的运行。

本次设计内容包括PLC设计常用标准和规范，设计内容力求做到简明扼要，严格按照设计标准进行设计，从而设计出复合设计要求，适合实际生产情况的PLC供水系统，真正做到使生产效率大大提高，节约了生产成本，节省生产成本。

本次设计介绍一种变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。

优缺点：

第二章项目设计任务及要求

本系统的优点：

1.系统造价经济性

由于采用“一拖多”控制方式，与“一控一”方式相比较，硬件投资成本较少，具有较高的价格竞争优势;

2.系统构造简单和易维护性

系统由功能相对独立的通用设备单元构成，便于故障判断和日常维护保养及功能性单元替换;

3.通用性和灵活性

系统基本不受用户的使用场所和应用环境限制，可通过软件功能块的组合将其扩展到其他类同的供水应用场合，具有较强的灵活性;

4.智能性

系统可在无人职守的情况下，通过对故障的检测判断，自动地按“优美降级使用”方案处理，减少了系统停机断水现象;

5.保护功能全面性

系统除具有常规的过载、过流、过压等保护功能，还具有无水停机、管网上限压力保护等附加功能性保护。

当然，本次设计的供水系统也并非完美无缺，比如在某台电机变频运行向工频运行切换的过程中，由于在变频驱动切断后电机处于滑停运转方式，此时，电机处于感应发电状态，存在着感应发电相位与工频电源的相位不一致的可能性，容易造成在向工频切换时的电流冲击现象。

为避免这一现象，可采用通过软起动器驱动各个需工频运转的电机的方案。

6.为改善生产环境，某公司投资清洁水技改工程并建成一座日产水2.5万顿的供水系统，分别建设了抽水泵系统、加压泵系统和高位水池。

根据公司用水需求特点，从抽水泵系统过来的水一部分直接供给生产用水部门，一部分则需通过加压泵输送到高位水池，而供给生产用水部门的水压与供给高位水池的水压相差较大。

同时高位水池距抽水泵房较远达十多公里，高位水池的液位高低和加压泵系统的设计以及如何与抽水泵系统“联动”也是较难解决的。

鉴于以上特点，从技术可靠和经济实用角度综合考虑，我们设计了用PLC控制与变频器控制相结合的自动恒压控制供水系统，同时通过主水管线压力传递较经济地实现了加压泵系统与抽水泵系统“远程联动”的控制目的

第三章项目设计任务及要求

3.系统设计与实现

3.1系统组成

系统主要由电动机，变频器，PLC控制器，软起动器，电机保护器数据采集及其辅助设备组

系统选用了西门子公司的S7-200PLC，辅以输入/输出扩展模块组成，主要检测元件有光电开关、压力检测开关，共计12个输入信号。

执行部件有电机、变频挑速器、声光报警器，共3个输出点。

PLC主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制变频器直接驱动，进行恒压控制，变频器的起动、停止分为手动和PLC控制。

控制面板上设有一个手动/自动转换开关，PLC对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时。

PLC只进行检测报警，由人工通过面板上的按狃和开关进行水泵的起、停和切换。

当选择自动功能时，所有控制、报警均由PLC完成。

3.3系统软件

为方便调试的编程，系统控制器采用模块化编程，主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块组成。

（1）手动运行模块

当系统处于手动运行时，PLC只接收个电路保护信号和各传感器信号，并由此判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。

水泵的起、停和切换由人工通过面板上的按狃和开关来实现。

（2）自动运行模块

自动运行模块包括系统的初始话、开关命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。

电机控制子程序完成对3台水泵的运行和停止控制。

由于变频器的输出频率与水泵的运转速度直接相关，用水量大时，变频器输出频率升高，水泵的运水速度大；

用水量小时，频率降低，水泵的运水速度小。

因此程序根据变频器的输出频率的大小就可以判断和控制水泵的工作状态。

当频率上升到50HZ（即水泵全速运转时）仍不能满足供水需要时，则PLC自动将第一台泵切换到工频运行；

第2台由变频器供电投入运行，如果第二台泵电机达到满转速时仍不能满足供水要求，则PLC自动将第二台泵切换到工频运行，第3台泵由变频器供电投入运行，依次规律逐个投入运行；

当2台泵都处于工频全速运行方式，第3台泵处于变频运行工作方式时，如果此时用水量减小，变频器输出频率下降，当频率到达一定的下限Fmin时，供水量仍大于用水量，则系统自动将第二台泵停止运行，依次类推。

（3）PLC的I/O分配

输入

功能

输出

I0.0

变频器高频到达R01

Q0.0

KM1（1#电机接变频器）

I0.1

变频器低频到达R02

Q0.1

KM2（1#电机接工频电源）

I0.3

起动

Q0.2

KM3（1#电机接变频器）

Q0.3

KM4（2#电机接工频电源）

Q0.4

KM5（3#电机接工频电源）

Q0.5

KM6（3#电机接工频电源）

I0.7

水池水位下限信号

Q0.7

DCOM1—DI1

Q1.0

DCOM1—DI2

PLC端口分布图

3.4PID应用及介绍

1.变频器器的运转频率的确定

首先，通过安装在出水管网上的压力变送器，将压力信号转换成标准的DC4～20mA的模拟量信号送入PID调节器;

然后，经PID仪表将压力设定值与压力反馈值进行比较计算后，PID仪表输出一个执行值作为变频器的频率给定值，由变频器控制电机水泵的转速，调节管网出口处供水压力，达到恒压供水目的。

若是通过HMI设定压力值，那么，实际管网压力反馈的模拟量信号就要进入PLC模拟量输入端口，通过用户PLC程序来完成设定值与实际值的比较计算，根据差值大小来决定每次执行值调节的频度与幅度（解决好调节频度与调节幅度的问题是保障管网压力稳定的关键所在，也是避免系统振荡的关键技术所在），从而达到改变变频器的给定频率，实现实时调速的目的。

PID闭环控制原理和控制接线图如图1所示。

图1（a）表示了多泵循环变频恒压供水系统压力闭环PID控制原理，图1（a）表示了具体的PID闭环控制实现方法:

线路连接图。

当压力设定值大于压力实际值时，PID仪表将通过增加模拟量输出值来加速水泵电机的运行;

当压力设定值小于实际压力值时，PID仪表将通过减小模拟量输出值来降低水泵电机的运行;

PID仪表将不断地通过改变模拟量输出值的大小来调节

水泵电机的转速，从而达到供水管网压力恒定的目的。

当PID仪表的模拟量输出值达到最大且管网压力仍处于压力下限状态时（通过修改PID仪表的正负偏差值的大小来设定上下限报警点），利用PLC程序开始计时，在计时时间到后（计时的目的是为了对该报警信号的稳定性确认，避免增减投运台数的频繁动作或错误判断动作），PLC将作出一系列动作命令来实现当前状态向下一个状态的迁移，必须指出的是在每次状态迁移时，首先应断开变频器起动信号后再断开变频器与电机间的变频方式接触器，并且变频器停止方式参数最好设置为“自由停车”方式，若动作执行顺序相反，将会造成变频器故障或损坏。

在变频工作方式向工频工作方式转换过程中，当断开变频接触器后应在尽量短的时间内完成工频工作方式的投入，否则，当电机转速降到一定程度后就会产生起动冲击。

同样，当PID仪表的模拟量输出值达到最小且管网压力仍处于压力上限状态时，PLC程序开始计时，计时时间到后，PLC将完成当前状态向上一个状态的迁移，通常要设置一个最低输出频率下限的变频器参数，一般取15Hz～20Hz，这样做一方面是为了避免电机在低频状态下可能的失速现象和电机长时间低频运行的温升问题，另一方面也是为了减少频繁状态迁移带来的系统振荡。

2.PID计算

PID运算电路如图2所示。

线性集成放大器的输入阻抗为：

（1）

　　反馈阻抗为：

（2）

　　若线性集成元件为理想情况，其输出为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）

对上式进行拉氏变换可得：

　　　（4）

　　令，则：

　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）

　　由上式可见，此图实现了PID功能。

3.5系统调试

1.状态分析

对于多泵循环变频恒压供水系统来说，其在正常条件下的状态数满足以下公式:

式中，Sn为正常状态总数，n为多泵循环系统的泵的台数。

式

（1）表达了正常状态与泵的台数的关系以及各个状态之间相互迁移的条件，它是一个典型的多入口多出口状态迁移图，控制逻辑较为复杂。

其他诸如指定某台电机处于检修状态所增加的（n-1）2个状态还必须在应用程序设计中加以体现。

因此，可以肯定地说，多泵循环控制系统的程序规模至少随着泵的台数的增加而成平方级增长。

考虑到各种其他外部条件的因素，实际上程序规模可能会达到:

2.系统调试

本系统由SEIMENSS7-200的CPU224，ABBACS400系列7.5KW变频器和具有压力显示的PID调节器组成。

利用变频器的两个可编程继电器输出端口R01和R02进行功能设定。

当变频器达到最高频率时，R01的常开触点RO1B-RO1C闭合：

当变频器达到最低频率时，RO2的常开触点RO2B-RO2C闭合。

可以此作为CPU224的输入信号，判断是否进行加泵和切泵。

为了节省成本，不采用SEIMEN的EM235扩展模块，而采用具有模拟量输入和模拟量输出的PID调节器，将压力传感器的信号（4~20mA或0~5V）送给调节器，调节器再将模拟量输出给变频器进行频率调节。

第四章结论

基于PLC控制的多泵循环变频恒压供水系统采用PLC的开关量输入/输出方式来控制电机的起动与停止、状态迁移、检修与故障处理等功能，通过PID仪表、压力变送器来实现变频驱动电机水泵的速度调节（当然也可以通过触摸屏和模拟量输入输出混合模块来实现变频速度调节），从而达到恒压供水的目的。

控制系统在程序设计时充分考虑到负载均衡性原则，采取“先开先停”的排队策略，执行变频方式轮值，确保各泵使用率基本均衡。

变频恒压供水一改以往的定量供给方式，首次实现“按需分配”原则，因此变频恒压供水方式与工频控制方式相比，不仅具有上面所述功能优点，而且同样具备很好的节能效果，在以往的工程中通常节电率达到20