基于PLC的智能建筑变频恒压供水.docx
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基于PLC的智能建筑变频恒压供水
1绪论4
1.1课题研究的背景4
1.2国内外变频供水系统现状4
1.3设计任务及要求5
2恒压供水系统6
2.1变频恒压供水系统6
2.2课题研究的对象7
2.3变频恒压供水控制方式的选择7
2.4变频构成恒压供水系统的及工作原理9
2.4.1系统的构成9
2.4.2变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析11
3器件的选型及介绍12
3.1主线路接线图12
3.2PLC选型及接线13
3.2.1PLC的选型13
3.2.2PLC的接线13
3.3变频器14
3.3.1变频器的特点14
3.3.2变频器的选型15
3.3.3变频器的接线16
3.4PID调节器及压力传感器接线16
3.5原件表18
4PLC控制及编程20
4.1PLC控制20
4.1.1手动运行21
4.1.2自动运行21
4.2编程及介绍22
4.2.1总程序的顺序功能图22
4.2.2自动运行顺序功能图22
4.2.3手动模式顺序功能图23
5MCGS组态软件24
5.1MCGS组态软件24
5.1.1MCGS工控组态软件的功能和特点24
5.1.2MCGS组态软件的五大部分24
5.2建立界面25
5.2.1建立窗口25
5.2.2定义数据对象25
5.3编辑界面27
5.3.1编辑画面27
5.3.2对象元件的选择27
图5-6变频恒压供水演示工程28
5.4MCGS与PLC之间的连接28
MCGS通过上位机中的串行口设备和PLC上的通讯单元（编程口）建立串行通讯连接，从而达到操作PLC设备的目的。
PLC的默认设置是只支持RS232通信，所以要使用RS485通信协议，必须事先用RS232（即PLC的编程口）通信，设置寄存器PLCD8120寄存器。
28
此次MCGS通过监控计算机的RS-232串行口读取PLC存储区的数据，与PLC建立连接。
MCGS的结构形式使其成为一个“与设备无关”的系统，对于不同的硬件设备，只需定制相应的设备构件，放置到设备窗口中，并设置相关的属性，系统就可对这一设备进行操作，而不需要对整个系统结构作任何改动。
28
5.4.1添加PLC设备29
图5-8设备工具箱窗口30
5.4.2PLC设备属性的设置30
图5-9进入设置设备内部属性窗口30
图5-10设置所需要的通道31
图5.13设置通道对应的对象31
结论32
致谢33
参考文献34
附录35
1绪论
1.1课题研究的背景
我国长期以来在城市供水、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，工业自动化水平低。
泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗大量的能量，提高了泵站的效率：
减少能源消耗，有很大的意义在国民经济上。
调节水压传统方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量的能耗，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者又需要大量的占地与投资。
因此，对供水系统的能量模型的研究，有很大的潜力，是降低能源消耗，保障供水的意义很大。
变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行非常平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。
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，方便地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。
本次的设计正是为了能更好的解决此类问题而进行的，采用以PLC为控制核心，通过变频调速实现恒压供水。
1.2国内外变频供水系统现状
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。
在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，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传感器，对压力进行闭环控制。
从查阅的资料的情况来看国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。
这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。
此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。
如法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”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，可构成最多七台电机（泵）的供水系统。
目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。
但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。
1.3设计任务及要求
该设计主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水，通过设计了解并熟悉PLC的工作原理，编程原理以及编程方法。
对供水系统的构成、工作原理、节能原理及相关技术进行分析，并对变频恒压供水系统的控制方案、系统设计等问题进行了研究与设计。
承担对本恒压供水系统的硬件选型与软件设计工作，并且承担系统软件和硬件的调试工作，并满足正常运行需要。
2恒压供水系统
2.1变频恒压供水系统
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。
在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。
目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。
追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
变频恒压供水系统具有以下特点:
（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。
2.2课题研究的对象
此次设计研究的对象是智能楼宇的供水系统。
由于高层楼宇对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。
自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。
通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。
2.3变频恒压供水控制方式的选择
目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：
（1）逻辑电子电路控制方式
这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。
因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。
（2）单片微机电路控制方式
这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。
电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。
（3）带PID回路调节器或可编程序控制器（PLC）的控制方式
该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。
实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。
传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。
压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。
还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。
由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲。
既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。
由于带模拟量输入，输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。
若采用带有模拟量输入，数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。
如果采用一个开关量输入，输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入，输出的可编程控制器差不多。
所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。
（4）新型变频调速供水设备
针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品。
这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。
由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。
考虑以上四种方案后，此次设计采用第四种方案。
如图2-1示。
图2-1供水系统方案图
2.4变频构成恒压供水系统的及工作原理
2.4.1系统的构成
图2-2系统原理图
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，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。
（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。
2.4.2变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析
在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的。
当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泵来减少供水流量，达到恒压的目的。
尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。
当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。
由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。
当变频器的输出频率己经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。
要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。
另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。
其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降低到0Hz。
因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。
这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。
这个频率远大于0Hz,具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz左右。
由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。
3器件的选型及介绍
3.1主线路接线图
图3-1变频恒压供水系统主电路图
图3-1为系统的主电路图，其中M1、M2、M3是三台水泵机，而KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6是接触器。
其中的KM1、KM3、KM5没接变频器，KM2、KM4、KM6接了变频器，所以这三个接触器控制了三台电动机的变频工作；FR1、FR2、FR3是热继电器，他们的作用是水泵电动机过载时能起到保护的作用；QS1、QS2、QS3、QS4则是四个部分的总开关；FU是主电路的保险。
三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。
当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。
主电路的低压熔断器出接通电源外，通实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。
3.2PLC选型及接线
3.2.1PLC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FXos-30MR-D型PLC。
3.2.2PLC的接线
图3-2PLC的接线图
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。
3.3变频器
3.3.1变频器的特点
变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。
能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。
变频恒压供水系统主要有以下几个特点：
（1）完美的中文人机界面。
人机界面与先进的PLC可编程控制技术结合，时时通讯监控各台水泵的工作状态，灵活的现场参数设定，对设定压力值及测量值、运行频率、运行电流、系统故障等参数显示，使人机界面一目了然，便于操作及管理。
（2）设备中同流量的水泵全部采用先启先停，后启后停，循环变频启停，循环交替切换的工作方式。
（3）控制精度高，压力控制精度≤0.01MPa。
用户根据供水压力要求设定压力值，设定后供水压力稳定，无超调。
（4）故障自动报警功能。
当自动系统发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断，并发出故障报警，通知值班人员检修。
（5）完善的保护功能。
设备除具有常规的过流、过载、过压、过热、缺相、短路、漏电等多种保护功能和故障诊断功能外，还具有缺水、超压、防水锤等多重保护功能，以及具有市政停水防操作系统、应急备用功能、停电自动恢复功能，从而确保设备运行及供水安全可靠。
3.3.2变频器的选型
根据设计的要求，本系统选用FR-A500系列变频器，如图3-3所示：
图3-3FR-A500的管脚说明
3.3.3变频器的接线
3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。
图3-4变频器接线图
3.4PID调节器及压力传感器接线
仅用P动作控制，不能完全消除偏差。
为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。
用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。
但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。
对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。
对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。
偏差小时，P动作的作用减小。
控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。
在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。
换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。
利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。
采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。
这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统（即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统），本系统也比较适合PID调节器。
图3-5PID控制框图
通过对被控制对象的传感器等检测控制量（反馈量），将其与目标值（温度、流量、压力等设定值）进行比较。
若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。
也就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式。
它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。
在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种：
（1）硬件型：
即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。
（2）软件型：
使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器（或单片机）上做PID控制器。
此次使用硬件型控制形式。
根据设计的要求，本系统的PID调节器内置于变频器中。
图3-6PID控制接线图
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3-7压力传感器的接线图
3.5原件表
水泵：
M1、M2选用40-160（I）A型，M3选用40-160（I）型，参数见表3.1所示。
I1=P/U=200/380≈5.8AI2=P/U=300/380≈7.9A
热继电器的选择：
选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR、FR1、FR2可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流5－8A，FR3可选用规格其型号为TK-E02U-C，额定电流为6－9A。
熔断器的选择：
在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。
接触器的选择：
对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C，功率3Kw。
按钮SB的选择：
PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY3—11型，其主要技术参数为：
UN=24VDC，IN=0.3A，含1对常开和1对常闭触点。
表3-1元件表总图
元件
符号
型号
个数
可编程控制器
PLC
FXos-30MR-D
1
变频器
FR-A540系列
5.5型
1
接触器
KM
SC-E03-C
7
水泵
M1,M2
40-160（I）A
2
M3
40-160（I）
1
闸刀开关
QS
HD11-100/18
1
熔断器
FU1，FU2
RT186A
2
FU3
RT188A
1
热继电器
FR1FR2
TK-E02T-C
2
FR3
K-E02U-C
1
按钮
SB
LAY3—11
10
表3-2水泵的参数
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