变频器PLC恒压供水的论文Word格式.docx

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PID控制；

恒压供水；

MCGS

Abstract

Withtherapiddevelopmentofsocialisticmarketingeconomy,thereisagrowingdemandforbetterqualityofwatersupplyandhigherreliabilityofsupplysystem.Soitisaninevitabletendencytodesignandcreateanenergy-savingconstant-pressurewatersupplysystemofexcellentperformancewiththehelpofadvancedtechniquesofautomation,monitor-controlsystemandcommunication.

Thegeneralmethodstosolvetheproblemaretheutilizationsofconstant-speedpump,highcisternorpressureairtanketc．Theconstantpressurewatersupplysystemwithfrequency-speedcontrolhasthefeaturesofhighstability，lessfloorspace，electricityandwater-saving，highautomationandeasyoperation,whichprovidesapracticalplatformtoreduceenterprisesconsumptionofenergy，andwhichalsoprovidesasignificantmethodtoincreasetheeconomicbenefitandawaytoensurethesafeoperationandstabilityoftheequipments．

Inthispaper,thecontrolprincipleofVVVFproviding-watersystemisintroduced,PLCisusedtocarryonlogiccontrolandinverteredtomodulate

pressure.ThroughPIDcontrolprinciple.WerealizeClosed-LoopcontrolinVVVFProviding-waterSystem.

Accordingtoabovecontrolrequirements,thewholesystemcontrolschemedesign.First,thehardwareequipmentselection,establishtheI/Otable,seriess7-200PLCselection,renderingthewiringdiagramhardware.Second,thesoftwaredesign,designladderdiagramcontrolprocedures,writedownamachine,andusingthesimulationsoftwareprogramtolowerplacemachinesimulationtest.Again,thestudyMCGSsoftware,designthePCmonitorinterface.Finally,tothePCandlaboratoryunderamachine,modifiedandimproveonlineadjustmentthePLCconstantpressurewatersupplysystemprogramming.

Theresultindicatesthatthesystemhasthestablepressure,simplestructure,andreliablework.

Keywords:

PLC;

variablefrequencyspeedcontrol;

PIDcontrol;

constantpressurewater;

MCGS

第一章绪论

1.1变频恒压供水系统产生的背景和意义

众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，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。

主要表现在用水高峰期，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，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。

在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。

以下就逐一分析。

传统的小区供水方式有：

恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦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]：

（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）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。

（3）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。

（4）液力耦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不同程度的存在浪费水力、电力资源；

效率低；

可靠性差；

自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。

目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：

一是节能显著；

二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；

三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗[2]。

基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。

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，同时系统具有良好的节能性，这在能源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。

1.2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。

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、压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，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。

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Samc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。

这类设备虽微化了电路结构，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不高，与别的监控系统（如BA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，因此在实际使用时其范围将会受到限制[3]。

目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多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、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没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）也推出恒压供水专用变频器（5.5kW-22kW），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、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC），的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。

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[4]。

第二章系统的控制要求

本论文介绍一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统。

如图1所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。

水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为低水位报警。

为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。

生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。

当有火灾发生时，电磁阀YV2得点，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。

火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。

图1生活消防双恒压供水系统构成图

2.1变频恒压供水系统的控制要求

对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：

1生活供水时，系统低恒压值运行，消防供水时高恒压值运行。

2三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。

3在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。

4三台泵在启动时都要有软启动功能。

5要有完善的报警功能。

6对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。

2.2变频恒压供水系统的组成及原理图

PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2所示：

图2变频恒压供水系统控制流程图

从图中可看出，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：

（l）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，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频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；

工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。

（2）信号检测机构：

在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。

管网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；

水池水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。

此信号来自安装于水池中的液位传感器；

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（即水泵机组）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。

根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；

变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择[5]，本设计中采用前者。

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、供水水源中断造成故障，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。

变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。

设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。

所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上[6]。

变频恒压供水系统的结构框图如图3所示：

图3变频恒压供水系统框图

恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为0-10V的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。

由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。

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）系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差,调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。

（2）当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。

反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。

（3）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件（在下节有详细阐述）时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2（变速运行），同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。

如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。

（4）当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。

当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3关掉。

2.4水泵切换条件分析

在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵已运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；

当变频泵和工频泵都在运行且变频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，此时需要减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的。

那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢?

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。

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。

这个频率大于0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，经过计算在2.8125HZ左右。

所以选择50HZ和2.8125HZ作为水泵机组切换的上下限频率。

第三章控制系统硬件设计

3.1系统主要设备的选型

根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图4所示：

图4系统的电气控制总框图

由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：

（1）PLC及其扩展模块、

（2）变频器、（3）水泵机组、（4）压力变送器、（5）液位变送器。

主要设备选型如表1所示：

表1本系统主要硬件设备清单：

主要设备

型号及其生产厂家

可编程控制器（PLC）

SiemensCPU226

模拟量扩展模块

SiemensEM235

变频器

SiemensMM440

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）

3.1.1PLC及其扩展模块的选型

PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。

因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。

由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。

S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。

SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；

PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。

PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口（PPI）协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护[7]。

根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；

开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。

由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入（AIW），1个模拟输出（AQW）信号通道。

输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；

输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长（16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。

EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置[8]。

3.1.2变频器的选型

变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。

变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。

本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。

根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：

普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。

供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器[9]。

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。

它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。