PLC变频器在消防和生活供水系统的应用Word文档格式.docx
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2.2水泵机组的循环切换……………………………………………………5
第3章供水系统的硬件设计……………………………………………………7
3.1硬件的配置和选型………………………………………………………7
3.1.1PLC的配置与选型……………………………………………7
3.1.2变频器的配置与选型………………………………………8
3.2主电路设计………………………………………………………………9
3.3控制电路设计……………………………………………………………10
3.4变频器参数设定和控制电路接线图……………………………………13
第4章供水系统的软件设计…………………………………………………14
4.1软件的选取………………………………………………………………14
4.2程序设计…………………………………………………………………14
4.3程序功能图的设计………………………………………………………14
第5章供水系统的调试………………………………………………………16
总结…………………………………………………………………………………17
致谢…………………………………………………………………………………19
参考文献……………………………………………………………………………20
附录一程序语句表…………………………………………………………21
附录二设备清单……………………………………………………………26
第1章绪论
1.1恒压供水概况
1.1.1恒压供水系统的产生背景
水是人类最宝贵的资源，是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线，传统的供水方式是采用水塔或高位水箱以及气压供水，一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须提升水压才能满足用水要求。
而水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来提升水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。
使用这些传统的供水方式，不但容易造成水的二次污染，影响居民健康而且供水的可靠性得不到确切的保障，影响居民的日常生活。
在设备的投资以及运行上的费用都比较高。
日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。
这样造成大量能源的浪费，降低了效益。
另外，随着安全意识的增强，国家在对各种建筑物的规划设计中，要求供水系统有消防控制功能，而消防用的水压与生活供水的压力不同，要求在出现火情时增大水压灭火。
因此开发可靠性高，控制性能好的恒压供水自动控制系统具有很大的现实应用价值。
1.1.2恒压供水的现状
生活用水与人们息息相关，随着城市规划的完善，越来越多的居民小区供水采用恒压自动控制。
另一方面，随着变频技术的推广，泵类专用变频器在恒压供水系统已有了广泛应用。
为了提高供水质量，保证充足的水量供应和稳定的水压，采用多台水泵构成恒压供水控制系统的应用场合越来越多，例如在大型商场、车站、宾馆及城市化小区等地方。
自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。
变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。
恒压供水调速系统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。
在实际应用中得到了很大的发展。
随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。
充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
目前，自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，可完成系统的数字PID调节功能可对系统中的各种运行参数、控制点进行实时监控，并实现系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能。
自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。
1.1.3恒压供水的现实意义及发展
新型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。
恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。
目前该产品正向着高可靠性、全数字微机控制，多品种系列化的方向发展。
追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备的适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
第2章供水系统工作原理和总体方案设计
2.1系统介绍
2.1.1系统的组成
供水系统的构成框图如图2.1所示。
它主要由PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、水泵机组等组成。
用户通过电控柜面板上的指示灯和按钮、转换开关（图2.1.1）来了解和控制系统的运行。
图2.1系统组成框图
图2.1.1电控柜面板图
2.1.2系统的特点
⑴节能，可以实现节电20%-30%，能实现绿色用电。
⑵占地面积小，投入少，效率高。
⑶配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。
⑷运行合理，由于是变频调速，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。
⑸由于变频恒压供水直接从水源供水，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。
⑹通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。
⑺可以实现生活/消防双恒压供水。
2.1.3系统的工作原理
该系统有手动和自动两种运行及停止方式。
⑴手动方式时，按下按钮启动和停止水泵，可根据需要分别控制1#～3#泵的启停，该方式主要供设备调试、自动有故障和检修时使用。
⑵自动运行时，首先由1#水泵变频运行，变频器输出频率从0HZ上升，同时PID调节器把接收的信号与给定压力比较运算后送给变频器控制。
如压力不够，则使频率上升到50HZ，变频器输出一个上限频率到达信号给PLC，PLC接收到信号后经延时，1＃泵变频迅速切换为工频，2＃泵变频启动，若压力仍达不到设定压力，则2＃泵由变频切换成工频，3＃泵变频启动；
剩下的水泵启动依此类推，直到压力达到给定值为止。
如用水量减少，PLC控制从先起动的泵开始切除，同时根据PID调节参数使系统平稳运行，始终保持管网压力。
若有电源瞬时停电的情况，则系统停机，待电源恢复正常后，系统自动恢复到初始状态开始运行。
变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵的启动、停止、循环变频的全部操作过程。
2.1.4系统的控制原理
通过安装在总出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4～20mA标准信号送入变频器内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，得到4～20mA参数，4～20mA信号送至变频器。
控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，根据用水量的不同，变频器调节水泵的转速不同、工作频率也就不同，在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大时，变频器迅速上升到上限频率，此时，变频器输出一个开关信号给PLC；
当用水处于低峰时，变频器输出达到下限频率，变频器也输出一个开关信号给PLC；
两个信号不会同时产生。
当产生任何一个信号时，信号即反馈给PLC，PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。
通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。
2.2水泵机组的循环切换
开始工作时，1#泵变频启动，泵的转速随变频器输出频率的上升而逐渐升高，如变频器的频率达到50HZ而此时水压还未达到设定值，变频器检测到上限频率并输出一个开关信号给PLC，延时一段时间后，1＃泵解除变频器运行信号，频率降为0HZ，并迅速切换至工频运行，然后2＃泵变频启动，若压力仍未达到，则2＃泵切换至工频，3＃泵变频启动，在运行中始终保持一台泵变频运行，当压力达到设定值时变频输出将为0HZ，同时变频器输出一个下限频率信号至PLC，由PLC决定切除1＃工频泵，此时由一台工频泵和一台变频泵运行，如果此时压力达到设定值，变频器的输出为0HZ，同时输出下限信号给PLC，PLC解除2＃工频泵，只由3＃泵变频运行来维持管网压力。
当压力下降，变频器频率升至50HZ输出信号，延时后3＃泵切换为工频，1＃泵变频启动，若压力仍不满足则1＃变切换为1＃工，2＃泵变频运行，如果压力仍达不到，2＃变切换为2＃工，启动3＃变，三台泵同时工作以保证供水要求。
切换示意图如图2.2所示。
这样的切换过程有效地减少泵的频繁起停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。
图2.2泵组切换示意图
第3章供水系统的硬件设计
3.1硬件的配置与选型
3.1.1PLC的配置与选型
SIMATICS7-200可编程序控制器是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用；
大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，各种单独的模块广泛组合以用于扩展；
简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活；
方便用户和简易的无风扇设计；
当控制任务增加时，可以自由扩展；
大范围的集成功能使得它的功能非常强劲。
多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。
当任务规模扩大，可随时使用附加模块对PLC进行扩展。
根据对该系统的分析，系统的开关量输入点8个，开关量输出点12个，如果选用西门子S7-200系列的PLC，CPU224（14个输入点/10个输出点）也需要拓展模块，根据我们的实际情况和当前市场报价，我们选用西门子S7-200系列CPU226的PLC。
如图3.1.1
图3.1.1
3.1.2变频器的配置与选型
1、变频器的配置组成
变频器主要由整流（交流变直流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成,如图3.1.2所示
图3.1.2
2、变频器的选型
变频器选型时需要确定以下几点：
（1）采用变频的目的；
恒压控制或恒流控制等。
（2）变频器的负载类型；
如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
（3）变频器与负载的匹配问题；
I.电压匹配；
变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II.电流匹配；
普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
III.转矩匹配；
这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
（4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
（5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
总之，可以根据电机的功率、使用变频器的场所、电机的额定电流、使用的环境等因素，来选择合适的变频器。
以便使效果达到最佳状态。
根据以上变频器选型的要点，我们在这次的方案中，选择了132KW的变频器。
3.2主电路设计
该系统包括3台水泵电动机M1、M2、M3，功率都为37KW。
一台蓝海华腾V5-H（132KW）的变频器，依次控制每台水泵实现循环降压启动及转速的调节，实现恒压控制。
蓝海华腾变频器，在手动运行时，依次控制每台水泵的启动和停止，避免了大电流对系统的冲击，消除了水锤效应，延长了系统的使用寿命。
系统具有变频和工频两种运行状态，当变频泵达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵切换为工频运行状态，并指示下一台为变频泵。
主电路图如下所示：
见图3.2其中交流接触器1KM2、2KM2、3KM2分别控制M1、M2、M3工频运行，1KM1、2KM1、3KM1变频运行，KM0控制变频器的工作，并且工频与变频、变频器和软启动器是互锁的。
FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器。
图3.2
3.3控制电路设计
⑴控制电路（图3.3.1、图3.3.2）主要由PLC、继电器线圈和辅助触点、指示灯、转换开关、变频器控制电路等组成，它有手动和自动两种操作方式，其中手动主要用于调试、系统故障和维修时使用，两种操作方式不能同时运行，只能运行一种，它们通过转换开关和中间继电器互锁。
由于PLC的输出电流最大为2A，不能直接用来驱动交流接触器，在PLC的每个输出点上接一个中间继电器，将输出信号放大后，再驱动交流接触器。
为了防止PLC输出点短路时引起的大电流损坏PLC，在PLC的每个输出点上接一个熔断器，作为输出短路保护。
图3.3.2中的QF7为控制电路的隔离开关，FU3为控制电路的短路保护，SA为手动/自动转换开关，SA打在①位置时（①和④接通）为手动控制状态；
打在②位置时（②和③接通）为自动控制状态。
手动运行时，可用按钮SB2～SB7控制三台水泵电机的启/停和电磁阀YV2的通断；
自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
FU00～FU10为PLC的输出短路保护熔断器，KA0～KA10为PLC的输出继电器。
HL1、HL3、HL5为水泵电机变频运行指示，HL2、HL4、HL6为水泵电机的工频运行指示，HL7、HL8分别为自动和手动运行指示，HL9、HL10分别为故障报警和火灾报警指示，HA为电铃。
（2）PLC的I/O分配表
输入信号如表1
代码
名称
地址编号
RO1
变频器上限频率到达信号
I0.0
RO2
变频器下限频率到达信号
I0.1
FA
变频器故障信号
I0.2
SH
水池水位上限
I0.3
SL
水池水位下限
I0.4
XF
消防信号
I0.5
SB0
紧急停止按钮
I0.6
FR1+FR2+FR3
热继电器常闭触点
I0.7
SB1
试灯按钮
I1.0
输出信号表2
名称
地址编号
1KM1、HL1
1#泵变频运行接触器及指示灯
Q0.0
1KM2、HL2
1#泵工频运行接触器及指示灯
Q0.1
2KM1、HL3
2#泵变频运行接触器及指示灯
Q0.2
2KM2、HL4
2#泵工频运行接触器及指示灯
Q0.3
3KM1、HL5
3#泵变频运行接触器及指示灯
Q0.4
3KM2、HL6
3#泵工频运行接触器及指示灯
Q0.5
DI1
变频器启动
Q0.6
DI2
变频器复位
Q0.7
YV2
生活/消防供水转换电磁阀
Q1.0
HL9、HA
声光报警线圈
Q1.1
HL10
火灾报警指示
Q1.2
图3.3.1PLC的外部接线图
图3.3.2手动/自动控制电路图
3.4变频器参数设定和控制电路接线图
3.4.1蓝海华腾V5-H变频器的参数设定
3.4.1.1通讯参数设置
由PLC控制变频器，采用上位机控制电机启动：
当变频器是由上位机控制时，确定接线准确无误后上电，将P0.06设定为上位机控制（P0.06=2），其接线方式是变频器与上位机之间使用485通讯连接，在变频器与上位机中要设置相应的有关通讯（PC组参数）的设定。
当变频器与上位机通讯正常以后，可以通过上位机来修改变频器运行的状态。
运行的状态要求变频器正转时，送给变频器的控制命令字（地址是8000（十六进制））正转命令（Wh8000=01），当要求变频器停止运行时，送给变频器的控制命令字停止命令（Wh8000=00）。
3.4.1.2PID控制参数设置
设置P0.03=1：
为模拟量反馈过程闭环控制；
设置P1.02：
模拟量反馈闭环控制主给定方式，选择0为P8.00数字给定；
设置P1.05：
模拟量反馈闭环控制主反馈方式，根据实际反馈接到那个端子而设置。
如果设置P1.02=0，则目标数值为P8.00设置，如果P8.00设置为5V
则反馈数值到5V则达到平衡状态；
小于5V则速度上升；
大于5V则速度下降；
如果设置P1.02=1，则目标数值为AI1设置，如果AI1调节为5V则反馈数值到5V则达到平衡状态；
大于5V则速度下降。
3.4.1.3变频器控制电路接线图
图3.4.1.3
第4章供水系统的软件设计
对于一个自动控制系统来说，硬件是基础，软件是灵魂。
软件已经成为计算机系统的主体，在很大程度上决定了系统的先进性、可靠性、实用性以及实时性。
信息管理及监控软件是一种特殊的软件，它具有如下特点：
1．要求可靠性特别高。
可靠性不仅意味着系统工作的正确性，而且要求系统工作的连续性。
例如控制过程不允许中断，系统中各种参数不允许丢失；
2．要求系统软件实时性强。
实时性要求系统能够实时反映监测量并及时做出控制决策，即具有较快的响应速度。
3．要求软件的使用和维护方便。
信息管理及监控软件主要由工程技术人员和操作人员使用，要求系统的使用和维护都很方便。
本章对供水系统的软件进行设计
4.1软件的选取
系统程序必须有专门的应用软件来编写，在这里我们选用STEP7-MICRO/WINV4.0编程软件，该编程软件的基本功能是协助用户完成PLC应用程序的开发，同时具有设置PLC参数、加密和运行监视等功能。
STEP7-MICRO/WINV4.0编程软件在离线条件下，可以实现程序的输入、编辑、编译等功能。
编程软件在联机工作方式（PLC与编程PC相连）可实现上、下载，通讯测试及实时监控等功能。
4.2程序设计
本系统运行的关键是PLC程序的合理性、可行性问题。
系统程序包括主程序和启动子程序，主程序内包括参与调节程序和电机切换程序；
电机切换程序又包括加电机程序和减电机程序。
启动程序实际上是清零程序，在PLC上电时，初始化清零。
由于采用了变频器内部的PID调节器，我们这里就不需要PLC的模拟量模块了。
也不需要采用PLC的PID功能指令了，只需将PLC与变频器用通信电缆连接，实现通信。
逻辑运算及变频器复位等放在主程序里。
系统初始化的一系列放在子程序中完成，这样可以节省扫描时间。
生活供水的给定值为70%，消防供水的给定值为90%。
（见附录一Network2）
4.3程序功能图的设计
程序中使用的元件（见表3）
程序功能图见图4.3
图4.3
表3程序中使用的元器件列表
元器件
地址
功能
VD104
压力给定值
M0.0
故障结束脉冲信号
VB300
变频工作的泵的泵号
M0.1
泵变频启动脉冲
VB301
工频运行的泵的总台数
M0.3
倒泵变频启动脉冲
VD310
倒泵时间存储器
M0.4
复位当前变频运行泵脉冲
T33
工频/变频转换逻辑控制
M0.5
当前泵工频运行启动脉冲
T34
M0.6
新泵变频启动脉冲
T37
工频泵增泵滤波时间控制
M2.0
泵工频/变频转换逻辑控制
T38
工频泵减泵滤波时间控制
M2.1
T39
M2.2
M3.0
故障信号汇总
M3.1
水池水位下限故障逻辑
附：
程序语句表（详见附录一）
第5章供水系统的调试
5.1调试注意事项
通电前应检查有无漏接线，接线是否正确；
检查所有螺丝、端子有无松动现象；
控制箱内电气元件上有无可能引起电气短路的线头及其它金属杂物；
控制箱体外壳接地线接法是否正确，接触是否良好。
检查后，合上QF1，设定变频器参数。
5.1.1变频器参数的设置
P0.03=1模拟量反馈过程闭环控制
P0.06=1端子控制模式
P0.08=6.0秒系统加速时间
P0.09=6.0秒系统减速时间
P2.02=FECB可看输出电压，功率，电流，频率
P2.03=2222停机可看压力值
P2.04=2,运行时可查看压力实际值
P2.05压力实际值与显示有偏差设校正系数
P5.01=20,故障复位
P7.022，变频器继电器输出信号为FDT1
P7.20=20.00HzFDT1启动频率点，控制加载
P7.21=19.00HzFDT1结束频率点，控制加载
P8.00=5.5变频恒压闭环压力给定
P8.03=1.000,恒压闭环PID的P
P8.04=10.00,恒压闭环PID的I
P8.07=0.0,恒压闭环PID的偏差极限2%
P9.01设置电机极数
P9.03设置电机额定功率
P
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