PLC在城市供水系统中的应用.docx

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PLC在城市供水系统中的应用

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第2章PLC的概述

第1章绪论

1.1引言

本文介绍了采用可编程控制（ProgrammableLogicControlle）PLC的城市供水系统，PLC的特点是1编程简单2可靠性高3通用性好4功能强使用方便5设计施工和调试周期短在工业生产过程的自动化控制领域得到了越来越广泛的应用。

在城市供水系统中需要根据用水量及时调整电机的工作状态以满足用户的需求，可编程序控制器还具有很强的连网能力和很高的可靠性，不仅可以单机使用，而且可以与计算机结合组成集散式控制系统。

随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。

以方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能可靠供水。

针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是PLC控制的恒压无塔供水系统。

恒压无塔供水系统包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制——即双恒压系统。

恒压供水保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。

本文在此介绍一种采用可编程控制器（PLC）对供水系统进行恒压控制的一种方法，其电路结构简单，投资少（可利用原有设施改造），监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强可推广使用1.2工艺要求

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，系统应低恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行；

（2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出；（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过3H，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；

（4）三台泵在启动时要又软启动功能；1.3本文的研究意义和内容1.3.1本文的研究意义

生活中居民用水量随季节、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。

而传统的供水系统性能都不够好，已经不适

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应现代生活的应用，为了实现高质量的供水系统而设计了PLC恒压供水系统，PLC恒压供水系统具有供水质量高、灵活性强、耗电省、电机起制动平稳、占地面积少、原材料消耗省等优点，从而获得了广泛的应用。

恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水压力不足或短时断水，可能会影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。

又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。

所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

1.3.2本文主要的研究内容：

1.恒压供水系统的基本构成；2.系统控制要求；

3.PLC模拟量控制单元的配置以及应用；4.由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理

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第2章PLC的概述

第2章PLC的概述

2.1PLC的定义

最初，可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。

只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。

1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：

可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。

它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向拥护的指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。

可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。

2.2PLC的特点

（1）可靠性高

在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。

系统程序和大部分的用户程序都采用EPROM存储，一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以上。

（2）控制功能强

PLC采用的CUP一般是具有较强位处理功能的为处理机，为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的增强。

（3）编程方便易学

第一编程语言（梯形图）是一种图形编程语言，与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。

（4）使用于恶劣的工作环境

采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。

（5）与外部设备连接方便

采用统一接线方式的可坼装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电器规格。

（6）体积小、重量轻、功耗底。

（7）性价比高。

（8）模块化结构，扩展能力强

根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。

（9）维修方便，功能更灵活

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程序的修改就以意味着功能的修改，因此功能的改变非常灵活。

2.3PLC的组成

（1）输入寄存器

输入寄存器可按为进行寻址，每一为对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由相互如开关量驱动，并保持一个扫描周期。

CPU可以读其值，但是不可以写或进行修改。

（2）输出寄存器

输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值，而程序循环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值，在程序执行过程中，CPU可以读其值，并作为条件参加控制，还可以修改其值，而中间的变换仅仅影响寄存器的值。

只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。

（3）存储器

存储器分为系统存储器和用户存储器。

系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能修改，PLC要在系统程序的管理下运行。

用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。

（4）CUP单元

CUP单元控制着I/O寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中的程序的解释执行工作，是PLC的大脑。

（5）其他单元接口

其他单元接口用语提供PLC与其他设备和模块进行连接通信的物理条件

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第2章PLC的概述

系统寄存器用户寄存器输入寄存器输入电路输出电路输出寄存器PLC其它接口电路

图2.1PLC的组成

2．4PLC中的存储器

PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。

（1）系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的PLC的指令的系统编写的系统程序，它决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。

（2）用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。

（3）用来存储工作数据的区域称为工作数据区。

2．5PLC的编程语言

PLC的硬件系统中，与PLC的编程应用关系最直接的要算数据存储器。

计算机运行处理的是数据，数据存储在存储区中，找到待处理的数据一定要知道数据的存储地址。

PLC和其他的计算机一样，为了使用方便，数据存储器都作了分区，为了每个存储单元编排了地址，并且经机内系统程序为每个存储单元赋予了不同的功能，形成了专用的存储元件。

这就是前面提到过的编程的“软”元件。

为了理解方便，PLC的编程元件用“继电器”命名，认为它们象继电器一样具有线圈以及触点，并且线圈得电，触点动作。

当然这个线圈和触点只是假象，所谓线圈得电不过是存储单元置1，线圈失电，不过就是存储单元置0，也正因为如此，我们称之为“软”元件。

但是这种“软”继电器也有个突出的好处，可以认为它们具有无数多对动合动断触点，因此每取用一次它的触点，不过是读一次它的存储

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第2章PLC的概述

调节器是一种电子装备,在系统中完成以下几种功能:

（1）设定水管压力的给定值，恒压供水水压的高低依需要设定。

供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。

给定值即是系统正常工作时的恒压值，另外有些供水系统可能有多种供水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不只一个，一般消防用水的水压要高一些，调节器具有给定值设定功能，可以以数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。

（2）接受传感器送来的管网水压的实测值。

管网实测水压回送到泵站控制装置称为反馈，调节器实反馈的接受点。

（3）根据给定值和实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。

调节器接受了实测水压的反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。

如果给定值大于实测值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速，如果水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。

这些都是由调节器的输出信号控制。

为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节工作中还有个调节规律的问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称PID调节。

调节器的调节参数，如P、I、D参数均是可以由使用者设定的，PID调节过程视调节器的的内部构成由数字式调节及模拟量调节两类，以微型计算机调节器多为数字调节器。

调节器的输出信号一般式模拟信号，4~~20mA变化的电流信号或0~~10V间变化的电压信号。

信号的量值与前面提到的差值成正比，用于驱动执行设备工作。

下面以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，如图3.2所示，市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀TV1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。

水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为底水位报警用。

为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。

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，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵共消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。

火灾结束后三台泵再改为生活供水使用

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消防用水市网来水yv1生活用水1#EQ2#水池3#

图3.2生活消防双恒压供水系统构成图

3.2系统控制要求

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，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行；

（2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出；（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过3H，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；（4）三台泵在启动时要又软启动功能；（5）要有完整的报警功能；

（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。

3.3控制系统的I/O点及地址分配

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第2章PLC的概述

节阀、调速装置等。

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电气原理图如图3.3所示

L1L2L3FU变频器KM1KM2KM3KM4KM5KM6FR1FR2FR3MMM图3.3电气原理图

3.4PLC程序设计

本系统的PLC接线图如下图3.4所示。

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第2章PLC的概述

FU~220VCOM手动模式手动停止自动模式频率上限频率下限变频器故障输入1#泵故障输入2#泵故障输入3#泵故障输入紧急停止控制电源故障FR1FR2FR3某002某003某004某001某000某007某010某011某012某013某014某015某016某017COMY0Y1Y2Y3Y4Y5Y10Y11Y12Y13Y143#泵故障输出变频器故障输出故障报警KM1KM2KM2KM1KM3KM4KM4KM3KM5KM6KM6KM51#泵故障输出2#泵故障输出图3.4PLC的接线图

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第4章系统程序设计

硬件条件确定后，系统得控制功能主要通过软件实现，结合前述泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：

4.1由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理

前面已经说过了，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵不能满足要求时，需启动第2台或第3太泵。

判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。

这一功能可以同过比较指令来实现。

为了判断变频器的工作频率达到上限的确定性，应该滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中考虑采取时间滤波。

4.2多泵组泵站泵组管理规范

由于变频器泵站希望每一次启动电机都为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有一个管理规范。

控制要求中规定任意一台泵连续运行时间不得超过3h，因此每次需要启动新泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。

具体的操作时，将现行运行的变频泵从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。

除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，这里我们使用泵号加1的方法来实现变频泵的循环控制（3加1等于零），用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。

4.3程序的结果以及程序功能的实现

由于PLC在恒压供水系统中的功能比较多，本程序可分为3部分：

主程序、子程序和中断程序。

系统的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。

主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合以及报警处理都在主程序。

逻辑运算及报警处理等放在主程序。

利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。

生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定值为满量程的90%。

在本系统中，只是用比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但还要进一步调整以达到最优控制效果。

初步确定的增益时间常数为

增益

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第2章PLC的概述

采样时间积分时间

程序中使用的PLC元器件及其功能如下表器件地址VD100VD104VD108VD112VD116VD120VD124VD204VD208VD212VD250VD300VD301VD310T33T34T37功能过程变量标准化值压力给定值PI计算值比例系数积分时间积分时间微分时间变频起运动频率下限值生活供水变频器运动频率上限值消防供水变频器运动频率上限值PI调节结果存储单元变频工作泵的泵号工频运行的泵的总台数倒泵时间存储器工频/变频转换逻辑控制工频/变频转换逻辑控制M2.2M3.0M3.1M3.2M3.3M3.4泵工频/变频转换逻辑控制故障信号总汇水池水位下限故障逻辑水池水位下限故障消铃逻辑变频器故障消铃逻辑火灾消铃逻辑M2.1泵工频/变频转换逻辑控制器件地址T38T39M0.0M0.1M0.3M0.4M0.5M0.6M2.0工频泵减泵滤波时间控制工频/变频转换逻辑控制故障结束脉冲信号泵变频启动脉冲复位当前变频运行泵脉冲复位当前变频运动泵脉冲当前泵工频运动启动脉冲新泵变频启动脉冲泵工频/变频转换逻辑控制功能工频泵增泵滤波时间控制双恒压供水系统的梯形图程序以及程序注释如下图。

对该程序有几点说明：

（1）因为程序较长，所以读图时请按照网络标号的顺序进行；

（2）本程序的控制逻辑设计针对的是较少的泵数供水系统。

网络1上电初始化，调试初始化子程序SM0.1

SBR__OEN网络2消防和生活供水压力给定设置I0.0

MOV_RENENOINOUT-17-

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0.9VD104

MOV_RNOTENENOVD104INOUT网络3上电和故障结束时重新激活变频信号存储器

SM0.1INC_BSM0.0VB300ENENOINOUTVB300

网络4变频器上限时增泵滤波

I0.0VD250.M0.1T37INTONPTVD212+50VD250I0.0>=DVD208

网络5符合泵条件时，工频泵运行数加1

T37VB301<=PPINC-B

ENENO

INOUTVB301

VB301网络6频率下限时减泵滤波

VD250M0.2T38

<=D

INTON+1800

PT+100

网络7符合减泵条件时，工频泵运行数减1

T38VB301M0.2>BP（）0

DEC-B

ENENO

INVB301OUTVB301网络8变频泵增泵或倒泵时，置位M2.0M0.1M2.0

>=D-18-

0.7第2章PLC的概述

（）M0.3

网络9复位变频器频率，为软启动做准备T33M2.0INTON

PTQ0.5+1（）

网络10产生关断当前变频泵脉冲信号Ｔ３３

Ｍ０.４Ｐ（）

网络１１工频泵数加１

Ｍ０.４.Ｍ２.１（Ｓ）１NC-BENENOＶＢ３００ＶＢ３００INOUT网络12

T34M2.1INTONPT+2

网络13产生当前泵工频启动脉冲信号

T34M0.5P（）M2.1（R）1网络14

M0.5M2.2（S）

网络15

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M2.2T39INTONPT+30网络16产生下一台泵变频运行启动信号

T39M0.6P（）M2.2（R）M2（R）

网络17变频工作泵的泵号转移

VB300MOV--B>BENENO31INVB300OUT网络18一个变频泵运行的持续时间判断VB301SM0.4INC—DW==BPENENO0VD301INOUTVD310

网络193H时间到，则产生下一台泵的变频启动信号VD301

M0.3>=DP（）+180

MOV--B

ENENO

+0INOUTVD301网络20有工频泵运行时，复位VD310

VB301MOV—DW<>BENENO0+0INOUTVD310

网络211号泵变频运行控制逻辑

SM0.1VB300M3.0M0.4Q0.0Q0.1

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网络3ROUNDENENOAC0INOUTAC0MOV—DWENENOAC0INVD250OUTDI—I`ENENOAC0INAC0OUTMOV—WENENOINOUTAC0AQW0

中断子程序

双恒压供水系统体型图程序

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第2章PLC的概述

结论

该系统逻辑控制采用PLC控制变频器实现调速恒压供水，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，具有很好的控制效果。

该系统采用变频器调节水泵转速，使系统实现了高效节能，节能效率可达40%左右，同时由于采用变频器对电机实行软启动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机的使用寿命。

系统采用闭环控制，参数超调波动范围小，偏差能及时进行控制。

变频器的加速和减速可根据工艺要求自动调节，控制精度高，能保证生产工艺稳定，而且由于变频器调速器具有十分灵敏的故障检测、诊断、数字显示功能，提高了水泵运行的可靠性。

综上所述，采用PLC和变频器为核心部件构成的恒压供水系统，具有很强的实用性。

由于时间和学术水平的限制，本文存在许多不足之处，恳请大家批评指正。

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致谢

此还要感谢电气专业的全体老师，感谢他们对我的培养。

感谢家人的关心与支持！

感谢评阅和阅读本文的老师为此付出的辛勤劳动！

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第2章PLC的概述

参考文献

[1]王永华·现代电气控制及PLC应用技术·北京：

北京航空航天大学出版社，2003年[2]张万忠·可编程控制器入门与应用实例·北京：

中国电力出版社，2005年[3]周万珍、高鸿斌·PLC分析与设计应用·北京：

电子工业出版社，2004年[4]程周·可编程控制器原理与应用·北京：

高等教育出版社2003年

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第2章PLC的概述

==B（）M0.01

M0.6Q0.1网络222号泵变频运行逻辑

M0.6VB300M3.0M0.4Q0.2Q0.3==B（）

网络233号泵变频运行控制逻辑

M0.6VB300M3.0M0.4Q0.4Q0.5==B（）2Q0.5网络241号泵工频运行控制逻辑

.M0.5VB300VB301Q0.1Q0.0==B>B（）20Q0.0VB300VB301==B>B31

网络252号泵工频运行控制逻辑

.M0.5VB300VB301Q0.3Q0.2==B>B（）30Q0.2VB300VB301==B>B11网络263号泵工频运行控制逻辑

.M0.5VB300VB301Q0.5Q0.4==B>B（）10Q0.4VB300VB301==B>B21网络27火灾时，阀YV2打开I0.0Q1.0

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（）

网络28水池底水位信号处理

.I0.1I0.2M3.1（）M3.1

双恒压供水系统梯形图程序网络29水池水位下限信号灯SM0.5M3.1Q1.1

（）M3.2I0.5网络30变频器故障信号灯

SM0.5I0.3Q1.2（）M3.3I0.5

网络31火灾指示灯

SM0.5I0.0Q1.3（）M3.2I0.5网络32水位水池下限故障消铃逻辑

I0.4M3.1M3.2（）M3.2网络33变频器故障消铃逻辑

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第2章PLC的概述

I0.4M3.1M3.2（）M3.3网络34火灾消铃逻辑

I0.4I0.0M3.4（）M3.4主程序

双恒压供水系统梯形图程序网络35报警电铃

M3.1M3.2Q1.4（）I0.3M3.3

I0.0M3.4

I0.5网络36故障信号以及故障结束处理

（）MOVE-BENENOINOUT0VB300MOVE-BENENOINOUT0VB301M0.0N（）

主程序

双恒压供水系统梯形图程序

子程序

网络1初始化子程序SM0.0

MOV—DWENENOINOUT-23-

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+1800VD204MOV—DWENENO+22400INOUTVD208MOV—DW

ENENO+28800INOUTVD212MOV—RENENO0.25INOUTVD112MOV—RENENO0.2INOUTVD116MOV—RENENO30.0INOUTVD120MOV—RENENO0.0INOUTVD124MOV—RENENO200INOUTSMB34ATCHENENOINT--0IN10EVNY（B）子程序

双恒压供水系统梯形图程序-24-

第2章PLC的概述

网络1PI控制中断程序SM0.0I—DIENENOAIW0INOUTAC0DI---RENENOAC0INAC0OUT

DIV—R

ENENO

AC0INOUTAC0IN232000.0

MOV—R

ENENO

AC0INOUTVD100

PID

ENENO

TBLVB100LOOP0

MOVE---R

ENENO

OUTVD108INAC0

MUL—R

ENENO

OUTVD108IN1AC0IN232000.0

网络2AC0MOV—DW<=RENENOVD204INOUTT39VD204AC0>I+25

-25-