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基于plc的恒压供水控制系统
摘要：
水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的
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。
本论
文结合我国中小城市多层住宅小区的用水现状，设计了一套基于PLC的变频调
速恒压自动控制供水系统，给出设计原理、控制系统整体结构，分析控制功能
和控制过程，完成可编程控制电路、变频器电路等具体电路设计，设计控制系
统的程序框图。
采用PLC与变频器作为控制核心，再加上压力变送器，实现了
变频调速恒压自动控制供水控制效果非常好，软件设计简单，硬件接口简易可
行、可靠性高，整个系统的性价比非常高。
关键词：
PLC，变频调速，恒压，供水
1.绪论
泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率，降低能耗，对国民经济有重大意义。
目前，泵站有很大一部分水泵电机是不变速拖动系统，原先用人工进行水位控制，由于无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停，虽然使用浮标或机械等水位控制装置使供水状况有了一些改变。
不变速电机的电能大多消耗在适应供水量的变化而频繁的开停水泵中。
这样不但使电机工作在低效区、减短电机的使用寿命，而且电机的频繁开停使设备故障率很高，机械装置的故障多，可靠性差，导致水资源严重浪费，系统的维护、维修工作量较大。
随着高位生活用水和工业用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。
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。
即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一）后，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，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，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。
这类设备虽然说是微化了电路结构，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。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的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、抗干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。
原深圳华为（现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团〔森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器（2.2kw-30kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环（月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换）。
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。
PLC与变频器结合为核心构成的系统，可以解决水压控制系统存在的问题，变频技术以其在节能与恒压方面的优越性能达到较好的控制效果。
与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。
变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。
这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。
由于要根据现场情况调整系统参数，而PLC在软件设计上编程简洁、直观，PLC的软件中时间参数的调整更简单，这样更有利于运行人员掌握。
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。
变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:
（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（如:
温度、流量、浓度等）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
图2.1供水流程简图
此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。
这栋楼有24层，由于高层楼对水压的要求高，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。
如图2.1所示，是这栋小楼的供水流程。
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。
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，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO—I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的GIIS／PIIS系列产品；等等。
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。
由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。
同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。
考虑以上四种方案后，此次计采用第四种方案。
如图2.2所示。
图2.2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2.3系统原理图
如图2.3所示，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，图2.3中的3个水泵分为二种类型:
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。
①供水控制器:
它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工况、压力、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）进行控制。
②变频器:
它是对水泵进行转速控制的单元。
变频器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。
③电控设备:
它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。
用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。
（4）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
（5）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工作原理
合上空气开关，供水系统投入运行。
将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。
根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。
变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。
同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵（或第3台泵）。
当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。
此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。
增泵工作过程：
假定增泵顺序为l、2、3泵。
开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。
当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。
当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。
在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。
如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。
减泵工作过程：
假定减泵顺序依次为3、2、1泵。
当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。
如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。
2.4.3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泉来减少供水流量，达到恒压的目的。
那么何时进行切换，刁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。
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。
在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。
所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间（比如1-2分钟），如果在这一段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。
2.5PID控制原理
将偏差的比例（（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative））通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制的控制器，简称PID控制器或PID调节器，是生产过程中应用最普遍的控制方法。
它的结构简单，操作方便，可靠性高，特别是在控制对象的数学模型难以建立的工业控制过程中，应用更为广泛。
事实上，PID是一种负反馈控制，它以设定的控制目标值与反馈值的差值作比例、微分、积分后用来控制受控对象。
图2.4常规PID控制系统原理框图
（2-1）
其系统原理框图如图2.4所示连续系统的PID控制算式表示为：
其中e（t）为偏差，e（t）=r（t）-y（t）
r（t）…设定值，y（t）…实际值
Kp，Ti，Td分别为控制式的比例、积分、微分系数
简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：
（1）比例环节，即时成比例地反映控制系统的偏差信号e（0），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
（2）积分环节，主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti、Ti越大，积分作用越弱；反之则越强。
（3）微分环节，能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间.对于计算机采样控制系统，使用的是数字PID。
数字PID又分为位置式算法和增量式算法。
将式中的积分用求和代替，微分用增量代替，则得到位置式PID算式为：
（2-2）
式中：
Kp为比例系数；
Ki=KpT/Ti为积分系数，T为采样周期；
Kd=KpTd/T为微分系数
次输出均与过去的状态有关，计算时要对e（kt）进行累加，计算机运算工作量大。
而且，因为计算机输出的u（t）对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u（t）的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化．这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PD控制的控制算法。
所谓增量式PD是指数字控制器的输出只是控制量的增量Au（kt）。
采用增量式PID算法，式（2-2）改写为：
（2-3）
曝气池污水处理是一个复杂的大滞后的生化反应过程，如果通过机理的方法，建立精确的数学模型是很困难复杂的。
采用一般的控制方法，大滞后问题又很难被解决，为了解决系统滞后问题，本系统采用PID控制的方法。
由PID控制原理可知，比例增益（KP）可以加快响应速度，提高调节精度，但是如果过大，可能会导致系统激烈振荡甚至不稳定。
积分增益可以消除静差，提高系统控制的精度，但是如果过大，可能会引起积分饱和，导致系统振荡频率较低，调节缓慢，且超调量过大。
PID参数整定原则
根据A/A/O活性污泥法污水处理的特点，结合PID的三个系数（KP、KI、KD），对系统控制的作用，可以确定如下三条整定原则：
（1）E很大时,说明实际值与参考值相差很大，此时应采取最强的控制，使误差绝对值以最大速度减小，这样在PID控制参数方面，要求KP取较大值，同时为避免积分和微分饱和，KD可取较小值，KI取0。
（2）若E·EC>0,说明误差在向绝对值增大的方向变化，即实际值与参考值的差距在变大。
此时，当误差绝对值较大时，应采取较强的控制以改变误差的变化趋势，迅速减小误差绝对值，在PID控制参数方面，KP可取较大值，同时可取较小的KI和中等的KD，以提高动态性能和稳态性能；当误差绝对值较小时，可采取普通控制，取中等的KP，同时取较大的KI和较小的KD，以提高系统的稳态性能，避免产生振荡。
（3）若E·EC<0，说明误差在向绝对值减小的方向变化，即实际值与参考值的差距在变小。
此时，当误差绝对值较大时，应采取普通的控制，迅速减小误差绝对值，在PID控制参数方面，可取中等的KP，同时可取较小的KI和中等的KD，以提高动态性能和稳态性能；当误差绝对值较小时，误差变化率绝对值也较小时，可采取强度较低的控制，取较小的KP，同时取较大的KI和较小的KD，以提高系统的稳态性能，避免产生振荡。
同时，因为系统存在较大的滞后，当误差绝对值较小，误差变化率绝对值较大时，可以认为系统实际值与参考值的差距在变大，因为在接下来的时间里，实际值将越过参考值，背向参考值快速变化，所以此时应采取普通的控制，迅速降低误差变化率的绝对值，在控制参数方面，可取中等的，同时可取较小的误差变化率的绝对值，在PID控制参数方面，可取中等的KP，同时可取较小的KI和中等的KD，以提高动态性能和稳态性能。
3.器件的选型及介绍
3.1PLC的概述
可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。
它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。
专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。
（1）PLC的主要功能
PLC是八十年代发展起来的新一代工业控制装置，在实践中通过不断完善，已具备比较理想的功能，可以满足各种不同控制领域的需要。
目前典型的LPC的功能有以下十种:
1.开关量控制;6.步进控制;
2.模拟量控制;7.数据处理;
3.定时控制;8.自诊断功能;
4.计数控制;9.定位控制;
5.通讯联网功能;10.显示、打印功能。
（2）PLC的特点
PLC作为工业生产过程控制的专用计算机，与通常在实验室环境下使用的微机不同。
由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC在设计上有许多明显的特点。
可靠性高、编程直观简单、通用性强、适应性好、接口能力强、模块化结构、体积小、结构紧凑、安装维修方便等。
3.2本设计系统PLC功能
PLC在系统中的主要实现的功能：
（1）实现数字PID调节
（2）对变频器的驱动控制。
变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端接收压力变送器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。
（3）因为本系统设计所需的输入输出点较多所选PLC要有充足的输入输出点。
通过PLC的功能需求，我们选用德国SIEMENS公司的S7-200（CPU226）型PLC。
本设计考虑到两种方式下的输入点共有30个（输入端子有24个，输出端子有6个），超出PLC本身24个输入点，由于手动和自动只能以一种方式工作，故某些输入点可以分时复用，一点顶两点用，所以本系统选用40点I/O端子的PLC。
输入单元：
拨盘开关4个分别为小数位、个位、十位、百位；接近开关SW1个，选择开关S11个；磨
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