恒压供水系统自动控制设计要点.docx
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恒压供水系统自动控制设计要点
恒压供水系统自动控制设计要点
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摘要
变频调速恒压供水系统，该系统能够根据运行负荷的变化自动调节供水系统水泵的数量和转速，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。
本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，开发出一种新型的并在这三个方面都有所提高的变频式恒压供水自动控制系统。
全文共分为四章。
第一章阐明了供水系统的应用背景、选题意义及主要研究内容.第二章阐明了供水系统的变频调速节能原理.第三章详细介绍了系统硬件的工作原理以及硬件的选择。
第四章详细阐述了系统软件开发并对程序进行解释.
关键词：
变频器；恒压供水系统；PLC
Abstract
Frequencyconversionconstantpressurewatersupplysystem,thesystemiscapableofautomaticallyadjustingwatersupplysystembasedonloadchangesofquantityandspeedofthepump,alwaysmaintainthehighefficiencyandenergysavingthebeststateofthe
Thisarticleprimarilyforcurrentthereisahighdegreeofautomationinthewatersupplysystem,seriousdisadvantages，reliability，lowenergyconsumptionstudydevelopedanewandincreasedinthesethreeareasofautomaticcontrolsystemoffrequencyconversionconstantpressurewatersupply.Thetextisdividedintofourchapters.ChapterIsetsoutthewatersupplysystemofmainresearchtopicsonbackground，meaningandcontent。
ChapterIIsetsouttheprincipleofvariablefrequencyspeedadjustingenergysavingofwatersupplysystems.ChapterIIIdetailstheworkingprincipleofsystemhardwareandhardwarechoices。
Thefourthchapterelaboratessystemsoftwaredevelopmentandtoexplaintheprocedures
Keywords：
Cam、highdeputy、automation
第一章变频恒压供水系统简介
我国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,工业自动化程度低。
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，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏.传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式,前者产生大量能耗的,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；后者则需要大量的占地与投资.且由于是二次供水,不能保证供水质的安全与可靠性。
而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，设备运行十分平稳，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。
由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势,具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益.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。
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。
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。
第二章水泵调速运行的节能原理
全自动变频调速供水控制系统采用专用供水控制器控制变频调速器,通过安装在管网上的远传压力表，把水压转换成电信号，通过接口输入控制器内置的PID控制器上，用以改变水泵转速。
当用户用水量增大,管网压力低于设定压力时,变频调速器的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大。
当达到设定压力时,水泵恒速运转,使管网压力稳定在设定值上。
反之当用户用水量少，管网压力高于设定压力时，变频调速器的输出频率将降低,水泵转速下降，供水量减少，使管网压力稳定在设定压力,这样反复循环就达到了恒压变量供水的目的。
图2-1供水系统原理图
供水系统的工作原理如图2—1所示.由自来水管网或其它水源提供的水进入蓄水池经加压水泵进入用户管网管路。
通过压力传感器按提供网的压力信号，传送给控制系统的PID，经PID运算后输出信号控制变频器的输出频率，从而控制水泵的转速进而保持供水管道的压力基本恒定。
用户用水量大时，管网管路压力下降变频器频率就升高，水泵转速加快,反之频率下降,水泵减速运行，从而维持恒压供水。
当用水量大于一台水泵的最大供水量时，通过PLC自动切换电路工作再投入一台水泵，根据最多用水量的大小可投入数台水泵。
在供水系统中，控制对象是水泵，控制目标是保持管网水压恒定，控制方法是压力信号的反馈闭环控制。
它的自动控制原理图见图2—2。
图2-2变频式恒压供水自动控制原理图
第三章系统硬件的工作原理及硬件选择
第一节PLC的工作原理及选择
PLC是以微机控制技术为基础,通过编程，可以执行诸如逻辑判断，顺序控以时，计数，运算等功能，并通过数字或模拟I/O组件控制机械设备。
与传统的继电器控制盘相比，PLC控制系统体积小，可靠性高;更易使用和维护，且能在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功能，又具有向中央数据采集系统传递信息的能力；通过接插件，所有输入端点能直接和工业现场的开关，接点直接相连,所有输出端点能直接驱动继电器、电磁阀、电机启动器的线圈等。
它的发展大致经历了三个发展时期。
1。
形成期（1970—1974年）早期的PLC采用小规模的IC构成专用的逻辑处理芯片（CPU）,采用机器语言或汇编语言编程,仅有逻辑控制指令，控制点少,功能简单，并没有获得广泛重视。
2.成熟期（1974—1978年）随着单电源的8位处理器的出现,在小型化、高可靠性多功能及价格等方面，PLC的研制和应用水平有了飞速发展和提高。
PLC开始具有了多个CPU,设置了定时器、计算器并具有了算术运算功能.
3.加速发展期（1978年以来）从70年代末到80年代，PLC的应用和制造呈现了蓬勃发展的趋势。
一方面研制出了高性能不同规模的PLC控制系统,开发了多种智能I/O模块,充分吸收了计算机和通讯技术，实现了分布式分级控制的PLC网络系统.另一方面也逐一生产一般机械加工逻辑控制而价格较为便宜的微小型PLC，对PLC普及应用起了重要推动作用。
可编程控制器（programmablelogicalcontroller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。
所以,对PLC的正确选择是非常重要的.
1.工作量
这一点尤为重要.在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计,这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10％-30%的PLC.
（本设计中开关量16个,控制量6个，1个模拟量输出，3个模拟量输入）
2。
工作环境
工作环境是PLC工作的硬性指标。
自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来,就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。
一定要选择适应实际工作环境的产品.（该设计环境正常，故不用特殊型号）
3.通信网络
现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题。
（故尽量选取比较常用的品牌）
4。
编程
程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。
编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在内（要求有良好的编程软件）。
5。
可延性
这里包括三个方面含义：
（1）产品寿命。
大致可以保证所选择的PLC的使用年限,尽量购买生产日期较近的产品。
（2）产品连续性。
生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容,这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。
（3）产品的更新周期.当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够保证有足够的备品（或备件）。
这时应考虑选择当时比较新型的PLC.
6。
性价比
由上面的的挑选规范，我挑选西门子公司的S7-200CPU226作为本系统采用的PLC，它的具体性能如下。
本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点.13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力.I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统.
第二节变频调速系统原理及选择
在变频器没有出现以前，调速系统一般采用直流调速图，但是由于结构上的原因,直流电动机存在着很多缺点（诸如需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难,寿命短,机构复杂，难以制造大容量、高转速、高电压的直流电动机等），所以人们一直在寻找交流调速系统。
而变频器的出现刚好解决了这个问题。
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的交流拖动系统有许多优点,如节能，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，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。
特别是对于工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说,通过变频器进行调速控制可代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。
变频调速的原理非常简单，由于异步电动机的转速为
式中n为电动机转速，r/min；f为电源频率，Hz；p为异步电动机磁极个数;s为转差。
所以,理论上说，只要改变f就能改变电机转速n。
常见的变频调速模式有两种，一种是开环控制，另一种是速度反馈闭环控制，如图3—2所示。
本系统根据恒压的控制要求，采用的是PID调节方式（内含在变频器中）的闭环控制。
图3-2变频调速系统的控制方式
本系统中变频器的输入信号有两种，一种是控制信号，它包括PLC输给的变频器FWD信号BX信号和VI（12）电压信号（0-5V）,FWD信号BX信号由PLC输出，控制变频器的工作开关；VI（12）控制变频器频率.另一种是输入电源信号，本系统采用的三相380V的交流电源，三相电流输入连接在端子L1/R,L2/S,L3/T上。
采用三相输入的话，则用主电路的电源端子L1/R，L2/S，L3/T通过线路保护用断电器或带漏电保护的断路器连接至三相交流电源，不需考虑连接相序。
如果有条件的话，还可以在电源电路中串入一个电磁接触器,这样就可以保证变频器保护功能动作时能切除电源和防止故障扩大，以保证安全。
尽量不要用主电路电源ON/OFF的方法控制变频器的停止和运行，应该用控制电路端子FWD、BX.
变频器的输出信号也有两种，一是送PLC的超压信号、欠压信号和变频器故障信号这三个输出控制信号，另一是送水泵的变频器输出电源信号.送PLC的超压、欠压信号由变频器的Y1,Y2端子送出，Y1的内部功能设定选为频率检测（FDT）功能,幅值为50Hz，滞后值为0.5Hz.Y2的内部功能设定选为0速度输出功能，变频器输出频率为0Hz时输出ON信号。
送PLC的变频器故障信号我们选择从Y3输出，Y3的内部功能设定选择为报警功能，变频器发生指定的故障时输出信号.变频器的输出电源接接触器，它给所有的工频回路的接触器都提供电源信号，但是具体的哪一台接触器接通由PLC控制。
变频器的输出端子（U，V,W）按正确的相序连接至交流接触器的输入电源端子上。
如果电机旋转方向不对,则说明连接相序有错,则改变U、V，W中的任意两相的接线。
变频器和电动机（水泵）间配线很长时，由于线间分布电容产生较大的高频电流，可能造成变频器过电流跳闸。
另外,漏电流增加，电流值指示精度变差。
对于本系统中的变频器,变频器和电动机（水泵）之间的距离最好小于50米,如果配线很长时，则必须连接输出侧滤波器选件（OFL滤波器）。
接线时还有一点需要注意的是，为了安全和减少噪声，变频器的接地端子G必须良好接地.为了防止电击和火警事故,电气设备的金属外壳和框架均应按照国家电气规程要求接地。
接地线要粗而短，变频器系统应连接专用接地极，及不要和别的系统串联接地或共同接地（具体接法见图3—3）。
图3-3变频器的I/O端点连接
采用变频器驱动异步电动机调速.在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器.当运行方式不同时,变频器容量的计算方式和选择方法不同，变频器应满足的条件也不一样。
选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择.该系统用一台变频器使多台电机并联运转,对于一台电机开始起动后，再追加投入其他电机起动的场合,此时变频器的电压、频率已经上升,追加投入的电机将产生大的起动电流,因此,变频器容量与同时起动时相比需要大些。
综合上面因素,我们选择佳灵JP6C—T9280系列变频器。
性能见表3-1。
表3—1佳灵JP6C—T928性能
型号JP6C—T9280
JP6C-T9280
适用电机容量（kW）
280
额定容量（KVA）
400
额定电流（A）
520
额定过载电流
额定电流的150％1分钟
相数电压频率
三相，380V至440V50Hz/60Hz
容许波动
电压+10V-——15％，频率±5%
抗瞬时电压降低
310V以上可连续运行，电压从额定值降到310V以下时,继续运行15ms
最高频率
50-400Hz可变设定
基本频率
50-400Hz可变设定
启动频率
0。
5—60Hz可变设定
载波频率
2-6KHz可变设定
冷却方式
强制风冷
第三节压力传感器的选择
检测元件的精度直接影响系统的控制质量。
通常可以选用各种压力传感器检测管网压力.传统的压力传感器有利用弹性元件的,如电感压力传感器、电容压力传感器等.PMC系列压力传感器的构造与之不同，属于一体化的高精度仪器.它采用电子陶瓷技术,测量元件完全是固体形式.其工作原理是：
使压力直接作用于电子陶瓷膜片，膜片出现位移后所产生的电容量被与其同体的电子元件检测、放大，最后转换成4～20mA的标准信号输出.
PMC型传感器具有如下特点：
①具有相当强的抗冲击和抗过载能力，过压量达额定量程的百倍以上;
②由于压力测量元件中不采用传统的介质物质，所以,测量精度极高，且几乎不受温度梯度的影响；
③采用脉冲频率调制方式传输信号,大大减少了现场干扰的影响,信号传输用普通导线完成，简单方便;
④重量轻，体积小，安装维护非常方便。
我们选PMC133型压力传感器作为出水口端压力检测元件，检测泵出口附近管网内压力作反馈信号,该元件可承受的相对压力最大测量范围达O-40MPa,最小测量范围为O—lkPa,所需电源要求电压为12．5～30V，精度±0．1％，压力传感器将出水口的压力信号线性转换为4—20mADC标准信号送到PLC（在该系统中，我选取0—500kPa）.
第四节水泵的选择
选取2种型号的水泵,小泵为常开泵（能够调节到工频），大泵只能在变频状态下工作.
其中，小泵为Y355M1-4，大泵为Y355—M2-4。
参数见表3-2（按实际需要选取，我选了2种比较常用的型号）。
表3-2水泵性能参数表
第五节控制电路
因为控制电路图具有相似性，故只介绍下面3个就能解释整个电路图。
图3—4指示灯控制电路
如图3-4为1号泵变频指示灯。
即当1号泵处于变频状态时，灯E1-2亮。
图3-5工频变频切换电路
如图3—5为1号水泵的变频工频切换电路。
当JNW-1接通时，RJ2—1导通，且JNV1不通，1号泵就会变频运行.其中，RJ2-1为热继电器，作为1号水泵过载保护。
KN1、KN2作为自锁保护装置，当JNW1导通，则KN1得电，于是下面的KN1常闭开关断路。
反之KN2也一样。
这样自锁能保证1号水泵只能工频变频选其一。
不会发生既连接了变频又连接了工频的错误。
图3—6蝶阀控制电路
图3—6为1号蝶阀的开阀控制图，即当该电路得电时，蝶阀开阀。
JF1接通，且KV2-2ZDK2-1不得电时,蝶阀开始关阀。
其中KV2-1、KV2—2构成自锁装置，使得蝶阀只能处于开阀和关阀中的一种状态。
第四章系统软件的开发
第一节PLC的工作方式
PLC采取循环扫描的工作方式,其工作过程简图如图4.1所示。
这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段，整个过程扫描一次
所需的时间称为扫描周期。
在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它的内部处理。
在图4.2扫描过程通信服务阶段PLC与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
在PLC处于停止运行（STOP）状态时，只完成内部处理和通信服务工作。
在RUN时，要完成全部的工作.
1。
输入处理阶段
PLC在输入处理阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态，并以此状态存入输入输出印象寄存器。
接着转入程序的执行阶段。
在程序执行时间,即使输入输出状态发生变化，输入输出印象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。
2.程序执行阶段
PLC在程序执行阶段，按先左后右、先上后下的步序，逐条执行程序指令，从输入印象寄存器和其它元件印象寄存器读出有关元件的通/断状态.
根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的元件印象寄存器中。
即对每个元件来说，元件印象寄存器中的内容会随着程序的进程而变化。
3.处理阶段
在所有的指令执行完毕后，将输出印象寄存器（即Y寄存器）的通/断状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路、驱动功率放大电路、输出端子，向外输出控制信号，这才是PLC的实际输出。
PLC的扫描既可以按照固定的顺序进行，也可以按用户程序的指定的可变顺序进行。
这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次，而且也因为在一个大的控制系统中要处理的I/O点数比较多，通过安排不同的组织模块,采用分时分批的扫描办法,可缩短循环扫描的周期和提高系统控制的实时响应性.
顺序扫描的工作方式简单直观，简化了程序的设计，并为PLC的可靠性运行提供了保障。
一方面，所扫描到的功能经解算后,其结果马上就可以被后面要扫描到的逻辑解算所利用；另一方面，还可以通过CPU内部设定的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，诊断CPU内部故障。
以避免程序异常运行而造成的不良影响.
由PLC的工作过程可见,在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会发生变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能变改变。
暂存在输出状态寄存器中的输出信号，也需要等到一个循环周期结束后，CPU集中将这些输出信号全部输送输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。
因此，全部的输入、输出状态的改变，就需要一个扫描周期。
扫描周期是其一个比较重要的指标，一般为几毫秒至几十毫秒。
PLC扫描时间取决于程序的长短和扫描速度.因为PLC的输入处理阶段和输出处理阶段所需时间一般很短，通常只要几毫秒.由此可见,PLC的扫描时间对于一般的工业设备（改变状态的时间约为几秒以上）通常是没什么影响的。
第二节PLC连接图
图4-1P
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