基于plc的恒压供水控制系统.docx

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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围将会受到限制。

目前国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。

原华为（现己更名为艾默生）电气公司和希望集团〔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、可以实现大围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，形成了带有各种应用的新型变频器。

由于PID运算在变频器部，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

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