住宅楼恒压供水变频调速系统的PLC程序设计.docx
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住宅楼恒压供水变频调速系统的PLC程序设计
摘要
长期以来我国在市政供水等方面技术一直比较落后，自动化程度很低。
主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低高层用户无水可用的现象，而在用水低峰期，如高层住宅的夜间供水，水的供给量往往远大于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时会缩短各类阀件的使用寿命，甚至有可能引起水管的爆裂。
供水系统的设计。
应能满足用户对流量的基本需求。
以及一定的压力和节能的需要。
满足用户对流量的需求是供水系统控制的基本原则。
所以，流量是系统的基本控制对象，流量的大小受到扬程、管阻等因素的影响，但这些因素又难以进行具体测量和控制。
在动态情况下，由于管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间有如下的平衡关系：
供水能力QC>用水需求QU,则压力上升；
供水能力QC<用水需求QU,则压力下降；
供水能力QC=用水需求QU，则压力不变。
因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。
即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。
这就是恒压供水系统的基本控制思想。
要保证检测点的压力值恒定不变，就需要根据用水需求QU的变化，不断地去改变供水能力QC。
且前被广泛采用的变频调速供水系统就是通过变频器来调节水泵的转速，从而实现对水泵扬程及流量的控制，可以即时地改变供水能力。
变频调速恒压供水系统主要由执行机构、信号检测、PLC控制系统（或者单片机、DDC）、变频器、人机界面、上位连接以及报警装置等部分组成，其一般的工作过程：
首先检测给水池液位是否正常，若无异常则可直接由变频器启动第一台水泵，同时由压力表测出管路水压，将模拟量送到PLC控制器，与给定水压值（设定上下限）比较后。
控制变频器输出频率，调节水泵转速；当变频器频率到达最大或最小时，由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统。
本文将就变频器与水泵之间的控制模式问题进行重点讨论。
关键词：
恒压供水变频调速PLCPID
第1章绪论
1.1课题的提出
水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，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，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。
小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。
传统的小区供水方式有：
恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：
（1）恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。
（2）气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。
（3）水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。
（4）液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。
（5）单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。
综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。
目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：
一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。
基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。
采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状
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。
目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。
国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。
这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。
此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。
目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。
但在大功大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。
1.3PLC概述
1.3.1可编程控制器的定义
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
1.3.2PLC的基本结构
1、可编程序控制器（PLC）结构主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、输入/输出模块、电源及附属端口电路组成。
输入端口连接一些指令元件（按钮或开关）和现场检测元件（各种传感器），输出端口连接一些执行器件（接触器、电磁阀、指示灯），控制和驱动负载工作。
系统编译，以前还需要手持编程器，现在的PLC系统结构基本不采用了，程序编写采用安装编程软件的计算机来取代。
手持编程器只能通过指令表编程，不能输入和编辑梯形图，编程方式比较麻烦，加之很多PLC生产厂家都推出了编程简单、使用方便的软件，所以目前PLC系统程序在编辑时，都采用计算机编程。
下图1-1是PLC控制系统示意图。
1.3.3PLC的工作原理
PLC的工作过程是一个循环扫描的工作方式。
CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。
PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。
它周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。
用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。
其CPU的扫描过程如下图1-2所示。
典型的PLC在一个周期中可以完成以下几个扫描过程：
1、开机自检扫描。
该自检过程保证设备可靠正常运行，及时反应系统所出现的故障，PLC都具有自动监视功能。
2、与网络进行通讯扫描。
一般对于小型PLC系统没有建立网络通讯的单机工作状态，没有这一扫描过程，只有多台PLC之间或者是PLC与终端设备之间建立的通信的网络状态才有该工作过程。
3、扫描用户程序过程。
这是PLC在一个扫描周期内的主要工作阶段，只要系统处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包含该扫描过程。
该工作过程是直接面对用户的，即用户可以通过软件进行编辑调试，便可实现系统的控制功能。
程序量的大小会影响一个扫描周期，这就是实现同样控制功能，不同编程人员设计出来的程序，调试成功后运行效率却有差别的原因。
4、读输入、写输出扫描过程。
PLC在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程。
该过程在PLC运行过程中能否被执行是可控的。
CPU在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的，运算的结果也不直接送到实际输出点，而是在内存中设置了两个映像寄存器：
一个为输入映像寄存器，另一个为输出映象寄存器。
用户程序所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器。
在输入扫描过程中，CPU把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器，在输出扫描过程中CPU把输出映像寄存器的值传送到输出点。
1.3.4西门子S7-200PLC简介
西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。
S7系列是传统意义的PLC，S7-200属于小型PLC，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，其特点如下：
（1）功能强大。
S7-200有5种CPU模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间；
（2）先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件；
（3）灵活方便的寻址方法；
（4）强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面；
（5）有竞争力的价格；
（6）完善的网上技术支持等。
1.4变频器技术概述
1.4.1变频技术概念
变频技术，简单的说就是电流整流或者逆变的过程，是把直流电
逆变成为不同频率的交流电，或者是把交流电整流成直流电再逆变成
不同频率的交流电，在这些变化过程中，有一个共性问题就是供电电
源频率都产生了变化。
现在人们常说的变频技术主要是指交流变频调
速技术，它是将工频交流电通过不同的技术手段变换成不同频率的交
流电。
1.4.2变频器结构分类
从变换频率的过程来看，变频器分为交-直-交和交-交两种形式。
交-直-交变频器是先把工频交流电50Hz通过整流变成直流电,然后再
把直流电变换成电压和频率均可调的交流电，又称之为间接式变频器。
而交-交变频器可将工频交流电直接变换成电压、频率均可调的交流
电，称为直接式变频器。
目前市场上通用变频器多是交-直-交变频器
这种形式的，其基本结构图如图1-3所示。
交-直-交变频器结构可分为主电路和控制电路。
其中主电路由整
流器、中间直流电路、逆变器构成，现将各部分的功能分述如下：
1、主电路：
整流器由整流二极管构成，它的作用是把三相或单相
的工频交流电变换成直流电；中间直流电路一般采用电感和电容构成，
利用其储能特性来吸收脉动的电压（电流），起到抑制电信号波动的作
用，使整流后的直流电更加平滑；逆变器是由晶闸管构成，它的主要
作用是将平滑的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电
源。
逆变电路有两种分别是有源逆变和无源逆变其中有源逆变是将直
流电变换成工频交流电，而无源逆变是将直流电变换成频率可以调节
的交流电。
2、控制电路：
它是变频器的核心，是给变频器主电路提供各种控
制信号的电路。
变频器的控制电路具体包括调节运算电压、频率的电
路和对其信号进行放大的驱动电路、检测主电路电压、电流和电机速
度的电路、I/O接口电路及保护电路等。
其主要任务是完成对逆变器的
开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。
1.4.3变频器与PLC使用USS通信
使用USS通信协议，用户程序可以通过调用子程序的方式实现
S7-200PLC与MM4系列变频器之间通信，程序量不是很大，使用的硬件
接线少，是一种比较方便的通信方式。
通信网络由PLC和变频器内置
的RS485通信接口及双绞线组成，一台S7-200PLC最多可以监控31台
变频器，本课题在设计过程中，关于PLC与变频器之间的通信，便是采用此种通信方式。
1、USS通信协议的功能
S7系列PLC可以采用通用的USS串行接口协议与MM4系列变频器
通信。
所有的西门子变频器均带有一个RS-485串行通信接口。
根据各
个变频器的地址或者采用广播方式，可以访问通信的变频器。
主站可
以发送通信请求报文，而从站不可以发送通信请求报文，只有接收到
主站的请求报文才可以向主站发送数据，所有从站之间不能进行数据
信息交换。
2、USS协议指令
（1）使用USS协议指令步骤
首先编写用户程序，然后USS_INIT指令初识化，为USS指令库分
配V存储区，接下去用变频器的操作面板设置变频器的通信参数，使
之与用户程序中所用的波特率和从站地址相符合，最后用通信电缆将
PLC与变频器之间相应端口连接起来便完成USS协议指令的操作。
（2）初始化指令USS_INIT
初始化指令用于允许、初始化或禁止变频器的通信。
在执行其他
USS协议指令前，必须要先执行USS_INIT。
（3）变频器控制指令USS_CTRL
USS_CTRL指令用于控制激活状态下的变频器，每台变频器只能使
用一条这样的指令。
1.5本课题的主要研究内容
本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有3个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。
PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。
各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。
根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。
硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图：
包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序。
第2章系统的理论分析及控制方案确定
2.1变频恒压供水系统的理论分析
2.1.1电动机的调速原理
水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：
式中：
f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。
从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：
（l）改变电源频率
（2）改变电机极对数
（3）改变转差率
改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。
改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。
下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。
根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。
连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。
但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。
随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。
2.1.2变频恒压供水系统的节能原理
供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2.1所示。
由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f（Qu）。
而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2.1所示。
管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。
由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。
因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f（Qc）。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1中A点。
在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
图2.1恒压供水系统的基本特征
变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。
通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。
因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。
在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。
阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。
其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。
由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。
转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。
因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。
变频调速供水方式属于转速控制。
其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。
由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比；水泵的转速n与出水流量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。
由上述关系有，水泵的输出功率P与转速n三次方成正比，即：
（2.2）
（2.3）
（2.4）
（2.5）
式中k、k1、k2、k3为比例常数。
图2.2管网及水泵的运行特性曲线
当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从b3移到b1，扬程特性曲线不变。
而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵的输出功率正比于H1×Q2。
当用调速控制时，若采用恒压（H0），变速泵（n2）供水，管阻特性曲线为b2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。
此时水泵输出功率正比于H0×Q2，由于H1>H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于（H1－H0）×Q2的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。
所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。
2.2变频恒压供水系统控制方案的确定
2.2.1控制方案的比较和确定
恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。
系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。
根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：
（1）有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。
它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。
其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。
（2）通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。
该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
（3）通用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器
这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。
该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。
这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
2.2.2变频恒压供水系统的组成及原理图
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2.3所示：
图2.3变频恒压供水系统控制流程图
从图中可看出，系统可分为：
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（l）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，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频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；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。
（2）信号检测机构：
在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。
管网水压信号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。
此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。
另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。
信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。
此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号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）控制机构：
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
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