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毕业设计之恒压供水
摘要
本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，说明了可编程控制器（PLC）在恒压供水系统中所担任的角色。
从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。
恒压供水保证了供水质量，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。
关键字:
PLC；恒压供水；变频器
Abstract
Thisarticleintroducedtheconstantpressurewatersupply'sbasicprincipleaswellasthesystemconstitution'sfoundation,showedtheprogrammablecontroller（PLC）therolewhichholdsthepostintheconstantpressurewatersupplysystem.Startfromsystem'soveralldesignplanandtheenergydemandanalysis,thecloserelationpracticallife'sneed,makeseveryefforttoachievecausesthesystemsoperationtobestable,theoperationissimple,thesolutionrealissue,theguaranteewatersupplysecurity,isquick,isreliable.Theconstantpressurewatersupplyhadguaranteedthewatersupplyquality,asmainengine'scontrolsystemhasenrichedsystem'scontrolfunctiontakePLC,enhancedsystem'sreliability.
keywords:
PLC;Constantpressurewatersupply;Frequencychanger
前言
在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉定压供热和恒压供水喷淋及消防等供水系统中，采用传统的供水方式（一般为水塔或高位水箱供水方式、气压罐供水方式和泵组分时供水方式）其主要缺点是占地面积大,基建投资较多,维护困难，已不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水需求。
另一方面，由于供水量的随机性，采用传统方法难以保证供水的实时性，且水泵的选取往往是按最大供水量来确定，而高峰用水时间较短，这样水泵在很长一段时间内有较大余量，不仅水泵效率低，供水压力不稳，而且造成大量电力浪费。
其已经远远不能满足生活、生产的需要，随着电力电子及计算机技术的发展,变频调速恒压变量供水系统由于具有造价低、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点而在生活小区供水中得到了较为广泛的应用；PLC以其性能稳定、成本低廉、功能强大及编程方便等特点,结合变频调速控制技术设计出基于PLC的多泵并联推移软启动变频调速恒压供水控制系统,该系统用最小的投入,实现了供水系统的多功能要求。
第一章恒压供水原理及工艺
1.1本课题的研究意义
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。
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；
1.3系统的组成和基本工作原理
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，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。
第二章PLC概述
2.1PLC组成
2.1.1PLC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）CPU单元
CPU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
图2.1.1PLC的组成
2.1.2PLC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。
2.1.3PLC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CPU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。
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。
2.1.4PLC的性能指标
（1）存储容量
这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。
大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB~~2MB。
（2）I/O点数
I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。
I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。
它是衡量PLC性能的重要指标之一。
（3）扫描速度
扫面速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的吻合程度。
从自动控制的观点来看，决定了系统的实时性和稳定性。
（4）指令的多少
它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。
限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。
（5）内部寄存器的配置和容量
它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。
（6）扩展能力
扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。
（7）特殊功能单元
特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。
典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。
2.1.5PLC的分类
不同的分类标准会造成不同的分类结果，PLC常用的分类方式有如下两种。
按其I/O点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024点以下）、大型（2048点以下）、超大型（从2048点以上可达8192点以上）5种。
按结构可分为箱体式、模块式和平板式3种。
2.2PLC工作原理
2.2.1循环扫描
CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。
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等内容。
PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。
他意识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。
典型的PLC在一个周期中可以完成以下5个扫描过程。
（1）自诊断测试扫描过程。
为保证设备的可靠行，及时放映所出现的故障，PLC都具有自监视功能。
（2）与网络进行通讯的扫描过程。
一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通讯扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。
（3）用户程序扫描过程。
机器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。
该过程在机器运行中是否执行是可控的，即用户可以通过软件进行设定。
用户程序的长短会影响过程所用的时间。
（4）读输入、写输出扫描过程。
机器在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程。
该过程在机器运行中是否被执行是可控的。
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象寄存器：
一个为输入映象寄存器，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象寄存器的值，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的输出点。
循环扫描有如下特点：
（1）扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。
（2）输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。
（3）对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。
（4）各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。
在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。
紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。
在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变——输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。
输入/输出采用映象寄存器的优点：
（1）集中采用I/O，程序扫描期间输入值固定不变，程序执行完后统一输出。
这种集中
图2.2.1PLC信号的传递过程
I/O的方式保证的程序的顺序执行与外部电路乱序执行的统一，使系统更加稳定可靠。
（2）程序执行时，存取映象寄存器要比读写I/O端点快的多，这样可以加快程序执行速度。
（3）I/O点必须按位存取，而映象寄存器可按位、字节、字、双字灵活的存取，增加了程序的灵活性。
2.2.2PLC的编程结构功能图
任何语言都有编程的对象和基础，重要介绍梯形图语言和语句表语言，而功能图是理解这两种语言的基础。
如图2.3所示为PLC内部的结构功能示意图。
输入继电器是由外部输入驱动的，梯形图中只能使用其介入点状态值，用户不能改变输入继电器的状态。
辅助继电器的种类和多少决定了PLC控制功能的强弱，相当于工作寄存器的多少和功能的强弱。
实际的PLC中并没有图中的物理继电器，用继电器来表示PLC的内部功能结构是为了使习惯于继电器控制的工程技术人员更好的理解PLC的功能，更好的使用PLC，就像他在设计继电器控制电路一样。
梯形图语言是一种图形化的语言，是一种面向控制过程的“自然语言”。
梯形图编程语言形象、直观、准确的描述了逻辑控制关系，容易被广大的工程技术人员所掌握。
PLC与被控对象所连接的只是I/O条件，而I/O之间的组合控制关系需要用软件的方法来描述清楚，梯形图是一种描述方法，当然还有语句等表示其他的语言。
语言的支持取决于厂家开发的系统程序只要将其输入PLC的用户程序存储器中，PLC就能够直接解释并实现I/O间的控制关系。
当控制关系发生改变时，只要修改梯形图程序，重新输入到PLC的存储器即可，从而快捷的改变生产工
图2.3.1PLC内部的结构功能示意图
2.3PLC的分类
PLC发展到今天，已经有了多种形式，而且功能也不尽相同，分类时，一般按以下原则来考虑
2.3.1按I/O点数容量分类
一般而言，处理I/O点数越多，则控制关系就比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC指令及其他功能比较多，指令执行的过程也比较快。
按PLC的输入、输出点数的多少可将PLC分为以下三类。
（1）小型机
小型机PLC的功能一般以开关量控制为主，小型PLC输入、输出点数一般在256点以下，用户程序存储器容量在4K左右。
现在的高性能小型PLC还具有一定的通讯能力和少量的模拟量处理能力。
这类的PLC的特点是价格低廉，体积小巧，适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。
典型的小型机有SIEMENS公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM2A系列、MITUBISH公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整体式PLC产品。
（2）中型机
中型PLC的输入、输出总点数在256~~2048点之间，用户程序存储器容量达到8K字左右。
中型PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，它的通信功能和模拟量处理功能更强大，中型机比小型机更丰富，中型机适用于更复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控制系统场合。
典型的中型机有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。
（3）大型机
大型PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序储存器容量达到16K以上。
大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算、控制和调节的能力，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些PLC还具有冗余能力。
它的监视系统采用CRT显示，能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，PID调节参数等；它配备多种智能板，构成一台多功能系统。
这种系统还可以和其他型号的控制器互联，和上位机相联，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。
大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。
典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列。
2.3.2按结构形式分
根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。
（1）整体式结构
整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CPU板、输入板、输出板、电源板等紧凑的安装在一个标准的机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。
基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连，配有许多专用的特殊功能的模块，如模拟量输入/输出模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，以构成PLC不同的配置。
整体式结构的PLC体积小，成本底，安装方便。
微型和小型PLC一般为整体式结构。
如西门子的S7-200
（2）模块式结构
模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，这些标准模块如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上和基板上即可。
各个模块功能是独立的，外型尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。
目前大、中型PLC都采用这种方式。
如西门子的S7-300和S7-400系列。
整体式PLC每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中一般采用整体式结构。
但是模块式PLC的硬件组态方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式PLC大的多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式PLC。
2.4PLC与继电器控制系统的区别
PLC梯形图与继电器控制电路图非常相似，主要原因是PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的元件符号和术语，仅个别之处有不同。
同时，信号的输入/输出形式及控制功能也基本上是相同的，但是PLC的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。
（1）逻辑控制
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。
另外，继电器触点数目有限，每个只有4——8个对触点。
因此，灵活性和扩展性很差。
而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”。
因此灵活性和扩展性都很好。
（2）工作方式
电源接通时，继电器控制电路中各个继电器都同时处于受控状态，即该吸合的都应该吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。
而的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工作方式。
（3）可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。
触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。
PLC还配有自监和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
（4）控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率底，触点的开闭动作一般在几十MS数量级。
另外，机械触点还会出现抖动问题。
而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令执行时间在数量级，且不会出现抖动。
（5）定时控制
继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。
一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。
PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体震荡器发生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响定时范围一般从0.001S到若干天或更长。
用户和根据需要在程序中设定定时值，然后用软件来控制定时时间。
（6）设计和施工
使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长而且修改困难。
工程越大着一点就越突出。
而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图的设计）可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。
从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。
但是在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系统。
第三章系统硬件设计
3.1恒压供水系统的基本构成
恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。
配单台电机和水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少十开一台大电机肯定是浪费，电机选小了用水量大时供水不足。
而且水泵和电机都有维修的时候，备用泵是必要的。
恒压供水的主要目标是保持管压网水呀的恒定，水泵电机的转速套跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵供电。
这也有两种配置方式，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不需要切换，但是购买变频器的费用较高。
另一种方案是数台电机陪一台变频器，变频器与电机见可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵共频运行，以满足不同用水两的需求。
下图为恒压供水泵站的示意图。
如图3.1所示，图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。
当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。
水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。
图3.1变频恒压供水站的基本组成
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。
称为反馈，调节器实反馈的接受点。
（2）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3.1.1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
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