基于PLC变频恒压供水控制系统设计.docx
《基于PLC变频恒压供水控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC变频恒压供水控制系统设计.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于PLC变频恒压供水控制系统设计
2.2.3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2-1所示：
图2-1变频恒压供水系统控制流程图
变频恒压供水系统的结构框图如图2-2所示：
图2-2变频恒压供水系统框图
恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。
由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。
2.2.4变频恒压供水系统控制流程
变频恒压供水系统控制流程如下:
（l）系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。
（2）当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。
反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。
（3）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2（变速运行），同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。
如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另两台工频泵M3、M4依次投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。
（4）当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。
当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另两台工频泵M3、M4根据先启先停原则依次关掉。
2.2.5水泵切换条件分析
在上述的系统工作流程中，我们提到当变频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，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频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，此时需要减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的。
那么何时进行切换，才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呢?
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。
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。
所以选择50HZ和20HZ作为水泵机组切换的上下限频率。
当输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。
若出现
时就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力一下就超过了设定压力。
在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力超过设定供水压力，而新增加的机组在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。
如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入—切出—再投入—再切出地循环下去，这增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中，实际供水压力也会在很大的压力范围内震荡。
这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。
另外，实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。
所以，在实际应用中，相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。
实际的机组切换判别条件如下：
加泵条件：
且延时判别成立（2-2）
减泵条件：
且延时判别成立（2-3）
式中：
：
上限频率
：
下限频率
：
设定压力
：
反馈压力
第三章系统的硬件设计
3.1系统主要设备的选型
根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3-1所示：
图3-1系统的电气控制总框图
由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：
（1）PLC及其扩展模块、
（2）变频器、（3）水泵机组、（4）压力变送器、（5）液位变送器。
主要设备选型如表3-1所示：
表3-1本系统主要硬件设备清单
主要设备
型号
可编程控制器（PLC）
SiemensCPU226
模拟量扩展模块
SiemensEM235
变频器
SiemensMM440
水泵机组
水泵4台
压力变送器及显示仪表
普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪
液位变送器
分体式液位变送器DS26
3.2统主电路分析及其设计
基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3-2所示：
四台电机分别为M1、M2、M3、M4，它们分别带动水泵1#、2#、3#、4#。
接触器KM1、KM3、KM5、KM7分别控制M1、M2、M3、M4的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6、KM8分别控制M1、M2、M3、M4的变频运行；KH1、KH2、KH3、KH4分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4、QS5分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。
图3-2变频恒压供水系统主电路图
本系统采用三泵循环变频运行方式，即4台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。
因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内四台水泵都可轮流做变频泵。
三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。
当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。
主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。
变频和工频两个回路不允许同时接通。
而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。
同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6、KM7和KM8绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。
为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4~20mA电流信号送至上位机来显示。
同时可以通过转换开关接电压表显示线电压。
并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。
初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。
如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。
系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路（如直接使熔断器或隔离开关断开），而必须通过变频器实现软启动和软停。
为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。
当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。
3.3系统控制电路分析及其设计
系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。
本系统采用西门子公司S7-200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。
PLC主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：
自动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。
如图3-3为电控系统控制电路图。
图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。
手动运行时，可用按钮SB1~SB8控制四台水泵的启/停；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
图3-3中的HL10为自动运行状态电源指示灯。
对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。
图中的Q0.0~Q0.7及Q1.1~Q1.7为PLC的输出继电器触点，他们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合下节中图3-4一起读图。
图3-3变频恒压供水系统控制电路图
注：
PLC各I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节I/O端口分配中将详细介绍。
本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：
（1）手动控制：
手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。
单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。
SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。
只有当SB2按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。
同理，可以通过按下SB3、SB5、SB7启动电机M2、M3、M4，通过按下SB4、SB6、SB8来使电机M2、M3、M4停机。
（2）自动控制：
在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。
单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。
Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。
当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。
同理，2#、3#、4#水泵的控制原理也是如此。
当Q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL9点亮；当Q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯HL10点亮；当Q1.3输出1时，白天供水模式指示灯HL11点亮；当Q1.4输出1时，报警电铃HA响起；当Q1.5输出1时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL12一直点亮。
3.4PLC的I/O端口分配及外围接线图
表3-2输入输出点代码及地址编号
名称
代码
地址编号
输入信号
供水模式信号（1-白天，0-夜间）
SA1
I0.0
水池水位上下限信号
SLHL
I0.1
变频器报警信号
SU
I0.2
试灯按钮
SB9
I0.3
压力变送器输出模拟量电压值
Up
AIW0
输出信号
1#泵工频运行接触器及指示灯
KM1、HL1
Q0.0
1#泵变频运行接触器及指示灯
KM2、HL2
Q0.1
2#泵工频运行接触器及指示灯
KM3、HL3
Q0.2
2#泵变频运行接触器及指示灯
KM4、HL4
Q0.3
3#泵工频运行接触器及指示灯
KM5、HL5
Q0.4
3#泵变频运行接触器及指示灯
KM6、HL6
Q0.5
4#泵工频运行接触器及指示灯
KM7、HL7
Q0.6
4#泵变频运行接触器及指示灯
KM8、HL8
Q0.7
输出信号
水池水位上下限报警指示灯
HL9
Q1.1
变频器故障报警指示灯
HL10
Q1.2
白天模式运行指示灯
HL11
Q1.3
报警电铃
HA
Q1.4
变频器频率复位控制
KA
Q1.5
变频器输入电压信号
Uf
AQW0
基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：
（1）由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。
白天，小区的用水量大，系统高恒压值运行；夜间，小区用水量小，系统低恒压值运行。
（2）在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。
倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。
（3）考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。
（4）三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
（5）系统要有完善的报警功能。
根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表3-2所示。
结合系统控制电路图3-3和PLC的I/O端口分配表3-2，画出PLC及扩展模块外围接线图，如图3-4所示：
图3-4PLC及扩展模块外围接线图
本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字量和1个模拟量。
压力变送器将测得的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关SA1用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入I0.0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入窗口比较器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平1，送入I0.1；变频器的故障输出端与PLC的I0.2相连，作为变频器故障报警信号；开关SB9与I0.3相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作。
本变频恒压供水系统有13个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。
Q0.0~Q0.7分别输出四台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1输出水位超限报警信号；Q1.2输出变频器故障报警信号；Q1.3输出白天模式运行信号；Q1.4输出报警电铃信号；Q1.5输出变频器复位控制信号；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。
图3-4只是简单的表明PLC及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。
它忽略了以下因素：
（1）直流电源的容量；
（2）电源方面的抗干扰措施；（3）输出方面的保护措施；（4）系统的保护措施等。
第四章系统的软件设计
4.1系统软件设计分析
硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现，结合泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：
（1）由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理
为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台水泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台水泵。
判断需启动新水泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。
这一功能可通过比较指令实现。
为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中应考虑采取时间滤波。
（2）多泵组泵站泵组管理规范
由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有个管理规范。
在本设计中，控制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过3h，因此每次需启动新水泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。
具体的操作是：
将现行运行的变频器从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。
除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本设计中使用泵号加1的方法实现变频泵的循环控制，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。
（3）程序的结构及程序功能的实现
由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可分为三部分：
主程序、子程序和中断程序。
系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。
利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。
主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序。
白天、夜间模式的给定压力值不同，两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。
白天模式系统设定值为满量程的90%，夜间模式系统设定值为满量程的70%。
程序中使用的PLC元件及其功能如表4-1所示。
表4-1程序中使用的PLC元件及其功能
器件地址
功能
器件地址
功能
VD100
过程变量标准化值
T36
工频/变频转换逻辑控制
VD104
压力给定值
T37
工频泵增泵滤波时间控制
VD108
PID计算值
T38
工频泵减泵滤波时间控制
VD112
比例系数Kc
M0.0
故障结束脉冲信号
VD116
采样时间Ts
M0.1
水泵变频启动脉冲（增泵）
VD120
积分时间Ti
M0.2
水泵变频启动脉冲（减泵）
VD124
微分时间Td
M0.3
倒泵变频启动脉冲
VD204
变频运行频率下限值
M0.4
复位当前变频泵运行脉冲
VD208
变频运行频率上限值
M0.5
当前泵工频运行启动脉冲
VD250
PID调节结果存储单元
M0.6
新泵变频启动脉冲
VB300
变频工作泵的泵号
M2.0
泵工频/变频转换逻辑控制
VB301
工频运行泵的总台数
M2.1
泵工频/变频转换逻辑控制
VD310
变频运行时间存储器
M2.2
泵工频/变频转换逻辑控制
T33
工频/变频转换逻辑控制
M2.3
泵工频/变频转换逻辑控制
T34
工频/变频转换逻辑控制
M3.0
故障信号汇总
T35
工频/变频转换逻辑控制
M3.1
水池水位越限逻辑
4.2PLC程序设计
4.2.1控制系统主程序设计
PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量（压力、频率）比较计算程序和报警程序等构成。
（1）系统初始化程序
在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对变频器变频运行的上下限频率、PID控制的各参数进行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。
系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。
在初始化后紧接着要设定白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台数。
（2）增、减泵判断和相应操作程序
当PID调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时5min（以便消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。
（3）水泵的软启动程序
增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。
当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过3h则自动倒泵变频运行。
（4）各水泵变频运行控制逻辑程序
各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。
当第一次上电、故障消除或者产生1#泵变频启动脉冲信号并且系统无故障产生、未产生复位1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时，Q0.1置1，KM2常开触点闭合接通变频器，使1#水泵变频运行，同时KM2常闭触点打开防止KM1线圈得电，从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM2的常开触点还可实现自锁功能。
（5）各水泵工频运行控制逻辑程序
水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。
由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。
产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于0，或者当前3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于1，亦或者当前4号泵处于变频运行状态且工频数大于1，则Q0.0置1，KM1线圈得电，使得KM1常开触点闭合，1#水泵工频运行，同时KM1常闭触点打开防止KM2线圈得电，从而实现变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM1的常开触点还可实现自锁功能。
（6）报警及故障处理程序
本系统中包括水池水位越限报警指示灯、变频器故障报警指示灯白天模式运行指示灯以及报警电铃。
当故障信号产生时，相应的指示灯会出现闪烁的现象，同时报警电铃响起。
而试灯按钮按下时，各指示灯会一直点亮。
故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数，在故障结束后产生故障结束脉冲信号。
图4-1变频恒压供水系统主程序流程图
主程序流程图如图4-1所示。
由于在图4-1中并未对各台水泵的变频和工频运行控制做详细介绍，因此图4-2和图4-3对其作了完整的补充。
其中图4-2是以2#泵为例的变频运行控制流程图，图4-3是以2#泵为例的工频运行控制流程图。
1#、3#、4#泵的运行控制情况与2#泵相似。
图4-22#泵变频运行控制流程图图4-32#泵工频运行控制流程图
4.2.2控制系统子程序设计
（1）初始化子程序SBR_0
首先初始化变频运行的上下限频率，在第二章水泵切换分析中已说明水泵变频运行的上下限频率分别为50HZ和20HZ。
假设所选变频器的输出频率范围为0~100HZ，则上下限给定值分别为16000和6400。
在初始化PID控制的各参数（Kc、Ts、Ti、Td），各参数的取值将在下一节中详细介绍。
最后再设置定时中断和中断连接。
具体程序梯形图如图4-4所示。
图4-4初始化子程序SBR_0梯形图
（2）PID控制中断子程序
首先将由AIW0输入的采样数据进行标准化转换，经过PID运算后，再将标准值转化成输出值，由AQW0输出模拟信号。
具体程序梯形图如图4-5所示。
图4-5PID控制中断子程序INT_0梯形图
变频恒压供水系统主程序梯形图如图4-6所示
图4-6变频恒压供水系统主程序梯形图[edit]Seeal
4.3PID控制器参数整定
4.3.1PID控制及其控制算法
在供水系统的设计中，选用了含PID调节的PLC来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定。
在连续控制系统中，常采用Proportional（比例）、Integral（积分）、Derivative（微分）控制方式，称之为PID控制。
PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。
具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。
PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r（t）和实际输出值y（t）之间的偏差e（t）：
（4-1）
经比例（P）、积分（I）和微分（D）运算后通过线性组合构成控制量u（t），对被控对象进行控制，故称PID控制器。
系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图4-7所示，图中u（t）为PID调节器输出的调
升级会员 