恒压供水控制系统的设计说明.docx
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恒压供水控制系统的设计说明
天津理工大学
自动化学院专业设计报告
题目：
恒压供水控制系统的设计
-------------系统硬件设计
学生周延学号20071067
届2011班级电气07-2
指导教师顺峰专业电气工程及其自动化
说明
1.专业设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中任务书、指导书由教师完成。
按设计报告、任务书、指导书顺序装订成册。
2.学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成专业设计工作，合作完成的专业设计，要在设计报告概述中明确说明分工。
3.设计报告容建议主要包括：
设计概述、设计原理、设计方案分析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等容，不同类型的设计可有所区别。
4.设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采用电子绘图、且符合相应国标，文字规借鉴参考毕业设计要求。
5.专业设计成绩由平时成绩（50%）、报告成绩（30%）和答辩成绩（20%）组成。
专业设计应给出适当的评语。
专业设计评语及成绩汇总表
成绩
平时成绩
报告成绩
答辩成绩
总评成绩
专业设计评语
第一章绪论……………………………………………………1
1.1绪论………………………………………………………1
1.2变频恒压供水系统的研究现状…………………………3
1.3本课题的主要研究容…………………………………4
第二章系统的理论分析及控制方案的确定……………………5
2.1变频恒压供水系统的理论分析…………………………5
2.2变频恒压供水系统理论方案的确定……………………5
第三章系统的硬件设计…………………………………………7
3.1系统主要设备的选型……………………………………7
3.2系统主电路分析及其设计………………………………9
3.3PLC的I/O端口分配及外围接线图……………………10第四章系统的软件设计…………………………………………13
4.1系统的软件设计分析……………………………………13
4.2PLC程序设计……………………………………………15
第一章绪论
1.1绪论
随着社会的发展和进步，城市建筑的供水问题日益突出，一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；另一方面要求供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。
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。
恒压供水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。
传统的供水方式有：
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。
（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，发热需冷却，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。
下面是一个四泵生活/消防的双恒压无塔供水系统。
如图1所示，市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀MB1，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,作为低水位报警用。
为了保证供水的连续性水位上下限传感器高低距离不是相差太大。
生活用水和消防用水公用四台泵，电磁阀MB2平时处于失电状态，关闭消防管网，四台泵根据生活用水的多少，按一定逻辑控制运行，使生活用水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀MB2得电，关闭生活用水管网，四台泵供消防用水使用，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，四台泵在改为生活供水使用。
图1.1生活/消防双恒压供水系统工艺流程图
对四泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：
（1）生活供水时，系统应在低恒压值运行，消防供水时系统应在高恒压值运行；
（2）四台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出；
（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过三小时，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）四台泵在启动时要具有软启动功能；
（5）要有完善的报警功能；
（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
1.2变频恒压供水系统的国外研究现状
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。
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、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行，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。
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Samco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围将会受到限制[3]。
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。
原华为电气公司和希望集团也推出了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。
1.3本课题的主要研究容
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，保证了整个系统运行可靠，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4个贮水池，4台水泵，水泵的启停。
它的设计要求：
（1）根据主管道给出的压力信号决定水泵的启停，当压力低于正常压力时启动一个水泵，10s后仍低，则启动下一台；当压力高于正常压力时。
切断一台水泵，10s后高压信号仍存在，切断下一台。
（2）恒压供水系统主要是由4个水泵完成对主管道供水压力的维持，考虑到电机的保护，要求4台水泵的运行时间和频率尽可能一致。
也就是说，需要接通时，首先启动停止时间最长的那台，而需要切断时则先停止运转时间最长的那台。
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，对程序进行调试和修改。
第二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
水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：
（2.1）
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。
2.2变频恒压供水系统控制方案的确定
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。
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。
3.1.1PLC及其扩展模块的选型
PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。
因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。
由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。
S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。
SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。
根据控制系统实际所需端子数目，系统共需要有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。
如果选用CPU224PLC,也需要扩展单元；如果选用CPU226PLC,则价格较高，浪费较大。
参照西门子S7-200PLC产品目录及市场目录及市场实际价格，选用主机为CPU222（8入/继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM222（8点继电器输出），在扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。
这样的配置是最经济的。
整个PLC系统的配置如图2所示，
3.1.2变频器的选型
变频器是本系统控制执行的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。
变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。
根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：
普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。
供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。
由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。
它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。
3.2系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；BB1、BB2、BB3、BB4分别为四台水泵电机过载保护用的热继电器；FU为主电路的熔断器。
本系统采用四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。
因此在同一时间只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段四台水泵都可轮流做变频泵。
图3.2变频恒压供水系统主电路图
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。
3.3PLC的I/O端口分配及外围接线图
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）四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。
所以有控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如表1所列。
水位上下限信号分别为I0.1、I0.2。
它们在水淹没时为0，露出时为1。
名称
代码
地址标号
输入信号
消防信号
SF0
I0.0
水池水位下限信号
BGL
I0.1
水池水位上限信号
BGH
I0.2
变频器报警信号
KFU
I0.3
消铃按钮
SF9
I0.4
试灯按钮
SF10
I0.5
远程压力表模拟量电压值
UP
AIW0
输出信号
1#泵工频运行接触器及指示灯
QA1,PG1
Q0.0
1#泵变频运行接触器及指示灯
QA2,PG2
Q0.1
2#泵工频运行接触器及指示灯
QA3,PG3
Q0.2
2#泵变频运行接触器及指示灯
QA4,PG4
Q0.3
3#泵工频运行接触器及指示灯
QA5,PG5
Q0.4
3#泵变频运行接触器及指示灯
QA6,PG6
Q0.5
4#泵工频运行接触器及指示灯
QA7,PG7
Q0.6
4#泵变频运行接触器及指示灯
QA8,PG8
Q0.7
生活/消防供水转换电磁阀
MB2
Q1.0
水池水位下限报警指示灯
PG7
Q1.1
变频器故障报警指示灯
PG8
Q1.2
火灾报警指示灯
PG9
Q1.3
报警电铃
PB
Q1.4
变频器频率复位控制
KF
Q1.5
控制变频器频率电压信号
VF
AQW0
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3.3所示：
图3.3恒压供水控制系统PLC及扩展模块外围接线图
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
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。
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。
本程序分为三部分：
主程序、子程序和中断程序。
逻辑运算及报警处理等放在主程序。
系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫买哦时间。
利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。
生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定值为满量程的90%，在本系统中，只是用比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控制效果。
增益Kc=0.25;
采样时间TS=0.2S；
积分时间Ti=30min。
程序中使用的PLC元器件及其功能如下表所列。
程序中使用的元器件及功能
器件地址
功能
器件地址
功能
VD100
过程变量标准化值
T38
工频泵减泵滤波时间控制
VD104
压力给定值
T39
工频/变频转换逻辑控制
VD108
PI计算值
M0.0
故障结束脉冲信号
VD112
比例系数
M0.1
泵变频启动脉冲
VD116
采样时间
M0.3
倒泵变频启动脉冲
VD120
积分时间
M0.4
复位当前变频运行泵脉冲
VD124
微分时间
M0.5
当前泵工频运行启动脉冲
VD204
变频器运行频率下限值
M0.6
新泵变频启动脉冲
VD208
生活
升级会员 