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11恒压供水
摘要
随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。
然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。
本文介绍的变频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。
水泵作为供水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的60%以上，在我国，每年水泵的电能消耗占电能总消耗的21%。
为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷变化的运行。
本文介绍一种变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统保持高效节能的最佳状态。
关键字：
PLC变频器恒压供水
目录
摘要……………………………………………………………………………………1
第一章变频恒压供水原理特点及工艺要求…………………………………3
1.1恒压供水技术现状……………………………………………………………3
1.2系统的组成和基本工作原理…………………………………………………4
1.3恒压供水系统的特点…………………………………………………………4
1.4变频调速及PLC在供水行业中的应用………………………………………5
第二章可编程控制器概述………………………………………………………6
2.1PLC技术现状…………………………………………………………………6
2.2PLC组成和工作原理…………………………………………………………7
2.3PLC与继电器控制系统的区别………………………………………………11
2.4PLC控制系统的结构…………………………………………………………12
2.5PLC抗干扰设计………………………………………………………………14
第三章变频恒压供水系统PLC设计…………………………………………16
3.1恒压供水系统的基本构成……………………………………………………17
3.2系统控制要求…………………………………………………………………20
3.3控制系统的I/O点及地址分配………………………………………………21
3.4变频恒压供水系统程序的设计………………………………………………22
第四章结论…………………………………………………………………………33
致谢……………………………………………………………………………………34
参考文献………………………………………………………………………………35
第一章恒压供水原理及工艺
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。
一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。
1.1恒压供水技术现状
在日常生活中，居民生活用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。
而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。
保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。
因此，恒压供水系统在生活用水上运用广泛。
恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。
例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。
又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。
所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。
其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。
恒压供水系统与普通的供水系统相比，有着十分显著的节能效果。
1.供水系统有以下几个特点：
（1）节电：
优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行。
（2）节水：
根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象。
（3）运行可靠：
由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。
（4）控制灵活：
分段供水，定时供水，手动选择工作方式。
（5）自我保护功能完善：
如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。
万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。
2.供水设备已广泛应用于生活生产及各个行业，其主要应用场合有：
（1）高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。
（2）各类工业需要恒压控制用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。
（3）中央空调系统。
（4）自来水厂增压系统。
（5）农田灌溉，污水处理，人造喷泉。
（6）各种流体恒压控制系统。
1.2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。
1.3恒压供水系统的特点
在较高的住宅供水系统中，变频调速恒压供水有它自身的特点：
1.量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。
2.水压力的要求比较严格，供水的压力随供水流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。
3.情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。
从上即可结论：
以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能。
1.4变频调速及PLC在供水行业中的应用
70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。
晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。
三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。
到80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。
它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。
现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较传统的运行方式是可节电40％～60％，节水15％～30％。
由于变频调速具有调速的机械特性好、效率高、调速范围宽、精度高、调整特性曲线平滑、可以实现连续的、平稳的调速、体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。
尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。
新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。
恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。
目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。
追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被全新的系统所代替。
虽然早期单泵调速系统设计简易可靠，但是其电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而新的调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。
第二章可编程控制器概述
2.1PLC技术现状
上世纪60年代后期，根据当时汽车市场需求和计算技术的发展，在美国麻萨诸塞州Bedford的BedfordAssociates，向美国汽车制造业提议开发一种ModularDigitalController（MODICON）取代继电控制盘。
其它一些公司也建议以计算机为基础的方案。
其核心思想是采用软件编程方法代替继电控制的硬接线方式，并备有生产现场大量使用的输入传感器和输出执行器的接口，以便于进行大规模生产线的流程控制。
这就是以后被称为ProgrammableLogicController的由来。
70年代是PLC崛起，首先在汽车工业获得大量应用，在其它产业部门也开始应用的时期。
80年代是它走向成熟，全面采用微电子及微处理器技术；大量推广应用，并奠定其在工业控制中不可动摇地位的时期。
90年代又开始了它的第三个发展时期。
随着PLC的国际标准IEC61131的正式颁布，推动了PLC在技术上发动新的突出。
在系统体系结构上，从传统的单机向多CPU和分布式及远程控制系统发展；
在编程语言上，文本化和图形化的语言多样性，创造了更具表达控制要求、文字处理、通信能力的编程环境。
从应用范围和应用水平上，除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外，则是发展以PLC为基础的DCS系统、监控和数据采SCADA系统、柔性制造系统（FMS）、安全联锁保护（ESD）系统、运动控制系统等，全方位地产提高PLC的应用范围和水平。
进入90年代后期，由于用户对开放性的强烈要求和压力，由于信息技术的大力推动，PLC如果还停留在原有的专用而又封闭的系统概念上，它将坐以待毙。
于是PLC进入了其发展的第四阶段。
其特征是：
在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，如以太网、高速串口等。
PLC作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。
它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。
随着微处理器、网络通信、人—机界面技术的迅速发展，工业自动化技术日新月异，各种产品竞争激烈，新产品不断涌现。
PLC也由最初的只能处理开关量而发展到可以处理模拟量和数据，加之与DCS、PID调节器、工业PC等技术相结合，使之不再是一种简单的控制设备，而且必将随着自动控制技术的不断发展而发展生存下去。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
2.2PLC组成和工作原理
2.2.1PLC的组成
1.PLC的输入
通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。
PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。
由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：
有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问题和互相干扰问题。
PLC就是一个计算机控制系统，在其发展过程，人们曾将计算机直接用于工业控制，但是由于以下两大问题没有解决好而难以发展：
一是I/O（输入/输出）问题，计算机不能直接和工业现场设备连接现在了应用；二是计算机的I/O功能，开关逻辑处理不够丰富和强大。
现在的PLC成功的解决了这两个方面的问题，可以让PLC和外部设备直接进行物理的连接。
计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大的运算功能，使其能够完成复杂的控制功能，这也是PLC能够迅速发展的原因。
2.PLC的输出
输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。
输出动作次数的限制，是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。
现在的PLC产品已经完全有能力驱动这些元器件,并提供了多种输出方式且动作次数可保证万次无故障的产品。
3.PLC的控制机制
PLC已经完全取代继电器控制系统。
只要对其控制机制有了准确的理解，才能对其持续的开发并创造性的使用它。
I/O电路已经保证了PLC与现场设备的直接连接，并在内部寄存器存储了这些状态。
但是，为了取代继电器的控制，更重要的是如何组织和使用这些开关量，从而达到软件程序代替硬件连线的目的。
在这里通过对继电器的控制的电路的特点的介绍，已经知道继电器控制电路的特点在于各个控制单元是否动作是由其接点条件控制的，并不受其前后位置的影响。
同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器的动作（翻转），控制的结果、逻辑动作顺序也是由接点条件来控制的。
这于计算机顺序执行的工作的特点是矛盾的。
主要体现在：
一是乱序，只要条件满足就执行；而另一个是顺序执行。
PLC充分利用了计算机存储程序的思想和高速的特点，采用了控制系统中的离散控制方式，使它的控制能够完全代替继电器的控制。
具体的说就是将连续的控制用离散的控制代替，如Y（n）=f（x（n-1）,y（n-1））中，Y（n）为某一时间段的输出值；Y（n-1）为上一时间段的输出值；X（n-1）为上一时间段某一时刻的输入值；F为他们应满足的控制关系。
即某一时间段的输出完全取决于上一时间某一时刻的输入和上一时间段的输出。
至于上一时间段的输出，在参加计算的时候，只是存储在映像寄存器中的输出结果，执行运算过程中并不修改端子的输出值。
真实的输出已表现在端子的接点上，并要保持一个时间段，也就是采取集中输出的方式，在计算的过程中完全可以使用或修改其映像寄存器中的值而不会对先阶段的输出产生影响。
这样只要时间段足够短，并且PLC周而复始的运行着就完全可以模仿继电器的控制并且取代它。
由于采用集中I/O的思想，其I/O状态存储在寄存器中，可以充分发挥计算机的强大逻辑家能力，以完成更复杂的控制功能。
如图2-1所示，PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。
其完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换，并将这个变换物理实现，应用与工业现场。
输出量
图2-1PLC的组成
（1）输入寄存器
输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，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
4.PLC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。
2.2.2PLC工作原理
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。
2.典型的PLC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。
3.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。
4.PLC中的存储器
PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。
系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的PLC的指令的系统编写的系统程序，它决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。
用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。
用来存储工作数据的区域称为工作数据区。
2.3PLC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
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