基于三菱PLC控制的恒压供水系统设计.docx
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基于三菱PLC控制的恒压供水系统设计
摘要
本设计是专门对日常用水而设计的恒压供水控制系统。
根据国内外的研究现状以及系统的控制要求，制定出了一套适合此系统的控制方案。
控制方案中，硬件设计主要对可编程控制器（PLC）机型、变频器机型以及电机泵组的机型做出了选择，同时还对系统的输入输出点进行了规划和分配。
在软件设计部分，针对控制要求画出了系统的流程图，并且还对每一部分的流程图进行了功能的解释，使读者能更加轻松的了解整个系统的软件设计情况。
在此课题中，还采用了MCGS组态软件，对控制系统进行监视与模拟运行，很直观的再现了现场的实际情况。
最后，还对整个系统进行了运行调试，运行结果表明该系统具有水压稳定、硬件组成简单、运行可靠和操作方便等优点。
关键词：
恒压供水；可编程控制器；变频器；组态软件
Abstract
Thisdesignisspeciallydesignedforwaterconstantpressurewatersupplycontrolsystem.Accordingtotherequirementsofthecurrentresearchathomeandabroadandthesystemcontrol,developasetofcontrolschemesuitableforthesystem.Inthecontrolscheme,thehardwaredesignismainlytotheprogrammablelogiccontroller（PLC）model,frequencyconverterandmotorpumpsetmodelmadeachoice,butalsoonthesysteminputandoutputpointsofplanningandallocation.Insoftwaredesignpart,accordingtodrawtheflowchartofthesystem,andtherequiredcontrolandflowchartofeverypartofthefunctionofexplanation,sothatreaderscanmoreeasilyunderstandthesoftwaredesignofthewholesystem.Inthistopic,alsoadoptedtheMCGSconfigurationsoftware,tomonitorandcontrolsystem’ssimulate,intuitivereproducetheactualsituationofthescene.Finally,thedebuggingofthewholesystemrunning,theresultsonthesurfaceofthesystemhasstablepressure,simplestructure,reliableoperationandconvenientoperation.
Keywords:
Constantpressurewatersupply；ProgrammablelogicController；Inverter；Configurationsoftware
第一章绪论
日常生活用水中水的品质要求越来越高，同时变频器也在不断的发展中，恒压变频供水控制系统因为它保护环境、节约能源、使用方便等特点，已经被广泛应用在了高层的居民住宅和大部分的城市水网供水之中。
恒压变频供水系统使用的是变频调速，这是一种无极调速，整个系统通过水管中实时变化的水压，来不断反馈给控制器，这些数据经过处理之后，再反馈给变频器进行水压的自动调节。
当用水量发生剧烈变化时，整个系统能迅速作出反应，使整个水管中的水压维持在一个相对稳定的值，以达到居民的日常用水要求，恒压变频供水系统是当今社会中比较先进和节能环保的供水系统。
变频器的内置功能是十分强大的，如何更换的利用好它的功能，使其更简洁方便的实现控制要求，对合理使用整个系统的设备、减少初期投入和后期维护的费用、保证设备已经供水的质量等有着重要意义。
恒压变频供水系统如今已经能适用于绝大部分的用水场合，并且相较于以往的供水方式，有诸多的优点，因此选择恒压变频的方式进行供水是非常好的。
1.1本课题的目的及研究意义
水，是我们生活中必须的自然资源。
如今我国大部分地区水严重缺乏，节水已经成为当今国家必须要做的一件事。
在我国，饮用水和电能稀缺，长久以来在城市供水、高层住房供水、工业设备生产供水等方面水平一直比较低下，自动化程度低。
集中表现在用水高峰期，水的供给量普遍低于使用量，出现管网压力下降，出现供不应求的状况，此时将会造成能源的浪费，同时还会使水管炸裂和用水设备的损坏。
据相关统计，风机和泵累负载大概占了我国年总耗电量的80%，这很大程度上与我国工作效率低下、控制方式落后的供水设备有关。
相关信息显示，目前水泵的效率不超过60%，大量的能量正在被浪费掉。
因此，运用水泵供水节能技术，设计高可靠性、高运行效率的给水系统对于社会发展具有十分重要的现实意义。
恒压变频供水系统自20世纪80年代以来，世界各国先后吧它变成工业应用，以显示出其强大的竞争能力。
使用该供水系统，可以实现明显的节能效果，从而提高企业经济和社会效益，这在资源日益匮乏的今天显得更加突出。
因此，研究恒压供水控制系统，对于提高供水能效，提高人民的生活状况，减少能源消耗，具有十分重大的历史意义。
1.2恒压供水系统的国内外研究现状
随着科学技术的推进，变频调速技术的日益完备，以PLC来控制变频器调速为核心的现代供水系统代替了曾经的人工控制电机泵组的供水方式。
早期，国外生产的变频器频率控制主要功能仅限于起重调速、电机正反转控制、电机启动和制动控制、VVVF比控制和许多保护功能。
在恒压供水控制系统的应用中，变频器只作为执行机构。
为了达到供水需求不一致大小时，保证管网水压稳定，要求在外部为变频器提供压力控制器和压力继电器，对压力进行闭环控制。
总体上看，我国电力拖动的科研水平和国际先进水平比，仍然差距较大。
国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，仅有少量的样机采用矢量控制，因此需要大量的从国外进口。
所以研究变频调速恒压给水系统在学术界有很重要的意义。
1.3恒压供水系统的控制要求
（1）共有3台水泵，按设计要求2台运行，1台备用，运行与备用10天轮换一次；
（2）用水高峰时，1台工频全速运行，1台变频运行；低谷时，只需1台变频运行；
（3）3台水泵分别由电动机M1、M2、M3拖动,而3台电动机又分别由变频接触器KM1、KM3、KM5和工频接触器KM2、KM4、KM6控制如图1-1所示:
图1-1主电路原理图
（4）电动机的转速由变频器的七段调速来控制，七段速度与变频器的控制端子的对应关系如表1-1所示：
表1-1七段速度与变频器的控制端子的对应关系
速度
1
2
3
4
5
6
7
接点
RH
RH
RH
RH
接点
RM
RM
RM
RM
接点
RL
RL
RL
RL
Hz
15
20
25
30
35
40
45
（5）变频器的七段速度及变频运行与工频运行的转换由水管压力继电器的压力上下限触点控制；
（6）水泵投入工频运行时，电动机的过载由热继电器保障，并有报警信号提示；
（7）变频器的有关参数自行设定；
（8）实验时KM1、KM3、KM5并联接变频器与电动机，KM2、KM4、KM6用指示灯代替；压力继电器的压力上限接点与下限接点分别用按钮来代替；运行与备用10天轮换一次改为30s轮换一次。
第二章恒压供水控制系统方案论证
2.1恒压供水控制系统分析
社会发展到现在，水的品质越来越高，供水的方式也越来越节能和高效。
如今，常见的供水方式有高位水箱供水、气压水罐供水（无塔供水）和变频供水三种。
首先，高位水箱供水方式受到水泵的扬程和楼层的高度的影响，顶层的住户会出现水压不足的现象，因此此方式有严重的不足之处，故已经逐渐被淘汰。
对于第二种无塔供水方式，它可以不受楼层高度影响，对各层用户都实现恒压供水，相对于第一种供水方式，已经有很大的提高，但其也有缺点，其系统必须在变压状态下工作，要保持一定的“绝压比”，因此耗能较大。
对于第三种恒压变频供水方式，它消除了水泵的富裕扬程以节省能耗，还充分利用了城市管网的余压，更加拥有节能的功效。
2.2恒压供水控制方案比较
（1）数字逻辑电路控制方式
这类控制电路难以完成水泵机组全部软启动、全流量变频调整，往往采用一台电机稳定于变频运行，其余电机均为工频状况的形式。
因此，控制精度不够、电机泵组切换时水压波动大、调试较繁琐、工频电机起动时有冲击、抗干扰能力差，但其价格低廉。
（2）单片机控制方式
这类控制方式比逻辑电路先进一些，但在应付不同水管、不同供水形式时，调试较复杂；附加功能时往往要对电路进行更改，浪费时间且不方便。
电路的可靠性和抗干扰能力都不是特别好。
（3）继电器控制方式
继电器是指当输入量或激励量，达到某些特定的状态时，能在一个或多个电器输出电路中产生突变的一种器件。
如今继电器已使用在日常及工业控制的各个领域，他们比以往的控制方式具有更高的可靠性。
但是，这也随之带来了一些问题。
如绝大多数控制继电器都是长期消耗和疲劳工作条件下发生的，容易损坏。
在满载运行的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也使用了巨额的电能。
并且继电器控制系统必须是人工接线、装配，如果有简单的变化，也需要花费巨额时间及人力和金钱去修正、安装和调试。
用继电器控制的电泵现在显然不能满足高要求，一旦报废，将很难维修。
（4）采用PLC来控制
PLC是一种为“工业环境”下而专门设计出来的计算机，它采用了严格的制造工艺，能够防粉尘、防噪声，并且在强烈的空间磁场干扰下或者变化剧烈的环境温度下仍然能够稳定正常工作，故其具有非常大的运行可靠性。
例如制造的F系列PLC高达30万小时。
同时相对于以为的单片机工业控制系统中，使用PLC控制具有更大的灵活性，并且控制功能完善，安装接线简单等诸多特点，在工业控制中取得了非常广泛的应用。
从PLC的外部接线来说，使用PLC组成的恒压供水控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到非常小的地步，发生故障的情况也就大大减少[10]。
2.3供水方式与控制方案的选择
因为另外两种供水方式较第三种方式有明显的不足之处，因此，此课题选用“恒压变频”的方式来进行设计。
本课题的恒压供水控制系统应根据供水过程中的各种控制信号和当时的运行状态，根据省时、高效的原则，自动进行综合分析，确定下一个工作状态。
为此，控制系统要求共有3台水泵，要求2台运行，1台备用，运行与备用10天轮换一次；用水高峰时，1台工频全速运行，1台变频运行；用水低谷时，只需1台变频运行；
主控运行过程是，恒压供水的PLC控制系统启动，第一个周期内1#电机工频运行，2#电机变频运行，3#电机备用。
PLC根据水压上下限触点的导通情况，来实现变频电机的7段速度的选择，每当水压下限来临，变频器的频率输出增加，直至工频电机与变频电机满负载运行。
当第二个周期来临，2#电机工频运行，3#电机变频运行，1#备用，工作状态同上；以此类推，第三个周期3#电机工频运行，1#电机变频运行，2#备用。
三个状态的完成，周期为1个月，下一个月来临时，重复上述步骤。
根据上述过程，我们在此时选择第4种方案—采用PLC来控制。
PLC控制方式比其他三种控制方式更加稳定可靠，价格便宜，结构简单，且可根据实际情况轻松的改变PLC的程序。
因此，我们选择以PLC为控制器的方案来实现此课题。
第三章恒压供水控制系统的硬件设计
3.1恒压供水控制系统设备选型
3.1.1PLC机型的选择
由控制要求可知，本设计共有7个输入点、11个输出点，I/O实际需18点。
为今后工艺改进与功能扩充留有余地，在实际统计I/O点数基础上，一般加10-20％余量，再考虑PLC产品本身规格[1]，选择FX2N-48MR-001型PLC，其I/O总点数为48点，即输入与输出各有24个接点，与其它PLC的比较，三菱PLC编程直观易懂，学习起来轻松，并且其指令集丰富，并且相对于其他的PLC产品，三菱的产品价格有一定的优势，故选用此型号的PLC控制器[2]。
三菱FX2N-48MR型PLC实物图如图3-1所示。
图3-1FX2N--48MR型PLC实物图
3.1.2变频器机型的选择
在交流异步电动机的诸多变速方式中，变频调速的性能优异，调速范围广，静态稳定性优异，运行效率高；使用通用变频器对笼型异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高，并且经济效益显著，得到了大量的推广[3]。
变频器选择中，应按电动机的额定功率及额定电流、额定电压综合考虑，合理选择变频器的参数，与用电设备配套。
由于变频器产生的高阶级波动的影响，对补偿电容的影响较大，在选择电容器时需选择带电抗器的电容器，最好使用带消谐装置的电容器组[8]。
恒压供水系统控制的参数不多，但仍需综合各种信息综合确定控制模型，变频装置应充分考虑与其它控制系统数据和信息传递地能力，以便更好观察变频器的各种状态及更合理的控制，充分展现各种装置在同一系统中现实应用的潜力，达到动态、互补、可靠运行的目的[9]。
变频器组装及接线中，应严格依据产品安装使用手册实施，各种辅助方式，如装置环境条件的确保，接地安全措施都该预留到位，否则会直接减少变频器的使用寿命和效率，还会造成对其它系统干扰情况。
特别是环境温度的变化，尤为重要，变频器发热量庞大，安装在柜内时要考虑散热的情况，必要时需增设通风装置，对大功率变频器尤为重要[3]。
变频器是变频调速系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电动机转速的调节。
变频器的选择必颁根据电动机的功率和电流进行选择。
此设计采用的是三菱的FR-A740-2.2K-CHT型号的变频器，其具有先进的磁通矢量控制功能、强大的扩展能力、简单的操作及维护等。
相较于其他品牌的变频器，三菱的产品价格具有一定的优势，且在稳定性上，更加得到广大用户的肯定，故此课题选用该型号的变频器。
变频器实物图如图3-2所示。
图3-2变频器实物图
3.1.3电动机机型的选择
异步电机主要用作电动机，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是日常生活中应用最广泛的电动机，为多种机械设备提供动力，例如机床，中下型轧钢设备、风机、水泵等，都采用三相异步电动机拖动。
异步电动机被广泛应用，是由于它结构简单、制造容易、成本和价格低、坚固耐用、运行可靠、运行效率较高并有适用于多种机械负载的工作特性。
缺点是需要从电网吸收滞后的无功功率，功率因数总小于1。
本课题中采用Y90L-2型号的电动机，此型号的电动机，使用的功率为2.2KW，匹配变频器，刚好适用[5]，
电动机的实物图如图3-3所示。
图3-3电动机的实物图
3.1.4水泵机型的选择
在水泵方面，必须要考虑以下几个因素，①流量；②扬程；③管道系统的压力差（扬程的损失）；④管道系统的数据等。
综上考虑，此课题采用IS50-32-160A型号的水泵进行供水，流量Q=11.4
，扬程H=16.5m，故此型号的水泵已经可以满足一般供水的要求[6]，水泵的实物图如图3-4所示。
图3-4水泵的实物图
3.2PLC输入输出接点分配
根据恒压供水控制模型的输入/输出信号，分配FX2N—48MR型PLC输入/输出接点共为18个，I/O分配如表3-1[4]。
表3-1PLC输入输出分配表
输入端子
功能
输出端子
功能
输出端子
功能
X0
启动按钮
Y0
STF信号
Y10
KM5
X1
水压下限开关
Y1
RH信号
Y11
KM6
X2
水压上限开关
Y2
RM信号
Y12
FR报警灯
X5
停止
Y3
RL信号
X6~X7
FR1~FR2
Y4~Y7
KM1~KM4
X10
FR3
3.3PLC中内部触点的分配
整个系统中，我一共使用到了10个辅助继电器M，2个定时器T，1个数据寄存器D和3个计数器C。
PLC内部的每一个触点的功能都见表3-2所示。
表3-2PLC系统内部触点分配
触点
功能
触点
功能
辅助继电器M1
15Hz变频启动
辅助继电器M200
启动工频电机
辅助继电器M2
20Hz变频启动
辅助继电器M8013
系统内部秒震荡
辅助继电器M3
25Hz变频启动
定时器T10
水压下限保持用定时器
辅助继电器M4
30Hz变频启动
定时器T11
水压上限保持用定时器
辅助继电器M5
35Hz变频启动
数据寄存器D0
水压变频数据保存
辅助继电器M6
40Hz变频启动
计数器C1
第1组电机运行时间
辅助继电器M7
45Hz变频启动
计数器C2
第2组电机运行时间
辅助继电器M100
关闭工频电机
计数器C3
第3组电机运行时间
3.4PLC输入输出接线原理图设计
恒压供水控制系统的PLC电气控制系统接线原理图设计如图3-5所示。
PLC的7个输入点分别接收水压上限与水压下限的信号,1个启动按钮和1个停止按钮的信号；PLC的11个输出点中，Y001-Y003输出驱动变频器的正转与调速触点，Y004-Y011分别驱动6个电机的接触器，Y012输出驱动报警显示灯[2]。
图3-5恒压供水控制系统接线图
实际模拟控制系统接线图如图3-6所示。
图3-6实际模拟控制系统接线图
3.5系统控制流程图的设计
根据控制要求画出的控制流程图如图3-5所示。
图3-5恒压供水控制系统流程图
简要说明一下恒压供水的主要操作步骤：
（1）通电后，首先按下复位按钮SB2，之后按下启动按钮SB1
系统在按下SB1后，电机开始运行，且每10天为一个短周期，每30天为一个大周期，循环往复。
（2）电机运行状态切换
每个小周期里，有1台电机工频运行，1台电机变频运行，1台电机备用，且每10天为一个短周期，每30天为一个大周期，循环往复。
（3）变频运行
每当水压下限信号到来，15Hz升为20Hz运行；20Hz升为25Hz运行；25Hz升为30Hz运行；30Hz升为35Hz运行；35Hz升为40Hz运行；40Hz升为45Hz运行。
当45Hz时，水压任不足，就必须启动工频电机，以此实现更大的水压供给。
第四章恒压供水系统程序设计
4.1电机启动的介绍说明
4.1.1程序的准备与启动
启动与停止复位功能部分流程图见图4-1。
图4-1启保停、复位流程图
当启动按钮按下时，X000闭合，此时数据寄存器D0中被送入数据1，并且辅助继电器M0闭合且自锁，正转信号Y000导通。
当停止按钮按下时，X005常闭触电断开，系统停止工作，X005常开触点闭合，将C0~C2、D0中的内容清零复位[1]。
启动、保持与停止复位功能部分程序见图4-2与图4-3。
图4-2恒压供水启动与保持梯形图程序
图4-3恒压供水停止与复位梯形图程序
4.1.2电动机工频与变频状态切换的流程图与梯形图
三组电机30天内周期运行的流程图见图4-4。
图4-4电机运行状态流程图
由第二章第1节中给出的电气原理图，我们可知KM1，KM2带动1#电机运行；KM3，KM4带动2#电机运行；KM5,KM6带动3#电机运行。
当第一个10天时，1#电机工频运行，2#电机变频运行，故驱动Y004与Y007即可实现控制要求。
同理，第二个10天时，驱动Y006和Y011可以实现控制要求。
第三个10天时，驱动Y010与Y005可以实现控制要求。
控制要求中，一个完整周期为30天，由于模拟不需要如此长的时间，故在程序中缩短了每个转换的时间，每个转换时间为20秒，这样既能实现控制要求，又大大缩减了运行时间，使模拟运行效率得到大大提高。
三组电机30天周期模拟运行的程序见图4-5。
图4-5电机运行状态梯形图程序
4.1.3七段速度切换的流程图与梯形图
电机在变频运行与切换时的流程图见图4-6。
图4-6电机变频运行与切换流程图
当水压下限到达时，X001闭合，即水压不足，需要提高水压，此时需要变频调速，将电泵的转速提高，从而增加水压。
故程序中，X001闭合，使得寄存器D0中的数据加1；同理，当水压不再需要那么大时，就需要降低水压，此时X002闭合，使寄存器D0中数据减1。
程序见图4-7。
图4-7水压上下限梯形图程序
同时将数据寄存器D0中的数据与数字1-7（1-7分别代表7段速度）比较，由此可得：
（1）当D0=1时，M1闭合，此时变频器的调速设置为15Hz；
（2）当D0=2时，M2闭合，此时变频器的调速设置为20Hz；
（3）当D0=3时，M3闭合，此时变频器的调速设置为25Hz；
（4）当D0=4时，M4闭合，此时变频器的调速设置为30Hz；
（5）当D0=5时，M5闭合，此时变频器的调速设置为35Hz；
（6）当D0=6时，M6闭合，此时变频器的调速设置为40Hz；
（7）当D0=7时，M7闭合，此时变频器的调速设置为45Hz。
M1~M7为自己设置的辅助继电器，实际变频器是无法识别的，必须用这些辅助继电器来驱动Y001、Y002和Y003所接的变频器的RH、RM和RL触点来实现变频调速。
Y001表示RH信号，由M1、M5、M6和M7驱动；
Y002表示RM信号，由M2、M4、M6和M7驱动；
Y003表示RL信号，由M3、M4、M5和M7驱动，各个驱动情况如图4-8所示。
图4-8辅助继电器驱动变频器梯形图
当D0>7时，M200闭合，此时说明光一台变频的电泵已不足以完成提高水压的要求，故闭合M200，启动处于待机状态的工频电泵（分别由接触器KM1，KM3和KM5导通启动），然后继续增压。
当D0<1时，M100闭合，此时说明已经不需要工频电泵，故关闭工频电泵，只由变频的电泵来给水增压。
见图4-9与图4-10。
图4-9工频电机启动与关闭梯形图程序1
图4-10工频电机启动与关闭梯形图程序2
4.2工变频电机的满载与防负压运行
当一个周期内的工频电机与变频电机全部都在运行时，且此时的变频电机已经处于45Hz的满频状态，这个时候，变频电机必须一直以此速度运行，并不能减速。
故设定辅助继电器M150在满载时，限制水压下限信号的再次触发，以此实现持续满载运行，否则变频电机将处于持续的加速减速中，运行不可靠且不和要求。
同时设定辅助继电器M250为负压保护控制，当用水低谷时，如果用户使用的水压非常低时，即使以1台变频电机在15Hz运行的时候，都已经满足，这时候任然不能将电机都关闭，所以设定M250，防止负压的出现[7]，程序见图4-11。
图4-11恒压供水系统过载与防负压运行梯形图程序
4.3电机过载报警
此工程设计中一共有三台电机组，每台电机都有热继电器FR，即有FR1（X006），FR2（X007）和FR3（X008）。
当某个热继电器因为过载而损坏时，电机会
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