基于PLC的变频恒压供水系统的设计.docx
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基于PLC的变频恒压供水系统的设计
摘要
随着社会主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势
本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，设计出一种在这三个方面都有所提高的PLC控制的恒压供水系统。
恒压变频供水系统是当今应用最广泛的节能型供水系统。
本文通过对供水系统运行特征及工作状态的分析，阐述了系统的节能原理，介绍了系统的基本构成及特点。
并从实际出发，通过对PLC，变频器，离心水泵等原理的介绍，阐述了整个系统实现的理论基础，通过具体编制PLC程序，实现了较好的控制要求。
本文所做的研究对同类系统的研究和再开发具有一定的参考价值。
关键词：
恒压供水，变频调速，PLC控制
1绪论
1.1课题背景
随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。
变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
变频恒压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。
目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、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、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:
（1）供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量（如:
温度、流量、浓度等）一样，对控制作用的响应具有滞后性。
同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
（2）用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。
（3）变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
（4）在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（包括定量泉的停止和运行）是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。
（5）当出现意外的情况（如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。
在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。
（6）水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。
（7）用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
1.2课题研究的对象
图1供水流程简图
此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。
这栋楼有10层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。
如图2.1所示，是这栋小楼的供水流程。
自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。
通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。
2基于PLC控制的恒压供水系统的设计及其工作原理
2.1硬件系统
图2.1供水系统原理框图
如图2.1所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。
三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器（反馈0～5V电压信号）或压力变送器（反馈4～20mA电流）；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的调速、无波动稳压的效果和各项功能。
从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系
统、以及报警装置等部分组成。
（1）执行机构
执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图2.3中的3个水泵分为二种类型:
调速泵:
是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。
恒速泵:
水泵运行只在工频状态，速度恒定。
它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。
（2）信号检测
在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:
①水压信号:
它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。
②报警信号:
它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。
该信号为开关量信号。
（3）控制系统
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。
①供水控制器:
它是整个变频恒压供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。
②变频器:
它是对水泵进行转速控制的单元。
变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。
③电控设备:
它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。
用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。
（4）报警装置
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。
由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失
2.2工作原理
合上空气开关，供水系统投入运行。
将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。
根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。
变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。
同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵（或第3台泵）。
当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。
此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。
增泵工作过程：
假定增泵顺序为l、2、3泵。
开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。
当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。
当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。
在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。
如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。
减泵工作过程：
假定减泵顺序依次为3、2、1泵。
当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。
如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。
2.4主电路接线图
图2.2主电路图
电机有两种工作模式即：
在工频电下运行和在变频电下运行。
KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。
热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。
熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。
使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。
3器件的选型及介绍
3.1可编程控制器
3.1.1简介PLC
可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。
继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。
由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。
可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。
在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。
图3.1PLC的硬件结构框图
可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。
随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。
现在的PLC已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。
美国电气制造商协会（NEMA）将其正式命名为可编程控制器（ProgrammableController），简称PC，但是为了和个人计算机（Persona1Computer）的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC。
事实上与所有的器件一样，PLC本身也有其局限性，它无法向操作者显示动态的设备状态参数，无法进行大批量数据的存贮与转化，尤其是当系统工艺改变时，无法方便、快速地改变相关参数、配方。
因此，在现今的稍微复杂一些的控制系统中，PLC通常与工业控制计算机配合使用，实现完整的控制功能。
3.1.2PLC的特点
现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。
在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。
归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：
1）编程方法简单易学
2）功能强，性能价格比高
3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
4）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强
5）系统的设计、安装、调试工作量少
6）维修工作量小，维修方便
7）体积小，能耗低。
3.1.3PLC的工作过程
图3.2PLC的扫描工作过程
PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图3.2所示。
PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下：
①输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态；
②程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需软元件的状态；
③输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的状态，由输出指令的执行结果决定。
④输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定；
⑤输出端子上的输出状态，由输出锁存器中的状态决定。
3.1.4PLC的选型
水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。
控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。
系统所需的输入／输出点数量共为24个点。
本系统选用FXos-30MR-D型PLC。
3.1.5PLC的I/O端子分配
I/O地址
硬件器件及接线端子
地址功能解释
输入
X0
按钮SB8
启动按钮
X1
按钮SB9
停止按钮
X2
接变频器FU端子
设定频率上限
X3
接变频器0L端子
设定频率下限
X4
FR1常开触点
M1过载信号
X5
FR2常开触点
M2过载信号
X6
FR3常开触点
M3过载信号
X7
按钮SB1
M1工频运行
X10
按钮SB2
M1变频运行
X11
按钮SB3
M2工频运行
X12
按钮SB4
M2变频运行
X13
按钮SB5
M3工频运行
X14
按钮SB6
M3变频运行
X15
按钮SB7
自动/手动
X16
按钮SB10
手动变频器启动
输出
Y0
KM0线圈
M1变频运行控制
Y1
KM1线圈
M1变频运行控制
Y2
KM2线圈
M2变频运行控制
Y3
KM3线圈
M2变频运行控制
Y4
KM4线圈
M3变频运行控制
Y5
KM5线圈
M3变频运行控制
Y6
KM6线圈
启动变频器
Y7
接变频器STF端子
正转控制
表3.1I/0端口分配表
3.1.6PLC的接线端子接线
图3.3PLC接线端子分配
Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。
X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。
为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。
在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。
频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号
3.2变频器
3.2.1变频器的构成
通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。
此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。
而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。
对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等
图3.4变频器的构成
1.主电路
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。
图3.5所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。
1整流器
最近大量使用的是二极管的交流器，图3.5所示，它把工频电源变换为直流电源。
可用两组晶体管交流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
2平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电压吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路的构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
3逆变器
同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。
④制动回路
异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。
一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用由逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。
图3.5典型的电压型逆变器一例
2.控制电路
给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。
如图3.4所示，控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。
在图3.4点划线内，仅以控制电路A部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制。
在控制电路B部分增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。
控制电路主要包括：
①运算电路
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、功率。
2电压/电流检测电路
与主电路电位隔离，检测电压、电流等。
3驱动电路
为驱动主电路器件的电路。
它使主电路器件导通、关断。
4速度检测电路
以装在异步电动机轴上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号
送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
5保护电路
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
保护回路主要包括：
（1）逆变器保护
1）瞬时过电压保护。
由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。
交流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。
2）过载保护。
逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、线路等损坏要停止运转。
恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护（使用电子电路）。
过负载是由于负载的GD2（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生的。
3）再生过电压保护。
采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。
可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。
4）瞬时停电保护。
对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。
但瞬时停电时间在10ms以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。
5）接地过电流保护。
逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器，有时要有接地过电流保护功能。
但为了确保人身安全，需要转设漏电断路器。
6）冷却风机异常。
有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。
（2）异步电动机的保护
1）过载保护。
过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度传感器，或者利用转在逆变器内的电子热保护来检出过热。
动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。
2）超频（超速）保护。
逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。
（3）其他保护
1）防止失速过电流。
急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行（失速）。
所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。
对于恒速运转中的过电流，也进行同样的控制。
2）防止失速再生过电压。
减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过电压。
3.2.2变频器的特点
变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。
能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。
变频恒压供水系统主要有以下几个特点:
1．节能：
变频调速恒压供水设备使整个供水系统始终保持最优工作状态节电率可达35%—60%，这一特点已被广大用户所认识并带来效益
2．占地面积小，投人少，效率高：
设备结构紧凑占地面积少维护方便维护费用低投资省安装快如仅供几栋居民楼生活用水的小型供水设备在楼梯间楼梯下几平方米的地方即可安装
3．配置灵活，功能齐全，自动化程度高。
4．由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，大大降低水质污染的可能性：
众所周知南方气候炎热潮湿细菌和微生物极易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生红虫必须定期清洗改用变频调速恒压供水设备后只需一个低位水箱原来也有将水质污染降到最低限度。
5．通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力
3.2.2变频器的选型
根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，如下图所示：
图3.6FR-A540的管脚说明
3.2.3变频器的接线
管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。
X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。
频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。
图3.7变频器接线图
3.3PID调节器
仅用P动作控制，不能完全消除偏差。
为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。
用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。
但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。
对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。
对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。
偏差小时，P动作的作用减小。
控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。
在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。
换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。
利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。
采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。
这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统（即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节）效果比较好
图3.8PID控制框图
通过对被控制对象的传感器等检测控制量（反馈量），将其与目标值（温度、流量、压力等设定值）进行比较。
若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。
也就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式
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