高层水压的PLC控制.docx
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高层水压的PLC控制
滁州职业技术学院
毕业设计
课 题：
高层水压的PLC控制
设计时间：
2016年11月19日
系 别：
机电工程系
班 级：
14级机电2班
学 号：
20141401256
姓 名：
指导教师：
周华龙
2016年11月19日
摘要
随着现代社会经济的高速发展，城市建设规模发展迅速，面对土地资源日益紧缺的现状，高层楼宇的建设具有很重要的意义。
随着人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，传统的供水系统已经难以满足高层楼宇的供水需求。
在国际社会倡导节能降耗，发展低碳经济的背景下，利用先进的自动控制技术、检测与传感器技术以及通信技术，设计高性能、低能耗、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。
通过研究和比较本论文设计了一套高层楼宇基于PLC的变频恒压供水系统。
该系统是一种节能环保、系统稳定安全、使用维护方便的供水控制系统，主要由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器等构成，实现楼宇供水的自动化控制。
该系统能通过不同的反馈压力值，自行调整水泵输出水量，这既能节省传统的采用调节阀门开度而消耗在管道阻力和截流损失的能量，也节省由于恒速泵的频繁启停对管网系统的冲击能量和对电网电压造成波动的影响，避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振，能够彻底消除水锤现象
第七章PLC梯形图23
第一章绪论
1.3高层楼宇常用供水模式
示在深入研究发展变频恒压供水技术之前，对于高层楼宇的供水系统设计，供水方式一般采用以下方式。
（1）恒速泵直接供水方式
在这种供水方式中，水泵直接从市政管网或蓄水池中抽水然后直接供给用户使用。
在这种供水方式下水泵往往需要日夜不停的运转，以保证供水水压。
但是这种供水方式虽然简单，投资成本低，但其能耗大，造成水资源的巨大浪费，供水质量很差，会严重影响市政公用管网压力的稳定性。
由于其适应性差，目前将逐步面临淘汰。
（2）水塔的供水方式
这种供水方式首先是由水泵向水塔供水，再由水塔向用户供水。
当水塔注满水后，水泵停止运转，但是水塔水位低于某一位置的时候水泵又将启动。
因此水泵的工作状态是断续的。
由于水泵始终是工作在高效区，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、水泵开停比等有关。
所以比前一种的供水方式节电。
供水水压也比较稳定。
但是这种供水方式基础设施建设投资大、占地面积大、存在能量的损失和二次污染问题。
如果出现故障不能自行开停水泵，将造成能量的严重浪费和供水质量的严重下降。
（3）高位水箱供水方式
采用楼顶设高位水箱供水的方式，虽较为安全可靠，设备、技术等方面也较成熟。
然而，在后期给水系统的运行、维护和管理过程中，此供水方式存在一些问题。
存在水质的二次污染问题，同时屋顶高位水箱的有效容积也受建筑负荷限制。
高位水箱的供水系统，虽实际是一个压力大致恒定的系统，这个压力就是水位的高度。
而管道的阻力特性却是变化的，当水的用户多时（也即打开阀门，放水的支路多时），管道的阻力就相应减少，反之则阻力增大，大大降低了生活供水质量。
虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理、适应性强而被广泛采用，目前国内大部分高层建筑均采用此方式供水，但此方式存在着投资大、占用面积大二次污染等缺点。
（4）气压罐供水方式
气压罐供水方式在工程主要用于消防供水。
在消防工程中的用途主要用于调节水量可满足十分钟消防初期用水量，从而替代屋顶水箱、同时作为增压设施，以弥补高位水箱设置高度之不足、作为消防系统稳压用，启停稳压泵及启动消防泵并发出火警讯号用。
上述三种用途有一共同点，即均需贮存满足规范要求的消防用水量。
气压供水由于体积小、技术简单、不受高度限制等特点，近几年来己在高层建筑中采用，但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等缺点，因而使这种供水系统的发展受到限制。
（5）变频恒压供水方式
变频恒压供水系统是由压力传感器将压力信号转变为一定的电流或电压信号，在某压力下，当用水量增大时，管路压力下降，产生偏差，该信号被送入控制器进行处理，控制器产生一定的电信号控制变频器升频，水泵转速升高，供水增加，压力恢复。
反之，用水量减少，工作机理同上所述。
由于整个过程压力偏差较小，调节时间短，系统表现为恒压。
此系统随着变频器与PLC应用技术的不断推广，已经成为一种新型的供水系统。
它在节能、保持水质、水压平稳性及操作的方便性和稳定的可靠性等方面大大优于传统的供水方式。
它已经成为现代高楼供水的主要方式。
本设计原理图如下图1.1所。
图1.1变频恒压供水原理图
1.4本课题的总体方案
1.4.1供水系统的方案选取
通过对现有高层楼宇供水方式的分析和比较，可知变频恒压供水系统具有明显的优势，在供水质量及控制技术等各方面都有很好的先进性。
其供水方式节约能源、节省占地、节约投资，调节能力大、系统运行稳定可靠，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
因此本设计中采用变频恒压供水系统方案作为对高层楼宇的供水方式。
图1.2系统总布局图
该系统是将水泵通过稳流调节罐直接串联在市政自来水公司的给水管网上，市政水管网的水直接进入调节罐，罐内的空气从真空消除器内排出，待水充满后，真空消除器自动关闭。
当自来水管网能够满足用水压力及水量要求时，水泵机组不工作，实行市政管网直接供水；当自来水管网的压力不能满足用水要求时，出水管网上的压力变送器对水压进行采样，将压力信号转变对应的电信号，送入变频器或可编程控制器（PLC）经转换与用户给定的压力值进行比较算，将结果转变为控制变频器输出电源频率的频率调节信号，同时输出控制泵启停信号，通过调节运转泵电源频率，使用户管网的水压稳定于预先设定好的压力值，此时水泵充分得用了市政管网的余压，达到叠压恒压供水的目的。
水泵供水时，若自来水管网的水量大于水泵流量，系统保持正常供水；用水高峰期时，若自来水管网水量小于水泵流量时，调节罐内的水作为补充水源仍能正常供水，此时，空气由真空消除器进入调节罐，消除了自来水管网的负压；而对出水管网，压力变送器继续对水压进行采样，用水高峰期过后，系统恢复正常的状态。
若自来水管网停水而导致调节罐内的水位不断下降，液位探测器给出水泵停机信号以保护水泵机组。
其控制原理如图1.3所示：
图1.3系统的控制原理图
第二章主电路图设计
4.2电气原理图设计
在硬件系统设计中，整个系统主要由信号检测单元、控制单元、执行机构来组成。
所采用的是一台变频器连接三台电动机，都具有变频和工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出的电源相联；所选用的接触器都是依据电动机的容量适当的选择。
4.2.1主电路设计
系统的主电路采用六个接触器的常开触点的闭合、断开来实现对电机的启动和关闭，如图4.1所示。
在主电路图中，KM1、KM12分别控制1号水泵的工频与变频运行，KM21、KM22分别控制2号水泵的工频与变频运行，KM31、KM32分别控制3号水泵的工频与变频运行.电路的主电路图4.1所示。
图4.1主电路图
4.2.2变频器电路设计
在系统中变频器主要是控制三台水泵电机的工频和变频运行状态，其电路接线如图4.2所示。
图4.2变频器接线图
4.2.5水泵电机控制原理图设计
图4.5水泵电机控制原理图一
图4.6水泵电机控制原理图二
第三章变频恒压供水控制系统硬件设计
4.1系统主要器件的选配
4.1.1供水泵的选型
根据课题设计需要，同时又能确保系统安全、可靠运行，并降低设备长期运行费用，其中水泵的运行参数按各区段全部住户和最高层设计，设计依据《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）。
如表4.1所示：
供水设计要求
最高日用水量：
280L/（p.d）
平均每户用水人数：
3.5人/户
小时变化系统：
2.5
用水制度：
24小时连续供水
住户总数：
150户（每层5户，共30层）
水泵
水泵生产厂商：
杭州南方特种泵业有限公司
水泵型号：
CDLF12-12三台两用一备
工作参数：
Q＝12
、H＝121m、N＝7.5KW
电机
所配电机厂商：
浙江凯利达防爆机电有限公司
电机型号：
Y2-160M2-2
防护等级：
IP55。
绝缘等级：
F级
表4.1水泵及电机选型表
4.1.2变频器的选型
根据工艺要求，并保留设备扩展的余量，选配ABBACS600系列变频器。
ACS600系列变频器是ABB公司采用直接转矩控制（DTC）技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。
它具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转矩控制特性，完整的保护功能以及灵活的编程功能，牢固的EMC（电磁兼容性）设计、较高的可靠性和较小的体积。
控制软件可以实现专用功能：
多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。
主要技术数据：
（1）功率范围：
2.2-3000KW
（2）电源电压：
380/400/415/460/480/500VAC3相±10%
（3）电源频率：
48-63Hz
（4）控制连接：
2个可编程的模拟量输入（AI）；1个可编程的模拟量输出（AO）；5个可编程的数字量输入（DI）；2个可编程的数字量输出（DO）
（5）连续负载能力：
150%In，每10分钟允许1分钟
（6）串行通信能力：
标准的RS-485接口可使变频器方便的与计算机连接
（7）保护特性：
过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护、短路保护、接地保护、欠压缓冲、电机欠/过载保护、串行通讯故障保护等。
ACS600变频器独特的直接转矩控制（DTC）功能是目前最佳的电机控制方式，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。
在其内置的PID、FPC等八种应用宏，只需选择需要的应用宏，相应的所有参数都自动设置，输入输出端子也将自动配置，这些应用宏的设置大大节约了调试时间，减少出错。
4.1.3PLC的选型
可编程控制器（ProgrammableController）又简称为PC或PLC，是将逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等控制程序，用一串指令形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制的装置。
它是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构、硬件组成、软件结构以及I/O通道、用户界面等诸多方面都有其特殊性。
根据设计选用西门子S7-200型。
SIMATICS-700可编程控制器是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用；大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动化控制任务，各种单独的模块组合用以扩展；简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使之应用十分灵活；方便用户和简易的无风扇设计；当控制任务增加时，可以自由扩展。
根据设计选用S7-200的CPU型号为CPU226型，其现有的端口能满足系统设计的需要并且具有模块扩展功能。
4.1.4压力传感器的选型
在系统中需要对进水管网压力和用户供水压力进行测定和采样，将压力信号转换为4-20mA的电信号输入到变频器中，变频器的输出信号将直接控制水泵电机的转速。
根据设计需要现选用罗斯蒙特的3051T型表压与绝压变送器。
它集传感器、电子技术与单隔离膜片设计与一体，实现表压和绝压测量的校验量程从0.3到10000psi。
（1）工作原理：
工作时，高、低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传递给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。
传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表压变送器，大气压如同施加在传感膜片的低压侧一样）。
AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。
传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。
两侧的电容极板检测传感膜片的位置。
传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流，电压或数字HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。
（2）主要技术参数：
总体性能：
±0.15%FS
精度：
±0.075%FS
绝对压力：
校验量程从0.3至10000psi
表压：
校验量程从0.3至10000psi
不锈钢与哈氏合金CR过程隔离膜片
单隔离膜片设计
灌充液：
硅油与惰性油
（3）主要特点：
①高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；
②抗冲击、耐震动、体积小、防水；
③标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；
④最具有竞争力的价格。
4.2.5PLC输入输出引脚分配
依据设计恒压系统的输入输出如下表所示：
表4.2输入输出引脚分配表
输入引脚
输出引脚
地址
名称
功能
地址
名称
功能
I0.0
SA1
系统选择自动
Q0.0
KQ1
1#水泵工频
I0.1
SA21
选1#水泵为主泵
Q0.1
KQ2
1#水泵变频
I0.2
SA22
选2#水泵为主泵
Q0.2
KQ3
2#水泵工频
I0.3
SA23
选3#水泵为主泵
Q0.3
KQ4
2#水泵变频
I0.4
FR1
1#水泵故障
Q0.4
KQ5
3#水泵工频
I0.5
FR2
2#水泵故障
Q0.5
KQ6
3#水泵变频
I0.6
FR3
3#水泵故障
Q0.6
KQ7
变频器启/停
I0.7
KA3
变频故障
Q0.7
KQ8
变频器故障复位
I1.0
SF
系统启动
Q1.0
KQ9
开真空抑制器
I1.1
SR
系统停止
Q1.1
KQ10
系统故障报警
第四章变频恒压供水控制系统研究
3.1变频恒压控制的原理
用变频器调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比其具有十分显著的节能效果，其优点是：
（1）起动平衡，起动电流可以限制在额定电流范围以内，从而避免了起动是对电网的冲击。
（2）由于泵的平均转速降低，从而可以延长水泵和阀门等的使用寿命。
（3）可以消除起动和停机时的水锤效应。
变频恒压供水系统的控制目标就是通过压力变化差值来改变水泵机组的运行状态，从而实现用户管网的出口水压跟随设定的供水水压。
变频恒压控制的原理如图3.1所示。
图3.1变频恒压控制的原理图
从恒压控制的原理图中可知，系统中当用水需求增加时，实际供水压力将低于设定压力，系统将得到正压力差，经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。
该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。
如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。
同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
3.2变频恒压供水系统方案设计
3.2.1变频恒压供水系统的组成
变频恒压供水系统主要由压力传感器、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。
系统设计的主要任务就是利用恒压控制单元使变频器控制三台水泵，实现管网水压的恒定，水泵电机的软启动以及水泵变频和工频的切换等。
3.2.2系统的控制方案的选择和论证
在恒压供水系统中有多种控制方案:
（1）变频器+压力传感器+水泵机组
这种控制系统机构简单，将PID调节器和PLC等硬件集成在变频器的供水基板上，虽然简化了系统的电路结构，降低了投资成本，但是无法自动实现不同时段的不同恒压要求。
因此仅适用于要求不高的小容量的场合。
（2）通用变频器+单片机+人机界面+压力传感器
这种控制方式控制精度高、控制算法较灵活、参数调整方便等优点。
但是却存在研发时间长，程序修改较困难等因素。
同时在运行时变频器的干扰很严重，必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性和稳定性。
所以改系统适用于特定的恒压供水领域中。
（3）变频器+PLC+人机控制界面+压力传感器
这种控制方式不仅灵活方便而且具有良好的通信接口，可以很方便的进行系统的数据交换、通用行较强。
由于PLC的模块化和系列化用户可以灵活的组成不同的规模和灵活的控制系统。
同时在硬件上只需确定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的通过PC机来实现控制程序的改变。
在抗干扰方面PLC抗干扰能力强、可靠性高，能适用于各种不同的恒压供水场合。
通过对以上的几种控制方案的分析和比较，可以看出第三种控制方案更合适于实际应用。
该控制方案既有扩展功能灵活方便、也有便于数据传输的优点，同时能达到系统稳定性及控制精度的要求。
控制方案的原理框图如图3.2所示。
图3.2控制方案的原理框图
3.3变频恒压供水系统变频控制方案
变频恒压供水系统的控制方案有多种，有一台变频器控制一台水泵的简单控制方案，也有一台变频器控制几台水泵的方案。
利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比较先进的一种方案。
本设计中系统为一台变频器控制三台水泵的方案。
变频控制方案原理图如3.5所示。
3.4系统工作原理概述
该系统具有手动和自动两种运行方式。
在手动方式时，按下按钮可以启动和停止水泵，可根据需要分别控制1号~3号水泵的启停，该方式主要是供设备的调试、自动发生故障和检修时使用。
在自动运行时，PLC采集传感器检测到的管网出口压力，与给定压力相比较，如小于给定压力，通过变频调节1号泵，使1号泵转速逐渐上升，若1号泵已达到额定转速，管网出口压力还小于给定压力，将1号泵接工频，2号泵接变频器，调节2号泵，使2号泵转速逐渐上升，若2号泵已达到额定转速，管网压力仍然小于给定压力，将2号泵接到工频，3#泵接变频器，调节3号泵，使3号泵转速逐渐上升，这就是顺序变频升速的调节过程。
反之，若此时传感器检测到的管网压力大于给定压力，调节3号泵，使3号泵转速逐渐降低，若3号泵达到最低转速，管网压力还大于给定压力，将3号泵与变频器断开。
将变频器升至50Hz，切断2号泵工频，同时2号泵接变频器，逐渐下调，若2号泵达到最低转速，管网压力仍大于给定压力，将2号泵与变频器断开，频率升至50Hz，切断1号泵工频，接变频器，逐渐向下调节，直至管网水压等于给定压力。
3.5恒压供水系统的工艺要求
本设计中对三水泵恒压供水系统的基本要求如下：
（1）在供水时要保持压力的恒定运行，系统波动小。
（2）三台水泵根据恒压需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。
（3）在用水量小的情况下，为防止一台泵连续工作运行，需要设定切换时间，当时间到则自动切换到下一台水泵，以防止水泵长时间磨损和其他水泵不用而锈死。
（4）水泵启动时具有软启动功能，同时具有报警功能。
（5）为了检修和应急应设有手动操作功能。
第五章恒压供水系统软件设计
5.1系统工作流程图
在恒压供水系统中，变频器根据压力传感器检测转换后的信号自动分析处理，将变频信号输入供水泵，觉得水泵的的运行状态。
同时在PLC的控制作用下将根据水压自动增减水泵机组的数量。
其整个工作流程图如图5.1所示。
图5.1系统流程图
第六章PLC选型
5.2PLC的程序设计流程图
图5.2程序设计流程图
PLC控制电路接线设计
西门子S7-200的CPU226型的接入电源为直流24V，适用于中小型控制系统，可扩展到248点数字量和35路模拟量，有两个RS-485通信接口，在系统中PLC的接线如图4.4所示。
图4.4PLC接线图
第七章梯形图程序
第八章指令语句表程序
5.3.1主程序
TITLE=
Network1
LDSM0.0
CALLSBR5
CALLSBR0
CALLSBR4
5.3.2子程序
TITLE=子程序注释
Network1
//工程转换
LDSM0.0
CALLSBR2,AIW0,50.0,0.0,VD0
CALLSBR2,AIW2,16.0,0.0,VD4
CALLSBR2,AIW4,16.0,0.0,VD8
CALLSBR3,VD12,16.0,0.0,AQW0
Network2
//设定值下限
LDRMOVR2.0,VD12
Network3
//设定值上限
LDR>VD12,8.5
MOVR7.0,VD12
Network4
//泵后压力报警
LDR>VD4,9.0
LDRNOT
AM1.0
OLD
=M1.0
Network5
//防真空报警
LDRLDR>VD8,0.2
NOT
AM1.1
OLD
=M1.1
Network6
LDM1.0
EU
LDM1.1
EU
OLD
LDI1.0
EU
OLD
INCWVW20
Network7
//重复故障报警
LDW>=VW20,3
=M1.3
Network8
LDW=VW20,1
OW=VW20,2
TONT101,1800
Network9
LDI0.1
MOVW+0,VW20
Network10
//泵前压力启动条件
LDR>VD8,2.0
LDRNOT
AM1.2
OLD
=M1.2
Network11
//真空动作计时
LDM1.1
EU
TOFT102,30
Network12
//真空抑制器动作
LDT102
AI0.0
=Q1.1
Network13
//运行条件
LDI0.0
AM1.2
ANM1.0
ANM1.1
ANM1.3
ANI0.5
=M0.0
Network14
//加泵条件
LDI0.6
=M0.1
Network15
//减泵条件
LDR>VD4,VD12
AI0.7
TOFT103,20
AT103
=M0.2
Network16
//加泵计时器
LDM0.0
AM0.1
ASM0.5
EU
INCWVW406
Network17
//加泵计时复位
LDM0.0
AW>=VW406,180
LDM0.0
ANM0.1
OLD
ONM0.0
MOVW+0,VW406
Network18
//加泵脉冲
LDW=VW406,60
EU
=M0.3
Network19
//减泵计时器
LDM0.0
AM0.2
ASM0.5
EU
INCWVW408
Network20
//减泵计时复位
LDM0.0
AW>=VW408,3
LDM0.0
ANM0.2
OLD
ONM0.0
MOVW+0,VW408
Network21
//减泵脉冲
LDW=VW408,+2
EU
=M0.4
Network22
//运行次数累计器
升级会员 