基于PLC的恒压供水系统.docx
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基于PLC的恒压供水系统
摘要
建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。
由于传统供水方式的缺陷，在节能、系统的高效运行、以及简便控制上有很大的改进空间。
依此本文设计了一套基于PLC控制的恒压供水系统。
本设计恒压变频供水设备由PLC、变频器、压力变送器、和水泵等组成。
通过PLC、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态,使用工频水泵的分级调节和变频水泵的连续调节实现管网的恒压变流量供水要求。
设备运行时,压力传感器将管网水压信号变换成电信号送入PLC,经过PID调节器的控制作用，自动调整水泵机组高效率地运行。
本文着重详细介绍了系统工作流程图、程序设计流程图及设计程序。
并给出了系统的硬件结构。
关键词 恒压供水，PLC，变频器
摘要ii
第1章绪论-1-
1.1课题背景-1-
1.2几种传统供水方式的比较-1-
1.3变频恒压供水系统的国内外发展现状-2-
1.4本文的主要研究内容-3-
第2章变频恒压供水系统的基本原理-4-
2.1恒压供水系统的基本原理-4-
2.2变频调速原理-4-
第3章恒压供水系统的总体设计-6-
3.1恒压供水系统总体组成-6-
3.2泵水方式选择-7-
第3章恒压供水系统硬件电路设计-9-
4.1主电路设计-9-
4.2控制电路设计-10-
4.3硬件选型-12-
4.3.1PLC的选型-12-
4.3.2水泵的选型-15-
4.3.3变频器的选型-15-
4.3.4压力变送器和数显仪的选型-16-
第5章恒压供水系统的程序设计-17-
5.1程序设计总体思路-17-
5.2程序设计的具体阐述-17-
5.2.1开关信息综合及手动程序设计-17-
5.2.2自动程序设计-19-
5.2.3报警程序设计-28-
心得体会-30-
参考文献-31-
第1章绪论
1.1课题背景
我们知道，大楼启用最基本的条件就是要有供水系统。
自来水厂通过城市输、配水管供水，水压一般在2kg/cm2左右，夜间可达2．5－2．7kg/cm2，所以五层以下住户直接使用市政管网正常用水是没有问题的。
但目前城市除了建普通建筑以外，还要建次高层建筑和高层建筑。
相比之下，次高层建筑（特别是住宅）和高层建筑容积率高，经济效益大，更得到市场的青睐。
而这类建筑的供水就涉及到供水难的问题。
与此同时我国是一个发展中国家，比之发达国家，我国在这方面的水电浪费现象是十分惊人的。
因此，提高我国供电供水系统的科技水平就成为了一个十分重要的课题。
1.2几种传统供水方式的比较
生活给水设备，一般地说，可以分为两种基本形式，称之为匹配式与非匹配式，其中非匹配式中包含了本论文着重研究的恒压供水系统。
非匹配式供水设备的特点是水泵的供水量，总大于系统的用水量。
需配置蓄水设备，如水塔、高位水箱等，以便将多余的水或全部的水暂时蓄存起来。
当蓄存的水，达到高水位时，水泵停止运转。
这时，由蓄水器向用水系统供水。
当蓄水器中的水被用到低水位时，水泵再次启动向蓄水设备供水。
早期匹配式供水设备的特点是水泵的供水量随着用水量的变化而变化，没有多余的水量，不设置高位水箱等蓄水设备。
早期的水泵直供式给水系统，就是一种原始的匹配式供水设备。
带变频器的匹配式供水设备：
近几年来，由于电子技术及计算机控制的迅速发展变频调速装置的应用越来越广泛。
变频调速装置开始在工业和民用的供水系统中得到了应用。
通过改变水泵电机的供电频率、调节水泵的转速，采用计算机自动控制水泵的供水压力，以保证在用水量变化时，供水量随之变化，从而维持供水系统的压力不变，实现了供水量与用水量的相互匹配。
下面仅就以上的内容作简要梗概及优劣比较：
1、非匹配式（水池－水泵－水塔（高位水箱）－用水点）
2、早期匹配式（水池-水泵-用水点）
3、匹配式且带变频调速装置（水池－水泵（恒压变频）－管网系统－用水点）
第一种方式采用传统的水塔、高位水箱，楼底水泵将蓄水池的用水打到楼顶水箱，楼顶水箱中的水在利用自身的重力压到用水管道。
这是一个很简单的供水模式，它最主要的问题就在于水泵工作时间的控制上面了，刚开始时，专门安排专职人员开关水泵，没水了开泵，水满出来了就关泵。
这样做不仅麻烦，还浪费了人力，而且高位水塔的清洗也成问题。
第二种方式水泵直供式系统，由于水泵的速度不能调节，水压随用水量的变化而急剧变化。
当用水量很小时，水压很高，供水效率很低，既不节能，又使系统的水压不稳定。
第三种方式采用变频恒压供水是较为理想和先进的。
首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。
各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样，各台水泵寿命均等。
而且，一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。
还可减少屋顶水箱的二次污染和保证顶层的供水压力（用热水器压力也没问题）。
它的不足是必须电源可靠，否则停电即停水，给生活带来不便。
1.3变频恒压供水系统的国内外发展现状
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、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，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。
从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。
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。
目前国内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。
可以看出，目前在国内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、网络和通讯技术等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。
1.4本文的主要研究内容
1、变频恒压供水系统的基本原理
2、恒压供水系统总体方案设计
3、恒压供水系统硬件电路设计
4、恒压供水系统的控制程序设计
第2章变频恒压供水系统的基本原理
2.1恒压供水系统的基本原理
对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量（Q）的需求。
所以，流量是系统的基本控制对象。
但是，流量的大小取决于扬程，扬程难以进行具体测量和控制。
考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关：
供水能力QG>用水需求QU，则压力上升；
供水能力QG<用水需求QU，则压力下降；
供水能力QG=用水需求QU，则压力不变。
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾反映在流体压力的变化上。
因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。
即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。
而流量的控制可通过控制水泵的转速来实现。
众所周知，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。
即
其中。
P为水泵消耗功率；n为水泵运行时的转速；k为比例系数。
而水泵设计是按工频运行时设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，由于控制系统采用了变频技术，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。
实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%-40%。
2.2变频调速原理
这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。
最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）。
在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通基本不变，其关系为
其中，
——变频器输出电压，
——变频器输出频率。
变频调速方式时，电动机的机械特性表达式
式中
——电机相数；
——定子电阻；
——定子漏电抗；
——转子漏电抗折算值。
变频调速过程的特点：
静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。
电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。
因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果。
第3章恒压供水系统的总体设计
3.1恒压供水系统总体组成
首先，本文给出恒压供水系统的总体结构示意图：
图1供水系统总体结构图
由此得到恒压供水系统的粗略构造示意图：
图2供水系统粗略示意图
因为系统的控制目标是泵站总管的出水压力，所以将系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而可以使给水总管压力稳定在设定的压力值上。
系统的控制框图如图2-1所示。
依此我们得到设计思路：
（1）主电路：
通过接触器、断路器等电气设备为主水泵及辅助泵提供工频和变频电源。
（2）电气控制电路：
实现主电路的继电控制，实现手动或自动控制的切换。
（3）变频控制电路：
根据压力设定及压力传感器的压力检测信号，由变频器输出变频电源；为PLC提供变频器启动频率、输出最高频率信号；当变频器输出上下限频率，以及水压过压及欠压时输出信号；并能实现PID调节控制。
（4）PLC控制系统：
包括硬件线路和软件控制程序，完成对恒压供水系统压力设定、水泵工作状态控制、信号指示及报警等。
3.2泵水方式选择
由于用水流量的变化性特点，系统采用多台水泵并联运行的方式，可以根据用水量的大小自动选择投入运行的水泵台数。
在全流量的范围内实行变频泵的连续调节与工频泵的分级调节相结合，使管网压力始终维持在某一恒值即设定值。
多台水泵并联的泵水方式其好处是多方面的。
首先是节能，由于根据用水流量选择并联运行水泵的台数，所以每台水泵都可以以较高的效率运行，具有长远的经济性。
其次，系统的供水可靠性好，当一台水泵发生故障时，由于有其他水泵的备用，一般不会太多地影响供水质量。
另外，由于多台水泵结构相对于单台水泵结构水泵的容量较小，因此水泵的维修与更换也更方便，小容量水泵的起动电流也相对较小，对电源容量的要求降低。
为了在供水流量很小时进一步减小功耗，本设计采用一台小容量的辅助泵来维持供水。
有的系统也采用多台辅助泵，一台变速泵构成供水系统（非本文的设计）以下是图片例举：
图3供水系统例举
第3章恒压供水系统硬件电路设计
4.1主电路设计
如下是本文的主电路设计：
图4系统主电路图
图4中，M1、M2为两台主水泵，M3为辅助泵。
两台大容量的主水泵（1#,2#）根据供水状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，交流接触器KM1—KM4控制两台主水泵的工频或变频运行。
辅助泵只运行在工频状态，交流接触器KM0控制辅助泵的工频运行。
FR1,FR2，FR3,FR4为变频器及水泵M1,M2,M3过载保护的热继电器，QF1，QF2，QF3，QF4，QF5分别为变频器，三台泵以及电路母线的工频运行空气开关。
变频器的主电路输出端子（U,V,W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子（U,V,W）的相序，否则无法工作。
变频器和电动机之间的配线长度应控制在100m以内。
在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键来操作。
4.2控制电路设计
1、在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。
2、控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。
主要体现在以下方面：
1 变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。
因此，在控制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行作了互锁设计；
2 另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。
以上的互锁环节不仅要在编程中体现，也应在硬件上实现。
3、控制电路中还考虑了水泵的当前工作状态指示的设计，为了节省PLC的输出端口，以不至于过多地加大程序设计的工作量和程序长度，在控制电路中采用了PLC输出端子的中间继电器的响应常开触点的断开和闭合来控制相应水泵的指示灯点亮和熄灭，以指示供水系统当前的工作状态。
4、控制电路中还一并设计了手动/自动转换控制电路。
下图是本文所设计的PLC的硬件接线图：
（其I/O口含义见下一章节———4.3.1PLC的选型）
图5PLC硬件接线图
4.3硬件选型
4.3.1PLC的选型
PLC是变频恒压供水系统的核心部分，担任着处理各项自动变频控制指令的重要作用。
通过分析可以得到，恒压供水系统的输入信号需要23点，输出信号需要9点，因此可以选择三菱FX2N-48MR。
FX2N系列属于高性能叠装式机型，是三菱公司的典型产品。
以下是本文的PLC的输入输出端口分配，见表1，表2。
表1PLC的输入端口分配
现场器件与接线端子
I/O地址
功能备注
输入
变频器端子
X0
变频器输出频率极限（f上）
变频器端子
X1
变频器输出频率极限（f下）
远传压力表压力上限接点
X2
压力上限到达信号（P过）
远传压力表压力下限接点
X3
压力上限到达信号（P欠）
控制面板按钮SB1
X4
全自动按钮信号
控制面板按钮SB2
X5
手动按钮信号
控制面板按钮SB3
X6
总停止按钮
FR1常开触点
X7
1#泵过载
FR2常开触点
X10
2#过载
FR3常开触点
X11
3#过载
控制面板按钮SB12
X12
变频器启动
控制面板按钮SB4
X13
1#手动开（辅助泵）
控制面板按钮SB5
X14
2#手动开
控制面板按钮SB6
X15
3#手动开
X16
未用
控制面板按钮SB7
X17
1#手动关
控制面板按钮SB8
X20
2#手动关
控制面板按钮SB9
X21
3#手动关
X22
未用
控制面板按钮SB10
X23
报警灯测试按钮
控制面板按钮SB11
X24
报警响应按钮
水池缺水信号
X25
不能手动，不能自动
变频器故障信号端子
X26
不能自动
X27
未用
表2PLC的输出端口分配
输出
接线端子
I/O地址
功能备注
KM0线圈及相应指示灯
Y0
1#电机工频运行控制和指示
KM1线圈及相应指示灯
Y1
2#电机工频运行控制和指示
KM2线圈及相应指示灯
Y2
2#电机变频运行控制和指示
KM3线圈及相应指示灯
Y3
3#电机工频运行控制和指示
KM4线圈及相应指示灯
Y4
3#电机变频运行控制和指示
KM6线圈
Y7
变频器自由停车
报警灯
Y10
报警灯指示
蜂鸣器
Y11
告知值班人员
KM5线圈及相应指示灯
Y12
实现变频运行/停止
自动模式指示灯
Y15
自动模式指示
手动模式指示灯
Y17
手动模式指示
其他
未用
4.3.2水泵的选型
根据系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计流量和设计供水压力（水泵扬程），考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用2台主水泵机组和1台辅助泵机组，通过水泵之间的不同工作状态组合来应对不同用水量的供水要求。
各个水泵的型号及参数见表3。
表3水泵型号及参数
水泵类型
用水量
/（
）
扬程/
水泵型号
电动机功率/kw
配用变频器/kw
主水泵
36
2
100
65LG50-20
5
22
22
辅助泵
24
1
100
50LG24-20
5
11
11
4.3.3变频器的选型
根据控制功能不同，通用变频器分为三种类型。
普通功能型u/f控制变频器，具有转矩控制功的高功能型u/f控制变频器，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。
综合以上因素，系统选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型u/f控制方式的森兰变频器，型号BT12S22KWI,变频器内置PID控制模块，可用于闭环控制系统，实现恒压供水。
其主要参数及性能介绍如下：
额定容量：
30KVA；额定电压：
380V；额定电流：
45A；额定过载电流：
额定电流的120%，1分钟。
配用制动电阻：
30Ω。
4.3.4压力变送器和数显仪的选型
压力传感器和压力变送器是将水管中的压力信号变成模拟量信号，作为模拟输入模块（A/D模块）的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，可以选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。
压力表测量范围0-1MPa，精度1.5；数显仪输出一路4-20mA电流信号，送给变频器作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上下、限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。
第5章恒压供水系统的程序设计
5.1程序设计总体思路
本程序以实现正常工作状态下，供水系统能保证恒压供水；且在故障、过载等情况下能够实现对系统的及时切断或者采取一些保护措施，从而保证了设备的安全；同时也应具备一些应急措施，从而保证供水系统的可靠性，不至于过长时间的停水。
基于以上的目的，本程序设计了全自动的程序功能，手动的功能，以及故障报警的功能。
同时，在系统出现故障的时候能够及时采取一些保护措施，以保证设备的运行安全。
本程序的总体设计思路如下：
第一步，由于有较多的开关，以及较多的故障形式均决定系统是否应该继续运行。
故而，首先对开关信息进行了综合。
并将最终的结果以两个辅助触点的结果给出——m0得电，系统进入自动模式，执行自动程序；m1得点。
系统进入手动模式，执行手动程序。
第二步，进行了手动程序的设计，本部分程序较为简单。
第三步，进行了自动程序的设计。
这是本程序中设计逻辑最复杂的部分，接下来将进行阐述。
第四步，进行了故障报警程序的设计，本部分主要借鉴了《PLC电气控制技术》（第二版，漆汉宏主编）中的报警器设计思路，以下也将介绍。
以上即本程序的总体思路。
5.2程序设计的具体阐述
5.2.1开关信息综合及手动程序设计
开关信息主要考虑了按钮状态，电机过载，水池缺水，变频器故障，等其他故障信息并将其进行了综合。
以下是程序实图：
图6开关信息综合
图7手动程序设计
5.2.2自动程序设计
1.首先进行自动变频运行的状态分析
启动自动变频运行方式时，首先起动辅助泵（1号）工频运行供水。
当用户用水量变大，此时凭借辅助泵的最大供水能力已经无法维持管道内水压，PLC通过变频器启动2号主水泵供水，同时关闭辅助泵的运行。
在2号主水泵供水过程中，变频器根据水压的变化通过内置的PID调节器调整2号主水泵的转速来控制流量，维持水压。
若用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率时，仍达不到设定压力，由PLC给出控制信号，将2号主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对3号主水泵启动。
系统工作于2号工频、3号变频的两台水泵并联运行的供水状态。
整个加泵过程中，总是使原来工作于变频运行状态的水泵转入工频恒速运行，新开泵运行在变频状态，保证只有一台水泵运行在变频状态。
当用水量减少时，变频器通过PID调节器降低水泵转速来维持水压。
若变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高，按“时长先停”的原则，即长时间工作的水泵先关闭。
由PLC给出控制信号，将当前供水状态中工作时间最长的的水泵关闭，同时PID调节器将根据新的水压偏差自动升高变频器输出频率，加大供水量，维持水压。
当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量减少，变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高时，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水。
在增泵减泵的过程中，应考虑到系统的安全性设置一定的延时。
这在下面的状态转换时会分析。
2.其次是工作状态的归纳与转换
根据上面对恒压供水系统自动变频运行时的状态分析，可以归纳出系统的各个工作状态。
根据用水量的等级（从1到3用水量不断增大），可以得到系统的状态如表4及图8所示：
表4系统的供水状态归纳
用水量等级
状态编号
具体工作状态描述
工频泵号
变频主泵号
停机主泵号
1
S0
1#
2
S20
2#
1#3#
S21
3#
1#2#
3
S22
2#
3#
1#
S23
3#
2#
1#
图8恒压供水系统的状态转移图
3.再而是工作状态的转换条件
当用水量级别由1级增加到2级是（由状态S0切换到S20或S21时应满足当下情况）：
内置在变频器的PID调节器输出欠水压信号。
而切换到S20还是S21状态则取决于水泵的运行时长，这是出于使2#，3#水泵的运行时长尽量保持一致，从而有利于后期的维修周期尽量延长的。
当用水量进一步增加到下一级别3时，要考虑两种情况：
首先是系统工作在状态S20的时候，若变频器输出频率上限，内置在变频器的PID调节器输出欠水压信号，则系统切换到S22的状态；系统工作在状态S21的时候，若变频器输出频率上限，内置在变频器的PID调节器输出欠水压信号，则系统切换到S23的状态。
当用水量减少，由级别3降到级别2时，要考虑两种情况：
首先是系统工作在状态S22的时候，若变频器输出频率下限，内置在变频器的PID调节器输出过水压信号，则系统切换到S21的状态；系统工作在状态S23的时候，若变频器输出频率下限，内置在变频器的PID调节器输出过水压信号，则系统切换到S20的状态。
当用水量继续减少，由级别2降到级别1时，此时变频器输出频率下限，内置在变频器的PID调节器输出过水压信号，则系统由状态S20或S21均切换到状态S0。
综上，我们假设各个状态间切换的条件如下：
S0——S20：
M50
S0——S21：
M51
S20——S22：
M52
S21——S23：
M53
S22——S21：
M54
S23——S20：
M55
S20——S0：
M56
S21——S0：
M57
那么，如何保持两台主水泵的运行时长尽量保持一致呢？
本文是如此考虑的。
在一个供水周期内，假设为2.4小时（基于生活用水的周期在24小时左右的考虑，本文缩小10倍），当2#或3#水泵工作时，我们为它们分别计时，并在一供水周期到达后清零。
则每次由状态S0切换到S20或S21的时候我们在切换条件中总是考虑进两台水泵的工作时长即可。
而后续的状态切换只需满足“先
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