基于PLC控制的恒压供水系统设计.docx

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基于PLC控制的恒压供水系统设计

基于PLC控制的恒压供水系统设计

摘要

本设计根据城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC控制的变频调速恒压供水系统。

该系统由PLC、变频器、水泵机组、压力变送器等构成。

本系统利用变频器实现对三相水泵电机的变频调速，采用“先启先停”的原则切换运行水泵。

压力传感器检测水压信号，送入PLC并与设定值比较进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速和供水量。

这样使管网水压力始终保持在设定值附近，从而实现恒压供水。

关键词：

PLC；变频调速；PID控制；恒压供水

ABSTRACT

Accordingtothecitywatersupplysystem,thispaperdesignedaPLC-basedcontroloffrequencycontrolwatersupplysystem.ThesystemconsistsofPLC,inverter,waterpump,pressuresensorsandotheraccessories.

Thesystemusesfrequencyconverterthree-phasepumpmotorofthesoftstartandfrequencycontrol,anduse"firststartfirststop"principletoswitchtorunthepump.PressuresensorstodetectpressuresignalsintothePLCcomparedwiththePIDsetpointoperationandthuscontroltheinverteroutputvoltageandfrequency,therebychangingthewaterpumpmotorspeedandwatersupply.Itmakesthepipenetworkwaterpressureisalwaysmaintainedaroundthesetvalueinordertoachieveconstantpressurewatersupply.

Keywords:

PLC;frequencycontrol;PIDcontrol;constantpressurewatersupply

1绪论

1.1课题的背景及意义

城市中各类小区的供水系统是小区众多基础设施当中的一个重要组成部分。

由于传统的小区供水方式具有各自不同的缺陷，如恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，供水机组运行效率低、耗电量大，电动机硬启动易产生水锤效应等缺点，传统供水系统的工作性能直接影响到小区居民的正常生活。

另一方面，由于供水的随机性，采用传统方法供水难以保证实时，水泵的选择往往是由最大供水确定，而最高水位时间短，使泵在一段很长的时期有大幅度的，不仅泵效低，水压不稳定，造成了浪费大量电力，远远不能满足生活和生产需要。

随着电力电子技术和计算机技术的发展，变频调速供水系统由于成本低，施工简便，节能效果显着，自动化控制，无二次污染，已被越来越广泛的应用。

PLC性能稳定，成本低，功能强大，编程方便的特点，采用变频控制技术相结合，设计了基于可编程控制器的变频调速供水系统。

该设计以最小的投资体制，实现了多功能供水系统要求。

在提倡节能减排的今天，具有很好的经济和社会意义。

1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状

从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水系统在设计时都采用一台变频器只带一台水泵的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵的情况，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提高，国外厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，日本Samc公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”和“变频泵循环方式”两种模式。

它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作。

虽然这些设备采用微型电路结构，降低设备成本，但缺乏灵活性输出接口，系统的动态性能和稳定性不高，和其他监测系统和组态软件是很难实现数据通信，带负荷能力的限制，所以在实际使用的范围将是有限的。

目前国内公司在做恒压供水系统，但变频控制大部分是用国外的技术，系统的动态性能、稳定性能、抗扰性等多方面的技术，还没能达到用户的要求。

由此可以看出，国内和国际研究变频调速恒压供水系统中，在与现代控制技术，网络和通信技术系统相结合，闭环压力控制方面做的是不够的。

因此，需进一步研究，以提高恒压供水系统的性能，使其能更好地应用于生活和生产实践。

1.3本课题主要研究内容

本课题从实际应用出发，针对一般系统中存在的几个缺陷，设计出了基于PLC的变频调速恒压供水系统，具有以下优点：

（l）系统具有较高的恒压精度。

（2）系统能长时间稳定可靠运行。

（3）有友好的用户操作界面。

2恒压供水系统总体方案设计

2.1系统的主要结构及组成

本设计中，系统的控制机构由PLC和通用变频器构成，系统的整体结构如图2-1所示。

可以看出，水泵拖动机组﹑供水管道﹑水泵机组的控制单元以及信号检测环节构成生活小区的供水系统。

图2-1中，液位检测机构把测量的水箱水位信号送入到变频控制柜，经过PLC程序的运算处理，输出运行与停止控制信号，控制水泵启动与停止工况的转换。

图2-1生活小区公示系统示意图

2.2PLC概述及其系统组成

PLC是一种数字运算操作的电子系统，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，逻辑运算，顺序控制，定时可编程记忆，计数等面向用户的指令，通过数字输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器和外部设备和工业控制系统轻松地联成一个整体，以扩大其功能设计的原则。

如图2-2所示为可编程控制器的结构。

图2-2可编程控制器的基本结构。

PLC有着其它工业控制设备难具备的优点:

高可靠性，丰富的I/O接口模块，采用模块化结构，编程方便，易于使用。

2.3变频器简介及选型

2.3.1变频器简介

交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。

微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。

我们知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50Hz。

而交流电动机的同步转速

式中---同步转速，r/min；---定子频率，Hz；---电机的磁极对数。

而异步电动机转速。

式中---异步电机转差率，，一般小于3%，均与送入电机的电流频率成正比例。

因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。

2.3.2变频器的基本结构

依据频率变换的形式来分，变频器分为交-交和交-直-交两种形式。

交-交变频器将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。

而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。

然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电．又称间接式变频器。

市售通用变频器多是交-直-交变频器，其基本结构图如图2-3所示，

图2-3交-直-交变频器的基本结构

它由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下：

（1）整流器。

电网侧的变流器是整流器，其作用是把三相（可以是单相）交流整流成直流。

（2）直流中间电路。

直流中间电路的作用是平滑输出电流，以确保逆变电路和控制电源得到高品质的直流电。

由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载。

所以其功率因数总不会为1。

因此，中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换。

（3）逆变器。

负载侧的变流器为逆变器。

逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。

逆变电路的输出就是变频器的输出。

（4）控制电路。

变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、栅极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。

其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。

一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。

直流中间电路的储能元件在整电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。

逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。

有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。

图2--4为电流型变频器主电路基本结构示意图。

图2-4电压型变频器和电流型变频器主电路基本结构

（a）电压型变频器主电路；（b）电流型变频器主电路

3系统硬件选择及系统电路设计

根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3-1所示：

图3-1系统的电气控制总框图

由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：

（1）PLC及其扩展模块、

（2）变频器、（3）水泵机组、（4）压力变送器、（5）液位变送器。

主要设备选型如表3.1所示：

表3-1本系统主要硬件设备清单

主要设备

型号及其生产厂家

可编程控制器（PLC）

SiemensCPU226

模拟量扩展模块

SiemensEM235

变频器

SiemensMM440

水泵机组

SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限公司）

压力变送器及显示仪表

普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪

液位变送器

分体式液位变送器DS26

3.1硬件选择

3.1.1PLC及其扩展模块的选型

PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。

因此在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力等多方面因素。

由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用SIEMENS公司的S7-200型。

S7-200型PLC具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统；又具有可靠性高，可扩展性好，有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点。

根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入为24点，输入形式为+24V直流输入。

由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入（AIW），1个模拟输出（AQW）信号通道。

输入和输出信号，可自动完成A/D转换，标准输入信号可以转换成一个字数字信号，输出信号则可以自动完成端口的D/A转换，一个字的数字信号转换成标准的输出信号。

EM235模块由DIP设置不同的标准，切换输入信号。

3.1.2变频器的选型

变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。

变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。

由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，选择西门子的MicroMaster440变频器。

它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。

它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-4