恒压供水系统方案设计书69285.docx
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恒压供水系统方案设计书69285
第一章绪论
1.1引言
由于生活用水过程中存在不同时间段用水量不均现象。
如果不对供水量进行调节,管网压力的波动也会很大,容易出现管网失压或爆管事故,同时也浪费了大量能源。
为了节约电能,又能保证正常用水,供水部门也采取了不少措施。
近几年最为常用的变频恒压供水系统能根据压力变化情况及时调整电机转速,将供水压力控制在一定范围之内，既满足了变化的用水需求，也起到了节能降耗的目的。
恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。
恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，恒压供水对水泵、电机也起到了很好的保护作用和有效地节约了电能的消耗。
结合使用可编程控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，延长了设备的使用寿命。
但是，变频恒压供水系统存在如下不足：
（1）由于供水系统出口压力与实际用水需求存在较大的滞后性，供水系统存在较大的周期性压力波动。
（2）变频范围只有在离心泵的特性曲线最佳工作范围内，也就是下调频率10%～30%才能显示出其最大的节能效益，如再往下调频率，就会出现水泵运转而不出水的工况，即超出了离心泵的极限工作范围。
（3）在深夜用水量很小的时候，水泵在变频器控制下较长时间内低频（速）运转对水泵机械工况不利，同时耗能增加，约为额定功率的25%。
针对上述问题，以PLC为核心，采用模糊控制技术和压力补偿策略实现的变频恒压供水控制系统较好地解决了上述问题。
1.2楼宇供水系统的控制要求
变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。
采用PLC作为控制器，硬件结构简单，成本低，系统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。
设计可编程控制器程序实现对恒压供水系统的控制有两个基本要本要求。
1.2.1水泵的启停
根据主管道给出的压力信号决定水泵的启停，当压力低于正常压力时启动一个水泵，10S后仍低，则启动下一台；当压力高于正常压力时，切断一台水泵，10S后高压信号仍存在，切断下一台。
每台泵在启动时要有软启动功能。
1.2.2水泵启停切换原则
恒压供水系统主要是由几个水泵完成对主管道供水压力的维持，考虑到电机的保护，要求几台水泵的运行时间和频率尽可能一致。
也就是说，需要接通时，首先启动停止时间最长的那台，而需要切断时则先停止运转时间最长的那台。
对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
按照实际需要，还可以确定恒压供水系统主要控制要求如下：
系统控制生活和消防水管网供水。
生活用水泵组也可做消防供水的备用，消防泵组也可参与生活泵组的交替使用。
系统能根据设定压力自动调节水泵转速和水泵运行台数，使设备运行在高效节能的最佳状态。
系统应采用闭环控制能自动调节设定压力和管网实际水压的差值，使管网供水压力始终保持恒定。
系统具有短路、过流、过压、过热、过载等多种保护。
水泵运行如有故障，则自动停止工作并报警输出，然后进行故障判断并自动启动备用泵等。
采用各种措施尽可能使系统在安全运行的情况下达到节能的目的。
1.3楼宇供水系统的工作原理
1.3.1楼宇供水系统的构成
本文的供水系统可适用于生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水。
以两台水泵组成的供水系统为例，变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、变频器、人机界面、上位连接以及报警装置等部分组成。
其工作过程：
首先检测给水池液位保护开关是否动作，否则直接由变频器启动第一台水泵；同时由远传压力表测出出水口管路水压，将模拟量送到控制器，与给定水压值（设定上下限）比较后，控制变频器输出频率，调节水泵转速。
当变频器频率到达最大或最小时，由控制增加水泵或减少水泵来实现恒压供水，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统。
通常，在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量少时少开一台或两台。
在采用变频器进行恒压供水时，就存在着所有的水泵配用一台变频器还是每台水泵配用一台变频器的问题。
这两种方案哪一种更好呢？
本文提出了用一台变频器控制多台电机的方案，既节约了投资，又达到了恒压供水的目的。
供水系统由主供水回路、泵房组成，其中泵房装有2台泵。
另外，还有多个电动闸阀或控制设备。
系统需要供水量比较少时就开一台水泵向管网充压，供水量大时开2台泵机同时向管网充压。
要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元件。
采用以PLC控制的方式来实现对两台泵切换及工频变频的切换控制。
用变频器实现电动机的调速运行。
恒压供水系统主要由上位机、PLC、一台变频器、压力变送器、电机（M1和M2）、水泵组和气压罐组成，其中上位机、PLC和变频器组成系统的核心，自动控制给水泵的投入台数和电机的转数，实现闭环自动调节恒压供水。
两台变频器均具有内置PID，可消除控制参量的静态误差、突变、滞后等现象，缩短系统稳定的时间。
楼宇供水系统的构成原理图如图1.1所示。
图1.1楼宇供水系统的构成原理图
1.4楼宇供水系统的工作原理
考虑整个供水系统由2台水泵组成，分成生活泵组和消防泵组，生活泵组主要用于生活管网供水，消防泵组用于消防状态下的消防用水补给（同时生活泵组的恒速泵也作为消防泵组的恒速泵的备用），生活泵组和消防泵组定时倒换，并互相备用。
因此消防和生活供水便成为既独立又互相联系的两个系统（每套系统由一台变速泵和一台恒速泵组成，同时生活泵组的恒速泵可作为消防泵的备用），被控量为消防和生活供水管网的压力信号。
一般情况下由上位PC机给定生活管网压力，然后与压力传感器所测管网实际压力进行比较，将差值送入变频器内置PID进行运算，用结果控制变频器的频率输出，当管网压力低于给定值时，PID正向积分控制变频器输出，频率增加，水泵加速，管网压力将不断增大直到趋于设定值。
反之，当管网压力高于给定值时，PID反向积分，变频器输出频率降低，水泵减速，管网压力将不断减小。
当管网压力等于设定值时，变频器频率保持恒定，管网水压也基本恒定。
当用水量过大时，调速全速运行也不能满足管网压力恒定，压力的下限信号和变频器的工频信号同时被系统检测到时，PLC将自动投入一台恒速泵，增加一供水固定值，仍由调速泵调至恒压。
变频器的输出频率在0～50Hz之间变化，频率越高，水泵的出口压力越大。
调节变频器的输出频率，就可以改变水泵的输出能力。
我们采用的是差动式压力传感器，安装在水泵的出水管道上，用于水压的闭环控制。
同时启动必须为变频启动，以保证较小的启动电流和较大的启动转矩。
压力信号通过PID调节器驱动变频器，然后通过报警表的限值输出控制PLC切换泵的运行状态。
加上启动信号后，首先1#号泵变频启动，延时10S后（延时目的使压力稳定下来），如压力信号为正常值则保持变频运行；如压力信号为下限则1#号切换工频，同时延时1S后（延时目的使开关熄弧，防止短路）把2号投入变频运行；如果运行一段时间水压较低（正常值的低值），则把2号也切换为工频运行，以保证供水压力；如达到较高压力（正常值的高值）则把其中一台切换为变频运行，另一台工频运行；如达到上限值则切除工频，保持变频运行。
若仍为上限值则1、2号泵停机。
若恢复到正常值则按流程图的正常值条件运行。
根据上面的对于供水系统的分析，首先由上位机给定压力值，然后系统按控制过程通过变频器和PLC的控制迅速使消防管网压力到达设定值附近。
基于PLC和变频器的恒压供水控制系统工作原理图如图1.2所示。
图1.2恒压供水控制系统工作原理图
1.5系统主要特点
为了避免启动时的冲击电流，电机采用变频启动方式，从变频器的输出得到逐渐上升的频率和电压。
启动前变频器要复位。
根据供水管网流量、压力变化自动控制变频器输出频率，从而调节电动机和水泵的转速，实现恒压供水。
如设备的输出电压和频率上升到工频仍不能满足供水要求时，PLC发出指令1号泵自动切换到工频电源运行，待1号泵完全退出变频运行，对变频器复位后，2号水泵投入变频运行。
根据恒压的需要，采取无主次切换，即“先开先停”的原则接入和退出。
在PLC的程序中，通过设置工频水泵的台数，由给定频率是否达到上限频率或下限频率来判断增加水泵或减少水泵。
为了避免一台水泵长期工作，任一水泵最好不要连续变频运行超过3小时。
这个系统还能对水位下限，变频器、PLC故障等报警。
当PLC发生故障时，系统从自动转入手动方式。
系统正常运行时，用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，传输至PLC，与用户设定的压力值进行比较，将结果转换为频率调节信号和水泵启动台数信号分别送至变频器和可编程控制器。
变频器调节水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速，PLC控制水泵的运转。
通过对水泵的启动和停止台数及其中变频泵转速的调节，将用户管网中的水压恒定于用户预先设计的压力值，达到变频恒压供水的目的。
该恒压供水系统的各部分主要特点与功能：
（1）操作台：
实现系统操作控制及参数的设定与显示。
（2）可编程序控制器：
操作控制信号的输入，以及PLC的控制输出，实现对两台变频器的切换及调速控制。
（3）变频器：
有手动、自动调速功能。
第二章恒压供水控制硬件系统的设计
2.1PLC的特点
恒压供水保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。
PLC有以下特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠程度是使用机械触点的接触器—继电器系统所无法比拟的。
为了保证PLC在恶劣的工业环境下可靠工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施来提高它的可靠性。
（2）编程简单易学
PLC采用与接触器—继电器控制线路图非常接近的梯形图作为编程语言，它既有继电器电路清晰直观的特点，又充分考虑到电气工人和技术人员的读图习惯；对使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识，因此，易学易懂，程序改变时也容易修改。
（3）功能完善，适应性强
目前PLC产品已经标准化、系列化和模块化，不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有A/D、D/A转换、算术运算及数据处理、通信联网和生产过程监控等功能。
它能根据实际需要，方便灵活地组装成大小各异、功能不一的控制系统：
既可控制一台单机、一条生产线，又可以控制一个机群、多条生产线；既可以现场控制，又可以远程控制。
（4）使用简单，调试维修方便
PLC的接线及其方便，只需将产生输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC的输入端子连接，将接收输出信号的被控设备（如接触器、电磁阀等）与PLC的输出端子连接，仅用螺丝刀即可完成全部接线工作。
PLC的用户程序可在实验室模拟调试，输入信号用开关来模拟，输出信号可以用PLC的发光二极管来模拟。
调试后再将PLC在现场安装通调。
调试工作工作量要比接触器—继电器控制系统少得多。
（5）体积小、质量小、功耗低
由于PLC采用半导体大规模集成电路，因此整个产品结构紧凑、体积小、质量小、功耗低，所以，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。
2.2PLC的硬件系统
PLC是一种以微处理器为核心和工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。
因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，它们相辅相成，缺一不可。
没有软件的PLC系统称为裸机系统，不起任何作用。
反之，如果没有硬件系统，软件系统也失去了基本的外部条件，程序根本无法运行。
PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）部件、电源部件、编程器、其他外部设备、I/O扩展单元组成。
2.3恒压供水控制系统PLC的选择和功能
恒压供水控制系统中可编程控制器选用德国SIEMENS公司的S7-200系列PLC,S7-200具有丰富的指令系统和基于WINDOWS的编程工具,很方便程序编制和现场调试。
可编程控制器在此实现以下功能:
（1）自动/手动工作方式
采用状态转换开关可选择自动工作、手动调整两种工作方式，便于调试和检修，并可在出现故障时切换到手动控制方式，保证连续供水。
（2）自动检测和调速
在PLC通电后,系统会自动检测管网实际压力值，根据设定值和测量值的差值，配合变频器对投入水泵台数以及调速泵频率进行自动处理。
（3）监视运行状态
PLC各输出有发光二极管显示，可清楚地看出其动作过程，判别系统动作的正确性，同时若系统出现故障时也可作为故障判别的依据。
（4）通讯功能
PLC通过PPI传输电缆实现与上位机的通讯，实现对系统的监控和参数的读取等。
（5）故障检测与报警
PLC可以实现变频器故障检测与报警、超压检测与报警等功能。
超压报警是指在特殊情况下（如压力传感器失灵等）出现，当实测压力大大超过设定水压时，PLC则发出报警信号，通知操作人员处理。
（6）保护功能
PLC能实现多种保护功能，如过热和过流、电源欠压和过压、短路、瞬间断电、过载等保护功能，对启动和运行过程中出现的各种故障均能给出相应的状态指示和报警信号。
2.4恒压供水控制系统设计要点
2.4.1变频器的容量
一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。
当一台变频器同时控制两台电机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。
但如果在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水的供水量相差很多，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的余量。
2.4.2电动机的保护
虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。
但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可能略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。
因此，电动机的热保护是必要的。
对于这种由于频繁地开、升降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。
2.4.2注意问题
最高频率：
应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率，一般为50HZ。
升降速时间：
在采用PID调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。
如变频器本身具有PID调节功能时，只要在预置时设定PID功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。
2.5PLC控制系统设计与调试的一般步骤
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循一些基本方法和步骤，PLC系统设计的一般方法和步骤如图2.1所示。
图2.1PLC控制系统设计的基本步骤图
2.6变频调速恒压供水系统功能说明
2.6.1控制对象
对于电机的调速方面，由于大多数水泵采用交流异步电动机拖动，其转速为
（2.1）
式中，n为转速；p为电动机的磁极对数；f为电源频率；s为转差率。
变级调速，通过改变电机的极对数，即改变定子绕组的接线方法而改变极对数，可改变电动机的转速；变频调速则是将电网中的交流电通过变频器转换为电压和频率均可变的交流电之后，供给电动机，使电机的转速可调。
传统的供水系统采用接触器等机械构件来完成通、断电，所有的控制全部依靠人工来进行操作，对于管网的压力和水位的变化很难做出及时和适当的反应，因此采用PLC控制变频器，并对反馈回来的信号进行运算，控制电动机的转速实现恒压供水。
2.6.2变频调速系统工作过程
变频调速系统的主要任务是在不同的水管压力下，对电动机的转速进行控制，增加或减少水泵的功率，既能保证用户的用水要求，又能减少对资源的浪费。
根据对控制任务的分析，该系统的主要功能为：
低速启动，以减少对电网的冲击；变频运行，对于不同的供水需要做出不同的运行指令；工频运行，满足大量用水的需求，其简单工作过程如图2.2所示。
图2.2变频调速恒压供水系统简单工作过程
启动电动机后，逐渐升高频率，同时不断检测供水管内的压力值，当压力值小于设定值时，继续升频，直到达到工频，然后切换掉变频器使电动机运行在工频阶段；若检测到管内的压力值大于预设值，则再次启动变频器，使之对电动机进行变频控制，这样就完成了一次变频与工频的切换过程。
如果采用多台电动机控制的话，其过程类似，若一台电动机在工频状态下仍无法满足管内压力，则启动第二台电动机在变频下工作。
若管内压力减小后小于设定值，则先停止第一台工频运行电动机，然后继续对第二台电动机变频运行，直至达到设定的压力值。
2.6.3控制功能框图
根据变频系统控制要求和图3-2所示的工作过程，设计出以下功能框图，如图2.3所示。
图2.3变频调速恒压供水系统功能框图
根据图2.3所示的功能框图，启动PLC后，先用变频器对电动机软启动，然后由传感器检测管内的压力值，传入到PLC中，经过逻辑运算输出对变频器的控制信号，使变频器处于工作状态，达到对电动机调速的目的。
2.7变频调速恒压供水系统电路图
变频调速是目前最理想的调速技术，随着电力电子技术的发展，变频调速技术已经逐渐成熟起来，且广泛应用在钢铁、冶金、电力和轻工业等各个行业中。
随着节约型社会的建立，生产和生活对用水的要求越来越高，变频恒压供水系统的设计被提出，而且技术成熟，系统具有能稳定运行、可靠性高和自动化程度高等优点。
2.7.1供水系统的主电路图
根据系统的控制要求，对控制功能做出分析之后，设计出如图2.4所示的主电路图，QS为主电路的隔离开关；FU为主电路的短路保护；FR1和FR2是主电路过载保护用的热继电器；该主电路有两个电动机M1和M2；接触器KM1和KM4控制电动机直接接到工频电网上，KM2和KM3控制电动机变频运行。
图2.4变频调速恒压供水系统主电路
2.7.2供水系统的控制电路图
变频调速主电路的控制电路的设计如图3-5所示，SB0是系统的停止按钮，用于控制电动机的停止；SB1是电动机的启动按钮，用于控制电动机的启动；在变频与工频回路之间添加了互锁触电，KM1,KM2,KM3和KM4的常闭触点，防止变频与工频同时运行，造成控制失效。
图2.5恒压供水系统控制电路
2.7.3系统设计的硬件连接图
根据对系统功能的分析及以上的主电路和控制电路的描述，设计出如图2.6所示的硬件连线图。
图2.6恒压供水系统硬件连线图
根据系统的功能要求和主电路及控制电路图，对PLC的I/O分配如表2.1所示。
表2.1恒压供水系统I/O分配表
名称
地址编号
说明
SB0
I0.1
停止按钮
SB1
I0.0
启动按钮
AIW0
接收传感器信号
KM1
Q0.0
1#工频接触器
KM2
Q0.1
1#变频接触器
KM3
Q0.2
2#变频接触器
KM4
Q0.3
2#工频接触器
RST
Q0.4
对变频器进行复位控制
AQW0
输出模拟信号到变频器
表2.1中I0.0、I0.1和AIW0是输入信号，Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4和AQW0是输出信号。
根据图2.6所示的硬件框图，以下将详细介绍硬件系统中的各个部分。
一、主机PLC
该系统的输入、输出点较多，且需要扩展模块，所以采用西门子S7-200系列的PLC，由于CPU221型不具有扩展功能，所以选用CPU222型。
CPU222具有以下特性：
1）4KB程序存储器，典型的为1.3K条指令。
2）1024字数据存存储器。
3）1个可插入的存储器子模块。
4）8个数字量输入，有4个可用作硬件中断，6个用于高速功能。
5）6个数字量输出，其中2个可用作本机集成功能。
6）1个8位分辨率的模拟电位器。
7）数字量输入/输出，最多可以扩展成40个数字量输入，38个数字量输出。
8）模拟量输入/输出，最多可以扩展成8个模拟量输入与2个模拟量输出，或者是4个模拟量输出，最多2个模块。
9）256个计数器，计数范围为0～32767。
10）256个内部标志位。
11）256个定时器，其中，分辨率为1ms的有4个，其定时范围为1ms～30s；分辨率为10ms～5min；分辨率为100ms的有236个，其实时范围为100ms～54min。
12）具有4个中断输入。
13）4个32位的高速计数器，可作为加/减计数器用，或将增量编码器的两个相互之间相移为90度的脉冲序列连接到高速计数输入端，可编程使能和复位输入，在达到设定值时可以中断，计数方向可反向。
14）2个高速脉冲输出，可产生中断，脉冲宽度和频率可调。
15）1个RS-485通信接口。
RS-485有3个方面的应用，一是作为PPI接口，用于PG功能、HMI功能、TD200OPS7—200系列CPU/CPU通信，传输率为9.6kbs、19.2kbs、187.5kbs；二是作为MPI从站，用于与主站交换数据S7-300/400CPUOPTD按钮面板，在MPI网上不能进行CPU22X系列CPU相互之间的通信；三是作为具有中断功能的自由可编程接口方式用于同其他外部设备进行串行数据交换。
16）AS接口最大输入/输出有496个，可以扩展2个模块。
二、模拟量输入、输出扩展模块
因为这个系列需要采集传感器传来的模拟信号，输入到PLC中之后，经过PLC运算后将数据传送到变频器中，所以需要扩展一个模拟输入/输出模块。
选用的模块是西门子的特殊功能模块EM235，该模块为4输入/1输出模块，其转换精度为12位，可以满足该控制系统的功能要求。
EM235扩展模块具有以下特性：
1）实际中，4路模拟量差分输入，1路模拟量输出。
2）输入范围，单极性电压为0～10V，0～5V；双极性电压为
5V，
2.5V；电流为0～20mA。
3）输入分辨率，单极性电压，0～10V时为2.5mA，0～5V时为1.25mA；双极性电压，
5V时为2.5mA，
2.5V时为1.25mA；对于电流，分辨率为5uA。
4）输入阻抗不小于10
。
5）12位A/D转换器。
6）数据字格式，单极性时为—32000～+32000，双极性时为0～+32000。
7）最大输入电压为30VDC。
8）最大输入电流为32mA。
9）输出稳定时间，电压为100us，电流为2ms。
10）输出驱动能力，电压输出最小为5000
，电流输出最大为500
。
11）输出分辨率，电压为12位；电流为11位。
12）功耗为2W。
三、传感器
传感器的作用是将压力、温度等非电量的物理信号转换成电量信号，以便后续电路进行处理。
在此系统中，传感器将供水管中的压力转换成电量信号后，传送到PLC的特殊功能模块，进行数据处理后传给变频器控制电动机。
四、变频器
变频器是这个系统中的核心器件，通过PLC对变频器的控制，就可以改变供水管中的压力，实现恒压供水的要求。
PLC将模拟量输入、输出模块经过转换后的数据进行PID运算，然后将计算值输出到变频器，变频器根据输入的模拟量，改变输出的电压及频率，从而实现对电动机转速的调节，改变管内压力值。
第三章变频调速恒压供水系统软件设计
3.1PLC应用系统的软件设计内容
PLC应用软件的设计是一项十分复杂的工作，它要求设计人员既要有PLC，计算机程序设计的基础，又要有自动控制的技术，还要有一定的现场实践经验。
一个实用的PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的内容：
（1）PLC软件功能的分析与设计。
（2）I/O信号及数据结构分析与设计。
（3）程序结构分析与设计。
（4）软件设计规格说明书编制。
（5）用编程语言,PLC指令进行程序设计。
（6）软件测试。
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