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恒压供水系统

毕业设计（论文）

题目：

恒压供水

系部：

电气工程与自动化

专业：

机电一体化

班级：

机电A1003班

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山西职业技术学院

摘要

随着社会经济的迅速发展，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趋势。

本设计首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理。

接着分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。

然后用PID对系统中的恒压控制器进行设计，最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍，该变频恒压供水系统可运用于许多实际的供水控制系统中，并能够取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。

关键词：

可编程控制器（PLC）、变频器、PID控制器、继电器、压力变送器

第一章变频恒压供水产生的背景和意义

对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。

目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。

导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题（如图1-1）。

因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水企业关心的焦点问题之一。

所以研究设计基于PLC变频调速的恒定水压供水系统（简称变频调速恒压供水，如图1-2），对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。

图1-1传统供水机泵示意图图1-2变频调速供水机泵示

第二章变频调速恒压供水系统的整体设计方案

2.1变频恒压供水控制系统的构成

由于本设计的供水系统要适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水，在此变频调速恒压供水系统中，主要由PLC、变频调速器、软启动器、压力变送器、水位传感器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环控制系统。

此外还包括空气开关、断路器、接触器和中间继电器等系统保护电器，实现对变频器、电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。

PLC和变频器作为系统控制的核心，根据给水母管压力与压力设定值的偏差变化情况，自动控制给水泵的投人台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压供水。

其中控制参量的PID算法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。

我们以三台水泵组成的供水系统为例，其原理框图如图2-1所示。

图2-1变频调速恒压供水系统原理图

从2-1系统原理图，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、人机界面、通讯接口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，当水泵采用循环的控制方式时，P1，P2，P3既可以做调速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式时，PI,P2，P3中只有一台可以调速泵，其余两台为恒速泵。

2、信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号:

（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。

此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。

另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。

检测结果可以送给PLC，作为数字量输入。

（2）液位信号:

它反映水泵的进水水源是否充足。

信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵因空抽而损坏电机和水泵。

此信号来自在安装于水源处的液位传感器。

（3）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:

供水控制器、变频器、电控设备。

2.2系统工作原理

用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。

水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为水位报警。

为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。

生活和消防用水共用三台水泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台水泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持水位低恒压值。

生活供水系统工作原理：

安装于生活供水管道上的压力变送器将管网压力检测值转换为4-20mA的电信号送入变频器的，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，将差值送人变频器内置PID进行运算，产生一个偏差信号去控制变频器的输出频率，从而控制电机转速使管网压力恒定。

当用水量不大时，一台水泵（1#水泵）在变频器的控制下稳定运行。

当用水量增大时，管网压力下降，当管网压力下降到下限值时由变频器输出一个下限信号给PLC，PLC自动将第二台水泵（2#）投入变频运行，将原工作在变频状态下的第一台水泵（1#水泵）切换为工频运行，两台水泵运行以加大管网的供水量保持压力稳定。

若两台水泵运行仍不能满足用水量的需要时，则PLC自动将第三台水泵（3#水泵）投入变频运行，将原工作在变频状态下的第二台水泵（2#水泵）切换为工频运行，三台水泵运行以进一步加大管网的供水量保持压力稳定。

当用水量减少时，管网压力上升，当管网压力上升到上限值时由变频器输出一个上限信号给PLC，PLC自动将第一台水泵（1#水泵）停止运行。

当用水量进一步减少时，PLC自动将第二台水泵（2#水泵）停止运行，此时只剩下第三台水泵（3#水泵）用变频器变频调速恒压供水。

依次类推，各台水泵交替工作于变频和工频状态。

水泵运行遵循先入先出的原则，即先接通先断开，用水量增加时先将原变频工作的水泵切换为工频运行，同时增加一台水泵为变频运行；用水量减少时，将先启动的水泵停机。

每台水泵变频工频运行概率相同，以避免某台水泵长期不运行而生锈的情况发生。

第三章变频调速恒压供水系统的硬件设计

3.1系统硬件组成

根据2.1节中变频调速恒压供水系统组成原理图，得到该系统的电气控制框图如图3-1：

图3-1变频调速恒压供水控制系统电气控制系统结构图

根据该框图，系统所需的硬件有:

1、PLC及扩展模块

2、变频器、水泵机组

3、压力传感器、压力变送器、电接点压力表、水位传感器。

3.2可编程控制器（PLC）选型

根据系统要求和功能，PLC用MITSUBISHI公司的FX2N系列FX2N-48MR-001，FX2N-48MR具有丰富的可灵活配置的硬件资源：

内含时钟、PID运算、高速计数器、显示器、AC/DC/继电器内置数字I/O（24路开关量输入，24路继电器输出），另配置FX0N-4AD模拟量模块，FX2N-485-BD通信模块。

SC-09通信编程器，采用RS485网络通信。

3.3变频器选型

变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。

其总的原则是首先保证可靠地满足工艺要求，再尽可能节省资金。

可选用三菱FR-A540系列变频器。

该变频器采用先进磁通矢量控制方式，实现在线自动调整功能，调速比可达1：

120（0.5～60Hz）；可拆御风扇和接线端子，维护方便；柔性PWM，实现更低噪音运行；内置RS485通信口，可插扩展卡符合全世界主要通信标准；PID等各种功能适合各种应用场合。

应用三菱FR-A540系列变频器内置PID功能的PLC控制恒压供水系统，效率高，损耗小，调速供水节能效果突出，运行稳定，可靠性高，抗干扰能力强，精度高，动态响应快，体现了变频调速恒压供水的技术优势，取代了水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水，成为供水网的换代产品。

3.4水泵及其电动机的选型

工作水泵型号和台数的选择，应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，要求的水压，机组的效率和功率因素等确定。

水泵和电动机是供水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。

选泵时，首先要满足供水系统的要求。

对水泵进行选用时，要根据供水系统对流量的大小、扬程的高低和实际需要进行选择。

在此主泵选用山东淄博博山大通水泵有限公司生产的型号为500LX5的离心式清水泵，扬程61m，流量12.6立方米每小时，轴功率5.5KW；电机型号为Y132S-4，容量为5.5KW,额定电压为380V,额定电流为11.6A，转速为1450r/min。

3.5远传压力表选型

采用4-20mA输出压力变送器，本系统采用杭州市富阳仪川仪表有限公司生产的YTT-150型差动远传压力表，此表适用于测量对钢及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。

YTT-150型差动远传压力表既可对所测压力作现场指示又能转换为0～10mA•DC或4～20mA•DC的标准电流信号输出，便于现场检测。

电位器的技术数据：

1、精确度等级：

1.5

2、发送器起始电阻值：

3～20Ω

3、发送器满度电阻值：

340～400Ω

4、发送器接线端外加电压不大于6V

5、使用环境条件：

-40～60℃，相对湿度不大于85%，且震动和被测（控）介质的急剧脉

6、温度影响：

使用温度偏离20±5℃时，其温度附加误差不大于0.4%/10℃

7、重量：

1.2kg

3.6系统电路设计

3.6.1系统主电路

系统电气控制主电路如图4-2，三台电机分别为M1、M2、M3。

接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行，接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行，FR1、FR2、FR3分别是三台水泵电机过载保护用的热继电器，QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关，FU为主电路的熔断器，FR-A540为变频器。

图3-2系统电气控制主电路图

3.6.2系统控制电路

如图3-3为系统控制电路图，图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1位置为手动控制状态，打在2的位置为自动控制状态。

手动运行时，可用按钮SB1-SB8控制三台水泵的启/停和电磁阀YV2的通/断，自动运行时，系统在PLC程序控制下运行，图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。

图3-3系统控制电路图

3.6.3PLCI/O分配

根据图3-2、3-3及以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、地址编号如表3.1所示，水位上下限信号在水淹没是为0，露出时为1。

信号

名称

地址编码

输入信号

手动和自动消防信号

X000

供水启动

X001

供水停止

X002

消防启动

X003

消防停止

X004

水池水位下限信号

X005

水池水位上限信号

X006

压力设定（0-10V）数字信号

X007

压力变送器1

X010

压力变送器2

X011

变频器报警信号

X012

试灯按钮

X013

消报警按钮

X014

手动1#水泵电机

X015

手动2#水泵电机

X016

手动3#水泵电机

X017

1#水泵电机过热保护

X020

2#水泵电机过热保护

X021

3#水泵电机过热保护

X022

信号

名称

地址编码

输出信号

1#水泵工频运行及指示灯

Y000

1#水泵变频运行及指示灯

Y001

2#水泵工频运行及指示灯

Y002

2#水泵变频运行及指示灯

Y003

3#水泵工频运行及指示灯

Y004

3#水泵变频运行及指示灯

Y005

生活/消防供水转换电磁阀

Y006

水池水位下限报警指示灯

Y007

软启动器电源

Y010

火灾报警指示灯

Y011

报警电铃

Y012

变频器频率复位控制

Y013

变频器故障报警指示灯

Y014

1#泵的故障指示信号

Y021

2#泵的故障指示信号

Y022

3#泵的故障指示信号

Y023

送控制信号给变频器

Y024

表3.1输入输出点名称及地址编码

第四章系统的软件设计

本系统的程序是建立前面所述的在变频恒压供水的原理和控制流程的基础上，按照PLC应用的步骤开发完成的。

程序控制的目的是实现整个供水系统的恒压运行，为此必须控制变频器的频率以及三台水泵的顺序投入与切除，使得供水量的变化与用户用水量的变化基本保持同步，以此保证水网水压的恒定，同时还要保证系统的安全性与可靠性。

4.1PID调节

4.1.1PID调节原理

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P+I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效果比较好。

PID调节器的动作规律是

或

式中

：

调节器的比例系数

：

调节器的积分时间

：

调节器的微分时间

：

比例带，它是惯用增益的倒数

e:

调节器的偏差信号

U：

输出

PID调节器的传递函数是

不难看出，由上式表示的调节器动作规律在物理上是不能实现的。

工业上实际采用的PID调节器的传递函数一般为

其中

＝

；

＝

；

式中带（’）的量是调节器参数的实际值，不带的为参数的刻度值。

F成为相互干扰系数：

为积分增益；

为微分增益。

4.1.2PID参数设置

P增益：

设定范围：

0.01～10.0倍

这是操作量和偏差之间有比例关系的动作。

增益取大时，响应快，但过大将产生振荡。

增益取小时，响应迟后。

实际中我们取10。

积分时间：

设定范围：

0.1～3600s，0.0：

不动作。

操作量（输出频率）的变化速度和偏差成比例关系的动作，即输出按偏差积分的动作。

积分时间大时，响应迟后，另外，对外部扰动的控制能力变差。

积分时间小时，响应速度快，但过小将产生振荡。

实际中我们取150s。

微分时间：

设定范围：

001～10.0s0.0：

不动作。

操作量（输出频率）和偏差的微分值成比例动作（D动作）。

微分时间大时，能使发生偏差时P动作引起的振荡很快衰减。

微分时间小时，发生偏差时的衰减作用小。

我们取0.4。

4.1.3PID设定值的调整

图3-1抑制超调图3-2加快响应速度

图3-3抑制周期振荡1图3-4抑制周期振荡2

PID值可以在用示波器监视响应波形的同时进行调整。

可作如下总体调整：

1、P增益，在不发生振荡条件下增大其值；

2、I积分时间，在不发主振荡条件下减小其值；

3、D微分时间，在不发生振荡条件下增大其值；

4、对于抑制超调，可以增大积分时间，减小微分时间，如图3-1所示；

5、对于加快响应速度，如果允许有小量超调的话，可以减小积分时间，增大微分时间，如图3-2所示；

6、抑制比积分时间长的周期振荡，增大积分时间，如图3-3所示；

7、抑制大约和微分时间同样长周期的振荡，减小微分时间，如图3-4所示。

4.1.4PID控制算法

如图4-5，PID控制原理图，将压力传感器传来的电流信号（4～20mA）通过一个1KΩ的电阻转化为0～10V的电压信号。

这个电压信号经RTD模块放大后送给三菱PLC的模拟输入量模块FX2N-4AD转化为12位的数字信号，该模块有四个模拟量输入通道，12位的分辨率，总体精度在+1%，转换速度15ms/通道。

转换后的数据存入PLC内部特殊数据寄存器D0。

PLC根据采集的信号计算出偏差e（t），按照PID的控制规则计算控制量△u（t）,并输出控制量△u（t）。

经三菱PLC的模拟输出量模块FX2N-4DA的D/A转换，变换成0～5V的电压信号，送至变频器的主速指令，并通过变频器调节4#水泵电机的工作电流，实现系统的变频恒压控制FX2N-4DA模块有三通道的D/A输出,总体精度+1%,转换速度2.1ms/通道。

图4-5PID控制原理图

4.2系统运行主程序

系统运行主程序首先要进行一系列的初始化工作，并使扩展模块（通讯模块、A/D模块等）、触摸屏、变频器等设备与PLC的数据传输正常。

在系统运行过程中要及时进行故障检测，以防止设备损坏和意外发生；当出现故障时，要在触摸屏上及时显示并进行报警输出，方便维修人员维修，有利于系统恢复正常工作。

无故障情况下，在触摸屏上显示设定压力和实际压力，系统自动启动后，进行恒压控制。

其流程框图如图4-6所示:

图4-6主程序流程图

4.3故障检测子程序

故障检测是保证系统安全、可靠运行的一个重要环节，在本文的自控系统中，检测的量主要有:

原水池液位、变频器故障、水泵故障、压力传感器断线故障、水泵出水压力脱离正常范围等信号，其流程框图如图4-7所示:

图4-7故障检测子程序流程图

4.4数字PID子程序

在系统中，只需选择一个，它同样通过定时中断来调用，通过对水泵转速的调节，实现系统输出压力的恒定。

在子程序中直接读取A/D模块的输出，得到当前的实际水压，将此压力值与压力设定值相减，得到当前误差量e（t），计算控制增量△u（t），将该增量通过PLC与变频器的通讯去控制变频器的频率，实现恒压供水。

其流程框图如图4-8所示:

图4-8PID控制子程序流程图

4.5对外通讯子程序

对外通讯子程序不是每个变频恒压供水系统所必须的。

当该系统作为另一个控制系统的子系统时，它需要和上一级系统建立通讯，进行数据交换，以便上一级系统对它进行监控和管理，这是需要编写对外通讯子程序。

通讯时，可以采用有线方式，也可以采用无线方式。

该子程序采用定时中断的方式来调用。

其流程框图如图4-9所示:

图4-9通讯子程序流程图

第五章结束语

通过将近五个月的研究设计和调试，实现系统的正常工作并且基本上达到了预期的设计目标这样一个过程，使我学到了很多知识，积累了许多宝贵的经验，锻炼了自己的独立思考能力和实际动手能力，学会了如何综合实施一个工程项目的研究与设计。

现将工作总结如下：

1、首先制定系统的总体方案和实施的步骤，了解系统的工作原理、控制任务、总体结构、工作流程以及完成系统所需要的硬件，设计好相关的电路接线图，控制原理图，外部端子图等；

2、熟悉了PLC硬件的工作原理，完成了PLC软件的开发，成功实现了用一台PLC和一台变频器对三台水泵的顺序控制，达到了恒压供水的目标，并将高效节能的变频调速技术成功的应用到了系统中，达到了节能供水的目标。

3、按系统设计选择变频器，做出正确的技术定位，分析工况，确定控制和操作要求，选定变频器型号和规格，将设计数据整理，进行技术验证。

4、完成了整个系统的现场调试，通过对系统的不断修改和调试，基本上达到了预期的设计要求，使出口管网压力恒定于用户要求的范围

在设计完成以后，也发现本系统中存在着一些不足之处和需要改进的地方：

变频器的功能十分丰富，由于时间的关系，我只用了其中的变频功能，对于系统的加速、减速时间等这一类能提高水泵响应特性的功能应用还不够深入，多了解其中的功能将会对系统的特性有进一步提高。

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[15]宋序彤．我国城市供水发展有关问题分析[J]．城镇供水．2001，2:

22～26

附录

PLC梯形图：

//产生一个周期为1秒的脉冲，取其上升沿为M98，其下降沿为M99

//数据采集阶段

//上升沿时从4AD中采集数据，取五次数据

//数据处理阶段

//把这五个数据求平均值

//把他们的和放在D5

//把他们的平均值放在D6

//下面与其分界值比较，来决定工作模式

//是否在Z4状态

//求出变频值，并放在D7Z中

//是否在Z3状态

//是否在Z2状态

//把变频值传给4DA

//通过1#水泵电机的故障反馈信号X0000是否有故障

//通过2#水泵电机的故障反馈信号X0001是否有故障

//通过3#水泵电机的故障反馈信号X0002是否有故障

//当有水位信号Z2状态工作信号和1#水泵无故障时，就延时5秒后，再启动1#水泵电机

//M3、M4是对M2互锁

//M32、M34是状态转化时，如果是1、3#水泵在工作及保持1#水泵运行。

//M2是自锁

//M0是为状态转化而设置的

//如果2、3#水泵电机都无故障时1#水泵电机运行3小时否则一直运行

//如果1#水泵电机没有故障时运行3小时后为启动做准备2#水泵电机

//延时5秒后，再启动2#水泵电机

//M2、M4是对M2互锁

//M32、M33是状态转化时，如果是1、2#水泵在工作及保持2#水泵运行。

//M3是自锁

//M0是为状态转化而设置的

//如果1、3#水泵电机都无故障时2#水泵电机运行3小时，否则一直运行

//如果2#水泵电机没有故障时运行3小时后为启动做准备3#水泵电机

//延时5秒后，再启动3#水泵电机

//M2、M3是对M2互锁

//M33、M34是状态转化时，如果是2、3#水泵在工作及保持3#水泵运行。

//M4是自锁

//M0是为状态转化而设置的

//如果1、3#水泵电机都无故障时2#水泵