PLC控制的变频调速恒压供水系统.docx
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PLC控制的变频调速恒压供水系统
摘要
考虑到城市小区的不同供水要求，本论文设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。
变频恒压供水系统由可编程控制器PLC、变频器、水泵机组、工控机、压力传感器等构成。
本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。
采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。
压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行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来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。
通过工控机与PLC的连接，实现系统运行。
关键词：
变频调速，恒压供水，PLC，
ABSTRACT
AccordingtotherequirementofChina'surbanwatersupply,thispaperdesignsasetofwatersupplysystemoffrequeceycontrolofconstantvoltagebasedonPLC.ThesystemismadeupofPLC,transducer,unitsofpumps,controlmachineandpressuresensorandsoon.
Thissystemisformedbythreepumpgenerators,andtheyformthecirculatingrunmodeoffrequencyconversion.Withgeneralfrequencyconverterrealizeforthreephasepumpgeneratorsoftstartwithfrequencycontrol,operationswitchadoptstheprincipleof”startfirststopfirst”.Thedetectionsignalofpressuresensorofhydraulicpressure,viaPLCwithsetvaluebycarryoutPIDcomparisonoperation,so,controlfrequencyandtheexportvoltageoffrequencyconverter,andthentherotationalspeedthatchangespumpgeneratorcometochangewatersupplyquantity,eventually,itisnearbytomaintainpipenetpressuretostabilizewhensetvalue.ThroughworkcontrolmachinetheconnectionwithPLC,.somakesthesystemworkwell.
Keywords:
variablefrequencyspeed-regulating,constant-pressurewatersupply，PLC
目录
1绪论1
1.1课题的提出1
1.2变频恒压供水系统的现状1
1.2.1变频调速技术的发展与现状1
1.2.2变频恒压供水系统的国内外研究与现状1
1.3PLC概述2
1.3.1可编程控制器的简介2
1.3.2PLC的发展和应用2
1.4本课题的主要研究内容3
2系统的设计原理及控制方案的确定4
2.1变频恒压供水系统的理论分析4
2.1.1电动机的调速原理4
2.1.2变频恒压供水系统的节能原理4
2.2变频恒压供水系统控制方案的确定5
2.2.1控制方案的确定5
2.2.2变频恒压供水系统的组成及流程图5
3系统的硬件设计7
3.1系统主要设备的选型7
3.1.1PLC及其扩展模块的选型7
3.1.2变频器的选型8
3.1.3水泵机组的选型8
3.1.4压力变送器的选型8
3.1.5液位变送器选型9
3.2系统主电路分析及其设计9
3.3系统控制电路分析及其设计10
3.4PLC的I/O端口分配及外围接线图11
4系统的软件设计14
4.1系统软件设计分析14
4.2PLC程序设计15
4.2.1控制系统主程序设计15
4.2.2控制系统子程序设计16
4.3PID控制器参数整定19
4.3.1PID控制及其控制算法19
4.3.2变频恒压供水系统的近似数学模型20
4.3.3PID参数整定20
5本文总结25
参考文献26
致谢27
附录A主程序梯形图28
附录B系统大图34
1绪论
1.1课题的提出
众所周知水是生命之源，而随着百姓对饮用水的日益关注，城市中各类小区建设发展中对小区供水系统其供水的可靠性、稳定性、经济性提出了更高的要求。
传统的供水方式普遍存在不同程度的浪费，有效率低等缺点。
目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式被广泛应用，特别是在城乡工业及居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：
节能显著；开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。
由此可见，变频调速恒压供水系统的优势，使其具有广阔的应用前景。
这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高水利用效率和人民的生活水平等方面具有重要的现实意义。
1.2变频恒压供水系统的现状
1.2.1变频调速技术的发展与现状
21世纪以来，随着计算机技术、控制技术的迅速发展，变频调速以其优异的调速起动、制动性能、高效率和节电效果，得以广泛的应用。
虽然目前我国有不少公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的相比，还有比较大的技术差距。
我们要努力开拓变频调速技术才能更好地适应了社会的需要。
1.2.2变频恒压供水系统的国内外研究与现状
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，但在系统的可靠性、稳定性能等多方面的综合技术指标来说，还远远不足。
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、网络和通讯技术顾的变频恒压供水系统的研究还是不够。
因此，急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产、生活。
1.3PLC概述
1.3.1可编程控制器的简介
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（IEC）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
PLC主要由中央处理单元、存储器、输入输出单元、电源及编程器等部分组成，采用循环扫描的工作方式，编程语言可采用梯形图、语句表、控制系统流程图等多种方式。
1.3.2PLC的发展和应用
在1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC，目的是用来替代继电器，以执行逻辑判断功能。
随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代以后微处理器被用作PLC的CPU，从而极大扩展了它的功能，使其在概念、设计、性能价格以及应用方面有了新的突破。
从第一代PLC诞生至今，PLC技术已经完全成熟，现在的PLC功能越来越完善，适应性越来越强，抗干扰能力越来越强，性能越来越可靠，集成度越来越高，使用越来越方便。
按照结构形式的不同，可以分为整体式和模块式PLC；按照I／O点数和功能分类，分为小型、中型和大型PLC。
现在，PLC已广泛应用于工业控制的各个领域，随着其性价比的不断提高，应用范围还在不断扩大。
1.4本课题的主要研究内容
本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合，设计一套城市小区恒压供水系统，使系统达得最佳的运行效果。
PLC控制的恒压供水变频调速系统主要有变频器、PLC、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有3个贮水池，3台水泵，PLC根据管网压力自动切换各个水泵，并根据压力检测值和给定值形成的偏差进行PID运算，输出给变频器控制输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。
各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。
根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计，如下：
（1）硬件设备选型、PLC选型；
（2）估算所需I/O点数，进行I/O模块选型；
（3）绘制系统硬件连接图：
包括系统硬件配置图、I/O连接图；
（4）分配I/O点数，列出I/O分配表；
（5）熟练使用Matlab、Visio2010等相关软件；
设计梯形图控制程序，对程序进行检查修改。
2系统的设计原理及控制方案的确定
本章主要分析了电动机的变频调速原理，变频恒压供水系统的节能原理，选出本设计需要的最佳控制方案，在所选方案的基础上，确定本系统的控制流程及流程图，并确定水泵的切换。
2.1变频恒压供水系统的理论分析
2.1.1电动机的变频调速原理
水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：
（2.1）
式中：
f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。
根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。
连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。
但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。
随着电力电子技术的发展，已出现各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。
2.1.2变频恒压供水系统的节能原理
研究系统的变频恒压供水系统的节能原理主要是对比转速控制法和阀门控制法的来说，变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。
通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。
因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。
在供水系统中，采用转速控制法时，阀门开度保持不变。
其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。
2.2变频恒压供水系统控制方案的确定
2.2.1控制方案的确定
系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定以及供水，根据系统的设计任务要求，采用通用变频器、PLC（包括变频控制、调节器控制）、人机界面、压力传感器的形式，其控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上，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，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。
该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
通过分析，这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能满足系统稳定性及控制精度的要求。
2.2.2变频恒压供水系统的组成及流程图
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2.3所示：
图2.2恒压供水变频系统控制流程图
从图中可看出，系统可分为：
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（l）执行机构：
执行机构是由一组水泵组成，它由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时的情况下投入工作。
2）信号检测机构：
在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。
管网水压信号反映的是用户管网的水压值，水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。
报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机和变频器是否异常。
（3）控制机构：
包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。
供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵机组）进行控制；变频器其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。
所以系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。
变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力，使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。
变频恒压供水系统的结构框图如图2.3所示：
图2.3变频恒压供水系统框图
恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号。
由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。
3系统的硬件设计
本章是系统的硬件设计部分，主要完成系统主要设备的选型，即PLC及扩展模块的选型、变频器的选型、水泵机组的选型、压力变送器的选型、液位变送器的选型，并完成系统主电路的分析及其设计、控制电路的分析及其设计、PLC的I/O端口分配及外围接线图。
3.1系统主要设备的选型
根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，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（淄博丹佛斯公司）
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，因此我在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、内存空间、带扩展模块的能力等多方面因素，选用德国SIEMENS公司的S7-200型。
S7-200系列可编程控制器,是德国西门子公司生产的具有高性价比的小型可编程控制器，是传统意义的PLC，结构紧凑，价格低廉，适用于各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
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，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。
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。
所以可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。
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，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。
具有很高的运行可靠性和很强的功能。
同时它的输出功率为0.75~90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为水泵电机的输入信号。
3.1.3水泵机组的选型
水泵机组的选型基本原则，是要确保平稳高效区运行，为了更好的节能效果。
要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。
本设计的要求为：
电动机额定功率75KW，供水压力控制在0.3±0.01Mpa。
根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定确定采用3台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。
它输送清水及理化性质类似于水的无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统等。
3.1.4压力变送器的选型
压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为1~5V或4~20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块（A/D模块）的输入，在选择时，考虑传输过程中的干扰与损耗，我们采用4~20mA输出压力变送器。
在运行中当压力传感器和压力变送器出现故障时，关闭所有水泵并进行报警输出。
根据以上的分析，本设计中选用普通压力表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1.0；数显仪输出一路4~20mA电流信号，送给模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限。
3.1.5液位变送器选型
考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。
本设计的贮水池水位：
2m~5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准电信号（4~20mA电流信号），再将其输入比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入PLC。
而本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为DS26分体式液位变送器，其量程为：
0m~200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；零点和满量程外部可调；供电电源：
24VDC，精度等级：
0.25级。
3.2系统主电路分析及其设计
图3.1变频恒压供水系统主电路图
如图3.1所示：
三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。
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分别为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。
初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。
如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。
系统启动、运行和停止的操作必须通过变频器实现软启动和软停。
3.3系统控制电路分析及其设计
本系统采用西门子公司S7-200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越，主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：
自动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
图3.2变频恒压供水系统控制电路图
注：
PLC各I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节I/O端口分配中将详细介绍。
本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：
如图3.2为系统控制电路图。
图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。
手动运行时，可用按钮SB1~SB6控制三台水泵的启/停；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，系统通过中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。
图中的Q0.0~Q0.5及Q1.1~Q1.5为PLC的输出继电器触点，旁边的4、6、8等数字为接线编号。
（1）手动控制：
手动控制只在检查故障原因时才会用，单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运停。
（2）自动控制：
在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。
由单刀双掷开关SA打至2端时开启，其工作状况由PLC程序控制。
Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q1.1、Q1.2、Q1.3、Q1.4、Q1.5输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL7点亮；变频器故障报警指示灯HL8点亮；白天供水模式指示灯HL9点亮；报警电铃HA响起；中间继电器KA的线圈得电，使得变频器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL10一直点亮。
3.4PLC的I/O端口分配及外围接线图
基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：
（1）本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，白天用水量大，系统高恒压值运行；夜间，小区用水量小，系统低恒压值运行。
（2）在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。
倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。
（3）考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。
（4）三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
（5）系统要有完善的报警功能。
根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表3.2所示。
表3.2输入输出点代码及地址编号
名称
代码
地址编号
输入信号
供水模式信号（1-白天，0-夜间）
SA1
I0.0
水池水位上下限信号
SLHL
I0.1
变频器报警信号
SU
I0.2
试灯按钮
SB7
I0.3
压力变送器输出模拟量电压值
Up
AIW0
输出信号
1#泵工频运行接触器及指示灯
KM1、HL1
Q0.0
1#泵变频运行接触器及指示灯
KM2、HL2
Q0.1
2#泵工频运行接触器及指示灯
KM3、HL3
Q0.2
2#泵变频运行接触器及指示灯
KM4、HL4
Q0.3
3#泵工频运行接触器及指示灯
KM5、HL5
Q0.4
3#泵变频运行接触器及指示灯
KM6、HL6
Q0.5
输出信号
水池水位上下限报警指示灯
HL7
Q1.1
变频器故障报警指示灯
HL8
Q1.2
白天模式运行指示灯
HL9
Q1.3
报警电铃
HA
Q1.4
变频器频率复位控制
KA
Q1.5
变频器输入电压信号
Uf
AQW0
结合系统控制电路图3.3和PLC的I/O端口分配表3.2，画出PLC及扩展模块外围接线图，如图3.4所示：
图3.4PLC及扩展模块外围接线图
本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字量和1个模拟量。
压力变送器将测得的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关SA1用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入I0.0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入比较器，在比较器中设定水池水位的上下限，当超
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