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基于PLC的恒压供水系统设计
基于PLC的恒压供水控制系统设计
摘要
本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，设计出一种在这三个方面都有所提高的PLC控制的恒压供水系统。
恒压供水系统是当今应用最广泛的节能型供水系统。
本文通过对供水系统运行特征及工作状态的分析，阐述了系统的节能原理，介绍了系统的基本构成及特点。
并从实际出发，通过对PLC，变频器，离心水泵等原理的介绍，阐述了整个系统实现的理论基础，通过具体编制PLC程序，实现了控制要求，较好的满足了工艺要求。
在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率来改变电机的转速，从而改变水泵性能曲线得以实现的。
分析水泵工况的能耗，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。
关键词：
恒压供水，变频调速，节能，PLC控制
DesignofConstantPressureWaterSupplyControlSystemBasedonPLC
Abstract
Inthethesis,thedisadvantagesandproblemsneedtoberesolvedofcurrentsupportingwatersystemarebrieflyanalyzed,andanewsystem,whichhasgreatadvanceinautomation,reliabilityandsavingenergy,isstudiedanddescribed.
Constantpressurewatersupplysystemiswidelyusedenergysavingwatersupplysystemintoday’ssociety.Thispaperdescribesthetheoryofenergysavingthroughanalyzingthesystem’sfeatureandworkingstatus,alsointroducesthesystem’sbasicconfigurationandfunction.Theresearchcollectivelyutilizedsomemoderncontroldevices,suchasPLC,frequencyconversiondevice,sensor,andtheirprogramcontrolmethod,alloftheseareofsomereferencevaluetothestudyofrelativecontrolsystem.ThetheoryfoundationofthewholesystemisexplainedpracticallythroughtheintroductionoftheprincipleofPLC,frequencyconversion,aswellaspump.
Inthefrequencycontrolwatersupplysystem,asinglepumpoperatingconditionsbyadjustingthefrequencyconvertertochangethepowertochangethemotorspeed,thuschangingthepumpperformancecurvecanberealized.Analysisoftheenergyconsumptionofpumpconditioncomparison,youcanseeusingfrequencycontrolconstantpressurewatersupply,whenthespeeddecreases,theflowandspeedisproportionaltothecubeofpowertospeeddown,andtraditionalwatersupplyusingthevalvesectionflowmethod,comparedtoacertainextent,reduceenergyconsumption,energysavingcanbesignificant.
Keywords:
constantpressurewatersupply,frequencycontrol,energysaving,PLCcontrol
第1章绪论
1.1PLC恒压供水的产生背景
随着我国城乡建设的迅速发展,水、电供应不足的矛盾越来越成为人们关注的问题。
例如,人们日常生活中的用水量越来越大,一天中的用水量的波动也越来越大。
以往的供水系统中,水泵的选取往往是按最大供水量来确定,而实际的用水量在不断变化。
高峰用水时间较短,这样水泵在很长一段时间内有较大余量,不仅水泵效率低,供水压力不稳,而且造成大量电力、水资源的浪费;并且以往依靠手动操作控制泵的启动、停止,也已不能满足要求。
这里,介绍一种变频控制的恒压供水系统,它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力,又能节约能源[1]。
恒压供水是供水部门所面临的一个关键性的问题，而传统采用水箱和水塔或气罐加压方法，往往造成水的二次污染、造成水质不好，而且自动化程度不高，存在着很大的弊端。
而且传统的供水系统，如继电器控制的恒速泵供水，起供水压力不稳定、能耗大，电机启动不平稳等已经逐步被淘汰；一种新型、成熟的恒压供水系统已成为需要[2]。
针对上述情况，这里我们采用PLC控制的恒压供水系统。
因为PLC控制的变频恒压供水系统是目前恒压供水的主流。
它以可靠性高、编程简便、灵活性强、系统程度化高等诸多优点而受到普遍欢迎[3]。
1.2PLC恒压供水的研究现状
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、变压变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。
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、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。
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、生产实践中。
采用变频调节以后，系统实现了软启动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，启动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。
这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件。
实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。
因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。
第2章恒压供水控制系统工艺
2.1供水系统的工艺流程
图2.1供水系统工艺原理图
此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。
这栋楼有16层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。
如图2.1所示，是这栋楼的供水流程。
自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。
通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。
2.2供水系统的特性与工作点
（1）扬程特性：
以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某一转速下，全扬程与流量间关系的曲线Ht=f（Q），称为扬程特性曲线，如下图中的曲线①所示
图2.2供水系统的基本特性
在供水系统中，水泵是供水的“源”，因此，扬程特性可以看成是“水源特性”，或者说，是“水源”（即水泵）的外特性。
意思是说，用户用水越多（流量越大），管道中的摩擦损失也越大，供水系统的全扬程就越小。
因此，扬程特性反映了用户的用水状况对全扬程的影响。
在这里，流量的大小取决于以内故事，是“用水流量”，用Qu表示。
（2）管阻特性：
以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，全扬程与流量间关系的曲线Ht=f（Q），称为管阻特性曲线，如上图中的曲线②所示。
管阻特性是表明由管阻（阀门开度）来控制供水能力的特性曲线。
在这里，流量大小取决于阀门的开度，是由供水侧决定的。
故管阻特性的流量，可以认为是“供水流量”，用QG来表示。
当供水流量QG接近于0时，所需的扬程等于实际扬程（HT=HB）。
其物理意义是：
如果全扬程小于实际扬程的话，将不能供水。
因此，实际扬程也是能够供水的“基本扬程”。
（3）供水系统的工作点：
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如上图中之A点。
在这一点：
供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。
供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。
如阀门开度为100%，转速为100%，则系统处于额定状态，这时的工作点称为额定工作点，或自然工作点，如上图中的A点既是。
（4）供水功率：
供水系统向用户供水时所消耗的功率PG（kW）称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比：
PG=Cp*Ht*Q（2.1）
式中Cp----比例常数。
由上图可以看出：
供水系统的的额定功率与面积0DAG成正比。
第3章恒压供水系统的控制方案设计
3.1系统方案的总体设计
一台变频器控制四台水泵系统组成框图[5]如下：
如图3.1所示，整个系统由四台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力变送器及若干辅助部件构成。
四台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，四台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无级调速、无波动稳压的效果和各项功能。
图3.1恒压供水控制系统原理图
3.2所需参数计算
工艺要求为：
建筑物16层，层高3米，居民户数1000-1200户，每户按3.5人计算[6]。
水泵从贮水池抽水，无水箱调节时，总扬程可按下式计算:
Hb=Z+H2+H4（3.1）
=（16+1）*3+0.05*16+0.05*16
≈56（m）
恒压供水所要保持的水管内压力：
P=ρ*g*H（3.2）
=1000*10*56
=0.56（mPa）
水泵的有效功率可按下式计算：
Pe=ρ*g*qg*H（3.3）
=1000*10*0.04245*56
=23772（W）
≈24（KW）
3.3系统中PID控制的实现
本恒压供水系统采用单闭环的数字PID控制，主要将根据水压的给定值与实际值的偏差，利用PLC进行PID运算后，控制变频器输出频率，来实现对电机一水泵组的控制，从而起到调节水压的作用。
可以将上述控制系统进一步抽象成如图3-2所示的典型单闭环控制系统。
当系统运行时，压力传感器不断的将管网中的压力信号通过变送器转变成电信号，传送给PLC调节器，PLC调节器将反馈的压力信号与设定的压力进行比较，然后根据设定的P,I,D参数计算出输出信号来控制变频器的运行频率，从而调整水泵转速以满足系统的流量要求[7]。
图3.2单闭环PID控制系统框图
3.4系统运行过程
图3.3系统控制流程图
在供水系统中，供水管网压力进入PLC，经处理和转换后再由PLC以模拟量的方式输出，将该输出模拟量信号与变频器的模拟量反馈信号连接，作为变频器对管网压力的检测。
同时，再将变频器输出的频率信号接入PLC，作为频率的检测和控制缘。
变频器中还有一些开关量的设置，如变频器的启停控制（由PLC输出的数字点控制），多台泵运行的连锁控制（多台泵的手/自动转换信号控制）等。
在“变频自动”运行方式下，先利用变频器启动并运行一台泵，同时系统检测供水管网的实时压力，当供水管网压力低于设定值时（外界用水量增加），系统完成变频泵频率的上调，当频率到达50Hz时，管网压力仍低则启动第一台工频泵（由PLC采用星/角启动控制）。
以此类推，顺序实现工频泵的加入。
当供水管网压力高于设定值时（外界用水量减少），系统完成变频泵频率的下调，当频率到达10Hz时，管网压力仍高则摘除一台工频泵（由PLC控制）。
以此类推，顺序实现工频泵的摘除。
系统采用定时轮换工作制，其变频的工作顺序为1#——2#——3#（4为备用泵），当切换时，为了防止工频电源和变频输出短路，必须先将变频器关闭，待外部将其接触器连接好后再开启变频器。
第4章设备选型
4.1离心泵机组选型
4.1.1离心泵的基本构造
图4.1离心泵解剖图
离心泵的基本构造是由六部分组成的分别是叶轮，泵体，泵轴，轴承，密封环，填料函。
（1）叶轮是离心泵的核心部分，它转速高出力大，叶轮上的叶片又起到主要作用，叶轮在装配前要通过静平衡实验。
叶轮上的内外表面要求光滑，以减少水流的摩擦损失。
（2）泵体也称泵壳，它是水泵的主体。
起到支撑固定作用，并与安装轴承的托架相连接。
（3）泵轴的作用是借联轴器和电动机相连接，将电动机的转距传给叶轮，所以它是传递机械能的主要部件。
（4）轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑动轴承两种。
滚动轴承使用牛油作为润滑剂加油要适当一般为2/3～3/4的体积太多会发热，太少又有响声并发热！
滑动轴承使用的是透明油作润滑剂的,加油到油位线。
太多油要沿泵轴渗出并且漂溅，太少轴承又要过热烧坏造成事故！
在水泵运行过程中轴承的温度最高在85度一般运行在60度左右，如果高了就要查找原因（是否有杂质，油质是否发黑，是否进水）并及时处理！
（5）密封环又称减漏环。
叶轮进口与泵壳间的间隙过大会造成泵内高压区的水经此间隙流向低压区，影响泵的出水量，效率降低！
间隙过小会造成叶轮与泵壳摩擦产生磨损。
为了增加回流阻力减少内漏，延缓叶轮和泵壳的所使用寿命，在泵壳内缘和叶轮外援结合处装有密封环，密封的间隙保持在0.25～1.10mm之间为宜。
（6）填料函主要由填料，水封环，填料筒，填料压盖，水封管组成。
填料函的作用主要是为了封闭泵壳与泵轴之间的空隙，不让泵内的水流不流到外面来也不让外面的空气进入到泵内。
始终保持水泵内的真空！
当泵轴与填料摩擦产生热量就要靠水封管住水到水封圈内使填料冷却！
保持水泵的正常运行。
所以在水泵的运行巡回检查过程中对填料函的检查是特别要注意！
在运行600个小时左右就要对填料进行更换。
4.1.2离心泵机组的选型
离心泵机组的选型基本原则：
一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求得较好的节能效果{8]。
要使泵经常处于高效区运行，则选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。
根据第3章所需参数计算出以上系统要求的总流量范围，扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力，考虑到用水类型为连续低流量变化类型，确定采用3台上海熊猫机械（集团）有限公司生产的SFL系列主水泵机组和1台SFL系列辅助水泵机组。
型号及参数参见下表。
表4.1离心泵组的功能参数
型号
数量
主要性能参数
流量
m2/h
扬程
m
效率
%
转速
r/min
电机功率
kW
气蚀余量
m
进出口径
mm
主泵机组
150SFL160_20x4
3
112
192
160
88
80
66
66
73
68
1450
55
2.9
3.6
3.8
150
备用泵
150SFL15_15x5
1
8.4
12
14.4
80
75
60
48
56
51
1450
5.5
2.1
2.6
2.9
15
SFL型低噪音给水离心泵在外壳轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪音更低（室外噪音60分贝）、磨损小、寿命更长；下轴采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结果设计，水力模型先进，性能更可靠[9]。
4.2变频器的选型
变频器选择中，应按电动机的额定功率及额定电流、额定电压综合考虑，合理选择变频器的参数，与用电设备配套。
由于变频器产生的高次谐波的影响，对补偿电容的影响较大，在选择电容器时需选择带电抗器的电容器，最好选择带消谐装置的电容器组。
变频装置应充分考虑与其它控制系统数据和信息通讯地能力，以便更好监测变频器的各种工况及更合理的控制，充分发挥各种装置在同一系统中综合应用的潜力，达到动态、互补、经济运行的目的[10]。
变频器安装及接线中，应严格按照产品安装使用手册进行，各种辅助措施，如装置环境条件的保证，接地安全措施均应预留到位，否则会直接影响变频器的使用寿命和效率，还会造成对其它系统干扰现象。
尤其环境温度的要求，尤其重要，变频器发热量较大，安装在柜内时要考虑散热的要求，必要时需增设通风设备，对大功率变频器尤为重要。
变频器主要优点[11]：
（1）省电：
20%-50%。
（2）压力精确度±0.1Bar。
（3）提高马达功率因素。
（4）降低启动电流，减少对电网冲击。
（5）降低设备运转噪音，提供良好工作环境。
（6）降低能源消耗和生产成本，提高产品竞争力,延长空压机使用寿命。
（7）降低故障率，减少维修成本。
（8）提供稳定之排气压力，有利于提高产品的合格率。
（9）变频和工频可任意切换（不改变电动机原有操作模式）
变频器是变频凋述系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电动机转速的调节[12]。
变频器的选择必颁根据电动机的功率和电流进行选择。
本系统选用的变频器为SIEMENS公司的MM440系统。
MM440是一种集多种功能于一体的变频器，该系列有多个型号供用户选择，其恒定转矩控制方式的额定功率范围为120W—200kW，可变转矩控制方式的额定功率可达250kW，他适用于电动机调速的场合，的通过数字操作面板或通过远程操作器方式，修改其内置参数，即可满足各种调速场合的需要。
MM440变频器的型号有8种：
A-F、FX和GX。
每种变频器的额定功率按字母顺序排列越来越大，另外每种型号种都有单相和三相两种输入电压。
（1）主要特点
1）内置多种运行方式；
2）快速电流限制，实现无跳闸运行；内置式制动斩波器，实现直流注入制动;
3）内置式制动斩波器，实现直流注入制动;具有PID功能的闭环控制，控制器参数可自动整定；
4）具有PID功能的闭环控制，控制器参数可自动整定；
5）多组参数设定且可相互切换，变频器可用于多个交换工作的生产过程；
6）多功能数字、模拟输入输出口，可任意定义其功能和具有完善的保护功能。
（2）控制方式
变频器控制运行方式，即变频器输出电压与频率的控制关系。
控制方式的选择，可通过变频器相应的参数设置选择。
MM440系列变频器主要有以下几种控制方式：
1）线性VF控制变频器输出电压与频率为线性关系，用于恒转矩负载。
2）带磁通电流控制（FFC）的线性控制在这种模式下，变频器根据电动机特性实时计算所需要的输出电压，以此来保持电动机的磁通处于最佳状态。
此方式可提高电动机的效率和改善电动机动态相应特性。
3）平方VF控制变频器的输出电压平方与频率为线性关系，用于变转矩负载。
4）特性曲线可编程的VF控制变频器输出电压与频率为分段线性关系，此种控制方式可用于在某一特定频率下为电机提供特定的转矩。
5）带“能量优化“控制的线性VF控制此方式的特点是电动机自动增加或降低电动机电压，搜寻并使电动机运行在最小损耗的工作点上。
6）有/无传感器矢量控制
用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制。
采用这一控制方式时，可以得到大
的转矩，改善瞬态响应特性和具有优良的速度稳定性，而且在低频是可以提高电动机的转矩。
7）有/无传感器的矢量转矩控制变频器可以直接控制电动机的转矩。
当负载要求具有恒定的转矩是，变频器通过改变向电动机输出的电流，使转矩维持在设定的数值。
（3）保护功能
MM440系列的变频器所具有的保护功能有：
过电压及欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护、I2T电动机过热保护和PTC/KTY电动机过载保护。
图4.2MM440内部功能图
图4.2为MM440变频器的内部功能方框图。
其控制电路由CPU、模拟输入/输出、数字输入输出、操作面板等组成。
该变频器共有20多个控制端子，分为四类：
输入信号端子、频率设定输入端子、监视信号输出端子和通信端子。
（1）输入信号：
DIN1、DIN1为PLC的控制信号输入；L1、L2、L3为电源输入。
（2）输出信号：
U，V，W为接三相异步电动机。
DIN1-DIN6为数字输入端子，一般用于变频器的外部控制，其具体功能由相应设置决定。
例如出厂设置时DIN1为正向运行、DIN2为反向运行，根据需要修改参数可以改变其相应的功能。
使用输入信号端子可以完成对电动机的正反转控制、复位、多级速度设定、自由停车、电动控制等操作，PTC端子为PTC传感器输入端子，用于电动机内置PTC测温保护。
AIN1、AIN2为模拟信号输入端子，分别作为频率给定信号和闭环时反馈信号输入。
变频器提供了三种频率设定的方式：
外接电位器设定、0-10V电压设定和4-20mA电流设定。
当用电压或电流设定时，最大电压或电流应对应于变频器频率输出的最大值。
变频器有两路频率设定通道，开环时只用AIN1通道，闭环时使用AIN2通道作为反馈输入端。
端子1、2提供了一个高精度的10V直流电源，当使用模拟电压信号方式设定频率时，为了提高变频器的控制精度，最好使用这样的高精度的电源。
输出信号的作用就是对变频器运行状态的显示，或向上位机提供这些信息。
针对本系统的应急情况，可将变频器端子上的信号分为输入信号、输出信号。
4.3压力变送器和液位传感器的选型
4.3.1压力变送器的选型
压力传感器是将水管中的压力信号变成1-5V或4-20mA的模拟量信号，作为模拟量输入模块的输入。
为了防止传输过程中的干扰和消耗，我们采用4-20mA输出压力变送器。
当运行过程中，压力传感器或压力变送器出现故障时，系统有可能开启所有的水泵，而此时的用水量又达不到，这就使水管的水压上升，为了防止爆管或超高水压随坏用户的用水设备，本文中的供水系统使用电接点压力表的压力上线输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上线时，关闭所有水泵并进行报警输出。
根据以上的分析，本文所使用金湖美安特自动化仪表有限公司ATE133系列压力变送器。
ATE133系列压力变送器采用具有国际先进水平的进口陶瓷传感器或扩散硅传感器,其中ATE133-A型采用压阻式陶瓷膜片:
BP133-B型采用E+H电容式陶瓷传感器:
ATE133-C型采用美国GENovaSensor公司扩散硅传感器,再配以高精度电子元件,经严格的工艺过程装配而成,它与目前市场上常规的压力变送器相比.有两个显著不同的技术差别,一是测量元件采用新兴的陶瓷材料,不会对测量介质产生工艺污染，二是测量元件内无中介液体,是完全固定的.。
介质压力直接作
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