PLC变频器在消防和生活供水系统的应用.docx
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PLC变频器在消防和生活供水系统的应用
闽西职业技术学院
毕业论文
PLC、变频器在消防和生活供水系统的应用
**
系别：
机械工程系
年级：
08机电一体化
（1）班
专业：
机电一体化
指导老师：
答辩日期：
内容摘要
随着我国社会经济的发展，城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活，也直接体现了供水管理水平的高低。
传统供水厂，特别是中小供水厂所普遍采用的恒速泵加压供水方式存在效率较低、可靠性不高、自动化程度低等缺点，难以满足当前经济生活的需要。
随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，需要利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，要求设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。
本文通过传统供水系统的控制方式与现代的相比较，根据现代社会的发展对供水系统所提出的新要求，详细介绍了应用PLC、变频器为核心组成的交流变频调速系统来实现消防和生活双恒压供水的方法。
包括系统设计背景、系统工艺、工作原理、软件和硬件的选取与实现、PLC主要设计流程、控制电路的设计等。
该系统能够实现生活消防双恒压供水，能够实现无人值守全自动运行，具有良好的经济价值和实用性。
关键词：
供水系统PLC变频器
第1章绪论………………………………………………………………………1
1.1恒压供水概况……………………………………………………………1
1.1.1恒压供水系统的产生背景……………………………………1
1.1.2恒压供水的现实意义及发展…………………………………2
第2章供水系统的工作原理和总体方案设计…………………………………3
2．1系统介绍…………………………………………………………………3
2.1.1系统的组成……………………………………………………3
2.1.2系统的特点……………………………………………………4
2.1.3系统的工作原理………………………………………………4
2.1.4系统的控制原理………………………………………………5
2.2水泵机组的循环切换……………………………………………………5
第3章供水系统的硬件设计……………………………………………………7
3.1硬件的配置和选型………………………………………………………7
3.1.1PLC的配置与选型……………………………………………7
3.1.2变频器的配置与选型………………………………………8
3.2主电路设计………………………………………………………………9
3.3控制电路设计……………………………………………………………10
3.4变频器参数设定和控制电路接线图……………………………………13
第4章供水系统的软件设计…………………………………………………14
4.1软件的选取………………………………………………………………14
4.2程序设计…………………………………………………………………14
4.3程序功能图的设计………………………………………………………14
第5章供水系统的调试………………………………………………………16
总结…………………………………………………………………………………17
致谢…………………………………………………………………………………19
参考文献……………………………………………………………………………20
附录一程序语句表…………………………………………………………21
附录二设备清单……………………………………………………………26
第1章绪论
1.1恒压供水概况
1.1.1恒压供水系统的产生背景
水是人类最宝贵的资源，是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线，传统的供水方式是采用水塔或高位水箱以及气压供水，一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须提升水压才能满足用水要求。
而水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来提升水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。
使用这些传统的供水方式，不但容易造成水的二次污染，影响居民健康而且供水的可靠性得不到确切的保障，影响居民的日常生活。
在设备的投资以及运行上的费用都比较高。
日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。
这样造成大量能源的浪费，降低了效益。
另外，随着安全意识的增强，国家在对各种建筑物的规划设计中，要求供水系统有消防控制功能，而消防用的水压与生活供水的压力不同，要求在出现火情时增大水压灭火。
因此开发可靠性高，控制性能好的恒压供水自动控制系统具有很大的现实应用价值。
1.1.2恒压供水的现状
生活用水与人们息息相关，随着城市规划的完善，越来越多的居民小区供水采用恒压自动控制。
另一方面，随着变频技术的推广，泵类专用变频器在恒压供水系统已有了广泛应用。
为了提高供水质量，保证充足的水量供应和稳定的水压，采用多台水泵构成恒压供水控制系统的应用场合越来越多，例如在大型商场、车站、宾馆及城市化小区等地方。
自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。
变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。
恒压供水调速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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中得到了很大的发展。
随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。
充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
目前，自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，可完成系统的数字PID调节功能可对系统中的各种运行参数、控制点进行实时监控，并实现系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能。
自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。
1.1.3恒压供水的现实意义及发展
新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。
恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。
目前该产品正向着高可靠性、全数字微机控制，多品种系列化的方向发展。
追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备的适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
第2章供水系统工作原理和总体方案设计
2.1系统介绍
2.1.1系统的组成
供水系统的构成框图如图2.1所示。
它主要由PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、水泵机组等组成。
用户通过电控柜面板上的指示灯和按钮、转换开关（图2.1.1）来了解和控制系统的运行。
图2.1系统组成框图
图2.1.1电控柜面板图
2.1.2系统的特点
⑴节能，可以实现节电20%-30%，能实现绿色用电。
⑵占地面积小，投入少，效率高。
⑶配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。
⑷运行合理，由于是变频调速，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。
⑸由于变频恒压供水直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。
⑹通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。
⑺可以实现生活/消防双恒压供水。
2.1.3系统的工作原理
该系统有手动和自动两种运行及停止方式。
⑴手动方式时，按下按钮启动和停止水泵，可根据需要分别控制1#～3#泵的启停，该方式主要供设备调试、自动有故障和检修时使用。
⑵自动运行时，首先由1#水泵变频运行，变频器输出频率从0HZ上升，同时PID调节器把接收的信号与给定压力比较运算后送给变频器控制。
如压力不够，则使频率上升到50HZ，变频器输出一个上限频率到达信号给PLC，PLC接收到信号后经延时，1＃泵变频迅速切换为工频，2＃泵变频启动，若压力仍达不到设定压力，则2＃泵由变频切换成工频，3＃泵变频启动；剩下的水泵启动依此类推，直到压力达到给定值为止。
如用水量减少，PLC控制从先起动的泵开始切除，同时根据PID调节参数使系统平稳运行，始终保持管网压力。
若有电源瞬时停电的情况，则系统停机，待电源恢复正常后，系统自动恢复到初始状态开始运行。
变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵的启动、停止、循环变频的全部操作过程。
2.1.4系统的控制原理
通过安装在总出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4～20mA标准信号送入变频器内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，得到4～20mA参数，4～20mA信号送至变频器。
控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，根据用水量的不同，变频器调节水泵的转速不同、工作频率也就不同，在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大时，变频器迅速上升到上限频率，此时，变频器输出一个开关信号给PLC；当用水处于低峰时，变频器输出达到下限频率，变频器也输出一个开关信号给PLC；两个信号不会同时产生。
当产生任何一个信号时，信号即反馈给PLC，PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。
通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。
2.2水泵机组的循环切换
开始工作时，1#泵变频启动，泵的转速随变频器输出频率的上升而逐渐升高，如变频器的频率达到50HZ而此时水压还未达到设定值，变频器检测到上限频率并输出一个开关信号给PLC，延时一段时间后，1＃泵解除变频器运行信号，频率降为0HZ，并迅速切换至工频运行，然后2＃泵变频启动，若压力仍未达到，则2＃泵切换至工频，3＃泵变频启动，在运行中始终保持一台泵变频运行，当压力达到设定值时变频输出将为0HZ，同时变频器输出一个下限频率信号至PLC，由PLC决定切除1＃工频泵，此时由一台工频泵和一台变频泵运行，如果此时压力达到设定值，变频器的输出为0HZ，同时输出下限信号给PLC，PLC解除2＃工频泵，只由3＃泵变频运行来维持管网压力。
当压力下降，变频器频率升至50HZ输出信号，延时后3＃泵切换为工频，1＃泵变频启动，若压力仍不满足则1＃变切换为1＃工，2＃泵变频运行，如果压力仍达不到，2＃变切换为2＃工，启动3＃变，三台泵同时工作以保证供水要求。
切换示意图如图2.2所示。
这样的切换过程有效地减少泵的频繁起停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。
图2.2泵组切换示意图
第3章供水系统的硬件设计
3.1硬件的配置与选型
3.1.1PLC的配置与选型
SIMATICS7-200可编程序控制器是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用；大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，各种单独的模块广泛组合以用于扩展；简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活；方便用户和简易的无风扇设计；当控制任务增加时，可以自由扩展；大范围的集成功能使得它的功能非常强劲。
多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。
当任务规模扩大，可随时使用附加模块对PLC进行扩展。
根据对该系统的分析，系统的开关量输入点8个，开关量输出点12个，如果选用西门子S7-200系列的PLC，CPU224（14个输入点/10个输出点）也需要拓展模块，根据我们的实际情况和当前市场报价，我们选用西门子S7-200系列CPU226的PLC。
如图3.1.1
图3.1.1
3.1.2变频器的配置与选型
1、变频器的配置组成
变频器主要由整流（交流变直流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成,如图3.1.2所示
图3.1.2
2、变频器的选型
变频器选型时需要确定以下几点：
（1）采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。
（2）变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
（3）变频器与负载的匹配问题；
I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II.电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
（4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
（5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
总之，可以根据电机的功率、使用变频器的场所、电机的额定电流、使用的环境等因素，来选择合适的变频器。
以便使效果达到最佳状态。
根据以上变频器选型的要点，我们在这次的方案中，选择了132KW的变频器。
3.2主电路设计
该系统包括3台水泵电动机M1、M2、M3，功率都为37KW。
一台蓝海华腾V5-H（132KW）的变频器，依次控制每台水泵实现循环降压启动及转速的调节，实现恒压控制。
蓝海华腾变频器，在手动运行时，依次控制每台水泵的启动和停止，避免了大电流对系统的冲击，消除了水锤效应，延长了系统的使用寿命。
系统具有变频和工频两种运行状态，当变频泵达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵切换为工频运行状态，并指示下一台为变频泵。
主电路图如下所示：
见图3.2其中交流接触器1KM2、2KM2、3KM2分别控制M1、M2、M3工频运行，1KM1、2KM1、3KM1变频运行，KM0控制变频器的工作，并且工频与变频、变频器和软启动器是互锁的。
FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器。
图3.2
3.3控制电路设计
⑴控制电路（图3.3.1、图3.3.2）主要由PLC、继电器线圈和辅助触点、指示灯、转换开关、变频器控制电路等组成，它有手动和自动两种操作方式，其中手动主要用于调试、系统故障和维修时使用，两种操作方式不能同时运行，只能运行一种，它们通过转换开关和中间继电器互锁。
由于PLC的输出电流最大为2A，不能直接用来驱动交流接触器，在PLC的每个输出点上接一个中间继电器，将输出信号放大后，再驱动交流接触器。
为了防止PLC输出点短路时引起的大电流损坏PLC，在PLC的每个输出点上接一个熔断器，作为输出短路保护。
图3.3.2中的QF7为控制电路的隔离开关，FU3为控制电路的短路保护，SA为手动/自动转换开关，SA打在①位置时（①和④接通）为手动控制状态；打在②位置时（②和③接通）为自动控制状态。
手动运行时，可用按钮SB2～SB7控制三台水泵电机的启/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。
FU00～FU10为PLC的输出短路保护熔断器，KA0～KA10为PLC的输出继电器。
HL1、HL3、HL5为水泵电机变频运行指示，HL2、HL4、HL6为水泵电机的工频运行指示，HL7、HL8分别为自动和手动运行指示，HL9、HL10分别为故障报警和火灾报警指示，HA为电铃。
（2）PLC的I/O分配表
输入信号如表1
代码
名称
地址编号
RO1
变频器上限频率到达信号
I0.0
RO2
变频器下限频率到达信号
I0.1
FA
变频器故障信号
I0.2
SH
水池水位上限
I0.3
SL
水池水位下限
I0.4
XF
消防信号
I0.5
SB0
紧急停止按钮
I0.6
FR1+FR2+FR3
热继电器常闭触点
I0.7
SB1
试灯按钮
I1.0
输出信号表2
代码
名称
地址编号
1KM1、HL1
1#泵变频运行接触器及指示灯
Q0.0
1KM2、HL2
1#泵工频运行接触器及指示灯
Q0.1
2KM1、HL3
2#泵变频运行接触器及指示灯
Q0.2
2KM2、HL4
2#泵工频运行接触器及指示灯
Q0.3
3KM1、HL5
3#泵变频运行接触器及指示灯
Q0.4
3KM2、HL6
3#泵工频运行接触器及指示灯
Q0.5
DI1
变频器启动
Q0.6
DI2
变频器复位
Q0.7
YV2
生活/消防供水转换电磁阀
Q1.0
HL9、HA
声光报警线圈
Q1.1
HL10
火灾报警指示
Q1.2
图3.3.1PLC的外部接线图
图3.3.2手动/自动控制电路图
3.4变频器参数设定和控制电路接线图
3.4.1蓝海华腾V5-H变频器的参数设定
3.4.1.1通讯参数设置
由PLC控制变频器，采用上位机控制电机启动：
当变频器是由上位机控制时，确定接线准确无误后上电，将P0.06设定为上位机控制（P0.06=2），其接线方式是变频器与上位机之间使用485通讯连接，在变频器与上位机中要设置相应的有关通讯（PC组参数）的设定。
当变频器与上位机通讯正常以后，可以通过上位机来修改变频器运行的状态。
运行的状态要求变频器正转时，送给变频器的控制命令字（地址是8000（十六进制））正转命令（Wh8000=01），当要求变频器停止运行时，送给变频器的控制命令字停止命令（Wh8000=00）。
3.4.1.2PID控制参数设置
设置P0.03=1：
为模拟量反馈过程闭环控制；设置P1.02：
模拟量反馈闭环控制主给定方式，选择0为P8.00数字给定；设置P1.05：
模拟量反馈闭环控制主反馈方式，根据实际反馈接到那个端子而设置。
如果设置P1.02=0，则目标数值为P8.00设置，如果P8.00设置为5V
则反馈数值到5V则达到平衡状态；小于5V则速度上升；大于5V则速度下降；如果设置P1.02=1，则目标数值为AI1设置，如果AI1调节为5V则反馈数值到5V则达到平衡状态；小于5V则速度上升；大于5V则速度下降。
3.4.1.3变频器控制电路接线图
图3.4.1.3
第4章供水系统的软件设计
对于一个自动控制系统来说，硬件是基础，软件是灵魂。
软件已经成为计算机系统的主体，在很大程度上决定了系统的先进性、可靠性、实用性以及实时性。
信息管理及监控软件是一种特殊的软件，它具有如下特点：
1．要求可靠性特别高。
可靠性不仅意味着系统工作的正确性，而且要求系统工作的连续性。
例如控制过程不允许中断，系统中各种参数不允许丢失；
2．要求系统软件实时性强。
实时性要求系统能够实时反映监测量并及时做出控制决策，即具有较快的响应速度。
3．要求软件的使用和维护方便。
信息管理及监控软件主要由工程技术人员和操作人员使用，要求系统的使用和维护都很方便。
本章对供水系统的软件进行设计
4.1软件的选取
系统程序必须有专门的应用软件来编写，在这里我们选用STEP7-MICRO/WINV4.0编程软件，该编程软件的基本功能是协助用户完成PLC应用程序的开发，同时具有设置PLC参数、加密和运行监视等功能。
STEP7-MICRO/WINV4.0编程软件在离线条件下，可以实现程序的输入、编辑、编译等功能。
编程软件在联机工作方式（PLC与编程PC相连）可实现上、下载，通讯测试及实时监控等功能。
4.2程序设计
本系统运行的关键是PLC程序的合理性、可行性问题。
系统程序包括主程序和启动子程序，主程序内包括参与调节程序和电机切换程序；电机切换程序又包括加电机程序和减电机程序。
启动程序实际上是清零程序，在PLC上电时，初始化清零。
由于采用了变频器内部的PID调节器，我们这里就不需要PLC的模拟量模块了。
也不需要采用PLC的PID功能指令了，只需将PLC与变频器用通信电缆连接，实现通信。
逻辑运算及变频器复位等放在主程序里。
系统初始化的一系列放在子程序中完成，这样可以节省扫描时间。
生活供水的给定值为70%，消防供水的给定值为90%。
（见附录一Network2）
4.3程序功能图的设计
程序中使用的元件（见表3）
程序功能图见图4.3
图4.3
表3程序中使用的元器件列表
元器件
地址
功能
元器件
地址
功能
VD104
压力给定值
M0.0
故障结束脉冲信号
VB300
变频工作的泵的泵号
M0.1
泵变频启动脉冲
VB301
工频运行的泵的总台数
M0.3
倒泵变频启动脉冲
VD310
倒泵时间存储器
M0.4
复位当前变频运行泵脉冲
T33
工频/变频转换逻辑控制
M0.5
当前泵工频运行启动脉冲
T34
工频/变频转换逻辑控制
M0.6
新泵变频启动脉冲
T37
工频泵增泵滤波时间控制
M2.0
泵工频/变频转换逻辑控制
T38
工频泵减泵滤波时间控制
M2.1
泵工频/变频转换逻辑控制
T39
工频/变频转换逻辑控制
M2.2
泵工频/变频转换逻辑控制
M3.0
故障信号汇总
M3.1
水池水位下限故障逻辑
附：
程序语句表（详见附录一）
第5章供水系统的调试
5.1调试注意事项
通电前应检查有无漏接线，接线是否正确；检查所有螺丝、端子有无松动现象；控制箱内电气元件上有无可能引起电气短路的线头及其它金属杂物；控制箱体外壳接地线接法是否正确，接触是否良好。
检查后，合上QF1，设定变频器参数。
5.1.1变频器参数的设置
P0.03=1模拟量反馈过程闭环控制
P0.06=1端子控制模式
P0.08=6.0秒系统加速时间
P0.09=6.0秒系统减速时间
P2.02=FECB可看输出电压，功率，电流，频率
P2.03=2222停机可看压力值
P2.04=2,运行时可查看压力实际值
P2.05压力实际值与显示有偏差设校正系数
P5.01=20,故障复位
P7.022，变频器继电器输出信号为FDT1
P7.20=20.00HzFDT1启动频率点，控制加载
P7.21=19.00HzFDT1结束频率点，控制加载
P8.00=5.5变频恒压闭环压力给定
P8.03=1.000,恒压闭环PID的P
P8.04=10.00,恒压闭环PID的I
P8.07=0.0,恒压闭环PID的偏差极限2%
P9.01设置电机极数
P9.03设置电机额定功率
P
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