基于PLC控制的恒压供水系统设计.docx

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基于PLC控制的恒压供水系统设计

基于PLC控制的恒压供水系统设计

摘要在我国经济的飞速发展过程中，为了实现经济的可持续发展，节能减排的要求必将越来越高，使得节能设备得以大规模的推广和使用。

同时随着城市化进程不断加快，大量人口涌入城市，使得大中城市的原有基础设施不足以满足日益增长的使用需求，改建扩建这些基础设施必将提上日程，怎样既经济又高效又能满足以后扩展需要是我们当前必须面对的问题。

此外人们对生活质量要求不断提高，对城市基础设施的性能提出了更高的要求。

城市供水系统的建设是其中一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响人们的正常工作和生活。

传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度地存在效率低、可行性差、建设周期长、供水质量得不到保障等缺点，与节能和提高人们生活水平不相适应。

基于以上要求，本论文针对我校发展情况以及对师生生活用水周期的分析，利用变频器在恒压供水方面的优良表现设计出对生活供水进行变频控制的控制系统，并借助于PLC使整个系统更智能可靠，以此达到节能和学校办学条件的目的。

关键词恒压供水，变频调速，变频器，PLC

1绪论

在我国经济的飞速发展过程中，城市化进程加快，大量人口涌入城市，使得大中城市的原有基础设施不足以满足日益增长的使用需求，改建扩建这些基础设施必将提上日程。

此外人们对生活质量要求不断提高，对城市基础设施的性能提出了更高的要求。

由于我国是一个人均能源相对贫乏的国家，为了实现可持续发展，对节能的要求也越来越高。

把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。

变频调速恒压供水技术其节能、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（实际上为供水管网的压力变化）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先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

2恒压供水系统

系统采用3台水泵并联运行方式，把1泵和变频器连接，实现变频运行。

为保护电机，2泵和3泵用软起动器来启动，起动参数可调，而且采用软起动具有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机冲击电流大的弊病，减轻对管道的冲击，避免高程供水系统的“水锤效应”，减少设备损坏。

2.1系统的总体方案

系统在工作过程中，压力传感器将主管网水压变换为电流信号，经模拟量输入模块，输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的频率。

当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下恒压运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力达到设定值时，压力传感器上传的信号被PLC检测到，PLC自动将变频泵的频率降至出水频率，同时将第二台泵软启动投入到工频运行，以保持压力的稳定，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现；一段时间后，若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将软启动下一台水泵。

当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时实际压力值大于设定压力，PLC将最后启动的工频泵停掉，以减少供水量。

一段缓冲时间后，当变频器仍工作在出水频率以下时，PLC再软停车停掉第2台工频运行的电机，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现。

图2.1系统总体布局图

2.2本系统的特点

提高系统可靠性和备用泵的利用率，是本系统的目的，也是其特点。

系统有手动和自动两种工作模式，手动模式便于设备调试和检修。

系统在自动模式下可实现水泵循环备用，且当备用泵故障时可推出循环，这样可以均衡各个水泵的平均工作时间，防止水泵因长时间工作过热，和后备水泵因长时间不工作而发生生锈“卡死”的可能，提高了设备的利用率，降低了其维修费用。

节能，是设计这套系统的另一个重要目的。

第一，普通二级加压水厂只单纯手动控制电机的启动和切换，这样在电机启动时会产生很大的启动电流，长此以往对电机寿命有很大损害，而且在供水时一直按工频全速运转效率低、能耗大。

而本系统可根据实际压力变化自动调整变频器频率，从而改变电机转速，减少了能量的消耗。

第二，普通恒压供水在用水量变化较大时有高效、节能的作用，但在用水量很小的情况下，如晚上，变频器工作在出水频率附近，耗电量增大。

本系统是由变频技术、压差—恒压自动转换技术及微泄露补偿技术组成。

采用这种技术供水时，变频设备能自动的根据供水流量转换供水方式，并利用微泄漏补偿器储能，来实现微小流量下高效率供水的目标。

3恒压供水系统主要器件

3.1异步电动机

异步电动机由定子和转子两部分组成，二者之间有一个很小的空气隙。

定子的铁芯槽内放置对称三相绕组，三相绕组在空间位置上互差120o的电角度。

转子绕组有两侧端部互相短接的铜条或铝条构成，和外电路之间没有任何联系。

异步电动机的转速公式

n——转子转速，r/min

s——转差率

异步电动机驱动转轴带动负载时，除要求它输出一定转矩和功率外，应生产和生活的需要，往往要对它的转速进行调节。

调速性能包括：

调速范围、调速平滑性、调速设备复杂程度、调速损耗。

变频调速的出现使得异步电动机高性能调速成为可能。

异步电动机调速技术方案有以下几种：

（1）改变磁极对数调速；

（2）改变转差率s调速；

（3）变频调速。

变频电源可以由变频器来实现，有两种方式：

将50Hz的交流电整流成直流，再将直流逆变成频率不同的交流电，称为交—直—交变频；或者直接将50Hz的交流电变为频率可变的交流电，称为交—交变频。

3.2变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

迄今为止，在中小型变频器中应用最为广泛的是交—直—交（VVVF变频）、电压型变频器。

先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、电源指示灯、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。

变频器结构如图3.1所示。

变频器由以下几部分组成：

（1）整流电路；

（2）限流电路；

（3）滤波电路；

（4）电源指示灯；

（5）制动电路；

（6）逆变电路；

（7）其他若干检测取样电路。

图3.1变频器结构图

4供水系统的硬件电路设计

4.1供水系统流量的计算

4.1.1供水系统流量的计算

就我们攀枝花学院，设定每人一天的用水量为20升，我校共有15000多名师生。

则一天的最大用水量为

每小时最大时的用水量为

4.1.2供水系统扬程的确定

本校水平最高楼位于C区，楼高5层，每层高度按3m计算，则楼高为15m，水池与C区平面相距约10米，供水高度为25m。

一般由现实需要还要加上一层，即供水高度为28m，再加上经验值15m～20m，则泵的总扬程为43～48m。

选择离心泵扬程应为48米以上，适配15KW的电机（Y160M2-2），共3台。

由于电机的功率为15KW，选择康沃生产的P2系列CVF-P2-4T0185，软起动器选择STR015A，功率为18.5KW。

4.2系统控制方案

4.2.1供水

①单泵工作

开机延时5秒，首先开启真空泵，开启1泵真空电磁阀和1泵电动阀，真空泵工作1分钟后（可以设置），开启变频1泵，关闭真空泵，关闭1泵真空电磁阀；1泵按2HZ/S速度上升至出水频率（可以设置），再按1HZ/S速度工作。

②进泵

当1泵到达全速但压力达不到设定值，延时（可以设置）开启真空泵，开启2泵真空电磁阀和2泵电动阀，真空工作1分钟后（可以设置），软起工频2泵，关闭真空泵，关闭2泵真空电磁阀；1泵下降至出水频率（可以设置），若压力超过设定压力，重新执行单泵工作程序。

③退泵

当1泵频率下降至出水频率（可以设置），实际压力超过设定压力，延时（可以设置），停止2泵，关闭2泵电动阀，重新执行单泵工作程序；

④3泵为手动/自动备用泵，本系统考虑到当遇到特殊情况时两个泵达不到需求时，要启动3泵。

故在PLC程序中编写了进退3泵的程序。

⑤电动阀门可自动，也可手动控制。

4.2.2取水

当蓄水池水位下降到水位下限后，停止所有工作供水泵，并开启取水电动阀；到达工作上限时，自动启动系统，关闭取水电动阀，按照以上程序执行。

4.2.3工作状态

系统分自动和手动控制，在自动状态下执行自动程序，在手动状态下能够手动启动所有负载。

恒压供水系统原理图如图4.1所示。

4.3强电驱动线路1

系统采用3台水泵并联运行方式，功率为15kw，两备一用。

把1泵和变频器连接，实现变频运行。

2泵和3泵用软起动器来启动，起动参数可调，而且采用的软起动器具有软停车功能。

强电驱动线路1如图4.2所示。

图4.1恒压供水系统原理图

图4.2强电驱动图1

4.4强电驱动线路2

强电驱动线路2如图4.3所示。

电路图左边的是真空泵的主电路，断路器QF4和热继电器FR1用来保证电机安全运行，KM1的作用是在PLC中用来控制真空泵的开闭。

三个电压表用来检测主电源线中电压是否稳定。

最右边的电路是为控制电路和PLC供电设计的。

先通过变压器把380V转换成220V，用低通滤波器滤掉高频谐波，最后通过开关电源就得到24V和5V。

4.5电动阀控制电路

图4.4中控制四个电动阀的接触器分别是KM2、KM3、KM4、KM5。

电动阀里有两个限位开关，三个接线端子。

其中两个常开、常闭触点是主管阀门的开启和闭合。

连接在端子排中的1号位的是公共端，2号位的常闭触点的作用是关闭电动阀，3号位的常开触点闭合后电动阀开启。

当电动阀开到90°时，会碰到5号位的关到位限位开关，线圈就会通电说明电动阀已经完全打开。

同样，当关闭电动阀时，反转到90°时，会碰到4号位的开到位的限位开关，线圈通电表明电动阀已经成功关闭。

图4.3强电驱动图2

图4.4电动阀控制线路

4.6PLC接线图

图4.5所示的是LG-PLC接线图。

在可编程控制器的左右两边分别是定义

的输入点和输出点。

本系统共用到三个泵，所以需要定义三个泵的状态输入和故障输入，又因为所用的泵是离心泵，离心泵启动时必须有真空泵把空气抽净，所以又加上了真空泵的控制端口。

在现实控制中，手动是必须的。

为了能让备用泵顺利转换，定义循环线路的输入和输出端口来保证两个软起泵能按时转换。

在PLC右边，定义了三个供水泵，

真空泵和四个电动阀的输出控制端口。

最后的那三个供水泵电磁阀是用在每个泵启动时控制真空泵抽各离心泵中空气用的。

下图右边是完成本次系统任务的必需扩展。

首先，是两个ADHB模数转换模块，用来处理如水位，压力和频率的模数转换。

这三个模拟量不能直接参与PLC的运算，需要转换成数字量后才行。

每个输入输出都有自己的寄存器地址，在编程时还要在调用寄存器的值的时候与相应的系数进行运算才可用于PLC中的PID运算。

它对于编程和现场控制有很大帮助。

可以随时在需要的情况下改变如三个模拟量系数、水位的上下限和备用泵的转换时间。

图4.5PLC接线图

4.7控制线路

下面两图为本系统的控制线路。

电源线为三相线的A、B相线，为了防止过载、短路和欠电压，最开始设置上了断路器。

下面的K按钮是应急按钮。

再下面的手动转换开关是用来选择手动还是自动。

接触器最多只有四个常开触点，拿手动来说，需要两个10型的接触器和两个40型的辅助触头，共16个常开触点，KM8同理。

每个泵阀门都有自动和手动，这是在实际需要的立场上设计的。

图4.6控制线路1

图4.7控制线路2

5恒压供水系统软件设计

本设计由于采用的PLC是LG系列的，所以在这里简单介绍一下LG系列PLC的一些编程规则。

5.1梯形图的基本绘制规则

（1）编程顺序

（2）编号分配

（3）触点的使用次数和线圈的使用次数

（4）线圈的连接

5.2恒压供水系统I/O口分配

系统具体控制方案上章已叙述，在此把恒压供水系统的I/O分配列举如表5.1（略）。

5.3程序流程图

具体控制方案上面已有详细叙述，根据本课题要求和实际情况的限制，恒压供水系统流程图见附录（略）。

5.4程序编写

在硬件系统设计中，采用了一台变频器连接1台电动机，变频器输入电源前面接入一个空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。

对于用软启动器控制的电动机，还需要在软启动器上面接入两个空气开关，来实现电机的过流过载保护，空气开关的容量依据电动机的额定电流来确定。

所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。

水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反转，实现阀门的开启和关闭。

PLC主程序主要由系统初始化程序、变频1泵起动程序、恒压供水模块程序、进2泵程序、求模拟量平均值程序、进3泵程序、退3泵程序、压差程序、故障处理程序等构成。

程序见附录（略）。

6结束语

此次设计是以攀枝花学院的供水状况为设计课题，包括：

恒压供水系统原理、恒压供水系统的电气实现、系统的硬件选型、系统的硬件电路设计和软件电路设计等，本设计一共包含四大章设计内容，其主体是由变频技术、压差—恒压自动转换技术、微泄漏补偿技术组成的，是现阶段水处理行业较为先进的供水方法。

本系统与现在普通二级加压水厂相比，具有简单经济、控制方便、节能降耗的优点。

首先，普通二级加压水厂只单纯手动控制电机的启动和切换，这样在电机启动时会产生很大的启动电流，长此以往对电机寿命有很大损害，而且在供水时一直按工频全速运转效率低、能耗大。

而本系统可根据实际压力变化自动调整变频器频率，从而改变电机转速，减少了能量的消耗。

其次，普通恒压供水在用水量变化较大时有高效、节能的优点，但在用水量很小的情况下，如晚上，变频器工作在出水频率附近时耗电量增大。

而本系统通过压差—恒压自动转换技术和微泄露补偿技术解决了这个难题。

再次，本设计运行维护简单方便，对于操作人员不要求具备专业的水处理知识，只根据操作说明书和操作规程就可以对整个水厂进行操作管理，因此，采用此设计建设的水厂适应性强，在现阶段很受客户的欢迎。

这种水处理技术未来发展前景很大，它的供水方式和控制方式都符合供水发展方向，是现代人们生活所要求的并且前景光明。

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TheDesignoftheWaterSupplySystemBasedontheControlofPLC

SheJiyuInstructor:

FengMingchin

Abstract：

IntherapiddevelopmentofChina'seconomicprocess,inordertoachievesustainableeconomicdevelopment,energy-savingemissionductionrequirementswillbegettinghigherandhigher,makingenergy-savingequipmenttolarge-scalepromotionanduse.Atthesametimeasceleratingtheprocessofurbanization,aninfluxofimmigrantsintothecity,makinglargeandmedium-sizedcities,theinfrastructureisnotsufficienttosatisfytheoriginaluseofthegrowingdemand,intotheexpansionofsuchinfrastructurewillbeputontheagenda,whatiseconomicalandefficientandexpansiontomeettheneedsofthefutureisthatwemustfacetheproblemofthecurrent.Inadditiontothequalityoflifeofpeoplecontinuallyincreasingdemandsontheperformanceofurbaninfrastructurehasputforwardhigherrequirements.Theconstructionofurbanwatersupplysystemisoneoftheimportantaspects,watersupplyreliability,stability,economydirectlyaffectpeople'snormalworkandlife.Thetraditionalconstantpressurewaterpump,highwatertowertankwatersupply,waterpressuretankwatersupplymeansexisttovaryingdegreesgenerallylowefficiency,poorfeasibility,longconstructionperiod,waterqualityandothershortcomingsarenotguaranteed,andenergyefficiencyandraisethestandardoflivingareincompatible.Basedontheabove,thepresentpaperforthedevelopmentofourschoolteachersandstudents,aswellaslifecycleanalysisofwater,theuseoffrequencyconverterintheconstantpressurewatersupplyoftheoutstandingperformanceoflifedesignedforvariablefrequencycontrolofwatercontrolsystems,andthroughtheuseofPLCthewholesystemmoreintelligentandreliabletomeettheconditionsforenergyconservationandthepurposeofschool.

Keywords：

constantpressurewatersupply,variablefrequencyspeedcontrol,frequencyconverter,PLC