基于PLC的恒压供水系统的设计 推荐.docx
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基于PLC的恒压供水系统的设计推荐
目录
1绪论……………..3
2恒压供水系统3
2.1变频供水系统的选择5
3变频恒压供水系统构成及工作原理7
3.1主电路接线图7
3.2系统控制电路图8
4相关器件的选型及接线10
4.1PLC的选型10
4.1.1PLC的特点10
4.1.2PLCI/O端口的说明与接线10
4.1.3PLC的接线11
4.2变频器的选择13
4.3电动机的选型14
4.4PID控制参数整定15
4.4.1泵供水系统的结构15
4.4.2泵供水系统各环节的传递函数15
4.4.3simulink环境仿真及PID参数设定16
5PLC控制及编程19
5.1PLC控制20
5.1.1手动控制20
5.1.2自动控制20
参考文献21
致谢21
第1章绪论
众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。
主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。
在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。
以下为传统的泵供水系统，逐一分析。
（1）一台恒速泵直接供水系统
这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。
这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。
这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。
（2）恒速泵+水塔的供水方式
这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。
水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。
水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。
水泵处于断续工作状态中。
这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效能区。
这种方式显然比前种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。
（3）射流泵十水箱的供水方式
这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用压差和来水管粗，出水管细的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量（流量）的现象，无法满足高层供水的需要。
（4）恒速泵十高位水箱的供水方式
这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。
高层建筑还可分层设立水箱。
占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。
一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。
水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操作，使系统的供水质量下降能耗增加。
（5）恒速泵十气压罐供水方式
这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。
罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。
而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。
但气压罐供水的方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者作一比较。
（6）变频调速供水方式
这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。
使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内.变频调速水泵调速控制方式有三种:
水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。
①出口恒压控制
水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定。
这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。
②出口变压控制
这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。
他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天24小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。
所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。
③最不利点恒压控制
这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。
由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。
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。
由于城市供水量不断加大，对城市管网的实时监测提出了更高的要求。
第2章恒压供水系统
2.1变频恒压供水控制方式的选择
目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：
1．逻辑电子电路控制方式
这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。
因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。
2．单片微机电路控制方式
这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。
电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。
3．带PID回路调节器或可编程序控制器（PLC）的控制方式
该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。
实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。
传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。
压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。
还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。
由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲。
既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。
由于带模拟量输入，输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。
若采用带有模拟量输入，数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。
这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。
如果采用一个开关量输入，输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入，输出的可编程控制器差不多。
所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。
4．新型变频调速供水设备
针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO—I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的GIIS／PIIS系列产品；等等。
这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。
由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。
由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。
同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。
考虑以上四种方案后，此次设计采用第四种方案。
如图2.2所示。
。
图2.2供水系统方案图
由图可知：
水压传感器检测的泵出口水压与给定值比较产生偏差信号，经控制器调节后产生相应控制信号控制变频器的频率。
变频器控制电机转速，使水压值位于泵供水系统给定值的允许误差范围内。
第3章变频恒压供水系统的构成及工作原理
3.1主电路接线图
基于PLC的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。
本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频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。
因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。
图3.1恒压供水系统主电路图
三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。
当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。
主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。
变频和工频两个回路不允许同时接通。
而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。
同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。
为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4~20mA电流信号送至上位机来显示。
同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。
并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。
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、运行和停止的操作不能直接断开主电路（如直接使熔断器或隔离开关断开），而必须通过变频器实现软启动和软停。
为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。
当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。
3.2系统控制电路图
恒压供水系统中要有摸拟量的输入输出，所以要选模拟量扩展模块，根据要求选择；三菱FX0N-3A型号的PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。
PLC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；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。
如图3.2为电控系统控制电路图。
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。
对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。
图中的Y0-Y5及Y11-Y15为PLC的输出继电器触点。
图3.2系统控制电路图
第4章相关器件的选型及接线
4.1PLC的选型
三菱FX0N-3A型
4.1.1PLC的特点
归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：
1）编程方法简单易学2）功能强，性能价格比高
3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
4）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强
5）系统的设计、安装、调试工作量少
6）维修工作量小，维修方便7）体积小，能耗低。
4.1．2PLCI/O端口说明与接线
（1）由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。
白天，小区的用水量大，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中的三菱FX0N-3A型号的PLC的输入输出信号的名称、功能及地址编号如表4.1所示。
表4.1输入输出点代码及地址编号
名称
功能
地址编号
输入信号
SB10
启动按钮
X0
SB11
停止按钮
X1
SB12
变频器AU选通控制器电流输入按钮
X2
SB13
变频器RES控制复位按钮
X3
SH
水位上限
X10
SL
水位下限
X11
A
变频器正常输出
X12
B
变频器异常输出
X13
FU
变频器频率输出上限
X14
OL
变频器频率输出下限
X15
IN
压力传感器输出模拟量
IN
输出信号
KM1HL1
1#泵变频运行接触器及指示灯
Y0
KM2HL2
1#泵工频运行接触器及指示灯
Y1
KM3HL3
2#泵变频运行接触器及指示灯
Y2
KM4HL4
2#泵工频运行接触器及指示灯
Y3
KM5HL5
3#泵变频运行接触器及指示灯
Y4
KM6HL6
3#泵工频运行接触器及指示灯
Y5
KM7
4#泵工频运行接触器
Y6
STF
变频器正转
Y10
KA1
变频器复位
Y11
HL7
变频器正常运行灯
Y12
HA
变频器异常电铃
Y13
HL8
压力传感器异常灯
Y14
HL9
水位上下限警报灯
Y15
KA2
变频器AU控制选通
Y16
OUT
PLC扩展模块输出
OUT
结合系统控制电路图4.2和PLC的I/O端口分配表4.1，画出PLC及扩展模块的外围接线图，如下图4.2所示：
图4.2PLC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FX2N_3A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窗口比较器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平1，送入I0.1；变频器的故障输出端与PLC的I0.2相连，作为变频器故障报警信号；开关SB7与I0.3相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作。
本变频恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。
Y1~Y5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；Y11输出水位超限报警信号；Y12输出变频器故障报警信号；Y13输出白天模式运行信号；Y14输出报警电铃信号；Y15输出变频器复位控制信号；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。
图3.4只是简单的表明PLC及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。
它忽略了以下因素：
（1）直流电源的容量；
（2）电源方面的抗干扰措施；（3）输出方面的保护措施；（4）系统的保护措施
4.2变频器的选型
通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。
此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。
而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。
对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等。
根据系统要求选用三菱FR-A540-55K型号变频器,功率为55KW。
控制特性
控制方式
柔性PWM控制
输出频率范围
0.2至400HZ
频率设定分辨率
模拟输入
0.015HZ/60HZ（端子2输入：
12位/0至10V）
数字输入
0.01HZ
频率精度
模拟量输入时最大输出频率的0.2%以内，数字量输入时设定输入频率的0.01%以内
电压、频率特性
基地频率频率可在0至400HZ以内任意设定
启动转矩
0.5HZ时：
150%
转矩提升
手动转矩提升
加减速时间设定
0至3600秒，可选择直线型或S-型加减速
直流制动
动作频率（0至120hz）,动作时间（0至100s），电压（0至30%）可变
失速防止动作水平
可设定动作电流（0至200%可变），可选择是否用这种功能
图4.3变频器控制特性表格
4.3电动机的选型。
水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：
n=60f/p（1-s）式中：
f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。
从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：
改变电源频率；改变电机极对数；改变转差率。
改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要使用专门的变极电机有级调速，而且级差比较大，即在变速时转速变化率、转矩变化也大，因此此类调速只适用于特定转速的生产机器。
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.所选电动机与其参数如下：
电动机各个指标
各指标的参数值
型号
Y120M
额定功率
5.5W
额定电压
380V
满载时定子电流
1.13A
转速
1440R/MIN
效率
86%
功率因素
0.86
启动电流/额定电流
6.5A
起动转矩/额定转矩
1.8
最大转矩/额定转矩
2.5
转动惯量
0.078
重量
87
4.4PID控制参数整定
在供水系统的设计中，选用了含PID调节的PLC来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定。
在连续控制系统中，常采用Proportional（比例）、Integral（积分）、Derivative（微分）控制方式，称之为PID控制。
PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。
具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。
本系统是一个单闭环系统，结构框图如图4.4所示。
图4.4恒压供水系统结构框图
4.4.1 泵供水系统的结构
泵供水系统的基本结构如图2..2所示。
水压传感器检测的泵出口水压与给定值比较产生偏差信号，经控制器调节后产生相应控制信号控制变频器的频率。
变频器控制电机转速，使水压值位于泵供水系统给定值的允许误差范围内。
4.4.2 泵供水系统各环节的传递函数
1.变频器的传递函数在工程实践中可设定为一个小惯性环节[5]，变频器环节可用以下传递函数描述[5]。
式中：
ω1为变频器输出角频率；U为变频器的输入电压；ω1（s），U（s）分别为ω1，U的拉普拉斯变换；s为复变量；T为常数，一般为几十至几百；k为比例系数，k=ω1/U。
2.异步电机的传递函数可以描述为[6]
式中ω为转子角速度；ω（s）为ω的拉普拉斯变换；Td为常数，其中
式中i为极对数；J为转动惯量；U10，ω10分别为定子电源的电压和角频率在静态工作点上的值；R2为折算到定子侧的转子电阻值；D为摩擦系数；Km为常数。
3.水泵管道环节用下列传递函数描述[6]
式中p为水压；p（s），ω（s）分别为p，ω的拉普拉斯变换；Tb为表征水流惯性的时间常数；Kb为常数；Kg为表征水流“反调节”作用的微分系数。
4.4.3 Simulink环境仿真及PID参数设置
用simulink创建系统模型并对系统线性化模型进行仿真，在Simulink环境下改变PID参数，通过仿真观察输出响应确定PID参数值。
增加比例控制器的比例系数可以减小系统稳态误差，提高精度，但系统相对稳定性降低;积分控制器可提高系统的稳态性能，但使系统相对稳定性变差;微分控制器能改善系统瞬态特性并有助于增加系统稳定性[10]。
为了提高泵供水系统的稳态性能，加上比例-积分-微分（PID）控制器以减小稳态误差使系统稳定。
经过仿真试验观察系统输出响应得到以下结论：
改变比例环节P，积分微分（ID）环节不变，系统在响应开始时会振荡，但稳态性能较好，随着比例系数的增大，开始时段的振荡也增大。
比例系数继续增大到一定值时系统变得不稳定。
改变微分环节D，比例积分（PI）环节不变时，系统在微分时间常数较小时有较好的稳态性能但响应曲线在开始时不光滑，而且随着微分时间常数增大到一定值时系统变得不稳定。
当比例微分（PD）环节不变时，改变积分环节I，积分时间常数越大，超调量σ%越小，调整时间ts越长。
因此选取较小的比例系数，较小的微分时间常数，合适的积分时间常数作为系统的PID参数。
各个环节的传递函数可根据以上公式及系统参数计算出，本系统设置如下:
设定供水压力给定值为1Mpa，输出是水压测量值。
simulink模块图如下：
图4.5恒压供水系统阶跃响应仿真波形图
图4.5中系统最终稳定，输出水压稳态值为0.6Mpa，但是稳态误差ess为0.4MPa。
这说明系统的稳态性能较差。
要使系统具有良好的稳态性能，需增加一个控制器调节以满足要求。
第五章PLC控制及编程
5.1PLC控制
PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频—变频的切换和水泵工作数量的调整。
工作流程如图5.1所示。
图5.1PLC程序流程图
5.1.1手动运行
当按下SB7按钮，用手动方式。
按下SB10手动启动变频器。
当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。
为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn（n=2,4,6）按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。
可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵.该方式仅供自动故障时使用.
5.1.2自动运行
由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制.
升压控制：
系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态.系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用
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