PLC在恒压供水控制中的应用.docx

1、PLC在恒压供水控制中的应用内容摘要 生产及生活都离不开水。但如果水源离用水场所较远，就需要管路的输送。而将水送到较远或较高的地方，管路中是需要有一定水压的，水压高了，才能将水输送到远处或较高的楼层。产生水压的设备是水泵，水泵转动的越快，产生的水压越高。传统的维持水压的方法是建造水塔，水泵开着时将水打到水塔中，水泵休息时，借助水塔的水位继续供水。水塔中的水位变化相对水塔的高度来说很小，也就是说水塔能维持供水管路中水压的基本恒定。但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。本设计是针对居民生活用水和消防用水而设计的。由变频器、PLC、压力变送器组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵

2、组由三台水泵组成，用水时，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压来控制变频器电动机泵组的速度和切换，使系统运行在最合理状态，保证供水。本论文设计与实现通过组态王进行数据传输的远程网络巡回监控系统。具体讲述了系统的总体设计与软件的实现，并对系统进行了说明。本论文介绍了恒压供水的基本原理及其系统构成的基础，说明了PLC及变频器在恒压供水系统中所担任的角色。从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中的问题，保证供水安全、快捷、可靠。恒压供水保证了供水质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。关键词

3、： 恒压供水； 变频调速； PLC; 组态王监控系统AbstractProduction and life are insepatable from the water.But if the water far away from the place of water,it needs the transmission pipeline.The higher the water to distant or local,is the need for a certain pipe water pressure,high water pressure to move water to higher

4、 floors or the distance.The device is a pump produced water pressure,waterpump rotating faster,the higher the pressure generated.The traditional approach is to maintain the pressure build towers,water pumps turned on the water hitting the towers,the water pump breaks,the water level continues to sup

5、ply with water tower.Water tower water tower in the height of water level change is relatively small,meaning that water supply pipes in the water tower to maintain water pressure is almost constant.However,the construction of water tower takes a financial and towers also cause secondry pollution of

6、water.So,can not be achieved through constant pressure water supply towers then?Certainly,that is introduced into the design of PLC used in constant pressure water supply.Water consumption,the increase in the quantity or inprove the water pump rotational speed to maintain constant water pressure in

7、the pipe network,water and it takes hours to make the opposite adjustment.This is the PLC control constant pressure water supply of the basic ideas. This is designed for residential water and fire water designed.By the frequency conveter,PLC,PID regulator and composition of the control system to reg

8、ulate the pump output flow.Formed by the three water pump motor pump,water closing the fire control network,the frequency converter or power supply,water supply systens under pressure to control the inverter export pump motor speed and switch the system running.The most reasonable condition to ensur

9、e the on-demand water supply.Design and implementation of this thesis,data transmission through ZUTAIWANG circuit remote network monitoring system.Elaborate on the system design and software implementation,and system reliability of the measures taken are described.This paper introduces the basic pri

10、nciples and the constant pressure water supply system constitutes the basis described PLC in the Water Supply System in the role.From the systems overall design and the actual needs of the beginning of life close to reality the need for,and strive to make sure that the system is stable,easy to opera

11、te to solve to reality the need for,and strive to make sure that the system is stable,easy to operate to solve the practical problems,to ensure the water supply safe,fast and reliable.Constant pressure water supply to ensure the water quality supply safe,fast and reliable.Constant pressure water sup

12、ply to ensure the water quality to the host PLC control system for the rich control the system,improve system reliability.Key words: water supply of constant pressure; variable frequency and speed regulation; PLC; ZUTAIWANG monitoring system 一、引言 1 1.1 恒压供水产生的背景和意义 1 1.2 恒压供水系统的国内外研究现状 1 1.3 本文的主要研究

13、内容 1二、PLC控制的恒压供水系统及工艺要求 2 2.1 恒压供水系统的组成 2 2.1.1 压力变送器 2 2.1.2 变频器 2 2.2 PLC在恒压供水中的主要任务 3 2.3 PLC控制的恒压供水系统工艺要求 3 2.3.1 PLC控制的恒压供水系统 3 2.3.2 系统控制的工艺要求 4 2.3.3 设计总体方案思路 4三、PLC控制的恒压供水系统的硬件设计 5 3.1 PLC系统选型 5 3.2 控制系统的I/O点及地址分配 5 3.3 变频器 6 3.3.1 变频器的基本结构 7 3.3.2 变频器的分类 8 3.3.3 变频器硬件选择及参数设置 8 3.4 压力变送器 9 3

14、.5 电动机 10 3.6 电气控制系统原理图 10 3.6.1 主电路图 10 3.6.2 控制电路图及PLC硬件接线图 10四、PLC控制的恒压供水系统的软件设计 11 4.1 由电动机功率原因而选择工频接入星角启动 12 4.2 多水泵同时运行时的换泵过程 12 4.3 系统流程图设计 13 4.4 程序的结构及程序功能的实现 14 4.5 西门子PLC编程软件简介 15 4.6 程序调试 15五、组态王组态软件的设计 15 5.1 组态王组态软件系统介绍及构成 15 5.2 使用组态王组态软件控制系统实验仿真的基本方法 16 5.3 使用组态王组态软件开发应考虑的问题 16 5.4 恒

15、压供水系统人机界面设计 16 5.5 组态运行环境及调试 20六、结束语 21一、引言1.1 恒压供水产生的背景和意义随着变频器调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统，然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如：水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。本设计介绍的变频控制恒压供水系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效地实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。1.2 恒压供水系统的国内外

16、研究现状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)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。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。1.3 本文的主要研究内容本设计是三泵生活恒压供水系统，研究基于组态王组态软件的供水监控系统设计，变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、压力变送器组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速。主要设计内容为：了解原有供水系统的运行原理后，加入PL

17、C使系统更加优化，更符合实际需求，并提出具体的工艺要求；再根据要求设计恒压供水控制系统的软、硬件；研究恒压变频供水的控制方法；开发基于组态王组态软件的控制界面，完成系统监控调试，实现对系统的高性能控制。二、PLC控制的恒压供水系统及工艺要求2.1 恒压供水系统的组成 图1 恒压供水系统的基本结构 2.1.1 压力变送器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。当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。水压传感器将水压变化转变为标准电流信号或电压信号传送至变频器模拟量输入口。2.1.2 变频器交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器

18、件构成了变频器的主电路。 改变频率可以方便地改变电机的运行速度。本设计使用ABB公司ACS510-01(1.1KW160KW)变频器，参照使用说明及本次设计的内容，选用PFC控制宏。该应用宏主要用于泵及风机的控制（PFC)。将压力变送器的测量标准电信号420mA直接输入变频器模拟量输入端，变频机进行PI及PID运算，并根据预算结果调节变频器输出频率及泵的工作状态和工作数量，从而达到水压恒定控制目的。2.2 PLC在恒压供水中的主要任务 代替传统的大量接触器继电器控制电路，提高系统稳定性。 替代硬件按钮及数字量的输入，安全稳定。 变频器的驱动控制 泵站的其他逻辑控制除了泵组的运行管理工作外，泵站

19、还有许多逻辑控制工作，如手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示等。2.3 PLC控制的恒压供水系统工艺要求2.3.1 PLC控制的恒压供水系统 本设计介绍的是一个三泵生活恒压供水。如图2所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。生活用水和消防用水公用三台泵，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水恒压。从而实现达到恒压供水的目的。 图2 系统示意图2.3.2 系统控制的工艺要求 对三泵生活供水系统的基本要求是： 生活供水时，系统低恒压值运行。 三台泵根

20、据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。 在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长而造成的机械磨损。 三台泵在启动时采用星形启动角接运行，避免启动电流过大。 要有完善的报警功能。 对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。以下章节进行具体的PLC设计：在完成I/O分配表后，对PLC，变频器，压力传感器等进行具体的硬件选择，并绘出硬件接线图；在完成系统流程图后设计出符合系统要求的软件程序并进行调试；利用组态软件对上位机进行设计；最后进行联机统调，检验是否达到系统要求。2.3.3 设计总体方案思路

21、本次设计使用压力变送器作为反馈信号，安装在用户端管网中的压力变送器将实际的水压值转化为标准电信号送给AVF变频器，在变频器端设定所需的压力值，并由变频器进行PID运算，根据实际值和设定值的逻辑关系，由变频器控制水泵的变频、工频运转，加泵、换泵的动作。使用PLC代替传统的接触继电器系统，完成三台水泵的手动控制功能及工频启动时的星角接功能。使用PLC大大提高了硬件的稳定性和安全性，与变频器配合实现用户管网水压的基本恒定。三、PLC控制的恒压供水系统的硬件设计3.1 PLC系统选型 PLC按I/O点数一般可分为小型PLC（256点以下）、中型PLC（2048点以下）、大型PLC（2048点以上）三类

22、。根据上面的I/O分配表中I/O点个数可知本设计应选用小型PLC。S7200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC水平，而价格去和小型PLC一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注，特别是S7200CPU22*系列PLC，由于它具有多功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，而且可以很容易的组成PLC网络。根据系统硬件的I/O点数、内部寄存器数量及种类、智能模块、性价比等因素，最重要是根据我校实验室的具体情况和我们以前课程所涉及到了知识，最终选用西门子S7200系列PLC。 主机单元：从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点15个、开关量

23、输出点14个。所以可选用的PLC有：CPU226(24输入/16输出)。所选CPU输入输出点数多于所需点数。方便日后拓展升级。3.2 控制系统的I/O点及地址分配根据图2及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1所示。表1 输入输出点代码及地址编号名 称代 码地址编号输入信号手动模式选择SA1I0.0自动模式选择SA2I0.11#泵手动启动SB1I0.21#泵手动停止SB2I0.32#泵手动启动SB3I0.42#泵手动停止SB4I0.53#泵手动启动SB5I0.63#泵手动停止SB6I0.7顺序接入1#泵变频运行I1.0顺序接入2#泵工频运行I1.2顺序接入3#泵工频

24、运行I1.4变频器1#泵换2#泵输出I1.1变频器2#泵换3#泵输出I1.3变频器3#泵换1#泵输出I1.5紧急停止SJI1.6输出信号1#泵变频接触器K11Q0.01#泵工频接触器K12Q0.12#泵工频接触器1K21Q0.22#泵工频接触器2K22Q0.32#泵工频接触器3K23Q0.43#泵工频接触器1K31Q0.53#泵工频接触器2K32Q0.63#泵工频接触器3K33Q0.72#泵变频接触器1K24Q1.02#泵变频接触器2K25Q1.13#泵变频接触器1K34Q1.23#泵变频接触器2K35Q1.33.3 变频器发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50Hz。而交流电动

25、机的同步转速为： 式中-同步转速，r/min； -定子频率，Hz； -电机的磁极对数。而异步电动机转速为：式中-异步电机转差率，一般小于3%。均与送入电机的电流频率/成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。3.3.1 变频器的基本结构从频率变换的形式来说变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电又称间接式变频器。市售通用变频器多是交-直-交变

26、频器，其基本结构图如图4所示。由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，如图4所示。 图3 交直交变频器的基本结构3.3.2 变频器的分类变频器的较详细的工作原理还与变频器的工作方式有关，通用变频器按工作方式分类如下： 控制 转差频率控制 矢量控制通用变频器按工作方式分类的主要工程意义在于各类变频器对负载的适应性。普通功能型变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，而高功能变频器可适用于位能性负载。3.3.3 变频器硬件选择及参数设置根据设计要求和变频器的具体任务，如：采用变频器的目的、变频器的负载类型、变频器与负载的匹配问题（电压匹配和电流匹配）、一些特殊的应用场合及上面介

27、绍的变频器知识。综上所述，本系统选用风机水泵型ACS510系列ABB变频器，型号：ACS510-01：数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个，可编程，可以实现内部PID运算调节，I/O端口自由连接。具体此次设计所涉及设定参数：380V-480V10%，三相，1.1KW-160KW；具体参数设定见附图2、表2所示ABB一拖三参数。表2 变频器设定参数表代码设定及描述99029902=7；应用宏设置，对应选择PFC控制宏，本宏用于泵和风机控制。14011401=31；选用继电器输出114021402=31；选用继电器输出214031403=31；选用继电器输出3401040

28、10=19;定义内部整定值是恒定的，参数由4011定义。40114011=设定压力；定义为PID调节器设置一个恒定的给定值（内部给定）40144014=1；定义选择ACT1为反馈信号。40164016=1；定义去AI1为ACT1。81158115=40;设定辅助电机启动延时。输出频率持续在设置的限定值之上，并且持续时间超过这个参数定义的延迟后，辅机启动。81168116=20;设定辅助电机停止延时。输出频率持续在设置的限定值之下，并且持续时间超过这个参数定义的延迟后，辅机停止。81178117=2；定义辅机数量。（2）每一个辅助电机需要从变频器获取一个继电器输出，变频器通过继电器输出发出启动/

29、停止。81278127=3；定义由PFC控制的电机的实际个数。这个值已经包含了调速电机。如果使用了自动切换功能，这个值必须与分配为PFC的继电器个数相一致。81188118=设定倒泵时间；定义控制切换功能并设置自动切换的时间间隔。在电机接到启动信号之后，才开始计算时间。 变频器参数设置如上表。3.4 压力变送器在智能系统中检测是非常重要的一部分，它将检测到控制量反馈给系统，才能实现自动控制，给系统所用的检测的是水压，这个系统中选用压力变送器，它的作用是通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成420mA变化的电流信号的标准信号送入AVF变频器的端口进行PID调节，经运算与给定压力参数

30、进行比较，得出一个调节参数，送给变频器输出，由变频器控制水泵的转速，水泵的工作状态及工作水泵的状态，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。重量轻、结构简单、工作可靠的特点。供水系统的压强是，下面单位都是估计标准单位，g=9.8，一般情况下，h60米，所以本系统供水系统输出压力一般小于或等于0.6Mpa，系统选用PT500-503水压力传感器，该传感器将01MPa范围的压力对应转换成420mA的电信号。该传感器还具有体积小，重量轻、结构简单、工作可靠的特点。3.5 电动机采用TS-200-150315型电动机，功率：37KW。3.6 电气控制系统原理图 电气控制系统原理图包括主

31、电路图、控制电路图及PLC外围接线地图。 3.6.1 主电路图电气控制系统主电路原理图见附图1。三台电机分别为M1、M2、M3。接触器KM12控制1#工频运行；接触器KM21、KM22K、M23控制2#泵的工频；KM31、KM32、KM33控制3#泵的工频；KM11控制1#泵变频运行；KM24、KM25控制2#泵的变频运行；KM34、KM35控制3#泵变频运行；FR1为1#泵的热继电保护；FR2为2#泵的热继电保护，FR3为3#泵的热继电保护。QS1为总电路的隔离开关。AVF为变频器。3.6.2 控制电路图及PLC硬件接线图如图4为PLC硬件接线图。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SB1SB6控制三台泵的启/停，该方式主