基于PLC的智能楼宇变频调速恒压供水控制系统设计研究.docx

1、基于PLC的智能楼宇变频调速恒压供水控制系统设计研究山东城市建设业学院学生毕业论文基于PLC的智能楼宇变频调速恒压供水控制系统设计研究 姓 名 * 学号 * 专业班级 楼宇智能化工程技术 系 部 *指导教师 * 摘 要2摘 要随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本设计是针对居民生活用水/消防用水而设计的。由变频器、PLC及PID调节器组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口

2、水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。 本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。在经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点。一、标题基于PLC的智能楼宇变频调速恒压供水控制系统设计可编程序控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新

3、型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了“三机一体化一的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求：再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：1)可靠性高。PLC的

4、高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2)具有丰富的IO接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的IO模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。3)采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源IO等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4)编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者

5、来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5)安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得其在我国的工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测

6、等。可编程控制器PC或PLC是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工 业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。PLC机硬件主要由中央处理单元(CPU)、存贮器、输入输出单元以及编程器、电源和智能输入输出单元等构成。PLC可分为以下几个部分：1)中央处理单元(CPU)：同一般微处理机一样，中央处理单元是可编程控制的核心部件，它通过输入装置将外设的状态读入并按照用户程序去处理，根据处理结果通过输出装置去控制外设。常用的CPU有通用微处理器，如MOTOROLA 6800，单

7、片机有803l，8051和双极型位式微处理器，如AMD2903。 中央处理器的功能是：CPU按系统程序所赋予的功能，、接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据；CPU按扫描方式工作，从存贮器中逐条读取指令，并存入CPU内的指令寄存器中；指令寄存器的指令操作码进行译码，执行指令规定的任务，产生相应的控制信号，启闭有关控制门电路，并根据运算结果更新有关标志和输出映像寄存器的内容，以实现输出控制、制表、打印或数据通讯；行系统诊断程序，诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。2)存贮器：可编程控制器中存贮器主要用于存放系统程序、用户程序和数据。常用的存贮器形式有CMOS ROM、EPR

8、OM和EEPROM。系统存贮器用以存贮制造厂家编写的系统程序。所谓系统程序是指控制和完成PC机各种功能的程序，如控制器的监控程序、基本指令和功能指令翻译程序、系统诊断程序、通信管理程序等。 用户存贮器主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序是指使用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。数据存贮器用来存放PLC的数据。包括输入、输出、辅助继电器状态的映像区，定时器、计数器、移位寄存器、状态寄存器、数据寄存器和特殊功能寄存器等状态的映像寄存器。 3)输入输出模块：输入输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出

9、的开关量或模拟量(压力、流量、温度、电压、电流)等，都要通过输入模块送到PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接受的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入输出模块，其类型有数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块。这些模块又分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块，部件上都设有输入接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于P

10、LC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有光电藕合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗干扰能力。数字输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入输出模块主要用来实现模拟量一数字量之间的转换，即AD或DA转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块AD转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输入锁存缓冲器与PLC的IO总线挂接。模拟量输出模块DA转换前的二进制数字量，经光电祸合器和输出锁存器与PLC的IO总线挂接

11、。现在标准量程的模拟电压主要是0-5伏和0-10伏两种，模拟电流主要是0-20mA和4-20mA两种。另外还有0-50mV，0-1V、-5- +5V、一10- +lOV，0-10mA等。模拟量输入模块接收到标准量程的模拟电压或电流后，把它转换成8位、10位或12位的二制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。4)扩展模块：当一个PLC中心单元的IO点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的.5)编程器：它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。目前编程器主要有以下

12、三种类型：便携式编程器(也叫简易编程器)；图形编程器；用于IBMPC及其兼容机的编程器。PLC的软件可分为系统软件和用户程序两大部分：1)系统软件：也称之为常驻的操作系统软件。它又包括基本控制单元软件和编程软件两部分。另外，一些特殊功能模块也带有自己的操作系统软件。通常，一个PLC机架只能容 纳一定数量的模块插件，这种包含主机模块和部分IO模块的机架称为基本控制单元。基本控制单元软件固化在主机模块的EPROM中，其主要功能为：进行PLC自身的管理和监督(如开机自检，运行中监督CPU、电池电压是否正常)；循环解释运行用户程序；集中进行输入信号的扫描和输出控制的更新编程器软件用来支持用户程序的输入

13、，也可以用来监控用户程序的执行过程。当用户程序己装入PLC的存储器，编程器就可以被分离，基本控制单元将自动进入执行用户程序状态。考虑到PLC内部结构的复杂性，系统软件应有专业技术人员进行设计，一般用户不允许直接设计系统的内部操作。2)用户程序：这是用户应用PLC进行控制所需要编制的程序。目前，在PLC中普遍使用梯形图编程方法。这种编程方法是在传统继电器梯形图基础上进行一定演变而形成的，突出了各编程原件之间的逻辑关系。与硬接线的梯形图不同，PLC梯形图逻辑是由软件实现的，因此既形象直观便于编写，又易于扩展和修改功能。变频恒压供水系统特点变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种

14、场合，在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点 ：1)滞后性：供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如：温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性，同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。2)非线形：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。3)多变性：变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变

15、性。4)时变性：在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为：变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。5)容错性：当出现意外的情况(如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。6)可扩充性：水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水

16、的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等。7)节能性：系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从0到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。 二、任务设计书2.1 设计内容本设计是以智能楼宇供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区智能楼宇恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。具体内容如下：1）在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论

17、文主要的研究内容和研究方法。2）分析了变频恒压供水系统节能的原理，给出了恒压供水的理论模型及近似的数学模型；确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程及工作原理；最后分析了在变频恒压供水中，水泵切换的条件。3)论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用户的需求入手确定合适的设备选型；详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行的各种工况及其转换过程，讨PLC的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案；在介绍PID调节原理的基础上，分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程，给出PID参数设置方法；最后还提出了保障系统可靠

18、性的一些措施。4)通过计算机和PLC的通信，实现供水系统运行状态的实时远程监控是本论文的一个特色之处。论文介绍了计算机和PLC通信系统的组成和通信协议，给出了通信程序，并提出供水系统监控软件设计方法。三、系统的理论分析及方案的确定3.1 变频恒压供水系统理论分析3.1.1变频恒压控制的理论模型变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。从图23中可以看出，在系统运行

19、过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵 变频恒压控制原理图机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程将被重复直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。3.2 变频恒压供水系统控制方案的确定3.2.1供水系统的控制流程从

20、变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所选择方案为：通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬

21、件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。供水系统的恒压通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，开启水泵后打开电动碟阀，当水泵停

22、止时先关电动碟阀后停机。为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。综上所述，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：(l) 执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网

23、的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。(3) 控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控

24、制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式

25、是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择，本设计中采用变频循环式。现将系统控制流程说明如下： (l) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。(2) 当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，P

26、LC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。(3) 当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件(在下节有详细阐述)时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2(变速运行)，同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台水泵M3投入运行（变速运行），M2工

27、频运行。变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。(4) 当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M1关掉。3.2.2供水系统中水泵切换条件分析在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率，

28、此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢?由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50HZ成为频率调节的上限频率。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0HZ。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降到0HZ。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电

29、机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20HZ左右。所以选择50HZ和20HZ作为水泵机组切换的上下限频率。在恒压供水中，机组的切换为机组增加与减少两种情况，这两种情况由于变频器输出频率与供水压力的不同逻辑关系相对应。考虑到只有当变频器的输出频率在上下限频率时才可能发生切换，并且上限频率时不可能减泵，下限频率时不可能加泵，所以，可以采用回滞环思想进行判别如图： 用于压力判断的回滞环如果变频器的输出为上限频率，只有当实际的供水压力比设定压力小2的时候才允许进行机组增加；如果变频器的输出为下限频率，则只

30、有当实际的供水压力比设定压力大妮2的时候才允许进行机组的增加。回滞环的应用提供了这样一个保障，即如果切换的判别条件满足，那就说明此时实际供水压力在当前机组的运行状况下满足不了设定的要求。但这个判别条件的满足也不能够完全证明当前确实需要进行机组切换，因为有两种情况可能使判别条件的成立有问题：实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足，造成判断上的失误，引起机组切换的误操作。这两种情况有一个共同的特点，即它们维持的时间短，只能够使机组切换的判别条件在一个瞬间满足。根据这个特点，在判别条件中加入延时的判断就显得尤为必要了

31、。所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间，比如一、两分钟，如果在这段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作；如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。经过以上的分析，将实际的机组切换的条件优化为：四、变频恒压供水系统的硬件设计4.1 系统主要配置的选型4.1.1水泵机组的选型根据所阐述的基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3.1所示：系统的电器总框图由以上系统电气总框图可以看出，

32、系统所需要的主要硬件包括：1)水泵机组、变频器2)PLC及扩张模块3)压力变送器及数显仪水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，以求取得较好的节能效果。4.1.2 PLC及其扩展模块的选型1）本设计中选用西门子MM4402）计算机与变频器连接图3）MM440 BOP（基本操作面板）及功能描述MM440 BOP上的按钮功能表显示/按钮功能功能的说明状态显示LED 显示变频器当前的设定值。起动变频器按此键起动变频器。缺省值运行时此键是被封锁的。为了使此键的操作有效应设定P0700=1。停止变频器OFF1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车.缺省值运行时此键被封锁；为了允许此键操作，应设定P0700=1。OFF2：按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车此