基于PLC的恒压供水系统设计(2) - 图文

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基于PLC的恒压供水系统设计

摘 要

在城市化进程迅速的今天，城市的居住形式主要是生活小区，那么小区供水系统的建设就显得尤为重要。而且随着城市用水量不断增加，对供水系统的建设提出了更高的要求。供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作。本系统是针对居民生活用水而设计的一套由变频器、PLC、水泵机组等设备组成的自动变频恒压供水控制系统。该系统将PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，能够最大程度满足需要，具有运行稳定、操作简单和高效节能等特点。该系统对变频器内置PID模块参数进行预置，通过压力传感器对水压的反馈构成闭环控制系统；PID模块根据用水量的变化调节水泵的输出流量，实现恒压供水，并达到有效节能的目的。本文首先介绍了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能原理；其次，对水泵机组的各种供水状态及转换的条件、水泵由变频转工频运行方式的切换过程进行分析，着重研究并提出了基于PLC和变频器的恒压供水系统的方案，并给出了硬件设计和PLC控制程序设计。

关键词：PLC；变频调速；恒压供水

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Design of Constant Pressure Water Supply

System Based on PLC

Abstract

In today's rapid urbanization, urban living is mainly living quarters, then the construction of residential water supply system is particularly important. And with the growing urban water demand, water supply systems, the proposed higher requirements. Economics of water supply, reliability and stability to the district residents directly affected the normal life and work.The system is designed for household water set by the frequency converter, PLC, water pump and other equipment consisting of automatic constant pressure water supply control system. System PLC, frequency converter, the corresponding sensors and actuators together organically, and play their respective advantages, the control system easy to operate, not only to the greatest extent to meet the needs of stability and security of its operating performance, simple and convenient mode of operation , and the complete and thoughtful features, will make water saving water, saving, labor saving, high efficiency high-quality final run, reliable, energy-saving purposes. This paper introduces the way to achieve frequency control constant pressure water supply valve control compared to conventional energy-saving principle of constant pressure water supply. Converter built-in PID module on the preset parameters, using hydraulic pressure sensor feedback, closed loop system. According to changes in water consumption, to PID regulation mode, by adjusting the pump output flow, constant pressure water supply and efficient energy. Then it analyzes the state of pump units and conversion of various water conditions, analysis of the pump frequency by the frequency change operating mode of the switch process. Important parts of functional analysis, focusing on research and put forward based on PLC and frequency constant pressure water supply system program, were given control of the hardware design and PLC programming.

Key Words: PLC; frequency control; constant pressure water supply

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目 录

1 绪论 ............................................ 1

1.1 变频恒压供水系统的研究背景 ................................. 1

1.2 几种供水系统的比较 ......................................... 1 1.3 变频恒压供水系统的国内外研究现状 ........................... 2 1.4 供水系统安全性讨论 ......................................... 3 1.5 本文设计思想 ............................................... 3

2 系统的理论分析及方案的确定 ............................. 5

2.1 调速方式的比较与选择 ....................................... 5 2.2 控制系统方案 ............................................... 7 2.3 供水系统的控制流程 ......................................... 8 2.4 变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析 ...................... 10

3 PLC恒压供水系统硬件设计 .............................. 11

3.1 PLC的选型及接线 .......................................... 11

3.1.1 PLC的选型 .......................................... 11 3.2 水泵机组的选择 ............................................ 15 3.3 变频器选型及接线 .......................................... 17

3.3.1 变频器选型 .......................................... 17 3.3.2 变频器的接线 ........................................ 21 3.4 PID调节 .................................................. 21 3.5 压力传感器 ................................................ 22 3.6 系统主电路设计 ............................................ 23 3.7 系统控制电路设计 .......................................... 24

4 系统软件设计 .......................................... 25

4.1 PLC控制 .................................................. 25

4.1.1 PLC程序流程图 ...................................... 25 4.1.2 手动运行 ............................................ 26 4.1.3 自动运行 ............................................ 26 4.2 PLC梯形图程序设计 ........................................ 26

5 总结与展望 ............................................ 29 致谢 .................................................... 30 参考文献 ................................................ 31 附录A 系统硬件总图 ..................................... 32 附录B 系统梯形图 ....................................... 33

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1 绪论

1.1 变频恒压供水系统的研究背景

众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物资，在节水节能已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，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区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、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低[1]。

1.2 几种供水系统的比较

1、恒速泵加压供水：这种方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。

2、重力供水：重力供水通常需要设置水箱或者水塔，系统用水是由水箱或者水塔直接供应，所以供水压力比较稳定。但它需要由位置高度所形成的压力进行供水，为此需要建造水塔或者将水箱置于建筑物顶层的最高处。在大型建筑物中，即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求。同时由于其存水比较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积，也妨碍美观，此外，屋顶水箱还必须高出屋面几米，建筑立面较难处理，存在投资大、周期长、能源浪费大的缺点。

3、气压供水：气压供水是采用气压罐代替水塔或高位水箱利用密闭压力罐内的空气将罐内储水压到管网中去。它的优点是灵活性大、建设快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水锤与噪声，缺点是体积和投资大、压力变化大、运行效率低、需要使用张力膜、维护费用高、耗费动力大。

4、变频恒压供水：变频恒压供水系统即实现水泵电机的无级调速，根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。将

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变频调速技术用于更新改造传统供水设备之后，大大地推动了恒压供水技术装备的发展。这种恒压供水方式与传统的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，在设备的投资、运行的经济性、系统的稳定性、可靠性和自动化程度等方面具有无法比拟的优势。供水系统采用变频控制，既能大量节约能源，又能稳定供水系统的压力，保障管网系统的安全运行，是非常有实际意义的，并且供水系统的电动机相对鼓、引风机而言容量较小，投资不大，还可以在恒压供水的过程中，实现水泵电机的软启动、水泵及管路保护，并且可以节约能源、提高劳动生产率，我国每年的电力90%是被电动机所消耗，所以可以节省电动机的电力消耗是非常值得推广和应用。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在着浪费水电力资源、效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统和居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。

1.3 变频恒压供水系统的国内外研究现状

目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用PLC及相应的软件予以实现：有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰动性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出了恒压供水专用变频器，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所[2]。

可以看出，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

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系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。

1.4 供水系统安全性讨论

在供水过程中，很容易产生水锤效应，“水锤效应”是指在水管内部，管内壁光滑，水流动自如。当打开的阀门突然关闭，水流对阀门及管壁，主要是阀门会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水利学当中的“水锤效应”。

1）产生原因：水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时,由于压力水流的惯性,产生水流冲击波,就象锤子敲打一样水流冲击波来回产生的力，有时会很大，从而破坏阀门和水泵。

2）危害：水锤效应有极大的破坏性：压强过高，将引起管子的破裂，反之，压强过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件。当切断电源而停机时，泵水系统的势能将克服电动机的惯性而命名系统急剧地停止，这也同样会引起压力的冲击和水锤效应。

所以在设计系统时，采用变频调速可以让电机平滑启动，带动水泵页轮旋转，降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长。同时由于水锤作用的存在，电机启动频率不可以从零开始，否则在水压作用下电机会反转，所以启动频率根据实际经验一般在20Hz左右。

1.5 本文设计思想

本文根据变频调速系统在实际生产中涉及的软硬件知识进行研究介绍。利用PLC、变频器（内含PID）、检测系统及一些传动系统将电机软启动、自动控制等目的在实际生产中实现。以智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、

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节省人力，最终达到高效率优质运行，降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的[3]。

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2系统的理论分析及方案的确定

2.1调速方式的比较与选择

供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2-1所示。由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程与流量之间的关系。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程越大，流量也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量间的关系。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2-1中交点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。

图2-1 供水系统的基本特性曲线

对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是系统的基本控制对象。如前所述，流量的大小取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关：

供水能力＞用水需求，则压力上升； 供水能力＜用水需求，则压力下降； 供水能力＝用水需求，则压力不变。

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可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。根据电机学理论,交流电动机的转速公式为：

n?60f(1?s) (2.1) p其中：f 为定子的电源或稳压器频率； p为极对数；n为转速；s 为转差率。从上式可知，当极对数p不变时，电机转子转速刀与定子电源频率戚正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机中一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。当用阀门控制流量时，无论用水量多大，电机都一样运行，尤其用水量少时，效率很低，有很多功率被浪费掉。转速调节时，用多少水，抽多少水，水泵的效率不变，总处于最佳状态。

随着电子技术的发展、完善，变频调速所具有的调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简

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单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。而发展到现在为止交流电机的变频调速技术已经发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式可节电40％～60％，节水15％～30％，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。

2.2控制系统方案

该系统主要有压力传感器、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启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。由于PLC+变频器组成的恒压控制方式灵活方便，便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，本文采用PLC与变频调速装置构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速，自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。

整个系统由一台PLC，一台变频器，水泵机组（本系统设计为3台），一个压力传感器，低压电器及一些辅助部件构成。各部分功能如下：

（1）水泵用来提高水压以实现向高处供水；

（2）安装于供水管道上的远传压力表将管网水压力转换成电信号； （3）变频调速器用于调节水泵转速以调节管网中水流量； （4）PLC用于水泵的逻辑切换、控制等；

（5）外围辅助电路可以当自动控制系统出现故障时可以通过人工调节方式维持系统运行，以保障连续供水。

系统主要的设计任务是利用PLC控制系统使变频器循环控制3台水泵，实现管网

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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，同时对运行过程中的数据信号进行传输处理。

通过压力传感器检测管道压力信号不断反馈给变频器，有变频器自动调节所控制水泵的电机转速，当变频器所控制的水泵达到工频时还不能满足要求时由PLC自动把那台水泵切换到工频运行，把变频器自动切换到下一台水泵使其软启动运行，当供水量减少时在自动进行切换，减少水泵运行台数，实现自动控制。系统设计时考虑到水泵切换时电机的自感电动势现象，各种连锁保护及报警、应急措施。系统总体框图如下：

图2-2 系统总体框图

2.3供水系统的控制流程

系统流程图如图2-3所示。变频调速恒压供水系统中压力传感器将主水管网压力信号转换成电信号再经PID运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速和泵水量以使管网的压力稳定，由此构成压力闭环控制系统。变频器的上、下限频率信号及其持续时间长短可作为PLC进行逻辑切换、起停泵的依据。

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出口水压检测点PLC水泵电机用户

变频器压力传感器 图2-3 变频调速恒压供水系统流程图

合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。

1）增泵工作过程：假定增泵顺序为l、2、3泵。开始时，1号泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1号泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1号泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接， 控制2号泵投入调速运行。如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2号泵切换到工频运行，控制3号泵投入变频运行。

2）减泵工作过程：假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当将最

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后一台正在运行的水泵置于低速运行。

2.4变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析

在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵以运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的。当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泉来减少供水流量，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。

尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。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。当变频器的输出频率己经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。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低到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。由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。

在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。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1-2分钟），如果在这一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。

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3 PLC恒压供水系统硬件设计

3.1 PLC的选型及接线 3.1.1 PLC的选型

在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性价比，具体考虑以下几点： 1、性能与任务相适应

对于开关量控制的应用系统，当对控制速度要求不高时，可选用小型PLC，西门子公司S7-200系列PLC就能满足要求。例如，对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。

对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，例如，对工业生产中常遇到温度、压力、流量、液位等连续量控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器（对温度控制系统可选用温度传感器直接输入的温度模块）和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，例如，西门子公司的S7-300系列PLC。

2、预算速度与实施控制要求相适应

PLC工作时，从输入信号到输出控制存在着滞后现象，即输出量的变化，一般要在1~2个扫描周期之后才能反映到输出端，但有些设备的实时性要求较高，滞后时间应控制在几十毫秒之内，营销与普通继电器的动作时间（普通继电气时间约为100ms）。为了提高PLC的运算速度，可以采用以下几种方法。

选择CPU的处理速度快的PLC，使执行一条指令的时间不超过0.5us 优先应用软件，缩短扫描周期

采用高速响应模块，例如高速计数模块，其响应的时间可以不受PLC扫描周期的影响，而只取决于硬件的延时。

3、应用系统结构合理，机型系列应统一

PLC的结构分为整体式和模块式两种，在使用时，应按具体情况进行选择。在一个单位或者一个企业中，应尽量使用同一系列的PLC，这不仅使模块通用性好，较少设备量，而且给编程和维修带来极大的方便，也给系统的扩展升级带来方便。

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4、编程模式的选择

1）离线编程。简易编程必须插在PLC上才能进行编程操作，其特点是编程器与PLC共用一个CPU。在编程器上有一个“运行/监控/编程”选择开关，当需要编程或修改程序时，将选择开关转到“编程”位置，这时PLC的CPU不执行用户程序，职位编程器服务，这就是“离线编程”。程序编好后在把选择开关转到“运行”位置，CPU则去执行用户程序，对系统实施控制。简易编程器结构简单、体积小、携带方便，很适合在生产现场调试、修改程序时用。

2）在线编程。图形编程器或者个人计算机与编程软件包配合可以实现在线编程。PLC的图形编辑器各有自己的CPU，编程器的CPU可随时对键盘输入的各种指令进行处理。PLC的CPU主要完成对现场的控制，并在一个扫描周期的末尾与编程器通信，编程器将编好或修改好的程序发送给PLC，在下一个扫描周期，PLC将按照修改后的程序或参数进行控制，实现在线编程。图形编程器价格昂贵，但他功能强大，适用范围广，不仅可以用指令语句编程，还可以直接用梯形图编程，并可存入磁盘或者用打印机打印出梯形图和程序。一般大中型PLC多采用图形编程器。使用个人计算机进行在线编程，可省去图形编程器，但需要编程软件包的支持，其功能类似于图形编程器。

主机电源微处理器(CPU)运算器控制器输入设备编程器磁带机打印机EPROM写字机图形监控系统PLC或上位计算机外围设备输入单元输出单元输出设备外设接口存储器系统程（ROM）用户程序(RAM)扩展接口扩展单元 图3-1 PLC的硬件结构框图

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西门子的S7-300是一种通用型的PLC，其具有模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，这使得他能适应自动化工程中的各种应用场合，执行各种控制任务，因此其在实践中成为一种即经济又可靠的控制装置。

S7-300PLC采用模块化结构，各种模块功能以不同的方式组合在一起，模块式PLC由机架和模块组成。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能完成各种领域的自动控制任务，用户可以根据具体情况选择、更换合适的模块。当系统规模扩大和更为复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信连网能力，使其应用十分灵活。

S7-300有各种不同性能档次的CPU模块可供使用。标准CPU提供范围广泛的基本功能，如指令执行、I/0读写、通过MPI和CP模块的通信，紧凑型CPU本机集成I/O，并带有高速计数、频率测定、定位和PID调节等技术功能。

S7-300的CPU模块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个CPU都有一个编程用的RS-485接口，有的还带有集成的现场总线几口或PtP串行通信接口，S7-300不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI网络；如果有PROFIBUS-DP接口，就可以建立一个DP网络。

S7-300有很高的电磁兼容性和抗振动、抗冲击能力。其标准性的环境温度为0~60摄氏度。通过系统功能和系统功能块的调用，用户可以使用集成的操作系统内的程序，从而现住地减少所需要的用户存储器容量，他们可以用于中断处理、出错处理、复制和处理数据等。

本系统有包括三个过载输入、两个变频器输入信号、一个启动信号在内的六个数字输入，控制三台电机变频运行、工频运行的六个控制输出、一个变频器启动端子、一个报警器在内的八个输出。所以本系统采用西门子公司的S7-300PLC。

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图3-2 PLC的接线

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表3-1 PLC的I/O分配表

I/O地址 作用 I/O地址 作用 I0.0 上线增泵 Q0.0 M1变频运行 I0.1 下线减泵 Q0.1 M1工频运行 I0.2 M1过载 Q0.2 M2变频运行 I0.3 M2过载 Q0.3 M2工频运行 I0.4 M3过载 Q0.4 M3变频运行 I0.5 PLC启动 Q0.5 M3工频运行 Q0.6 变频器启动 Q0.7 故障指示灯

I0.0接变频器上线增泵，I0.1接变频器下线减泵，I0.2接M1过载输入信号，I0.3接M2过载输入信号，I0.4接M3过载输入信号，I0.5接自动运行启动信号。Q0.0接M1变频运行输出信号，Q0.1接M1工频运行输出信号，Q0.2接M2变频工作输出信号，Q0.3接M2工频运行输出信号，Q0.4接M3变频工作输出信号，Q0.5接M3工频工作输出信号，Q0.6接变频器启动端子，Q0.7接故障报警信号。同时为了防止一台水泵即工频运行又变频运行，所以在输出电路中加了互锁。

3.2水泵机组的选择

工作水泵型号和台数的选择，应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，要求的水压，机组的效率和功率因素等确定。水泵和电 动机是供水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。选泵时，首先要满足供水系统的要

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求：

(1)水泵扬程应大于实际供水高度； (2)水泵流量总和应大于实际最大供水量；

(3)水泵能力足以供应最高用水量时的用水量，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量；

(4)水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价； (5)水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失； (6)安装管理方便。

安装卧式离心泵的泵站，平面尺寸较大而高度较低；立式轴流泵的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。因此在深埋式的地下泵站可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。

选用多台水泵时，水泵的型号最好相同，这可便于安装和维修养护管理。在此设计中要求三台主泵和主泵电机型号和容量要相同，这才有利于在同一变频器下正常的工作。大泵的效率比小泵高，而且用大泵时，工作泵和设备的费用以及泵站的面积常可减小。因此不可只从适应水量的变化出发，使用数量较多的小泵。使用多台水泵供水可防止一台水泵出现故障时，停止供水使得系统瘫痪。一般最优的水泵台数为3～6台。

综合上述，对水泵进行选用时，要根据供水系统对流量的大小、扬程的高低和实际需要进行选择。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。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。

在本设计中，采用ISG型立式离心泵40-160(I)，其参数如下表所示：

表3-2 水泵的参数

型号

流量 (m3/h)

40-160(I)

12.5

扬程 (m) 32

转速 (r/min) 2900

电机功率 (kw) 3.0

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3.3变频器选型及接线

3.3.1 变频器选型

变频器是把工频电源(50Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，它在变频调速恒压供水系统中起着非常重要作用，是水泵电机调速的执行者。 变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两类。交-直-交变频器是先将工频交流电通过整流器整流成直流；再把直流电经逆变器变成频率可调的交流电。交-交变频器将电网的交流电直接变为电压和频率都可调的交流电。由于交-交变频器的输出频率一般最高只能达到电源频率的1/2～1/3，所以它适用于低速大功率的传动，在泵与风机的调速节能中迄今很少使用[4]。本文只讨论交-直-交变频器。

其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。

变频器的型号很多，选择合适的变频器对系统的稳定运行有很大的帮助。 变频器容量的选择归根到底是选择其额定电流，总的原则是变频器的额定电流一定要大于拖动系统在运行过程中的最大电流。在选择变频器容量时，有以下情况需要考虑：

(1)变频器驱动的是单一电动机，还是驱动多个电动机。

(2)电动机是直接在额定电压、额定频率下直接启动，还是软启动。

(3)驱动多个电动机时，是同时启动，还是分别启动。大多数情况下是使用变频器驱动单一的电动机，并且是软启动，这时候变频器额定电流选择为电动机的额定电流的1.05～1.1倍即可。当一台变频器驱动多台电动机时，多数情况下也是分别单独进行软启动。这时候变频器额定电流的选择为多个电动机中最大电动机额定电流1.05～1.1倍即可。

总的来说，变频器的选用应该满足以下原则：变频器的容量应大于负载所需的输出；变频器的电流大于电机的电流。因电机的计算功率小于所选用功率，根据变频器的容量的选择方法进行计算[5]。

本文选用的是MM440通用型变频器。是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列，恒定转矩（CT）控制方式额定功率范围从120W~200KW，可变转矩（VT）控制方式可达到250KW。

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1、440通用变频器的主要特性 ? 易于安装，易于参数设置和调试 ? 具有牢固的EMC设计 ? 可由IT电源接地

? 对控制信号的响应是快速和可重复的

? 参数设置的范围很广，确保变频器可对广泛的应用对象进行配置 ? 电缆连接简洁 ? 具有多个继电器输出

? 具有多个模拟量输出（0~20mA）

? 有六个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP接线 ? 模拟输入AIN1——10V，0~20mA和-10至+10V

AIN2——0~10V，0~20mA

? 两个模拟输入可以作为第七和第八个数字输入 ? 二级制互联连接技术

? 采用模块化设计，配置非常灵活

? 脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低 ? 具有详细的变频器状态信息和全面的信息功能

? 有多种可选件供用户使用，有用于与PC通信的通信模块，基本操作面板，高级用

户操作面板，用于进行现场总线通信的ProfiBUS通信模块。 2、MM440变频器的性能特性

1）具有矢量控制性能，有两种矢量控制方式 ? 无传感器矢量控制 ? 带编码器的矢量控制

2）具有U/F控制性能

? 磁通电流控制，改善了动态响应和电动机的控制特性 ? 多点U/f特性

3）具有快速电流限制功能，避免运行中不应有的跳闸

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4）具有内置的直流注入制动

5）具有复合制动性能，改善了制动特性 6）内置的制动单元

7）加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能 ? 起始和结束段带平滑圆弧 ? 起始和结束段不带平滑圆弧

8）具有比例积分和微分控制功能的闭环控制 9）各组参数的设定值可以互相切换 10）自由功能块

11）具有动力制动的缓冲功能 12）位控制的斜坡下降曲线

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图3-3 MM440变频器电路图

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3.3.2变频器的接线

图3-4 变频器接线图

L1、L2、L3为电源接入，U、V、W接电机，RP1为调节电阻，用于设定给定压力值，与从压力传感器输入的信号10、11端口比较，用于变频器调整频率实现恒压。当达到频率设定上限信号时18管脚输出信号给PLC实现增泵切换，当压力低于设定频率时就要实现减泵操作，给定信号给PLC实现减泵操作，完成后PLC输出信号给变频器启动[6]。

3.4 PID调节

仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是， I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。

对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。

利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控

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制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统(即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节)效果比较好。

通过对被控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种：

(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。

(2)软件型：使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器(或单片机)上做PID控制器。

此次使用硬件型控制形式。本系统的PID调节器内置于变频器中

3.5压力传感器

压力传感器作用是通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4～20mA变化的电流信号或0～5V间变化的电压信号的标准信号进行PID调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，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。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。

压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。

该传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60 ℃，供电电源为28±3V（DC）。

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3.6系统主电路设计

图3-4 系统主电路设计

根据系统要求，本设计采用三台电机，QA1、QA3、QA5为控制三台电机变频运行的触点；QA2、QA4、QA6为控制电机工频运行的触点。KM1、KM2、KM3、KM4是三个断路器，熔断器接在主电路中防止过热，起到保护作用。BB1、BB2、BB3是热继电器保护电机过电流。

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3.7系统控制电路设计

图3-5 系统控制电路设计

SF为选择开关，转到1端为手动控制，此时电机直接经手动电路启动，不经过变频器，不受PLC控制，用于在变频器故障等等情况检修使用，此时电机为全压启动，SB1、SB3、SB5分别控制三台水泵的启动，SB2、SB4、SB6分别为三台水泵的停止按钮，用于区别工频还是变频运行，添加了指示灯。当转换开关转到2为自动运行，程序就会按照PLC编好的程序自动运行，通过压力监测反馈回来的信号，应用变频器和PLC实现自动控制，达到供水管线压力恒定的目的[7]。

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4系统软件设计

4.1PLC控制

4.4.1PLC程序流程图

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4-1所示：

图4-1 PLC程序流程图

系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。

手动模式主要是解决系统出错或器件出问题。

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在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态。 4.4.2手动运行

转换开关选择1，电路进入手动运行状态。闭合SB1，M1泵启动，电路通电QA2自锁，同时M1的工频运行指示灯亮，要停止电机按下按钮SB2，电路被切断，电机停止运行。BB1是热继电器，当该路电流过大电路会被切断，电机停止。其他两路的原理相同。 4.4.3自动运行

当选择开关选择2，电路进入自动运行状态，此时压力传感器会不断将管网的压力信号以电压信号的形式传给变频器，变频器根据传感器给定值和设定值的差通过PID调节后自行改变频率，如果达到设定频率压力还不够就会输出信号给PLC进行增泵操作，PLC根据编辑好的程序将目前变频运行的泵切换为工频运行，将下一台泵变频启动，完成切换后通过Q0.6输出给变频器，让变频器启动，完成整个启动过程。同样如果压力过高则实行减泵操作，方法与增泵操作相同。

4.2PLC梯形图程序设计

系统程序的关键在于PLC程序的合理性、可靠性问题。根据控制要求及上述所列出的自动控制过程表和功能图，本系统设计出控制程序。系统包括自动运行程序，手动运行程序，报警程序[8]。

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图4-2 逻辑块图

S7-300中梯形图编程不同于200，是分块编程的。OB1为组织块，FB1为功能块，FC1为功能块，DB1为共享数据块。

图4-3 硬件组态

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图4-4 变量表

程序详细情况见附录。

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总结与展望

本论文研究的是变频恒压供水系统。恒压供水系统以PLC和变频器为核心进行设计，借助于PLC强大而灵活的控制功能和内置PID的变频器优良的变频调速性能，实现了恒压供水的控制。该系统采用PCL控制变频器进行PID调节，按实际需要随意设定压力给定值，根据压差调整水泵的工作情况，实现恒压供水，使给水泵始终在高效率下运行，在启动时压力波动小，可控制在给定值的5%范围内。

恒压供水在日常生活中非常重要，基于PLC和变频器技术设计的生活恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。对整个供水过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制。

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)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。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、生产实践中。

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致谢

大四生活即将结束，在即将离校的日子里，感谢我的毕业设计指导老师吴丽娟老师，指导我做毕业设计，在此，我致以衷心的感谢和诚挚的敬意！

我在毕设研究工作得到了吴丽娟老师的耐心指导和无私的帮助，她在课题研究的过程中，均给予了大量指导性的意见。在与她的讨论和请教的过程中，我受益非浅，使得在碰到问题时得以一一顺利地解决，最终初步完成了本课题的研究工作。在此，作者表示深深的谢意。

四年来我一直在一种非常融洽、和谐、上进的气氛中学习，不断取得进步，得到了众多人的帮助。在此，诚挚的感谢四年来默默为我们付出的电信学院所有的老师，感谢多年来一直在背后默默支持我的父母，是你们无言的关怀、鼓励和宽容，才使我有了这样的动力；同时，也向帮助和鼓励过我的师兄、师弟们表示衷心的感谢。没有你们，也就没有今天的我。

谢谢！

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参考文献

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[4] 张燕宾．变频调速应用实践[M]．北京：机械工业出版社，2002，135-137． [5] 韩安荣．通用变频器及其应用[M] ．北京机械工业出版社，2005：34-89． [6] 马宁，孔红．S7-300PLC和MM440变频器的原理与应用[M] ．北京机械工业出版社，2006：270-294．

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[8] 王占富，谢丽萍，岂兴明．西门子S7-300/ 400系列plc快速入门与实践[M] ．北京人民邮电出版社 ，2010：53-122．

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附录A 系统硬件总图

图A1

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附录B 系统梯形图

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