1、河南城建学院变频恒压供水控制系统设计计算机控制课程设计课题：变频恒压供水控制系统设计 院 系： 电气与信息工程学院 专 业： 姓 名： 学 号： 成 绩： 河南城建学院2016年 1 月 7 日目录一、设计目的 2二、设计任务及要求 2三、方案设计 2四、系统硬件设计 34.1系统主要设备的选型 34.2系统主电路分析及其设计 34.3 系统控制电路分析及其设计 4五、系统软件设计 6六、结束语 7七、参考文献 7八、附录 8一、设计目的本系统包含四台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对四相水泵电机的软启动和变频调速。压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PI
2、D运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过HMI与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。二、设计任务及要求 供水压力正常设定值,最大供水压力为,最小供水压力,压力允许被动范围，采用4台水泵供水，能实现手动，自动控制，水泵机组采用循环软起工作方式，停泵采用先启先停。水泵地呈，扬程和功率分别为，。三、方案设计PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图1所示。1、执行机构从图中可看出，系统可分为
3、：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：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。检测结果可以送给PLC，作为
4、数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。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HMI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
5、，完成对调速泵的转速控制。恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为420mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。四、系统硬件设计4.1系统主要设备的选型根据基于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2所示。
6、由系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。4.2系统主电路分析及其设计基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3所示：四台水泵分别为M1、M2、M3、M4。接触器KM0、KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3、M4的工频运行；接触器KM1、KM3、KM5、KM7分别控制M1、M2、M3、M4的变频运行；FR1、FR2、FR3、FR4分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS为主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。4台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，
7、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8h，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，但不同时间段内四台水泵都可轮流做变频泵。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
8、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KM0和KM1、KM2和KM3、KM4和KM5、KM6和KM7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420mA电流信号送至上位机来显示。同时可以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
9、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。4.3 系统控制电路分析及其设计 本系统采用三菱公司fx系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。如图3-3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SB1SB8控制四台水泵的启/停；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：(1)
10、 手动控制：手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制四台水泵电机在工频下的运行和停止。SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。只有当SB2按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。同理，可以通过按下SB3、SB5、SB7启动电机M2、M3、M4，通过按下SB4、SB6、SB8来使电机M2、M3、M4停机。(2)自动控制：在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模
11、式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。同理，2#、3#、4#水泵的控制原理也是如此。当Q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL9点亮；当Q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯HL10点亮；当Q1.3输出1时，白天供水模式指示灯HL11点亮；当Q1.4输出1时，报警电铃HA
12、响起；当Q1.5输出1时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL12一直点亮。基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：(1) 在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过8h，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。(2) 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。(3) 四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。(4) 系统要有完善的报警功能。五、系统软
13、件设计PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。(1)系统初始化程序在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对变频器变频运行的上下限频率、PID控制的各参数进行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。(2) 增、减泵判断和相应操作程序当PID调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时
14、10s（以便消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。(3) 水泵的软启动程序增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过8h则自动倒泵变频运行。(4) 各水泵变频运行控制逻辑程序各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。当第一次上电、故障消除或者产生1#泵变频启动脉冲信号并且系统无故障产生、未产生复位1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时，y1置1，KM1常开触点闭合接
15、通变频器，使1#水泵变频运行，同时KM1常闭触点打开防止KM2线圈得电，从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM1的常开触点还可实现自锁功能。(5) 各水泵工频运行控制逻辑程序水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于0，或者当前3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于1，亦或者当前4号泵处于变频运行状态且工频数大于1，则y0置1，KM0线圈得电，使得KM0常开触点闭合，1#水泵工频运行，同时KM0常闭触点打开防止KM1线圈得电，从而
16、实现变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM0的常开触点还可实现自锁功能。(6) 报警及故障处理程序本系统中包括水池水位越限报警指示灯、变频器故障报警指示灯和相序保护报警以及报警电铃。当故障信号产生时，相应的指示灯会出现闪烁的现象，同时报警电铃响起。而试灯按钮按下时，各指示灯会一直点亮。故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数，在故障结束后产生故障结束脉冲信号。六、结束语本文针对城市小区供水的特点，设计开发了一套基于PLC的变频恒压供水自动控制系统。该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自耦降压起动装置，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统。变频器根据压力大小调节电机转
17、速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。该系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。七、参考文献1王永华现代电气控制及PLC应用技术北京：北京航空航天大学出版社2张万忠可编程控制器入门与应用实例北京：中国电力出版社3田淑珍可编程控制器原理及应用北京：机械工业出版社4陈其纯可编程序控制器应用技术北京：高等教育出版社 edit See al八、附录图1变频恒压供水系统控制流程图图2变频恒压供水系统框图 图3 系统的电气控制总框图主要设备型号可编程控制器（PLC）FX2n-48MR模拟量扩展模块FX2n-4AD变频器FR-D700水泵机组水泵4台压力变送器及显示仪表普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪液位变送器分体式液位变送器DS26图4硬件设备清单图5变频恒压供水系统主电路图图6变频恒压供水系统控制电路图图7 I/O接线图图8 PLC及扩展模块外围接线图图9梯形图成绩评定指导教师评语：计算机控制课程设计成绩评定班级 0924122 姓名 学号 综合成绩： 指导教师签字 2016年 1 月 7 日
