1、基于 PLC 变频调速恒压供水系统的设计摘 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。论文分析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机理。通过对变频器内置 PID 模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化采取 PID 调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。依据供水要求，设计了一套由 PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组
2、等主要设备构成的全自动变频恒压供水，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行和现场手动控制等功能。关键词：可编程序控制器, 变压变频调速, 恒压供水, PLCPLC-BASED INVERTER CONTRL CONSTANT PRESSURE WATER SUPPLY SYSTEM DESIGNABSTRACTWith the rapid socio-economic development of water quality and water supply systems to improve reliability requirements. In addition, the current
3、 energy shortage, the use of advanced automation technology, control technology and communication technology, the design of inevitable trend.Paper analyzes the way VVVF speed control constant pressure water supply compared with the traditional way of constant pressure water supply valve to control t
4、he energy-saving mechanism. Converter built by the preset parameters of PID module, using theaccordance with changes in water consumption. In this paper, based on water requirements, the design of a set by the PLC, frequency converter, Far Easton pressure, multi-pump unit consisting of major equipme
5、nt such as automatic frequency conversion constant pressure water supply, with automatic constant frequency operation, automatic frequency run and on-site features such as manual control.KEY WORDS: ： programmable logic controller, VVVF speed control, constant pressure water supply, PLC目录前言1第 1 章 绪论2
6、1.1 本课题设计的背景21.2 本课题设计的内容21.2.1 恒压供水系统的选型31.2.2 系统的硬件设计31.2.3 系统的软件设计31.3 系统控制的原理3第 2 章 系统的硬件设计42.1 恒压供水系统的基本构成52.2 可编程控制器（ PLC）的选型82.2.1 PLC 概述82.2.2 PLC 的选型82.3 PLC 模拟量控制单元的配置以及应用102.4 供水系统主要器件选型132.5 PLC 及变频器控制电路132.5.1 供水系统电气主电路132.5.2 供水系统控制电路142.6 硬件接线图162.7 控制系统的 IO 点及地址分配18第 3 章 系统的软件设计213.1
7、 PLC 梯形图设计213.1.1 梯形图绘制213.1.2 梯形图指令243.1.3 程序的结果以及程序功能的实现273.2 系统工作流程图283.3 控制系统程序设计293.3.1 启动程序293.3.2 水泵切换程序303.3.3 逐台停泵程序303.3.4 故障处理30第 4 章 系统调试314.1 PLC 程序的运行和模拟调试314.2 系统总体调试31结论31谢 辞33参考文献33外文资料翻译35前言随着各住宅小区的宿舍楼等一座座高楼拔地而起，相应的生活用水量也大幅度增加。人们对提高供水质量的要求越来越高，另外人们的节能意识及对运行的可靠性的要求越来越强。采用变频器及 PLC 技术
8、实现的无塔恒压供水系统，不仅能提高供水质量，而且在节约能源和运行可靠性具有较好的改善。其中，采用变频调速的主要目的是通过调速来恒定用水管道的压力以达到节能的目的，恒压供水则是为了满足用户对流量的要求。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。本文介绍的变频控制恒压供水系统， 是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该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
9、供水的技术优势，同时有效的节省了资金。应用 PLC 技术是为了实现系统的软启动，减少手动操作或抚慰操作， 同时替代部分继电器减少机械触点的故障，增强可靠性。下面笔者根据这方面的工作经验谈谈在恒压供水系统设计和实践过程中的一些思路和做法。第 1 章 绪论1.1 本课题设计的背景随着变压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（水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些理论上意想不到的问题。本课题介绍的变频控制恒压供水系统很好的解决了
10、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，同时有效的实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。PLC 是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（ PLC 、ROBOT 、CADCAM ）的首位。有如下特点：1. 可靠性高、抗干扰能力强2. 设计、安装容易、维护工作量少3. 通用性好，组合灵活4. 功能完善，适应面广5. 体积小、功耗低6. 开发周期短、成功率高等已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品，与继电器、接触器系统相比系统更加可靠；占位空间小； 价格上能于继电器、接触器控制
11、系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护和维修；能直接推动电磁阀、接触器于之相当的执行机构；能向中央执行机构、重要数据处理系统直接传输数据等。因此，进行变频恒压供水系统的 PLC 控制系统的设计，可以推动变频恒压供水系统行业的发展，扩大 PLC 在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。1.2 本课题设计的内容本设计将在以下几个方面对恒压供水控制系统进行研究和论证。1.2.1 恒压供水系统的选型该系统是由储水系统、动力系统、回水系统和控制系统（手动控制、自动控制）组成，对象系统由三台不同功率的水泵机组组成，都为常规变频循环泵，用于模拟正常模式下的生活供水动力系统，回水系统采用有
12、机玻璃材料结构，以使实验系统具有可观察性。1.2.2 系统的硬件设计PLC 变频恒压供水控制系统由 3 台水泵，一台智能型电控柜（包括变频器、PLC 、交流接触器、继电器等），一套压力传感器、缺水保护器，断相保护装置以及供电主回路等构成。1.2.3 系统的软件设计系统的软件设计包括 plc 的程序设计和变频器的功能参数设定。这里主要讨论 plc 的程序设计。plc 的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计，手动部分是通过按钮控制水泵在工频下运行和停止，主要考虑系统调试或检修时用。当选择开关打到“自动”时，系统能够进入自动工作状态，由 plc 和变频器联合控制各台电机的投入或切除、工频或变频运
13、行方式。供水系统共有 3 台泵组电机，在根据水压决定投入泵组台数后，只有最初投入的电机进行变频调速，其它后投入的电机则在工频下全速运行， 泵组电机的切换过程由逻辑控制单元 PLC 实现。1.3 系统控制的原理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 的标准信号送入 PLC 的端口进行 PID 调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，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；当用水量超过一台 泵的供水量时，通过 PLC 控制切换器进行加减泵。根据用水量的大小量的大小由 PLC 控制工作泵数量的增减及变频器对水
14、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。此外，系统还设有多种保护功能，尤其 是硬件软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。第 2 章 系统的硬件设计学习 PLC 的硬件系统、指令系统和编程方法以后，对于设计一个较大的 PLC 控制系统时，要全面考虑多种因素，不管所设计的控制系统的大小， 一般都要用以下设计步骤来进行系统设计。随着 PLC 功能的不断完善和提高，PLC 几乎可以完成工业领域的所以控制任务。但是 PLC 还是有最适合它的应用场合，所以接到一个控制任务以后，要分析被控对象的控制过程和要
15、求，看看用什么控制设备来完成该任务最合适。其实现在的可编程不仅处理开关量，而且对模拟量的处理能力也很强。所以在很多情况下也可以取代工业控制计算机（IPC ）作为主控器。控制对象以及控制装置确定后，还要进一步确定 PLC 的控制范围。一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由 PLC 控制来完成。当某一个控制任务决定由 PLC 来完成后。选择 PLC 就成为最重要的事情。一方面是选择多大容量的 PLC ，另一方面是选择什么公司的 PLC 以及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的IO 点找出来，包括开关量 IO 模拟量 IO 以及
16、这些 IO 点的性质。IO 点是性质主要是指他们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V 的接触器、电磁阀，又有直流 24V 的指示灯，则最后选用的 PLC 的输出点有可能大于实际点数。因为 PLC 的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组的输出只能有一个电源的种类和等级。对于第二个问题，则有以下几个方面要考虑：1. 功能方面所有 PLC 一般都具有常规的功能，但是对于某些特殊要求，就要知道所选用的 PLC 是否有能力完成控制任务。如对 PLC 与 PLC 、PLC 与智能仪表以及上位机之间灵活方便的通讯要求；或对 PLC 的计算速
17、度、用户程序容量有特殊要求的；或对 PLC 的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的 PLC 品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。2. 价格方面不同厂家的 PLC 产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、IO 点数相当的 PLC 的价格能相差 40% 以上。在使用 PLC 较多的情况下，这样的差价必须是需要考虑的。输入输出信号在 PLC 接线端子上的地址分配是进行 PLC 控制系统设计的基础。对软件设计来说， IO 地址分配以后才可以进行编程；对控制柜和 PLC 的外围接线来说，只有 IO 地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。2
18、.1 恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能 而可靠。配单台电机和水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时 开一台大电机肯定是浪费，电机选小了用水量大时供水不足。而且水泵和 电机都有维修的时候，备用泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网 水压的恒定，水泵电机的转速套跟随用水量的变化而变化，这就要用变频 器为水泵供电。这也有两种配置方式，一是为每台水泵电机配一台变频器， 这当然方便，电机与变频器间不需要切换，但是购买变频器的费用较高。 另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机见可以切换，供水运 行时，一台水泵变频运行，其余水泵工频运行，以满
19、足不同用水量的需求。恒压供水泵站的示意图，如图 2-1 所示，图中压力传感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。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。电动机调节器变频器用户水泵水箱压力传感器图 2-1变频恒压供水站的基本组成调节器是一种电子装备 ,在系统中完成以下几种功能 :1. 设定水管压力的给定值，恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值，另外有些供水系统可能有多种供水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不只一个，一般消防用水
20、的水压要高一些，调节器具有给定值设定功能，可以以数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。2. 接受传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置称为反馈，调节器实反馈的接受点。3. 根据给定值和实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接受了实测水压的反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。如果给定值大于实测值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速，如果水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都是由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节工作中还有个调节规律的问题，传统调节器的调节规律多是比例 - 积分-微分调节
21、，俗称 PID 调节。调节器的调节参数，如 P、I、D 参数均是可以由使用者设定的， PID 调节过程视调节器的内部构成由数字式调节及模拟量调节两类，以微型计算机调节器多为数字调节器。调节器的输出信号一般式模拟信号，420mA 变化的电流信号或 010V 间变化的电压信号。信号的量值与前面提到的差值成正比，用于驱动执行设备工作。下面以一个三泵生活消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，如图 2-2 所示，市网来水用高低水位控制器 EQ 来控制注水阀 TV1 ， 它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高低水位信号也直接送给 PLC ，作为低水位报警用。为了保障
22、供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀 YV2 处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水量的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀 YV2 得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后三台泵再改为生活供水使用注水市网来水 阀TV1电磁阀YV2生活用水上水位#1高低水位控制器EQ水池下水位#2#3消防用水图 2-2 生活消防双恒压供水系统构成图2.2 可编程控制器（ PLC ）的选型2.2.1 P
23、LC 概述可编程控制器，英文称 ProgrammableController, 简称 PLC ，本课题中用 PLC 作为它的简称。PLC 是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC 基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而 PLC 可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。PLC 有丰富的指令系统，有各种
24、各样的 IO 接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本功的功能：1. 逻辑处理功能；2. 数据运算功能；3. 准确定时功能；4 . 高速计数功能；5 . 中断处理（可以实现各种内外中断）功能；6 . 程序与数据存储功能；7 . 联网通信功能；8. 自检测，自诊断功能。可以说，凡普通小型计算机功能实现的功能， PLC 几乎也都有可以做到。像 PLC 这样，集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电器控制电路所无法比拟的。丰富的功能为 PLC 的广泛应用提供了可能，同时，也为节水行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。2.2.2 PLC 的选型在 PLC
25、系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC 工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此， 工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系统。1. 输入输出（ IO）点数的估算IO 点数估算时应考虑适量的余量，通常根据统计的输入输出点数，在增加 10%20% 的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时， 还需根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行圆
26、整。2. 存储器容量的估算存储器容量是可编程程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 IO 点数的 1015 倍，加上模拟 IO 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（ 16 位为一个字），另外再按此数的 25% 考虑余量。因此本课题的 PLC 内存容量选择应能存储
27、2000 条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。3. 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。根据本课题所设计的变频调速恒压控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。. 控制功能PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高 PLC 的处理速度和节省存储器容量。. 编程功能离线编程方式： PLC 和编程器共用一个 CPU，编程器在编程模式时，CPU 只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式， CP
28、U 对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式： CPU 和编程器各有自己的 CPU，主机 CPU 负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。五种标准编程语言：顺序功能图（ SFC ）、梯形图（ LD）、功能模块图（ FBD ）三种图形化语言和语句表（ IL）、结构文本（ ST ）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准，同时，还应支持多种语音编程序形式，以 满足特殊控制场合的控制要
29、求。. 诊断功能PLC 的诊断功能硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对 PLC 内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对 PLC 的 CPU 与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC 的诊断功能的强弱直接影响对操作和维护人员技术能力的要求， 并影响维修时间。4. 机型的选择目前，国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的 PLC 产品，使用户眼花缭乱、无所适从，通过对输入输出点的选择、对存储容量的选择、对 IO 响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分析，决定使用西门子公司生产的 S7 200 系列的 CUP2
30、22 型号的可编程控制器作为变频调速恒压供水系统的控制器。S7-200PLC 是德国西门子公司生产德一种小型PLC ，其许多功能达到大、中型 PLC 的水平，而价格却和小型 PLC 一样，因此，它一经退出， 即受到了广泛的关注。特别是 S7-200CUP22* 系列 PLC 。由于它具有多种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，并且可以很容易的组成 PLC 网络。2.3 PLC 模拟量控制单元的配置以及应用PLC 的普通输入输出端口均为开关量处理端口，了使 PLC 能完成模拟量的处理,常见的方法是为整体式 PLC 加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转化
31、为 PLC 可处理的数字量及将 PLC 内部运算结果数字量转换为机外可以使用的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模数转换的，单独用于数转换的，也兼有模数和数模两种功能的，以下介绍 S7-200 系列 PLC 的模拟量扩展模块 EM235 ，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输入，可以用于恒压供水控制中。EM235 模拟量工作单元性能指标为能适用各种规格的输入、输出两，模拟量处理模块都设计成可编程， 而转换生成的数字量一般具有固定的长度及格式。模拟量输出则希望将一定范围的数字量转换为标准电流量或标准电压量以方便与其他控制接口。上表中，输入、输出信号范围栏给出了 EM235 的输出、输入信号规格，以供选用。校准及配置模拟量模块在接入电路工作前需完成配置及校准，配置指根据实际需接入的信号类型对模块进行一些设定。校准可以简单的理解为仪器仪表使用前的调零以及调满度。EM235 的安装使用1. 根据输入信号的类型及变化范围设置 DIP 开关，完成模块的配置工作。必要时进行校准工作。2. 完成硬件的接线工作。注意输入、输出信号的类型不同，采用不同的接入方式。为防止空置端对接线端的干扰，空置端应短接。接线还应注意传感器的线路
