1、 变频恒压供水控制系统 第 1 页 共 33 页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；PI
2、D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；恒压供水变频恒压供水控制系统 第 2 页 共 33 页目录第一章 绪论 .31.1研究背景 .31.2控制方案确定 .3第二章 变频恒压供水系统的硬件设计 .82.1 PLC选择及接线 .82.1.1 PLC选择 .82.1.2
3、 接线及I/O分配 .102.2水泵机组选型 .132.3 变频器选型及接线 .142.3.1 变频器选型 .142.3.2变频器的接线 .172.4 PID调节器 .172.5压力传感器 .192.6系统主电路设计 .19第三章 变频恒压供水系统的软件设计 .213.1PLC控制 .213.1.1 PLC程序流程图 .213.1.2手动运行 .213.1.3自动运行 .223.2编程及介绍 .233.2.1总程序的顺序功能图 .233.2.2手动运行顺序功能图 .233.2.3自动运行顺序功能图 .243.2.4梯形图设计 .25第四章 总结与展望 .30结束语 .31参考文献.32变频恒压
4、供水控制系统 第 3 页 共 33 页第 1章 绪论1.1 研究背景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。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作。传统的供水方式如水塔高位水箱供水，单片机变频调速供水系统等都存在不同程度浪费水力、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，居民生活用
5、水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出。应用变频器恒压供水，因为水箱能大幅度减小，因此能有效地减小楼房的负载，由于减小了供水水箱和楼房的负荷，何以节约工程造价，相应地也扩大了楼房的面积。由于采用了变频调速，减小了供水水泵的频繁启动，可以使水泵工作在高效状态，从而可以节约能源，减小对电网的冲击。由于电动机所消耗的功率与转速的立方成正比，因此可以获得较好的节能效果。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，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少
6、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。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依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，是当今最合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等尤其重要。PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1
7、.2 控制方案确定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1-1所示。由图1-1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
8、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。变频恒压供水控制系统 第 4 页 共 33 页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。QH管阻特性扬程特性Q AH A图1-1 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
9、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。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
10、实现调速的。根据电机学理论,交流电动机的转速公式为： )1(60spfn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，它被广泛地应用变频恒压供水控制系统 第 5 页 共 33 页于对水泵电机
11、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，
12、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
13、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4060，节水1530，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。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
14、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
15、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变频恒压供水控制系统 第 6 页 共 33 页行，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
16、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：变频器P L C用户水 源压力传感器控制信号电源K M 1 K M 3 K M 5 K M 0 K M 2 K M 41 #2 #3 #M3 M3 M3 图1-2 系统总体框图从整体框图中，我们可以看出系统由控制系统、执行机构、信号检测、人机界面、以及报警装置等部分组成。（1）控制系统控制系统包括PLC 系统、变频器和电控设备三个部分。1）PLC系统 :它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对
17、系统中的工况、压力、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，变频恒压供水控制系统 第 7 页 共 33 页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)进行控制。2）变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器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。3）电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。（2）信号检测在系统控制过程中，需要检测水压信号反馈信息和系统报警信号。1）水压信号:反映了用户管网的水压值，是恒压供水系统保持恒压
18、的关键反馈信号。2）报警信号:监测系统是否正常运行，水泵是不是过载、变频器是否正常工作，为开关量信号。（3）执行机构执行机构就是一组水泵，它们协调工作，通过控制系统的增减泵工作，使得用户管网的水压保持恒定。（4）报警装置任何一个自动控制系统，都离不开报警装置。为了保证系统稳定，安全运行，防止因水泵过载、变频器异常、电网出现大波动、水源中断、泵站内溢水等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，经PLC收集判断，进行各种显示和保护动作控制，维护系统安全稳定。变频恒压供水控制系统 第 8 页 共 33 页变频恒压供水控制系统 第 9 页 共 33 页第 2章 变频恒压供水系统的硬件设计2.1
19、 PLC选择及接线2.1.1 PLC选择PLC即可编程序控制器，是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形
20、图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC 后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC 应用于生产实践。PLC是该控制系统的核心部件，合理选择PLC 对于保证整个控制系统的技术指标和质量至关重要的。PLC 选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠，维护使用方便及最佳的性能价格比。目前市场上的PLC 种类繁多，近年来，从美国、日本、德国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列，上百种型号。其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有自己的特点，
21、适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要的作用。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择可从以下几个方面来考虑。世界各国生产厂家生产的PLC虽然外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构都大体相同。主要由中央处理器（CPU） 、存储器（RAM 、 ROM） 、输入输出单元（I/O）接口、电源及外围设备等几大部分构成。PLC的硬件结构框图如图2-1所示：变频恒压供水控制系统 第 10 页 共 33 页电 源输入单元外设接口 输出单元扩展接口运 算 器控 制 器系 统 程 （ ROM）用 户 程
22、 序 (A)微 处 理 器 (CPU)存 储 器主 机输入设备 输出设备编 程 器磁 带 机打 印 机EPROM写 字 机图 形 监 控 系 统外 围 设 备LC或 上 位 计 算 机 扩展单元图2-1 PLC的硬件结构框图在选择PLC的型号时一般从以下几个方面来考虑：（1）功能要适当。PLC 的选型基本原则是满足控制系统的功能需要。控制系统需要什么功能，就选择具有什么样功能的PLC，当然要兼顾维修、备件的通用性。（2）I/O 点数是基础。准确地统计出被控设备对输入输出点数的总需要量是PLC选型的基础。把各输入设备和被控设备详细列出，然后在实际统计出I/O点数的基础上加15%20%的备用量，以
23、便今后调整和扩充。（3）充分考虑输入输出信号的性质。除决定好I/O点数外，还要注意输入输出信号的性质、参数等。（4）估算系统对PLC 响应时间的要求。对于大多数应用场合来说，PLC的响应时间不是主要的问题。响应时间包括输入滤波时间、输出滤波时间和扫描周期。PLC的顺序扫描工作方式使它不能可靠地接收持久时间小于扫描周期的输入信号。为此，需要选取扫描速度高的PLC，像FX2N型PLC能处理速度达0.48s/步的顺控指令。（5）根据程序存储器容量选型。PLC的程序存储器容量通常以字或步为单位。PLC的程序步是由一个字构成的，即每个程序步占一个存储器单元。用户程序所需存储器容量可以预先估算。对于开关量控制系统，用户程序所需存储器的字数等于I/O信号总数乘以8。关于PLC的选型问题，当然还应考虑到PLC 的联网通信功能、价格因素。系统可靠性也是考虑的重要因素。（6）编程器与外围设备的选择。小型PLC控制系统通常都选用价格便宜的简易编程器。如果系统大，用PLC 多，选一台功能强、编程方便的图形编程器也不错，如果有现成的个人
