基于PLC的恒压供水控制系统的研究Word格式.docx

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摘要

此篇论文根据我国供水要求的实际情况，设计出了一套基于PLC的恒压供水系统，变频恒压控水系统是由PLC,压力传感器，变频器，水泵机组等组成的。

该系统一共包含三台水泵机组，三台水泵在PLC的控制下可以变频运行或者工频运行以维持管网水压的稳定，变频运行和软启动是由变频器来控制完成的，三个水泵的切换是采用“先启先停”的原则。

压力传感器先对当前的管网的水压进行检测，传入PLC后，PLC将其值与设定值进行比较，然后用PID进行运算，单片机以此来控制输出变频器的输出电压和频率，水泵电动机的转速就会改变使供水量做出相应的变化，最终使管网的压力在设定值上保持恒定。

组态软件系统的监控是通过工控机和PLC的连接，来实现对运行状态，数据，以及报警查询的功能。

关键词恒压变频供水；

PLC；

组态软件系统监控；

自动控制

Abstract

BecauseoftherequirementofChina’slackofwatersupply,wedesignasetoffrequencyconversionconstant-pressurewatersupplysystembasedonPLC.ThesystemismadeupofPLC,Pressuresensor,Variable-frequencyDrive,Pumpingunit，etc.

Thesystemconsistsofthreesetsofpumpingunit.ThreesetsofpumpingunitwhichareunderthecontrolofPLCcanmaintainthestabilizationofthepipelinenetworkwaterpressurebyvariable-frequencyoperationorLine-frequencyoperation.Variable-frequencyoperationandsoftstartareunderVFD'

sthumb.Theswitchbetweenthepumpingunitsusetheprincipleof“startfirststopfirst”.Pressuresensortestthepipelinenetworkwaterpressureatfrist，thendateintoPLC.PLCwouldcomparethedatewiththesetvalue.ThenusePIDtomakecomputations.MCUcontroltheoutputvoltageandfrequencyoftheVFDbymeansoftheprocess.Thespeedofthepumpmotorwillchange,inthemeantimethesupplyofwaterwillmakethecorrespondingchange.Ultimatelymakethepipenetworkpressureremainconstantinvalue.MCUconnecting 

with 

PLCthroughIPC,torealized 

therunningstatus,data,alarmdisplayandqueryfunction.

Keywordsfrequencyconversionconstant-pressurewatersupplyPLCSCADA（Supervision,ControlandDataAquisition）autocontrol

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1恒压供水的背景和意义1

1.2传统供水方式简介1

1.2.1恒速泵供水1

1.2.2水塔供水1

1.2.3高位水箱供水2

1.2.4气压罐供水2

1.3恒压供水系统国内外研究现状2

1.4变频器供水系统的应用范围2

1.5关于本次设计3

2恒压控制系统理论基础4

2.1电动机调速原理4

2.2变频恒压控水系统的节能原理4

2.3供水系统的安全问题6

2.3.1水锤效应6

2.3.2消除水锤效应的方法6

2.3.3延长水泵寿命的其他间接原因7

2.4系统工作原理7

2.5系统的主电路图8

3系统的硬件设计9

3.1变频恒压供水控制系统的构成方案9

3.2水泵机组的选型11

3.3PLC12

3.3.1PLC的简介12

3.3.2PLC的工作原理14

3.3.3PLC的选型14

3.3.4PLC的I/O分配15

3.4变频器选型17

3.4.1变频器的特点17

3.4.2变频器的选型18

3.5压力变送器的选型18

3.6水位传感器的选型19

3.7元件表19

4系统的软件设计20

4.1系统运行过程20

4.2系统软件设计21

4.3控制系统的主程序24

4.4控制系统的子程序28

结论32

致谢33

参考文献34

附录35

附录1主程序梯形图35

1绪论

1.1恒压供水的背景和意义

我国水能电能人均占有量都不丰裕，而且供水系统一直是一个比较棘手的问题，供水技术也落后于其他发达国家，自动化程度不能达到令人满意的程度。

传统的供水方式占用的地方多，水质得不到保证，供水系统建设投资大，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。

这主要表现在用水高峰期，水的供给小于需求，用水低峰期，供给量却高于需求量。

恒压供水技术采用变频器来改变电动机的电源频率，控制水泵的转速从而而达到改变水泵出口压力，该技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高。

众所周知，我国人口密度大，所以耗水量也是非常巨大的，但是我国的供水设备效率低，控制系统的模式又不够科学、合理，很大程度上造成了电能的浪费。

据统计，每年在我国的电能消耗之中，水泵所消耗的电能占了五分之一。

研究新型的供水模型，不仅提高了供水质量，又能节省大量能源，这是很有意义的。

拿传统的供水方式来作比较，恒压供水具有很多优点。

传统的供水方式没有办法时刻感知管网所承受的压力，水泵都是人工操作的，不仅复杂，而且耗费的资源多，还容易造成供水管网和水泵损坏。

1.2传统供水方式简介

1.2.1恒速泵供水

这是最传统的供水方式，该方法是由一台恒速泵直接给用户输送水资源，这种方法弊端很多，所得的水质量也是不尽人意的。

恒速泵一直不停运行，无论用水高峰还是用水低峰，大大浪费了电能，也使管网的压力不能保持恒定。

不过该方法造价低，供水简单。

1.2.2水塔供水

水塔是一般居民区里的蓄水装置，还有的是自来水厂生产过程中的一个重要组成部分。

高层结构的贮水和水的分布，用于维持和调节水量和供水管网的压力。

主要由水箱，连接分支管或支架。

在工业和民用建筑中水塔是一种常见的和特殊的建筑物。

这种给水基础设施的投资大，占地面积最大，压力是不可调的，不能兼顾到长期使用，系统水压不可以随着所需流量下降而下降，仍有一定的能量损耗和二次污染问题。

1.2.3高位水箱供水

该方法和上面的供水方法原理相同，相比水塔供水，此方法减少占地面积。

不足是水箱建在高楼顶，水箱容积等有限制，供水质量也不能得到保证，人或动物甚至有可能进入水箱。

1.2.4气压罐供水

可取代高位水箱，节省技术层的占地面积，为建筑物的防震设提供方便，同时减少了建造建筑的投资，也解决了高层消防压力不足的缺点。

优点是：

隔膜气压供水装备：

一次充气常年使用，水质不受污染。

实现自动操作，管理方便，安全可靠。

可是相比PLC恒压供水，其缺点也是显而易见。

1.3恒压供水系统国内外研究现状

随着电子技术以及自动控制技术的发展，变频器也得到了飞速的发展。

在发展初期，一些国家制造的变频器控制频率、正反转、变压变频比控制及各种保护功能作为主要研究项目，国外的供水系统主要采用“一控一”的方式，即一台变频器带一台水泵机组。

这种方法的优点在于灵活，安全。

但是变频器和水泵一样多，所以成本比较高。

1968年，丹佛斯发明和制造了变频器之后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推广变频器的恒压供水功能，变频恒压供水系统的稳定，可靠，高自动性也被大家发现和认可。

ABB集团推出了HVAC变频技术，施耐德公司推出了恒压供水基板，这个基板有两种模式。

可以最多带动七台水泵一起工作，从而降低了系统成本，但是它的稳定性不如一控一的控制方式，所以使用的时候也受到了限制，用的范围没有一控一的方式来的广。

我国也有不少企业研究和推广变频恒压控水，大部分国内的变频器是用进口原件组装的，搭配PLC来完成恒压供水，国产变频器发展较快的是控制要求相对较低的供水系统，因为价格低廉，小容量变频恒压供水占据了一大部分市场。

在要求较高的大容量变频器上，国产变频器还不够完善，有待进一步加强。

1.4变频器供水系统的应用范围

变频恒压控水应用范围比较广泛，使用对象也渗透在我们生活的方方面面。

大城市的主力供水厂所使用的供水系统水泵机组多，该系统需要高质量的变频器和控制器，需要采用进口变频器。

小型供水厂变频恒压供水系统因为受到经济的制约所采用的元件要求就低了很多，大多采用国产变频器。

小区、工厂、高楼所采用的供水系统，由于系统简单，又有庞大的用户群，所以是国内研究最多的方式。

目前，国内排除该控水系统，各种变频控水系统均表示只要可以改变容量就可以应用到其他供水系统中，但是在现实应用中，不一样的系统环境对变频器的各项要求是不相同的，大部分变频器并不可以真正的实现通用。

所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压变频控水系统并不能完全满足实践要求，现部分中现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。

1.5关于本次设计

本设计采用了以PLC为核心的高稳定性功能多样的控制系统，它由主回路，备用回路，一个干净的水池和泵组成，泵机由编号为1,2,3的三台组成，另外还有电动阀和蝶阀，以调节各个供水回路中的水量。

用户管网中的瞬时压力决定了水泵的工作状态，即有多少台水泵工作和工作在变频状态水泵的转速，管网的压力时刻在变，三台水泵在PLC的控制下工作状态也始终在变，最终达到一种恒定的状态，满足了供水要求，同时使系统运行在最节能的状态。

本次设计的优点概括：

（1）系统经济节能

本次设计由一个控制核心控制多台水泵，相比一对一的控制方式造价低廉，大大的节约了成本，在造价上很具有优势。

（2）系统维护简便

系统内部模块化强，各模块功能强大，方便维护人员的维护和检测系统哪里出了问题，也方便维修。

（3）具有较强的通用性

系统不会因为变了个环境就不能使用，通用性强，可以通过改变软件或模块来应用到不同的场合，具有较强的灵活性;

（4）智能性

系统无需人工控制值守，系统自身能判断简单的问题，即使无人操作，也能应对小问题，不会因为一点点小问题而导致系统停止运行，供水系统瘫痪，使供水得到了保障，不会无故停机断水。

（5）具有较强的自我保护功能

除了能应对常规的过载、过流、过压等问题，当水池水位不足时也会自动停机。

2恒压控制系统理论基础

2.1电动机调速原理

根据电工学中电机转速公式：

式中：

f——电源频率；

P——电动机极对数；

S——改变转差率。

可以得出，如果想改变电机转速n，办法有三个，依次是：

1.改变电源的频率；

2.改变电机极对数；

3.改变转差率。

按照上面三种方法，可以知道可以选用极数可变的电动机来调节电动机的转速，但是这样不仅电动机价格高昂，而且调速效果也不理想，不能满足恒压供水系统的恒压要求，要想达到恒压要求，那么需要对当前压力进行监测，由于压力是一个可变的连续值，这就要求了电动机必须要满足可以无级调速才能实现保持水压恒定。

通过改变转差率虽然也能实现电机的调，但是考虑到方法相对复杂很多，而且还存在能耗，不能很好的满足节能的需求，电路投资成本不匪，因此也不计入考虑范围之内。

本设计采用改变频率来改变电机的转速n，转速n可以随着电源频率f的改变而改变，由于频率的调节值可以是非固定的，所以理所当然能实现电机的无级调速，调节过程非常的稳定，并不会产生噪声等扰人因素，凭借现在的技术，变频调速已经发展的相当成熟，变频器也越来越多的运用到科研，工业，生活之中，给变频恒压控水的研究提供了深厚的理论基础。

2.2变频恒压控水系统的节能原理

之所以变频恒压控水被越来越多的研究人员注视到，是因为它节省了很多电能，前面已经提到，整个水泵供水的耗电占到了我国总耗电的五分之一，如果将这个比例具体量化的话，得到的数据是十分惊人的，因此研究可以省下百分之三十五到百分之六十电能的变频恒压控水系统是十分有实际意义的事情。

传统的供水方式水泵的转速是不变的，以前人们通过机械的方法来改变供水水压，这种方法不仅不仅调控不灵活，而且供水水泵一直运行在工频状态，浪费了很多电能。

扬程特性是表示了水泵的扬程H和供水量Q之间的函数关系（阀门大小保持恒定）,具体曲线如下图所示：

图2.1供水系统的基本特性

由图可知，随着Q的增大，H变得越来越小，在其他情况都不改变的情况下，用水水量取决了Q。

管阻特性曲线的具体含义是当水泵恒定的运行在一定转速的情况下，在某特定阀门开度内H和Q的曲线关系，具体也如2.1所示。

它具体表述的含义是水泵所产生的能量用来克服水位和压力差，水在管网里流动时的阻力变化规律。

由图可以得到，当阀门大小不变，随着H的增大，Q也随之增大。

在两曲线交点处，使用的水量和供给的水量平衡，系统稳定运行，称为供水系统工作点。

概括的说，传统供水方式是通过改变管阻特性来满足供水水压需求的，而变频恒压控水是通过改变扬程特性来满足供水压力需求的。

查阅力学公式，得到：

水泵的输出功率

；

水泵的转速

管网的水压

由以上三个式子，得到水泵的输出功率：

即水泵的输出功率转速三次方成正比。

其实k、k1、k2、k3为比例常数。

图2.2管网和水泵的运行曲线

在传统供水方式下，从E点用水量比较高的时候用水量降落到F点，由于扬程曲线不变，管阻曲线通过减小阀门的大小由b3变到b1，水泵消耗的功率P和OH1FQ2的面积成正比。

而如果采用变频恒压控水方式，那么阀门的大小是保持不变的，即管阻特性曲线一直保持为b2曲线不变化，从E点用水量比较高的时候用水量降落到D点，水泵消耗的功率P和0H0DQ2的面积成正比，十分明显，相比变频恒压控水，传统供水方式浪费了正比于H0H1FD面积的功率，这就是变频恒压控水的节能原理。

2.3供水系统的安全问题

2.3.1水锤效应

当一台水泵接上工频电源，它通电后只需要经历四分之一秒就能从停机状态运行到全速状态，在这个四分之一秒内，管网流量从零增加到额定流量，水是很难被压缩的，而且它还具有动量，所以在这短短的四分之一秒内，管网中流量的改变过于巨大，这段时间产生的巨大力量会对管网造成冲击，就像一把水做的锤子在敲击管网一样，所以命名为水锤效应。

产生水锤效应的原因很简单，就是因为水泵的启动或者停止太快，导致动态转矩过大，加速过快，水的流量也一下子变得很大。

2.3.2消除水锤效应的方法

当系统里选用了变频器之后，可以预先设置提速时间，让它不会向直接接上工频电那样超快速的加速，这样可以极大程度的减少动态转矩，同样的道理，在水泵停止运行的时候，也可以通过变频器预先设置减速的时间来使停机的时间变长，大大的减少动态转矩，这样可以从根本上消除水锤效应，保证管网和水泵的安全和安静运行。

2.3.3延长水泵寿命的其他间接原因

系统通过变频器消除了水锤效应，这点对水泵的寿命是很有好处的，而且由于采用这种方法水泵的总体转矩变小，使水泵叶片所需要承当的应力减小了很多，同时也减少了轴承的磨损，所以相对于传统的恒速水泵运行，接上变频器之后水泵的寿命会提高许多，变频调速技术无论是对系统寿命还是能源消耗都造成了深远的影响。

2.4系统工作原理

当系统全自动运行的时候，系统设定的压力值和实际压力值即传感器的压力经过PID计算得到偏差值，然后给变频器输出频率信号，变频器根据该信号来调整水泵的运行频率，从而控制水泵的转速，这样就实现了供水水压保持在设定值所要求的范围之内，达到了恒压控制的目的。

这时候，如果变频器的运行频率到了上限，变频器也会将这个信号传达给PLC，PLC根据这个信号所持续的时间长度来判断是不是要启动第二台供水泵。

如果这个信号持续的时间足够长（一分钟到两分钟），那么PLC将第一台水泵切换到工频运行状态，此时启动第二台水泵进入变频运行状态，第三台水泵的启动也以此类推。

如果系统需要压力小于实际压力了，那么这个时候就应该要把调速泵转速调低，当调速泵的速度调的足够低，实际压力还是大，那么就需要减泵运行了，减泵运行的方法增泵差不多，假设3号泵在相当低的频率运行了一段时间，通常也是1到2分钟，那么PLC就会判断关闭3号泵，将2号泵原本的工频运行状态切换到变频运行运行状态，以此来维持供水水压的恒定，关闭2号泵，启用1号泵变频运行的方法也是如此。

这里值得注明的是，当满足变频器运行频率达到上限这个条件的时候，这个条件还不足以增泵，因为也许这段时间是短暂的，增泵之后所增加的那个水泵很快又要关停，这对水泵有机械磨损。

所以一定要达到一定时间才能够增泵，这样才具有实际意义，对水泵的使用寿命也是最好的。

在增泵的时候，当变频器运行在一个上限频率，这个频率应该是50Hz，因为我们现在用的电都是50Hz，达到50Hz的时候水泵的转速应该是最快的。

可是减泵的时候是否是频率减到0Hz呢？

答案是否定的，因为水管自身也有压力，系统内也存在阻力，按照实际，变频器运行的相对较低的频率是20Hz，当变频器频率在20Hz的时候，水泵几乎已经不向用户管网里送水了。

减泵和增泵一样，当达到低频率的时候不能马上就减，也要持续一段时间才能减泵。

2.5系统的主电路图

图2.3系统的主电路图

水泵有两种工作方式：

工频运行和变频运行，KM1，KM3，KM5分别是水泵1,2,3的工频运行的控制接触器；

KM2，KM4，KM6分别是水泵1,2,3的变频运行的控制接触器。

水泵都能工频运行或者变频运行。

FR1，FR2，FR3分别是水泵1,2,3的热继电器，它的原理是利用了电流的热效应来保护电路，在这个系统中的作用是对电动机进行过载保护。

3系统的硬件设计

3.1变频恒压供水控制系统的构成方案

3.1系统电气控制总框图

由图2.1看出，系统是由变频器、压力感应器、PLC及其扩展模块、水泵电机和各种低压电器组成。

该系统的主要设计任务是使用变频器来控制来控制一台水泵电机运行，在管网中使水压保持恒定或者切换水泵变频工频运行等。

由以上器件，可以得出系统框图：

图3.2系统框图

如图所示，这次设计的具体系统由三个水泵组成，三水泵一起工作，使整个系统平衡；

压力传感器，一般采用电阻传感器反馈从0到5V电压信号或反馈4~20mA的电流变送器；

变频器是整个系统的核心，其工作原理是通过改变电机频率，实现电机的无级调速。

我们可以给系统内的各个组成模块化的分个类

1、水泵作为整个装置的动力系统，负责将水送入用户管网，水泵根据工作方式可以分为两种：

（1）恒速泵：

水泵只在工频状态运行。

水泵启用这种工作方式是因为调速泵的最大供水能力不能满足要求，进入工频运行状态来补充水量。

（2）调速泵：

水泵这种工作状态是由变频器控制，即时的按照供水需求量来调整水泵的转速，以便于保持管网压力恒定。

2、该系统是有传感器来检测信号的，它检测用户管网中的水压信号，该信号时该供水系统的主要反馈信号。

3、PLC控制器，变频器以及其他电控设备组成系统的控制系统。

PLC控制器是控制系统的核心组成，它对系统中的各种信号进行采集，分析，计算来得到具体的控制方案，然后再通过变频器控制水泵达到控制整个系统的目的。

变频器则是对水泵转速进行控制的模块，变频器接收PLC传来的信号对水泵的工作频率进行调节已达到控制水泵转速的目的。

接触器，保护继电器，转换开关则是电控设备，它们完成系统的关停、切换水泵以及切换手自动运行等任务。

4、该控水系统是一个完整的系统，所以通讯接口也不可或缺，有了通讯接口才能和其他软件联动，交换数据甚至还能接入网络实现远程控制。

5、因为这个系统是全自动运行的，理所当然也需要报警装置，为了使系统安全，平稳可靠地运行，系统必须要对过载，断水等报警量进行监测，再由PLC判断报警类别，进行警报和保护控制，以免造成不必要的损失和系统的损坏。

6、人机操作界面也是十分重要的一个组成模块，它可以显示当前的工作状态和输入要给系统的指令，显示当前的报警信息。

总的来说，这套控制扩展性优秀，而且使用起来十分方便，使用者可以按照不同的要求编写不同的控制程序，以使系统适应于不同的具体场合。

PLC的稳定性也比单片机高，运行起来十分稳定。

综上所述该系统可以适应各种环境，而且大致适应于各种容量大小不相同的水泵机组。

在本论文中，为了提供一个具体的选型，参照《城市居民生活用水标准》，假定为高楼用户供水。

3.2水泵机组的选型

当需要确定供水系统的具体选型的时候，首先需要根据具体环境选择水泵机组，其选型要求是选用的水泵能工作在高效模式下而且可以运行稳定。

表3-1是国家标准GB/T50331-2002所确定的不同居住条件下的用水量：

表3-1不