基于PLC控制的物业供水系统综述.docx

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基于PLC控制的物业供水系统综述

第一章绪论

§1.1恒压供水产生的背景及意义

随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。

一方面要求提高供水的质量，不要因为压力的波动而造成供水障碍；另一方面要求保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。

针对这两方面的要求，新的供水方式应运而生，这就是PLC控制的恒压无塔供水系统。

恒压供水保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，同时又提高了系统的可靠性。

我国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，工业自动化程度低。

主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。

传统调节供水压力的方式，多采用频繁启／停电机的控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。

且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。

而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。

由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会。

§1.2国内外变频供水系统现状及应用范围

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。

目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。

国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。

这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。

此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。

目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。

但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。

变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:

（1）小区供水（加压泵站）变频恒压供水系统

这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。

由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。

（2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统

这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。

这类变频器、电机功率在135kV～320kW之间，电网电压通常为220V或380V。

受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。

（3）大型供水厂的变频恒压供水系统

这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大（一般都大于320kW）、机组多、多数采用高压变频系统。

这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。

目前，国内除了高压变频供水系统，多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。

所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，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。

第二章恒压供水设备的选择和论证

§2.1恒压供水控制系统的基本控制策略

采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）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，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。

系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。

恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。

即将压力控制点测的压力信号直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。

供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度。

水泵流量总和应大于实际最大供水量。

§2.2恒压供水系统构成及控制要求

本设计以三台泵组构成的生活/消防双恒压无塔供水泵站控制系统的实例。

此供水泵站为双恒压供水系统，系统的构成示意图如图2-2所示。

2-2系统构成示意图

市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满蓄水水池，只要水位低于高水位，则自动往水池注水。

水池的高低水位信号也直接送给PLC，作为高/低水位报警。

为了保证供水的连续性，水位的上下限传感器高低相距距离较小。

生活用水和消防用水共享三台泵，平时电磁阀YV2处于断电状态，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，维持生活用水低恒压值。

当有火灾发生时，电磁阀YV2通电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。

火灾结束后，三台泵再改为生活用水使用

对三台泵生活/消防供水系统的基本要求是：

（1）生活供水时，系统低恒压运行，消防供水时系统高恒压运行。

（2）三台泵根据恒压的需要，采取先开先停的原则接入和退出。

（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台泵，即系统具有倒泵功能，避免某一台泵工作时间过长。

（4）三台泵在启动时都要有软启动功能。

（5）要有完善的报警功能。

（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。

§2.3水泵的工作原理及调节方式

1.水泵的工作原理

供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2.3所示，叶轮安装在泵2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。

在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:

启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。

在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。

在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。

液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。

可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

图2.3离心泵结构示意图

2.水泵的调节方式

水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点（简称工况点）的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。

水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。

大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。

因此，研究并设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。

水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。

详细划分如下

§2.4供水电机的搭配

供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。

电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。

选择时应注意以下两点:

（1）如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。

（2）如果电动机功率选得过大，就会出现“小马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。

因此，要正确选择电动机的功率，对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率（生产机械轴上的功率）

（kW），可按式（2.1）计算所需电动机的功率

（kW）：

式中，

为生产机械的效率，

为电动机的效率，即传动效率。

按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。

因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。

§2.5水泵的选定

在小区供水时日常主供机组有三台，其中备用电机有一台，可以采用的变频方式有一拖二（即一台变频器带二台电机）、一拖三、一拖四的三种方式。

从经济角度考虑，拖的电机较多，变频器和控制系统就会越复杂，成本也会较高一些。

从国内目前成熟的变频器上考虑，采用一拖三的低压变频器成本较低，技术也较成熟。

因此如果能满足日常供水要求，采用一拖三的方式更适宜于日常水厂。

在变频电机选择上，考虑日常水厂作为全城的辅助水厂，在每天夜间会停机并在启动点机后会有较长时间采用较小流量补水，这时采用小功率电机变频，电机功率相对会低一些，因此，从经济与实用角度，采用变频一拖三，带一台Y315／160kw电机和两台Y280S／75kw电机，其中备用电机既可以满足最大供水量要求，也可以解决小流量时电耗问题，是比较适宜的变频机泵的选择方案。

第三章变频恒压供水控制硬件设计

§3.1系统硬件选型

在本系统中，水压的恒定是对水泵电动机进行变频调速和改变水泵的运行台数实现的。

压力传感器监测系统的压力，输出的模拟信号经A/D转换，转换后的数字信号送入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，并相应的输出大小适当的控制信号，该控制信号通过D/A转换成模拟信号送给变频器，对水泵电动机进行变频调速，达到控制管网恒压的目的。

如果电动机转速无法进一步改变，则通过改变水泵的运行台数来稳定压力。

根据控制要求和控制规模的大小，本系统选用三菱FX系列小型PLC作为系统的控制器，模拟量输入、输出模块选用FX2n—4AD和FX2n—2DA，变频器选用三菱的FR—A500系列，压力传感器则选用TPTH503压力传感器。

1.系统的控制器-------FX2n—32MR

三菱FX2n系列属于FX家族中高功能型的子系列，经过扩展适当的特殊功能模块并使用PID指令，完全可以满足对中等规模恒压供水系统死循环模拟量的控制要求。

根据系统的控制规模和对I/O点数的要求，系统的控制器选择FX2n—32MR（16点开关量输入，16点开关量输出）。

2.系统的模拟量输入、输出模块

1.模拟量输入模块FX2n—4AD的功能

FX2n—4AD模拟量输入模块具有四个信道，可同时接收并处理4路模拟量输入信号，最大分辨率为12位。

输入信号可以是-10~+10V的电压信号（分辨率为5mV），也可以是4~20mA（分辨率为16uA）或-20~+20mA（分辨率为20uA）的电流信号。

2.模拟量输出模块FX2n—2DA的功能

FX2n—2DA模拟量输出模块用来将12位数字信号转换成模拟量电压或电流输出。

它具有2个仿真量输出通道。

这两个通道都可以输出0~10VDC（分辨率2.5mV）、0~5VDC（分辨率1.25mV）的电压信号或4~20mA（分辨率为4uA）的电流信号。

3.变频器FR—A500

FR—A500系列在三菱变频器家族中属于多功能、通用型、重负载适用的变频器。

其功率范围为0.4~800KW,采用先进磁通向量控制方式，可实现在线自动调整功能，调速比可达1：

120（0.5~60HZ）。

随机带有一个简易操作面板。

4.压力传感器TPT503

根据我们的需要，考虑的小区的供水的可靠及稳定性并结合它所具有的特点，我选用PTH503压力传感器。

它采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。

输出信号:

4～20mA（二线制）、0～5V、1～5V、0～10V（三线制）供电电压:

24DCV（9～36DCV）。

广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制，具有高精度、高稳定性、量程范围宽等优点。

如图所示PTH503压力传感器

此类传感器通常也称为：

油压传感器，油压变送器，液压传感器，液压变送器，风压传感器，风压变送器，气压传感器，气压变送器，应变式压力传感器，应变式压力变送器，正负压力传感器，管道压力传感器,管道压力变送器等。

§3.2系统电路设计

系统的电气控制系统原理图主要包括主电路图、控制电路图、PLC系统外部接线图等。

1.主电路图设计_

系统电气主电路图如图3-3所示：

图3-3系统电气主电路图

在主电路中[1]，M1~M3分别为1号~3号水泵的电动机，控制三台电动机M1、M2、M3的交流接触器为KM1、KM3、KM5和KM2、KM4、KM6.

前者控制1号~3号水泵的电动机在工频下运行，而后者则控制1号~3号水泵的电动机在变频下运行。

FR1、FR2、FR3分别为三台水泵的电动机热继电器。

QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和电机主电路的隔离开关。

FU1为主电路的熔断器，UF为变频器。

首先由M1在变频器UF控制下工作，当用水量增大时，M1已经达到额定频率而水压不足时，经过短暂的延时后，将M1切换至工频工作。

同时，UF输出频率迅速降为0；然后是M2投入变频运行。

当2号水泵也达到额定频率而水压不足时，又使M2切换为工频运行，使M3投入变频运行。

相反，当用水量减少时，则一号水泵先退出，然后2号水泵一次退出工作，完成一次加减泵的循环。

在补泵时，因水泵电动机功率较大，不能直接启动，应该将原变频泵切换至工频运行，而用变频器对所补的水泵电动机进行软启动，并控制其变频运行。

2.控制电路设计

图3-4系统控制电路图

在图中，SA为手动/自动选择开关，SA打在“1”的位置时为手动状态，打在“2”的位置时为自动状态。

手动时，按压按钮SB1~SB8可以控制三台水泵的启/停和电磁阀YV2的通断，三台水泵只能在工频下运转。

当自动运行时，系统在PLC程控下运行。

图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。

对变频器频率进行复位时只提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共享一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复位控制。

图中的Y000~Y005及Y010~Y015为PLC的输出继电器触点

§3.3控制系统的I/O点及地址分配

根据上述控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称,代码及地址编号如下表3-1所示。

水位上下限信号分别为X001，X002，它们在水淹没时为0，露出时为1。

表3-1输入输出点的代码及地址编号

名称

代码

地址编号

输

入

信

号

手动和自动消防信号

SA1

X000

水池水位下限信号

SL-L

X001

水池水位下限信号

SL-H

X002

变频器报警信号

SU

X003

消铃按钮

SB9

X004

试灯按钮

SB10

X005

压力传感器模拟量电流值

Up

模拟量输入模块1信道

输

出

信

号

1#泵工频运行接触器及指示灯

KM1,HL1

Y000

1#泵变频运行接触器及指示灯

KM2,HL2

Y001

2#泵工频运行接触器及指示灯

KM3,HL3

Y002

2#泵变频运行接触器及指示灯

KM4,HL4

Y003

3#泵工频运行接触器及指示灯

KM5,HL5

Y004

3#泵变频运行接触器及指示灯

KM6,HL6

Y005

生活/消防供水转换电磁阀

YV2

Y0010

水池水位下限报警指示灯

HL7

Y0011

变频器故障报警指示灯

HL8

Y0012

火灾报警指示灯

HL9

Y0013

报警电铃

HA

Y0014

变频器频率复位控制

KA

Y0015

控制变频器频率用电压信号

Vf

模拟量输出模块电压信道

从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点一个、模拟量输出点一个。

选用三菱FX2n—32MR一台、加上一台模拟量扩展模块FX2n—4AD、一台模拟量扩展模块FX2n—2DA构成系统。

整个PLC如图3-2所示。

图3-2PLC系统组成

PLC系统外部接线图：

PLC系统外部接线图

第四章恒压供水系统的程序设计

§4.1系统的程序结构说明及流程图

PLC在恒压供水系统中的软件控制功能较多，模块量单元及PID调节调用了初始化子程序及中断程序。

因此，整个程序主要分为三大部分，即初始化子程序、主程序、及中断程序。

1.初始化子程序

系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成。

初始化子程序的流程图，如图4-1所示。

在初始化的子程序中仅仅在上电和故障结束时用，其目的是大量节省扫描时间以加快整个程序的运行效率，提高PID中断的精确度。

通过初始化子程序，首先使用一系列的传送指令，传送用水频率的上下限值，在传送与PID调节指令参数表位元址相关的数据寄存器的初始值，然后复位PID输出值数据寄存器，最后使用写入指令（TO）设定模拟输入模块FX2n—4ADD工作模式。

图4-1初始化子程序流图

2.定时中断程序

用来实现PID调节指令测量值的采样及输出值的控制，定时中断程序的流程图如图4-2所示。

定时中断程序的作用主要是进行PID控制的相应计算，它在PLC的特殊辅助器M8000（运行常为ON）触点的作用下执行。

通过定时中断程序，可以传送PID指令调节结果输出值，使用一系列的写入指令来实现模拟量输出模块FX2n—2DA的D/A转换数据的传送（共12位数据，分低端8位和高端4位两次传送），保持D/A转换的低端数据，启动信道1的D/A转换等。

在程序中，同时也编写了读出模拟量输入输出模块ID的识别号以确认功能模块信息的程序。

图4-2定时中断程序流程图

图4-3主程序流程图

主程序流程图如图4-3所示。

主程序实现的功能最多，如泵的切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序中。

生活及消防双恒压的二个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。

生活供水时系统设定为满量程的70%，消防供水时系统设定为满量程的90%（满量程数字值为4000）。

本系统中的比例增益和时间常数为：

比例增益Kp=0.25，采样时间Ts=0.5s，积分时间T1=60s。

（1）泵站泵组程序主要实现如下功能：

1：

由“恒压”要求出发的工作泵组数量的管理。

为了恒定水压，那么在水压降低时，需要升高变频器的输出频率，并且在一台水泵不能满足恒压需求时，需要启动第二台或第三台水泵。

这样，有一个判断标准来决定是否需要启动新泵，即变频器的输出频率是否达到所设定的频率上限值。

这一功能可以通过比较指令来实现。

为了判断变频器的工作频率达到上限的确定性，应滤去偶然因素所引起的频率波动所达到的频率上限值的情况，在程序中应考虑采用时间滤波。

2：

多台组泵站泵组的管理规范。

由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，那么多台组泵站泵组的投入运行需要有一个管理规范。

在本设计控制要求中规定任意的一台水泵连续运行不得超过3小时，因此每次需要启动新泵或切换变频泵的时候，以新运行泵为变频是合理的。

具体的操作是，将现运行的变频器从变频器上切除，并且接上工频电源加以运行，同时将变频器复位并且用于新运行泵的启动。

除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，在本设计中采用的是泵号加1的方法来实现变频器的循环控制，即3加上1等于0的逻辑，用工频泵的总数结合泵号来实现工频泵的轮换工作。

（2）故障诊断和报警输出程序。

变频器具有短路、超载等保护功能。

当变频器所驱动的水泵电机发生短路、超载等故障时，变频器将自动切断一次供电电路，进入保护状态并输出报警信号。

系统把各故障点相应的接触器、断路器等组件的辅助触点接到PLC，PLC扫描输入这些触点的状态，并通过PLC程序将这些状态存放在随机存储区，再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析，判断设备或组件是否出了故障。

如果发生故障，则切断该泵接触器的主触点，然后对变频器复位，再将备用水泵的接触器主触点接通，启动变频器运行备用泵，同时输出该泵故障报警信号，如电动机故障时指示灯亮等。

§4.2程序中主要组件含义

PLC程序中使用的编程组件及其含义如表所示

编程组件号

含义

编程组件号

含义

D100

目标值

T37

工频泵增泵滤波时间控制

D102

测定值

T38

工频泵增泵滤波时间控制

D110

采样时间

T39

工频/变频转换逻辑控制

D111

动作方向

M10

故障结束脉冲信号

D112

输入滤波常数

M11

泵变频启动脉冲

D113

比例增益

M12

减泵脉冲

D114

积分时间

M13

倒泵变频启动脉冲

D115

微分增益

M14

复位当前变频泵运行脉冲

D116

微分时间

M15

当前泵工频运行启动脉冲

D150

变频运行频率下限值

M16

新泵变频启动脉冲

D160

生活供水变频运行频率上限值

M20

泵工频/变频转换逻辑控制

D162

消防供水变频运行频率上限值

M21

泵工频/变频转换逻辑控制

D180

PI调节结果存储单元

M22

泵工频/变频转换逻辑控制

D182

变频工作泵的泵号

M30

故障信号汇总

D184

工频运行泵的总台数

M31

水池水位下限故障逻辑

D190

倒泵时间内存

M32

水池水位下限故消铃障逻辑

T33

工频/变频转换逻辑控制

M33

变频器故障消铃逻辑

T34

工频/变频转换逻辑控制

M34

火灾消铃逻辑

§4.3控制程序设计

M8002

1[CALLP10]上电初始化，调初始化子程序

X000

4[MOVK3600D100]消防/生活供水压力给定值设置

X000

10[MOVK2800D100]

M8002

16[INCD182]上电和故障结束时重新

M100激活变频泵号存储器

X000M11

21[>D180D162]（T37K50）

X000

[>D180D162]

T32

38[

M11

[INCD184]符合增泵条件时，

工频泵运行那个数加1

50[

T38

59[>D184K0][PLSM12]

M12

67[DECD184]符合减泵条件时，

M11工频泵运行数减1

71[SETM20]变频增泵或倒泵时。

位置M20

M13

M20

（T33K1）复位变频器频率，微软启动作准备

T33（Y015）

[PLSM14]产生关断当前变频泵脉冲信号

M21

82[SETM21]

M21[INCD182]变频泵号加1

87（T34K2）

T34

91[PLSM15]产生当前泵工频启动脉冲信号

M15

94[SETM21]

M15

96[SETM22]

M22

98（T39K30）

T39

102[PLSM16]产生下一台变频运行启动