1、基于PLC的恒压供水泵站系统设计毕业设计论文 南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目： 基于PLC的恒压供水泵站系统设计 专 业： 自动化 Graduation Design (Thesis) Design of Constant Pressure Water-supply System Based on PLCByJia RuiyongSupervised by Associate Prof. Liu YunxiaDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune, 2013摘 要本设计以
2、一个城市小区供水系统作为被控对象，研究基于PLC的变频恒压供水系统，使系统获得较好的性能指标，力求做到使系统运行稳定，操作简单，解决实际供水中问题，保证供水安全、快捷、可靠，目前变频恒压供水系统已在国内外实际供水控制系统中得到广泛的应用。此变频恒压供水系统由水泵机组，共包括四台水泵电机，其中三台为常规水泵，一台为辅助水泵，其与可编程序控制器、变频器、压力传感器等相关器件组成了一个变频循环运行系统 。系统实时比较管网压力与压力设定值偏差的变化情况，经PLC进行PID运算，由PLC控制水泵电机的变频、工频切换，自动控制水泵电机投运台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压供水。经软件仿真及实验室调试，证
3、明系统基本可以满足设计要求。 关键词： PLC；PID；变频器；恒压供水 ABSTRACTThe design of a city district water supply system as a controlled object, the study is based on the PLC constant pressure water supply system, allowing the system to obtain better performance indicators, and strive to make sure that the system is stable a
4、nd easy to operate, to correct the problem that is the actual water supply to ensure water supply safe, fast, reliable, constant pressure water supply system has been widely used in domestic and foreign real water supply control system.Constant pressure water supply system consists of a pump unit, i
5、ncluding a total of four pump motor, three conventional pumps, one for the auxiliary water pump, a variable frequency with a programmable logic controller, inverter, pressure sensors and other related devices cycle operation system. Real-time comparison system pipe network pressure and pressure setp
6、oint deviation changes, the PID operation by the PLC, the PLC controlled pump motor frequency, frequency switching, automatic control of the number of units put into operation the pump motor and the motor speed to achieve constant loop automatic adjustment pressure water supply. The software simulat
7、ion and laboratory testing, proof system could meet the design requirements. Keywords: PLC; PID; inverter; constant pressure water supply 第一章 绪论1.1引言水是人类最宝贵的资源，是人类赖以生存的基本条件，也是国民经济的生命线。在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，较长阶段以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直较为落后，自动化程度不高，水资源浪费现象十分严重，不能适应现代社会发展的需求。 伴随着住房政策
8、改革的不断深入，城市中各种类型小区建设发展非常迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设作为其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性将直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平。日常的生产生活用水需求通常是随时间变化的，因季节、昼夜相差很大，因此用水和供水的不平衡主要表现为在用水高峰期，水的供应量往往低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低谷期，水的供给量往往高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，这将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。所以 保持供水压力恒定可以实现供、用水的平衡1。而变频恒压供水系统的出
9、现使这些问题迎刃而解。1.2 供水系统发展历程恒压供水技术出现以前，出现了水箱和水塔或气罐式增压设备等供水方式时，在造成水的二次污染、造成水质变差的同时，由于它们必须由水泵以高出实际用水高度的压力来提升水量，结果造成了水泵电机的轴功率和能量损耗。下面对几种供水方式进行介绍 (1) 一台恒速泵直接供水系统：这种供水方式下，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户。这种系统结构简单、造价低廉，但耗电、耗水严重、水压不稳、供水质量不佳，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。(2) 恒速泵+水塔的供水方式：这种方式是水泵首先向水塔供水，然后由水塔向用户供水。这种供水方式 ，供水压力相对稳定。但这
10、种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大，水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要，而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，同时还存在一些能量损失和二次污染问题。 (3) 射流泵十水箱的供水方式：这种方式是根据射流泵本身的特有结构进行工作。是利用压差和来水管粗，出水管细的变径工艺实现供水，但是由于其技术和工艺的不健全，再加上该供水方式会出现有压无量(流量)的现象，无法满足高层供水的需要。 (4) 恒速泵十高位水箱的供水方式 ：这种供水方式原理与水塔供水方式是相同的，区别仅在于水箱设在建筑物的顶层。 相对于水塔供水方式，高位水箱供水方式占地面积与设备投资都有所减少，但其必然提高建
11、筑物的总体造价，且影响设计风格对，同时水箱受到建筑物的限制，容积不能太大，所以供水的范围必然较小。同时一些污染源有可能进入水箱带来水质的污染。 (5) 恒速泵十气压罐供水方式 ：这种方式是利用封闭的气压罐替代高位水箱蓄水，通过监测罐内压力以控制泵的开、停。气压罐供水的方式也存在着许多缺点，如气压罐方式的运行不稳定 突出表现在它的频繁启动，频繁启动将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备损坏很快。 以上几种供水方式都曾经在一定历史阶段和某些生产生活领域发挥了举足轻重的作用，但是，随着人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，以上供水方式显示出越来
12、越多的弊病，再加上目前能源紧缺，供水方式必将朝着高效节能、自动可靠的方向发展 。 变频调速式供水系统具有节约能源、安全性高、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效益。变频恒压供水系统必将在将来的生产生活中成为新兴主流供水方式2。1.3 恒压供水系统的国内外研究现状 变频恒压供水方式是在变频调速技术发展以后逐渐发展起来的。在早期，国外的恒压供水工程在设计时均采用一台变频器带动一台水泵机组的方式，几乎没有一台变频器拖动多台水泵机组工作的情况，因而投资成本很高。1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器。随着变频技术的不断发展和变频恒压供
13、水系统在稳定性、可靠性以及自动化程度等方面的提高以及其显著的节能效果被发现和认可后，国外众多生产变频器的厂家开始重视并生产出一系列具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，其推出的恒压供水基板，具有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式，它将PID调节器和PLC可编程控制器等相关硬件集成到变频器控制基板上，通过设置指令代码就可以实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，就可以直接控制各个内置的电磁接触器工作，可构成多达7台电机(水泵)的供水系统。这类设备虽说微化了电路结构，降低了设备成本，但是其输出接口的扩展功能缺少灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的
14、监控系统(如BA系统)和组态软件很难实现数据通信，且限制了带负载的容量所以在实际使用时其范围将会受到局限3。 目前国内很多公司在做变频恒压供水工程，大多数采用国外品牌的变频器控制基于PLC的变频恒压供水系统的设计，水泵的转速，供水管的管网压力的闭环调节以及多台水泵的循环控制，有的采用PLC（可编程控制器）及相应的软件予以实现，有的采用单片机及相关软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等诸多方面的综合技术指标来说，还远未达到所有用户的要求，只适用于小容量，控制要求不高的供水场所4。虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较
15、弱。 变频调速恒压供水系统正在经历一个逐步完善的发展过程，早期的单泵恒压系统正在被多泵恒压系统取代。虽然说单泵产品系统设计简单可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率偏低，而多泵型产品因投资更为节省，运行效率更高，经实际证明是最优的系统设计，必将快速发展成为供水的主导产品。该产品正在向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化等方向发展。追求高度的智能化、系列的标准化将是未来供水设备满足城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。1.4 本文的结构 本文以普通城市小区恒压供水作为应用背景，对基于PLC的变频调速技术进行研究。全文共分为七章，各章的主要内容如下：
16、第一章简略的介绍了供水系统的发展历程，目前国内外变频调速恒压供水系统的研究现状以及相关背景； 第二章主要通过分析系统的控制要求，确定了系统的整体设计方案，并对系统结构进行分析； 第三章对变频恒压供水进行了原理性分析，为系统设计提供理论基础； 第四章主要对控制系统硬件部分进行设计，并对所需元件进行选型，设计出系统的电气原理图与I/O口外围接线图； 第五章对系统软件部分进行总体设计，介绍了各软件程序部分设计过程，重点研究压力采集程序与PID部分，并列举典型程序； 第六章主要对PLC程序进行仿真软件调试和实验室调试，然后对仿真结果进行验证分析，并总结不足之处； 第七章总结了全文的研究工作，给出了存在
17、的问题和进一步研究的方向。第2章 恒压供水系统控制方案确定2.1 系统设计要求本设计是以普通小区供水系统为控制对象，设计一套城市小区恒压供水系统， 保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。完成硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改。结合以上要求可知此次设计宜采用PLC控制变频恒压的供水系统，主要由变频器、可编程控制器、压力传感器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调
18、节系统，本设计中有4台水泵（3台水泵为常规供水泵，1台为辅助泵），采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下做变速运行，其余水泵做恒速运行。 此设计系统以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和变频器、水泵、压力传感器组成恒压闭环控制系统。系统实时跟踪管网压力与压力设计值偏差变化情况，经 PLC进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定，由PLC控制变频与工频切换，自动控制水泵电机投运台数和电机转速，实现闭环自动调整恒压供水5。原理图如图2.1所示 PLC 水泵变频器PID调节设定压力+ - 压力检测 图2.1变频恒压供水系统调节原理图2.2变
19、频恒压供水系统结构分析辅助泵压力传感器 变频器S7-200 PLC 图 2.2供水系统结构图 如图2.2所示，整个系统由四台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。四台水泵中每台泵的出水管都安装手动阀，以方便维修和调节水量，三台常规水泵协调工作以满足实际供水需要，辅助泵仅在自动状态启动前处于启动状态，在自动状态启动后关闭；在变频供水系统中检测管网压力的压力传感器，通常采用电阻式传感器(反馈05V电压信号)或压力变送器(反馈420mA电流信号)；变频器作为供水系统的核心器件，通过改变电机的频率来实现电机的无级调速、无波动稳压的效果和各项功能。可以看出变频调速恒压供水系
20、统由执行机构、信号检测机构、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分构成。 (1) 执行机构执行机构是由水泵组构成，它们用于将水供给用户管网，图2.2中的3个常规水泵分为二种类型:调速泵:是由变频器控制可以变频调速的水泵，根据用水量的变化情况改变电机的转速，用以维持管网水压的恒定。恒速泵:水泵只工作在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足的情况下，对供水量进行定量补充。 (2) 信号检测 在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和危险报警信号:1) 水压信号:它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。2) 报警信号:它反映系统是否正常运
21、行，水库液位是否超限、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。(3) 控制系统供水控制系统通常安装在供水控制柜中，共包括供水控制器 (PLC系统) 、变频器和电控设备三部分。1）供水控制器:它是变频恒压供水控制系统的核心器件，包括变频器和电控设备。供水控制器直接采集系统中的工况、压力、报警信号，对人机接口和通讯接口所提供的数据信息进行分析、实施控制算法，得出控制执行机构的方案，通过变频器和接触器对执行机构 (水泵) 进行规律控制。2）变频器:主要作用是实现对水泵进行转速控制。变频器根据供水控制器送来的控制信号来改变调速泵的运行频率，实现对调速泵的转速控制。3）电控设备:它包括一组接触器、保护继电
22、器、转换开关等电气元件。应用于在供水控制器的控制下实现对水泵的切换、手动/自动切换等。(4) 人机界面人机界面是人与机器进行信息交互的场所。借助于人机界面，使用者可以完成更改设定压力，修改系统设定等操作以满足不同工艺的需求，同时使用者还可以从人机界面上了解系统的运行情况以及设备的工作状态。同时通过人机界面报警进行显示，使用者还可以对系统的运行过程进行监示。(5) 通讯接口通讯接口作为本系统的重要组成部分，借助于该接口，系统能够和组态软件以及其他的工控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以把现代较为先进的网络技术应用到本系统中，类似于可以对系统进行远程诊断和维护等。(6) 报警装置在一个控制
23、系统中，报警必须是不可或缺的组成部分。由于本系统在不同的供水领域均可适用，所以为实现系统可靠、平稳、安全 的运行，防止因为电机过载、变频器运行报警、电网波动过大、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等原因造成的故障，因此系统需要对各种报警量进行监测，然后通过PLC判断报警类别，进行报警显示和保护动作控制，以免造成本可避免的损失5。2.3变频恒压供水系统控制流程变频恒压供水系统控制流程如下:（1) 自动运行闭合自动开关后，1#泵电机有电，变频器输出频率从0Hz开始上升，同时PID调节程序将接收自压力传感器的信号，经运算后与系统给定压力值进行比较，把调节参数传送到变频器，如果压力不足，则频率上升，
24、直到50Hz（理论），1#泵由变频运行切换到工频，同时2#泵变频启动，变频器频率逐渐上升，直到满足供水需要，加泵规律依此类推；当用水量减小即压力过大，变频器持续出现下限频率，则切除一台工频泵，达到使供水压力恒定的目的。若出现电源瞬时停电的情况，系统立即停止运行。等待电源恢复后，系统将自动恢复运行，然后按照自动运行方式启动1#泵变频运行（与上述规律相同），直到达到给定水压值，系统稳定运行。该系统最基本的功能是变频自动控制，系统可自动实现对水泵的软启动、循环变频、停止等操作过程。(2) 手动运行当压力传感器故障或变频器发生故障时，为保障用水，三台常规泵可以手动控制工频运行。(3) 停止转换开关置于
25、停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。(4) 采用 “规律自动切换” 原则“规律自动切换”原则指水泵运行连续在某一种控制规律下时间达到所设定时间时自动换泵运行。 这样保证系统的每台泵运行时间接近，防止个别供水泵运行时间过长损耗，而有的泵因长时间不用而锈死，从而有效的延长了设备的寿命。(5) 平稳切换，恒压控制 主水管网采集到的压力信号经压力传感器与PLC的扩展模块PID运算传送给变频器，并给出直接控制水泵电动机的转速以使管网的压力稳定的信号。当正在运行的供水泵全速运行，但仍未达到给定压力值时，切换变频泵到工频运行，通过变频器软启动另一台供水泵。 (6) 完善的保护、报警功能 在供电控制
26、回路上对工频、变频电源实现电气与机械互锁，防止产生短路。由于水泵功率较大，为了避免直接启动电流过大，需要采用软启动方法，即用变频器来启动水泵9。 第三章 变频恒压供水系统原理分析3.1 电动机的调速原理交流电动机的同步转速 （3.1）式中-同步转速，r/min； -定子频率，Hz； -电机的磁极对数。而异步电动机转速 （3.2）式中-异步电机转差率，一般小于3%。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有67：(l) 改变电源频率(2) 改变电机极对数(3) 改变转差率改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速运行时
27、转速变化大，转矩变化也大，因此仅在特定转速的生产机器中适用。变转差率调速中为确保其较大的调速范围在一般情况下采用串级调速方式，它的最大优点在于可回收转差功率，具有良好的节能效果，且其调速性能好，但是其线路过复杂，中间环节的电能损耗增加，由于成本较高而影响了其推广使用价值。下面对改变电源频率调速的方法及特点进行重点分析。由公式可得，转差率基本不变的情况下，三相异步电机的转速n基本与电源频率f成正比。电源频率连续调节，就能够平滑的改变电动机的转速n。但仅通过电源频率调节，最终导致电机运行性能的恶化。伴随着电力电子技术的不断发展，出现了多种性能优越、工作稳定的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广
28、泛应用。3.2 变频恒压供水系统的节能原理供水系统的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两者之间的关系曲线，如图3.1所示。因为在阀门开度和水泵转速不变的情况下，流量的值主要取决于用户的用水量，因此，扬程特性反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f(Qu)。管阻特性则是以水泵的转速恒定为前提的，表示扬程H与流量Q之间的关系曲线（阀门在某一开度下），如图3.1所示。管阻特性说明了水泵能量被用来克服水泵系统的压力及水位差、液体在供水管道中流动阻力的变化规律。改变阀门开度，实际上改变的是在某一扬程下，供水系统面向用户的供水能力。因此，管阻特性反映的是扬
29、程与供水流量Qc之间的关系H=f(Qc)。管阻特性曲线和扬程特性曲线的交点，称之为供水系统的工作点，如图3.1所示点A。只有在这一点，供水系统的供水流量Qc和用户的用水流量Qu处在平衡状态，供水系统既符合了管阻特性，也满足了扬程特性 ，系统平稳运行。 图3.1 恒压供水系统基本特征水泵、电动机、管道和阀门等构成变频恒压供水系统供水部分。通过异步电动机驱动供水泵旋转供水，将电机和水泵做成一个整体，通过变频器改变异步电机的转速，从而改变水泵的出水量以实现恒压供水。所以，异步电动机的变频调速是供水系统变频的实质。通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现异步电动机的变频调速。在供水系统中，通常以流量为
30、控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法通过调节阀门开度以调节流量，水泵电机转速恒定不变。其实质为经调节水路中的阻力以改变流量，因此，管阻随阀门开度变化而变化，但是其扬程特性不变。在实际用水中，水需求量是实时变化的，如果在一段时间内阀门开度保持不变，必然出现超压或欠压现象。转速控制法则是通过改变电机转速来调节供水流量，不改变阀门开度，是通过改变水的动能来改变流量。因而，扬程特性随水泵电机转速的变化而变化，其管阻特性没有发生变化。变频调速的供水方式为转速控制。它的工作原理是通过用户用水需求量的改变自动调整水泵电机转速，以达到管网压力始终保持恒定的目的，用水量减小时电机减速，用
31、水量增大时电机加速。从流体力学可得，水泵向管网供水时，水泵的输出功率P与出水流量Q和管网的水压H的乘积成正比；水泵转速n与出水流量Q成正比；管网水压H与出水流量Q的平方成正比。综上关系可得，水泵输出功率P与转速n三次方成正比，即： (3.3) (3.4) (3.5) (3.6)式中k、k1、k2、k3为比例常数。 图3.2 管网及水泵的运行特性曲线 当使用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，阀门的摩擦阻力变大，管阻特性曲线从b3移到b1，扬程特性曲线不变，扬程从H0上升到H1，运行工况点从E点转移到F点，水泵的输出功率正比于H1Q2。当使用调速控制时，如果采用恒压(H0)，变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为b2，扬程特性变为曲线n2，平衡工作点从E点转移到D点。此情况下水泵输出功率正比于H0Q2，由于H1H0，所以当使用阀门控制流量时，有正比于(H1H0)Q2的功率被损耗，并伴随着阀门开度减小，阀门摩擦阻力变大，管阻特性曲线将上移，运行工况点也将随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著8。3.3 变频恒压供水系统的变频原理在本次变频恒压供水系统设计中，根据
