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1、【摘要】 本次设计（论文）根据中国城市小区及高层建筑的供水要求，设计了一套 基于PLC的变频调速恒压水系统。并采用先进的“一台变频器控制多台水泵”的多泵 控制技术。在这里利用PLC设计一套变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间 压力变化自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保 持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最 佳状态。可实现恒压变量、双恒压变量等控制方式，多种启停控制方式，该系统可以 通过人意修改参数指令（如压力设定值、控制顺序、控制电机数量、压力上下限、PID 值、加减速时间等）；具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压
2、、欠压、过载、 断水等故障均能自行诊断并报警。为保证小区及高层建筑的供水正常，利用PLC控制的变频调速恒压供水系统，按 照用户的需求按需调节水泵流量，根据夜间用水少可以只开一个小流量泵，并满足用 户的流量需求，使真个系统始终保持高效节能的最佳状态。关键词：变频器；PLC ；恒压供水目 录第一章绪论1第二章PLC概术32.1可编程控制器的定义32.2 PLC的发展和应用3第三章变频恒压供水系统构成及工作原理43.1系统的构成43.2工作原理53.3变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析63.4主电路接线图7第四章变频调速恒压供水系统的设计84.1 PLC的选型84.2 PLC的接线84.3变频器的
3、选型94.4变频器的接线104.5压力传感器的接线图10第五章PID算法在变频调速恒压供水系统中的应用 115.1 PLC 控制115.2 系统运行模式12结束语14参考文献15第一章绪论随着变频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 以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生 活、消防供水中。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 当今最先进、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
4、供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变 频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资， 运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势， 而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、 多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城 镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求， 该系统具有以下特点：(1) 供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一
5、些过程控 制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转 速控制的变频器也存在一定的滞后效应。(2) 用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性, 使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系 统。(3) 变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的 供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具 有很强的多变性。(4) 在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量 泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状
6、态直接影响供水系统的模型参数， 使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变 化的。目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：(1) .逻辑电子电路控制方式这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固 定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波 动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。(2) .单片微机电路控制方式这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦； 追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不 太好。(
7、3) .可编程序控制器(PLC)的控制方式该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。实现电机的无级调速，从而使 管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户 需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控后，经可编程控制器 内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。(4) .新型变频调速供水设备针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系 列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡等。这些产品将PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的
8、新型变 频器。由于PID运算在变频器内部,这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID 算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提 高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节 十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤 波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。考虑以上四种方案后，此次设计采用第四种方案。如图1-1所示。图1-1供水系统方案图第二章PLC概述2.1可编程控制器的定义可编程控制器，简称PLC(Programmable logic Controll
9、er)，是指以计算机技术为 基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(In terna tional Elec trical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义“PLC是一种专门为在工业环境 下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内 部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字 式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都 应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.2 PLC的发展和应用世界上公认的第一台PLC是1969年美国
10、数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元 器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可 以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很 快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具 有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用， 可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处 理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相 结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术
11、已全面引入 可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业 抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控 制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世 界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入 成熟阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模 上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特 殊功能单元，用于压力、温度、转
12、速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力 来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、 交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。第三章变频恒压供水系统构成及工作原理3.1系统的构成控制面板压力传感器图3-1系统原理图如图3-1所示，整个系统由三台水泵，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。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量 之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器
13、， 一般采用电阻式传感器(反馈05V电压信号)或压力变送器(反馈420mA电流)；变频器 是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各 项功能。从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控 制系统以及报警装置等部分组成。(1) 执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，3个水泵分为二种类型： 调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化 改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最 大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。(2
14、) 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报警信号： 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。 报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、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一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电 控设备三个部分。 供水控制器: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，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。
15、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。 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。（4）报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的 供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、 电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须 要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成 不必要的损失 3.2工作原理
16、合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自 动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。根据压力设定值（根据管网压力 要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号 给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水 压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达 上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行 频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵（或第3台泵）。当变频器运行 频率达到频率上限值，并保持一段时间，贝U PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行， 并
