恒压供水系统PLC设计

1恒压供水系统PLC设计摘要该毕业设计对环保、节能、自动补压型给水设备作了介绍。从节能科技的实践出发，阐述了变频调速技术在高楼给水设备中的应用。以PLC电路控制方式，介绍了智能水压控制系统的工作原理及PLC控制系统。在分析水压控制的工作流程的基础上，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。智能水压控制系统的基本控制策略是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,完成供水压力的恒定控制，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，其差值输入变频器运算处理后，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。通过该项目的科研与应用，不仅能够节约宝贵的水资源、电资源，降低了生产成本，减少设备维护，降低维修成本，而且提高了整个水厂的生产调度管理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率。关键字恒压供水，PID控制，PLC,变频器2ABSTRACTTHEGRADUATIONDESIGNFORENVIRONMENTALPROTECTION,ENERGYSAVING,AUTOMATICPRESSURETYPEWATEREQUIPMENTAREINTRODUCEDSTARTINGFROMTHEPRACTICEOFENERGYSAVINGTECHNOLOGY,EXPOUNDSTHEVARIABLEFREQUENCYREGULATINGSPEEDTECHNOLOGYAPPLICATIONINBUILDINGWATERSUPPLYEQUIPMENTWITHPLCCONTROLCIRCUITS,INTRODUCESTHEWORKINGPRINCIPLEOFHYDRAULICCONTROLSYSTEMANDPLCCONTROLSYSTEMONTHEANALYSISOFTHEWORKINGPROCESSOFTHEHYDRAULICCONTROLBASEDONPLCCONTROLSYSTEM,PRESENTSTHEHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNTHEHYDRAULICCONTROLSYSTEM,INTELLIGENTCONTROLSTRATEGYISTHEBASICMOTORSPEEDDEVICEWITHPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCCONTROLSYSTEM,CONTROL,OPTIMIZINGTHECONSTANTPRESSUREWATERSUPPLYPIPEFLOWCONTROL,STABILIZETHESUPPLYPRESSUREVARIATIONANDSAVINGENERGYTHECONTROLSYSTEMISTHEMAINTARGETPUMPINGWATERPRESSURE,THEPRESSUREOFWATERSUPPLYSYSTEMSETVALUEANDPRACTICALVALUEOFTHEPRESSUREFEEDBACKCOMPAREDTHEPOORINPUT,PROCESSINGOPERATIONS,INVERTERCONTROLCOMMAND,CONTROLPUMPPOWERSTATIONSETSANDOPERATIONOFMOTORPUMPMOTORSPEED,SOASTOACHIEVESTABLESUPPLYPRESSUREINSETTINGTHEMANAGERONTHEPRESSUREVALUETHROUGHTHERESEARCHANDAPPLICATION,WECANNOTONLYSAVEWATERANDELECTRICITYTHEPRECIOUSRESOURCES,REDUCETHEPRODUCTIONCOST,REDUCETHEMAINTENANCEOFEQUIPMENT,REDUCEMAINTENANCECOST,ANDINCREASETHEPRODUCTIONSCHEDULINGOFWATERLEVELOFMANAGEMENT,REDUCELABORINTENSITY,EFFECTIVELYIMPROVETHEPRODUCTIVITYKEYWORDSTHECONSTANTPRESSUREWATERSUPPLY,PIDCONTROL,PLC,FREQUENCYCONVERTER34目录摘要IABSTRAII第一章前言111设计恒压供水系统的意义112PLC与PID控制的应用现状113本课题主要研究内容314本章小结3第二章系统的理论分析及方案的确定421恒压供水系统的理论分析4211供水系统的基本特性4212机械循环液体管网的工作原理4213管网设定水压的水力计算5214变频调速水泵电机节能的原理6215变频恒压控制的理论模型8216变频恒压供水系统的近似数学模型922变频恒压供水系统控制方案的确定9221恒压供水系统的控制流程9222恒压供水系统中水泵切换条件分析1123恒压供水PID的研究12231PID控制及控制算法12232恒压供水PID调节过程分析1424本章小结15第三章变频恒压供水系统的硬件设计1631变频恒压供水系统的基本构成1632变频恒压供水系统主要配置的选型17321水泵机组的选型17322PLC系统选型18323变频器的选型19324压力变送器的选型20533控制系统的I/O点及地址分配2034系统的电气控制系统21341主电路图21342控制电路图22343PLC系统外部接线图23344变频器外部接线图2535本章小结25第四章恒压供水系统的程序设计2641系统的程序结构说明及流程图26411主程序26412初始化子程序28413中断子程序2842程序中使用的编程元件及其含义2943程序中关键程序段的梯形图及程序仿真30431泵站泵组程序30432故障诊断和报警输出程序4444本章小结50第五章结论51致谢52参考文献53附录546第一章前言11设计恒压供水系统的意义常规水泵大部分时间均在额定负荷下运行，特别是自来水厂和居民区生活供水，其设计均按最大用水负荷选择水泵，而每天24H用水负荷变化很大，在夜间用水量更少，采用变频恒压供水设备，可根据用水量的大小变化，自动调节水泵转速，同时确保供水压力恒定，可节约大量能源，延长设备使用寿命。本控制系统将PLC、变频器、相应的压力传感器和执行机构有机地结合起来，发挥各自优势，使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了小区在管理、数据统计和分析等方面的工作量。实践证明，本系统不仅满足了生活的需要，提高了整个小区的整体管理水平。由于小区高楼供水的自动化技术改造在我国有着广泛的前景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。当有火警或火灾信号到来时，系统能自动切换到火灾状态；便于灵活配置常规泵、消防泵及其他功能泵，便于实现供水泵房全面自动化；工作泵与备用泵不固定，可自动定时轮换，有效地防止因为备用泵长期不用时发生的锈死现象；如果有需要可扩展实现联网控制，便于实现楼宇自动化管理。变频调速技术用于民用消防给水系统可以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民用和消防用水要求。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。12PLC与PID控制的应用现状在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系统有着十分明显的缺点体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商企业通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的需求，一再激烈竞争的汽车工业中占据优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求。根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台7PLC（PDP14型），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时代。PLC的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，这些高新技术的发展推动了PLC的发展，而PLC的发展又对这些高新技术提出了更高、更新的要求，促进了它们的发展1。随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种要求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使重复使用率很底，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因而它能够很好地解决上述工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。虽然PLC只有30多年的历史，但其发展势头迅猛，目前PLC是当今增长速度最快的工业控制器。PLC将向两个方向发展，一方面向着大型化的方向发展，另一个方向向着小型化的方向发展。其中，大型化向着大存储容量、高速度、高性能、增加I/O点数方向发展。主要表现在（1）增强网络通信功能。（2）发展智能模块。（3）外部故障诊断功能。（4）编程语言、编程工具标准化、高级化。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适时用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性、难以建立精确的数学模型，应用常规PID控制其不能达到理想的控制效果，在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性差。8针对这些问题，长期以来，人们一直在寻找PID控制器参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。随着微处理器的发展和数字智能式控制器的实际应用，这种设想已变成了现实。同时，随着现代控制理论诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。近年来，出现了许多新型PID控制器，对于复杂对象，其控制效果远远超过常规PID控制。13本课题主要研究内容在恒压供水系统中利用变频器改变电动机的电源频率，从而达到调节水泵转速、改变水泵出口的压力的目的，这种方法比靠调节阀门控制水泵出口压力的方法，具有更高的效率和优越性。由于水泵工作在变频工况下，在其出口量小于额定流量时，泵的转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电机的机械使用寿命。实现恒压供水的自动控制，不需要操作人员频繁的操作，大大降低了人员的劳动强度，节省了人力和能源的消耗。具体而言，论文包括以下内容（1）论文在对课题进行分析研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法。（2）分析了变频恒压供水系统节能的原理，给出了恒压供水的理论模型与近似的数学模型；确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水系统的控制流程及工作原理；分析了在恒压供水系统中水泵切换的条件。（3）论文就变频恒压供水系统的设计进行了分析和研究，确定合适的设备选型；分析全自动恒压供水运行方式水泵运行的各种工况和转换过程，讨论PLC的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案；介绍PID调节原理，分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程。14本章小结本章对本课题研究的方向及主要内容做了简单阐述，同时，对PLC及PID的发展概况和它们在未来的应用做了展望。9第二章系统的理论分析及方案的确定21恒压供水系统的理论分析211供水系统的基本特性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的，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线F（Q），如图31所示。由图31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QU之间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提的，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系HF（QU）。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21图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q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，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性多反映的是扬程H与供水流量QG之间的关系HF（QG）。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，即图21中的A点。在这一点，用户的用水流量QU和供水系统的供水流量QG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6。图21供水系统的基本特性6212机械循环液体管网的工作原理10机械循环液体管网与重力循环液体管网的主要区别是设置了循环水泵，靠水泵动力克服循环液体流动阻力，维持循环。机械循环流动的能量方程如式（21）所以。HH1GP（H2H1）（21）式中H水泵扬程，KPA；H1管网流动阻力，KPA；P管内液体密度，KG/M3；H2管网出口（水面）标高，M；H1管网进口（水面）标高，M。式（21）说明由水泵动力克服重力和循环阻力的作用，维持用户用水需求6。213管网设定水压的水力计算给水压力计算，供水系统的用水规模即是用户的用水量，决定了用户正常用水的给定压力。对于普通生活用水用户，根据卫生器具和用水设备用途的要求而规定的其用水装置时间的出水量为额定量。各种配水装置为克服给水配件水阻、冲击及流速变化等阻力，而放出额定流量所需的最小静水压称为流出水头。要满足建筑内给水系统各配水点单位时间内使用所需的水量，给水系统的水压满足用水量需求的流出水头，其计算公式如式（22）所示6。HH1H2H3H4（22）式中H建筑内给水系统所需的水压，KPA；H1引入管起点至配水最不利点位置高度所需的静水压，KPA；H2引入管起点至配水最不利点给水管路的沿程与局部水头损失，KPA；H3水流通过水表的水头损失，KPA；H4配水最不利点所需的流出水头，KPA。其中H1和H4为固定水压，由建筑物的实际情况所定；H2和H3为给水管失压力。因此得到给水管网的特性曲线。计算公式如式（23）所示。HH0SQ2（23）式中H0H1和H4之和，KPA；S综合反映管网阻力特性的系数，KPA/（M3/H）2；Q管网的实际流量，M3/H。居民住宅生活用水定额标准及小时变化系数，见表21。11表21住宅生活用水定额及小时变化系数住宅类别和卫生器具设置标准每人每日生活用水定额X（最高日）/L小时变化系数B有大便器、洗涤盆，无沐浴设备851503025有大便器、洗涤盆和沐浴设备1302202823普通住宅有大便器、洗涤盆、沐浴设备和热水供应1703002520高级住宅和别墅3004002318根据表21，一般用户的用水定额，可通过式（24）计算出给水管网的流量。Q（NMX/24）B（24）式中N为用户数，户；M每户平均人数，人；X每户用水定额，L；B小时变化系数。214变频调速水泵电机节能的原理水泵额定运行状态下的输出功率N为NRHQPQ（25）式中Q输出流量，M3/S；P泵的水压，MPA；H泵的扬程，M；R重要系数，N/M3。根据泵的相似律，当驱动转速改变时，输出流量Q、泵的水压P、扬程H分别与驱动转速的一次方、二次方和三次方成正比例。出水泵QH运行特性，如图22所示。其中曲线1、2分别是转速为N1、N2时的特性曲线，曲线3、4是转速为N2时的等效管阻特性曲线，曲线5是转速为N1时的等效管阻特性曲线。设水泵电机由电网直接供电驱动，水泵运行于A点，此时泵功率为，对应于图中的矩形面积为A11112O，若将水量减为，工作点将由A滑向B，水压增为，功率则对应矩形面积B1122O。若水泵改为变频调速驱动，在小水量时降为低速N2，水泵可运行于C点稳定，22功率由面积C，节约的能耗对应于阴影面积为312描述，而水压则维持为1BC。21因流量与电动机转速成正比，功率与电动机转速立方成正比，总需求为Q，在某一工作点，Q是一定值6。图22QH运行特性及管阻特性6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实现调速的。异步电机的转差率定义为S11（26）异步电机的同步速度为160/（27）异步电机的转速为N60（1S）/（28）13其中为异步电机的理想空载转速N为异步电机转子转速F为异步电机1的定子电源频率P为异步电机的极对数。从上式可知，当极对数P不变时，电机转子转速N与定子电源频率F成正比例，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，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。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，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。由以上分析我们可以看到，利用变频调速技术进行恒压供水系统具有很多优点，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。215变频恒压控制的理论模型变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。图23变频恒压控制原理图14从图23中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。216变频恒压供水系统的近似数学模型如前文所述，由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象，我们难以得出它的精确数学模型，只能进行近似等效。水泵由初始状态向管网进行恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行，至管网压力达到稳定要求时经历两个过程首先是水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个纯滞后的过程其次是水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程然而系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测等的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比，可忽略不计，均可等效为比例环节。因此，恒压供水系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一阶惯性环节，即可以写成G（S）1（29）式中K为系统的总增益；T为系统的惯性时间常数；R为系统滞后时间。22变频恒压供水系统控制方案的确定221恒压供水系统的控制流程从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、变频器、恒压控制15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起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。根据系统的设计任务要求和应用场所，我们选择“变频器（PID）PLC人机界面压力传感器”的闭环控制方案，这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点的用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性及其它技术要求。本文的供水系统主要用于小区生活用水，其水量主要集中早、晚两个时间段，平时处于低流量状态，属连续型低流量变化型。这类型用水需求在较长时间段表现为低流量，相对于设计流量有较大的余量，采用变频调速方式来实现低流量时的恒压供水节能效果比较明显，水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，平稳、噪声小。由于用水呈低流量变化型的特点，采用多台水泵并联供水，根据用水量大小调节投入水泵台数的设计方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一两台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的首先是节能，每台泵都能以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，水泵的维修更换也方便；其三，水泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。恒压供水系统中关键在于多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。同时作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分，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、供水水源中断造成故障，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。现在将系统控制流程说明如下（1）系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动水泵ML，通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率，控制ML的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转16速才稳定到某一定值，这期间ML工作在调速运行状态。（2）当用水量增加水压减小时，通过系统闭环控制自动调整变频器输出频率，增加水泵的转速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少水压增加时，通过变频器自动调整水泵转速，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。（3）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频循环式的控制方式下，系统将电机ML切换至工频电网供电后，ML恒速运行，同时使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，并有新的水泵投入并联运行。当最后一台水泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。（4）当用水量减少水压升高，变频器的输出频率下降到下限频率，用户管网的实际水压还是高于设定值，并且满足减少水泵的条件时，系统将上次转换成工频运行的水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，直到剩下一台泵变频运行为止。222恒压供水系统中水泵切换条件分析在上述的系统工作流程中，我们提到当一台调速水泵已经运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当调速水泵和工频运行水泵都在运行且调速水泵已经运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频运行水泵来减少供水流量，达到恒压的目的，那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢当变频器的输出频率已经到达上限频率，而实际的供水压力仍然低于设定压力时，存在的实际供水压力差已经不能够使输出频率增大，实际供水压力也不会提高。当变频器的输出频率已经下降到下限频率，实际的供水压力却仍高于设定的供水压力时，存在的压力差不会使输出频率继续降低，实际的供水压力也不会降低。所以，选择这两个时刻作为水泵机组切换的时机，但为了判断变频器工作频率达上下限值的真实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上下限值的情况，所以加入延时判断，即系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间，比如一两分钟，如果在这段延17时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作；如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。经过以上的分析，水泵机组切换的条件为增泵条件FFUPPFPS且延时判断成立D（211）式中，FUP上限频率；FLOW下限频率；PS设定压力；PF反馈压力；PD压力回滞环宽度。23恒压供水PID的研究231PID控制及其控制算法在供水系统的设计中，选用了具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。在连续控制系统中，常采用PROPORTIONAL比例、INTEGRAL积分、DERIVATIVE微分控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值RT和实际输出值Y（T）之间的偏差ETE（T）Y（T）R（T）（212）经比例P、积分I和微分D运算后通过线性组合构成控制量UT，对被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图24所示，图中U（T）为PID调节器输出的调节量。18图24PID控制原理框图PID控制规律为（213）式中为比例系数为积分时间常数为微分时间常数。相应地传递函数形式（214）PID控制器各环节的作用及调节规律如下（1）比例环节成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差ET一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。（2）积分环节表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。（3）微分环节对偏差信号的变化趋势变化速率做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，19改善系统的动态特性。但过大的对于干扰信号的抑制能力却将减弱。PID的三种作用虽然各有自己的优势，然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能，如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现PID控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字PID控制算法是通过对式213离散化来实现的。用一系列的采样时刻点NT代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到PID位置控制算法表达式（215）式中T为采样周期；N为采样序号；EN为第N时刻的偏差信号；ENL为第N1时刻的偏差信号。PID位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号EN和ENL，而且还要把历次的偏差信号EJ相加，计算繁锁，占用内存大另一方面计算机输出的控制量UN对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，UN可能出现大幅度变化，引起执行机构的大幅度变化，这是不允许的。为此实际控制中多采用增量式PID控制算法，其表达式为（216）式中U（U）为调节输出的控制增量；增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量U（U）仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果13。232恒压供水PID调节过程分析恒压供水的目的就是要保证供水能力适应用水需求量变化。当供水能力20和用水需求之间不能平衡时，必然引起压力的变化。因此，可根据压力的变化，来实现对供水流量的调节，维持供水能力和用水需求之间的平衡。在供水系统中，变频器、PID调节器、压力变送器、电机、水泵等构成了一个闭环控制系统，可以对供水能力实现有效的自动调节，从而实现恒压供水。其实现方法是，首先据用户对水压的要求，给PID调节器预置一个目标压力值，管道中的实际水压，经压力变送器转换成420MA的模拟电流信号反馈给变频器内置的PID调节器，PID调节器根据目标压力值和实际压力值的偏差，给出调节量，自动调节变频器输出频率，调节电机转速，使供水量适应用水量的变化，取得动态平衡，维持水压不变。其具体调节过程如下（1）稳态运行当供水能力等于用水需求，目标压力信号R和压力反馈信号Y相等，偏差EYR0，PID输出的控制增量U0，变频器输出频率不变，水泵转速不变，处于稳态运行。（2）用水量增加时当用水量增加，用水需求QU大于供水能力，水压下降，压力反馈信号Y减少，偏差EYR0，变频器输出频率上升，水泵转速升高，增加供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。（3）用水量减少时当用水量减少，用水需求QU小于供水能力，水压上升，压力反馈信号Y增大，偏差EYR0，PID输出的控制增量U0，变频器输出频率下降，水泵转速降低，减弱供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。24本章小结本章首先分析了变频恒压供水系统节能的原理，给出了恒压供水的理论模型与近似数学模型；确定恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水系统的控制流程；分析了在变频恒压供水系统中变泵的条件；最后对恒压供水PID的算法及控制做了研究。21第三章变频恒压供水系统的硬件设计31变频恒压供水系统的基本构成变频恒压供水系统由控制器、变频器、压力传感器、电气控制系统以及水泵机组等组成闭环控制系统，基本结构如图31。图31恒压供水系统的基本构成示意图22在本系统中，水压的恒定是靠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（变送器）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，并相应输出大小适当的控制信号，该控制信号通过D/A转换变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。对变频恒压供水系统的基本要求是（1）生活供水时，系统低恒压值运行，消防供水时高恒压值运行。（2）三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出系统。（3）当用水量小的时候，如果一台泵连续运行超过3小时，则要切换至下一台泵，即系统具有“倒泵”功能，避免某一台电机因工作时间过长而损坏。（4）每台泵在启动时都要具有软启动功能。（5）具有报警功能，对泵的操作要有手动功能，手动功能只在应急或检修时使用。32变频恒压供水系统主要配置的选型321水泵机组的选型水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本文以重庆某小区的实际生活用水的数据进行选型，该小区生活用水具体要求为由多台水泵机组实现供水，流量范围60O/H，扬程60米左右，出水口水压大小为304MPA。根据以上系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计流量和设计供水压力水泵扬程，考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用3台上海熊猫机械集团有限公司生产的SFL系列主水泵机组。型号见图32，参数见表3123图32SFL系列水泵型号12表31水泵机组参数12SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5以上采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低室外噪音60分贝、磨损小、寿命更长下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。国外生活泵均采用此种形式，而不采用DL型泵，DL泵是60年代产品。SFL型低噪音生活给水泵的工作范围为流量L360/H；扬程12180M；功率075132KW3322PLC系统选型根据控制要求和控制规模的大小，系统需有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。如果选用CPU224PLC，也需要扩展单元；24如果选用CPU226PLC。则价格较高，浪费较大。参照西门子S7200产品目录及市场实际价格；选用主机为CPU222（8入/6继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），再扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。这样的配置是实用并经济的。整个PLC系统的配置如图33所示图33PLC系统组成西门子S7200PLC系列CPU222模块的I/O总数为14个，其中8个输入点，6个输出点，可带2个扩展模块，用户程序存储容量为31K字，内置高速计数器，指令丰富、速度快、具有较强的通信能力，通过扩展EM222和EM235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闭环模拟量的控制要求。323变频器的选型要对系统所用的变频器进行选型，首先得确定变频器的容量，方法是依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量KVA应同时满足下列三式（31）（32）（33）式中负载所要求的电动机的输出功率；电动机的效率通常在085以上；COS电动机的功率因数通常在08以上；电动机电压V；电动机工频电源时的电流A电流波形的修正系数，对PWM方式，取10105；变频器的额定容量KVA；变频器的额定电流A。25这三个公式是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。580毕业设计网是专业的毕业论文代写平台也有大量毕业设计成品提供参考QQ3449649974根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型普通功能型U/F控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/F控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/F控制变频器。综合以上因素，系统选用根据此系统的负荷10002KVA和026A，选择的变频器是三菱的FRA500系列，型号为FRA540。FRA500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04800KW3相380V，FR（L）系列，采用先进磁通矢量控制方式，可实现在线自动调整功能，调速比可达1120（0560HZ）。随机带有一个简易操作面板（FRDU04），也可以使用选件FRPU04（LCD显示，带菜单功能），具有可拆式的风扇和接线端子，使用维护方便。超低噪声运行（采用柔性PWM方式），内置RS485，可通过插卡实现与CCLINK、DEVICENETTM、PROFIBUSDP和MODBUSPLUS的联网。操作简单，具有参数复制及参数组自选功能，用户可自己选择读写的参数组。该系列变频器功能较强，具有内置PID控制、工频切换顺序、停电减速停车控制等功能。324压力传感器的选型压力变送器是将水管中的压力信号变成15V或420MA的模拟量信号，作为模拟输入模块（A/D模块）的输入，我们选择TPT503压力传感器。TPT503压力传感器采用不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及较好的介质兼容性。可以广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动等压力测量与控制。TPT503压力传感器的主要性能指标如下量程01450MPA；综合精度01FS、02FS、05FS、10FS；输出型式420MA/05V/010V；工作温度108015OC；供电电压936V；长期稳定性01FS/年；负载阻抗电流型最大800，电压型50K以上。这里选用TPT503压力传感器可以满足恒压供水领域的要求。33控制系统的I/O点及地址分配26从上面的分析我们可以知道，系统共有开关量输入点6个，开关量输出点13个；模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。水位上下限信号分别为I01、I02，它们在水淹没时为0，露出时为1。控制系统的输入输出信号的名称、代号及I/O地址分配，见表32。表32输入输出点代码及地址编号名称代码地址编号手动和自动消防信号SA1I00水池水位下限信号SLLI01水池水位上限信号SLHI02变频器报警信号SUI03消防按钮SB9I04试灯按钮SB10I05输入信号远程压力表模拟量电压值AIW01泵工频运行接触器及指示灯KM1，HL1Q001泵变频运行接触器及指示灯KM2，HL2Q012泵工频运行接触器及指示灯KM3，HL3Q022泵变频运行接触器及指示灯KM4，HL4Q033泵工频运行接触器及指示灯KM5，HL5Q043泵变频运行接触器及指示灯KM6，HL6Q05生活/消防供水转换电磁阀YV2Q10水池水位下限报警指示灯HL7Q11变频器故障报警指示灯HL8Q12火灾报警指示灯HL9Q13报警电铃HAQ14变频器频率复位控制KAQ15输出信号控制变频器频率用电压信号AQW034系统的电气控制系统27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系统外部接线图和变频器电气原理图等。341主电路图电控系统主电路，如图34所示。在主电路中，三台电机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台泵电机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器；VVVF为通用变频器。图34电控系统主电路首先由M1在变频器VVVF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，VVVF输出频率迅速降为0；然后M2投入变频运行。当2号泵也达到额定功率而水压不足时，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1号水泵先退出，然后2号泵依次退出，完成一次加减泵的循环。在补泵时，因电动机功率较大，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。28342控制电路图系统的控制电路图，如图35所示。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按扭SB1SB8控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统PLC程序控制下运行。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触点信号，由于PLC为4个输出点一组共用一个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频控制。图35中的K4K26为PLC的输出继电器触电。图35电控系统控制电路29343PLC系统外部接线图图36为PLC及扩展模块外围接线图，火灾时，火灾信号SA1被触动，I00为1。可结合表32输入输出点代码及地址编号与图35电控系统控制电路一起读图。30图36恒压供水控制系统PLC及扩展模块的外围接线31344变频器外部接线图变频器的外部接线图，如图37所示。这个图可以结合系统主电路图、控制电路图和PLC外部接线图一起阅读。R、S、T交流电源输入，连接工频电源；U、V、W变频器输出，接水泵电机；RES复位，通过中间继电器KA通电使其触点接通，用于对变频器频率进行复位；RUN变频器正在运行；A变频器故障信号，指示变频器因保护功能动作而输出停止的转换触点，到PLCI03端子；2、5模拟电压输入，对其频率设定。图37变频器外部接线图35本章小结本章针对用户需求，在满足供水能力的前提下，实现了变频恒压供水控制系统的设计，该系统由PLC控制的多泵分级调节和变频器控制的单泵连续调节相结合，实现流量在大范围内变化时的恒压供水，基于这一设计方案，本章主要对系统设计的硬件设计做了说明，对系统主要配置硬件部分做了选型，最后给出了供水系统电气控制原理图。32第四章恒压供水系统的程序设计41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，模拟量单元及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，即主程序、初始化子程序和中断子程序，下面逐一进行介绍。411主程序主程序的流程图，如图41所示。主程序实现功能最多，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两个恒压值是采用数字式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。本系统中初步确定的比例增益和时间常数为增益025；采样时间02S；积分时间30MIN；微分时间TD033图41主程序流程图34412初始化子程序系统初始化的一些工