恒压供水系统的PLC控制设计

1、学院本科毕业设计（论文） 摘 要摘 要 随着城市经济的发展，城市高楼不断的增高，城市区域不断扩展，城市供水开始出现压力不足的问题，水是人类生活的必须品，传统的供水系统已经不能满足现代城市的需要。需要一个新的供水系统，要保证城市供水的压力恒定，满足用户，并且节约能耗，自动调节，便于维护。本设计针对上述问题，通过对现代控制技术的研究，对不同的恒压供水系统进行比较和分析，采用变频器结合plc的控制方案，来解决恒压供水问题。以plc与变频器控制水泵电机工作，实现运行可靠、节能、低噪，维护简单，经济实用的恒压供水系统。这个系统能自动控制水泵转速，实时读入管网压力值，与设定值比较，由pid控制算法得出一调

2、节参量，控制调速泵的转速，最终实现恒压供水。关键词 变频器，恒压供水，plciabstractwith the development of city economy, increased continuously city building, city expanding regional, city water supply began to appear the pressure of shortage, the water is the human life necessities, traditional water supply system has been unable to

3、meet the needs of modern city. the need for a new water supply system, to ensure the constant pressure of city water supply, satisfy the user, and saves energy consumption, automatic adjustment, convenient maintenance.this paper in view of the above question, through the study of modern control tech

4、nology, comparison and analysis of different combination of constant pressure water supply system, the control scheme of plc converter, to solve the problem of constant pressure water supply. plc and inverter control pump motor, to achieve reliable operation, energy saving, low noise, easy maintenan

5、ce, constant pressure water supply system is economical and practical. this system can automatically control the pump speed, real-time read into the pipe network pressure value, compared with the set value, controlled by the pid algorithm to obtain a control parameter, control the speed of the pump,

6、 the ultimate realization of constant pressure water supply.keywords：speed-frequency variable,constant pressure water supply,plc目 录摘 要iabstractii1 绪论11.1研究背景11.1.1 城市供水需求11.1.2 传统供水系统的比较11.2 恒压供水系统的国内外研究现状31.3 供水系统安全性讨论41.4 本论文主要设计思想42 系统的理论分析及方案的确定62.1供水系统的主要参数62.2供水系统的基本特性62.3变频恒压供水方式的选择92.4变频恒压供水

7、系统的工作原理102.4.1系统的构成102.4.2工作原理112.5变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析123 变频恒压供水系统的硬件设计133.1 plc133.11 plc简介133.12 plc的选型143.2 plc扩展模块em235143.2.1 em235的简介143.2.2 em235的技术规范153.2.3 em235的校准及配置173.2.4 em235的使用说明173.3 plc的i/o端口分配183.4变频器193.5水泵电机的选型223.6压力传感器、液位变送器233.7系统电路设计243.7.1恒压供水系统的主电路设计243.7.2恒压供水系统的控制电路设计243.

8、7.3恒压供水系统中plc外围接线264 变频恒压供水系统的软件设计284.1系统编程分析284.2系统的主程序294.3 控制系统子程序设计335 结论37参 考 文 献38附录a：程序清单39致 谢511 绪论1.1研究背景1.1.1 城市供水需求众所周知，水是生命之源，是人类生产、生活必不可少的资源。我国本就是人口大国，现在随着我国社会经济的发展，城市建设也十分的迅速，城市高楼是越来越高了，城市的面积在不断的扩张，同时也对基础设施的建设提出了更高的要求。城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性，稳定性，经济性直接影响到用户的工作和生活。随着人们对供水质量和供水系统的可靠性要求

9、越来越高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能，高节能能够适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为了必然的发展趋势。用户用水量得多少是经常变化的，因此供水不足或者供水过剩的情况时有发生。而用水量和供水量之间的关系可以通过检测水的压力来体现（即是：用水量供水量水泵供水侧压力低；用水量供水量水泵供水侧压力高）。如此一般，我们就可以使供水量和用水量之间保持一种动态平衡的关系（即是：用水量大的时，供水量也大；用水量小时，供水量也小），这样就有利于用户用水的水压质量良好和供水水源的节能节约。1.1.2 传统供水系统的比较传统的供水系统不足之处主要表现在用水高峰期水的供给量不能满足用户的需

10、求量，出现了水压降低供不应求的现象，这样很多高楼住户和远距离的用户得不到供水。在用水量少的时期，系统水的供给量又经常超出了用户的用水需求量，这样就会供给大于需求水的压力过高，此时就会造成资源的浪费，而且很可能损坏用水设备，使用水管道破裂。下面就介绍一些在变频恒压供水技术没有出现时，人们采用过的一些传统的供水方式。1 一台恒速泵直接供水系统这种供水方式是水泵从水池里抽水加压之后送往用户，有些甚至还没有蓄水池，直接就从城市公用水网中抽水，这些会严重使城市公用管网压力变的不稳定。此供水方式，水泵整天不停运转，在夜间用水量少时可能停止工作。此系统造价便宜、结构简单，但是耗电大、水的损失严重，水压力不稳

11、定，供水质量极差。2 恒速泵+水塔的供水方式此方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。这种就要求水塔的高度满足水塔的最低水位要略高于供水系统所需要的压力。当水塔里的水低于设定的下限值，水泵电机启动，开始抽水，水满后，水泵停止运行。水泵的工作是断续的，这种方式显然比上一种要节能些，节电率与水塔容量、用水不均匀系数、水泵额定流量、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。优点是比上一种节能，供水的压力较稳定。缺点是建设投资大，占地宽。水压不可调，不能兼顾近期与远期的需求。水压不能根据系统需要而改变，存在不必要的能量损耗以及对用水进行二次污染。还有一种情况是可能发生供水质量的剧烈下降和能耗增加，此情

12、况发生是由于供水系统水塔的水位监控装置受到破坏，水泵不的自动开、停功能受到损坏，水泵的启、停只能有人来操作。3 射流泵十水箱的供水方式这种方式在工艺和技术上还有待改进，它是结合射流泵自身的特殊结构和压力差以及进水管道粗出水管道细来实现供水的。这种方式有时会出现有压力而没有流量的情况。不能满足现代城市的供水需要。4 恒速泵十高位水箱的供水方式这种方式的原理与水塔是一样的，只是水箱被放置在建筑物的顶层上，建筑物过高还可以分层设立水箱。这种方式的设备投资和占地面积有所减少，缺点是对建筑的设计和与造价会有一定的影响，并且水箱还受到建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围受到限制。水箱可能被一些动物甚至

13、人进入，导致水质污染。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，是完全由人工操作的，导致系统的供水质量下降能耗增加。5 恒速泵十气压罐供水方式这种供水方式是将高位水箱用封闭的气压罐来取代。泵的启动停止靠气压罐内检测到的压力信号来控制。气压罐需要的占地面积也比较小，可以把它直接放地上，这样成本就要低于水塔方式。因为气压罐是密封的，所以很大程度上减少了异物进入污染水质的可能性。这种方式明显优于前面几种方式。气压罐供水是靠压缩空气送水，罐的配套水泵工作时，水泵电机是在额定流量、额定转速下运行，这样当用水需求小时，就会浪费流量。而且水泵工频启动，启动频繁会有一定的能耗，电气机器设备损坏快。气压罐

14、的占地面积稍大。6 变频调速供水方式变频恒压供水系统是变频器结合plc控制的系统，自动化程度高，系统的原理是通过系统中安装的压力传感器，将用水的压力信号传到plc中，与设定压力值作比较、运算，然后由控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。系统水压不管如何变化，系统的输出始终在一定的范围内稳定.变频恒压供水的水泵调速控制方案一般分三种:水泵出口处的恒压控制、水泵出口的变压控制、给水系统中的最不利点恒压控制。变频调速式供水系统优于前面介绍的所有系统，它的流量输出根据用户需求而改变，调节能力强，节约了能源。在工建上节省钢材、节省占地面积、节省了投资。系统采用软开关技术对电网、设备冲击小，运行稳定可

15、靠，维修方便，还可以配以组态实时监控，具有明显的经济效益与社会效益，应用前景广阔。随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。先进的控制技术、自动化技术、通讯及网络技术等在供水领域的应用，成为了对供水系统的新要求。由于城市供水量不断加大，对城市管网的实时监测提出了更高的要求。1.2 恒压供水系统的国内外研究现状随着电子技术电力技术的发展，变频器开始逐步进入市场，变频器对交流电机的调速日益成熟，变频恒压供水系统开始发展起来。早期，国外生产的变频器在恒压供水系统中只用于执行机构。其主要功能主要是正反控制、频率控制、启动控制、制动控制

16、、升降速控制、压频比控制和各种保护。在变频器的外面需要提供压力传感器和压力控制器，通过压力进行闭环控制以满足在不同用水需求时，保持管道的压力不变。变频技术应用于恒压供水系统中使系统节能、可靠、稳定、并且自动化程度高。这些优点得到了大家的认可，于是国外的一些变频器生产公司开始生产推出了专供恒压供水的变频器。比如日本的samco公司，他们就生产出了恒压供水基板，这种设备具有两种工作模式：一种是变频泵固定方式另一种是变频泵循环方式。这种变频器的控制基板上集成了plc可编程控制器和pid调节器等硬件，可以通过一些指令代码的设置来实现plc和pid等控制功能，只需要使用一些配套的恒压供水单元，就可以直接

17、完成对多个内置的电磁接触器的控制工作。这样就可以构成恒压供水系统（最多可以有7台水泵电机）。这种设备的优点是使电路结构微化，成本低。但也有一定的缺点。这种设备的输出接口扩展功能不够灵活，构成的系统稳定性不高，动态性能也不高。不能与其他组态软件、监控系统实现通讯，虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，所带负载的容量受到限制，与别的监控系统(如ba系统)和组态软件难以实现数据通信。在实际应用中这种变频器的应用范围也受到一定的限制。在我国也同样有许多企业在做恒压供水变工程。从系统的稳定性和动态性能开放性以及抗干扰性能的各个综合指标来看，还达不

18、到现代形式复杂要求高城市供水需要。国内的供水系统有的是采用的单片机结合相应的软件加上国外进口的变频器来实现，有的采用plc结合其他软件加变频器来实现的。多是通过压力来实现闭环控制。对于用在恒压供水的专用变频器国内的企业也有研究，成都希望集团和原深圳华为电气公司就生产出了专用的恒压供水变频器(5.5kw22kw)，这种变频器最多可以完成4台电机的定时循环、循环切换、定时启动、停止控制。它不在需要外接plc与pid调节器就可以完成控制。plc和pid控制器功能已经内置于变频器中。不过该变频器不足之处是它的操作不是很方便，没有数据通讯功能，所带的负载容量受到输出接口的限制。容量小，只适合用于需求不高

19、、控制要求低的地方。由此可见，现在国内外在研究能适应不同场合的变频调速恒压供水控制系统的研究设计中还待提高，系统的研究要结合现代控制技术、网络和通讯技术同时还要兼顾系统的电磁兼容性(emc)。因此，我们还需要进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使供水系统能够适应不同的环境，保障生活、生产实践。1.3 供水系统安全性讨论供水系统安全性受到影响的重要因素是水锤效应，水锤效应是在很短的时间内，由于水流量的变化很急巨，引起供水管道受到的高、低压强的冲击，发生了空化现象，使供水管道受到压力发出噪声，像锤子敲击管子的声音一样。水锤效应的破坏性极大。压强过高的时候，会使供水管道破裂，压强过低了又会引起供水

20、管道的瘪塌。而且，水锤效应还有可能损坏阀门和一些固定件。如果采用变频调速，那么对提高系统的安全性有很大的好处：1 发生水锤效应的根本原因是水泵在启动和制动的过程中动态转矩太大，导致短时间内流量发生巨大变化。采用变频调速技术，可以减少动态转矩，消除水锤效应，减少了水泵和管道的冲击，延长水泵管道系统的寿命。2 通过降低水泵平均转速，减小工作时的平均转矩，叶片承受的应力减小，轴承的磨损也就减小，延长水泵的寿命。3 变频调速系统的软启动代替了硬启动，有效保护了电气设备。4 启动电流减少，对电网的冲击减小，提高系统稳定性。1.4 本论文主要设计思想本设计的任务是设计一套恒压供水系统，能够实现智能控制，节

21、约能耗，无论在用水高峰期还是低峰期都能满足用户的用水问题，本文以城市小区供水系统为研究对象，采用现在控制技术，用plc(含pid模块）和变频器集合来控制3台水泵电机的工作，代替了传统的水塔、压力罐的供水方式，变频器与plc组成控制系统，对水泵电机进行的调速运行，实现对供水压力的闭环控制，当管网流量发生变化时实现恒压供水的目的。通过压力传感器反馈的总管网实际压力值与系统设定的给水压力值进行比较，将其差值通过输入cpu运算处理后，发出控制指令，控制水泵的转速，从而使压力值稳定在设定的压力值上。本设计中恒压供水系统中电动机调速装置采用交流变频技术，控制装置采用plc控制器。plc不仅可以实现泵组、阀

22、门的逻辑控制，还可以完成系统的数字pid调节功能，还可以根据需要结合组态软件对系统中的各种运行参数、控制点进行实时监控，在crt画面显示，还具有故障报警功能。市政供水管网中自动恒压供水系统的标准通讯接口，还可以和城市供水系统的上位机进行联网，实现整个城区供水系统的优化控制，使城市供水系统提具有现代化的调度、监控、管理、经济运行等特点。随着人们生活水平的提高和城市建设的不断扩大，对城市供水系统的可靠性（流量、压力）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐渐增多。变频调速恒压供水系统在这些加压设施中越来越显示出其优越性。512 系统的理论分析及方案的确定2.1供水系统的主要参数1 流量流量是单位时

23、间内流过管道内某一截面的水量，常用单位是m3/s、m3/min、m3/h等.符号是q，供水系统的基本任务是满足用户的流量需求。2 扬程扬程是单位质量的水被上扬时所获得的能量，常用单位是m，符号是h。扬程主要包含是以下几个方面：一、供水中水位提高需要的能量；二、供水中水在管道中流动时有阻力，要克服这个阻力所需的能量；三、要使水在管网流动，具有流速所需的能量。一般情况下，我们认为提高水位需要的能量是扬程的主要部分，因为在同一个管道里，上面所说的二和三是基本上不变化的，其数值相对较小。由此我们在分析系统时，同一管道扬程常常只考虑把水位提高所需要的那部分能量而忽略了其他两个因素，即水位差就简单的代表了

24、扬程。3 全扬程全扬程可以叫总扬程也可以叫做水泵扬程，它是一个说明水泵的泵水能力的物理量。水从蓄水池被上扬到最高的水位时所要的那部分能量和使水具有流速及克服管道阻力所需要的能量，符号是ht。4 实际扬程实际扬程就是用水泵提声水位时所需的能量，符号是ha 。5 损失扬程全扬程减去实际扬程就是损失扬程，符号是hl。ht 、ha和hl 之间的关系是:ht = ha + hl6 管阻管阻是管道系统包括水管、阀门等对水流阻力的物理量，符号是r。通常用扬程与流量间的关系曲线来描述。2.2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的前提是供水系统管网中的阀门开度为定值，如图2-1所示，阐述的关系是

25、水泵在某一转速下系统中扬程h与流量q，从图中可以反映出，当流量q增大的时候，扬程h逐渐变小。以阀门开度和水泵转速都不改变为前提的情况下，流量的大小主要是由用户的实际用水量来决定的。所以，可以得出扬程特性主要是反映扬程h与用水流量间的关系。管阻特性是在前提为水泵的转速不变的情况下，表明阀门在某一开度下，扬程与流量之间的关系。水泵中的能量用来克服水泵系统中的压力差、水位、水在管网中流动受到的阻力的变化规律就是由管阻特性来反映的。从图中可以得知，在同一阀门开度下，扬程增大，流量也随着变大。在某一扬程下，系统向用户供水的能力，取决于阀门开度的大小。由此可知，扬程与供水流量间的关系是由管阻特性来反映。供

26、水系统的工作点是扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，如图2.1所示。在这一点上，系统的供水量与系统中用户的用水量刚好相同。达到一种平衡状态。这样供水系统同时满足了管阻特性与扬程特性，系统达到稳定运行状态。图2.1 供水系统的基本特性曲线研究恒压供水系统就是要提供一种能够在不同环境下满足用户对水流量的需求。因此，供水系统的基本控制对象就是流量。按照前面说叙述的，流量的大小决定于扬程，可是扬程是很难进行具体测量和控制。在动态情况下，管道中水压的大小与用户用水需求、供水能力之间的平衡关系如下：供水能力用水需求，则压力上升；供水能力用水需求，则压力下降；供水能力用水需求，则压力不变。可此可见，流体压力的

27、变化诠释了供水能力与用水需求之间的矛盾。所以，我们把压力作为一个控制流量大小的参考变量。意思就是如果在系统中保证了检测管道处的压力保持不变，那么这个地方的供水能力与用水量的平衡状态就得到了保证。这样就能使供水系统最优化的满足用户的用水需求。变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵电机、阀门和管道等构成。恒压供水系统通过异步电动机带动水泵工作，一般电机和水泵都做为一体的（所以文中将水泵直接代替电机和水泵），由变频器对电机进行速度调节，进而根据需要来调节供水量实现恒压供水。异步电动机的变频调速就是供水系统变频的实质。变频器通过改变异步电动机定子供电的频率进而实现改变异步电动机同步转速。根据电机学理论,

28、交流电动机的转速公式为： 式（2-1）其中：f 为定子的电源或稳压器频率； p为极对数；n为转速；s为转差率。转差率s，是同步转速减去异步转速的值再去比同步转速的百分比，三相异步电动机各机种型号及生产厂家的转差率不尽相同，应根据铭牌额定转速计算就能得出转差率。从上式可知，当极对数p不变时，电机转子转速刀与定子电源频率成正比，所以我们要连续平滑的调节电机的转速就可以通过连续调节异步电机供电电源频率来实现。在进行变频调速过程中，电机从高速到低速都能够保持有限的转差率，因此变频调速具有高精度、机械特性较硬、高效率、平滑性较高、调速范围广的优点，其调速的性能完全可以同直流电动机调速系统相媲美。综上所诉

29、，采用变频器对交流异步电动机调速是一种比较理想合理调速方试，它被广泛地应用于对水泵电机的调速中。流量是供水系统中常用的控制量，通常采用控制阀门或转速来进行流量的控制。阀门控制法不常用，此方法在控制中可能会出现超压或欠压现象。原因是通过调节阀门开度来调节流量，此时的电机转速是保持不变的。阀门控制法的实质是通过改变管道中水路阻力大小来改变流量，由此，管道阻力将随阀门开度的变化而变化，但其中的扬程特性是不变的。而实际用水过程中，用户的用水需求是不定的，它在不断的变化，如果阀门的开度在某一段时间内维持恒定不变的化，就会造成这种现象的出现。转速控制法是常用的一种控制方法。它是保持阀门的开度不变，通过改变

30、水泵电机的转速来调节流量，实质是通过改变水的动能来使流量改变。因此，这种方式下的管阻特性是不变的，扬程特性就会随水泵转速而改变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作过程中，水泵电机的转速是根据用户用水量的变化自动地调节的，始终保持了管道压力的稳定不变，如果用水需求量增大，则电机开始加速运行。如果用水需求量减小时，则电机减速运行。当用阀门控制流量时，无论用水量多大，电机都一样运行，尤其用水量少时，效率很低，有很多功率被浪费掉。转速调节时，用多少水，抽多少水，水泵的效率不变，总处于最佳状态。电子技术的发展和完善，促进了变频调速领域的发展，变频调速的机械特性好，精度高，效率高，调整特性曲线平滑，调速

31、范围宽，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护方便、自动化水平高。这一系列突出的优点倍受人们的青睐。现在交流电机的变频调速技术已经发展成为一项成熟的技术，它将配电网恒定频率的交流电经过整流二极管变成直流，再由igbt或gtr模块等组成的逆变电路变成频率可调的交流电源，用此电源拖动交流电机在变速状态下运行，并能自动适应负荷变动的条件。它改写传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式的历史，达到现代社会节能的要求。变频调速技术应用于供水系统中，较传统的供水方式可节电4060，节水1530，所以本文采用变频调速恒压供水方式。2.3变频恒压供水方式的选择目前国内变频恒压供水设备电控柜的

32、控制方式有：1 逻辑电子电路控制方式这类控制电路往往采用一台泵变频运行，其余泵为工频运行的方式。难实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，所以控制精度较低、抗干扰能力较弱、调试较麻烦、工频泵起动时对电网有冲击、水泵切换时水压波动大，但是成本较低。2 单片微机电路控制方式此控制电路要好于逻辑电路，但在对不同供水、不同管网情况时，调试比较繁琐。追加功能时往往还要重新修改电路，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。3 新型变频调速供水设备由于传统的供水设备都有着不同的缺点，国内外很多厂家研制出了一批新的供水设备，华为的td2100、富士公司的giispiis系列产品、sanken的sam

33、co i系列、施耐德公司的altivar58泵切换卡、abb公司的acs600、acs400系列产品等等。这些产品的特点是减少了对plc的容量的要求，不用对pid调节器编程，调试容易，成本低，还提高了生产效率。水压的调节很平滑，反馈准确。这些特点都源于新产品综合了plc的一些简单功能和pid调节器。而且，pid调节器采用了优化算法。这种变频器在供水领域很受欢迎。分析以上3种方案后，本次设计就采用的第四种方案，用新型的变频调速设备。供水系统方案如图2.2所示。图2.2 供水系统方案图2.4变频恒压供水系统的工作原理2.4.1系统的构成本系统有变频器，可编程控制器（plc），3台水泵电机，压力传感

34、器和若干辅助部件构成。每台水泵的出水管都配有手动阀门，便于系统维修和调节水量，3台泵在控制信号下变频或工频运行，以满足供水需求。系统中压力传感器检测管道上的压力，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，是实现电机无极调速、无波动稳压和其他功能的重要器件。通过的图2.2的分析，我们可以知道恒压供水系统由控制系统、信号检查、执行机构、报警装置等组成。1 控制系统供水控制系统由可编程逻辑控制器、变频器、电控设备组成，安装在专门的控制柜中。1) 可编程逻辑控制器（plc）:它像人的大脑，是整个控制系统的核心。它可以采集系统中的压力、工况、报

35、警信号，分析数据信息，再处理运算，得出控制方案供水控制器，发送指令给变频器、接触器对执行机构实施控制。2) 变频器:它是控制水泵电机转速的单元。变频器通过接收跟踪plc给出的控制信号来调节水泵的转速，其原理是通过改变运行频率来完成对调速水泵的转速控制。3) 电控设备:主要由一些转换开关、接触器、保护继电器等电气元件组成。用于主电路中在控制系统的控制下进行水泵的切换，保护用电设备等。2 信号检测在变频恒压供水系统中信号的检查主要是检查出水管中水的压力和一些报警信号。水压信号:它是整个系统的一个重要反馈信号，反映的是用户管网里水的压力通过压力传感器测出来的水压值，是模拟量信号。报警信号:开关量信号

36、，当系统不正常，水泵过载运行或变频器异常的时候会反映出来。这个信号的检查对系统的正常运行和设备的保护起着重要作用。3 执行机构执行机构顾名思义就是系统的执行设备，在这个系统里就是3台水泵，通过水泵把水送给用户。它们用于将水供入用户管网。4 通讯接口通讯接口是用来与外界通信用的，比如可以结合组态软件制作一个实时监控系统，在led上显示，数据的交换就是通过通讯接口传送。还可以利用现代网络技术对系统进行远程诊断和维护。5 报警装置 为了保证控制系统的安全、稳定、可靠运行，防止由于电网大的波动、水源终断、电机过载、站内溢水、变频器报警、出水超压等情况而造成故障，恒压供水系统的报警装置是必不可少的。报警

37、信号通过plc的判断，进行报警和保护动作的控制。2.4.2工作原理首先将总电路上的空气开关闭合，使供水系统进入运行状态。然后再将状态开关打到自动上，系统就开始自动运行（一般系统出故障时才需要手动运行）。这个时候就可以通过plc程序来控制系统的运行了。在plc程序中接通km6，并启动变频器，此时系统开始运转。此时plc判断压力传感器检测的压力值与系统设置的压力值的偏差进行pid调节，改变变频器的输出频率控制水泵的运转速度、水泵运行个数以及水泵运行状态。增泵工作过程：本系统水泵电机3台，分为1号、2号、3号水泵，系统启动后，1号水泵先开始变频运行，当压力信号超过设置的信号值并且持续一段时间，经过p

38、lc和变频器进行处理后，就会将1号水泵切换为工频运行并启动2号水泵，2号水泵变频运行。此时如果实际压力值还达不到设定的压力值，继续将2号水泵切换为工频运行并启动3号水泵，3号水泵进行变频运行。减泵工作过程：当系统设定压力值高于实际压力值并稳定运行就关闭1台电机。整个系统以先启先停原则进行恒压控制。一般情况下实际压力信号值与系统设定压力值的偏差要持续一段时间plc才会给出加减泵的命令，这样就会避免水压由于某种原因突然增加又减小而造成不必要的浪费。2.5变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析在变频恒压供水系统中水压的保持是靠水泵的调节，当水泵的运行已经达到了上限频率，这个时候压力传感器检查的实际值任

39、然小于系统的设定值，此时一台电机无法满足供水需求，则将原水泵切换为工频运行，启动另一台水泵进行变频调速，满足水的供给。如果在水泵运行过程中，调速泵运行频率已达到下限，这时压力传感器的检测值任然高于系统的设定值，这个时候就是供大于求的情况，此时plc发出指令，关闭调速水泵，将工频运行的水泵切换变频运行。通过以上的方法来实现恒压供水。水泵切换的时间和如何切换要保证系统的稳定可靠供水压力恒定，并且水泵机组的切换是不能太频繁。在供水系统中变频器的频率控制范围是有限制的。一般常用的变频器的调节频率是在0-400hz，实际运用中由于受实际工程和电网的限制，其控制频率是达不到0-400hz的。我们用的电网规

40、定的频率是50hz，还有电机的正常工作频率限制，当电机为工频运行时就该是最大频率。所以变频恒压供水系统中变频调节的上限频率为50hz.在实际运行中当变频器调节频率达到50hz，这时水泵运行速度不能再增加了，这时就需要再启动另一台水泵。变频器的调节频率下限值理论是应该是0hz。但是实际工作中是达不到0hz的。因为水泵在运行过程中会有水对电机的一个方向阻力，产生一个方向力矩。水泵的运行首先就要克服这个阻力做功。不然水就会出现回流的情况。调节频率下降到达到某个值时，水泵这时就抽不出水了。这个值才是实际中真正下限频率。这个下限频率值与系统在不同的场所和用的不同的水泵有关，它远远超过0hz,一般情况下是

41、在20hz左右。恒压供水系统中，电机的切换时很重要的。在该切换的时候切换，不该切换的时候就不动作。那么什么时候该切换呢？我们在设定程序的时候应该有个延时判别，延时判别就是当系统检测到的压力值和设定值不匹配，并且这种情况要延续一段时间，这段时间内条件任成立那么plc才发出调节指令。有的时候由于其他原因实际水压值会突变，很短时间又恢复正常，这个时候是不需要调节的。如果这个时候plc发出调节指令，就会误操作。3 变频恒压供水系统的硬件设计3.1 plc3.11 plc简介可编程控制器(programmable logic controller)简称plc。1968年美国的通用汽车公司对外公开招标提出

42、代替传统的继电器控制系统的新型控制系统，1969年美国数字设备公司研制出了世界上第一台plc(pdp-14)，在此之后plc开始迅速发展，plc克服了传统继电器控制系统故障排查难，不能适应工艺改变的等困难。plc以微处理器（cpu）为基础，结合了现代控制技术，计算机技术，通讯技术，采用简单的编程语言，面向用户和控制过程。plc能够适应不同的工业环境，可靠性高、操作简单方便，学起来简单易懂。丰富的i/o接口，较强的驱动能力，灵活的标准配置使plc被应用于石油、电力、化工、汽车、建材、冶金、机制、文化娱乐等各种行业。plc产品性能的不断提高，促使plc的用于领域不断扩大。plc被称为当代工业生产自

43、动化的三大支柱之一。在应用中，我们只需对实际工程进行编程，就能完成控制任务。 plc的硬件结构框图如下：3.1 plc硬件结构框图早期的plc采用计算机的设计思路，主要用于顺序控制，只能够处理逻辑运算。随着社会的进步科技的发展，计算机、通讯、微电子技术快速发展，工业生产自动控制要求越来越高，plc在速度、智能化、功能以及通讯上等技术上都有了很大程度上的提升，现在plc不仅能完整的实现逻辑控制、顺序控制还有过程控制、远程通信和模拟量控制等强大的功能。plc在控制领得到了大家的认可。并得到广泛运用。plc具有的功能如下：开关量控制;步进控制;模拟量控制;计数控制;数据处理;定时控制;自诊断功能;定

44、位控制;通讯联网功能;显示、打印功能。作为工业生产过程控制的专用计算机，plc与实验室环境下使用的微型计算机机是有区别的。由于使用的环境特殊、控制对象的复杂性，运行的长期连续性等因素使plc在设计上有许多明显的优点如：编程直观简单、可靠性高、接口能力强、通用性强、适应性好、模块化结构、结构紧凑体积小、安装维修方便等。3.12 plc的选型plc的种类很多，著名的有日本的三菱、德国的西门子、施耐德、国内的有台达的。本文采用西门子s7-200。s7-200型plc的价格便宜、结构紧凑、性价比较高，被广泛应用与一些小型控制系统。西门子公司的plc系列产品的可扩展性强、可靠性高，通信指令较为丰富且通信

45、的协议简单；plc结合工控机和组态软件，可以对控制系统进行实时监测控制。工控机和plc采用pc/ppi电缆进行通信，支持点对点接口(ppi)协议，pc/ppi电缆可以很方便的完成plc的通信接口rs485到pc机的通信接口rs232的转换，用户程序的三级口令保护可以对程序实施安全保护。西门子公司的plc产品品种丰富。s7系列是传统意义上的plc，s7-200是一种小型plc，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，它具有如下特点：1 功能强大。s7-200有5种cpu模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量i/o或38路模拟量i/o，最多有30多kb的程序存储空间和

46、数据存储空间；2 先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件；3 灵活方便的寻址方法；4 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面；5 有竞争力的价格；6 完善的网上技术支持等。3.2 plc扩展模块em2353.2.1 em235的简介em235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（st）单片集成变送器asic芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的dc420ma（通过250电阻转换dc 15v或通过500电阻 转换dc210v）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。1 主要特点1) 专为电力电气自动化5060

47、hz交流电流测量而设计的真有效值两线制隔离变送器模块；2) 具有国内首创4种补偿措施：零位补偿、线性补偿、温度漂移补偿、频率带宽补偿；3) 采用印制板直插安装型模块结构，将精密电流互感器和单片集成电流变送器两部分组合为一体化设计；4) 高可靠性、高稳定性、高性价比；5) 原副边高度绝缘隔离；6) 具有国内首创6大全面保护功能：a.输入过载保护；b.输出过流限制保护；c.输出电流长时间短路保护；d.两线制端口瞬态感应雷与浪涌电流tvs抑制保护；e.工作电源过压极限保护35v；f.工作电源反接保护；7) 特别适合于将发电机、电动机、智能低压配电柜、空调、风机、路灯等馈电电流互感器的二次侧1a、5a

48、、10a电流隔离转换为标准两线制dc420ma直流信号，输入智能监控系统；8) 频率带宽：ac401000khz9) 超低功耗，单只静态时0.096w，满量程功耗为0.48w，输出电流内部限制功耗为0.6w。2 主要功能与特性1) 将被测工频交流电流转换成按线性比例输出的两线制dc420ma标准直流信号；2) 优良的温度特性和长期工作稳定性；3) 第3代定型设计采用意法半导体（st）单片集成变送器asic芯片(绝非lm324或lm258廉价运放搭成)；4) 第3代定型设计采用强功率线性变压原理,抗干扰能力较第2代增强10倍；5) 精确度高,线性度优良；6) 两线端口具有输出过流过压极性保护功能

49、,具有感应雷击波和突波保护能力；3.2.2 em235的技术规范 em235是s7200系列plc的模拟量扩展模块，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，适合用于恒压供水控制中下表中，输入、输出信号范围栏给出了em235的输入、输出信号规格。4路端子可分别接入4路输入，当信号的类型(电流或电压)不同时，接线方法是不一样的，输出是电流量还是电压量在接法上是有区别的。表3.1 em235输入/输出技术规范3.2.3 em235的校准及配置em235模拟量模块要先配置、校准好，然后再接入电路，配置是按照实际需求接入的信号类型对所选模块进行设定。校准就是仪器仪表在使用前需要的调零和调满度。配置时要调节

50、使用的6只开关的状态组合所对应的输入范围和分辨率，分成单极性输入与双极性输入两种。具体校准输入的步骤如下：1 首先切断配置用的模块的电源，通过配置开关选择所需要的输入范围。2 将cpu的各个模块电源接通，并稳定15分钟。3 用一个传感器、一个电流源或电压源，将零值信号加到一个输入端。4 将cpu中的测量值读出来。5 然后通过对偏置电位器的调节来使读数为0或者是你所需要的数据值。 6 读取cpu在一满刻度信号接入某个输入端下的值。7 通过对增益电位器的调节，使cpu的读数为32000或你所需要值。必要时，可以重复偏置、增益校准过程。3.2.4 em235的使用说明1 em235扩展模块一般使用过

51、程：1) 按输入信号类型与变化范围来设置dip开关，进行模块的配置工作。必要时需要进行校准。2) 完成硬件接线。接入时要根据不同的输入、输出信号类型采用不同的接入方式。空置端应短接防止空置端对接线端的干扰。接线时传感器的线路要尽量短并且要用屏蔽双绞线以保证24vdc传感器电源没有噪声、可靠稳定。3) 正确的安装模块在系统中的位置，并编号。s7-200的扩展单元在主机的右边依次排列安装，模块从0开始进行编号。安装好模块后，在主机上的扩展总线插口上插上模块自带的接线排。4) 在主机中留一定的储存单元以便在进行输入模拟量转换以后对数字数据处理与输出时要在模拟量单元中转换为模拟量的数字量。一般情况下用

52、模拟量输入aiw与模拟量输出aqw单元安排的是模拟量模块送来的数字量与待送入模块转变为模拟量输出的数字量。运行中产生中间数据时储存在主机的变量存储区v区内。扩展模块的编址方法按照s7系列plc技术手册中有关规定。2 em235的工作程序编制1) 首先要为工作做的准备是对初始化子程序的设置。在子程序中进行预置采样次数、进行采样并进行单元的清零。2) 进行模块检测子程序的设置工作。此程序的作用是：1.检查模块的连接是否正确2.模块工作是否是正确的。通过对子程序的设置将采样及相关的计算工作完成。3) 完成工程需要的模拟量的处理程序。4) 做好模拟量的输出工作。3.3 plc的i/o端口分配变频恒压供

53、水系统的基本要求如下：1 城市小区的用水量在白天和夜间是不同的，由于白天用水多，夜间用水少所以采用两种模式白天系统高压运行，夜间系统低压运行。2 鉴于水泵长时间工作设备损耗大，系统设有“倒泵功能”。当用水量少的时候，如果一台水泵已连续运行超3小时，就会换下一台水泵工作，避免某台水泵长时间运行，倒泵功能只用于只有一台变频水泵长时间运行。3 此系统水泵启动顺序遵循“先启先停，先停先启”原则。4 水泵的运行分为自动、手动两个状态。手动状态只用于应急和检修。系统的水泵通常采用软启动。5 系统要具有完善的报警功能。以保障系统运行的安全可靠稳定便于检修。根据变频恒压供水系统控制要求统计系统的输入输出信号的

54、名称、代码及地址编号如表3.2所示。表3.2 输入输出点代码及地址编号3.4变频器变频器是恒压供水系统的重要组成部分，通过变频器来对交流电机进行速度的调节，进而改变管道的出水量。选择变频器时要参考水泵的功率与电流。如果需要实现监控功能还需要具有通讯功能的变频器。变频器按照控制功能的差别可划分为三类：普通功能型u/f控制变频器、高功能型u/f控制变频器（具有转矩控制功能）、矢量控制高功能型变频器。由于本系统属泵类负载，低速运行时转矩小，考虑选用价格相对便宜的u/f控制变频器。图3.2 变频器的结构图为了系统变频器和plc的通讯方便，plc采用的是西门子公司的s7-200所以变频器同样选择西门子公

55、司的产品micromaster440变频器。它采用三相交流电机调速，微处理器控制，功率输出器件采用绝缘栅双极型晶体管，功能强大、运行可靠性很高。模块化结构使其组态灵活，并具有多种保护功能。变频器内部具有rs-485/232c接口（可直接与西门子plc相连）与pid闭环控制器，用户可以根据需要自定义输入/输出端子的功能。快速电流限制实现了系统的无跳闸运行，磁通电流控制改善动态响应特性，低频时同样可以输出大力矩。micromaster440变频器的输出功率为0.7590kw，比较适用在一些高要求、大功率的场合。在工程的中，要严格按照使用手册进行变频器的安装接线。为了不影响变频器的效率和寿命各种辅助

56、措施要严格做到位，如接地安全的保证以及装置环境条件的保证等，避免造对其它系统造成干扰。变频器的发热量较大，对环境温度的要求非常重要，安装时要认真考虑散热问题，必要时需增加通风装置。变频器主要优点：1 提高马达功率因素。2 压力精确度0.1bar.3 省电：20%-50%。4 降低设备运转噪音5 降低启动电流，减少对电网冲击。6 降低能源消耗和生产成本。7 降低故障率，减少维修成本。8 提供稳定之排气压力，利于提高产品的合格率。9 变频和工频可任意切换（不改变电动机原有操作模式）mm440变频器的型号有8种：a-f、fx和gx。额定功率按字母顺序递增，另外每种型号都有两种输入电压单相和三相。其主要特点如下：1 内置多种运行方式；快速电流限制，实现无跳闸运行；内置式制动斩波器，实现直流注入制动;具有pid功能的闭环控制，控制器参数可自动整定；多组参数设定且可相互切换，变频器可用于多个交换工作的生产过程；多功能数字、模拟输入输出口，可任意定义其功能和具有完善的保护功能。2 控制方式变频器的控制方式是控制输出电压与频率关系。可以通过变频器相应的参数设置进行选择。mm440系列变频器主要有以下几种控制方式