PLC在城市小区变频恒压供水系统中的应用

1、摘摘 要要本文介绍了 plc 在小区变频恒压供水系统中的应用，主要用到了 plc 和变频器，系统采用变频调速方式自动调节水泵电机的速度，改变了以往先启后停的方式，系统能够自动和手动完成各个泵的启动、停止无冲击切换及故障报警，对传统的小区供水系统进行了改造，可以有效的解决以前供水压力波动大、系统故障率高、能源浪费严重等一系列问题，使水压平稳过渡。在小区变频恒压供水控制系统设计中，对变频器控制节能也进行了必要的分析。论述了小区变频恒压供水系统原理、硬件设计、软件设计、操作、参数设定和控制系统图的设计。在设计中利用 plc 控制变频器，采用 pid 控制器，形成以压力为闭环的控制系统，从而实现供水压

2、力的恒定，而泵的启动和停止可以自动和手动来实现的。关键词：关键词：plc，变频，调速，恒压供水，节能application of plc on constant pressure-providing water system in cityabstract: the article introduces plc (programmable logic controller) which bases on in the area frequency conversion constant pressure water supply system application, mainly uses

3、plc and the frequency conversion implement, the system uses the frequency conversion velocity modulation way automatic to control water pump electrical machinery the speed, after changing the way which formerly first opened stops, the system has been able to automatic and manual completed the start

4、which pumped one by one, stops with the non-impact cut, as well as the breakdown reported to the police, has carried on the transformation to the traditional plot water supply system, was allowed the effective solution before supplied water the fluctuation of pressure in a big way, the system failur

5、e rate high, the energy waste is serious and so on a series of questions, caused the hydraulic pressure steady transition. in the plot frequency conversion constant pressure water supply control system design, has also carried on the essential explanation to the frequency changer control energy cons

6、ervation. system hardware by plc, the frequency changer, the electrical machinery, the pressure transmitter and so on is composed. detailed elaboration plot frequency conversion constant pressure water supply system principle, hardware design, software design; operation, parameter hypothesis, contro

7、l diagram design. uses the plc control frequency changer in the design, uses the pid controller, forms take the pressure as the closed loop control system, thus realization water supply pressure constant, but pumps the start and stops being allowed to be automatic and manual realizes. key words： plc

8、，frequency-convertor，adjust，constant pressure providing-water system，energy 目目 录录1 绪论.12 节能原理分析.13 恒压供水控制系统的设计.33.1 供水系统控制方案分析.33.2 控制方案.34 系统工作原理.45 系统硬件的选择.65.1 plc 型号的选择 .65.2 电机的选择.65.3 变频器的选择.65.4 压力传感器器的选择.66 软件设计.76.1 软件模块化组成 .76.2 主程序流程图与 i/ o 分配表.87 供水系统调试.107.1 转化时间的设置 .107.2 切换原则.107.3 软件

9、参数设置.108 结论.10谢 辞.11参考文献.11附录:1 1 绪论绪论城市小区供水系统是给水排水工程的重要组成部分，城市生活小区能否正常供水与居民生活、娱乐、保障消防用水及社会的安定密切相关。随着人们物质生活水平的不断提高，对供水系统的要求越来越高，出现了应用单片机对传统供水系统进行节能改造的变频恒压供水系统。这种系统已逐渐取代原有的恒速泵组切换加压供水、调节阀门供水、高位水塔供水等供水系统，较多地应用于多层住宅小区和高层建筑生活及消防供水系统。然而，在对原有供水系统进行变频改造的实践中，常又出现一些急需解决的问题。如单片机在软件设计工作量较大（难以确定数学模型） ，程序调试难度大，系统

10、抗干扰性能较差；所以在小区供水系统中就需要更新控制技术。随着电力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展。进入 90 年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用 plc 控制器，因 plc 不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字 pid 调节功能，可对系统中的

11、各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行故障报警及打印报表等功能。自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与小区供水系统的上位机联网，实现小区供水系统的优化控制，为小区供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。所以设计了本控制系统，将 plc 与交流变频调速技术相结合，开发现场易调试、供水参数的调节方便、可靠性高、控制性能好的恒压供水控制系统，为城市小区供水系统的建设提供一条极具推广、应用的新途径。2 2 节能原理分析节能原理分析鼠笼式三相异步电动机驱动水泵仍是目前国内多数供水公司水泵类机械的典型电气拖动方式，因为它具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格低廉等优点。但存在调速

12、较难的缺点，所以常采用恒速运转方式；当需要调节水泵流量时，多采用调节阀门开度的方法, 这至少浪费 20%的能源。统计表明，我国每年水泵消耗的电能约占电能总耗的 20%以上，而电耗又占水费成本的 60以上。目前单片机和可编程控制器（plc）与变频器相结合的调速控制技术越来越成熟，但单片机在软件设计上工作量较大（难以确定数学模型） ，程序调试难度大，系统抗干扰性能较差，且要求现场调试 的人员素质比较高 等。而采用变频调速控制方式来调节流量,在节电方面是行之有效的方法，具体水泵变频调速节电原理所下所述：异步电动机采用变频器调速的原理是：通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变桥变换为频率可调的

13、交流，作为交流异步电动机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压、电流和频率。水泵供水系统具有管网特性曲线，即通道管网的流量与所消耗的能量之间的关系曲线，它同时表明水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差，液体在管道中流动的阻力。水泵运行工作点位置与水泵负载有关，在水泵负载经常变化的情况下，水泵不能总处在高效区域里工作。为使水泵适应外界负载变化的要求。我们可采用变速调节，即在管网特性曲线基本不变时，采用改变水泵转速来改变泵的qh 特性曲线。从而改变它的工作点，达到即改变流量又能保证水泵恒定和输入功率减少的目的。如图 1 所示。 图图 1 1 水泵变速运行图水泵变速运行图根据水泵的相似定律，变速

14、前后流量、扬程、功率与转速之间关系为：，1122qnqn21122hnhn31122pnpn式中 p1、h1、q1为转速 n1时的功率、扬程、流量；p2、h2、q2为转速n2时的功率、扬程、流量。由此可见，当水泵在变负荷工作情况下，采用变频器调节水泵电机转速时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显。因此, 当需要调节小水泵流量时，调低电动机转速，其功率消耗会大幅度下降，从而达到节电目的。所以我们采用 plc 与变频器相结合的控制方案来实现小区恒压供水。例如转速降低 20%50%，可节电 20%45%，经济效益非常显著。3 3 恒压供水控制系统的设计恒压供水控制系统的设计3.13.1

15、 供水系统控制方案分析供水系统控制方案分析供水系统的普遍特点是用水量变化较大，且随机性强。供水系统控制方案宜采用多台拖动水泵的电机并联传动取代拖动一台大水泵的电机传动，这样可以根据不同用水情况合理地增加或切掉水泵，从而提高水泵工作效率，增加灵活性。根据供水量和扬程量确定水泵的容量和数量，通常是 13 台泵带一台辅助小泵。若采用一台变频调速器(vvvf)顺序拖动各台泵的电机，可减少投资，这样变频调速装置的成本一般要占整个调速系统成本的四分之三。由 plc 控制三台拖动水泵的电机启动和停止，及在工频电网与变频器输出之间进行切换运行，并可通过程序控制自动实现（任意一台泵连续运行超过规定时间）停机轮休

16、，防止烧坏变频器，从而延长泵组的使用寿命。如图 2 所示： 图图 2 2 供水控制系统框架图供水控制系统框架图3.23.2 控制方案控制方案 在住宅小区水厂的管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失p 和流量 q 之间存在着如下关系： p=kq2； 式中 k 一为系数 设 pl 为压力最不利点所需的最低压力，则泵站出口总管压力 p 应按下式关系供水，则可满足用户用水的要求压力值，又有最佳的节能效果。 p=pl+p=pl+kq2 因此供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即

17、供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站plc交流接触器组电机泵组管道变频器压力传感器出口总管压力连续可调。 典型的自动恒压供水系统的结构框图如图 2 所示；系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器，实时将压力非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器(plc)的输入模块，信号经 cpu 运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵的调节控制。4 4 系统工作原理系统工作原理小区供水系统中主要包括可编程控制器（plc） 、变

18、频器、各种水阀、压力变送器、电机、电控柜和中心监控室等组成,是整个供水系统的核心为维持管网水压恒定和节约能源,采用图 3 所示的变频调整恒压供水系统,由一台 plc 作为控制单元实现自动控制安装在泵房总出水阀处的压力变送器,能将管道中时刻变化着的水压信号变换成电流信号（4ma20ma）,通过模拟数字转换器(adc)传送给 plc,plc 把该电流信号与程序中设定的水压值进行/pid 处理后经数字模拟转换器(dac)控制系统执行单元-vvvf 和自耦降压启动器变频器的工作状态可反馈至 plc,从而提高系统的安全性和可靠性 vvvf 和自耦降压启动器均可对这三台总出水阀出水压阀力电单变动向变 频

19、器plc送机阀器水泵水 水水 连轴器 位 压位进检水测阀 器总进水阀图图 3 3 恒压供水系统构成示意图恒压供水系统构成示意图水泵中的任何一台进行控制,但不能同时控制某一台水泵,因此在软件和硬件上均设置了互锁vvvf 和自耦降压启动器互为备用,都接自同一三相电源线,又都受plc 直接控制,而且变频器还时刻接受 plc 传来的/是否变频 0 指令,视水压变化来控制某一台水泵是变频运行,还是工频运行多台水泵的起/停也由 plc 来控变频器输出线 u v w三相电源 r s t降压启动器三相工频电源 图图 4 4 主电路接线图主电路接线图一台供水达不到设定压力时,启动第二台,供水压力还不足时,启动第

20、三台;反之,供水压力过大时,逐级切除工作水泵,以节约能源，主电路接线图如图 4 所示。 图图 5 5 三泵变联变频恒压供水系统供水量三泵变联变频恒压供水系统供水量时序示意图时序示意图图 5 中的曲线为用户用水量/时序图，在不同时刻提供供水的水泵不同，如:时刻 1 之前，由 1 号泵变频调速供水;在 l2 时刻间 l 号泵工频运行，二号泵变频调速运行;在 23 时刻间，l 号；2 号泵工频运行，三号泵变频调速运行;34 时刻间，二号泵工频运行，三号泵变频调速运行;到 45 时刻间，3 号泵变频调速运行，1 号泵，2 号泵都处于停车状态.往下依此类推，水泵从工频运行到停止遵循先人先出的原则1。当

21、plc 系统出现问题时，自动控制系统失灵，这时候系统工作处于半自动状态，即一台泵具有变频自动恒压控制功能，当用水量不够时，可手动投入另外一台水泵工频运行。当压力传感器故障或变频器故障时，为确保用水，三台泵可分别在控制中心室内以 plc 进行手动工频方式运行或在现场依靠完全有接触器控制手动运行。这种情况也用于 plc 和变频器同时损坏的情况。可以完全有接触器控制手动运行3。5 5 系统硬件的选择系统硬件的选择5.15.1 plcplc 型号的选择型号的选择在满足控制要求的原则上，尽量降低成本，选用松下电工生产的 fp0-c32p，它具有丰富的控制指令，快速的 cpu 处理速度，大程序容量，功能强

22、大的编程工具，强大的网络通信功能，甚至可以直接控制变频器实现电机调速控制。在本课题中用了 fp0 系列的 fpo-c32p。它有 32 个 i/o 触点其中 16 个输入点 16 个输出点，并具有超小型尺寸的特点，可以方便的扩展。为了使系统控制简单化，选用 fp0 的高级模块 a21，a21 具有两个 a/d 转换单元和一个d/a 转换单元，完全可以满足系统的控制要求。5.25.2 电机的选择电机的选择根据系统节能、经济的要求选用三台 11kw 电机控制三台水泵进行供水。5.35.3 变频器的选择变频器的选择在满足控制要求的原则上，尽量降底成本，选用由深圳市安邦信电子有限公司的 amb-g9

23、变频器，它是新一代 spwm 变频器，内置 pid 功能可以方便地实现 pid 闭环控制，控制方式多样，保护及报警功能完善，可以进行实时控制，内置 rs-232 通讯接口。本系列变频器是利用交流电动机的同步转速随电机定子电压频率变化而变化的特性，而实现电动机调速运行的装置。报警信号端子提供一对常闭触点和一对常开触点，三个端子都可以直接驱动继电器。这样可以实现对控制侧电动机的启动时过电流保护，过载保护和过电压保护等。变频器的容量选择应大与电机的容量以减少启动时电流的冲击，所以选择本系列变频器来控制小区供水。5.45.4 压力传感器的选择压力传感器的选择压力传感器选用 ps4 型压力传感器，该传感

24、器具有开关量与模拟量输出功能，传感器的测量范围为 0.3-0.8mpa, 其开关量输出可通过压力预置，当检测到的压力达到预置压力时开关闭合。通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成 420ma 的模拟信号，通过变频器内置的 pid 控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。6 6 软件设计软件设计6.16.1 软件模块化组成软件模块化组成为方便调试和编程，系统控制器采用模块化编程，主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块组

25、成。（1）手动运行模块当系统处于手动运行时，plc 只接收各电路保护信号和各传感器信号，并由此判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。水泵的起、停和切换由人工通过面板上的按钮和开关来实现。（2）自动运行模块 自动运行模块包括系统的初始化、开机命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。其中：数据采集子程序完成对主水管压力的数据采集。图图 6 6 电机控制子程序功能图电机控制子程序功能图控制量运算子程序完成变频器控制量的计算和控制量的输出，其中控制量的计算按 pid 控制规律进行。电机控制子程序完成对 3 台水泵的运行和停止控制。由于变频器的

26、输出频率与水泵的运转速度直接相关，用水量大时，变频器输出频率升高，水泵的运转速度大；用水量小时，频率降低，水泵的运转速度小。因此程序根据变频器的输出频率的大小就可以判断和控制水泵的工作状态。当频率上升到 50 hz(即水泵全速运转时)仍不能满足供水需要时，则 plc 自动将第一台泵切换到工频运行；第 2 台泵由变频器供电投入运行，如果第 2 台泵电机达到满转速时仍不能满足供水要求，则 plc 自动将第 2 台泵切换到工频运行，第 3 台泵由变频器供电投入运行，依此规律逐个投入运行；当 2 台泵都处于工频全速运行方式，第 3 台泵处于变频运行工作方式时，如果此时用水量减小，变频器输出频率下降，当

27、频率到达一定的下限 fmin时，供水量仍大于用水量，则系统自动将第三台泵停止运行。程序功能图如图 6 所示。变频器具有短路、过载等保护功能，当变频器所驱动的水泵。电机发生短路、过载等故障时，变频器将自动切断一次供电回路，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、断路器等元件的辅助触点接到 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数据存储区，再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析，判断设备或元件是否出了故障，如果发生故障，则切断该泵的接触器，然后对变频器复位，再将备用水泵的接触器接通，启动变频器运行备用泵，同时输出该泵故障报警信号。如电机故障指

28、示灯亮等4。6.26.2 主程序流程图与主程序流程图与 i/ i/ o o 分配表分配表主程序流程图可方便地描述整个控制过程且易于编写和修改。图 6 给出可编表表 1 1 i/oi/o 分配表分配表程控制器在变频供水系统中的流程图。在流程图中,利用plc 的输入/输出端来控制系统的恒压供小。利用主程序流程图可灵活地实现前面讲到的变频恒压供水控制过程。如图6 所示：i/o 分配表如表1 所示，本供水系统中我们所用了13 个输入及 10 个输出控制点。具体程序参考附录的梯形图。 输入输出x0停止y0变频器x11#手动y11#工频运行x22#手动y21#变频运行x33#手动y32#工频运行x4f 下

29、限y42#变频运行x5f 上限y53#工频运行x6p 上限y63#变频运行x7p 下限ya报警xa复位yd电机保护xc自动yb水位xd小位xe电机保护xf变频监控水位处理、水压检测pid 调节送出压力水压正常不足开启 1#进水阀、出水阀n1#水泵工频运行2#水泵变频运行水位处理、水压检测y启动开总进水阀、总出水阀调用水位检测子程序水位到1#水泵变频运行开启 1#进水阀、出水阀水位处理，水压检测pid 调节，送出压力水压足够？开启 2#进水阀、出水阀ynpid 调节，送出压力值水压正常开启 3#进水阀、出水阀不足2#水泵工频运行3#水泵变频运行过大故障处理y水压正常水位处理、水压检测图图 7 7

30、 主程序流程图主程序流程图7 7 供水系统调试供水系统调试7.17.1 转化时间的设置转化时间的设置为了确保变频器及泵机在变频器驱动与电网工频驱动切换过程中的安全，以及切换过程中水压波动小，因此在“变频”状态切换为“工频”状态时，应设定有一定的转换时间，此时间以 40-50ms 为宜。 “变频”切换为“工频”状态时，首先切断变频器输出，然后接通电网工频电源。7.27.2 切换原则切换原则程序首先从 0hz由变频器驱动第一台泵组，当频率上升到 50hz，水泵末达到设定水压时，经 3 分钟延时（期间频率保持在 50hz，若频率在 50hz不能保持 3 分钟，转化时间的设置则延时取消，延时从下次频率

31、上升到 50hz时计起）水压仍过不到设定的水压值，则 plc 控将第一台泵机从变频器驱动经转换时间后换到电网工频驱动，然后 plc 控变频器再从 0hz启动第二台泵机。 当水压大于设定值时，变频器输出频率逐渐降到 30hz，并使输出频率稳定在 30hz上保持 2 分钟，若在 2 分钟内水压仍大于设定值，则 plc 控将第一台工频驱动下的泵机切断电源停机，此后，水压下降，则快速拉升频率，变频器输出增加，使水压保持在设定的压力上，这样可充分提高水泵电机的效率，节约电能。 此后者水压达不到设定值，则第二台泵组从变频驱动切换到电网工频驱动，然后，变频器再从 0hz启动第一台泵组，依次循环后，确保两台泵

32、机在变频器与电网电压轮换驱动5。7.37.3 软件参数设置软件参数设置合理设置系统的采样周期和 pid 调节器的参数，确保系统水压波动小于0.01mpa。在程序增加泵/减泵的切换时，压力判断精度为 =0.01mp，水压值在设定值- 时，判断为加泵；水压值在设定值+ 时，判断为减泵。系统的采样周期过长，过短均会影响压力的稳定精度，本系统根据经验选定为 2s。对于三台 11kw 的水泵电机，此自动稳压供水系统水压可以在 0-0.7mpa任意设定。为了提高水泵电机的工作效率，节约电能，plc 控制变频器输出的最小频率为 30hz，程序中设有水位检测保护报警，超压检测保护与报警功能。当水压测量值大于设定值 0.1mpa 时为超水压状态。8 8 结论结论变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。采用plc 作为控制器，硬件结构简单，成本低，系统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。总之，以 plc 为核心的变频调速控制系统，功能完善，运行稳定，可靠性高，