基于PLC的变频恒压供水系统设计

摘要随着科学技术的迅速发展,传统供水方式存在着出水量时大时小、耗能大的各种缺点日益突显。为了提高供水质量,随着科学技术的迅猛发展,我们的设备也随着更进，我搜索文献学习后设计了一种基于PLC的恒压供水系统,它及先进的自动化控制技术、变频调速技术、以及通信技术为一体,采用PID闭环控制的方式大大提高供水的稳定性及可靠性。该系统的基本原理是用压力传感器检测管网中的水压，把测得的压力传入到PLC内部的PLD模块后进行计算，得出偏差信号再进行调整输出频率，从而调节水泵的转速，使得管网的水压稳定在设定值。关键词：PLC恒压供水变频调速

DesignofConstantPressureWaterSupplySystemBasedonPlcAbstract：Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,thetraditionalwatersupplymethodisunstable,energyconsumptionandothershortcomingsbecomeincreasinglyprominent.Inordertoimprovethequalityofwatersupply,thispaperdesignsaconstantpressurewatersupplysystembasedonPLC.whichintegratesadvancedautomaticcontroltechnology,frequencyconversionspeedcontroltechnologyandcommunicationtechnologyinone,usingPIDclosed-loopcontrolmode,greatlyimprovingthewatersupplystabilitySexandreliability.ThebasicprincipleofthesystemistousethepressuresensordetectsthewaterpressureinthepipenetworkandfeedsbackthemeasuredpressuretothePLCinsidethePIDmoduletocalculatethedeviationsignaltoadjustthefrequencyoftheinverteroutputfrequency,thusadjustingthepumpspeed,Sothatthepipenetworkpressurestabilityinthevicinityofthesetvalue.Keyword：PLC，ConstantPressureWaterSupply，FrequencyControl

目录1引言 12恒压供水系统的选择 2TOC\o"1-2"\h\z\u3PID控制 34恒压供水系统的特性分析 45PLC恒压供水系统设计方案 55.1信号检测 55.2PLC恒压供水系统的主要控制部分 56系统的整体设计及工作原理 66.1变频恒压供水系统硬件设计 86.2变频恒压供水系统软件设计 117供水系统的分类 147.1无负压 147.2供水系统无塔 167.3供水系统超静音 187.2供水系统屏蔽式 197.2供水系统双模变频 19结语 22致谢 23参考文献 241.引言在我们的日常生活中，供水系统在用水需求较高时，供水管道中的水压会出现下降的情况，不能再满足用户的生活需求；用水量较低时，供水管道中的水压将升高，远超出了用户的需求，这种情况不仅浪费珍贵的水能源，而且还会对供水管道及用水设施造成损坏。供水系统中压力调节的方法相对较少，普遍使用水塔二次供水或者频繁启停电机等方法进行调节。水塔二次供水投入的资金比较多，场地需求大，容易出现故障；频繁启停电机会消耗大量电能。本次设计综合考虑目前供水系统在实际应用中的一些弊端，供水系统以高效节能、供水稳定为前提，选用PID闭环控制的方式，提高了系统的精确度。为了保证各设备运行安全，使用了上位机对系统进行监测。其工作原理融合了利用变频技术、PLC和压力传感器，完成水泵在变频电源与工频电源之间的自动转换，使管网内的压力稳定在设定值附近，从而达到恒压供水的效果。

2.恒压供水系统的选择目前变频恒压供水设备电控柜的主要控制方式有：逻辑电子电路控制方式这种控制电路很难做到水泵机组全部启动、全流量变频调节，主要采用一台泵固定于变频状态，其余泵为工频状态的工作方式。因此，控制精度需求低、水泵工作状态切换时水压波动大、调试相对麻烦、工频泵起动关闭时有冲击、抗干扰能力弱，但其经济成本低。单片微机电路控制方式这种控制电路对于逻辑电路相对简单，但在不同管网、不同供水情况下，调试较麻烦；追加功能时通常要对电路进行修改，不灵活且不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都低于平均水平。带PID回路调节器或利用PLC系统的控制方式该方式变频器的主要作用是为电机提供可变频率的电能。实现电机的无级调速，从而使管网内水压连续发生变化。

3.PID控制比例控制、积分控制、微分控制简称PID控制，是我们日常生活中运用最广泛的一种控制方法。当我们不了解一个系统或控制对象时，用PID是最合适的。它是根据控制过程来确定PID控制器的PID比例系数和控制时间。控制器参数分为两大类：(1)计算机整定法它主要是依据系统的计算来选择控制器参数，这种方法获得的计算数据不能直接使用，还需要通过实际情况进行调整。（2）工程整定法它主要根据工作实际情况，直接在控制系统边实验边工作，方法简单易懂，在我们的生活实际中常常有着广泛应用。他们的共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行调整。值得一提的是采用任何方法得出的数据，都需要在实际运行中进行调整，以确保工作时的安全。

4.恒压供水系统的特性分析在供水系统网管中，阀门开度保持某一数值不变的情况下，供水系统中水泵在某一转速下扬程与流量两者保持反比例关系，即扬程越大，流量就越小。在可以保证阀门开度和水泵转速保持恒定值不变的情况下，我们就可以与居民实际用水量联系起来，一样的只有保持水泵转速恒定，对管阻特性进行观察才会具有意义。所谓管阻特性即指的是在阀门开度恒定的前提下，扬程α与流量Β之间存在的函数关系α=f(Β)。这样就确保了供水效率居民对水压的需求和供应，同时也提升了供水品质和供水效率的双重目的。

5.PLC恒压供水系统设计方案PLC恒压供水系统是由PLC控制器、变频器、水泵机组等部分组成，系统在PLC的控制下，可以对多台水泵机进行循环控制，从而能够对整个供水管网的水压进行控制，在变频器的作用下实现对输出频率和电机转速的绝对控制，保证供水管网始终运行在设定值范围内。系统的主要设计思路为：5．1信号检测信号监测对恒压供水系统的特性进行了一定的分析，供水系统需要对管网实时运行状况进行监测，信号主要包括传感器的压力信号、差压变送器的液位信号及PLC的报警信号3种。压力信号是通过压力传感器收集到的信息，该信号能够提供当前整个供水管网中的压力值，从而实现实时监测，让我们能有一个更好的判断。该信号是通过PLC模拟量传输通道进行传输得到的；模拟信号是由差压变送器获得的，该信号主要表示水管网内的液位值，对于整个供水系统而言，该信号使用最多是控制进水管网在无水抽空的情况下起到一定保护作用，避免严重事故的情况发生。这一模拟信号同样是通过PLC模拟量输入端处进行传输的；报警信号是通过变频器、传感器、变送器这3个部件共同获取的，该信号主要是用来显示系统是否是正常工作状态。5．2PLC恒压供水系统的主要控制部分PLC恒压供水系统的主要控制部分主要包括PLC、变频器和电控设备。其中PLC是整个供水系统的控制关键，主要是用于获取整个系统运行过程中的各种重要信号，根据监控信号来实现对供水系统运行状态的改变，在变频器的作用下调整供水系统中水泵机组运行状态以便进行及时调整；恒压供水系统中的变频器主要作用是对水泵机组进行控制，其内置的PID功能可以对PLC信号进行实时检测，从而保证水泵频率工作在正常范围内。

6.系统的整体设计及工作原理该系统的设计目标是为了达到居民生活用水的需求，因此研究的对象是流量，但水泵将水上扬的高度反应了流量的大小，对它进行严格的观察和检测并不容易完成。当系统供水时，管网中的水压大小取决于供水量和用水量的大小。在供水量大于用水量的时候，供水管道中的水压将会增高，在供水量小于用水量的时候，供水管道中的水压将会下降，在供水量等于用水量的时候，则供水管道中的水压保持不变。所以，在控制流量时，我们将水压作为控制的参照变量。控制系统结构如图6.1所示。图6.1控制系统结构图系统采用基于PLC系统设计的变频恒压供水方式，用三个水泵的循环运行的方式以及水泵在变频电源和工频电源之间的转换的工作来完成恒压供水的整个过程，1泵和2泵为主要供水泵，3泵作为备用的水泵。其控制流程图如图6.2所示。图6.2控制系统结构图

该系统使用了PLC的PID闭环控制方式，利用压力传感器测量出管道中水压，然后将压力转变为电信号，再反馈到控制器，经过计算得出结论，运用变频器来改变水泵的转速；在居民用水量增加时，供水管道中的水压小于初始压力设定值，此时变频器的输出频率会变大，从而提高水泵的转速，增加供水量，当1泵的转速达到最大值且供水管道中的水压小于初始压力设定值时，1水泵将由变频状态自动切换至工频状态下工作，此时2泵变频工作，若管网的水压大于初始压力设定值，2泵转速下降，频率减小，当减小到最低值时管网压力依旧大于压力设定值，1泵停止工作，2泵变频工作，在管网水压快要达到初始压力设定值时，水泵转速的变化开始减速直到停止，以使供水管道中的水压恒定在初始压力设定值上，供水压力保持平稳。6.1变频恒压供水系统硬件设计广泛此设计的初心主要是解决高层居民的用水需求,它的高性能、成本低、节能、环保等特点大大提高了它的适应性,适用范围。可以用于工厂供用水，为消防灭火供水，或更为复杂的民用供水。系统采用的是一对多的设计原理,及一台变频器不同时间不间断控制三台水泵。系统具有PLC智能控制单元,实现了全自动系统控制,自动的信息数据扫描更新功能,使系统设备达到最合理的分配。有效地控制实现三个水泵的工作状态、电压频率、转动速率等性能的控制。操控系统的运行方式包括手动控制和CPU自动控制。图6.11供水系统原理图

(1)手动方式:可以随时开启或停止三台水泵中的任意一个,可以变换水泵的工作方式,也可以改变在变频状态下水泵的工作频率,但值得注意的是同一时刻系统中三台水泵中只能有一台水泵处于变频状态运行。由于设备的原因，手动方式不能保证出水管网压力的稳定,所以必须需要进行人为的调整。手动方式主要用于:初期系统设计的性能测试;工作中的检修和突发紧急情况下对水泵的控制等。系统正常工作状态下主要采用PLC自动方式运行,自动方式下供水系统保持高度的自动化。在该方式下按下启动控制键,系统将自动调整初值,并且根据实际用水量的多少自动调节水泵的转速和变化运行水泵的数量,这种方式可以提高我们的效率,最大限度地保证每台水泵在最优配置的状态下工作。该设计中包含专用的故障检测排除系统,不间断的扫描检测设备的工作情况和各环节之间的运行情况,一旦出现异常,立即通过显示屏输出报警信息和故障分析报告,控制系统更具问题的影响程度,做出相应的应急动作,如果故障直接影响系统的安全运行,系统CPU将立刻发出控制信号,停止系统的运行对系统做到及时、有效的保护。手动控制连接如图6.12所示。图6.12手动控制连接图6.2变频恒压供水系统软件设计控制方式分为手动控制和自动控制两种：手动控制方式是通过PLC人工手动操作调试按钮完成对各类设备的控制,手动控制可以看做变换三个电机的工作状态,没有逻辑限制,不需要考虑压力传感器的反馈信号。自动控制方式是指供水系统通过对外部传感器检测到的情况进行分析,以此操控控制设备的开/关、调速、切换等闭环控制。由压力传送设备反馈水位具体值,然后把数据转变为0～5V的电压值传递给控制器扩展端进行转换,将再其转换成数字信号,然后输出给控制器PLC数字信号，在控制器中经过存储、分析、对比等过程产生最终的设定值与实际值之间的偏差,电源频率通过偏差值来调节,从而使得频率输出发生改变,使得电动机的工作得相应控制,最终实现整个供水系统的自动调节,使系统在运行中不间断地采集数据、处理和系统调节的过程。启动程序,开始执行调用库内自带数据库和函数,完成PLC与其他外围设备的数据通信检测。为保护系统的设备能在程序的控制下安全有效执行每个动作，在系统运行中及时进行危险系数评估和检修是非常有必要的。若程序检测到硬件系统工作异常,及时将故障信息输出至显示屏，显示屏上将提示有关信息，我们就可以根据提示信息轻松地发现问题并及时解决，维持系统的安全工作。通过系统对外部水压值与程序初始设定值的差值，对系统中水泵的工作电源频率进行调整，使系统的恒压供水量能力始终稳定在允许的工作范围内。系统运行主程序如图6.21所示。图6.21系统运行主程序流程图

7.供水系统的分类对供水体系的功能而言，整个供水体系应满足用户对水质、水量和水压的需求只是基本要求。除此之外，整个的基建进程和出产运转过程中中还需要基建投资少，运转费用低，操作办理便利等以满足生活实际需求，正确挑选供水体系就显得十分重要。影响供水体系挑选的因素有很多，主要有当地地区未来趋势安排、地形情况、用户对供水体系的需求和水种的复杂考虑。上述要素的多样性，供水体系能够有各种不一样的组成方式。如果符合卫生需求的深层地下水作水源，为工厂或消防供水，则不需求净化处置，仅缔造取水和翰配水工程即可，如果江河水作为居民生活用水的水源时，碳钢无塔供水设备则需求取水、净化和畅配水等进程，以满足卫生要求。在选择供水过程中，非常有必要根据具体情况，挑选合理的供水体系。供水系统一般由水泵机组，变频控制柜，隔膜压力罐，压力传感器和一些辅件构成。由于类型的不同，也会使用一些特殊的设备。由于构成的不同，价格也不近相同。市场上流行的供水设备，可以根据其类型的不同分为：无负压供水设备，无塔变频供水设备，双模变频供水设备，家用一体式供水设备，数控气压式供水设备和超静音管中泵变频供水设备等。7.1无负压传统的供水方式离不开蓄水池，蓄水池中的水一般由自来水管网供给，这样，原来有压力的水进入水池后压力变小甚至没有，然后从零开始加压，这样就需要大量的电力能源。TSWG通用型无负压变频供水设备，是一种理想的节能供水设备，它是一种能直接与我们生活自来水管网连接，对自来水管网不会产生任何污染的二次供水设备，在市政管网压力的基础上直接叠压供水，节约能源，并且还具有全封闭、无污染、占地量小、安装快捷、运行可靠、维护方便等优势。设备原理无负压供水设备充分利用自来水管道内本身的压力，在同样供水需求的情况下，可以选用功率相对较小的水泵及控制设备，同时在用水需求小的情况下利用自来水水压直接供水而无需起动水泵。相比较于传统的带水池的供水设备可节约大量的电能运行成本及经济成本。设备特色1、直接与自来水管网串联联接，经济成本低，与其它供水设备比较，可节约设备经费一半左右。

2、充分利用管网原有压力，只对水压缺乏有些弥补加压，与一般变频供水设备比较，可节电50﹪以上。

3、不会出现漏水现象，环保节水。

4、彻底解决水池、水箱的二次污染问题，安全干净。

5、停电时可由自来水原有压力照旧供水，不会给居民带来压力。

6、施工方便省时，占地面积小，机电一体化，设备便利，故设备运转毛病率低，修理工作量小，安稳牢靠，寿命长，易于处理。

8、充分利用电子防负压设备的智能操控功用，可满足居民的各种用水需求。

9、压力罐有过流、缺相、过压、欠压、缺水等多种维护功用，不易损坏。产品特点1、节省投资50%左右，无需修建蓄水池或屋顶水箱，采用叠压供水，减小设备初期投入。2、高效节能，运行成本低，可充分利用市政管网供水压力，差多少、补多少、不产生负压、与传统供水设备相比可节能30%—90%。停电也能持续供水。3、智能化程度高，操作简单，节省人力，该设备由全自动智能化控制器控制，自行根据用户的用水量和管网的自来水压力进行调节，实行无人值守。并且采用人机界面显示，使我们可以更加直观的看到设备的运行情况。4、环保卫生:设备全封闭运行，没有二次污染的忧患。适用范围1、高层建筑、居民小区、别墅等居民生活用水。2、企事业单位、宾馆、商场，桑拿浴、餐厅医院、学校、体育馆、机场等场所的日常用水。3、生产制造、洗涤装置、食品工业、工厂、工矿的生产用水。4、对其他老旧供水设备的改造。7.2供水系统无塔TSGS变频无塔供水设备是将交流变频调速技术和微机控制技术应用于水泵自动控制设备之中，并与水泵机组相结合的机电一体化的供水装置。其核心设备交流变频调速控制柜融合了先进的微机控制变频调速技术，先进的微机控制PID调节技术和先进的微机可编程控制器等国际上先进技术。本设备是跟据供水管网中瞬时变化的压力和流量参数，自动改变水泵的台数和运行转速，实现恒压变量供水的闭环调节，从而达到提高公司质量和高效节能的作用。设备原理变频供水设备的基本工作原理是根据用户用水量变化自动调节运行水泵台数和一台水泵转速，使水泵出口压力保持恒定。当用户用水量小于一台水泵出水量是，系统根据用水量变化有一台水泵变频调速运行，当用水量增加时管道系统内压力下降，这时压力传感器把检测到的信号传送给微机控制单元，通过微机运行判断，发出指令到变频器，控制水泵电机，使转速加快以保证系统压力恒定，反之当用水量减少时，使水泵转速减慢，以保持恒压。当用水量大于一台泵出水时，第一台泵切换到工频运行，第二台泵开始变频调速运行，当用水量小于两台泵出水量时，能自动停止一台或二台泵运行。在整个运行过程中，始终保持系统恒压不变，使水泵的工作始终高效率，既保证用户恒压供水，又节省电能。且设备不需配备专职操作人员。产品特点1、经济效益显著：使用该设备，可不建造水塔、不设楼顶水箱，既减少工程的施工周期，又解决了工程造价费用高的缺点，还克服了气压波动大，水泵启动频繁等不足之处。2、设计严谨：该设备采用水泵变频恒压控制，无论系统用水量怎样变化，均能使管道出口压力保持恒定。3、错误率低：该设备采用变频调速器，具有完善的保护功能和自动、手动转换功能，使运行非常可靠。并且性能良好、控制方式灵活、抗干扰能力强4、高效节能：该设备能根据用户用水量的变化来调节水泵转速，使水泵始终工作在高效区，节电效果明显，省电省力。5、操作简单：该设备采用全自动控制，PID调节，键盘操作，文本数字显示。操作人员只需转换电控柜开关，就可以实现用户所需工况，实现全自动无人值守。适用范围1、有水池的高层建筑、宾馆、学校、城镇居民小区、企事业单位、新农村建设农村的生活用水。2、工厂、工矿企业的生活或者生产用水。3、各类水厂、供水站、污水废水厂、农业排灌站等供排水。4、高楼、小区、企事业单位热水集中供水。5、对生产、生活中的冷却水、循环水的加压。6、油田输油管道、油库、油站等的恒压输油。7.3供水系统超静音TSJG超静音管中泵无负压变频供水设备是在普通型无负压供水设备的基础上推出的新型供水设备。除具有普通型无负压供水设备的所有功能特征外，环保卫生，无噪音不扰民。该电机选用全不锈钢充水式电机，对水质绝无任何污染，没有二次污染。设备结构形成一个密闭系统，因此运行无噪音、水质无污染。不难看出将成为二次增压供水前景最宽广的设备之一。产品特点1、节省投资：该设备无须水池、水箱等储水设施，也可无须专用泵房，节省占地面积，减少建筑费用。2、超静音优势：该设备具有先进的防振和消音功能，超静音平稳运行，无水锤、电机运行等噪音污染。3、高效节能：该设备能与自来水管网直接串接，设备只对自来水的进水压力和所需压力的差进行补压，当自来水压力满足要求时设备停止工作，全部由市政压力直供。4、停电不断水：供电线路停电时，能自动切换为市政自来水压力供水，维持自来水管网原有压力。5、造型美观，设备不易损坏。7.4供水系统屏蔽式TSPG超静音屏蔽式无负压变频供水设备是在普通型无负压供水设备的基础上研制开发的新型供水设备。它不仅具备了无负压供水的所有功能特征，而且更具有其独到的特点：1、运行超静音2、结构一体化。该设备的屏蔽式不锈钢水泵机组完全置于密闭的屏蔽式不锈钢稳流罐中，使无负压供水机组的运行状态达到超静音效果。产品特点1、节省投资:该设备采用一体化设计，结构紧凑。与普通无负压变频供水设备相比，可节省50%以上的占地面积。2、双级屏蔽，超静音：该设备集水泵机组、无负压稳流罐为一体，将屏蔽电泵机组内置于稳流罐中实现两级屏蔽，使工作过程中产生的噪音被最大限度的消除吸收，到达超静音效果。7.5供水系统双模变频双模变频供水设备是我公司在原有通用型水池式变频供水设备和无负压管网叠压变频供水设备基础上开发出来的最新智能化供水设备。它把水箱式变频供水设备和无负压管网叠压变频供水设备巧妙地结合在一起，实现了真正意义上的高效、节能、环保、运行可靠、用水高峰不断水、停电可维持自来水水压供水等优点，把二次供水设备的技术水平提升到了一个新的高度。产品特点1、双模式供水:具有水池（水箱）式变频供水设备和无负压管网叠压变频供水设备两种模式供水，可根据自来水进水压力及流量自动切换，此种运行方式不但避免了市政管网负压的产生,并且保证了供水的连续性,这个功能是通用型无负压供水设备无法做到的。2、高效节能，运行成本低∶可充分利用市政管网供水压力，差多小，补多少，不产生负压，与传统水池（水箱）式变频供水设备相比可节能30%~90%。3、定时换新功能：控制系统定时对水池（水箱）中的水自动进行换新，以保持水池（水箱）中的水的新鲜程度。4、运行可靠：停电可维持市政管网水压供水；当用水高峰或自来水停水时，由水池（水箱）供水，大大提高用户用水的可靠性，完全符合自来水供水规范。5、保护功能齐全：具有完美的过载、短路、过压、欠压、缺相、过流、短路、水源缺水等自动保护功能。在异常情况下能进行信号报警、自检、故障判断等。6、占地少安装方便：整套设备只有一组供水控制柜和水泵机组，安装非常简单方便。7、延长设备的使用寿命：对泵组均能可靠的实现软启动，使电网和管网免冲击，并且轮流运转，大大延长了水泵及电机的使用寿命。