基于plc的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于PlC的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)訃（恒壓供水系統(tǒng)的原理及電氣控制要求。PIC在機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用和工作原理。西門子變頻 器的工作原理440。PlC編程原理及程序設(shè)計(jì)方法。電器原理圖，接線圖。）一. 恒壓供水系統(tǒng)的原理1. 系統(tǒng)介紹生產(chǎn)生活中的用水量常隨時(shí)間而變化，季節(jié)、晝夜相差很大。用水和供水的不平衡集中 體硯在水壓上，用水多而供水少則水壓低，用水少而供水多則水壓高。以前大多采用傳統(tǒng)的 水塔、高位水箱或氣壓罐式增壓設(shè)備容易造成二次污染，同時(shí)也增大了水泵的軸功率和能 量損耗。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)廣泛應(yīng)用于送水泵站、加壓站、工業(yè)給水、 小區(qū)和髙樓供水等供水等領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)的技術(shù)而言，它具

2、有Tj能效益明顯、保護(hù)功能完 善、控制靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是:采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝苣與可編程控制器（PLC）構(gòu)成 控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉 環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)泄供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是總管的 出水壓力及系統(tǒng)設(shè)立的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，英差值輸入CPU運(yùn) 算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行變量泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到 給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水系統(tǒng)由PLC控制器，變頻器，觸摸屏顯示器，壓力變送器，水位變送器，軟 啟動(dòng)器，水泵電機(jī)組，電機(jī)

3、保護(hù)裝程以及其他電控設(shè)備等構(gòu)成，如圖1所示。圖1恒壓供水系統(tǒng)示意圖2. 系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)采用了 S7-200型PLC（14個(gè)輸人點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)）、MM440型變頻器、壓力傳感器及其他控制設(shè)備。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。圖2系統(tǒng)構(gòu)成圖壓力傳感器將用戶管網(wǎng)水壓信號(hào)變成電信號(hào)(4 一 20mA),送給變頻器內(nèi)部PID控制器, PlD控制器根據(jù)壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行PID運(yùn)算，并給出信號(hào)控制水泵電動(dòng)機(jī)的電 壓和頻率。當(dāng)用水量較少時(shí)，1#泵在變頻器控制下變頻運(yùn)行。如需水量加大，壓力傳感器在 管網(wǎng)端測(cè)的水圧偏小，則變頻器輸出頻率上升，直到50Hz。這時(shí)1#泵由變頻切換為工頻運(yùn) 行狀態(tài)。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)2#泵進(jìn)行變頻

4、起動(dòng)和調(diào)肖。如果兩臺(tái)泵供水仍不能滿足供水要求，則 系統(tǒng)將2#泵投人工頻進(jìn)行，將3#泵投人變頻運(yùn)行。供水量增大，加泵情況依次類推。如用 水量減少，變頻器的頻率會(huì)下降。當(dāng)變頻器頻率下降至下限值時(shí)，PLC將最先工頻運(yùn)行的 水泵停掉如果頻率下限值仍持續(xù)出現(xiàn)，PLC再停止第2臺(tái)工頻運(yùn)行的水泵。系統(tǒng)按先開起 的泵先切除的順序逐臺(tái)切換泵，以維持管網(wǎng)水壓恒定。3. 系統(tǒng)原理系統(tǒng)控制原理結(jié)構(gòu)如圖3:壓力傳感器從供水管網(wǎng)反饋電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大 后送到s7-2的模擬輸入口，與給左的供水壓力信號(hào)比較形成壓力偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC (s7-200) PID模塊Pl調(diào)步后發(fā)出控制電壓信號(hào)，送到變頻器MM440的

5、模擬電壓信號(hào)與連 接到變頻器MM440的三相交流電的頻率一一對(duì)應(yīng)，調(diào)節(jié)控制電壓信號(hào)就可以凋W三相交流 電的頻率。系統(tǒng)是以供水管網(wǎng)的供水壓力為控制對(duì)象而構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是按照 三個(gè)電機(jī)就可以完全滿足供水要求。圖3系統(tǒng)閉環(huán)控制原理框圖系統(tǒng)中采用了數(shù)字PID控制技術(shù)，使PlD的參數(shù)整定和調(diào)整實(shí)現(xiàn)在線控制，通過(guò)對(duì)系 統(tǒng)壓力的檢測(cè)，根據(jù)水壓的大小使系統(tǒng)分時(shí)操作。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)了快速、穩(wěn)泄的輸岀。將管網(wǎng)的 實(shí)際壓力經(jīng)反饋后送到比較器的愉人端與給左壓力進(jìn)行比較，當(dāng)管網(wǎng)壓力不足時(shí)，通過(guò)對(duì)參 數(shù)運(yùn)算，調(diào)整PID的參數(shù)，控制電壓上升，使頻率相應(yīng)增大，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量加大, 近而使管網(wǎng)壓力上升。反之，水泵轉(zhuǎn)

6、速減慢，供水量減少，近而使管網(wǎng)壓力下降，如果單泵 在調(diào)節(jié)范國(guó)內(nèi)不能達(dá)到管網(wǎng)壓力要求時(shí)，可以依靠增加或減少水泵數(shù)量來(lái)保持怛壓供水的穩(wěn) 定。二、系統(tǒng)構(gòu)成及控制原理系統(tǒng)由西門子變頻器MM440、3臺(tái)供水水泵、可編程控制器西門子S7 - 200及主控開關(guān) 等組成。變頻器是調(diào)速核心設(shè)備.其主要作用是通過(guò)改變輸岀電源頻率而對(duì)電機(jī)、水泵實(shí)現(xiàn) 無(wú)級(jí)調(diào)速,達(dá)到隨用水量變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速.使管網(wǎng)保持恒壓的目的?？删幊?控制器為控制系統(tǒng)主控器件.控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行1#泵、2#泵、3#泵3臺(tái)泵將輪換循環(huán)作變 頻泵變頻運(yùn)行，從而每臺(tái)泵的工作時(shí)間與休息時(shí)間都大致相同，每臺(tái)泵都有充足的休息時(shí) 間，降低了設(shè)備的故障率

7、。同時(shí)可切換3臺(tái)水泵至市電直接供電運(yùn)行，3臺(tái)泵輪換循環(huán)方式下 所示：1#泵變頻（3#泵工頻備自投）Jg2#泵變頻（1#泵工頻備自投）亠巴3#泵變頻（2#泵工頻備自投）一J斗 1#泵變頻（3#泵工頻備自投）。3臺(tái)水泵電機(jī)分別為M1、M2、M3. WVF為西門子變頻器MM440.接觸器KM1、KM3、KM5分別 控制MrM2,M3的變頻運(yùn)行,KM2、KM4、KM6接觸器分別控制M1、M2、M3的直接市電供電運(yùn)行,KHI、 KH2、KH3分別為控制3臺(tái)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器,QF1、QF2、QF3、QF4分別為變頻器 和3臺(tái)水泵電機(jī)主電路的空氣開關(guān)。系統(tǒng)控制原理線路圖如圖4。9PLC控制的恒壓

8、供水泵站實(shí)例以下介紹一個(gè)三泵生活/消防雙恒壓無(wú)塔供水的實(shí)例。如圖5所示，市網(wǎng)自來(lái)水用高低水 位控制器EQ來(lái)控制注水閥YVl,自動(dòng)把水注滿儲(chǔ)水水池，只要水位低于高水位，則自動(dòng)往水 箱注水。水池的高/低水位信號(hào)也宜接送給PLC,作為低水位報(bào)警。為了保證供水的連續(xù)性, 水位上下限傳感器髙地距離較小。生活用水和消防用水共用三臺(tái)泵，平時(shí)電磁閥YV2處于失 電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺(tái)泵根據(jù)生活用水的多少，按一左的控制邏借運(yùn)行，使生活供水 在恒壓狀態(tài)（生活用水低恒壓值）下進(jìn)行。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電磁閥YV2得電，關(guān)閉生活用 水管網(wǎng)，三臺(tái)泵供消防用水使用，并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用 水高

9、恒壓值）下進(jìn)行。火災(zāi)結(jié)朿后，三臺(tái)泵再改為生活供水使用。對(duì)三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是：（1）生活供水時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)保持低恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)系統(tǒng)應(yīng)保持髙恒壓值運(yùn)行。（2）三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要，采取“先開先?！钡脑瓌t接入和退岀。（3）在用水量小的情況下，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3h,則要切換下一臺(tái)泵， 即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。（4）三臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)都要有軟啟動(dòng)功能。（5）要有完善的報(bào)警功能。（6）對(duì)泵的操作要有手動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。二、控制系統(tǒng)的I/O及地址分配根據(jù)圖5及以上控制要求統(tǒng)訃控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào)的爼稱，代碼及地址編號(hào)如表1

10、 所示。水位上下限信號(hào)分別為10.1、10.2,它們?cè)谒蜎](méi)時(shí)為0,露出時(shí)為1。表1輸入/輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào)名稱代碼地址編號(hào)輸入信號(hào)于動(dòng)和自動(dòng)消防信號(hào)SAI10.0水池水位下限信號(hào)SLL10. 1水池水位上限信號(hào)SLH10.2變頻器報(bào)警信號(hào)SU10.3消鈴按鈕SB910.4試燈按鈕SBIO10.5遠(yuǎn)程壓力表模擬址電壓值UPAIWO輸出信號(hào)坤泵工頻率運(yùn)行接觸器及抬示燈KMl, HLlQ0. 0坤泵變頻率運(yùn)行接觸器及指示燈KM2, HL2Q0. 124泵工頻率運(yùn)行接觸器及指示燈KM3, HL3Q0. 22#泵變頻承運(yùn)行接觸器及指示燈KM4, HL4Q0. 33#泵工頻率運(yùn)行接觸器及指示燈KM5,

11、 HL5Q0. 43#泵變頻率運(yùn)行接觸器及指示燈KM6, HLeQ0. 5生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥YV2Ql. 0水池水位下限報(bào)舍指示燈HL7Ql. 1變頻器故障報(bào)警抬示燈HLSQl. 2火災(zāi)報(bào)警指示燈HL9Ql. 3報(bào)瞥電鈴HAQl. 4變頻器頻率復(fù)位控制KAQl. 5控制變頻器頻率用電壓信號(hào)UrAQWO三、PLC控制系統(tǒng)選型從上而分析可知，控制系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點(diǎn)6個(gè)，開關(guān)量輸出點(diǎn)12個(gè)：模擬量輸入點(diǎn)1 個(gè)，模擬量輸岀點(diǎn)1個(gè)。如果選用CPU224PLC,需要擴(kuò)展單元：如果選用CPU226PLC,則價(jià) 格較髙，浪費(fèi)較大。參照西門子S7-200產(chǎn)品目錄及市場(chǎng)實(shí)際價(jià)格，選用主機(jī)為CPU222(8

12、入/6繼電器輸出)一臺(tái)，加上一臺(tái)擴(kuò)展模塊EM222 (8繼電器輸岀)，再擴(kuò)展一個(gè)模 擬疑模塊EM235 (4AI1AO),這樣的配宜是比較經(jīng)濟(jì)的。整個(gè)PLe系統(tǒng)的配置如圖6所示。圖6 PLC控制系統(tǒng)組成四、電氣控制系統(tǒng)原理圖(1)主電路圖圖7所示為電控系統(tǒng)主電路。三臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別為Ml、M2、M3O接觸器KM1、KM3、KM5 分別控制Ml、M2、M3的工頻運(yùn)行;接觸器KM2、KM4、KM6分別控制Ml、M2、M3的變頻運(yùn) 行，F(xiàn)R1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4 分別為變頻器和三臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)主電路的隔離開關(guān)；FUI為主電路的熔斷器，VV

13、vF為簡(jiǎn)單的一般變頻器。圖7電氣控制系統(tǒng)主電路控制電路圖圖8所示為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置時(shí)為手 動(dòng)控制狀態(tài)：打在2位置時(shí)為自動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕SBrSB8控制三臺(tái)泵的起 /停和電磁閥YV2的通斷：自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。圖中的HLlo為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位時(shí)只提供一個(gè)干觸點(diǎn)信 號(hào)，由于PLC的4個(gè)輸出點(diǎn)為一組，共用一個(gè)CoM端而本系統(tǒng)又沒(méi)有剩下單獨(dú)的CoM端輸出組, 所以通過(guò)一個(gè)中間繼電器KA的觸電對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。圖中的Q00Q0. 5及QlO、Q15 為PLe的輸出繼電器觸電它們旁邊的4.

14、 6、8等數(shù)字為接線編號(hào)，可結(jié)合圖9一起讀圖。N L圖8電氣控制系統(tǒng)控制電路PLC外圍接線圖圖9所示為PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖?；馂?zāi)時(shí)，火災(zāi)信號(hào)SAI被觸動(dòng)，10.0為1。本設(shè)計(jì) 方案在實(shí)際使用時(shí)還必須考慮許多英他因素，這些因素主要包括： 直流電源的容量。 電源方而的抗干擾措施。 輸岀方而的保護(hù)措施。9系統(tǒng)保護(hù)措施NH aI-46830 12 J4固何血金1圓固血矗1圖回固IlnD閔CU(2 ?CT冋04OS PrlLI2刃 VACCPueaeZ4 IK囤固金!圖圖回 ICTO1UD可0.3題d血何固畫血血他圖他03 ESQQD ESEa Q3B3QQi QS E3EM322EM235EI3

15、EE EfliES B QD EEIE EQ EEiEl3 血血血型血血型型壘!血K LBLD4W(h6hEmncjJEH EirrrnIKlEaEaEgE3K3224 26i i9SMH4圖9控制系統(tǒng)PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線五、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)硬件連接確泄之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合系統(tǒng)控制要求，對(duì)軟 件設(shè)計(jì)分析如下：1、由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理前邊已經(jīng)說(shuō)過(guò)，為了恒泄水壓，在水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在 一臺(tái)泵工作不能滿足恒壓要求時(shí)，需啟動(dòng)第二臺(tái)泵或第三臺(tái)泵。判斷需啟動(dòng)新泵的標(biāo)準(zhǔn) 是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)左的上限值。這一功能可通過(guò)比較指令實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻

16、器工作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況，在程 序中考慮采用時(shí)間濾波。2、多泵組泵站泵組管理規(guī)范由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)均為軟啟動(dòng)，又規(guī)迫各臺(tái)水泵必須交替 使用，多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有管理規(guī)范。在本設(shè)計(jì)中，控制要求中規(guī)定任意一臺(tái)泵 連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過(guò)3h,因此每次需啟動(dòng)新泵或切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵 為合理方案。具體操作時(shí)，將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻泵從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行, 將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作 循環(huán)控制，本設(shè)計(jì)中使用泵號(hào)加1的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制(3再加1等于零)，用 工頻泵的

17、總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。3、程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn)PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的功能較多，由于模擬量單元及PlD調(diào)肖都需要編制初始 化及中斷程序，本程序分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。邏輯運(yùn)算及報(bào)警處理等放在主程序中，系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中 完成，這樣可節(jié)省掃描時(shí)間。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的左時(shí)采樣及輸出控制。 生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)左值為滿量程的70%,消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)泄值為滿量程的90虬在本系 統(tǒng)中，只是用比例(P)和積分(I)控制，苴回路增益的時(shí)間常數(shù)可通過(guò)工程計(jì)算初步確左, 但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果。初步確左的增益和時(shí)間常數(shù)為：增益K=Q. 25采樣時(shí)間監(jiān)二0. 2s積分時(shí)間體71=30Din程序中使用的PLC元器件及功能如表2所示。表2：程序中使用的PLC元器件及功能器件地址功能器件地址功能VDlOo過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T38工頻泵減泵濾波時(shí)間控制VDIO4壓力給定值T39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VrDIOSPI計(jì)算值MO. 0故障結(jié)束脈沖信號(hào)VrDlI2比例系數(shù)MO. 1泵變頻啟動(dòng)脈沖VrDlI6采樣時(shí)間M0. 2VD120積分時(shí)間MO. 3倒泵變頻啟動(dòng)脈沖VD124微分時(shí)間M0. 4復(fù)位當(dāng)前變頻泵運(yùn)行脈沖VrD20l變頻運(yùn)行頻率下限值M