变频调速恒压供水(PLC)毕业设计解读

【摘要】
本设计是针对居民生活用水而设计的。

由变频器、PLC、PID调节器组成控制系统，调节水泵的输出流量。

电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组的速度和切换，使系统运行在最合理状态，保证按需供水。

本设计采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力凋节。

经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压变频供水。

运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点。

关键词：变频调速恒压供水 PID调节 PLC
目录
1 绪论 (1)
1.1变频恒压供水产生的背景和意义 (1)
1.2变频恒压供水系统的国内研究现状 (2)
1.3课题来源及本文的主要研究内容 (3)
2 恒压供水系统的分析 (4)
2.1恒压供水系统的构成 (4)
2.2系统功能分析 (4)
3.系统硬件的设计 (6)
3.1变频器的设计 (6)
3.2PID控制器的设计 (6)
3.2.1PID控制器的选择 (6)
3.2.2PID控制算法及特点 (7)
3.3PLC的选择及应用 (9)
3.3.1PLC在恒压供水泵站中的主要任务 (9)
3.3.2控制系统的I/O分配 (9)
3.3.3PLC系统选型 (10)
3.4电气控制系统原理图 (11)
3.4.1主电路图 (11)
3.4.2控制电路图 (11)
3.4.3PLC外围接线图 (12)
4系统程序设计 (14)
4.1由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理 (14)
4.2多规范泵组泵站泵组管理 (14)
4.3程序的结构及程序功能的实现 (14)
4.4系统的梯形图程序 (16)
4.5系统的运行分析 (26)
结束语 (27)
谢辞 (28)
参考文献 (29)
1 绪论
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。

把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。

变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。

采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.1变频恒压供水产生的背景和意义
众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。

主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。

在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。

以下就逐一分析。

(1)一台恒速泵直接供水系统
这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。

这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。

这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。

(2)恒速泵加水塔的供水方式
这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。

水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。

水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。

水泵处于断续工作状态中。

这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。

这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。

供水压力比较稳定。

但这种供水方式基建设备投资最大，占
地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要;而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。

而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。

(3)恒速泵加高位水箱的供水方式
这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。

高层建筑还可分层设立水箱。

占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。

一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。

水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能耗增加。

(4)恒速泵加气压罐供水方式
这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。

罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。

而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。

但气压罐供水方式也存在着许多缺点。

气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。

当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。

同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。

频繁启动会造成系统的不稳定性。

(5)变频调速供水方式
这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。

使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。

变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

1.2变频恒压供水系统的国内研究现状
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。

在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。

应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器
外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。

目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。

但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。

艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-22kW)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。

该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。

1.3课题来源及本文的主要研究内容
本课题来源于生产、生活供水的实际应用。

本系统是三泵生活/消防双恒压供水系统，变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、压力传感器组成。

本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速。

该系统可以生活供水和消防供水的双用供水系统。

2 恒压供水系统的分析
2.1恒压供水系统的构成
PLC控制的恒压供水泵站如图2-1所示，市网自来水用高低水位控制器EQ控制注水阀YV1，自动把水注满蓄水池。

只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。

水池的低水位信号也直接送给PLC做为低水位报警信号。

为了保证供水的连续性，水位上下传感器高低距离较小。

生活用水和消防用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。

当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。

恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。

这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不须切换，但购变频器的费用较高。

所以本系统采用另一种方案是三台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。

其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。

图2-1 PLC控制的恒压供水泵站
2.2系统功能分析
三台泵生活/消防双恒压供水系统的基本功能为：
(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。

(3)在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下即系
统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。

(4)三台泵在启动时都要有软启动功能。

(5)要有完善的报警功。

(6)对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。

3.系统硬件的设计
3.1变频器的设计
交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。

微计算机是变
频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。

大家都知道，从发电厂送出
的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50Hz 。

而交流电动机的同步转速
P
f N 1160= （3.1） 式中1N ---同步转速，r/min ；
1f ---定子频率，Hz ；
P ---电机的磁极对数。

而异步电动机转速
)1(60)1(11s P
f s N N -=
-= （3.2） 式中s ---异步电机转差率， 11/)(N N N s -=，一般小于3%。

均与送入电机的电流频率/成正比例或接近于正比例。

因而，改变频率可以方
便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。

根据设计要求，选用通用变频器。

其带有PID 功能。

通过变频器面板设定一
个给定频率作为压力给定值，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上；U 、V 、W 输出端并联三个接触器分别接M1、M2、M3泵电机，变频器可分别驱动三台泵，另外这三台泵电机还通过另外三个接触器并联到工频电源上，这6个接触器线包连接到PLC 的四个输出点上，由PLC 控制其工频、变频切换工作。

通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，变频器根据压力给定和
实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。

变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二
是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。

3.2 PID 控制器的设计
3.2.1 PID 控制器的选择
PID 控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制力式之一。

它的原理通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。

若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。

也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。

它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。

在恒压供水中常见的PID 控制器的控制形式主要有两种：
(1)硬件型，即通用PID 控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P ，I ，D 参数及目标值的设定。

(2)软件型，使用离散形式的PID 控制算法在可编程序控制器上做 PID 控制器。

在该系统中我们用硬件型设计这样可以减少编程。

3.2.2 PID 控制算法及特点
图3-1 PID 控制原理图
图3-1为PID 控制原理图。

PID 控制器根据日标值(设定值)r(t)与反馈值(测量值)c(t)构成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) 。

将偏差的比例(P)、积分(I)和微分
(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。

其控制规律为：
])(0)(11)([)(t de t d T t e t e Kp t u ⎰++
=（3.3） 或 ])
()()(1)([10t d t de T t e t e t d ⎰++πδ （3.4）
式中
C K ： 调节器的比例系数
i T ： 调节器的积分时间
d T ： 调节器的微分时间
e ： 调节器的偏差信号
δ： 比例带，它是惯用增益的倒数
u ： 输出
简单来说 ，PID 控制器各校正环节的作用是这样的：
(1)比例环节： 即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。

(2)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Ti ， Ti 越大，积分作用越弱，反之则越强。

(3)微分环节 ：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，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，减小调节时间。

PID 调节器的传递函数是：
)](11[1)(s T n
s Gc d ++=δ （3.5） 当上述控制算法公式只包含第一项时，称为比例(P)作用，只包含第二项时，称为积分(I)作用;但只包含第三项的单纯微分(D)作用是不采用的，因为它不能起到使被控变量接近设定值的效果，只包含第一、二项的是PI 作用;只包含第一、三项的是PD 作用;同时包含这三项的是PID 作用。

仅用P 动作控制，不能完全消除偏差。

为了消除残留偏差，一般采用增加I 动作的PI 控制。

用PI 控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。

但是，I 动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。

对有积分元件的负载系统可以单独使用P 动作控制。

对于PID 控制，发生偏差时，很快产生比单独D 动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。

偏差小时，P 动作的作用减小。

控制对象含有积分元件的负载场合，仅P 动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。

在该场合，为使P 动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD 控制。

换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。

利用I 动作消除偏差作用和用D 动作抑制振荡作用，在结合P 动作就构成了PID 控制，本系统就是采用了这种方式。

因为PID 控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。

这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统效果比较好。

3.3 PLC的选择及应用
3.3.1 PLC在恒压供水泵站中的主要任务
(1)代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字式PID 调节。

一只传统调节器往往只能实现一路PID设置，用PLC作调节器可同时实现多路PID设置。

在多功能供水泵站的各类情况中PID参数可能不一样，使用PLC作数字式调节器就十分方便。

(2)控制水泵的运行与切换。

在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀地磨损，水泵及电机是轮换工作的。

在设单一变频器的多泵组泵站中，如规定和变频器相连接的泵为主泵，主泵也是轮流担任的。

主泵在运行时达到最高频率时，增加一台工频泵投入运行。

PLC则是泵组管理的执行设备。

(3)变频器的驱动控制。

恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号。

输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。

(4)泵站的其他逻辑控制。

除了泵组的运行管理工作外，泵站还有许多逻辑控制工作，如手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站工作异常的报警，系统的自检等，这些都可以在PLC的控制程序中安排。

3.3.2 控制系统的I/O分配
该系统有7个输入信号和13个输出信号，表3-1是将控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号。

水位上下限信号分别I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，时为1。

3.3.3 PLC系统选型
从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点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CPU224，则需要扩展单元；如果选用CPU226，则价格较高，浪费较大。

参照西门子S7-200产品目录及市场世纪价格，选用主机为CPU222（8人/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）。

这样的配置是最竞技的。

整个PLC系统的配置如图3-2所示。

图3-2 恒压供水PLC系统的配置
3.4电气控制系统原理图
电气控制原理图包括主电路图、控制电路图及PLC外围接线图。

3.4.1主电路图
如图3-3所示为电控系统的主电路图。

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；电机分别为M1、M2、M3。

接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FRl、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分别为变频器和三合泵电机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器；VVVF是通用变频器。

3.4.2控制电路图
如图3-4为电控系统控制电路图。

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，可用按钮SBl～SB8控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通断；自动运行时，系统在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R进行复位时只提供一个触点信号。

由于PLC为4个输出点为一组共用一个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的触点对变频器实行复频控制。

Q0.0~Q0.5以及Q1.0~Q1.5为PLC的输出继电器触点，它们旁边的4、6、8等数字为接线编号。

（1）手动运行
按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#～3#泵的启停(见图1)。

该方式主要供检修及变频器故障时用。

（2）自动运行
合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0 Hz上升，同时PID
调节程序将接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50 Hz，1#泵由变频切换为工频，对2#泵进行变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。

若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。

变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。

3.4.3 PLC外围接线图
图3-5为PLC及扩展模块外围接线图。

火灾时，火灾信号SA1被触动，I0.0为1。

图3-3 电控系统主电路
图3-5 恒压供水系统PLC及扩展模块的外围接线
4系统程序设计
4.1由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理
为了恒定水压，在水压降落时要增大器的输出频率，且在一台泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台泵或第三台泵。

判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。

这一功能可通过比较指令实现。

为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中采取时间滤波。

4.2 多泵组泵站泵组管理规范
由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有个管理规范。

在该系统中，任一台泵连续变频运行不得超过3h ，因此每次需启动新泵或切换变额泵时，以新运行泵为变频泵是。

具体的操作时，将现行运行的变频泵从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。

除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本例中使用泵号加1的方法实现变频泵的循环控制(3再加1等于0)，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。

4.3程序的结构及程序功能的实现
PLC 在恒压供水系统中的功能较多，由于模拟量单元及PID 调节都需要编制初始化及中断程序，本程序分可为三部分：主程序、子程序和中断程序。

系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成。

这样可节省扫描时间。

利用定时器中断功能实现PID 控制的定时采样及输出控制。

主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、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。

生活及消防双恒压的两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。

生活供水时系统设定值为满量程的70％，消防供水时系统设定值为满量程的90％。

在本系统PID 中，只是用了比例和积分控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控制效果。

初步确定的增益和时间常数)
增益：25.0=C K 采样时间s T S 2.0= 积分时间min 30=i T
表4-1 程序中使用的PLC元件及功能
4.4系统的梯形图程序
图4－1 系统的梯形图
图4-2 程序子程序
图4-3中断程序
4.5系统的运行分析
低峰供水时，工作一台水泵电机变频调速,用水量加大时，首台工作水泵由低速向高速调频，当工作频率达到50 Hz即水泵满负荷工作时仍不能满足用水要求时，将首台工作水泵切换至工频运转，变频调速器控制第二台水泵调频运转，同时工作2台水泵。

如用水量进一步增加，第二台水泵切换至工频运转,变频调速器控制第三台水泵调频运转,同时工作3台水泵。

供水量减少时，调速工作水泵首先由高频段向低频段调速运转，水泵工作频率达到柜内微机控制器预先设定的下限工作频率而实测水压仍高于水压设定值时，直接停止首台工作水泵，第二台泵工频运转，第三台泵调频运转保持系统水压恒定，如2台水泵同时工作实际水压仍
高于设定值，直接停止工频运转水泵，第三台调频运转保持系统水压恒定。

完成情况：本次设计的系统逻辑控制采用PLC控制变频器实现调速恒压供水，使用方便、系统压力恒定，具有较好的控制效果。

该系统采用变频器调节水泵转速，使系统实现了高效节能，同时由于采用变频器对电机实行软启动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备使用寿命。

系统采用闭环控制，变频器的加速和减速可根据工艺要求自动调节，控制精度高，而且由于变频器调速具有十分灵敏的故障检测、诊断、数字显示功能，提高了水泵运行的可靠性。

所得收获：使我对变频恒压供水系统有了深刻的了解。

系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出调节水泵转速。

使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。

我也知道了变频调速式供水系统具有节约能源、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。