PLC在变频调速恒压供水系统中的应用

毕业论文
题目：PLC在变频调速恒压供水系统中的应
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PLC在变频调速恒压供水系统中的应用
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变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统，随着变频调速技术的发展和人们节能意识的不断增强，变频恒压供水系统的节能特性被广泛地应用于住宅小区、高层建筑的生活及消防供水系统。

在智能建筑教学领域，恒压供水系统已成为一个研究的重要课题，其典型结构是由压力传感器、可编程控制器（PLC、变频器、供水泵组等组成。

随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，
人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，我国中小城市供水的自动化配置相对落后，机组的控制主要依靠值班人员的手操作，控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。

为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行，爆损现象也挺严重。

本论文结合现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。

本课题满足了变频恒压供水系统中的基本要求，是由储水系统、动力系统，回水系统和控制系统（手动控制、自动控制）组成。

它利用流量与转速成正比的关系来实现节能，即当需求的压力降低时，电动机转速降低，泵出口流量减少，电动机的消耗功率大幅度下降，从而达到节能的目的。

对象系统由四台不同功率的水泵机组组成，都为常规变频循环泵，用于模拟正常模式下的生活供水动力系统。

回水系统采用有机玻璃材料结构，以使实验系统具有可观察性。

控制系统采用手动和自动两种控制方式，在自动控制器失效的状态下，用手动控制系统也能保证系统地可靠运行。

在系统投入自动运行前，手动控制还可用于检验动力线路和动力设备的工况。

在有变频和工频两种运行状态的设备间，米用机械互锁和逻辑互锁的双重保护设计，以保障设备的安全运行；该系统同时采用过载保护、漏电保护、接地保护等多重保护机制，充分保障了操作者的人身安全和设备的运行安全。

关键词：恒压供水变频调速PLC 泵机切换
摘要 (4)
目录 (5)
第1章绪论 (6)
1.1本课题设计的背景 (6)
1.2 本课题设计的内容 (7)
1. 恒压供水系统的选型 (7)
2. 系统的硬件设计 (7)
3. 系统的软件设计 (7)
1.3 本课设计的目的和意义 (7)
第二章系统控制方案的确定 (9)
2.1 变频调速 (9)
2.1.1变频调速的工作原理 (9)
2.1.2变频器主要功能的预置 (10)
2.2 系统控制方案 (11)
第三章系统硬件设计 (13)
3.1 可编程控制器（PLC）的选型 (13)
3.1.1 PLC 概述 (13)
3.1.2 PLC 的选型 (14)
3.2 变频器的选型 (16)
3.3水泵的选型 (16)
3.4 压力传感器的选型 (17)
3.5 PLC及变频器控制电路 (17)
3.5硬件接线图 (19)
3.6 I/O分配表 (20)
第四章系统软件设计 (21)
4.1 PLC梯形图概述 (21)
4.2 GX DeveloPer编程软件的安装与操作 (22)
4.3 系统工作过程分析 (24)
4.4 控制系统程序设计 (25)
4.4.1启动程序 (25)
4.4.2水泵切换程序 (25)
4.4.3逐台停泵程序 (26)
4.4.4故障处理 (26)
第五章结论 (27)
致谢 (27)
参考文献 (28)
附录 (29)
第1章绪论
1.1本课题设计的背景
随着变压器调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统，然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备
（水
泵）,在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题.本课题介绍的变频控制恒压供水系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。

1969年美国数字设备公司（DEC研制书世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM的生产线上。

但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，简称PLC （programmable logic controller ）。

70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC （programmable controller ）.但由于PC容易与个人计算机（programmable computer ）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。

1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进
行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。

继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。

PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC ROBOTCAD/CAM的首位。

可编程控制器，简称PLC它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的的一中新型工业控制设备。

具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少4.功能强、通用性好5.开发周期短，成功率高6.体积小，重量轻、功耗底等特点。

具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于
自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的
支柱产品。

与继电——接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电——接触器控制系统小；价格上能与继电一一接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；
便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。

因此，进行变频恒压供水系统的PLC控制系统的设计，可以推动变频恒压供水系统行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。

1.2本课题设计的内容
本设计将在以下几个方面对恒压供水控制系统进行研究和论证。

1•恒压供水系统的选型
该系统是由储水系统、动力系统，回水系统和控制系统（手动控制、自动控制）组成。

对象系统由四台不同功率的水泵机组组成，都为常规变频循环泵，用于模拟正常模式下的生活供水动力系统；回水系统采用有机玻璃材料结构，以使
实验系统具有可观察性。

2. 系统的硬件设计
PLC变频恒压供水控制系统由4台水泵，一台智能型电控柜（包括变频器、PLC交流接触器、继电器等），一套压力传感器、缺水保护器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。

3. 系统的软件设计
系统的软件设计包括pic的程序设计和变频器的功能参数设定。

这里主要讨论pic的程序设计。

pic的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计，手动部分是通过按钮控制水泵在工频下运行和停止，主要考虑系统调试或检修时用。

当选择开关打到"自动"时，系统能够进入自动工作状态，由pic和变频器联合控制各台电机的投入或切除、工频或变频运行方式。

供水系统共有4台泵组电机，在根据水压决定投入泵组台数后，只有最初投入的电机进行变频调速，其它后投入的电机则在工频下全速运行，泵组电机的切换过程由逻辑控制单元pic实现。

1.3本课设计的目的和意义
随着电力技术的发展，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位
水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。

其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人
力，最终达到高效率的运行目的
用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。

而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。

保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。

PLC恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。

例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。

又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。

所以，某些用水区采用PLC恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

PLC是面向工业生产过程控制的，特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器-接触器控制系统，使控制装置的可靠性大为提高，在改造传统工业控制设备和开发研制机电一体化高新技术产品中发挥了巨大作用。

而变频器能节能和调速，并能实现自动控制程高精度控制，还能在恒压恒温控制应用实现了智能控制等。

本课程的基本要求是在了解PLC—般性硬软件基本构成和工作原理的基础上，掌握利用PLC技术实现生产过程顺序控制或程序控制开发应用的方法步骤和全过程真正掌握此项新技术的开发和应用，并和变频器综合利用，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的。

改造提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果。

第二章系统控制方案的确定
2.1变频调速
2.1.1变频调速的工作原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能
控制装置。

变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

从理论上可知电机的转速N与供电频率f有以下关系：
2 ■: 60 f
n二------ (1 - s) ( q-电机极数s-转差率)(2-1) q
由上式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的级数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0〜50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器在工频以下和工频以上工作时的情况：
(1)变频器小于50Hz时，由于I*R很小，所以U/F=E/F不变时，磁通为常数，
转矩和电流成正比，这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力，并成为恒转矩调速。

(2)变频器50Hz以上时，通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。

因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。

(T=Te, P<=Pe变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。

当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。

举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。

因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速。

下面用公式来定性的分析一下频率在50Hz时的情况。

众所周知，对一个特定的电机来说，其额定电压和额定电流是不变的。

如变频器和电机额定值都是：15kW/380V/30A,电机可以工作在50Hz以上。

当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V,电流为30A。

这时如果增
大输出频率到60Hz,变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A。

很显
然输出功率不变。

所以我们称之为恒功率调速。

这时的转矩情况怎样呢？由于功率是角速度与转矩的乘积。

因为功率不变，角速度增加了，所以转矩会相应减小。

我们还可以再换一个角度来看：
从电机的定子电压
U=E7 R （I- 电流，R-电子电阻，E-感应电势）（2-2）
可以看出，U I不变时，E也不变。

而
E =k f X （k-常数，f-频率，X-磁通）（2-3）
所以当f由50-->60Hz时，X会相应减小。

对于电机来说，
T=K“xX （K-常数，I-电流，X-磁通）（2-4）
因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。

结论：当变频器输出频率从50Hz以上增加时，电机的输出转矩会减小。

2.1.2变频器主要功能的预置
虽然水泵对系统调速的精度要求不高，但要使供水系统运行性能稳定，工作冋题，就必须正确设置变频器的各种性能。

1. 频率功能的设置
①最高频率水泵属于平方率负载，当转速超过额定转速时，转矩将按
平方规律增加，导致电动机严重过载。

因此，变频器的工作频率是不允许超过额
定频率的，其最高频率只能与额定频率相等，即Fmax=F n=50HZ
②上限频率一般说来，上限频率以等于额定频率为宜。

但有时也可以
预置得略低一些，原因有二：一是变频器内部有转差补偿功能，同在50HZ的情
况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵
和电动机的负载；二是变频调速系统在50HZ下运行时，还不如直接在工频下运行，可以减少变频器本身的损失。

因此，将上限频率预置为49HZ或49.5HZ是适宜的。

③下限频率在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际扬
程，形成水泵“空转”的现象。

所以。

下限频率应定为25—30HZ
④起动频率水泵在起动时，如果从0HZ开始起动，水泵基本没有压力输
出，为减少调节时间，应预置起动频率值为15—20H乙即设置变频器PID输出值的下限为最大值的30%^ 40%
2. 升速、降速时间
由于水泵电动机不需要频繁的起、停，对于起、停时间午严格要求。

整定变频器的升、降速时间时主要考虑升、降速时间过短，变频器可能因过流或过压而跳闸；升、降速时间过长，则会使变频器调速系统反应迟缓，造成管路中欠压或超压时间过长，满足不了恒压供水要求。

因此，升、降速时间的确定，应根据现场的实际情况来决定。

2.2系统控制方案
PLC变频恒压供水控制系统本系统是以PLC为控制核心，由PLC控制器、变频调速器、压力传感器、等其它电控设备以及4台水泵组成，如图2-1所示。

图2-1变频调速恒压供水控制系统的原理图
其工作过程：设定一个水压值后，根据变频恒压供水原理，利用安装在供水管网上的压力传感器，连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将水压信号转换为电信号送入PLQ PLC根据实际水压值与设定水压值进行比较和经PID 运算，并将运算结果转换为电信号，输出送到变频器的信号给定端，变频器根据给定信号，调节水泵的电源频率，从而调整水泵的转速，以维持供水管网中水压值在设定的水压范围内，当变频器频率到达最大最小时，由PLC控制加泵或减泵
实现恒压供水，从而达到恒压供水的目的。

这样也就形成了一个闭环控制的恒压供水系统。

该系统的特点：
1）水泵能自动变频软启动，四台水泵自动变频软启动，并根据用水量大小自动调节泵台数。

2）电控自动状态时，四台水泵自动轮换变频运行，工作泵故障时备用泵自动投入，可转换自动或人工手动开、停机。

3）设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电气保护功能，具有相序保护防止水泵反转抽空，并具有缺水保护及水位恢复开机功能。

4）有设备工作、停机、报警指示。

该系统可分为手动和自动两种运行方式，四台水泵均可以在工频或变频调速状态下工作。

1、手动运行
当用手动方式时，把转换开关切换到自动挡。

按下启动按钮，启动电机变频运行；当系统压力不够需要增加泵时，此时切断电机变频，同时PLC空制电机变频运行•为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切
换时，用时间继电器作了0.5的时间延迟，当压力过大时，可以手动按下停止按钮，切断工频运行的电机•使用该方式时，可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止水泵。

该方式仅供自动故障时使用。

2、自动运行
由PLC分在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制.
⑴升压控制：
系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态•系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间第一台泵处在调速运行状态.当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速；反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速•当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频（即50HZ）时，水压仍低于设定值，锁相同步控制器控制变频器频率与工频同步，由PL C空制切换至工频电网后恒速运行；同时，使第二台水泵，投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止.在第二台投入变频器运行以前，使变频器输出频率降至起动频率，然后再投入.如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投入并联运行.当最后一台水泵投入运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警.
⑵降压控制：
当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值.这样每台水泵的启动均经变频器的控制，全部机组实现循环软启动，即每台泵的启动频率东从设定的最低频率开始逐渐上升，并遵循“先开的
泵先停，先停的泵先开”的原则。

当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止.当一台水泵变速运行，用水量接近于零，水泵最小转速为临界转速时（这是
变速运行水泵最小工作转速），可根据这一工作状态的长短和系统用水的特点，使系统转入间歇运行或小容量水泵运行。

除了具有上述自动切换功能外，系统具有一次水位检测功能，即在水位低限时报警和切断输出。

该系统还设有多种保护、人机交互、强电逻辑硬件互锁、报警及上位连接功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守.
第三章系统硬件设计
3.1可编程控制器（PLC）的选型
3.1.1 PLC 概述
可编程控制器，英文称Programmable Controller ，简称PLC本课题中用PLC作为它的简称。

PLC是用于工业现场的电控制器。

它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。

它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。

PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。

普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。

而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。

特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题，入出信息变换及可靠的物理
实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。

PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。

其功能要比继电控制装置多的多、强的多。

PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：
①逻辑处理功能；
②数据运算功能；
③准确定时功能；
④高速计数功能；
⑤中断处理（可以实现各种内外中断）功能；
⑥程序与数据存储功能；
⑦联网通信功能；
⑧自检测、自诊断功能。

可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。

像PLC这样。

集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。

丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为节水行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。

3.1.2 PLC的选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。

工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

因此，工程设计选型和
估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的
控制系统。

1 •输入输出（I/O ）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%- 20%勺可扩展。

余量后，作为输入输出点数估算数据。

实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入5点，输出10点。

2 •存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是
存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。

设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10〜15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。

3 •控制功能的选择。