基于plc变频调速供水系统的设计

基于PLC的变频恒压供水系统的设计

基于plc变频调速供水系统的设计

摘要：随着社会主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势

本论文分析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。本论文设计与实现通过MCGS进行数据传输的远程网络巡回监控系统。具体讲述了系统的总体设计与软件的实现，并对系统采取的可靠性措施进行了说明。

本论文的变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。

关键字：变频调速；恒压供水；PLC；MCGS；监控系统

Abstract

With the rapid development of socialistic marketing economy,there is a growing demand for better quality of water supply and higher reliability of supply system. In addition ,considering the current common energy crisis, achieving the scheme of automatingthe water supply system. So it is an inevitable tendency to design and create an energy-savingconstant-pressure water supply system of excellent performance with the help of advancedtechniques of automation,monitor-control system; and communication. Meanwhile, the System can also adapt to various water Supply regions.

This paper analyzes the structure of VF speed regulating constant-pressure water supply,and proposes several control methods.By careful study and comparison, PLC and inverter's method fits water supply system and datatransmission very well. Finally the paper shows the design of constant pressure supply water controller according to PID data and detailed introduction of its software and hardware.In this paper,the author designs and realizes the remote monitor and control system through MCGS, and then illustrates its general design, software implement and the measures of preventable disturbance in details.

The system, which has initially been completed with reliable performance and excellent energy-saving effect, proves to possess high reliability and real-time quality. The system can not only remarkably improve the quality of water supply, but also economize on labor, which will surely bring us both economic and social benefits.

Key Words:VF speed; constant pressure water supply;PLC;MCGS;monitor and control- system

基于PLC的变频恒压供水系统的设计

目录

第1章绪论 (1)

1.1 城市供水系统的要求 (1)

1.3 国内外研究概况 (1)

1.4 设计任务及要求 (1)

第2章恒压供水系统 (2)

2.1变频恒压供水系统 (2)

2.2课题研究的对象 (2)

2.3变频恒压供水控制方式的选择 (3)

2.4 变频构成恒压供水系统的及工作原理 (4)

2.4.1 系统的构成 (4)

2.4.2工作原理 (5)

2.4.3 变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析 (5)

2.5 主电路接线图 (7)

第3章器件的选型及介绍 (8)

3.1可编程控制器 (8)

3.1.1简介PLC (8)

3.1.2 PLC的特点 (8)

3.1.3 PLC的工作过程 (9)

3.1.4 PLC的选型 (9)

3.1.5 PLC的接线 (10)

3.2变频器 (10)

3.2.1变频器的构成 (10)

3.2.2变频器的特点 (11)

3.2.2变频器的选型 (12)

3.2.3变频器的接线 (13)

3.3 PID调节器 (13)

3.4压力传感器的接线图 (15)

3.5原件表 (15)

第4章PLC控制及编程 (17)

4.1 PLC控制 (17)

4.1.1手动运行 (18)

4.1.2 自动运行 (18)

4.2编程及介绍 (19)

4.2.1 总程序的顺序功能图 (19)

4.2.2 自动运行顺序功能图 (19)

4.2.3 手动模式顺序功能图 (20)

4.2.4 程序说明 (20)

第5章 MCGS组态软件 (25)

5.1 MCGS组态软件 (25)

5.1.1 MCGS组态软件的整体结构 (25)

5.1.2 MCGS工程的五大部分 (25)

5.2 建立界面 (27)

5.2.1 建立窗口 (27)

5.2.2定义数据对象 (27)

5.3 编辑界面 (28)

5.3.1编辑画面 (28)

5.3.2 对象元件的选择 (28)

图5.8 监控界面 (29)

5.4 MCGS与PLC之间的连接 (29)

5.4.1添加PLC设备 (29)

5.4.2PLC设备属性的设置 (30)

结束语 (33)

参考文献 (34)

致谢 (35)

基于PLC的变频恒压供水系统的设计

第1章绪论

1.1 城市供水系统的要求

众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己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，同时有可能导致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。

1.3 国内外研究概况

目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的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。

变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。1.4 设计任务及要求

本系统以一个供水系统作为被控对象，研究基于MCGS组态软件的供水监控系统设计，使系统获得较好的性能指标。主要设计内容为：了解供水系统的运行工艺情况，设计恒压供水控制系统的硬件电路；研究恒压变频供水的控制方法，开发基于MCGS 组态软件的监控界面，完成系统监控调试，实现对系统的高性能控制。

第2章恒压供水系统

2.1变频恒压供水系统

变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:

(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。

(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。

(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

2.2课题研究的对象

图2.1 供水流程简图

此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。这栋楼有10层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。如图2.1所示，是这栋小楼的供水流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。

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2.3变频恒压供水控制方式的选择

目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：

1．逻辑电子电路控制方式

这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。

2．单片微机电路控制方式

这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。

3．带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式

该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。如果采用一个开关量输入，输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入，输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

4．新型变频调速供水设备

针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO— I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的GIIS／PIIS系列产品；等等。

考虑以上四种方案后，此次设计采用第四种方案。如图2.2所示。

2.4 变频构成恒压供水系统的及工作原理

2.4.1 系统的构成

图2.3系统原理图

如图2.3所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。

从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。

(1)执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图2.3中的3个水泵分为二种类型:

调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。

恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。

(2)信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:

①水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。

②报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。

(3)控制系统

供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。

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(4)人机界面

人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压

力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对

报警进行显示。

(5)通讯接口

通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等

(6)报警装置

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失

2.4.2工作原理

合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。

2.4.3 变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析

尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0Hz,具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz左右。由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。

在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间（比如1-2分钟），

如果在这一段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。

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2.5 主电路接线图

图2-4 水泵主回路接线图

图2.4主电路图

电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、KM3、KM5分别为电动机M1 、M2 、M3工频运行时接通电源的控制接触器，K M0、KM2 、KM4分别为电动机M1、M2、M3 变频运行时接通电源的控制接触器。

热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。

熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。

第3章器件的选型及介绍

3.1可编程控制器

3.1.1简介PLC

可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。

图3.1PLC的硬件结构框图

可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。

事实上与所有的器件一样，PLC本身也有其局限性，它无法向操作者显示动态的设备状态参数，无法进行大批量数据的存贮与转化，尤其是当系统工艺改变时，无法方便、快速地改变相关参数、配方。因此，在现今的稍微复杂一些的控制系统中，PLC通常与工业控制计算机配合使用，实现完整的控制功能。

3.1.2PLC的特点

现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：

基于PLC的变频恒压供水系统的设计

1）编程方法简单易学

2）功能强，性能价格比高

3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

4）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强

5）系统的设计、安装、调试工作量少

6）维修工作量小，维修方便

7）体积小，能耗低。

3.1.3 PLC的工作过程

图3.2PLC的扫描工作过程

PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图3.2所示。

PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下：

①输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态；

②程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需软元件的状态；

③输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的状态，由输出指令的执行结果决定。

④输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定；

⑤输出端子上的输出状态，由输出锁存器中的状态决定。

3.1.4 PLC的选型

水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运

行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。

3.1.5 PLC的接线

图3.3PLC的接线图

Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。

3.2变频器

3.2.1变频器的构成

通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。

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图3.4变频器的构成

1.主电路

给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。图3.5所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。

图3.5 典型的电压型逆变器一例

2.控制电路

给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。如图3.4所示，控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。

在图3.4点划线内，仅以控制电路A部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制。在控制电路B部分增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。

3.2.2变频器的特点

变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。

变频恒压供水系统主要有以下几个特点:

1．节能：变频调速恒压供水设备使整个供水系统始终保持最优工作状态节电率可达35%—60%，这一特点已被广大用户所认识并带来效益

2．占地面积小，投人少，效率高：设备结构紧凑占地面积少维护方便维护费用低投资省安装快如仅供几栋居民楼生活用水的小型供水设备在楼梯间楼梯下几平方米的地方即可安装

3．配置灵活，功能齐全，自动化程度高。

4．由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，大大降低水质污染的可能性：众所周知南方气候炎热潮湿细菌和微生物极易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生红虫必须定期清洗改用变频调速恒压供水设备后只需一个低位水箱原来也有将水质污染降到最低限度。

5．通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力

3.2.2变频器的选型

根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，如下图所示：

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图3.6FR-A540的管脚说明

3.2.3变频器的接线

管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。

图3.7变频器接线图

3.3 PID调节器

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。

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。采用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(即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节)效果比较好

图3.8 PID控制框图

通过对被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。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参数及日标值的设定。

(2)软件型：使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器(或单片机)上做PID控制器

此次使用硬件型控制形式。

根据设计的要求，本系统的PID调节器内置于变频器中。

图3.9 PID控制接线图

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3.4压力传感器的接线图

压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力－电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。

该传感器的量程为0～2.5MPa ，工作温度为5℃～60 ℃，供电电源为28±3V （DC ）。

图3.10 压力传感器的接线图

3.5原件表

水泵：M1、M2选用40-160(I)A 型，M3选用40-160(I)型，参数见表3.1所示。

12200 5.8380P I A U ==≈ 230007.9380

P I A U ==≈ 热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR ，FR 1 FR 2可选用规格其型号为TK-E02T-C ，额定电流5－8A ，FR 3可选用规格其型号为TK-E02U-C ，额定电流为6－9 A

熔断器的选择：在控制回路中熔断器FU 选用RT18系列。

接触器的选择：对于接触器KM 选择的是规格SC-E03-C ,功率3Kw

按钮SB 的选择：PLC 各输入点的回路的额定电压直流24V ，各输入点的回路的额定电流均小于40mA ，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY3—11型，其主要技术参数为：U N =24VDC ，I N =0.3A ，含1对常开和1对常闭触点。

表3.1元件表总图

表3.2水泵的参数

表3.3 变频器的参数