优秀毕业设计论文-基于PLC的恒压供水控制系统设计

河南理工大学毕业设计(论文)说明书 1 目录 目录 1 1 绪 论 2 1.1 供水系统组成 4 1.1.1 恒压供水的目的 .5 1.1.2 用于恒值系统的控制方案 .6 1.2 常见的压力变送器 .7 1.3 方案论证 .8 1.4 系统优点分析 .8 2 系统硬件设计 10 2.1 恒定供水变频调速控制系统设计要点 .10 2.2 电气控制系统原理图 .13 2.3 系统功能简介 16 3 系统软件设计 21 3.1 系统的 PID 设定 21 3.2 所用 PLC 元器件 21 3.3 程序设计 23 4 系统抗干扰措施 27 4.1 系统硬件抗干扰措施 27 4.2 系统软件抗干扰措施 .29 5 总结与展望 30 5.1 系统优点 .30 5.2 系统改进 31 5.3 前景与展望 31 致 谢 33 参考文献 34 附录 控制程序清单 35 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 2 1 绪 论 本设计介绍了一套采用 PLC 和变频器进行压力调解多台水泵变频控制方案。 控制系统通过 PLC 调节变频器的输出，自动控制给水泵投入的台数和电机的转 速，实现闭环自动调解恒压供水。运行结果表明,该系统具有压力稳定、操作 简便、节约能源以及可靠性强等特点。采用变频器和可编程控制器等现代控制 设备和技术实现恒定水压供水，是供水领域技术革新的必然趋势，以往采用的 水塔供水既不卫生又不经济，更重要的是浪费了大量的能源，本文介绍的变频 调速恒压供水系统以其有效的实用性，彻底解决了上述问题，是一项颇有实用 价值的调速系统，为已有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径。 PLC 自问世以来，发展异常迅猛。时至今日已拥有门类齐全的各种功能模 块和强大的网络通讯能力，其应用范围可以覆盖现代工业的各个领域，满足各 类受控对象的不同控制要求。变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无 级调速驱动技术，它以其独特的控制性被广泛应用在速度控制领域。将 PLC 与 变频器结合可大大优化传统的供水系统。传统的供水系统，大体有两种：一种 是采用高位水箱，另一种是采用恒速泵打水。前者造价较高，投资成本大。后 者使泵满负荷运转，无法调节水量，因此浪费电能。以上两种方式还有着共同 缺点，就是管道中水压不稳，时高时低。 如今，供水系统已越来越多地采用变频恒压供水。例如，某化工厂的废水 处理采用循环系统，将生产车间的废水收集至废水池，经一系列物理、化学处 理后，回送至车间使用。该控制系统主要由两部分组成，即水处理系统和自动 恒压供水系统。自动恒压供水系统可根据生产车间瞬时变化的用水量，以及与 其对应的压力两种参数，通过 PLC 和变频器自动调节水泵的转数及台数，来改 变水泵出口的压力和流量，使车间的用水压力保持恒定值。 针对以往供水系统的弊端，本课题采用恒压供水控制方案，即供水管道的 压力始终恒定。具体的做法是通过安装在供水管道里的压力传感器所获得的模 拟信号（4200A）传至 PLC，经 CPU 运算处理后与设定的信号进行比较，得出 最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制令和变频器的频率设定 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 3 值，控制泵站投水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵根据 CPU 指令实施软启动、软切换及变频运行。系统可根据用户用水量的变化，自动确 定泵组的水泵循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。 (1)本课题的主要任务是: 实现水泵的变频调速以及恒压供水 实现水泵的软启、软停 该控制方案具有手动和自动操作功能 具有消防和报警功能 实现节能 (2)本课题的意义及背景: 近十年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果。 可以说，变频技术已为大多数用户所接受。但是，不能不指出，我国在变频技 术的应用方面，与发达国家的水平尚有很大差距。目前，我国在用的交流电动 机使用变频调速运行的仅 6%左右，而工业发达国家已达 60% 70%；日本在 风机、水泵上变频调速的采用率已达 10%，而我国还不足 0.01%；在日本，空 调器的 70%采用了变频调速，而我国才刚刚起步。从这个现实出发，变频技术 尚有很大的发展空间，我们应该锲而不舍地做好推广应用工作。 变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我 国供水行业的技术装备水平从 90 年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速 系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在 用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能 型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展， 变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频 调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。 随着我国城镇化建设的飞速发展，城市人口和城市居民的不断增加，城市 供水不足成为一种普遍现象，传统的供水方式已经不能满足城市发展和人民生 活的需要。自八十年代以来，变频调速恒压供水技术开始应用于我国许多城市 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 4 的自来水公司。变频调速恒压供水技术不仅能够保证城市供水的稳定，而且可 以节约能源。在我国，节电节水的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显 示:中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的 4 倍左右，消耗 的水是他们的 2 倍左右。我国的大量用电设备中，风机和泵类电机的耗电量占 全国发电量的 50%左右,若推广新型电机调速技术,可节电 40%左右,即可以节约 全国发电量的 1/5.由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多,因此,在 我国一方面水电供应紧张,而另一方面,水电的浪费又十分惊人.节电节水,不仅 潜力巨大,而且意义深远。 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。 而用户和供水之间的不平衡集中地反映在供水的压力上:用户多而供水少,则压 力小;用户少而供水多,则压力大.保持供水的压力恒定,可使供水和用户之间保 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。 恒压供水对于某些工业或特殊用户是非常重要地.例如在某些生产过程中, 若自来水因故压力不足或短时缺水,可能影响产品质量,严重时使产品报废和设 备损坏.又如当发生火警时,若供水压力不足或无水供应,不能迅速灭火,可能引 起重大经济损失和人员伤亡。所以,某些用水区采用恒压供水系统,具有较大的 经济和社会意义。 1.1 供水系统组成 该控制系统主要装置包括：可编程控制器（PLC） ，变频器，PID 控制器以 及相关软件控制单元，该装置形成一套完整的，智能的恒压供水控制系统。采 用 PLC 作为中心控制单元，利用变频器与 PID 结合，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，提高了系统的工作稳定性，得到 了良好的控制效果以及明显的节能效果。 调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来 得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系 统调接信号等功能。用 PLC 代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此， PLC 作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 5 定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字 PID 调节;它还控制水泵的运行与 切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换 的工作。PLC 同时还是变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模 拟量控制方式，这需采用 PLC 的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接 受到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 后得出的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。另外，泵站 的其他控制逻辑也由 PLC 承担，如:手动、自动操作转换，泵站的工作状态指 示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。 变频器有两个控制信号：目标信号 XT ：即给定端 VR 上得到的信号，该信 号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。目标信号也可以 由键盘直接给定，而不必通过外接电路来给定。反馈信号 XF ：是压力变送器 BP 反馈回来的信号，该信号是一个反应实际压力的信号。目标信号的确定 ： 目标信号的大小除了和所要求的压力的控制目标有关外，还和压力传感器的量 程有关。举例说明如下：设：用户要求的供水压力为 0.3MPa，压力传感器的量 程为 0-1MPa，则目标值应设为 30%。 在恒压供水控制系统中，关键技术主要是变频技术。目前效率最高、性能 最好的系统是变压变频调速控制系统。变频器由主回路（包括整流器、滤波器、 逆变器）和控制电路组成。整流器的作用是把三相交流整流成直流。滤波器是 用来缓冲直流环节和负载之间的无功能量。逆变器最常见的结构形式是利用六 个半导体器件开关组成的三相桥式逆变电路，有规律地控制逆变器中主开关的 通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。控制电路主要是完成对逆变器的 开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。变频器的基本原理 是利用逆变器中的开关元件，由控制电路按一定的规律控制开关元件的通断， 从而在逆变器的输出端获得一系列等幅而不等宽的矩形脉冲波形，来近似等效 于正弦电压波。 1.1.1 恒压供水的目的 对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以， 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 6 流量是供水系统的基本控制对象。而如上所述，流量的大小又取决于扬程，但 扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供 水能力和用水需求之间的平衡情况有关。 如：供水能力 QG用水需求 QU，则压力上升； 如：供水能力 QG用水需求 QU，则压力下降； 如：供水能力 QG =用水需求 QU，则压力不变。 可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。 从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统 中某处压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态， 恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。 1.1.2 用于恒值系统的控制方案 对于被控对象的数学模型比较复杂，生产工艺提出的恒定值的精确度又不 高的变频调速控制系统，如果采用 PID 调节器方案进行调节变频器往往效果不 理想，有时还不如开环控制的效果好。在这种情况喜爱采用 BANG-BANG 控制方 案，效果比较理想。但是对于被控对象的数学模型比较复杂，生产工艺提出的 恒定值的精确度又很高的变频调速控制系统，如果采用大范围用 BANG-BANG 控 制、小范围用 PID 调节器进行调节变频器的方法，往往效果也不是那么理想。 在这种情况下采用模糊控制方案，效果比较理想。下面简要介绍 PID 算法函数 的实现以及 PID 控制整定方法： （1）PID 算法采用增量式，其算法格式如下 e(k)=SV-y(k) u(k)=kce(k)-e(k-1)+kie(k)+kde(k)-2e(k-1)+e(k-2) u(k)=u(k-1)+ u(k) 式中积分系数为 Ki= ciT 式中微分系数为 Kd c 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 7 （2） PID 控制整定方法 它主要根据经验直接在控制系统的实验中进行，方法简单、易于掌握。 速度 PID 比例增益 P 对系统性能的影响：比例增益 P 设定 V/F 闭环 控制时误差值的增益，比例增益 P 加大，使系统的动作灵敏，速度加快，P 偏 大，振荡次数增多，调节时间加长。当 P 太大时，系统会趋于不稳定、容易产 生振荡；若 P 太小，又会使系统动作缓慢。 速度 PID 积分时间 I 对系统性能的影响：积分环节 I 设定 V/F 闭环 控制时 PID 动作的相应速度，以缓解因速度 PID 比例增益设定过大而引起的超 调，通常使系统的稳定性下降。I 偏大，对系统性能的影响减小。当 I 合适时， 过渡过程比较合适。 速度 PID 微分时间 D 对系统性能的影响：速度 PID 设定 PID 动作的衰 减作用，以缓解因速度 PID 积分时间设定过大的缺点。微分控制 D 可以改善动 态特性，当 D 偏大或偏小时，超调量较大，调节时间也较长，只有 D 合适时， 可以得到比较合适的过渡过程。 （3）系统参数的确定 该供水系统的用水量变化较大，要求系统具有快速反应能力及良好的稳定 性。因此在确定 PID 参数时要兼顾系统的稳固性和灵敏度，P 参数尽可能大， 以保证系统有良好的稳定性，在集中供水时保证系统压力在设计要求的恒压范 围内；I、D 参数的选取应保证系统具有良好的灵敏度和抗干扰性。经过反复试 验得出各参数的取值，P:6080；I:1015；D:13。变频到工频的切换采用 时间原则，即水泵电机变频工作到额定转速后，撤销变频，自由减速一定时间， 待转速略有降低后立即投入工频工作。时间的长短要使工频接入时其启动电流 在额定电流的 150%内，而且保证电机与变频器连接的接触器安全断开。 1.2 常见的压力变送器 （1）远传压力表：其基本结构是在压力表的指针轴上附加了一个能够带 动电位器的滑动触点的装置。因此，从电路器件的角度看，实际上是一个电阻 值随压力而变的电位器。使用时，需另行设计电路，将压力的大小转换成电压 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 8 或电流信号。 远传压力表的价格较低廉，但由于电位器的滑动点总在一个地方摩擦， 故寿命较短。 （2）压力传感器：其输出信号是随压力而变的电压或电流信号。当距离 较远时，应取电流信号，以消除因线路电压降引起的误差。通常取 4-20mA，以 利区别零信号和无信号。该控制系统采用压力传感器作为压力变送器。 （3）电接点压力表：这是比较老式的一种，在压力的上限位和下限位都 有电接点。这种压力表比较直观，为相当一部分用户所熟悉。 1.3 方案论证 以往的供水利用阀门调节供水量，此种供水方案经过多年的使用存在种种 弊端，有如下问题制约生产的安全、稳定运行： (1) 用户的用水量随季节、时间的变化而变化，使供水量难以控制；而整 个供水系统为能满足最大供水量的要求，做出了较大的设计余量，这样使得在 用水量较低时浪费了大量的电能。 (2) 操作人员频繁增减泵的运行台数或者通过调节阀门来保持水量的平衡， 这样不但增加了操作人员的劳动强度，而且难以保证供水压力的恒定，影响了 供水质量。 (3) 频繁开启水泵增加了对点击泵的机械冲击，缩短了它们的检修周期和 使用寿命，增加了设备的检修费用，尤其是当大容量水泵启动时引起的电压波 动会对其它设备运行带来不良影响。 1.4 系统优点分析 （1）恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵 转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低 管道阻力大大减少截流损失的效能。通过调整频率来改变泵的转速，使泵处于 最佳运行状态，实现节能约 35%。 （2）由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时泵转速 降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 9 （3）因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳 动强度，节省了人力。由于电动机的转速一般都降至额定转速以下，水泵电机 工作电流下降，电机温升明显下降，使泵及管路的磨损程度大大减少，维修工 作量也大大减少。 （4）水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速度时间加速，避免电动 机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然 加速造成泵系统的喘振。 （5）由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供 水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显 的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快，而长期收益，其产生的 社会效益也是非常巨大。 （6) 高可靠性是 PLC 最突出的特点之一。由于变频器自身设置过流、过 压、欠压保护，消除了电机因过载的现象，确保了安全生产。 PLC 交流接触器组 电机泵组 管道 变频器 压力传感器 图 1-1 自动恒压供水系统原理图 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 10 2 系统硬件设计 2.1 恒定供水变频调速控制系统设计要点 1.变频器的容量 一般地说，当有一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动 机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原 则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载 时的用水量比两台水泵全速供水的供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器 的容量，但应注意留有足够的裕量。 2.电动机的热保护 虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量 变化频繁时，电动机将处于频繁的升速、降速状态，而升速、降速的电流可能 略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。 对于这种由于频繁地升速、降速而累积起来的温升，变频器内部的电子热保护 功能是难以起到保护作用的，所以，应采用热继电器来进行电动机的热保护。 3.主要的功能预制 （1）最高频率：应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。 （2）升速、降速时间：在采用 PID 调节器的情况下，升速、降速时间 应尽量设定得短一些，以免影响由 PID 调节器决定的动态响应过程。如变频器 本身具有 PID 调节功能，只要在预置时设定 PID 功能有效，则所设定的升速和 降速时间将自动实效。 4.系统主要特点 该恒压供水系统各部分的主要特点与功能： （1）操作台：实现系统操作控制及参数的设定与显示，该系统的操作台 为电控柜。 （2）可编程序控制器：完成供水网的压力信号和操作控制信号的输入， 以及 PLC 的控制输出，实现对一台变频器的调速控制。 （3）变频器：具有手动和自动调速功能。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 11 （4）切换装置：由继电器、接触器、开关等组成，实现 1 台变频器控制 3 台泵机的切换，以及在变频器故障时，旁路泵机到工频运行。 该控制系统控制方案既不属于“所有的水泵仅配一台变频器”的方案，又 不属于“每台水泵配一台变频器”的方案，是一种混合型方案。 5.系统硬件配置 目前市场上销售的 PLC、变频器、软启动器品类繁多、价格迥异，出于经 济原因以及运行维护等方面的原因，经过市场调查特选用西门子 S7-200 CPU226 型可编程控制器以及一块 8 路数字量输入扩展模块 EM221，台达 VFD075M23A 变频器。控制系统的 I/O 点及地址分配如下表 2.1 和 2.2 所示： 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 12 表 2-1 输入点代码和地址编号 名称 代码 地址编号 手动和自动运行 SA1 I0.1 开始 SB1 I0.2 变频器报警信号 SB2 I0.3 消防按钮 SB3 I0.4 水压（上、下限） I0.5I0.6 水位自动和手动控制 SA2 I0.7I1.0 水位上、下、下下限 I1.1I1.2 I1.3 1#泵变频、工频运行 LW1 I1.4I1.5 1#泵起停 SB4 SB5 I1.6I1.7 2#泵变频、工频运行 LW2 I2.0I2.1 2#泵起停 SB6 SB7 I2.2I2.3 3#泵变频、工频运行 LW3 I2.4I2.5 3#泵起停 SB8 SB9 I2.6I2.7 消铃按钮 SB10 I3.0 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 13 表 2-2 输出点代码和地址编号 2.2 电气控制系统原理图 电气控制系统原理图主要包括主电路图、控制电路图及变频器外围接线图。 1. 主电路图 名称 代码 地址编号 运行 HL0 Q0.0 1#变频 KM1 KM2 Q0.1 2#变频 KM3 KM4 Q0.2 3#变频 KM5 KM6 Q0.3 1#变频 KM2 KM1 FR1 Q0.4 2#变频 KM4 KM3 FR2 Q0.5 3#变频 KM6 KM5 FR3 Q0.6 消防 HL12 Q0.7 进水阀 KA1 Q1.0 输出端 M0 Q1.1 输出端 输出端 M3 M4 Q1.2 Q1.3 输出端 M5 Q1.4 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 14 VVVF R S T N QF1 FU KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 QF2 QF3 QF4 FR1 FR2 FR3 M 3 M 3 M 3 图 2-1 主回路电气原理图 2. 控制电路图 如图 2-2 所示为电控系统控制回路。控制方式分自动和手动两种方式，由 SA1 进行切换，水位控制也分自动和手动两种控制方式，由 SA2 进行切换。每 台水泵均有两种运行方式，由 LW 进行切换。Q1.0 接变频器启动输入端子， M0、M3、M4、M5 分别为变频器的多段速运行输入端子。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 15 o o o o o o o o I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 o o o o o o I3.0 I3.1 I3.2 M HL1 HL2 o o o o o o o o o o o o HL3 HL4 HL5 HL6 HL7 HL8 HL9 HL10 HL11 SA1 SB1 SB2 SB3 SA2 LW1 LW2 LW3 LW1 LW2 LW3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 1 1 2 2 3 3 S7-200 CPU226 EM221 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 N L 220V M0 M3 M4 M5 o o Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 L HL0 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 KM2 KM1 KM4 KM3 KM6 KM5 FR1 FR2 FR3 HL12 KA1 1 2 3 1 2 3 图 2-2 控制回路原理图 3. 变频器外围接线图 图 2-3 为变频器外围接线图，其中 BFB 为无熔丝断路器，目的是防止启动 电流过大损坏变频器，也可以装设漏电断路器。M0、M3、M4、M5 分别接 PLC 的 Q1.1、Q1.2、Q1.3、Q1.4 的输出端子。20mA 的电流表作为模拟电流输入的 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 16 指示，蜂鸣器作为变频器故障指示。图中的 E 接地的目的是避免高压突破冲击 以及噪声干扰。对于供水这样频繁启动的场合必须加装制动电阻。 故 障 报 警 R S T 无 熔 丝 断 路 器 NFB 制 动 电 阻 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 模 拟 电 流 频 率 指 示 M0 M3 M4 M5 AC1 GND U V W M E RA RB RC + 30V AFM GND 模 拟 输 出 - 3 A 电 源 指 示 010v 420mA 图 2-3 变频器外围接线图 2.3 系统功能简介 该恒压供水控制系统采用 1 台变频器控制 3 台离心式水泵的方式，即只有 一台水泵在变频运行，其它 2 台做工频运行，其二次供水系统结构如图所示 ： 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 17 图 2-4 二次供水系统 在供水系统中水泵运行和蓄水池水位均由电控柜进行控制，该系统采用变 频器、可编程序控制器以及水压传感器、水位传感器和智能型数字显示控制仪 表等器件，运行状态指示清晰，操作方便，不但供水压力稳定而且可以节约电 能，降低运行费用。电控柜外部接线图如图 2-5 所示。 T HL12 HL13 HL14 HL15 HL16 HL17 HL18 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 KA2 L1 L2 24V 24V 图 2-5 电控柜外部接线图 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 18 该系统具有“手动” 、 “自动” 、 “消防”等三种供水方式，储水池水位也能 有效控制，电控系统的工作原理及其操作方法扼要叙述如下： （1）水泵运行控制 水泵运行方式设置通过三只万能转换开关 LW1-3（见图 2-1）选择水泵工 作方式，将其分别设定为“变频” 、 “备用” 、 “工频”三个档位之一。就整体而 言，变频、工频、备用这三种不同状态只能分别设置一台水泵，如果有两台以 上的水泵选择了同一种工作状态，则控制柜上方“系统运行”黄色指示灯 HL0 闪亮，系统无法投入运行，提示值班人员应调整设置，如设置正确则 HL0常亮， 表明控制系统可以正常工作。 （2）手动控制方式 将“运行方式”选择开关 SA1置于“手动”档位，其上方黄色指示灯亮， 值班人员操作三台水泵的“起动” （绿色）或者“停止” （红色）按钮，便可直 接控制水泵的运行状态，非常方便。水泵由变频电源供电时，相应的蓝色指示 灯亮，水泵由工频电源供电，相应的白色指示灯亮，备用泵不参加运行。 （3）自动控制方式 将“运行方式”选择开关 SA1置于“自动”档位，上方蓝色指示灯亮。控 制柜上装有压力数字显示控制仪 WP，其压力上限、下限已预先设定，面板上还 有一只电压表，用表指示变频器输出频率，这只电压表满刻度时的频率为 50Hz。 值班人员按下上面的绿色按钮 SB1，首先是变频泵启动运行，由于这台水 泵是由变频器供电的，当用水量增加时，供水压力将上升，通过变频器内部的 PID 调节器的作用，使变频器输出频率上升，水泵转速自动提高以维持水压恒 定；反之，当用水量减小时，水泵转速又会自动降低，水压不会下降，水压的 给定值通过多圈电位器 VR（见图 2-3）调节。当用水量增加时变频器已达到其 设定的最高输出频率（50Hz）,供水压力降至下限且维持一定的时间，工频泵 会自动投入运行；当用水量显著增加时，供水压力再次降至下限时，则备用泵 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 19 也回投入运行。当用水量逐步减少时，供水压力升高至上限，则备用泵、工频 泵便依次退出运行，由变频泵维持正常供水。 综上所述，采用自动运行方式时，供水压力将在设定的上限、下限之间波 动，变频泵连续运行，工频泵、备用泵则在用水高峰期参加运行，不须值班人 员管理。 按下红色按钮 SB2（见图 2-2） ，全部水泵均停止运行。 （4）水泵退出运行 当某台水泵需要进行检修不能使用时，应将其置于“备用”状态，打开 柜门将其供电开关（QF 1-3之一）断开，这台水泵的电源就被完全切断。还要补 充说明的时，QF 1-3开关具有保护功能，当水泵的电动机发生故障时可以自动跳 闸，将电路断开。 （5）消防供水 按下电控柜门上的红色“消防”蘑菇形自锁按钮 SB3后，红色消防指示 灯 HL12亮，变频泵、工频泵、备用泵均投入运行，不受 SA1档位和水压高低的 限制，直接再次旋动“消防”按钮，解除自锁状态为止，HL 12灯灭，供水系统 恢复正常的运行状态。 （6）水泵全部停止时的供水 通常情况下深夜时段用水量很小，而此时城镇供水管网的压力较小，在 这种情况下可以将水泵全部停止，公共供水管道通过另一只管道的逆止阀接通 该小区供水总管直接供水，当控制柜遇到突然停电时也时如此，对提高小区供 水可靠性有所帮助。 （7）储水池水位控制 手动操作 将阀门工作方式“选择开关 SA2置于” “手动”档位，上 方黄色指示灯亮，继电器 KA1得电吸合，进水电磁阀 V 开启，下方绿色指示灯 HL18 亮，在水位光柱显示仪 WH上可以看到水位变化情况，当水位已达到上限 位置时，应该 SA2置于中间位，进水电磁阀 V 关闭，绿色指示灯灭，避免储水 池溢流，浪费资源。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 20 自动补水 将 SA2置于“自动”档位，上方蓝色指示灯亮。当储水池 水位下降到“下限”位置时，继电器 KA1吸合，电磁阀 V 便会自动开起浸水， 下方绿色指示灯 HL18亮；当水位上升到“上限”位置时，KA 1断电，电磁阀自 动关闭停止，因此储水池水位将在下限与上限之间变化，总有合理的储备以保 证供水和消防的需要。光柱数字显示控制仪直接显示水位变化情况，光柱高低 与水位成正比，十分形象直观一目了然。 在特殊情况下（例如公共供水管网停水）储水池水位下降到低于“下下限” 位置时，水泵全部停止运行，防止水泵受到损伤。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 21 3 系统软件设计 本程序分为三部分：主程序子程序和中断程序逻辑运算及报警处理等放 在主程序。系统初始化的一些工作放在子程序中完成，这样可节省扫描时间。 3.1 系统的 PID 设定 本程序利用定时器中断功能实现 PID 控制的定时采样及输出控制。生活供 水时系统设定值为 70%,消防供水时系统设定值为 90%。在本系统中,只是用比 例(P)和积分(I)控制,其回路增益和时间常数可以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为： 增益 Kc=0.25; 采样时间 TS=0.2 s; 积分时间 Ti=30 min 3.2 所用 PLC 元器件 程序中使用的 PLC 元器件及功能如表 3-1 所示。 表 3-1 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 VD100 过程变量标准化值 T38 工频泵减 泵滤波时 间控制 VD104 压力给定值 T39 工频/变 频转换逻 辑控制 VD108 PI 计算值 M0.0 故障结束 脉冲信号 VD112 比例系数 M0.1 泵变频启 动脉冲 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 22 VD116 采样时间 M0.3 倒泵变频 启动脉冲 VD120 积分时间 M0.4 复位当前 变频运行 泵脉冲 VD124 微分时间 M0.5 当前泵工 频运行启 动脉冲 VD204 变频器运行频率下限值 M0.6 新泵变频 启动脉冲 VD208 生活供水变频器运行频率 上限值 M2.0 泵工频/ 变频转换 逻辑控制 VD212 消防供水变频器运行频率 上限值 M2.1 泵工频/ 变频转换 逻辑控制 VD250 PI 调节结果存储 M2.2 泵工频/ 变频转换 逻辑控制 VD300 变频工作泵的泵号 M3.0 故障信号 汇总 VD301 工频运行泵的总台数 M3.1 水池水位 下限故障 逻辑 VD310 倒泵时间存储器 M3.2 水池水位 下限故障 消铃逻辑 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 23 T33 工频/变频转换逻辑控制 M3.3 变频器故 障消铃逻 辑 T34 工频/变频转换逻辑控制 M3.4 火灾消铃 逻辑 T37 工频泵增泵滤波时间控制 - - 3.3 程序设计 恒压供水系统的梯形图程序和语句表及程序注释如图 3-2 所示。对该程 序有几点说明： （1） 因为程序较长，所以读图时请按网络标号的顺序进行； （2） 本程序的逻辑控制设计针对的是较少泵数的供水系统； （3） 本程序不是最优设计。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 24 开 始 初 始 化 子 程 序 管 网 压 力 信 号 采 集 数 据 分 析 计 算 根 据 策 略 分 析 手 动 PID子 程 序 变 频 调 速 调 节 自 动 压 力 正 常N Y Y N 图 3-2 PLC 工作流程图 1. 主程序设计 该系统具有手动和自动两种运行方式，手动方式只在系统出现故障和调试 时使用。选择自动运行时，开始启动水泵，如果满足要求，则 1#泵变频交流接 触器吸合，电机和变频器连通，同时打开 1#泵的电磁阀，通过检测压力的大小， PLC 经过 PID 运算，此时变频器的输出频率从 0Hz 开始上升，如果实际压力太 小，调整 1#泵电机频率，当频率调整到 50Hz，供水压力仍不足以使p=0，则 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 25 该台变频泵切换为工频，如果压力继续不够，则将 1#泵切换到工频，再启动 2#泵，依次类推，直到出水压力达到设定压力。如果实际压力过大，逐渐降低 本台水泵电机频率，如果频率降低到 5Hz 仍不足以使压力差p=0，则关闭上 次转换成工频的水泵，再进行调整，这样每台水泵都在工频和变频之间切换， 做到先开先停，后开后停。 2.初始化子程序设计 在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时 候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对模 拟量(管网压力、液位等)数据处理的数据表进行初始化处理，赋予一定的初值。 3.PID中断程序设计 本设计中，PID调节子程序设计是取得恒压供水较好效果的关键。PID控制 是一种负反馈控制，它所组成的控制系统由PID控制器和被控对象组成，具有 一般闭环反馈控制系统的结构，通过负反馈作用使被控系统趋于稳定。PLC将 实际压力与水压设定值比较后经内部PID运算，得出控制量，由PLC输出PWM信 号，再经低通滤波，后作为变频器所需的控制电压改变泵电机转速，最终调节 管网压力。PID闭环反馈控制原理如图3-3： 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 26 PLC调 节 变 频 器 频 率 电 机 转 速 实 际 压 力 压 力 传 感 器 设 定 压 力 P1 e(t) f1 f2 n p2_ 图3-3 PID闭环反馈控制原理 在S7200 PLC中，编程软件提供了PID指令向导，指导使用者定义一个闭 环控制过程的PID算法，该算法程序由编程软件自动插人到主程序中。在PID子 调用程序中，PID的组用户通过在PID指令向导中指定PID回路参数表(Table)中 的各项参数，然后执行相关的指令即可使PID控制。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 27 4 系统抗干扰措施 4.1 系统硬件抗干扰措施 1 干扰来源 变频器内部含有整流电路，众说周知整流电路是高次谐波源，所以系统就 不可避免的产生高次谐波，通常变频器的整流电路是由三相整流桥组成。根据 高次谐波的级数理论，n= pk+1(p=脉冲数， k=1，2，3)，通用变频器中 三相整流器产生 5 次，7 次，9 次，11 次，13 次，高次谐波。 图 4-1 为变频器内部的整流电路。该电路由三部分组成：PWM 变换电路，中间直流电 路，逆变器。 滤 波 电 感 U V W L1 L2 L3 图 4-1 变频器整流电路 2 危害 谐波夹杂在基波当中，对电气设备的危害是十分严重的。谐波电流通过变 压器，可以使变压器铁心损耗明显增加；谐波电流通过水泵电机，不仅会使电 机的铁心损耗增加，而且会使电机的转子发生振动现象，影响正常供水；谐波 还可以使感应式电能表计量不正确，会给自来水厂造成不必要的经济损失。 3 抑制 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 28 由于谐波的危害很大，所以在供水系统中必须采取一定的措施最大限度的 消除谐波，对于变频器的谐波抑制技术，有以下几种： （1）高功率因数变换器：变频器自身完成谐波抑制。 （2）AC 电抗器：在变频器电源测安装 AC 电抗器，增加阻抗，抑制谐波。 （3）DC 电抗器：在变频器的中间直流电路中安装 DC 电抗器，增加阻抗， 抑制谐波。如图 4-1 中间的滤波电感。 （4）AC 电抗器和 DC 电抗器：在电源侧安装 AC 电抗器，并且在中间直流 电路中安装 DC 电抗器，增加阻抗，抑制谐波。 该恒压供水系统采用第三种谐波抑制错失，加装抑制装置后的电路图如图 4-2 所示。 滤 波 电 感 U V W L1 L2 L3 滤 波 电 感 滤 波 电 感 滤 波 电 感 图 4-2 加装抑制装置后的电路 在供水系统中的干扰除了谐波，还有噪声。变频器产生的噪声概略划分为： 变频器来的直接辐射噪声、变频器主电路连接电线噪声、电磁感应噪声、靠近 主电路电线周围设备的信号线静电感应噪声以及通过电源回路传播的噪声。在 图 4-3 中接地的目的就是为了衰减噪声，另外还可以在变频器的电源侧加装噪 声滤波器，图 4-3 为加装噪声滤波器的电路图。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 29 噪 声 滤 波 器 1 2 3 GND FG FG 6 5 4 R S T U V W M 3电 源 变 频 器 图 4-3 加装噪声滤波器后的部分电路 4.2 系统软件抗干扰措施 软件干扰主要是来自压力变送器和水位传感器传来的信号持续的时间， 例如压力上限只维持 1 秒的时间，这时如果采取增加电机势必会增加不必要的 麻烦，为此可以采用定时器延时一定的时间进行监控，这样就给系统留有一定 的动作时间， 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 30 5 总结与展望 该恒压控制系统具有控制水泵出口总管压力恒定的供水功能，系统通过安 装在出水管道上的压力传感器，实时将非电量的压力信号转换为电信号，输入 可编程控制器的输入模块，经 CPU 运算处理后与设定的信号进行比较运算，得 出最佳的运行工况参数，有系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率 设定值，控制泵站的投运台数及变量的运行工况。 5.1 系统优点 1 软起、软停 ：由于系统采用变频调速，可以通过设置变频器的参数来设 定电机到达最高频率的时间和和变频器运行频率降至 0 的时间（台达变频器可 以通过设定 P03，P147， P14，P111，P10，P11 或者 P12，P13） 。较之以往的 启动和制动方式具有方便快捷，降低损耗，节约成本的特点。 2 多段速运行 ：通过变频器的参数设置（台达变频器可以通过设 P40,P41,P42, P17,P18,P19,P20,P21,P22,P23)可以实现多段速运行，多段速 运行使供水系统能够对压力的变换做出更加灵敏的反映，可以更好的满足用水 需求，大大节约了水资源和经济成本。 3 节能 ：由于采用变频调速，使电机的转速根据需要确定相应转速，从 而节约了大量电能，降低了成本损耗，具有良好的经济和社会效益。 4 “休眠功能”：系统运行时经常会遇到用户用水量减小或不用水（如夜 晚）的情况，这时为了节约水资源，该系统可以通过设置变频器的相应参数 （台达变频器通过设置 P136,P137,P138),当变频器的输出频率低于设定的休眠 频率时，变频器会自动停止，即所谓的“休眠” ；当变频器的输出频率高于苏 醒频率时，变频器又会自动启动，同样达到节约能源的目的。 5 通讯功能：该系统具有与计算机的通讯功能，PLC 变频器均有 RS485 接 口，计算机可以与一台或多台系统通讯，并且通过现场总线技术实现供水系统 的网络化控制，实时监测：电流、电压、频率、转速、压力等也可以控制变频 器的各项参数，从而为供水系统的网络化控制提供极大的便利。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 31 5.2 系统改进 1 抗干扰能力差：由于外界各种各样的影响，传感器传输给 PLC 的模拟 电流信号（4-20mA）中难免有干扰信号，有时会很大，从而影响恒压控制的精 确性。为此可以考虑采用智能仪器来代替压力传感器，因为智能仪器不仅能提 高压力信号的测量精确度，而且采用数字滤波，使系统可以获得更高质量的压 力反馈信号，使恒压控制更加精确。 2 软件改进：在实际运行中，3 台水泵的工作情况相当复杂，相应的控制 程序也很复杂。例如：添加电机的情况就有六种： 12、13、21、23、31、32。该系统的 程序包含启动和运行以及电机切除子程序，所以程序也应该相应改变，由于本 人的编程水平有限，改控制程序尚待改进。 总而言之，该恒压控制系统实现 了恒压控制、变频调速以及节能的目的，达到了预期的目的，相信通过改进本 控制系统会更加优越。 5.3 前景与展望 新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设 备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都 具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优 越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这 一高新技术产品。 目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发 展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发智能 楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的 单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠， 但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为 节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计。 21世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 32 地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、 智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展； 从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、 完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各 自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌 垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看， 可编程控制