基于PLC的水塔水位控制系统设计

毕业论文（设计）基于PLC的供水系统设计系 部 自动控制工程系 专 业 名 称 电气自动化技术 班 级 姓 名 学 号 2011年10月27日摘要基于PLC的供水系统设计摘 要随着社会经济的迅速发展，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、搞节能、能适应不同领域的恒压供水系统已成为必然趋势。本设计是针对居民生活用水而设计的。由PLC、变频器、压力传感器等组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由四台水泵并联而成，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，是系统运行在最合理状态，保证按需供水。本设计介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节再经过PID运算，通过PLC控制变频于工频切换，实现闭环自动调节恒压变量供水。关键词：变频调速；恒压供水；PID调节；PLC；变频器11摘要The design of water supply system based on PLCAbstractWith the rapid development of social economy, people water quality and water supply to demand for improved system reliability: coupled with the current energy shortage, the use of advanced automation technology, control technology and communication technology, design high-performance, engage in energy conservation, to adapt Water Supply System in different fields has become an inevitable trend. This design is designed for the living water. By the PLC, inverter, pressure sensors, control system components, adjusting the pump output flow. Motor pumps made by the four pumps in parallel, by the frequency converter or power supply, water supply systems under the pressure and flow to control the export drive and switching speed of the motor pumps, the system is running in the most reasonable state to ensure on-demand water supply. The design introduced with PLC control frequency control water supply system, the PLC logic control, the inverter for pressure regulation and then after PID operation, through the PLC control frequency in the frequency switching, automatically adjust the constant pressure to achieve closed-loop variable water supply. Keywords: variable frequency and speed regulation; water supply of constant pressure; PID control system; Programmable Logic Controller; Transducer目录目录1绪 论12恒压供水系统方案22.1 本设计的内容22.1.1 恒压供水系统的选型22.1.2 变频调速恒压供水系统的优点22.2 系统控制方案的确定32.3 系统控制方案及系统特点43系统硬件选型53.1 PLC的选择53.1.1 PLC的概述53.1.2 PLC的选型53.2 变频器的选型53.3 水量计算及水泵的选型63.3.1 用水量计算63.3.2 水泵的选型63.4 压力传感器的选型74硬件接线图84.1 PLC及变频器控制电路84.1.1供水系统主电路84.1.2系统控制电路84.1.3 PLC接线94.1.4 PLC输入输出分配104.1.5 变频器接线115系统程序设计125.1系统工作过程分析125.1.1手动运行125.1.2自动运行125.1.3安全问题125.1.4工作泵组管理135.2 PID控制及其控制算法145.3程序调试15总 结19致 谢20参考文献21附 录221绪论1绪 论长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水池等设施来实现。由于小区高楼用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀的开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。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，于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。变频恒压供水系统已经逐渐取代原有的水塔供水系统。变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、传感器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。该技术已在供水行业普及。我的设计采用一台PLC和变频器来控制四台水泵实现恒压供水的稳定。当前住宅建筑的小区规划趋向于更具人性化的多层次住宅组合，不再仅仅追求立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻一人文本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用率的最大化。变频器调速技术在水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。2恒压供水系统方案2恒压供水系统方案2.1 本设计的内容2.1.1 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。2.1.2 变频调速恒压供水系统的优点相对与传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出在以下几个方面：（1）高效节能变频恒压供水系统的最大优点是节约电能，节能量通常为1540%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。（2）恒压供水变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。（3）安全卫生系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水池定期清理的工作。（4）自动运行、管理简便新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。（5）延长设备寿命，保护电网稳定使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，实现了机泵软启动，避免了电机开机时的大电流冲击，消除了水泵的水锤效应。（6）占地少、投资回收期短新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等发面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短。2.2 系统控制方案的确定传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：（1）恒速加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬启动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。（2）水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护部方便，水泵电机为硬启动，启动电流大等缺点，频繁启动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。（3）气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬启动且启动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵启动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。（4）液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。（5）单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修部方便，且不使用于恶劣的工业环境。综上所述：传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度高缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩。2.3 系统控制方案及系统特点PLC变频恒压供水控制系统是以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变频器，变频器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，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或最小时，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,该系统的特点如下：（1）电控自动状态时，4台水泵自动轮换变频运行，可转换自动或人工手动开、停机。（2）有设备工作、停机、报警指示。3系统硬件选型3系统硬件选型3.1 PLC的选择3.1.1 PLC的概述现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程序控制器(Programmable Logic Controller , PLC)正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。3.1.2 PLC的选型目前国际上生产PLC的厂家有上百个，其中有几家举足轻重的公司，它们是德国的西门子（SIE-MENS）公司，美国的罗克韦尔（ROCKWELL）自动化公司所属的A-B(ALLEN & BRADLY )公司,GE-France公司，法国的施耐德（SCHNEIDER）公司，日本的三菱（MITSUBISHI）公司和欧姆龙（OMRON）公司。德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。 为此， 本次设计我选用西门子公司的PLC，选用型号S7-200。3.2 变频器的选型在本系统我们选用的是三菱F系列的FR-F500变频器风机/泵类专用变频器，采用最适磁通控制方式，实现更高节能运行。内置PID、变频器/工频切换和多泵循环运行功能。PLC通过串行口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数。3.3 水量计算及水泵的选型3.3.1 用水量计算设计流量的大小直接关系到水泵的选型、管网的口径及给水的安全性保证。目前，一般住宅小区的设计流量主要包括以：居民生活用水、公共建筑用水、消防用水、绿化用水、浇洒道路用水、未预见水量及管网漏失水量。其中，公共建筑用水、消防用水、绿化用水、浇洒道路用水量为7,未预见水量及管网漏失水量为3。小区居民生活用水，本小区600户居民，按每户3人计算，则总用水人数为1800人，按照城市住宅标准规定“住宅每人最高日生活用水定额不应小于230L”，可取300L(人.d)。又根据建筑给水排水设计规范（GBJ15-88）第1.6.1中的方法,由以下的公式： （式3-1） 式中-最大每小时生活用水量；-最高日用水量；-每日使用时间；-每小时变化系数，可取2；则：=2*1800*300/(1000*24)=45总用水量：45+8+2=553.3.2 水泵的选型根据我们的需要，并考虑节约电能和系统运行，选取3台流量为18的水泵，总流量为54，多余的流量可满足其他未预见流量。此外还有一台小流量水泵用于气压罐供水。经过调查有以下三种水泵：表3-1 水泵选型表品牌型号流量使用范围吸入口径排除口径FUKSIPM16A10满水25(cm)25(cm)产品别名型号流量使用范围吸入口径排除口径附胶污水泵100WGF1.8-25输送含酸性15(cm)100(cm)品牌型号流量使用范围吸入口径排除口径山楠牌50LG18-20(LG-B)18高楼供水5(cm)6(cm)由上表可知：山楠牌的水泵各方面都能满足系统要求，而且是专用于供水的水泵。它的具体型号如上可知。选用水泵型号如下：型号：50LG18-20*5（LG-B）数量：3台 功率：11KW 额定电压：380V 额定电流：22A 转速：2950 r/min型号：50LG18-20*3（LG-B）数量：1台 功率：5.5KW 额定电压：380V 额定电流：11A 转速：2950r/min3.4 压力传感器的选型根据我们的需要，并结合它所具有的特点，我们选用PTH503压力传感器。它采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性，输出信号：4-20mA(二线制)、0-5V、1-5V、0-10V(三线制)供电电压：24DCV(9-36DCV)。广泛应用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制，具有高精度、高稳定性、高重复性、量程范围宽、介质兼容性好等优点。4硬件接线图 4硬件接线图4.1 PLC及变频器控制电路4.1.1供水系统主电路该系统有4台水泵，如图4-1所示，合上空气开关后，当交流接触器KM2、KM4、KM6、KM8主触点闭合时，水泵为工频运行；当KM1、KM3、KM5、KM7主触点闭合时，水泵为变频运行。4个热继电器FR1-FR4分别对台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。图4-1 恒压供水系统的主电路图4.1.2系统控制电路如图4-2所示，当打到手动挡时,由SB1、SB2、SB3、SB5的来控制增泵;当打到自动挡时,只有Y11得电后闭合系统才能变为自动运行状态,FR1-FR4分别对4台电机进行过载保护。 图4-2 恒压供水系统控制电路图4.1.3 PLC接线如图4-3所示，X0为小功率水泵M1的启动按钮,X1-X6为手动控制按钮,控制其余3台水泵在三种状态间的转换(工频、变频、停止),X10为紧急状态下关闭系统按钮,X11为自动运行按钮。X13、X14分别为模拟变频器运行频率上限和下限,Y10为系统报警指示,Y11为系统自动运行状态指示。图4-3 PLC接线图4.1.4 PLC输入输出分配表4-1 PLC输入输出分配表X000M1变频运行X001-X006手动控制按钮X010紧急复位按钮X011自动运行按钮X012自动运行停止按钮X013模拟变频器运行频率上限X014模拟变频器运行频率下限Y000M1变频供水指示Y001M1工频供水指示Y002M2变频供水指示Y003M2工频供水指示Y004M3变频供水指示Y005M3工频供水指示Y006M2变频供水指示Y010系统故障报警指示Y011自动运行指示4.1.5 变频器接线图4-4为三菱FR-F500变频器的接线图,设定值由端子2输入,从传感器过来的测定值(模拟信号)由端子5和4输入, 端子5为模拟信号公共端, 端子FU为输出频率(上限值)检测信号, 端子FU2为输出频率(下限值)检测信号,通过继电器将信号传给PLC，由PLC做出判断来选择增泵还是减泵。电源RST102514偏差信号(测定值)420mA+024V电源UVW电机FUFU2SER02R03DC24V设定器(设定目标值)图4-4 变频器接线图5系统程序设计5系统程序设计5.1系统工作过程分析5.1.1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#-4#泵的启动。该方式主要供检修及变频器故障时用。5.1.2自动运行当用水量较小时，Y000得电，变频器启动，小功率水泵M1开始变频运行。当用水量增大到不能保证管网的压力稳定时，Y000断电PLC自动将其停止，同时Y001、Y002得电闭合，把水泵M2投入到变频运行，M1切换为工频运行状态。若变频器运行频率达到上限，Y003得电闭合，Y002断电断开，把原来变频状态下的水泵M2投入到工频，同时Y004得电闭合将下一台水泵M3变频运行，以保证管网的供水量稳定。若变频器频率达到上限，Y006得电闭合，水泵M4投入变频工作，同时Y003、Y005得电闭合，M1、M2、M3工频运行。如还未满足管网压力稳定，则系统报警，停止整个系统；如整个系统在运行过程中出现故障，则按下X010紧急停车。当用水量减小时，变频器的频率下限信号和管网的压力上限信号时，停止现在的变频泵，同时将上一台变为变频运行，若上述两个信号仍然存在时，PLC再重复以上工作。当到达变频器的频率下限信号和管网上限信号时，停止正在运行的变频器和水泵，把小功率水泵M1投入运行，以节约用电和休息变频器、水泵。5.1.3安全问题软件方面设置多个保护环节，时时检测系统状态，安全报警等。硬件方面设置安全链机械保护，经多个闭合触点组成，包括紧急停车， 电机过热保护继电器，空载保护等。安全链多个触点均为常闭触点，系统才能进行正常工作。 5.1.4工作泵组管理为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台泵，第三台泵甚至第四台备用泵。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。图5-1 系统顺序功能控制图5.2 PID控制及其控制算法在供水系统的设计中，选用了具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制保证供水系统的压力稳定，较好地满足系统的恒压要求。在连续控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点：理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值：r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t)： e(t)= y(t)- r(t) （式5-1）经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制器u(t),对被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图4-1所示，图中u(t)为PID调节器输出的调节量。 图5-2 PID控制原理图PID控制规律为： （式5-2）式中：为比例系数；为微分时间常数。相应地传递函数形式： （式5-3）用一系列的采样时刻点代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到PID位置控制算法表达式： （式5-4）式中：为采样周期；为采样序号；为第时刻的偏差信号；为第时刻的偏差信号。PID位置控制算法采用全量信号e(j)相加，计算繁琐，占用内存大；另一方面计算机输出的控制量可能出现大幅度变化，引起执行机构的大幅度变化，这是不允许的。为此实际控制中多采用增量式PID控制算法，其表达式为：u(n)= （式5-5） 式中：u(n)为调节器输出的控制增量；。增量式算法不需要累加，调节器输出的控制增量u(n)仅与最近几次采样有关，所以错误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效。5.3程序调试手动控制如图5-3。图5-3 M1变频运行示意图按下X000，M1变频运行，如图5-4。图5-4 手动状态：M1工频、M2变频运行示意图当变频器运行频率达到设定上限时，按下X001，M1工频运行，M2变频运行，如图5-5。图5-5 手动状态：M1、M2工频、M3变频运行示意图当变频器频率达到设定上限时，按下X002，M1、M2工频运行，M3变频运行，如图5-6。图5-6 是M1、M2、M3工频、M4变频运行示意图当变频器运行频率达到设定上限时，按下X003，M1、M2、M3工频运行，M4变频运行，如图5-7。图5-7 手动关闭M4，M1、M2工频，M3变频运行示意图当变频器运行频率达到设定下限时，按下X006，关闭M4,M1、M2工频运行，M3变频运行如图5-8。图5-8 手动关闭M2,M1变频运行当变频器运行频率达到设定下限时，按下X003，关闭M2，M1变频运行，如图5-9。图5-9 手动关闭M3，M1工频运行，M2变频运行示意图当变频器运行频率达到设定下限时，按下X005，关闭M3，M1工频、M2变频运行，自动控制，如图5-10。图5-10 自动状态：M1工频运行，M2变频运行示意图当变频器运行频率达到设定上限时，M1工频运行，M2变频运行，如图5-11。图5-11 自动状态: M1、M2工频运行，M3变频运行示意图当变频器频率达到设定上限时，M1、M2、M3工频运行，M4变频运行，如图5-12。图5-12 自动状态：M1、M2、M3工频运行，M3变频运行示意图当变频器运行频率达到设定上限时，关闭M1、M2、M3工频运行，M4变频运行，如图5-13。图5-13 自动状态：关闭M4，M1、M2工频运行，M3变频运行示意图当变频器运行频率达到设定下限时，关闭M4,M1、M2工频运行，M3变频运行，如图5-14。图5-14 自动状态：关闭M2，M1变频运行示意图当变频器运行频率达到设定下限时，关闭M2，M1变频运行，如图5-15。图5-15 自动状态:关闭M3，M1工频运行，M2变频运行示意图 当变频器运行频率达到设定下限时，关闭M3，M1工频运行，M2变频运行，如图5-16。图5-16 自动状态：系统报警