基于plc的恒压供水控制系统

学习文档仅供参考学习文档仅供参考现实条件下，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。本论PLCPLC关键词：PLC，变频调速，恒压，供水绪论站效率，降低能耗，对国民经济有重大意义。目前，泵站有很大一部分水泵电制装置使供水状况有了一些改变。不变速电机的电能大多消耗在适应供水量的用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供给商之一)后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以PLC和PID并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。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技术指标来说，还远远没能到达所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团〔森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环(月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。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。PLC(过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。由于要根据现场情况调整系统参数，而PLC的软件中时间参数的调整更简单，这样更有利于运行人员掌握。恒压供水系统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: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)同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。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水系统是一个线性系统。在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与以及报表打印等功能。用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果使用寿命。课题研究的对象图2.1供水流程简图学习文档仅供参考此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。这栋楼有24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。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：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。单片微机电路控制方式干扰能力都不太好。PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。新型变频调速供水设备TD2100Altivar58SANKENSAMCO—IACS600ACS400系列产品；富士GIIS／PIISPID调节器以及简易可编程控学习文档仅供参考制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。由于 PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑稳定同时为了保证水压反馈信号值的准确不失值可对该信号设置滤波时间常数同时还可对反馈信号进行换算使系统的调试非常简单、方便。考虑以上四种方案后，此次计采用第四种方案。如图2.2所示。图2.2供水系统方案图变频构成恒压供水系统的及工作原理系统的构成图2.3系统原理图2.3PLC学习文档仅供参考学习文档仅供参考学习文档仅供参考(0～5V电压信号)送器(4～20mA电流)现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。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。执行机构3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。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。控制系统(PLC系统)器和电控设备三个部分。①供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对触器对执行机构(即水泵)进行控制。②变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。③电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。通讯接口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报警装置变频器报警、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。工作原理入全自动运行状态，PLCKM6，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)PID调2台泵(3台泵)。当变频器运行频率到达频率上限值，PLC1PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、限偏差范围之内。增泵工作过程：假定增泵顺序为l23PLC控制PLC的112223泵投入变频运行。3212.4.3变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析机组不过于频繁的切换。0-400Hz50Hz时进行。由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，频率不能够为负值，最低只能是0Hz。其实，在实际应用中，变频器的输出频率0Hz。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于0Hz,20Hz左右。由于在变频率也就成为变频器频率调节的下限频率。1-2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。PID将偏差的比例((Proportional)(Integral)和微分(Derivative))通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制的控制器，简称PID控制器或PID调节器，是生产过程中应用最普遍的控制方法。它的结构简单，操作方便，可靠事实上，PID是一种负反馈控制，它以设定的控制目标值与反馈值的差值作比例、微分、积分后用来控制受控对象。图2.4常规PID控制系统原理框图其系统原理框图如图2.4所示连续系统的PID控制算式表示为：1 t de(t)u(t)Kp[e(t)

e(t)dtTd ]Ti dt0

(2-1)e(t)r(t)…设定值，y(t)…实际值Kp，Ti，Td分别为控制式的比例、积分、微分系数简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：学习文档仅供参考学习文档仅供参考学习文档仅供参考e(0)控制器立即产生控制作用，以减少偏差。Ti、Ti(变化速率)，并能在偏差信号值变减小调节时间.PIDPID又分为位置式算法和增量式算法。将式中的积分用求和代替，微分用增量代替，则得到位置式PID算式为：TTij0

j)t)]}T(2-2)式中：Kp为比例系数；(2-2)Ki=KpT/Ti，TKd=KpTd/T次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(kt)进行累加，电脑运算工作量u(t)u(t)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化．这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PDPD是指数字控制器的输出只是控制量的增量Au(kt)。采用增量式PID算法，式(2-2)改写为：e(kt2t)]}(2-3)曝气池污水处理是一个复杂的大滞后的生化反应过程，如果通过机理的方PIDPID控制原理可知，比例增益〔KP〕可以加快响应速度，提高调节精度，但是如果过缓慢，且超调量过大。PID参数整定原则根据A/A/O活性污泥法污水处理的特点，结合PID的三个系数〔KP 、KI、KD〕，对系统控制的作用，可以确定如下三条整定原则：E很大时,PIDKP取较大值，同时为防止积分和微分饱和，KD可取较小值，KI取0。E·EC>0,说明误差在向绝对值增大的方向变化，即实际值与参考PID控制参数方面，KP可取较大值，同时可取较小的KI和中等的KDKPKI和较小的KD，以提高系统的稳态性能，防止产生振荡。E·EC<0，说明误差在向绝对值减小的方向变化，即实际值与参误差绝对值，在PID控制参数方面，可取中等的KP，同时可取较小的KI和中等的KD，以提高动态性能和稳态性能；当误差绝对值较小时，误差变化率绝KPKI和较小的KD，以提高系统的稳态性能，防止产生振荡。同时，因为系统存在较大的PID控制参数方面，可取中等的KP，同时可取较小的KI和中等的KD，以提高动态性能和稳态性能。器件的选型及介绍PLC可编程控制器简称——PLC可编程控制器简称——PLC便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。〔1〕PLC的主要功能PLC是八十年代发展起来的新一代工业控制装置，在实践中通过不断完善，已具备比较理想的功能，可以满足各种不同控制领域的需要。目前典型的LPC的功能有以下十种:开关量控制;6.步进控制;模拟量控制;7.数据处理;定时控制; 8.自诊断功能;计数控制; 9.定位控制;通讯联网功能; 10.显示、打印功能。〔2〕PLC的特点PLC作为工业生产过程控制的专用电脑，与通常在实验室环境下使用的微机不同。由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC在设计上有许多明显的特点。可靠性高、编程直观简单、通用性强、适应性好、接口能力强、模块化结构、体积小、结构紧凑、安装维修方便等。PLC在系统中的主要实现的功能：PID调节对变频器的驱动控制。变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用出端送出经给定值与反馈值比较并经PID此信号的变化改变变频器的输出频率。因为本系统设计所需的输入输出点较多所选PLC点。PLCSIEMENSS7-200(CPU226)型PLC30个〔输入端子有24个，输出端6PLC2440I/O端子的PLC。输入单元：拨盘开关4个分别为小数位、个位、十位、百位；接近开关SW1S11S21SB0～SB910个；限位开ST1～ST44个。变频器的选型器的额定电流要与设备配套。的。变频器主要优点：〔1〕省电：20%-50%。〔2〕压力精确度±0.1Bar。〔3〕提高马达功率因素。〔4〕降低启动电流，减少对电网冲击。〔5〕降低设备运转噪音，提供良好工作环境。〔6〕降低能源消耗和生产成本，提高产品竞争力,延长空压机使用寿命。〔7〕降低故障率，减少维修成本。〔8〕提供稳定之排气压力，有利于提高产品的合格率。〔9〕变频和工频可任意切换〔不改变电动机原有操作模式〕SIEMENSMM440MM440其恒定转矩控制方式的额定功率范围为120W~200kW，可变转矩控制方式的额定250kw，操作器方式，修改其内置参数，即可满足各种调速场合的需要。MM4408FXGX顺序排列越来越大，另外每种型号种都有单相和三相两种输入电压。〔1〕主要特点1〕内置多种运行方式；2〕快速电流限制，实现无跳闸运行；内置式制动斩波器，实现直流注入制动;3〕内置式制动斩波器，实现直流注入制动;具有PID功能的闭环控制，控制器参数可自动整定；4〕具有PID功能的闭环控制，控制器参数可自动整定；5〕多组参数设定且可相互切换，变频器可用于多个交换工作的生产过程；6〕多功能数字、模拟输入输出口，可任意定义其功能和具有完善的保护功能。〔2〕控制方式MM440方式：1〕线性VF控制变频器输出电压与频率为线性关系，用于恒转矩负载。2FFC3平方VF控制 变频器的输出电压平方与频率为线性关系用于变转矩载。4VF控制方式可用于在某一特定频率下为电机提供特定的转矩。5VF低电动机电压，搜寻并使电动机运行在最小损耗的工作点上。6〕有/无传感器矢量控制到大高电动机的转矩。7/设定的数值。〔3〕保护功能MM440热保护、接地故障保护、短路保护、I2TPTC/KTY〔4〕MM440变频器的功能方框图图3.1MM440内部功能图图3.2为MM440变频器的内部功能方框图。其控制电路由CPU、模拟输入/输出、数字输入输出、操作面板等组成。该变频器共有20多个控制端子，分为四类：输入信号端子、频率设定输入端子、监视信号输出端子和通信端子。输入信号：DIN1、DIN1PLC、L2、L3输入。输出信号：U，V，W为接三相异步电动机。DIN1-DIN6为数字输入端子，一般用于变频器的外部控制，其具体功能由DIN1为正向运行、DIN2转控制、复位、多级速度设定、自由停车、电动控制等操作，PTCPTC测温保护。AIN1AIN2为模拟信号输入端子，分别作为频率给定信号和闭环时反馈信0-10V电压设定4-20mA频率输出的最大值。变频器有两路频率设定通道，开环时只用AIN1通道，闭环学习文档仅供参考学习文档仅供参考学习文档仅供参考AIN21、210V用这样的高精度的电源。输出信号的作用就是对变频器运行状态的显示，或向上位机提供这些信息。PLCEM235I／OEM235EM235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体〔ST〕单片集ASICDC4～20mA250Ω电阻转换DC1～5V500ΩDC2～10V主要特点〔150／60Hz制隔离变送器模块；〔2〕采用印制板直插安装型模块结构，将精密电流互感器和单片集成电流变送器两部分组合为一体化设计；〔3〕具有国内首创4种补偿措施：①零位补偿、②线性补偿、③温度漂移补偿、④频率带宽补偿；〔46保护；③输出电流长时间短路保护；④两线制端口瞬态感应雷与浪涌电流抑制保护；⑤工作电源过压极限保护≤35V；⑥工作电源反接保护；〔5〕原副边高度绝缘隔离；〔6〕高可靠性，高稳定性，高性价比；〔7〕特别适用于将发电机、电动机、智能低压配电柜、空调、风机、路灯等馈电电流互感器的二次侧1A、5A、10A电流隔离转换为标准两线制DC4～20mA直流信号，输入智能监控系统；〔80.096W0.48W0.6W。〔9〕频率带宽：AC40～1000KHz2.主要功能与特性〔1〕将被测工频交流电流转换成按线性比例输出的两线制DC4～20mA标准直流信号；〔2〕优良的温度特性和长期工作稳定性；〔3〕第3代定型设计采用意法半导体〔ST〕单片集成变送器ASIC芯片(绝非LM324或LM258廉价运放搭成)；〔43代定型设计采用强功率线性变压原理,210倍；〔5〕精确度高,线性度优良；〔6〕两线端口具有输出过流过压极性保护功能,具有感应雷击波和突波保护能力；EM235S7—200PLCEM235，它具有四路模拟量输入及一3.1EM235的输入、输出信号规格，以供选用。44路输入，当信号的类型(电流或电压)不同时，接线方法不一样，输出是电流量还是电压量在接法上有区别。3.1EM235输入技术标准

输出技术标准最大输入电压 30VDC

隔离 无〔现场到逻辑〕最大输入电流输入滤波衰减分辨率隔离输入类型输入范围

32Ma-3Db12A/D否差分0-10V，0-5V

信号范围电压输出电流输出量程电压电流

±10V0-20mA1211-32000-3200电压单极性 0-1V,0-500mV电压双极性 ±10V，±5V，±±1V,±500mV,±250mV±100mV±50mV,±25mV

电压 0电流 0-32000最差情况0-25电压输出 ±2%满量程电流0-20mA电流0-20mA电流输出±2%满量程A/D转换时间<250us经典25模拟输入阶跃应1.5ms到95%电压输出100us共模电压信号电压加共模电压必须≤12V电压输出100us24DC电压范电流输出2us数据字格式双极性，满量程单极性，满量程共模抑制

-3200-320000 最大驱动0-32000 电压输出 5000最小40dB，DC到60HzDC

≥10M250

电流输出 5000最小EM2356分成单极性输入及双极性输入两种情况。校准输入的步骤如下：(1)切断模块电源。使用配置开关选择需要的输入范围。(2)接通CPU各模块电源，并稳定15min。(3)用一个传感器、一个电压源或电流源，将零值信号加到一个输入端。(4)读出CPU中测量值。(5)调节偏置电位器，使读数为零或为一个所需要的数据值。(6)将一个满刻度信号接入某个输入端，读取CPU的值。(7)CPU32000时，重复偏置及增益的校准过程。控制系统的电气系统控制电气系统控制原理图包括主电路，控制电路图以及PLC外围接线图。〔1〕主电路图图4.1控制系统的主电路KM1KM3KM5M1M2M3学习文档仅供参考KM2KM4M1M2M3热继电器(FR)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，由于电流超路和严重过载。〔2〕控制电路图4.2SA为手动/2SB1~SB2控制三台泵的启/YV2程序控制下运行。HL10PLC4COMCOM端口，所以通过一个中间继电器KAQ0.0~Q0.5Q1.0~Q1.5PLC4、6、8PLC外围接线图一起读图。学习文档仅供参考电控系统控制电路PLC要求，对泵站软件设计分析如下：多泵组泵站泵组管理标准由于变频器泵站希望每一次启动电机都为软启动，又规定各台水泵必须交替学习文档仅供参考运行时间不得超过3h，因此每次需要启动新泵或切换变频泵时，以新运行泵为1环控制，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。程序的结果以及程序功能的实现PLCPID70%，90%。在本系统中，知识用比例PI器件地址VD100器件地址VD100功能过程变量标准化值器件地址T38功能VD104压力给定值T39工频泵减泵滤波时间控制工频/变频转换逻辑控制VD108PI计算值故障结束脉冲信号VD112比例系数泵变频启动脉冲VD116积分时间复位当前变频运行泵脉冲VD120积分时间复位当前变频运行泵脉冲VD124积分时间当前泵工频运动启动脉冲VD204变频起运动频率下限值新泵变频启动脉冲VD208生活供水变频器频率上限值VD212VD250PI调节结果存储单元泵工频/变频转换逻辑控制泵工频/泵工频/学习文档仅供参考VD300VD301VD310T33T34T37

变频工作泵的泵号倒泵时间存储器工频/变频转换逻辑控制工频/变频转换逻辑控制工频泵增泵滤波时间控制

故障信号总汇水池水位下限故障逻辑水池水位下限故障消铃逻辑变频器故障消铃逻辑火灾消铃逻辑明：〔1〕因为程序较长，所以读图时请按照网络标号的顺序进行；〔2〕本程序的控制逻辑设计针对的是较少的泵数供水系统。学习文档仅供参考学习文档仅供参考学习文档仅供参考1变如邸上陨时坳泵造玻阿邸5匡 的条件时，工烦泵运行姿扫1T37 VBI lNl 勹可 I尸00四卖6圉下限反严—2

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