基于plc的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于plc的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（恒壓供水系統(tǒng)的原理及電氣控制要求。Plc在機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用和工作原理。西門子變頻器的工作原理MM440。Plc編程原理及程序設(shè)計(jì)方法。電器原理圖，接線圖。）恒壓供水系統(tǒng)的原理1．系統(tǒng)介紹生產(chǎn)生活中的用水量常隨時(shí)間而變化，季節(jié)、晝夜相差很大。用水和供水的不平衡集中體硯在水壓上，用水多而供水少則水壓低，用水少而供水多則水壓高。以前大多采用傳統(tǒng)的水塔、高位水箱或氣壓罐式增壓設(shè)備容易造成二次污染，同時(shí)也增大了水泵的軸功率和能量損耗。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)廣泛應(yīng)用于送水泵站、加壓站、工業(yè)給水、小區(qū)和高樓供水等供水等領(lǐng)域.相對于傳統(tǒng)的技術(shù)而言，它具有節(jié)能效益明顯、保護(hù)功能完善、控制靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行,并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是總管的出水壓力及系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入CPU運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機(jī)的投運(yùn)臺數(shù)和運(yùn)行變量泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水系統(tǒng)由PLC控制器,變頻器，觸摸屏顯示器，壓力變送器，水位變送器，軟啟動器,水泵電機(jī)組，電機(jī)保護(hù)裝置以及其他電控設(shè)備等構(gòu)成，如圖1所示。壓力變送器壓力變送器水位變送器PLC變頻器觸摸屏顯示器軟啟動器控制回路水泵電機(jī)電機(jī)保護(hù)裝置水壓水位圖1恒壓供水系統(tǒng)示意圖2．系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)采用了S7-200型PLC(14個輸人點(diǎn)，10個輸出點(diǎn)）、MM440型變頻器、壓力傳感器及其他控制設(shè)備。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。用戶管網(wǎng)用戶管網(wǎng)PLCS7-200控制設(shè)備1#泵壓力傳感器2#泵3#泵圖2系統(tǒng)構(gòu)成圖壓力傳感器將用戶管網(wǎng)水壓信號變成電信號(4一20mA)，送給變頻器內(nèi)部PID控制器，PID控制器根據(jù)壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測值進(jìn)行PID運(yùn)算，并給出信號控制水泵電動機(jī)的電壓和頻率。當(dāng)用水量較少時(shí)，1＃泵在變頻器控制下變頻運(yùn)行.如需水量加大,壓力傳感器在管網(wǎng)端測的水壓偏小,則變頻器輸出頻率上升，直到50Hz。這時(shí)1#泵由變頻切換為工頻運(yùn)行狀態(tài).同時(shí)系統(tǒng)對2#泵進(jìn)行變頻起動和調(diào)節(jié)。如果兩臺泵供水仍不能滿足供水要求，則系統(tǒng)將2＃泵投人工頻進(jìn)行，將3#泵投人變頻運(yùn)行.供水量增大，加泵情況依次類推。如用水量減少，變頻器的頻率會下降。當(dāng)變頻器頻率下降至下限值時(shí)，PLC將最先工頻運(yùn)行的水泵停掉如果頻率下限值仍持續(xù)出現(xiàn)，PLC再停止第2臺工頻運(yùn)行的水泵。系統(tǒng)按先開起的泵先切除的順序逐臺切換泵，以維持管網(wǎng)水壓恒定。3．系統(tǒng)原理系統(tǒng)控制原理結(jié)構(gòu)如圖3：壓力傳感器從供水管網(wǎng)反饋電壓信號，電壓信號經(jīng)過濾波放大后送到s7-200的模擬輸入口，與給定的供水壓力信號比較形成壓力偏差信號，經(jīng)過PLC(s7-200）PID模塊PI調(diào)節(jié)后發(fā)出控制電壓信號,送到變頻器MM440的模擬電壓信號與連接到變頻器MM440的三相交流電的頻率一一對應(yīng)，調(diào)節(jié)控制電壓信號就可以調(diào)節(jié)三相交流電的頻率。系統(tǒng)是以供水管網(wǎng)的供水壓力為控制對象而構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是按照三個電機(jī)就可以完全滿足供水要求。PI調(diào)節(jié)MM440濾波放大圖3系統(tǒng)閉環(huán)控制原理框圖系統(tǒng)中采用了數(shù)字PID控制技術(shù)，使PID的參數(shù)整定和調(diào)整實(shí)現(xiàn)在線控制，通過對系統(tǒng)壓力的檢測,根據(jù)水壓的大小使系統(tǒng)分時(shí)操作。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)了快速、穩(wěn)定的輸出。將管網(wǎng)的實(shí)際壓力經(jīng)反饋后送到比較器的愉人端與給定壓力進(jìn)行比較，當(dāng)管網(wǎng)壓力不足時(shí)，通過對參數(shù)運(yùn)算，調(diào)整PID的參數(shù)，控制電壓上升,使頻率相應(yīng)增大，水泵轉(zhuǎn)速加快,供水量加大，近而使管網(wǎng)壓力上升.反之，水泵轉(zhuǎn)速減慢,供水量減少，近而使管網(wǎng)壓力下降，如果單泵在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)不能達(dá)到管網(wǎng)壓力要求時(shí)，可以依靠增加或減少水泵數(shù)量來保持恒壓供水的穩(wěn)定.二、系統(tǒng)構(gòu)成及控制原理系統(tǒng)由西門子變頻器MM440、3臺供水水泵、可編程控制器西門子S7-200及主控開關(guān)等組成。變頻器是調(diào)速核心設(shè)備,其主要作用是通過改變輸出電源頻率而對電機(jī)、水泵實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，達(dá)到隨用水量變化而自動調(diào)節(jié)電機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速,使管網(wǎng)保持恒壓的目的?？删幊炭刂破鳛榭刂葡到y(tǒng)主控器件，控制系統(tǒng)自動運(yùn)行,1＃泵、2＃泵、3#泵3臺泵將輪換循環(huán)作變頻泵變頻運(yùn)行,從而每臺泵的工作時(shí)間與休息時(shí)間都大致相同，每臺泵都有充足的休息時(shí)間,降低了設(shè)備的故障率.同時(shí)可切換3臺水泵至市電直接供電運(yùn)行,3臺泵輪換循環(huán)方式下所示:運(yùn)行24h運(yùn)行24h運(yùn)行24h運(yùn)行24h1＃泵變頻（3＃泵工頻備自投）2#泵變頻(1＃泵工頻備自投）3＃泵變頻（2＃運(yùn)行24h運(yùn)行24h泵工頻備自投)1#泵變頻(3#泵工頻備自投）.3臺水泵電機(jī)分別為M1、M2、M3，VVVF為西門子變頻器MM440,接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行，KM2、KM4、KM6接觸器分別控制M1、M2、M3的直接市電供電運(yùn)行,KH1、KH2、KH3分別為控制3臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器,QF1、QF2、QF3、QF4分別為變頻器和3臺水泵電機(jī)主電路的空氣開關(guān)。系統(tǒng)控制原理線路圖如圖4.圖4系統(tǒng)控制原理線路圖PLC控制的恒壓供水泵站實(shí)例以下介紹一個三泵生活/消防雙恒壓無塔供水的實(shí)例。如圖5所示，市網(wǎng)自來水用高低水位控制器EQ來控制注水閥YV1,自動把水注滿儲水水池，只要水位低于高水位，則自動往水箱注水。水池的高/低水位信號也直接送給PLC，作為低水位報(bào)警。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器高地距離較小。生活用水和消防用水共用三臺泵，平時(shí)電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺泵根據(jù)生活用水的多少,按一定的控制邏輯運(yùn)行，使生活供水在恒壓狀態(tài)（生活用水低恒壓值）下進(jìn)行。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí),電磁閥YV2得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺泵供消防用水使用,并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進(jìn)行?；馂?zāi)結(jié)束后，三臺泵再改為生活供水使用。圖5恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖系統(tǒng)控制要求對三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是：生活供水時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)保持低恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)系統(tǒng)應(yīng)保持高恒壓值運(yùn)行。三臺泵根據(jù)恒壓的需要,采取“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過3h，則要切換下一臺泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺泵工作時(shí)間過長。三臺泵在啟動時(shí)都要有軟啟動功能。要有完善的報(bào)警功能。對泵的操作要有手動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用?？刂葡到y(tǒng)的I/O及地址分配根據(jù)圖5及以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號的名稱，代碼及地址編號如表1所示。水位上下限信號分別為I0.1、I0。2,它們在水淹沒時(shí)為0，露出時(shí)為1。表1輸入/輸出點(diǎn)代碼及地址編號名稱代碼地址編號輸入信號手動和自動消防信號SA1I0.0水池水位下限信號SLLI0。1水池水位上限信號SLHI0。2變頻器報(bào)警信號SUI0。3消鈴按鈕SB9I0。4試燈按鈕SB10I0.5遠(yuǎn)程壓力表模擬量電壓值UPAIW0輸出信號1＃泵工頻率運(yùn)行接觸器及指示燈KM1,HL1Q0.01#泵變頻率運(yùn)行接觸器及指示燈KM2,HL2Q0.12#泵工頻率運(yùn)行接觸器及指示燈KM3,HL3Q0.22＃泵變頻率運(yùn)行接觸器及指示燈KM4,HL4Q0。33#泵工頻率運(yùn)行接觸器及指示燈KM5，HL5Q0.43#泵變頻率運(yùn)行接觸器及指示燈KM6,HL6Q0。5生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥YV2Q1.0水池水位下限報(bào)警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報(bào)警指示燈HL8Q1。2火災(zāi)報(bào)警指示燈HL9Q1。3報(bào)警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復(fù)位控制KAQ1。5控制變頻器頻率用電壓信號UFAQW0PLC控制系統(tǒng)選型從上面分析可知，控制系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點(diǎn)6個，開關(guān)量輸出點(diǎn)12個；模擬量輸入點(diǎn)1個，模擬量輸出點(diǎn)1個。如果選用CPU224PLC，需要擴(kuò)展單元；如果選用CPU226PLC，則價(jià)格較高，浪費(fèi)較大.參照西門子S7-200產(chǎn)品目錄及市場實(shí)際價(jià)格，選用主機(jī)為CPU222（8入/6繼電器輸出）一臺,加上一臺擴(kuò)展模塊EM222（8繼電器輸出），再擴(kuò)展一個模擬量模塊EM235（4AI/1AO)，這樣的配置是比較經(jīng)濟(jì)的。整個PLC系統(tǒng)的配置如圖6所示。擴(kuò)展單元EM222擴(kuò)展單元EM2228點(diǎn)繼電器主機(jī)單元CPU222AC/DC繼電器模擬量單元EM2354AI/1AO圖6PLC控制系統(tǒng)組成四、電氣控制系統(tǒng)原理圖

（1）主電路圖

圖7所示為電控系統(tǒng)主電路.三臺電動機(jī)分別為M1、M2、M3。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行,FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電動機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺水泵電動機(jī)主電路的隔離開關(guān)；FU1為主電路的熔斷器，VVVF為簡單的一般變頻器。

圖7電氣控制系統(tǒng)主電路(2)控制電路圖

圖8所示為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置時(shí)為手動控制狀態(tài)；打在2位置時(shí)為自動控制狀態(tài).手動運(yùn)行時(shí),可用按鈕SB1~SB8控制三臺泵的起/停和電磁閥YV2的通斷;自動運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。

圖中的HL10為自動運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位時(shí)只提供一個干觸點(diǎn)信號,由于PLC的4個輸出點(diǎn)為一組,共用一個COM端而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨(dú)的COM端輸出組，所以通過一個中間繼電器KA的觸電對變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。圖中的Q0。0～Q0.5及Q1.0~Q1.5為PLC的輸出繼電器觸電，它們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號,可結(jié)合圖9一起讀圖。

圖8電氣控制系統(tǒng)控制電路(3)PLC外圍接線圖

圖9所示為PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖?；馂?zāi)時(shí)，火災(zāi)信號SA1被觸動，I0。0為1。本設(shè)計(jì)方案在實(shí)際使用時(shí)還必須考慮許多其他因素，這些因素主要包括：①直流電源的容量。②電源方面的抗干擾措施。③輸出方面的保護(hù)措施。④系統(tǒng)保護(hù)措施。圖9控制系統(tǒng)PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線五、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合系統(tǒng)控制要求，對軟件設(shè)計(jì)分析如下：

1、由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理

前邊已經(jīng)說過，為了恒定水壓,在水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺泵工作不能滿足恒壓要求時(shí),需啟動第二臺泵或第三臺泵。判斷需啟動新泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可通過比較指令實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性,應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中考慮采用時(shí)間濾波。

2、多泵組泵站泵組管理規(guī)范

由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機(jī)均為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有管理規(guī)范。在本設(shè)計(jì)中,控制要求中規(guī)定任意一臺泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過3h，因此每次需啟動新泵或切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵為合理方案.具體操作時(shí)，將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻泵從變頻器上切除,并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計(jì)中使用泵號加1的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制(3再加1等于零），用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作.

3、程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn)

PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的功能較多，由于模擬量單元及PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。邏輯運(yùn)算及報(bào)警處理等放在主程序中，系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可節(jié)省掃描時(shí)間。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制。生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90％。在本系統(tǒng)中，只是用比例（P）和積分（I）控制，其回路增益的時(shí)間常數(shù)可通過工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果.初步確定的增益和時(shí)間常數(shù)為：增益KC=0.25采樣時(shí)間TS=0。2s積分時(shí)間體Ti=30min程序中使用的PLC元器件及功能如表2所示.表2: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過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T38工頻泵減泵濾波時(shí)間控制VD104壓力給定值T39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD108PI計(jì)算值M0。0故障結(jié)束脈沖信號VD112比例系數(shù)M0.1泵變頻啟動脈沖VD116采樣時(shí)間M0.2——-—VD120積分時(shí)間M0。3倒泵變頻啟動脈沖VD124微分時(shí)間M0.4復(fù)位當(dāng)前變頻泵運(yùn)行脈沖VD2