基于plc的恒壓供水系統(tǒng)的設計

基于plc的恒壓供水系統(tǒng)的設計（恒壓供水系統(tǒng)的原理及電氣控制要求。Plc在機電系統(tǒng)中的應用和工作原理。西門子變頻器的工作原理MM440。Plc編程原理及程序設計方法。電器原理圖，接線圖。）恒壓供水系統(tǒng)的原理1．系統(tǒng)介紹生產生活中的用水量常隨時間而變化，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備容易造成二次污染，同時也增大了水泵的軸功率和能量損耗。隨著電力電子技術的發(fā)展變頻調速技術廣泛應用于送水泵站、加壓站、工業(yè)給水、小區(qū)和高樓供水等供水等領域.相對于傳統(tǒng)的技術而言，它具有節(jié)能效益明顯、保護功能完善、控制靈活方便等優(yōu)點。恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機調速裝置與可編程控制器（PLC）構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調速運行,并自動調整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標是總管的出水壓力及系統(tǒng)設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉速,從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。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,水泵電機組，電機保護裝置以及其他電控設備等構成，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電機保護裝置水壓水位圖1恒壓供水系統(tǒng)示意圖2．系統(tǒng)構成系統(tǒng)采用了S7-200型PLC(14個輸人點，10個輸出點）、MM440型變頻器、壓力傳感器及其他控制設備。系統(tǒng)構成如圖2所示。用戶管網用戶管網PLCS7-200控制設備1#泵壓力傳感器2#泵3#泵圖2系統(tǒng)構成圖壓力傳感器將用戶管網水壓信號變成電信號(4一20mA)，送給變頻器內部PID控制器，PID控制器根據(jù)壓力設定值與實際檢測值進行PID運算，并給出信號控制水泵電動機的電壓和頻率。當用水量較少時，1＃泵在變頻器控制下變頻運行.如需水量加大,壓力傳感器在管網端測的水壓偏小,則變頻器輸出頻率上升，直到50Hz。這時1#泵由變頻切換為工頻運行狀態(tài).同時系統(tǒng)對2#泵進行變頻起動和調節(jié)。如果兩臺泵供水仍不能滿足供水要求，則系統(tǒng)將2＃泵投人工頻進行，將3#泵投人變頻運行.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。當變頻器頻率下降至下限值時，PLC將最先工頻運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，以維持管網水壓恒定。3．系統(tǒng)原理系統(tǒng)控制原理結構如圖3：壓力傳感器從供水管網反饋電壓信號，電壓信號經過濾波放大后送到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，經過PLC(s7-200）PID模塊PI調節(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，調節(jié)控制電壓信號就可以調節(jié)三相交流電的頻率。系統(tǒng)是以供水管網的供水壓力為控制對象而構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其設計是按照三個電機就可以完全滿足供水要求。PI調節(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，使PID的參數(shù)整定和調整實現(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)分時操作。實現(xiàn)系統(tǒng)了快速、穩(wěn)定的輸出。將管網的實際壓力經反饋后送到比較器的愉人端與給定壓力進行比較，當管網壓力不足時，通過對參數(shù)運算，調整PID的參數(shù)，控制電壓上升,使頻率相應增大，水泵轉速加快,供水量加大，近而使管網壓力上升.反之，水泵轉速減慢,供水量減少，近而使管網壓力下降，如果單泵在調節(jié)范圍內不能達到管網壓力要求時，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及主控開關等組成。變頻器是調速核心設備,其主要作用是通過改變輸出電源頻率而對電機、水泵實現(xiàn)無級調速，達到隨用水量變化而自動調節(jié)電機、水泵轉速,使管網保持恒壓的目的。可編程控制器為控制系統(tǒng)主控器件，控制系統(tǒng)自動運行,1＃泵、2＃泵、3#泵3臺泵將輪換循環(huán)作變頻泵變頻運行,從而每臺泵的工作時間與休息時間都大致相同，每臺泵都有充足的休息時間,降低了設備的故障率.同時可切換3臺水泵至市電直接供電運行,3臺泵輪換循環(huán)方式下所示:運行24h運行24h運行24h運行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＃運行24h運行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的變頻運行，KM2、KM4、KM6接觸器分別控制M1、M2、M3的直接市電供電運行,KH1、KH2、KH3分別為控制3臺水泵電機過載保護用的熱繼電器,QF1、QF2、QF3、QF4分別為變頻器和3臺水泵電機主電路的空氣開關。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例以下介紹一個三泵生活/消防雙恒壓無塔供水的實例。如圖5所示，市網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，平時電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關閉消防管網，三臺泵根據(jù)生活用水的多少,按一定的控制邏輯運行，使生活供水在恒壓狀態(tài)（生活用水低恒壓值）下進行。當有火災發(fā)生時,電磁閥YV2得電，關閉生活用水管網，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）下進行?；馂慕Y束后，三臺泵再改為生活供水使用。圖5恒壓供水系統(tǒng)構成圖系統(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，系統(tǒng)應保持低恒壓值運行，消防供水時系統(tǒng)應保持高恒壓值運行。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)運行時間超過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間過長。三臺泵在啟動時都要有軟啟動功能。要有完善的報警功能。對泵的操作要有手動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用。控制系統(tǒng)的I/O及地址分配根據(jù)圖5及以上控制要求統(tǒng)計控制系統(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,它們在水淹沒時為0，露出時為1。表1輸入/輸出點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變頻器報警信號SUI0。3消鈴按鈕SB9I0。4試燈按鈕SB10I0.5遠程壓力表模擬量電壓值UPAIW0輸出信號1＃泵工頻率運行接觸器及指示燈KM1,HL1Q0.01#泵變頻率運行接觸器及指示燈KM2,HL2Q0.12#泵工頻率運行接觸器及指示燈KM3,HL3Q0.22＃泵變頻率運行接觸器及指示燈KM4,HL4Q0。33#泵工頻率運行接觸器及指示燈KM5，HL5Q0.43#泵變頻率運行接觸器及指示燈KM6,HL6Q0。5生活/消防供水轉換電磁閥YV2Q1.0水池水位下限報警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報警指示燈HL8Q1。2火災報警指示燈HL9Q1。3報警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復位控制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)共有開關量輸入點6個，開關量輸出點12個；模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個。如果選用CPU224PLC，需要擴展單元；如果選用CPU226PLC，則價格較高，浪費較大.參照西門子S7-200產品目錄及市場實際價格，選用主機為CPU222（8入/6繼電器輸出）一臺,加上一臺擴展模塊EM222（8繼電器輸出），再擴展一個模擬量模塊EM235（4AI/1AO)，這樣的配置是比較經濟的。整個PLC系統(tǒng)的配置如圖6所示。擴展單元EM222擴展單元EM2228點繼電器主機單元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.三臺電動機分別為M1、M2、M3。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運行,FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電動機過載保護用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺水泵電動機主電路的隔離開關；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/自動轉換開關，SA打在1的位置時為手動控制狀態(tài)；打在2位置時為自動控制狀態(tài).手動運行時,可用按鈕SB1~SB8控制三臺泵的起/停和電磁閥YV2的通斷;自動運行時,系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。

圖中的HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進行復位時只提供一個干觸點信號,由于PLC的4個輸出點為一組,共用一個COM端而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨的COM端輸出組，所以通過一個中間繼電器KA的觸電對變頻器進行復頻控制。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及擴展模塊外圍接線圖。火災時，火災信號SA1被觸動，I0。0為1。本設計方案在實際使用時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輸出方面的保護措施。④系統(tǒng)保護措施。圖9控制系統(tǒng)PLC及擴展模塊的外圍接線五、系統(tǒng)程序設計硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結合系統(tǒng)控制要求，對軟件設計分析如下：

1、由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理

前邊已經說過，為了恒定水壓,在水壓降落時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,需啟動第二臺泵或第三臺泵。判斷需啟動新泵的標準是變頻器的輸出頻率達到設定的上限值。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的確實性,應濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中考慮采用時間濾波。

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要有管理規(guī)范。在本設計中,控制要求中規(guī)定任意一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過3h，因此每次需啟動新泵或切換變頻泵時，以新運行泵為變頻泵為合理方案.具體操作時，將現(xiàn)行運行的變頻泵從變頻器上切除,并接上工頻電源運行，將變頻器復位并用于新運行泵的啟動。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，本設計中使用泵號加1的方法實現(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)結合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作.

3、程序的結構及程序功能的實現(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。邏輯運算及報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)省掃描時間。利用定時器中斷功能實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。生活供水時系統(tǒng)設定值為滿量程的70%，消防供水時系統(tǒng)設定值為滿量程的90％。在本系統(tǒng)中，只是用比例（P）和積分（I）控制，其回路增益的時間常數(shù)可通過工程計算初步確定，但還需要進一步調整以達到最優(yōu)控制效果.初步確定的增益和時間常數(shù)為：增益KC=0.25采樣時間TS=0。2s積分時間體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過程變量標準化值T38工頻泵減泵濾波時間控制VD104壓力給定值T39工頻/變頻轉換邏輯控制VD108PI計算值M0。0故障結束脈沖信號VD112比例系數(shù)M0.1泵變頻啟動脈沖VD116采樣時間M0.2——-—VD120積分時間M0。3倒泵變頻啟動脈沖VD124微分時間M0.4復位當前變頻泵運行脈沖VD2