plc变频器控制恒压供水系统

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1、城市恒压供水系统一、前言1、供水系统概述城市规模不断扩大，高层建筑不断增长，对于高层用户来说，在白天或者用水顶峰时供水系统电动机负荷最大，常常需要满负荷或超负荷运行，而在晚上或休闲是，所需水量减少很多，但是电动机依然处于满负荷运行状态，这样既浪费了大量资源，对电动机损耗也较大。所以需要根据不同需求条件来调节电动机转速以实现恒压供水。在供水系统中，当用水量需要变化时，传统调节方法是通过人工改变阀门开度来调整, 但是此类方法无法对供水管道内压力和水位变化做出及时、恰当反响，往往会造成用水顶峰期时供水压力缺乏，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患例如压力过高容易造成爆管事故。因

2、此无法满足城市供水系统要求。采用变频调速供水系统可以有效解决以上问题。根据用水量大小，控制水泵转速， 即用水量增大时， 调高变频， 使水泵转速升高， 增加供水量。当用水量超过一台水泵供水量时启动新水泵以增加供水量，当用水量减少时，使水泵转速降低或减少投入运行水泵数量，减少供水量。2、供水系统功能城市供水系统主要功能是在用水量不断变化情况下，维持管内压力在一定范围内， 既能满足用水需求， 又能最大程度节约能源， 延长设备寿命。变频供水控制器经历了从继电器-接触器，到单片机，再到PLG而变频器也从多端速度控制、模拟量输入控制开展到专用变频器，为实现城市供水系统简单、高效、低能耗功能，并且实现自动化

3、控制过程，采用PLC乍为核心控制器是个较好方案。PLCM有体积小、设计周期短、数据处理和通信方便、易于维护和操作、 明显降低本钱等优点， 可满足城市供水系统控制要求。 除此以外， PLC作为城市供水控制系统使设计过程变得更加简单，可实现功能变得更多。由于PLCCPU大网络通信能力，是城市供水系统数据传输与通信变得可能，并且也可以实现其远程监控。利用PLC乍为控制器城市供水系统主要涉及两个方面：一是信号输入；二是控制输出信号。（ 1） 信号输入城市供水系统信号输入检测方面主要涉及两类信号检测，主要包括：按钮输入检测和管内压力输入检测。按钮输入检测大多数为人工方式控制输入检测，主要有自动按钮、手动

4、按钮、 水泵工频启动按钮、 水泵变频运行按钮， 以及变频加、 减按钮等。管内压力输入按钮：管内压力输入为模拟量输入，通过压力传感器安置于适当位置上，将检测值反响到PL3,通过运算输出控制水泵转速信号，当压力值偏低时，供水量不够，导致用户无法正常用水，因此需要增加水泵转速以增加供水量，当压力值偏高时，导致管内压力过大，用户用 水较少，容易对管道造成损害，因此减少水泵转速以减少供水量，最终是 管内水压保持在一定范围内。(2)控制输出信号信号输出局部主要包括两个方面，一个是数字量输出，即各类设备接触器，另一个是通信信号，即通过 RS-485来控制变频器。数字量输出控制各类设备启动和停顿，包括：所有水

5、泵工频运行和变 频运行等接触器，以及进水阀门开启与关闭。通信输出通过PL/PID运算后数据转换成标准值，该控制信号输入到 变频器通信端口上，改变变频器输出频率，从而控制水泵转速，最后到达 控制水管压力要求。二、总体设计方案恒压供水控制系统设计主要包括两个方面：一方面是机械构造设计， 另一方面是PLOfe气控制方面设计，机械构造是控制系统根底，是实现控 制功能前提；PLM气控制系统是实现控制功能核心局部。1、主要组成局部恒压供水系统组成局部比拟简单， 主要是一些管道、水泵、变频器等, 以及其他辅助设备构成，其机械主要组成局部如下列图所示：水压价* |樟制器/调速器a |水鬼11水压变化：作为系统

6、控制输入量，能否准确采集该信号决定控制系统精度及可靠性；2控制器：是整个控制系统核心，通过对外界输入状态进展检测, 输出控制量，对外界输入数据进展运算处理后，输出相应控制量。例如单 片机、可编程逻辑控制器、计算机等；3调速器：作为核心控制器后续控制单元，对终端设备进展控制, 最终到达控制要求，例如多段调速、变频器调速等；4水泵：供水系统执行机构，通过调速器控制其电动机转速，最 后到达控制水泵流量大小要求。2、电气控制系统电气控制系统主要包括操作面板、电气控制柜等单元。由于在该系统 中需要检测较多数字输入量，并且还要检测模拟量输入，然后根据设定程 序进展数据处理，输出控制信号，因此系统控制逻辑与

7、时序就需要严格按照检测信号输入进展控制，其示意图如下所示：3、控制系统总体框图恒压供水系统总体框图如下图，PL核心控制器，通过检测操作面板按钮输入、各类传感器输入，以及相关模拟量输入，完成相关设备运行、停顿和调速控制水泵/恒压供水系统电气控制系统总体图4、工作过程城市供水系统在手动状态下，各类设备控制根据操作面板上按钮输入来控制，无逻辑限制，即不根据传感器状态进展控制。在自动方式下，进展闭环控制，系统根据检测到外部传感器状态对设备进展启停、调速控制,气工作过程如下：一个过程结束#主要工作过程示意图1首先，采集压力传感器反响信号，将该传感器输出模拟信号状 换为PL3处理数字信号；2其次，PLC艮

8、据压力反响值，以及变频器输出频率，对模拟量 进展数据处理；3最后，在PL/,数据经过计算后，产生控制信号，来实现对 驱动器控制。这样就完成了一个工作过程。三、硬件系统配置以上介绍了城市恒压供水系统机械构造及其相关设备，根据其工作 原理和控制系统功能要求，本节主要介绍如何设计城市供水系统控制系统 和所所需各种硬件设备，因此可以设计出城市供水系统电气控制系统框 图，如下列图所示，在此控制系统中核心处理器是PLC,其输入和输出量主要为数字量，只有一组模拟量输入。1、PLC选型根据城市供水电气控制系统功能要求，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7- 200系歹U PLC作为城市供水电气控制系统

9、控制主 机。由于城市供水电气控制系统输入 /输出端口较少，而其控制过程相 对复杂，因此采用CPU224乍为该控制系统主机。由于使用数字量输入点较多， 因此除了 PLC主机自带I/O外，还需 要扩展一定数量I/O扩展模块，在此使用EM221输入扩展模块，8点DC 输入型，可以满足控制系统 I/O需求。在该控制系统中，还需要采集模拟量功能要求，因此需要再扩展一 个模拟量输入/输出扩展模块。西门子公司专门为S7-200系歹U PLC配置了模拟量输入/输出模块EM235该模块具有较高分辨率和较强输出 驱动能力，可以满足控制系统功能要求。2、PLCI/O资源配置根据系统功能要求，对 PLCI/O进展配置

10、，具体分配如下所示。1数字量输入局部在此控制系统中，所需要输入量根本上都属于数字量，主要包括各种 控制按钮、旋钮等数字输入，共有15个数字输入量，如下表所示：表1数字输入量地址分配输入地址输入设备输入地址输入设备急停2#泵变频启动手动启动3#泵工频启动自动启动3#泵变频启动电动机加速电动机减速1#泵工频启动水池进水阀门1#泵变频启动变频器复位2#泵工频启动2数字量输出局部在这个控制系统中，主要输出控制设备有各种接触器、阀门等，共有7个输出点，其具体分配如表 2所示。数字输出量地址分配输出地址输出设备输出地址输出设备1#泵工频接触器3#泵工频接触器1#泵变频接触器3#泵变频接触器2#泵工频接触器

11、水池阀门2#泵变频接触器3、模拟量输入局部由于需要采集一个压力传感器所反响数据，因此扩展了一个模拟量输入/输出模块，模拟量输入地址分配输入地址输入设备AIW0压力传感器根据控制系统功能要求，以及 I/O分配情况，下列图所示为城市恒压供水控制系统硬件连接图。急停I0.0I0.1Q0,0I0.2I0.3Q0.1I0.4S7-200I0.5CPU224Q0.2I0.6+I0 7Q0.3EM221I1.0I1.1Q0.4I1.2I1.3Q0.5I1.4I1.5Q0.6I1.6fj=r xh4自动启动水池高位水油彳田代T力7四1处NA 44.丁 斗南田 411#水-L狈刀功1#泵变频启动1#索丁非而启动

12、1#刀例2#泵变频启动3#臬丁痴启动3#泵变频启动由云h木n力n：束七例V L/J u坯 由动木口减束水油井水阀门ZJ7凹乂工力，|因1 J少贝石中为之1Li1，压力传感器AIW0 EM2351#泵工频接触器1#泵变频接触器2#泵工频接触器2#泵变频接触器3#泵工频接触器3#泵变频接触器水池阀门城市供水控制系统硬件连接图4、其他资源配置要完成系统控制功能除了需要 PLC主机及其扩展模块之外，还需要各种开关、接触器和变频器等仪器设备。1接触器在变频恒压供水控制系统中，其中所有设备运行都不是连续，而是根据控制面板上按钮情况或者根据传感器反响值进展动作，因此需要PLC根据当前工作情况，以及按钮情况来

13、控制所有设备起停，共需要个接触器：1#泵工频接触器、2#泵工频接触器、3#泵工频接触器、1#泵变频接触器、 2#泵变频接触器、3#泵变频接触器。1# 泵工频接触器：1# 泵工频接触器是连接1#泵到工频电网接触器，通过PLC输出指令控制泵工频运行或者停顿；2# 泵工频接触器：2#泵工频接触器是连接2#泵到工频电网接触器，通过PLC输出指令控制泵工频运行或者停顿；3# 泵工频接触器：3#泵工频接触器是连接3#泵到工频电网接触器，通过PLC输出指令控制泵工频运行或者停顿；1# 泵变频接触器：1# 泵变频接触器是连接1#泵到变频器接触器，通过PLC输出指令控制泵变频运行或者停顿；2# 泵变频接触器：2

14、#泵变频接触器是连接2#泵到变频器接触器，通过PLC输出指令控制泵变频运行或者停顿；3# 泵变频接触器：3#泵变频接触器是连接3#泵到变频器接触器，通过PLC输出指令控制泵变频运行或者停顿; 2变频器该系列中MM43债频器是一种风机水泵负载专用变频器，能适用于各种变频驱动系统，尤其适合用于工业部门水泵和风机，主要优点有以下几个方面：1、 体积小，构造紧凑；2、 采用模块化构造，组态灵活；3、 采用较高脉冲开关频率，运行时噪声较小；4、 具有完善电动机和变频器保护功能；5、 具有较高输出转矩；6、 具有旁路功能，可平安地将电动机直接切换为电源供电；7、 具有节能功能，可最大限度地节约能源；8、

15、如果对水泵进展驱动时，可以对无载泵内无水空转状态进展监测；9、 3 组驱动数据，可使变频器在3 组驱动数据下工作；10、复合制动功能可实现快速制动；11、可设置跳转频率，可在驱动系统出现谐振时将机械所受应力降到最低；12、 捕捉再启动功能， 可使变频器与正在转动电动机连接时所受冲击力最小；13、变频器根据PTC/KTY俞入信号对电动机进展过温度控制，保护电动机；14、可介入网络中。（ 3） 各类按钮在这个控制系统自动操作中，采用三种机械按钮，控制供水系统调试和运行，手动 / 自动按钮使用按钮，即旋到一边接通，旋到另一边就断开；自动启动按钮采用触电触发式按钮；急停按钮使用旋转复位按钮，按下后系统

16、停顿，旋转后自动弹起复位。在手动控制状态时，对于每个设备都对应设置一个按钮，采用触电触发式按钮，即按下接通，松开复位。（ 4） 人机界面该系统采用西门子公司 TD200文本显示器，该显示器可适用于所有 S7 200系列PLC,采用TD200主要完成以下功能：（ 1） 显示信息；（ 2） 设定和修改控制系统参数；（ 3） 8 个可由用户定义功能键，可替代普通按键；（ 4） 提供强制 I/O 检测功能。TD2000连接很简单，只需在所提供连接电缆接到S7 200系歹U PLCPPI接口上即可，在距离不超过其规定范围时，有PLC对其进展供电。在编程时，可利用西门子公司提供编程软件STEP7-Micr

17、o/WIN32,由于在 CPU中已经保存了一个专门区域用于与TD200进展数据交换，所以只需要将显示及修改中间继电器、存放器等与文本显示器相应数据区域进展连接即可。5） 传感器四、软件系统设计 1、1#泵电动机运行控制工厂过程分析：1#电机变频运行，启动PID运算，调节1#电机工作在适宜频率上，当用水量增加时，1#电机运行频率也随着增加，当经 PID调节后反响值依然小于标准值， 即用水量大于1#变频运行所能到达最大出水量，那么定时5S,如果5s后，反响值不小于标准值，那么用水量减少 了，那么用1#变频调节即可，如果 5s后，反响值依然小于标准值，说明目前用水量大于1#电机变频运行出水量，此时如

18、果变频器输出频率还没 有到达最大值50赫兹，那么有1#电机继续变频运行调节，如果此时 1#电机运行频率到达50赫兹，那么将1#变频变为工频，启动2#变频。2、2#泵电动机运行控制工厂过程分析：1#电动机工频运行，2#电机变频运行，启动PID运算,调节2# 电机工作在适宜频率上： 1当用水量减少，即压力反响值增加，2#变频运行频率降低，如果用水量继续减少， 那么经 PID 调整2#变频运行频率继续降低，当不能再低时 PID 调节满足不了要求 ，压力反响值依然大于标准值用水量小 ，那么定时延迟5S, 5s后再将反响值与标准值比拟，如果反响值依然大于标准值，说明目前用水量小于1#工频运行出水量，那么

19、启动1#泵电动机运行控制，即1#泵变频运行；如果5s后，反响值小于标准值，那么说明用水量增加了，那么用2#变频调节增加频率即可，即1#工频运行， 2# 变频运行。 2当用水量增加，即压力反响值降低，2#变频运行频率增加，如果用水量继续增加，那么经PID 调整2#变频运行频率继续增加，当经PID调整完后，反响值依然小与标准值 PID 调节满足不了要求 ，那么定时延迟5S, 5s后再将反响值与标准值比拟，如果反响值依然小于标准值，说明目前用水量大于 1#电机工频运行和2#电机变频运行出水量，此时如果变频器输出频率还没有到达最大值50 赫兹，那么有2# 电机继续变频运行调节， 如果此时2#电机运行频

20、率到达50 赫兹， 那么将2#变频变为工频，启动3#变频。如果5s后，反响值大于标准值，说明用水量减少了，那么用2#变频调节减少频率即可，即1#工频运行， 2# 变频运行。3、3#泵电动机运行控制工作过程分析：1#、2#电动机工频运行,3#电机变频运彳f,启动 PID运算，调节3#电机工作在适宜频率上:1当用水量减少，即压力反响值增加,3#变频运行频率降低，如果用水量继续减少，那么经PID调整3#变频运行频率继续降低，当不能再低时 PID 调节满足不了要求 ，压力反响值依然大于标准值用水量小 那么定时延迟5S, 5s后再将反响值与标准值比拟，如果反响值依然大于标准值，说明目前用水量小于1#、

21、2#工频运行出水量，那么启动2#泵电动机运行控制，即1#工频，2#泵变频运行；如果 5s后，反响值小于标准值，那么说明用水量增加了，那么用3#变频调节增加频率即可，即 1#、 2#工频运行，3#变频运行。 2当用水量增加，即压力反响值降低，3#变频运行频率增加，如果用水量继续增加，那么经PID 调整3#变频运行频率继续增加，当经PID调整完后，反响值依然小与标准值 PID 调节满足不了要求 ，那么定时延迟5S, 5s后再将反响值与标准值比拟，如果反响值依然小于标准值，说明目前用水量大于 1#、 2#电机工频运行和3#电机变频运行出水量，此时如果变频器输出频率还没有到达最大值50 赫兹，那么有3# 电机继续变频运行调节，如果此时3#电机运行频率到达50 赫兹，那么将3#变频变为工频，即 1# 、 2#、 3#都工频运行。如果 5s 后，反响值大于标准值，说明用水量减少了，那么用3#变频调节减少频率即可，即1#、 2#、3#工频运行。当 1#、 2#、 3#都工频运行时，当用水量减少时， 即反响值大于标准值，延时5S,5s后如果反响值不大于标准值，那么3#电机继续工频运行，如果 5s 后反响值仍然大于标准值，那么说明三个电机都工频运行出水量大于实际用水量，那么启动3# 电机运行控制，即1#、 2#工频运行，3#变频运行。