基于PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1基于 PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計摘 要 在我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展過程中，為了實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排的要求必將越來越高，使得節(jié)能設(shè)備得以大規(guī)模的推廣和使用。同時隨著城市化進程不斷加快，大量人口涌入城市，使得大中城市的原有基礎(chǔ)設(shè)施不足以滿足日益增長的使用需求，改建擴建這些基礎(chǔ)設(shè)施必將提上日程，怎樣既經(jīng)濟又高效又能滿足以后擴展需要是我們當前必須面對的問題。此外人們對生活質(zhì)量要求不斷提高，對城市基礎(chǔ)設(shè)施的性能提出了更高的要求。城市供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性直接影響人們的正常工作和生活。傳統(tǒng)的恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水等供水方式普遍不同程度地存在效率低、可行性差、建設(shè)周期長、供水質(zhì)量得不到保障等缺點，與節(jié)能和提高人們生活水平不相適應(yīng)?；谝陨弦?，本論文針對我校發(fā)展情況以及對師生生活用水周期的分析，利用變頻器在恒壓供水方面的優(yōu)良表現(xiàn)設(shè)計出對生活供水進行變頻控制的控制系統(tǒng)，并借助于 PLC使整個系統(tǒng)更智能可靠，以此達到節(jié)能和學校辦學條件的目的。關(guān)鍵詞 恒壓供水，變頻調(diào)速，變頻器，PLC1 緒論在我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展過程中，城市化進程加快，大量人口涌入城市，使得大中城市的原有基礎(chǔ)設(shè)施不足以滿足日益增長的使用需求，改建擴建這些基礎(chǔ)設(shè)施必將提上日程。此外人們對生活質(zhì)量要求不斷提高，對城市基礎(chǔ)設(shè)施的性能提出了更高的要求。由于我國是一個人均能源相對貧乏的國家，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，對節(jié)能的要求也越來越高。把先進的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點，在供水行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電動機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化（實際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求是當今先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻器調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。2 恒壓供水系統(tǒng)系統(tǒng)采用 3 臺水泵并聯(lián)運行方式，把 1 泵和變頻器連接，實現(xiàn)變頻運行。為保護電機，2 泵和 3 泵用軟起動器來啟動，起動參數(shù)可調(diào)，而且采用軟起動具有軟停車功能，即平滑減速，逐漸停機，它可以克服瞬間斷電停機沖擊電流大的弊病，減輕對管道的沖擊，避免高程供水系統(tǒng)的“水錘效應(yīng)” ，減少設(shè)備損壞。2.1 系統(tǒng)的總體方案系統(tǒng)在工作過程中，壓力傳感器將主管網(wǎng)水壓變換為電流信號，經(jīng)模擬量輸入模塊，輸入 PLC，PLC根據(jù)給定的壓力設(shè)定值與實際檢測值進行 PID 運算，輸出控制信號經(jīng)模擬量輸出模塊至變頻器，調(diào)節(jié)水攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2泵電機的頻率。當用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下恒壓運行，當用水量大到水泵全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力達到設(shè)定值時，壓力傳感器上傳的信號被 PLC 檢測到，PLC 自動將變頻泵的頻率降至出水頻率，同時將第二臺泵軟啟動投入到工頻運行，以保持壓力的穩(wěn)定，此時管網(wǎng)壓力恒定依靠調(diào)節(jié)變頻泵頻率實現(xiàn)；一段時間后，若 2 臺泵運轉(zhuǎn)仍不能滿足壓力的要求，則依次將軟啟動下一臺水泵。當用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號有效，這時實際壓力值大于設(shè)定壓力，PLC 將最后啟動的工頻泵停掉，以減少供水量。一段緩沖時間后，當變頻器仍工作在出水頻率以下時，PLC 再軟停車停掉第 2 臺工頻運行的電機，此時管網(wǎng)壓力恒定依靠調(diào)節(jié)變頻泵頻率實現(xiàn)。圖 2.1 系統(tǒng)總體布局圖2.2 本系統(tǒng)的特點提高系統(tǒng)可靠性和備用泵的利用率，是本系統(tǒng)的目的，也是其特點。系統(tǒng)有手動和自動兩種工作模式，手動模式便于設(shè)備調(diào)試和檢修。系統(tǒng)在自動模式下可實現(xiàn)水泵循環(huán)備用，且當備用泵故障時可推出循環(huán)，這樣可以均衡各個水泵的平均工作時間，防止水泵因長時間工作過熱，和后備水泵因長時間不工作而發(fā)生生銹“卡死”的可能，提高了設(shè)備的利用率，降低了其維修費用。節(jié)能，是設(shè)計這套系統(tǒng)的另一個重要目的。第一，普通二級加壓水廠只單純手動控制電機的啟動和切換，這樣在電機啟動時會產(chǎn)生很大的啟動電流，長此以往對電機壽命有很大損害，而且在供水時一直按工頻全速運轉(zhuǎn)效率低、能耗大。而本系統(tǒng)可根據(jù)實際壓力變化自動調(diào)整變頻器頻率，從而改變電機轉(zhuǎn)速，減少了能量的消耗。第二，普通恒壓供水在用水量變化較大時有高效、節(jié)能的作用，但在用水量很小的情況下，如晚上，變頻器工作在出水頻率附近，耗電量增大。本系統(tǒng)是由變頻技術(shù)、壓差恒壓自動轉(zhuǎn)換技術(shù)及微泄露補償技術(shù)組成。采用這種技術(shù)供水時，變頻設(shè)備能自動的根據(jù)供水流量轉(zhuǎn)換供水方式，并利用微泄漏補償器儲能，來實現(xiàn)微小流量下高效率供水的目標。攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 恒壓供水系統(tǒng)主要器件3.1 異步電動機異步電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，二者之間有一個很小的空氣隙。定子的鐵芯槽內(nèi)放置對稱三相繞組，三相繞組在空間位置上互差 120o 的電角度。轉(zhuǎn)子繞組有兩側(cè)端部互相短接的銅條或鋁條構(gòu)成，和外電路之間沒有任何聯(lián)系。異步電動機的轉(zhuǎn)速公式異步電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)軸帶動負載時，除要求它輸出一定轉(zhuǎn)矩和功率外，應(yīng)生產(chǎn)和生活的需要，往往要對它的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。調(diào)速性能包括：調(diào)速范圍、調(diào)速平滑性、調(diào)速設(shè)備復雜程度、調(diào)速損耗。變頻調(diào)速的出現(xiàn)使得異步電動機高性能調(diào)速成為可能。異步電動機調(diào)速技術(shù)方案有以下幾種：（1）改變磁極對數(shù)調(diào)速；（2）改變轉(zhuǎn)差率 s 調(diào)速；（3）變頻調(diào)速。變頻電源可以由變頻器來實現(xiàn)，有兩種方式：將 50Hz 的交流電整流成直流，再將直流逆變成頻率不同的交流電，稱為交直交變頻；或者直接將 50Hz 的交流電變?yōu)轭l率可變的交流電，稱為交交變頻。3.2 變頻器變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。迄今為止，在中小型變頻器中應(yīng)用最為廣泛的是交直交（VVVF 變頻） 、電壓型變頻器。先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié) 4 個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。主回路主要由整流電路、限流電路、濾波電路、電源指示燈、制動電路、逆變電路和檢測取樣電路部分組成。變頻器結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示。變頻器由以下幾部分組成：（1）整流電路； （2）限流電路；（3）濾波電路；（4）電源指示燈；（5）制動電路；（6）逆變電路；（7）其他若干檢測取樣電路。)1(60)1(spfsnn轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/mins轉(zhuǎn)差率攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4圖 3.1 變頻器結(jié)構(gòu)圖4 供水系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計4.1 供水系統(tǒng)流量的計算4.1.1 供水系統(tǒng)流量的計算就我們攀枝花學院，設(shè)定每人一天的用水量為 20 升，我校共有 15000 多名師生。則一天的最大用水量為LQ302150每小時最大時的用水量為)/(5.14/3hm4.1.2 供水系統(tǒng)揚程的確定本校水平最高樓位于 C 區(qū)，樓高 5 層，每層高度按 3m 計算，則樓高為 15m，水池與 C 區(qū)平面相距約10 米，供水高度為 25m。一般由現(xiàn)實需要還要加上一層，即供水高度為 28m，再加上經(jīng)驗值 15m20m，則泵的總揚程為 4348m。選擇離心泵揚程應(yīng)為 48 米以上，適配 15KW 的電機（Y160M2-2） ，共 3 臺。由于電機的功率為 15KW，選擇康沃生產(chǎn)的 P2 系列 CVF-P2-4T0185，軟起動器選擇 STR015A，功率為18.5KW。4.2 系統(tǒng)控制方案4.2.1 供水 單泵工作開機延時 5 秒，首先開啟真空泵，開啟 1 泵真空電磁閥和 1 泵電動閥，真空泵工作 1 分鐘后（可以設(shè)置） ，開啟變頻 1 泵，關(guān)閉真空泵，關(guān)閉 1 泵真空電磁閥；1 泵按 2HZ/S 速度上升至出水頻率（可以設(shè)置） ，再按 1HZ/S 速度工作。進泵當 1 泵到達全速但壓力達不到設(shè)定值，延時（可以設(shè)置）開啟真空泵，開啟 2 泵真空電磁閥和 2 泵電動閥，真空工作 1 分鐘后（可以設(shè)置） ，軟起工頻 2 泵，關(guān)閉真空泵，關(guān)閉 2 泵真空電磁閥；1 泵下降攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5至出水頻率（可以設(shè)置） ，若壓力超過設(shè)定壓力，重新執(zhí)行單泵工作程序。退泵當 1 泵頻率下降至出水頻率（可以設(shè)置） ，實際壓力超過設(shè)定壓力，延時（可以設(shè)置） ，停止 2 泵，關(guān)閉 2 泵電動閥，重新執(zhí)行單泵工作程序；3 泵為手動/自動備用泵，本系統(tǒng)考慮到當遇到特殊情況時兩個泵達不到需求時，要啟動 3 泵。故在 PLC 程序中編寫了進退 3 泵的程序。電動閥門可自動，也可手動控制。4.2.2 取水當蓄水池水位下降到水位下限后，停止所有工作供水泵，并開啟取水電動閥；到達工作上限時，自動啟動系統(tǒng)，關(guān)閉取水電動閥，按照以上程序執(zhí)行。4.2.3 工作狀態(tài)系統(tǒng)分自動和手動控制，在自動狀態(tài)下執(zhí)行自動程序，在手動狀態(tài)下能夠手動啟動所有負載。恒壓供水系統(tǒng)原理圖如圖 4.1 所示。4.3 強電驅(qū)動線路 1系統(tǒng)采用 3 臺水泵并聯(lián)運行方式，功率為 15kw，兩備一用。把 1 泵和變頻器連接，實現(xiàn)變頻運行。2 泵和 3 泵用軟起動器來啟動，起動參數(shù)可調(diào)，而且采用的軟起動器具有軟停車功能。強電驅(qū)動線路 1 如圖 4.2 所示。圖 4.1 恒壓供水系統(tǒng)原理圖圖 4.2 強電驅(qū)動圖 1攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 64.4 強電驅(qū)動線路 2強電驅(qū)動線路 2 如圖 4.3 所示。電路圖左邊的是真空泵的主電路，斷路器 QF4 和熱繼電器 FR1 用來保證電機安全運行，KM1 的作用是在 PLC 中用來控制真空泵的開閉。三個電壓表用來檢測主電源線中電壓是否穩(wěn)定。最右邊的電路是為控制電路和 PLC 供電設(shè)計的。先通過變壓器把 380V 轉(zhuǎn)換成 220V，用低通濾波器濾掉高頻諧波，最后通過開關(guān)電源就得到 24V 和 5V。4.5 電動閥控制電路圖 4.4 中控制四個電動閥的接觸器分別是 KM2、KM3、KM4、KM5。電動閥里有兩個限位開關(guān)，三個接線端子。其中兩個常開、常閉觸點是主管閥門的開啟和閉合。連接在端子排中的 1 號位的是公共端，2 號位的常閉觸點的作用是關(guān)閉電動閥，3 號位的常開觸點閉合后電動閥開啟。當電動閥開到 90°時，會碰到 5 號位的關(guān)到位限位開關(guān)，線圈就會通電說明電動閥已經(jīng)完全打開。同樣，當關(guān)閉電動閥時，反轉(zhuǎn)到90°時，會碰到 4 號位的開到位的限位開關(guān)，線圈通電表明電動閥已經(jīng)成功關(guān)閉。圖 4.3 強電驅(qū)動圖 2圖 4.4 電動閥控制線路攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 74.6 PLC 接線圖圖 4.5 所示的是 LG-PLC 接線圖。在可編程控制器的左右兩邊分別是定義的輸入點和輸出點。本系統(tǒng)共用到三個泵，所以需要定義三個泵的狀態(tài)輸入和故障輸入，又因為所用的泵是離心泵，離心泵啟動時必須有真空泵把空氣抽凈，所以又加上了真空泵的控制端口。在現(xiàn)實控制中，手動是必須的。為了能讓備用泵順利轉(zhuǎn)換，定義循環(huán)線路的輸入和輸出端口來保證兩個軟起泵能按時轉(zhuǎn)換。在 PLC 右邊，定義了三個供水泵，真空泵和四個電動閥的輸出控制端口。最后的那三個供水泵電磁閥是用在每個泵啟動時控制真空泵抽各離心泵中空氣用的。下圖右邊是完成本次系統(tǒng)任務(wù)的必需擴展。首先，是兩個 ADHB 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用來處理如水位，壓力和頻率的模數(shù)轉(zhuǎn)換。這三個模擬量不能直接參與 PLC 的運算，需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才行。每個輸入輸出都有自己的寄存器地址，在編程時還要在調(diào)用寄存器的值的時候與相應(yīng)的系數(shù)進行運算才可用于 PLC中的 PID 運算。它對于編程和現(xiàn)場控制有很大幫助?？梢噪S時在需要的情況下改變?nèi)缛齻€模擬量系數(shù)、水位的上下限和備用泵的轉(zhuǎn)換時間。圖 4.5 PLC 接線圖4.7 控制線路下面兩圖為本系統(tǒng)的控制線路。電源線為三相線的 A、B 相線，為了防止過載、短路和欠電壓，最開始設(shè)置上了斷路器。下面的 K 按鈕是應(yīng)急按鈕。再下面的手動轉(zhuǎn)換開關(guān)是用來選擇手動還是自動。接觸器最多只有四個常開觸點，拿手動來說，需要兩個 10 型的接觸器和兩個 40 型的輔助觸頭，共 16 個常開觸點，KM8 同理。每個泵閥門都有自動和手動，這是在實際需要的立場上設(shè)計的。攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8圖 4.6 控制線路 1圖 4.7 控制線路 25 恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計本設(shè)計由于采用的 PLC 是 LG 系列的，所以在這里簡單介紹一下 LG 系列 PLC 的一些編程規(guī)則。5.1 梯形圖的基本繪制規(guī)則(1) 編程順序(2) 編號分配(3) 觸點的使用次數(shù)和線圈的使用次數(shù)(4) 線圈的連接5.2 恒壓供水系統(tǒng) I/O 口分配系統(tǒng)具體控制方案上章已敘述，在此把恒壓供水系統(tǒng)的 I/O 分配列舉如表 5.1（略） 。攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 95.3 程序流程圖具體控制方案上面已有詳細敘述，根據(jù)本課題要求和實際情況的限制，恒壓供水系統(tǒng)流程圖見附錄（略） 。5.4 程序編寫在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，采用了一臺變頻器連接 1 臺電動機，變頻器輸入電源前面接入一個空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。對于用軟啟動器控制的電動機，還需要在軟啟動器上面接入兩個空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機的過流過載保護，空氣開關(guān)的容量依據(jù)電動機的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。水泵閥門主電路用兩個交流接觸器來控制電動機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。PLC 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、變頻 1 泵起動程序、恒壓供水模塊程序、進 2 泵程序、求模擬量平均值程序、進 3 泵程序、退 3 泵程序、壓差程序、故障處理程序等構(gòu)成。程序見附錄（略） 。6 結(jié)束語此次設(shè)計是以攀枝花學院的供水狀況為設(shè)計課題，包括：恒壓供水系統(tǒng)原理、恒壓供水系統(tǒng)的電氣實現(xiàn)、系統(tǒng)的硬件選型、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件電路設(shè)計等，本設(shè)計一共包含四大章設(shè)計內(nèi)容，其主體是由變頻技術(shù)、壓差恒壓自動轉(zhuǎn)換技術(shù)、微泄漏補償技術(shù)組成的，是現(xiàn)階段水處理行業(yè)較為先進的供水方法。本系統(tǒng)與現(xiàn)在普通二級加壓水廠相比，具有簡單經(jīng)濟、控制方便、節(jié)能降耗的優(yōu)點。首先，普通二級加壓水廠只單純手動控制電機的啟動和切換，這樣在電機啟動時會產(chǎn)生很大的啟動電流，長此以往對電機壽命有很大損害，而且在供水時一直按工頻全速運轉(zhuǎn)效率低、能耗大。而本系統(tǒng)可根據(jù)實際壓力變化自動調(diào)整變頻器頻率，從而改變電機轉(zhuǎn)速，減少了能量的消耗。其次，普通恒壓供水在用水量變化較大時有高效、節(jié)能的優(yōu)點，但在用水量很小的情況下，如晚上，變頻器工作在出水頻率附近時耗電量增大。而本系統(tǒng)通過壓差恒壓自動轉(zhuǎn)換技術(shù)和微泄露補償技術(shù)解決了這個難題。再次，本設(shè)計運行維護簡單方便，對于操作人員不要求具備專業(yè)的水處理知識，只根據(jù)操作說明書和操作規(guī)程就可以對整個水廠進行操作管理，因此，采用此設(shè)計建設(shè)的水廠適應(yīng)性強，在現(xiàn)階段很受客戶的歡迎。這種水處理技術(shù)未來發(fā)展前景很大，它的供水方式和控制方式都符合供水發(fā)展方向，是現(xiàn)代人們生活所要求的并且前景光明。參考文獻1 張宏建，蒙建波自動檢測技術(shù)與裝置M北京：化學工業(yè)出版社，2006.2 張燕賓SPWM 變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)M北京：機械工業(yè)出版社，2002.3 深圳康沃電氣技術(shù)有限公司康沃變頻調(diào)速器使用手 1126深圳：深圳康沃電氣技術(shù)有限公司，2006.4 馮垛生，張森變頻器的應(yīng)用與維護M廣州：南華理工大學出版社，2001.攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 105 高湘給水工程技術(shù)及工程實例M北京：化學工業(yè)出版社，2002.6 陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)M北京：機械工業(yè)出版社，2006.7 西安西普電力電子有限公司STR 數(shù)字式交流電動機軟啟動器說明書 V5.3西安：西安西普電力電子有限公司，2006.8 Hiromitsu Kato，Hiromitsu Kurisu，Teruji SekozawaInteractive Multiple Objective Decision Method for Water Supply Scheduling in Hybrid Network ModelsM. Japan.The Design of the Water Supply System Based on the Control of PLCShe Jiyu Instructor: Feng MingchinAbstract： In the rapid development of China's economic process, in order to achieve sustainable economic development, energy-saving emission duction requirements will be getting higher and higher, making energy-saving equipment to large-scale promotion and use. At the same time as celerating the process of urbanization, an influx of immigrants into the city, making large and medium-sized cities, the infrastructure is not sufficient to satisfy the original use of the growing demand, into the expansion of such infrastructure will be put on the agenda, what is economical and efficient and expansion to meet the needs of the future is that we must face the problem of the current. In addition to the quality of life of people continually increasing demands on the performance of urban infrastructure has put forward higher requirements.The construction of urban water supply system is one of the important aspects, water supply reliability, stability, economy directly affect people's normal work and life. The traditional constant pressure water pump, high water tower tank water supply, water pressure tank water supply means exist to varying degrees generally low efficiency, poor feasibility, long construction period, water quality and other shortcomings are not guaranteed, and energy efficiency and raise the standard of living are incompatible. Based on the above, the present paper for the development of our school teachers and students, as well as life cycle analysis of water, the use of frequency converter in the constant pressure water supply of the outstanding performance of life designed for variable frequency control of water control systems, and through the use of PLC the whole system more intelligent and reliable to meet the conditions for energy conservation and the purpose of school.Keywords： constant pressure water supply, variable frequency speed control, frequency converter, PLC