基于PLC的高樓恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、課題名稱 基于PLC的高樓恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 姓 名： 王鎮(zhèn) 日 期： 2011年11月10日 目錄摘要1關(guān)鍵詞11.引言12恒壓供水的特點(diǎn)52 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖53軟件部分63.1PLC程序63.2IO分配表103.3變頻器參數(shù)設(shè)定104控制電路圖114.1主電路圖114.2控制電路圖115主要器件的選擇125.1MD-W 恒壓供水壓力傳感器的介紹125.2PLC的特點(diǎn)136變頻器的特點(diǎn)147系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能有157.1 手動(dòng)運(yùn)行157.2自動(dòng)運(yùn)行167.3特殊情況168這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)越性16總結(jié)17基于PLC的高樓恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，合理開(kāi)發(fā)、節(jié)約利用和有效保護(hù)水資源是

2、一項(xiàng)艱巨任務(wù)。居民生活用水具有時(shí)間集中，用水量變化較大的特點(diǎn)，而采用原供水系統(tǒng)存在成本高，可靠性低，水資源浪費(fèi)和管網(wǎng)系統(tǒng)待完善的問(wèn)題。為此采用變頻器與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，提出用自來(lái)水水壓供水與水泵提水相結(jié)合的方式，并配以變頻器、PLC、壓力傳感器、溢流閥等將管網(wǎng)的壓力，通過(guò)壓力傳感器把數(shù)據(jù)傳給PLC，PLC優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，使水管中的壓力始終保持在合適的范圍。PLC恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)管網(wǎng)流量變化時(shí)，能達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)

3、鍵詞：變頻器；PLC；恒壓供水；1.引言現(xiàn)在的恒壓供水應(yīng)以經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)，供水安全可靠為原則。傳統(tǒng)的供水方式（包括水箱/水塔供水和氣壓供水）。水箱/水塔供水稱為重力供水，具有供水壓力比例恒定和儲(chǔ)水的功能。它是由位置高度形成的壓力來(lái)進(jìn)行供水的，為此需要建造水塔或?qū)⑺渲糜诮ㄖ锏捻斏?。但是常常不能滿足供水要求，難以滿足不斷增加的用水需求。同時(shí)在屋頂上形成很大的負(fù)重，增加了結(jié)構(gòu)面積，也妨礙了美觀。此外，屋頂水箱必須高出水面幾米，建筑方面較難處理，而且投資周期長(zhǎng)。氣壓供水：在地下室或某些空曠之處加壓送到管網(wǎng)中去。其優(yōu)點(diǎn)是靈活性大，建設(shè)快，少受污染，不妨礙美觀，有利于擴(kuò)張與消除管道中的水錘與噪聲，

4、且可以通過(guò)改變壓力罐的壓力來(lái)滿足不斷增加的供水需求。缺點(diǎn)是需要壓力罐，其體積和投資大，壓力變化大，運(yùn)行效率低，還需要使用張力膜或設(shè)置空氣壓縮機(jī)充氣。因此，電能消耗大，運(yùn)行費(fèi)用高。隨著交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，為實(shí)現(xiàn)恒壓供水提供了可靠的技術(shù)條件。利用變頻器、壓力計(jì)，PLC等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，取代水塔、水箱、氣壓罐，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水。且配置日趨合理，成為供水網(wǎng)的替代產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求有：（1）能提供某一小區(qū)800人的平時(shí)用水，保證在高峰時(shí)期小區(qū)高層用戶的恒壓供水；（2）保證在用水低谷時(shí)不會(huì)造成電力的浪費(fèi)，在停電后恢復(fù)通電時(shí)恒壓供水裝置能自動(dòng)啟動(dòng)；（3）可實(shí)現(xiàn)手

5、動(dòng)控制運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行（用一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制，有自動(dòng)擋和手動(dòng)擋）；（4）能實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警；（5）備用水泵能在不影響供水系統(tǒng)的情況下進(jìn)行自動(dòng)輪休；（6）操作簡(jiǎn)易，維護(hù)簡(jiǎn)單，保證樓層生活水系統(tǒng)、生產(chǎn)水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。2.恒壓供水的特點(diǎn)恒壓供水的特點(diǎn)為：（1）節(jié)電：優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實(shí)現(xiàn)最大限度地節(jié)能運(yùn)行；（2）節(jié)水：根據(jù)實(shí)際用水情況設(shè)定管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現(xiàn)象；（3）運(yùn)行可靠：由變頻器實(shí)現(xiàn)泵的軟起動(dòng)，使水泵實(shí)現(xiàn)由工頻到變頻的無(wú)沖擊切換，防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂。（4）控制靈活：分段供水，定時(shí)供水，手動(dòng)選擇工作方式。（5）自我保護(hù)功能完善：如某臺(tái)泵出現(xiàn)故障

6、，主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)啟動(dòng)備用泵，以維持供水平衡。萬(wàn)一自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，用戶可以直接操作手動(dòng)系統(tǒng)，以保護(hù)供水。3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖變頻器繼電器組壓力變送器水泵4狀態(tài)指示燈PLC手動(dòng)控制水泵3水泵1水泵2（圖1）（圖1）說(shuō)明的是PLC控制變頻器和繼電器實(shí)現(xiàn)水泵的恒壓供水，水壓的是否穩(wěn)定通過(guò)壓力變送器傳送給PLC進(jìn)行檢測(cè)做出判斷，PLC做出相應(yīng)的控制。4 主要器件的選擇我選用歐姆龍CP1HPLC和三菱E700變頻器，MD-W 恒壓供水壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。以下我簡(jiǎn)單介紹一下使用到的器件的特點(diǎn)及功能。4.1 MD-W 恒壓供水壓力傳感器的介紹針對(duì)在供水系統(tǒng)中變頻器的使用，采用抗變頻干擾電路，

7、保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。同時(shí)，專用電路中對(duì)傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進(jìn)行精密補(bǔ)償，使之具有集成度高、體積小、精度高、一致性好、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等特性。技術(shù)參數(shù)：測(cè)量壓力 (Mpa)0.10.711.63.5510過(guò)載能力0.21.523.571015外殼不銹鋼精度0.5%  0.2%測(cè)量介質(zhì)水供電電源9-32 VDC信號(hào)輸出4-20mA /0-5V負(fù)載RA(UB-8V)/0.02A絕緣電阻>10M 500Vdc激勵(lì)下長(zhǎng)期穩(wěn)定性±0.25FSO/year介質(zhì)溫度-2085儲(chǔ)存溫度-20110補(bǔ)償溫度范圍-2080零點(diǎn)平均溫度系數(shù)Typ. ±0.2

8、/10k量程的平均溫度系數(shù)Typ. ±0.15/10k響應(yīng)時(shí)間1msCE-一致性抗干擾性接線保護(hù)反極性和短路保護(hù)密封性能優(yōu)于IP65防爆類型本安防爆ExiaCT6接口尺寸M20×1.5  G1/4  NPT1/4  水管通用接口接線方式DIN/直出/航插          4.2 PLC的特點(diǎn)（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的

9、可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá)30萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。從PLC的機(jī)外電路來(lái)說(shuō)，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的

10、工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。4.3 變頻器的特點(diǎn)（1）可控的加速功能變頻調(diào)速能在零速啟動(dòng)并按照用戶的需要進(jìn)行光滑地加速而且其加速曲線 也可以選擇(直線加速S 形加速或者自動(dòng)加速) 而通過(guò)工頻啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)或相連 的機(jī)械部分軸或齒輪都會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)這種振動(dòng)將進(jìn)一步加劇機(jī)械磨損和損 耗降低機(jī)械部件和電機(jī)的壽命另外變頻啟動(dòng)還能應(yīng)用在類似灌裝線上以 防止瓶子

11、倒翻或損壞 （2） 可調(diào)的運(yùn)行速度運(yùn)用變頻調(diào)速能優(yōu)化工藝過(guò)程 并能根據(jù)工藝過(guò)程迅速改變 還能通過(guò)遠(yuǎn)控 PLC 或其他控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)速度變化 （3）能調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，在整個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍提供恒定轉(zhuǎn)矩：閉環(huán)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供絕對(duì)速度控制；低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)仍維持高效率；選用變頻器時(shí)不必加大一級(jí)，即可在低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得額定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩值；典型功率因素值為0.95；有無(wú)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速回饋都可運(yùn)行；動(dòng)態(tài)響應(yīng)及效率均優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)。（4）低頻轉(zhuǎn)矩大，即使運(yùn)行在1HZ（或0.5HZ）時(shí)，也能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩，且不會(huì)產(chǎn)生在U/f控制方式中容易遇到的磁路飽和現(xiàn)象；機(jī)械特性好，在整個(gè)頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，都具有較硬的機(jī)械特性，所有機(jī)械特性

12、基本都是平行的；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，尤其是有轉(zhuǎn)速反饋的矢量控制方式，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般都能小于100ms；能進(jìn)行四象限運(yùn)行。5控制電路圖5.1主電路圖（圖4）5.2控制電路圖（圖5）6.軟件部分（1）PLC程序（圖2）這個(gè)PLC程序中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力計(jì)電壓量傳給PLC的模擬量端口輸入端的AD轉(zhuǎn)換，也實(shí)現(xiàn)了PLC的模擬量端口輸出端輸給變頻器電壓量的DA轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)了PLC的模擬量對(duì)變頻器的控制，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水。在這個(gè)程序中，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)四臺(tái)水泵的輪休工作，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)水泵變頻狀態(tài)下工作時(shí)，水壓不夠要打開(kāi)另一臺(tái)水泵時(shí)，第一臺(tái)工作的水泵切換到工頻狀態(tài)，第二臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，當(dāng)水壓還不夠時(shí)，依次這樣切換過(guò)去。當(dāng)水壓過(guò)高時(shí)

13、，PLC首先切斷最先工作的水泵。這樣就實(shí)現(xiàn)了四臺(tái)水泵的輪休工作。當(dāng)有一臺(tái)水泵壞了的時(shí)候，也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。（2）IO分配表（圖3）（3）變頻器參數(shù)設(shè)定P1=49 上線頻率設(shè)定P2=2 下線頻率設(shè)定P7=10 加速時(shí)間設(shè)定P8=10 加速時(shí)間設(shè)定P79=2 運(yùn)行模式選擇，外部運(yùn)行模式固定P73=0 模擬量輸入選擇010V7系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能有7.1 手動(dòng)運(yùn)行手動(dòng)運(yùn)行用于系統(tǒng)調(diào)試時(shí)測(cè)試系統(tǒng)各部分是否正常。1、2、3、4四臺(tái)泵都可以選擇工頻運(yùn)行，其中有一臺(tái)水泵可以在變頻的條件下運(yùn)行，且可以在PID調(diào)節(jié)下運(yùn)行，保證在手動(dòng)條件下也能實(shí)現(xiàn)恒壓供水。分別有四個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制四臺(tái)水泵，轉(zhuǎn)換擋位有工頻運(yùn)

14、行，變頻運(yùn)行，停止，當(dāng)有一臺(tái)水泵選擇變頻運(yùn)行，其它泵就不能選擇變頻運(yùn)行，選擇了相當(dāng)選擇停止。7.2 自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，控制系統(tǒng)首先檢測(cè)水管的壓力，當(dāng)壓力低于設(shè)定值時(shí)一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)，當(dāng)一臺(tái)水泵運(yùn)行頻率在49HZ的情況下，水管壓力連續(xù)10秒還不夠，變頻啟動(dòng)了的水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻啟動(dòng)第二臺(tái)水泵，當(dāng)?shù)诙_(tái)運(yùn)行到49HZ，水管壓力連續(xù)10秒還不夠，第二臺(tái)泵切換到工頻，第三臺(tái)泵變頻啟動(dòng)，依次進(jìn)行水壓不夠切換。當(dāng)水壓偏高10秒時(shí)，首先停止最先運(yùn)行的水泵，然后依次停止，直到水壓恒定。7.3特殊情況當(dāng)恒壓供水出現(xiàn)問(wèn)題是，有一盞異常情況指示燈會(huì)亮，只有當(dāng)按下復(fù)位鍵，才能解除異常指示燈的報(bào)警，再去操

15、作其它功能有效。8 這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)越性我這個(gè)系統(tǒng)是通過(guò)壓力傳感器，輸送0到5伏的電壓給PLC的模擬量的輸入端，PLC的模擬量時(shí)時(shí)采集壓力傳感器的電壓值，進(jìn)入PLC，PLC進(jìn)過(guò)內(nèi)部處理，通過(guò)PLC的模擬量輸出控制變頻器，也通過(guò)PLC的繼電輸出控制交流接觸器，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的控制。在整個(gè)恒壓供水系統(tǒng)的內(nèi)部加一個(gè)儲(chǔ)能罐，這樣可以降低整個(gè)恒壓供水的波動(dòng)，從而使恒壓供水的效果更加的好。為了防止高水壓導(dǎo)致水管破裂，在水管處裝有一個(gè)溢流閥，在溢流閥的頂桿處裝一個(gè)行程開(kāi)關(guān)。當(dāng)水壓超過(guò)10MPa時(shí)，溢流閥自動(dòng)動(dòng)作排水，同時(shí)動(dòng)作行程開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān)把動(dòng)作信號(hào)送給PLC。溢流閥連續(xù)排水3分鐘時(shí)，異常指示燈亮，所有的水泵停止工作。這樣，既防止了高水壓導(dǎo)致水管破裂，也節(jié)約了資源。在手動(dòng)的狀態(tài)下，可以選擇水泵在工頻狀態(tài)下運(yùn)行或則在變頻狀態(tài)下運(yùn)行。當(dāng)然，四臺(tái)水泵中只有其中一臺(tái)水泵可以選擇變頻狀態(tài)下運(yùn)行。若在用水量少的情況下，只開(kāi)一臺(tái)水泵在變頻情況下運(yùn)行，這個(gè)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)恒壓供水（用水量小于一臺(tái)水泵在工頻狀況下的給水量）。在手動(dòng)狀態(tài)下，假如溢流閥連續(xù)半個(gè)小時(shí)放水，異常指示燈亮，所有水泵都會(huì)停止工作。這樣是為了節(jié)約資源（為了