2023年基于PLC和变频器控制的恒压供水系统设计.doc

PLC控制的自动恒压供水系统设计 郭超 〔徐州工业职业技术学院〕 ：城市供水逐渐向自动化、恒压供水的趋势开展，基于此，该文对自动恒压供水系统进行了研究与设计，从自动恒压供水的根本 原理切入进行了分析，同时在完成了硬件选型的根底上，重点进行了自动恒压供水系统的设计，探讨了西门子PLC 在自动恒压供水 系统中的应用，给出了系统的硬件设计和软件流程设计，对于进一步提高供水系统的自动化应用水平具有一定借鉴意义。 关键词：西门子PLC；自动供水；软硬件设计 Abstract: The water supply system is going to develop as the trend of automatic and isobarically, so this paper discussed and designed the automatic isobarically water supply system, and it started with analyzing the basic principle of automatic isobarically water supply system, at the same time, the hardware equipments were all chosen and the whole system was also finished, which discussed the application of Siemens PLC in isobarically water supply system from the hardware and software control processing. All this work is significative for enhancing the automatic application level of water supply system. Key words: siemens PLC; automatic water supply; software and hardware design 1 自动恒压供水概述 1.1 自动恒压供水的根本原理 所谓自动恒压供水，就是采用电机调速装置控制泵组调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管 网压力变化时到达稳定供水压力和节能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统任意设定供水压力值，与总管反响的 实际压力，进行PID 调节后控制调速装置，以调节水泵机组的运行速度，从而调节系统的供水压力，即所谓的“变量恒压〞概念。恒压 供水技术采用的调速装置，根本上都是变频调速器或PLC。用变频器控制水泵向管路供水，由水压传感器反响信号与水压设定值在 变频器或PLC 中构成闭环，以保持水泵供水压力恒定，是目前最好的方法。 1.2 实施自动恒压供水的意义 随着电力技术的开展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供 水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而防止了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和 阀门等的使用寿命，可以消除起动和停机时的水锤效应，其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使 供水实现节水、节电、节省人力，最终到达高效率的运行目的。 恒压供水调速系统可依据用水量的变化(实际为供水管网的压力变化)自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，是当 今先进、合理的节能型供水系统。在短短的几年内，恒压供水系统经历了一个逐步完善的开展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系 统所代替，投资更为节省，运行效率提高，成为主导产品。自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速 恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90 年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调 速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数。随着电力电子技术的飞速开展，变频器的功能也越来越强，充 分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低本钱，保证产品质量等方面很有潜力。 2 PLC 在自动恒压供水系统中的设计应用 2.1 硬件设备的选型 1) PLC 的选型 结合本论文的设计要求，以及出于控制系统本钱的考虑，这里选用西门子LOGO! 系列PLC 作为本恒压供水控制系统的核心部件。 LOGO! 具有通用逻辑控制模块，有8 种根本功能和26 种特殊功能，它代替了很多定时器、继电器、时钟和接触器所实现的功能， 取代了数以万计的继电器设备。LOGO! 模块不需要太多的附件和放置空间，因而它使得控制柜的体积变得更小，而且随时能够扩展其功能。所以，LOGO! 模块不仅降低了花费，也节省了多达70%的时间。LOGO! 易于安装，几乎不需要任何接线。而且编程十分 简单，所做的仅仅是按动几下按钮；LOGO! 也具有抗振性，及很强的电磁兼容性〔EMC〕，并完全符合各项工业标准，能够应用于各种 气候条件；LOGO! 满足B 级噪音抑制要求，并且具备所有必需的国家级认证。因此，LOGO! 得以在全世界范围广泛使用。 2) 变频器的选型 变频器选型时要确定以下儿点： ① 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。 ② 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。 ③ 变频器与负载的匹配问题： 电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等那么需要参考电机性能参数， 以最大电流确定变频器电流和过载能力。 转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。 ④ 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的 选型，其容量要稍大于普通电机的选型。 ⑤ 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地祸合电容的影响，防止变频器出力缺乏，所以在这样情况一 下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。 ⑥ 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。 2.2 硬件设计 2.2.1 系统构成 可编程控制器(PLC)结合变频技术对恒压供水系统的根本控制策略是：采用变频调速的水泵与PLC 构成控制系统，根据水位的 上下自动调整水泵的运行台数，完成供水系统的闭环控制，根据水位的变化自动控制水泵的工作状态，实现节约电能的目的。 由PLC 控制的变频调速恒压供水系统，主要由PLC、变频器、水位传感器、动力控制线路以及水泵等组成。一般来说，系统采用 一台变频器控制多台水泵以循环工作的方式。中心控制器为PLC 可编程控制器，以设定水位和反响水位为控制目标，以PID 为控制 算法组成闭环控制系统。系统配备水位显示仪表，可进行上下位报警，同时通过PLC 可确保取水在合理水位的水质监控，同时也保 护电机正常运转。流量计能显示一段时间的累积流量和瞬时流量，可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。以清水池水位为 控制目标，以供水时间、季节为参考值，合理组合开泵台数，减少开停泵次数，到达稳定水压、节电供水之目的。 2.2.2 PLC 接线设计 PLC 控制模块通过通信电缆将控制信息传送到变频器模块，从而改变电源频率，再通过通信电缆连接到两台水泵电机上，从而 改变电机的转速，继而改变供水回路的水压，到达恒压供水。变频器具有RS 485 通信接口，性价比拟高。PLC 通过自由通信日与变 频器通信，控制变频器的运行、读取变频器自身的电压、电流、功率、频率累计运行时间和过压、过流、过负载等全部报警信息。这样 具有较高的运行可靠性，节省了PLC 的I/O 口。 从具体接线来分析，LOGO! PLC 的输入端子X0 和X1 分别连接电接点水位传感器的水位下限开关和水位上限开关；端子X2～ X6 分别连接泵1x～泵5x 的点动按钮，点动按钮的作用是控制系统安装调试及维修时，单独对每台泵进行试机；PLC 的5 个输出端 子Y1、Y2、Y3、Y4 和Y7 分别连接驱动泵1x～泵5x 的电动机的5 个交流接触器KM1～KM5；Y0 连接用于报警的蜂鸣器。 当PLC 控制变频器启动后水位传感器检测出水位，并将信号转换为4mA～20mA 模拟 电流信号，送入PLC 的模拟量扩展模块作为实际水位值；PLC 接收到水位信号之后与给定 的水位值进行比拟， 进而计算出控制量由模拟量扩展模块输出幅值为0V～5V 的电压信号 给变频器，变频器依据输入电压信号的大小，控制水泵进行调速运行，从而控制供水系统 的工作进度。 图1 恒压供水PLC 控制系统硬 件设计示意图 2.3 软件设计 在自动情况下，当某台软启动器过载、过流、缺相均认为是软启动器故障，控制屏上对 应软启动器故障指示灯亮，同时给中控室发出“软启动器故障〞信号，假设该泵当时处于运行 状态，那么自动切换到备用状态。为了克服泵停止运行后，软启动器故障信号消失，泵重新投 入运行，运行后又出现软启动故障，从而引启泵的反复启停，造成泵损坏这一现象，软件设 计中作如下考虑：当某台泵由于软启动器故障停止运行后，即使软启动器故障已消失， 但PLC 仍保持该信号，除非操作人员将该泵的检修/运行开关从运行位置扳到“检修〞，然后从 “检修〞返回“运行〞位置，该泵才能重新投入运行；当某台泵的380 V 交流电源消失或泵处 于“检修〞位置，或泵停止后启动前无润滑水，均认为该泵处于故障状态，同时禁止该泵的 PLC 输出信号，同时该泵退出“主用〞状态；假设在泵启动2 s 后，润滑水消失，那么认为泵正常。 3 结束语 供水系统采用变频恒压控制方式时， 系统可根据实际设定水压自动调节水泵电动机 的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定值，提高了供水品质，采用组态远 程监控使系统处于可靠运行的状态。另一方面，采用PLC 作为控制器，硬件结构简单，本钱低，系统能够实现水泵电机无级调速，依 据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压的恒定，以满足用水的需求。 参考文献： [1] 滑海穗, 郎宏仁.可编程控制全自动恒压供水系统[J].黑龙江水利科技,2023(3):56-57. [2] 丁炜, 魏孔平.可编程控制器在工业控制中的应用[M].北京:化学工业出版社,2023. [3] 王侃夫.PLC 变频恒压供水系统的电气设计[J].上海电机学院学报,2023,8(3):18-21. [4] 张西虎.一种闭环恒压供水系统设计[J].机械与电子,2023,(2):30-33.