基于PLC的变频恒压供水系统的设计.pdf

第 3 4卷第 2期 2 0 1 3年 4月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f No r t h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r V0 1 ． 3 4 No ． 2 Ap r ．201 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j 。 i s s n ， 1 0 0 2 5 6 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 2 4 基 于 P L C的变频恒压供水 系统 的设计 朱雪凌 ，张 娟 ，许 智勇 ，平 增 1 ． 华北水利水 电学院 ， 河南 郑州 4 5 0 0 4 5 ； 2 ． 河南省新郑市供 电公 司， 河南 新郑 4 5 1 1 0 0 摘要 为保证 居民的可靠用水 ， 并在一 定程度上达到高效 节能 、 经济实用 的 目的． 采用 P L C作为 主控制器 配合 以 变频器 ， 设计 了基 于 P L C的变频恒压供水 系统． 该 系统 采用增量 式 P I D算 法 ， 通过对 变频恒 压供水 系统进 行理论 分析 ， 确定 了相应 的设计 方案 和控 制策略 ， 并 在 s 72 0 0 P L C的硬件 坏境下 使用 S T E P 7一MI C R O ／ WI N V 3 ． 2版 编程 软件进行 了编程 ， 通过变频调速完成 电机转速 的控制 ， 从而实 现恒压供水 系统的设计 ； 该 系统不仅取代 了水塔 、 高位水箱及传 统的气压罐 供水装 置 ， 且经 济节能 ， 保 护功能齐 全 ， 工作稳 定可靠 ， 可 在生产 和生 活中的很多领域得到应用 ． 关键 词 P L C； 恒压供水 ； 变频器 中图分类号 T N 7 7 3 ； T P 2 7 3 5 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 2 5 6 3 4 2 0 1 3 0 2 0 0 8 7 0 4 随着我 国城市化 的快速发展 ， 高层建筑不断增 多 ， 由于居民用水量的不稳定性 ， 经常导致用水高峰 期水压较低 ， 供水量低 于需求量 ， 特别是高层用户经 常出现水压太低而无法正常用水 的状况． 传统的解 决办法是采用高位水箱 、 水塔和各种气压罐进行 蓄 水加 压 ， 依赖 挡 板 和 阀 门 的 阻力 调 节 水 流 量 ． 然 而 ， 这些办法或 自动化程度低 ， 能量损 耗大 ， 压力变化 大 ， 或因为维护工作量大 ， 水质容易受 Ⅳ次污染⋯． 随着人们生活质量的提高， 以及对高效 节能和设备 使用 寿命的要求 的提高 ， 这些方式都将逐渐被淘汰． 因此 ， 开发全 自动的变频调速恒压供水 系统越来越 受到人们的重视和青睐． 笔者针对高层 楼宇供水 问 题 ， 提出了采用 P L C作为中心控制单元 ， 与变频器 、 水泵 电机及控制 电路相结合来构成闭环压力调节系 统 ， 根据系统状态快 速调整供水量 ， 使 系统具有节 能 、 工作可靠 、 自动控制程度高、 经济易配置等优点 ， 可在 生 产 、 生 活 中得 到广 泛应 用 ． 1 变频恒压供水 系统 的理论 分析与方 案设计 1 ． 1 变频恒压供水系统的理论分析 目前 ， 水泵电机通常 由三相交流异步电动机来 驱动， 对水泵的调速通过对其电机转速的调节来实 现 ． 而 电机转 速 的调 节 主 要 通过 变 频 调 速 装 置 同 时 改变 电压 和频 率来 实现 ． 变频调速系统通常是使用变频器拖动电机来实 现电动机的软启动和无级调速 ， 从而使 鼠笼式异步 电动机获得更高性能． 在分析水泵 的负载特性时， 常 采用 下 列 的一 组公 式 j ㈩ 式中 n为电机转速 ； M为输 出转矩 ； P为输出功率． 由式 1 可知 水泵具有平方转矩负载特性 ， 当 用水量减少时 ， 电机转速 降低 ， 电机转 速的微量减 小 ， 将使输出功率大幅下降 ． 1 ． 2 变频 恒压 供水 控 制 系统 控 制方 案的设 计 根 据居 民 的实 际用 水 情 况 ， 设计 合 理 可靠 的供 水 系 统 ， 使其 在满 足用 户正 常用水 的同时 ， 确保 供水 设施的安全运行． 本设计从控制要求入手 ， 分析系统 的工 作原 理 ， 选 取 相应设 计 方案 ， 设计 相应 控制 策略 和控制流程 ， 最后对其进行 P L C的控制设计． P L C的控制系统的主要任务是保证居 民小区生 活用水的可靠性． 根据居民楼用水 的现场实际情况， 1 d之 中用水量会 有若干个高峰期或低谷期 ， 变频 收稿 日期 2 0 1 21 01 0 基金项 目 河南 省教育厅科学技术研究重点项 目 1 2 A 4 7 0 0 0 5 ， 1 2 A 4 7 0 0 0 6 ． 作者简介 朱 雪凌 1 9 6 6 一 ， 女 ， 河南周 口人 ， 教授 ， 硕士 ， 主要从事 电力 系统分析及继 电保护方面 的研究 8 8 华北水利水 电学 院学报 2 0 1 3年 4月 器则根据出水 口的压力调节水 泵的转速 与投切． 系 统的硬件部分主要包括变频器 、 压力传感器 、P L C、 电气控制柜 、 水泵机组和低压 电器等． 2 基 于 P L C的变 频 恒 压供 水 系 统 的 工作原理 将压力传感器提供的管网压力信号 ， 传送给变频 器 ， 根据传感器 的采样值与变频器 的设定值进行 比 较 ， 通过 内置的 P I D功 能进 行 数据 处 理 ， 将 处 理 结果 作 为 变 频 器 频 率 的给 定 输 入 ， 控 制 变 频 器 的输 出频 率， 从而控制水泵的转速 ， 保持供水管道的压力恒定． 在用水高峰期 ， 居民用水量增加 ， 管 网压力随之下降 ， 此时压力的变化通过 P I D运算后， 最终应使变频器输 出频率增加 ， 使水泵电机转速增加或增加投人运行 的 水泵 台数 ， 以此 来增加管 网压力 ， 保证 供水 能力 ． 当用 水量较 少 时 ， 管 网 压 力将 增 加 ， 压 力 的变 化 通 过 P I D 运算后使变频器输出频率下降 ， 电机转速下降或减少 运行的水泵数量 ， 以此来减小管 网压力 ， 保持恒压供 水 ． 图 1为恒压 供水 系统 自动控 制原理 图． I 设定值 I l 实际值 f 圈 1恒 压 供 水 系统 自动 控 制 原 理 图 2 ． 1控制 策 略 该控制系统的基本控制策略是 ， 利用 P L C作 为 主控制器来控制变频器对 电机进行无极调速 ， 以此 达到 恒压 供水 的 目的 ， 从 而 满 足居 民 的 正 常用 水 需 求． 系统采用 3台功率为 3 3 k W 的主 电机根据检测 信号 工作 在 工 、 变 频运 行方 式 下 ， 从 而驱 动 水泵 提供 用水 ， 在工作过程中要求 2台运行 1台备用． 在实际 控制 中 ， 避免 备用 电 机长期 不 用而 锈蚀 ， 所 以要 定期 更换 备用 电机 ， 对 主 电机进 行 分组 控制 ． 图 2为 变频 恒压 供水 系统 主 电路 图 ． Q F KM 图 2 系统主 电路 图 2 ． 2供 水 工况 划分 由规 模 相 近小 区 的历 史 数 据可 知 ， 某 小 区最 大 用水 量 已达 到 2 6 5 r n ／ h ， 夏秋 两 季 的 用水 量 可 能 会 超过 3 0 0 m ／ h ． 根 据近 几 年来 的用 水 量情 况 及 操 作经 验 ， 该 小 区 的供水 工况 划 分情况 见 表 1 ． 表 1 某小 区供水 工况划分结果 用水 量 很 大 的情 况 出现 在 夏秋 两 季 ， 其 他 4种 情 况 在 4个 季 节都 可 能 出现． 2 ． 3控 制过 程 在现实用水过程中 ， 高层居民用水量是不断变 化 的 ， 所 以系 统应 根据 管 网压力 的变化 实 时升 降频 、 加减 泵 ， 以此 使管 网压 力 始终保 持恒 定 ， 以保 证 可靠 用水 ， 又 节约 电能． 如 ， 当 M1 处 于变 频 运行 状 态 下 ， 居民用水量增加 ， 变频器升频使 M1的转速增加来 维 持供水 压 力稳 定 ． 若 用 水 量 不 断增 加 ， M1的变 频 控制 在最 大输 出时仍 不 能满 足 要 求 ， 则 P L C逻 辑 投 入 M2 ， 即 M1工作于工频状态下 ， M2工作于变频状 态下． 若用水量仍不断增加 ， M2的变频控制在最大 输出时仍不 能满足要 求 ， 则 P L C逻 辑投入 M 3 ， 即 M2工作于工频状 态下 ， M3工作 于变频状态 下． 若 此时用水量减少 ， 则变频器降频使 M 3转速降低 ， 来 降低水压． 若此时用水量仍不断减小 ， 当最小输出仍 造 成水 压过 高 时 ， 用 P L C切 除 M 3 ． 其 他 过程类 似 ． 3 变频恒压供水 系统 的变频器 的参 数 设计 3 ． 1 PI D 控 制 一 个好的控制过程就需要一个好 的控制器 ． 对于恒压供水系统 ， 使用 的是变频器内置的 P I D调 节器 ， 通过对水压的闭环控制来保证水压恒定． 图 3 为恒压供水 的系统控制图． 图 3 恒压供水的 系统控 制图 第 3 4卷第 2期 朱雪凌 ， 等 基于 P L C的变频恒压供水 系统 的设 计 8 9 P I D输 入 和输 出 的关 系 为 u ￡ K e ￡ ‘ e d ￡ K 。 de d f 2 将 式 4 离 散化 的差 分方 程为 尼 K p e K T ∑e 3 1 为 了减 少计 算量 和节 约 内存 ， 将 式 5 化 为 递 推关 系式 形 式 ， 即 U k K [ e k 一 e k一1 ] K。 二旦 』 K。 T s e k U k一1 4 此种算法可 以减小误 动作时的影响， 便 于无忧 切换 ， 且在故障时， 能够保持原值 ， 算式 中不需要累 加 ， 易通过加权处理获得较好的控制效果 ． 当控 制 系 统 中 被 控 对 象 得 不 到精 确 的 数 学 模 型 ， 或 不 能通 过有效 的测量 手段 来获 得 系统参 数 时 ， 最适合用 P I D控 制 ． 为满足 系统性 能要求 ， 必须 对 P I D控制 器的参数 ， K ， K 。进行 整定． 文 中采 用经 验数 据法 对 其 进 行 整 定． 选 择 K 3 ． 4 5， K 8 ． 0 2， K 1 ． 7 6作为第 1组试验参数 ， 将 系统模拟 投入运行 ， 做闭环调试． 图4为其对应的 P I D校正控 制的阶跃响应 曲线． 图 4 P I D 校 正 控 制 的 阶 跃 响 应 曲线 由图 4可知 ， 系统 的暂态性 能指标为 T 1 ． 1 5 S ， t 2 ． 6 3 S ， t 1 5 ． 1 s ， 其 暂 态 性 能 不 满 足要 求 ． 根 据 图像 ， 适 当 改 变 参 数 大 小 ， 令 K 9 ． 5 0 ． K 。 8 ． 6 2 5 ， K 1 ． 7 6 ， 再做仿真． 图5是 P I D参数改变后 校正控 制 的 阶跃 响应 曲线 ． 由图 5可 知 ， 系统 的暂 态 性 能 指 标 为 T r 0 ． 7 8 4 s ， t 。 1 ． 9 2 S ， t 3 ． 8 6 s ， 61 8 ． 3 ％ ， 完 全 满 足要求 ， 可 以将其作为第 1 组参数投入运行 ， 在实际 供水过程中 ， 再根据实际情况做适当调整 ， 直到找到 相对最佳的控制效果为止． 由此可见 ， 将 P I D算法应用于恒压供水系统中， 不仅可大大提高系统 的控制精度 ， 使其动态响应和 调整更加快速稳定 ， 而且抗干扰性强 ， 还节约成本． 图 5 P I D参数 改变 后校 正控 制的阶跃响应曲线 3 ． 2变频 器 的参数 设定 正确 的变频器设 置对 系统性能的影响至关重 要 ， 表 2列出了变频器关键参数的典型设置值． 表 2 变频器参数设置情况 4 变频恒压供水 系统 的 P L C设计 P L C是按程序实现控制的 ． 基于西门子 P L C S 72 0 0的 硬 件 环 境 ， 利 用 S T E P 7一MI C R O ／ WI N V 3 ． 2版编 程 软 件 来 完 成 编程 ． 编 译 后 通 过 P C ／ P P I 通信电缆把程序下到 P L C， 通过在 R U N模式下主机 循环扫描并连续执行用户序号来实现控制任务的完 成 的⋯ ． 由系统 可知 ， 其 I ／ 0分 配见 表 3 ． 表 3数 字量 I ／ O分配表 D I 说 明 D O 说 明 I O ． 0 M1 过载 Q o ． o M1 变 频输 出 1 0 ． 1 M 2过载 Q 0 ． 1 M1 工 频输 出 I O ． 2 M3过载 Q O ． 2 M 2变频输 出 1 0 ， 3 水池水位 Q 0 ． 3 M 2工频输 出 1 0 ． 4 变 频器故障 Q 0 ． 4 M 3变频输 出 I O ． 5 变频器频率 上限达到 Q 0 ． 5 M 3工频输 出 1 0 ． 6 变频器频率下限达到 Q O ． 6 报警嗡鸣器 I O ． 7 手动 自动 Q O ． 7 故 障复位 I 1 ． 0 M1 启动 Q 1 ． 0 变频器接 电源 l 1 ． 1 Ml 停车 Q 1 ． 1 逆流显示 I 1 ． 2 M2启动 Q 1 ． 2 变频器故障显示 I 1 ． 3 M2停车 Q 1 ． 3 变频器运行停止 I 1 ． 4 M3启动 I 1 ． 5 M3停车 I 1 ． 6 启动按钮 I 1 ． 7 停车按钮 I 2 ． 0 启动按钮 I 2 ． 1 停车按钮 华北水利水 电学院学报 2 0 1 3年 4月 主要的控制程序有 系统初始化程序、 数据传递 和处理程序、 水泵电机切换程序 、 事故处理和报警程 序等． 下面重点介绍水泵电机切换程序 ， 图 6为水泵 电机 投 切流 程 图． 5 结语 图 6电 机 投 切 流 程 针 对某 小 区水 泵站 的供 水要 求 ， 设计 了基 于 P L C的变频器恒压供水系统 采用增量式 P I D算法 ， 利用变频调速完成 电机转速的控制 ， 实现恒压供水 系 统 的设计 ； 分 析 了变 频 恒 压 供 水 系 统原 理 和节 能 原理 ； 研究了变频恒压的控制策略； 设计了变频恒压 供水控制系统的控制程序 ； 保证了居民的用水质量 ， 且高效节能， 自动化程度 高， 保护功能齐全 ， 运行稳 定可靠 ． 参 考 文 献 [ 1 ]刘小春 ． 恒压供水系统控制及 组态监控系统 [ D] ． 长沙 中南 大学 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ] 石艳 ． 组态 软件 在恒 压供 水控 制系 统 中的应用 [ J ] ． 微 计算 机信息 测控 自动化 ， 2 0 0 8 ， 2 4 1 9 7 5 7 7 ． [ 3 ] 魏书杰 ， 王凤 涛 ， 杨岑 磊 ， 等． P L C和变频器 在恒压供 水 系统 中的应用 [ J ] ． 中 国造船 ， 2 0 0 9 ， 5 0 s l 1 8 0 88 l 4 ． [ 4 ]王岚 ． 居 民 小 区变 频 恒 压 供 水 控 制 系 统 设 计 与 实 现 [ D] ． 南京 南 京理工大学 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ]梁远博 ， 王珊珊 ， 雷红 玲． 基 于专 家知识 的恒压 供水 控 制算法研究 [ J ] ． 现代 电子技术 ， 2 0 0 9 ， 1 5 1 7 81 8 0 ． [ 6 ]杨庆 生． 恒压 供 水 P I D 自控 系 统设 计 [ J ] ． 考 试 周 刊 ， 2 01 1， 28 1 7 5． [ 7 ]徐建明． P I D控制器及其设计 方法研究 [ D] ． 杭 州 浙江 工业大学 ， 2 0 0 2 ． [ 8 ] 白金． 基于 s 7 2 0 0 P I D指令算法 的恒 压供水 自动化 系 统 [ J ] ． 自动化技术与应用 ， 2 0 0 9 ， 2 8 1 2 1 2 1 1 2 3 ． [ 9 ]金沙 ， 耿惊涛． P L C应 用技 术 [ M] ． 北京 中国电 力出版 社 ， 2 01 0 ． De s i g n o f W a t e r Su ppl y i ng Sy s t e m wi t h Va r i a bl e Fr e q ue nc y a n d Co ns t an t Pr e s s ur e Ba s e d on PLC Z HU Xu e ． 1 i n g ，ZHANG J u a n ，XU Z h i y o n g 。 ， PI NG Ze n g 。 No Ah C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o e ns u r e r e l i a bl e wa t e r f o r r e s i d e nt s，a n d a c h i e v e t h e p u r po s e o f e n e r g y e f f i c i e nt ，e c o n omi c a l a n d pr a c t i c a l t o a c e r t a i n e x t e n t ，a wa t e r s u p p l y i n g s y s t e m w i t h v a r i a b l e f r e q u e n c y a n d c o n s t a n t p r e s s u r e b a s e d o n P L C i s d e s i g n e d t h r o u g h u s i n g P L C a t h e ma s t e r c o n t r o l l e r a nd wi t h t h e f r e qu e n c y c o n v e r t e r ．Us i n g a n i nc r e me nt a l PI D a l g o r i t hm，by t h e o r e t i c al a n a l y s i s o f c o ns t a nt p r e s s u r e wa t e r s u pp l y s ys t e m ，t he s y s t e m d e t e r mi ne s t he a pp r o p r i a t e d e s i g n a n d c o n t r o l s t r a t e g y，a n d us e s S TEP 7- MI CRO／ W I N V3． 2 p r o g r a m mi ng s o f t wa r e t o p r o g r a m i n S 7 2 0 0 PLC e n v i r o n me n t ． Fu rth e r ，b y f r e qu e n c y c o n t r o l ，t he s y s t e m c o mp l e t e s t he c o nt r o l o f t h e mo t o r s p e e d a nd r e a l i z e s t h e de s i g n o f t he wa t e r s up pl y s y s t e m．Th us ，t h e s ys t e m no t o n l y r e pl a c e s t h e t o we r s ，h i g h wa t e r t a nk a n d t h e t r a d i t i o n a l wat e r s up pl y d ev i c e wi t h p r e s s u r e t a n k，b ut s a v e s e n e r g y a nd ha s t he co mp l e t e p r o t e c t i o n o f f un c t i on b e s i d e s s t a bl e a n d r e l i a bl e． I t c a n be wi d e l y a p p l i e d i n v a rio u s f i e l ds o f p r o du c t i o n l i f e ． Ke y wor dsPL C；wa t e r s u p pl y wi t h c o ns t a nt p r e s s u r e；i n v e r t e r 责任编辑 杜 明侠