基于PLC和组态技术的变频恒压供水系统

《PLC应用实验》课程报告班级：控制[专研]-17学号:2017309030114姓名：董广亮日期：2017.11.2011设计概述本系统是以10层高楼小区供水管网为被控对象，使用变频调速技术，通过闭环控制设计一套高层楼房的恒压供水系统，并使用组态技术对系统实施监控，保证系统安全可靠的运行，使供水设备保持在最佳工况，有问题可以迅速解决。本系统是由可编程控制器（PLC）、水泵机组、变频器、压力变送器和投入式液位变送器等组成一个闭环控制的调节系统。变频器通过变频循环的方式来控制水泵机组中的三个水泵电机，即通常说的变频器一拖三的概念。当1#水泵工作，随着供水官网的压力变小，1#水泵运行到50Hz时，供水量依旧不够，需要增加水泵，系统就让1#水泵脱离变频器进入工频状态，变频器去拖动2#水泵。为了使供水官网的压力保持恒定状态，变频器需要自动在各个水泵之间切换，水泵之间遵循“先启先停”和“先停先启”的要求。2系统的设计分析及方案确定2.2系统的组成及原理基于PLC的变频恒压供水是由可编程控制器（PLC）、水泵机组、变频器、压力变送器和投入式液位变送器等组成的，采用的是闭环调节控制方式，该系统的泵站图如图2-1。YV11#2#3#PLC控制系统蓄水池自来水管网供水管网P-28YWYL压力变送器图2-1变频恒压供水系统泵站图由供水系统的泵站图，可导出供水系统的工作流程图，如图2-2所示。用户压力变送器PLC变频器M液位变送器报警信号水池液位信号管网压力信号水泵机组水池图2-2变频恒压供水系统工作流程图系统主要分为三大机构：执行机构、检测机构、控制机构，这三个机构的功能如下：2（1）执行机构：它的作用是接收控制器给出的调节信号，调节被控介质。在这里是由水泵机组构成的，它接受控制机构送来的信号调节电机转速来改变供水官网的压力。而这里的水泵机组是由三个变频泵组成的，变频泵通过变频器控制，根据供水官网的压力变化来改变电机的转速。（2）检测机构：检测分为两个部分，一供水管网的水压，另一个是蓄水池的液位。水压通过压力变送器检测出来的，压力是一种模拟信号，储存在PLC的寄存器中，需要A/D转换。为了使系统安全可靠，使用电接点压力检测仪表对供水压力的上下限进行检测，其结果可以直接作为数字量输入给PLC进行储存和应用。此外，蓄水池的液位是通过投入式液位变送器检测的，防止水泵空抽而损坏设备。（3）控制机构：此系统设计的控制机构是由PLC、变频器和电控设备组成的。控制机构是是整个供水系统的核心。在这个系统中，控制器直接接收到变送器输送到寄存器中的压力和液位信号，分析通讯接口的数据并进行运算，得出现场的控制方案，通过执行机构的变频器对水泵机组发出控制指令，直到控制器得到的反馈信号与设定值之间的稳定误差在可允许误差内为止，完成变频恒压供水的任务。本系统的执行机构是水泵机组，它是由变频器拖动运行的，是先将1#水泵作为调速泵，当这台水泵工作到50Hz时，用户的供水量依旧没有达到要求，那就需要增加第二台水泵，即2#水泵。在2#水泵投入工作前，必须先把变频器从1#水泵中脱出来并且将1#水泵转入工频模式中，才能让变频器继续控制2#水泵变频工作，3#水泵投入工作也是这样。变频恒压供水是将供水管网作为被控对象，水压作为被控变量，在控制上满足实际水压跟随设定水压。变频恒压供水系统的的结构框图如图2-3。PIDD/A变频器接触器水泵机组管道压力变送器A/D给定－管网压力PLC图2-3变频恒压供水系统框图根据系统框图可以知道，系统通过管道上的压力变送器采集实时的供水官网压力，并转换成4～20mA的电信号。因为PLC无法直接识别电信号，因此必须通过PLC内部的A/D模块将电信号转变成数字量再进行PID运算，运算结束后，再利用D/A模块转换成电信号输送到变频器，从而实现变频恒压的控制。33系统电路设计3.1系统的主电路结构本系统设计选用的一台变频器控制多台水泵的方案，即“一拖N”系统。其主电路如图3-1。NL1L2L3RST变频器UVWM13~M13~M13~FUQS1QS2QS3QS4KM1KM3KM5KM2KM4KM6FR1FR2FR3图3-1恒压供水主电路图本系统采用的三泵变频循环控制方式，即就台水泵处于变频器的控制当中，其余的是处于工频工况或者停止状态。当用户的用水量在长时间保持较低情况下，即一台变频泵连续工作超过3h，则要切换下一台水泵工作，减少水泵工作时间，保护设备，这是系统具有的“倒泵”。当主电路接通电源，电流从熔断器和隔离开关接通变频的R、S、T端，变频器通电工作，变频器通过U、V、W端口控制电机。在主电路中，工频和变频的两个回路不能同时接通，当电机需要接通工频时，先将变频断开才能接工频，而断开时，则需先断开工频才能接通变频，因此这两个回路的开关必须在硬件上设计可靠的互锁。此外，在第一次运行电机时，必须保证电机转向符合要求，否则需要改变电源相序。系统的启/停操作必须通过变频器软启动才可以。3.2系统的控制电路设计图3-2中的SA为手动/自动开关，当突发紧急事件时，需要将SA拨到1位置时，表示系统处于手动控制状态；当系统处于正常工作时，SA打到2位置，就表示系统处于PLC控制的自动状态。当系统处于自动控制时，控制电路中只有PLC和HL10处于得电状态，因此HL10是自动/手动的状态灯，亮表示自动模式，不亮表示手动模式。当系统处于手动4模式时，SB1～SB6按钮分别控制电机的启/停。另外在图中，中间继电器KA的触电表示变频器的复位控制，而HA则表示报警。图3-2控制电路4设备选型与I/O分配4.1供水设备选型系统的电气控制框图如图4-1。压力变送器A/D可编程控制器（PLC）液位变送器报警、控制输出变频器水泵机组图4-1变频恒压供水电气控制框图（1）可编程控制器（PLC）本系统选用了2007S系列的CPU226CN型。这款型号有以下几个特点：具有24个输入和16个输出；功能模块的种类比较多，可以很好的满足控制要求；可以提供很好的编程环境，并且可以离线编程和在线调试；5此外本系统还需要一个扩展模块，因为实际中需要一个模拟量输入信号，一个模拟量输出信号，选择EM235模块，该模块有4个模拟输入AIW,一个模拟输出AQW。并且模块EM235可以自动完成A/D转换。（2）变频器根据设计的要求，三菱的540AFR完全可以满足本设计的控制要求。RSTUVWRES5模拟信号公共端4DC(4～20mA)异常输出CSTFAC380V电动机组QSM～接PLC接PLCFR-A540KM0图4-2变频器接线图（3）变送器在本系统中有2种变送器，一个是压力变送器，另一个是液位变送器。其中本系统的压力变送器是将水压转换成4～20mA的电流信号，所以本系统选用了1001YZCY型压力变送器。该传感器的量程为0～2.5MPa，满足控制要求的0.5MPa，可以在5℃～60℃的温度内工作，供电电源为24±3V(DC)。本系统的液位变送器选择为投入式液位变送器。4.2PLC的I/O端口分配及外部接线图根据变频恒压供水系统的基本设计要求如下：（1）系统设计了白天/夜间供水两种模式，白天模式，供水管网压力大，系统高恒压运行；夜间模式，供水管网压力小，系统低恒压运行。（2）在夜间用水量小，一台水泵连续工作超过3h,则要切换另一台水泵，这就是系统具备的“倒泵”功能。（3）考虑系统的节能和水泵使用寿命等因素，水泵切换遵循“先启先停”的原则。（4）水泵的启动是要通过变频器进行的软启动，系统有自动/手动两种操作模式。（5）有完善的报警功能。根据以上的控制要求，设计了如下的I/O地址分配表，见表4-1。6表4-1I/O地址分配表名称代码地址输入信号白天/夜间模式SA1I0.0水位上/下限信号SL/HLI0.1变频器报警信号SUI0.2试灯按钮SB7I0.3压力变送器输出模拟量UPAIW0输出信号1#工频交流接触器及指示灯KM1、HL1Q0.01#变频交流接触器及指示灯KM2、HL2Q0.12#工频交流接触器及指示灯KM3、HL3Q0.22#变频交流接触器及指示灯KM4、HL4Q0.33#工频交流接触器及指示灯KM5、HL5Q0.43#变频交流接触器及指示灯KM6、HL6Q0.5水位超限报警指示灯HL7Q1.1变频器故障指示灯HL8Q1.2白天模式指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器复位控制KAQ1.5变频器输出电压信号UFAQW0根据系统的控制电路图和I/O地址分配表，得到PLC的外部接线图，如图4-3。L+D0.20.30.40.50.60.71.01.11.21.31.41.51.61.72.02.12.22.32.42.52.62.7MBRCC+CRDD+0.10.01M2MA+0.32L0.40.50.60.71.03L1.11.21.31.41.51.61.7地NL1ACRBA1L0.00.10.2Q1Q0I0I1I2CPU226CNB+RAVO增益偏移配置M地L+M0EM235+-压力变送器输出压力信号输入变频器窗口比较器液位变送器SL/HLSA1SB7SU4681012141618202224N12图4-3PLC外部接线图75系统的软件设计5.2PLC程序设计5.2.1主程序开始调用初始化子程序设置两种模式下水压给定值设定变频泵号变频器频率达到上限工频泵数+1，产生变频启动脉冲变频器频率达到下限是否增泵或倒泵复位变频器，变频泵号+1调整变频泵号，遇3变1工频泵数+1，产生变频启动脉冲结束产生故障结束脉冲变频号置1，工频号置0是否有报警变频器故障报警变频器故障液位超限报警液位超限水泵工频运行水泵变频运行产生倒泵信号变频泵运行3h产生当前泵工频，下一台泵变频运行信号NYNYNYNYNYNYNY图5-1主程序流程图5.2.2子程序首先要初始化变频器频率的上下限，分别为50ZH和20ZH。先假设变频器输出频率为0～100ZH，则上下限给定值为16000和6400。在初始化PID参数时，分别让比例增益CK、采样时间ST、积分系数iT、微分系数dT分别为0.5、2.0、0.1、0.0。具体梯形图如图5-2。8图5-2初始化子程序5.2.3中断程序在中断程序中，将0AIW中的实时采样数据进行标准化转换，转换进行PID运算，再将标准值转换成输出值，由0AQW输出。具体程序如图5-3。图5-3PID控制中断程序6监控系统的设计6.3新建工程与组态变量双击打开“组态王6.53”，出现工程管理器，新建一个工程，名为“恒压供水系统”，双击打开新建的工程，单击“数据词典”，在最下方有个新建，双击新建变量，然后输入9需要的参数，见图6-1.图6-1变量数据词典6.4组态界面本系统，根据设计要求开发了系统主界面、历史/实时趋势曲线、数据报表。主界面如图6-2。图6-2系统主界面10附录11112