基于PLC控制的恒压供水系统设计

摘 要

本设计根据城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC控制的变频调速恒压供水系统。该系统由PLC、变频器、水泵机组、压力变送器等构成。

本系统利用变频器实现对三相水泵电机的变频调速，采用“先启先停”的原则切换运行水泵。压力传感器检测水压信号，送入PLC并与设定值比较进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速和供水量。这样使管网水压力始终保持在设定值附近，从而实现恒压供水。

关键词：PLC；变频调速；PID控制；恒压供水

ABSTRACT

According to the city water supply system,this paper designed a PLC-based control of

frequency control water supply system.The system consists of PLC, inverter, water pump,

pressure sensors and other accessories.

The system uses frequency converter three-phase pump motor of the soft start and

frequency control, and use "first start first stop"principle to switch to run the pump.Pressure

sensors to detect pressure signals into the PLC compared with the PID set point operation and

thus control the inverter output voltage and frequency, thereby changing the water pump motor

speed and water supply.It makes the pipe network water pressure is always maintained around

the set value in order to achieve constant pressure water supply.

Keywords: PLC; frequency control; PID control; constant pressure water supply

目 录

1 绪论 .................................................................... 1

1.1 课题的背景及意义 ...................................................... 1

1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 ....................................... 1

1.3 本课题主要研究内容 .................................................... 2

2 恒压供水系统总体方案设计 ................................................ 2

2.1 系统的主要结构及组成 .................................................. 2

2.2 PLC 概述及其系统组成 ................................................... 2

2.3 变频器简介及选型 ...................................................... 3

2.3.1 变频器简介 .......................................................... 3

2.3.2 变频器的基本结构 .................................................... 3

3 系统硬件选择及系统电路设计 .............................................. 5

3.1 硬件选择 .............................................................. 6

3.1.1 PLC及其扩展模块的选型 ............................................... 6

3.1.2 变频器的选型 ........................................................ 6

3.1.3 水泵机组的选型 ...................................................... 7

3.1.4 压力变送器的选型 .................................................... 7

3.1.5 液位变送器选型 ...................................................... 8

3.2 系统主电路分析及其设计 ................................................. 8

3.3 系统控制电路分析及其设计 ............................................... 9

3.4 PLC的I/O端口分配及外围接线图 ........................................ 11

4 系统的软件设计 ......................................................... 14

4.1 系统软件设计分析 ..................................................... 14

4.2 PLC程序设计 .......................................................... 15

4.2.1 控制系统主程序设计 ................................................. 15

4.2.2 控制系统子程序设计 ................................................. 19

4.3 PID控制器参数整定 .................................................... 22

4.3.1 PID控制及其控制算法 ................................................ 22

4.3.2 系统的近似数学模型及参数取值 ....................................... 23

5 总结 ................................................................... 24

参考文献 ................................................................. 25

附录 ..................................................................... 26

致谢 ..................................................................... 34

1 1 绪论

1.1 课题的背景及意义

城市中各类小区的供水系统是小区众多基础设施当中的一个重要组成部分。由于传统的小区供水方式具有各自不同的缺陷，如恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，供水机组运行效率低、耗电量大，电动机硬启动易产生水锤效应等缺点，传统供水系统的工作性能直接影响到小区居民的正常生活。另一方面，由于供水的随机性，采用传统方法供水难以保证实时，水泵的选择往往是由最大供水确定，而最高水位时间短，使泵在一段很长的时期有大幅度的，不仅泵效低，水压不稳定，造成了浪费大量电力，远远不能满足生活和生产需要。

随着电力电子技术和计算机技术的发展，变频调速供水系统由于成本低，施工简便，节能效果显着，自动化控制，无二次污染，已被越来越广泛的应用。PLC性能稳定，成本低，功能强大，编程方便的特点，采用变频控制技术相结合，设计了基于可编程控制器的变频调速供水系统。该设计以最小的投资体制，实现了多功能供水系统要求。在提倡节能减排的今天，具有很好的经济和社会意义。

1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状

从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水系统在设计时都采用一台变频器只带一台水泵的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性提高，国外厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，日本Samc公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”和“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作。虽然这些设备采用微型电路结构，降低设备成本，但缺乏灵活性输出接口，系统的动态性能和稳定性不高，和其他监测系统和组态软件是很难实现数据通信，带负荷能力的限制，所以在实际使用的范围将是有限的。目前国内公司在做恒压供水系统，但变频控制大部分是用国外的技术，系统的动态性能、稳定性能、抗扰性等多方面的技术，还没能达到用户的要求。

由此可以看出，国内和国际研究变频调速恒压供水系统中，在与现代控制技术，网络和通信技术系统相结合，闭环压力控制方面做的是不够的。因此，需进一步研究，以提高

2 恒压供水系统的性能，使其能更好地应用于生活和生产实践。

1.3 本课题主要研究内容

本课题从实际应用出发，针对一般系统中存在的几个缺陷，设计出了基于PLC的变频调速恒压供水系统，具有以下优点：

（l）系统具有较高的恒压精度。（2）系统能长时间稳定可靠运行。（3）有友好的用户操作界面。

2 恒压供水系统总体方案设计

2.1 系统的主要结构及组成

本设计中，系统的控制机构由PLC和通用变频器构成，系统的整体结构如图2-1所示。可以看出，水泵拖动机组﹑供水管道﹑水泵机组的控制单元以及信号检测环节构成生活小区的供水系统。图2-1中，液位检测机构把测量的水箱水位信号送入到变频控制柜，经过PLC程序的运算处理，输出运行与停止控制信号，控制水泵启动与停止工况的转换。