关于PLC变频恒压供水控制系统的应用.doc

2013年度广州南洋电器有限公司高级技师评审论文

广州南洋电器有限公司
维修电工高级技师论文

题 目 关于PLC变频恒压供水控制系统的应用

单 位 广州南洋电器有限公司

姓 名 冯树泉

申报级别 维修电工高级技师

二零一三年六月
关于PLC变频恒压供水控制系统的应用

摘要
进入20世纪以后，伴随着现代化工业革命的加速进行，传统的工业继电器控制逐渐暴露出他在现代化生产中的局限性，为了适应更加精密和可靠的自动化控制流程，1968年，美国最大汽车制造商通用公司率先提出研发可以取代传统继电器的PLC控制器.通过招标，最后在1969年美国数字设备公司研发成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的生产线上使用，获得成功；随后，欧洲和日本也先后研发出多款功能强大的PLC控制器。并在现代工业生产中得到了推广和应用。
随着社会主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势
本文通过实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益，说明PLC在现代工业生产控制中的作用和发挥的巨大效用。
关键词：PLC；恒压供水；继电器；变频调速

目录

摘要..................................................................I
关键词................................................................II
前言..................................................................1
1. 第一章 PLC可编程控制器简介........................................2
1.1 PLC的基础......................................................2
1.2 PLC与继电器控制的区别..........................................2
1.3 PLC的工作原理..................................................2
1.4 PLC应用分类....................................................4
2. 第二章 PLC变频恒压供水控制系统……………………………………………...6
2.1 PLC变频恒压供水控制系统组成................................6
2.2 PLC变频恒压供水控制系统的主线路组成..........................6
2.3恒压供水系统的组成.........................................7
3. 第三章 恒压供水系统原理. .. . . .. .. .. .. .. .. .....................9
3.1恒压供水系统的工作原理................................9
3.2系统设备工作原理........................................9
4. 第四章 PLC控制器和变频器的状态与设置关系.........................11
4.1恒压供水程序........................................11
4.2 PLC程序流程..............................................13
4.3变频器的设定..............................................13
结论..............................................................15
致谢............................................................15
参考文献............................................................16
IV

关于PLC变频恒压供水控制系统的应用

前言
一般规定城市管网的水压只保证六层以下楼房的用水，其余上部各层均须提升水压才能满足用水要求，以前大多采用传统的水塔，高位水箱，或气压罐式增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升“水量，恒压供水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，在用水量的变化时保持水压恒定，以满足用水要求，是当今最先时合理的节能型供水系统，实际应用中得到了很大的发展，随着电力、电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强，充分利用变频器，PLC控制的各种功能，对应用恒压变频供水系统有着重要意义。
职工宿舍生活小区是3栋八层楼的老居民楼共有住户一百户左右，以往是通过传统的楼顶水池提供各户供水，由于楼龄日长，各部分公共设施失修保养，楼顶水池水质劣化，水中“红虫”（一种寄生虫）越来越多，让所有职工住户心中担忧。本人深知该生活小区供水问题的困扰。2003年建议公司实施设备改造，应用变频恒压供水系统供水，经过一段时间的审批，公司最终安装变频恒压供水系统，本人一直是该项目的参与者和项目跟进工作。

第一章 PLC可编程控制器简介
1.1 PLC的定义
PLC也叫可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数、比较与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
1.2 PLC与继电器控制的区别
1.控制方式的区别：
继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。把整个控制过程简单化，智能化。
2.控制速度的区别：
继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动、无噪音。更安全，更可靠，更环保。
3.延时控制区：
继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。
1.3 PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(一) 输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
(二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
(三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
1.4 PLC的应用分类
　 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为几类。　　
1.开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。　　
2.模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。　　
3.运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。　　
4.过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。　　
5.数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。　　

6.通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

第二章 PLC变频恒压供水控制系统
2.1 PLC变频恒压供水控制系统组成
该系统装置采用欧姆龙可编程序控制器和ABB变频器为主要控制器件，PLC通过A/D，转换摸块采集压力传感器的输出信号。从监测供水压力及液面的高度,再由PLC控制变频器和接触器调节水泵的工作状态,使供水压力保持在一个恒定的压力范围,水泵系统由一台1.5KW的恒压泵和四台以变频器控制的5.5KW的水泵组成，根据不同用水量四台水泵循环变频运行，及工频运行等来恒定水压。系统通过设定参数。由触摸屏控制操作，根据变频显示，压力显示，欠压超时，水位报警指示，及上限保持压力，下限运行启动压力等来控制系统的运行，以妪姆龙可编程序控制器和变频器为核心控制输出，在水泵的出水泵管道上安装一个远传压力传感器，用于检测管道压力，并把出口压力变成0～5C或4～20mA的摸拟信号，送到PLC的A/D转换输入端，再经转换成数字信号控制PLC的输出，给定偏差值到变频器，以控制输出频率的大小，从而改变水泵的电机转速，达到控制管道压力恒定的目的。
　　当实际管道压力小于给定压力时，变频器输出频率上升电机转速加快，管道压力开始升高；反之，变频器频率降低，电机转速减少，管道压力降低。如果上下调整多次，直到偏差值为零。这样实际压力围绕设定压力上下波动保持压力恒定。
2.2 PLC变频恒压供水控制系统的主线路组成

图2.2 系统的主线路组成图
2.3. 恒压供水系统的组成

图2.3 恒压供水系统的组成图
恒压供水系统具体系数如下：
(1)水泵电机：
型号：Y 160M-4，额定功率：11KW
额定电压：380V，额定电流：22.6A，接法：△
(2) PLC可编程序控制器：
型号：OMRON SYSMAC CPM1A
IN: 0CH 00～11　　　　 OUT: 10CH 00～07
1CH 00～05　　　　　　　11CH 00～03
(3)气压给水设备：
型号：KLS-122/0.54 –Q3，最高工作压力：0.64MPa
额定给水流量：32L/s，最低工作压力：0.54MPa
额定功率：11KW，水泵扬程：64m
有效面积：50L
(4)压力容器装置
隔膜气压罐：设计压力：1MPa
最高工作压力：0.95Mpa，型号：GB-150-98
测验压力：125MPa
(5)变频器：ABB-ACS400
功率: 2.2KW-37KW

(6)磁助式电接点压力传感器
型号：YX-100，AC 380，DC 220
触头功率：30VA

(7)供水压力传感器回路线路连接图
　压力传感器和液面传感器都是通过各自的数显表供电，而且都为电流传感器，压力的不同和液位的不同会影响回路中的电流大小，压力传感器回路原理图如图2.4所示：

图2.4供水压力传感器回路线路连接图

第三章 恒压供水系统原理
3.1恒压供水系统的工作原理
恒压供水系统是通过PLC，变频器和继电器，将水泵的供水功率划分出不同的档位，通过压力传感器的偏差信号，根据用户的需求量，给定一个偏差信号值来控制PLC的输出至变频器来运行系统，达到恒压供水的目的。如图3.1所示：

图3.1恒压供水系统工作原理图

3.2 系统设备工作原理
系统工作原理如下：供水的压力通过采集传感器系统，再通过变频的A/D 转换摸块将设定值及采集偏差信号值同时经过PID控制进行比较，PID根据变频器的参数设置，进行数据处理，将处理结果以运行频率的形式进行输出。
PID控制摸块具有比较和差分的功能，供水的压力低于设定压力，变频器就会将运行频率升高，反测将降低，并且根据压力变化的快慢进行差分调节，以负作用为例：如果压力在上升接近设定值的过程中，上升速度过快，PID运算也会自动减少执行量，从而稳定压力。
供水压力经PID调节后的输出量，通过交流接触器组进行，切换后输出给水泵的电动机，在水网中用水量增大时，会出一台“变频泵”效率不够时情况，这时就需要其他的水泵以工频的形式参与供水运行。交流接触器组就负责水泵的切换工作情况。由PLC控制各个接触器，将工频电或是变频器，按需要选择水泵的运行情况，从而使整个管网水压保持恒定。
整个系统在运行中，当出现缺相，变频器故障，液位下限超压等情况时，统皆能发出声响报警信号，特别是当出现缺相，变频器故障，超压时，系统会自动停机。并发出报警信号，而且及时去维修处理，恢复正常。此外，变频器故障时，系统可切换至手动方式保证系统供水。为维护和抢修水泵，在系统正常供水状态下，在一段时间时隔内使某一台水泵运行，系统设有水泵强制设备用功能，可随便备用某一台水泵，同时不影响其它水泵运行，为了使水泵进行轮休，系统设有软件备用功能。（钟控时序控制）工作泵与备用泵具有周期定时切换，轮换4台泵组运行（循环）。

第四章 PLC控制器和变频器的状态与设置关系
4. PLC控制器和变频器的运行状态与设置
4.1 恒压供水程序
恒压供水程序I/O分配如图4.1所示：

图4.1 恒压供水程序I/O分配图
程序状态如下：
(1)当主管压力低于正常设置压力时，接通水泵Y0(1#),当压力 仍低时，依次接通Y1、Y2、Y3。
(2)当主管压力高于正常设置压力时，断开水泵Y0(1#)，当压力仍高时，依次断开Y1、Y2、Y3。
(3)为延长水泵电机使用寿命，所有水泵依次循环起动运行。
(4)各水泵能独立起动、停止。
系统启动时，KM0(Y0)闭合，1#水泵以变频方式运行，当变频器的运行频率超出设定值时，输出一个上限信号，PLC通过这个上限信号后将1#水泵由变频运行转换为工频运行，KM0断开，KM8闭合，同时，KM１闭合，2#水泵变频运行，如果再次接收到变频器上限输出信号，则KM1断开，KM9闭合，2#水泵由变频转工频运行，则3#变频起动，KM2闭合，4台水泵依次循环控制起动运行。
如果变频器频率偏低，压力过高，输出下限信号使PLC关闭输出，依次停止水泵运行，如果只剩1#水泵变频运行，压力仍过高，则所有水泵都会停止，由恒压泵来恒压管道压力，这段PLC程序还有一个软保护程序防止操作不当，损坏变频器。

4.2 PLC程序流程
供水系统的具体PLC程序流程如图4.2所示：

图4.2 PLC程序流程图

4.3变频器的设定
在PID控制下，使用一个4mA对应0MPa，20mA对应0.5Mpa的传感器调节水泵的供水压力，设定值通过变频器的2和5端子（0～5V）给定的。变频器PID设置流程图如图4.3所示：

图4.3 变频器PID设置流程图

结 论
上述的供水系统中采用PLC可编程序控制器和变频器调速运行方式，可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加速加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定的值。以求最大限度的节能、节水，并且系统能处于可靠运行状态，实现恒压供水，系统用水量任何变化均能使供水管网中的压力保持恒定。大大提高了供水质量，同时解决了天面水池二次污染问题。变频器故障后仍能保障不间断供水，同时实现故障消除后自动启动，具有一定的先进性，目前该系统运行使用稳定，效果明显。
致 谢
本人自通过学习培训维修电工高级技师课程后，对PLC可编程序控制和变频器技术有了全新的认识，学习了解，对恒压供水系统有了初步了解和学习。以上论文撰写，是本人通过学习了解恒压供水系统后对公司生活小区改造恒压供水系统设备，有了全新的认识和理解，从而在今后恒压供水系统设备运行中更好的操作，更好地维护，更好地使用变频技术。PLC控制技术，最大限度发挥其使用功能，为整个生活小区供水系统的自动运行、优化管理达到最佳效果。
本人撰写本论文过程中，水平有限，对恒压供水系统认识、学习了解不够深切，刚刚有个基础的认识和学习。还参考和引用了好多专家和教授发表的论文和文献。在此本人一并致谢！同时所写论文中存在许多不足和不妥，以及对恒压供水系统的可编程序控制器中PLC编程还不是很清楚。希望各位考评员给予批评指正，提出宝贵意见。在此，本人深表感谢！

参考文献
[1] PLC原理与应用 清华大学出版社.
[2] 电器控制及可编程控制器 中国轻工业出版社.
[3] 变频器调试控制原理及应用 机械工业出版社

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