一、前言

1、供水系统概述

城市规模的不断扩大，高层建筑的不断增长，对于高层的用户来说，在白天或者用水高峰时供水系统的电动机负荷最大，常常需要满负荷或超负荷运行，而在晚上或休闲是,所需水量减少很多,但是电动机依然处于满负荷运行状态,这样既浪费了大量的资源,对电动机的损耗也较大.所以需要根据不同的需求条件来调节电动机的转速以实现恒压供水.

在供水系统中,当用水量需要变化时，传统的调节方法是通过人工改变阀门的开度来调整， 但是此类方法无法对供水管道内的压力和水位变化做出及时、恰当的反应,往往会造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患(例如压力过高容易造成爆管事故)。因此无法满足城市供水系统的要求。

采用变频调速的供水系统可以有效解决以上的问题。根据用水量的大小，控制水泵的转速,即用水量增大时，调高变频，使水泵转速升高，增加供水量。当用水量超过一台水泵的供水量时启动新的水泵以增加供水量，当用水量减少时，使水泵转速降低或减少投入运行的水泵数量，减少供水量。

2、供水系统功能

城市供水系统的主要功能是在用水量不断变化的情况下，维持管内的压力在一定范围内,既能满足用水的需求，又能最大程度节约能源，延长设备寿命。变频供水的控制器经历了从继电器-接触器，到单片机，再到PLC。而变频器也从多端速度控制、模拟量输入控制发展到专用变频器,为实现城市供水系统简单、高效、低能耗的功能，并且实现自动化的控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。

PLC具有体积小、设计周期短、数据处理和通信方便、易于维护和操作、明显降低成本等优点，可满足城市供水系统的控制要求。除此以外，PLC作为城市供水控制系统使设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多.由于PLC的CPU强大的网络通信能力，是城市供水系统的数据传输与通信变得可能，并且也可以实现其远程监控。

利用PLC作为控制器的城市供水系统主要涉及两个方面：一是信号输入;二是控制输出信号。

（1）信号输入

城市供水系统信号输入检测方面主要涉及两类信号的检测，主要包括：按钮的输入检测和管内压力的输入检测。

按钮输入检测大多数为人工方式控制的输入检测,主要有自动按钮、手动按钮、水泵工频启动按钮、水泵变频运行按钮,以及变频加、减按钮等。

管内压力输入按钮：管内压力输入为模拟量输入，通过压力传感器安置于适当的位置上，将检测值反馈到PLC中，通过运算输出控制水泵的转速信号，当压力值偏低时，供水量不够，导致用户无法正常用水,因此需要增加水泵转速以增加供水量，当压力值偏高时，导致管内压力过大，用户用水较少，容易对管道造成损害，因此减少水泵转速以减少供水量,最终是管内的水压保持在一定的范围内。

（2）控制输出信号

信号输出部分主要包括两个方面，一个是数字量输出，即各类设备的接触器，另一个是通信信号，即通过RS-485来控制变频器.

数字量输出控制各类设备的启动和停止，包括:所有水泵的工频运行和变频运行等接触器，以及进水阀门的开启与关闭。

通信输出通过PLC中PID运算后的数据转换成标准值,该控制信号输入到变频器的通信端口上，改变变频器的输出频率，从而控制水泵的转速,最后达到控制水管压力的要求。

二、总体设计方案

恒压供水控制系统的设计主要包括两个方面：一方面是机械结构的设计,另一方面是PLC电气控制方面的设计，机械结构是控制系统的基础，是实现控制功能的前提;PLC电气控制系统是实现控制功能的核心部分。

1、主要组成部分

恒压供水系统的组成部分比较简单，主要是一些管道、水泵、变频器等，以及其他辅助设备构成,其机械主要组成部分如下图所示： 

           机械组成部分示意图

(1)水压变化:作为系统的控制输入量,能否准确采集该信号决定控制系统的精度及可靠性；

（2）控制器:是整个控制系统的核心，通过对外界输入状态进行检测,输出控制量,对外界输入的数据进行运算处理后，输出相应的控制量。例如单片机、可编程逻辑控制器、计算机等；

（3)调速器：作为核心控制器的后续控制单元,对终端设备进行控制,最终达到控制要求，例如多段调速、变频器调速等；

（4）水泵:供水系统的执行机构，通过调速器控制其电动机的转速，最后达到控制水泵流量大小的要求。

2、电气控制系统

电气控制系统主要包括操作面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入,然后根据设定的程序进行数据处理，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格按照检测信号的输入进行控制，其示意图如下所示：

3、控制系统总体框图

恒压供水系统的总体框图如图所示，PLC为核心控制器,通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入,以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。

                   恒压供水系统电气控制系统总体图

4、工作过程

城市供水系统在手动状态下，各类设备的控制根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑,即不根据传感器的状态进行控制.在自动方式下，进行闭环控制,系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停、调速控制，气工作过程如下：

               主要工作过程示意图

 （1）首先，采集压力传感器反馈的信号，将该传感器输出的模拟信号状换为PLC可处理的数字信号；

  （2）其次，PLC根据压力反馈值，以及变频器输出频率，对模拟量进行数据处理；

  （3）最后,在PLC中，数据经过计算后，产生控制信号，来实现对驱动器的控制。

 这样就完成了一个工作过程。

三、硬件系统配置

     以上介绍了城市恒压供水系统的机械结构及其相关设备，根据其工作原理和控制系统的功能要求，本节主要介绍如何设计城市供水系统的控制系统和所所需的各种硬件设备，因此可以设计出城市供水系统的电气控制系统框图，如下图所示,在此控制系统中的核心处理器是PLC,其输入和输出量主要为数字量，只有一组模拟量的输入。

1、PLC选型

根据城市供水电气控制系统的功能要求，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7—200系列PLC作为城市供水电气控制系统的控制主机。由于城市供水电气控制系统的输入/输出端口较少，而其控制过程相对复杂，因此采用CPU224作为该控制系统的主机。

由于使用的数字量输入点较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需要扩展一定数量的I/O扩展模块，在此使用EM221输入扩展模块，8点DC输入型，可以满足控制系统的I/O需求.

在该控制系统中，还需要采集模拟量的功能要求,因此需要再扩展一个模拟量输入/输出扩展模块。西门子公司专门为S7—200系列PLC配置了模拟量输入/输出模块EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可以满足控制系统的功能要求。

2、PLC的I/O资源配置

 根据系统的功能要求,对PLC的I/O进行配置，具体分配如下所示。

（1）数字量输入部分

  在此控制系统中，所需要的输入量基本上都属于数字量，主要包括各种控制按钮、旋钮等数字输入,共有15个数字输入量，如下表所示:

                  表1 数字输入量地址分配

  在这个控制系统中，主要输出控制的设备有各种接触器、阀门等,共有7个输出点,其具体分配如表2所示.

数字输出量地址分配

由于需要采集一个压力传感器所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入/输出模块，

         模拟量输入地址分配

        城市供水控制系统的硬件连接图

4、其他资源配置

要完成系统的控制功能除了需要PLC主机及其扩展模块之外，还需要各种开关、接触器和变频器等仪器设备。

    （1）接触器

      在变频恒压供水控制系统中，其中所有设备的运行都不是连续的,而是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的反馈值进行动作的,因此需要PLC根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所有设备的起停,共需要6个接触器:1#泵工频接触器、2＃泵工频接触器、3＃泵工频接触器、1#泵变频接触器、2＃泵变频接触器、3#泵变频接触器。

     1＃泵工频接触器：1＃泵工频接触器是连接1＃泵到工频电网的接触器，通过PLC输出的指令控制泵的工频运行或者停止；

     2＃泵工频接触器：2#泵工频接触器是连接2＃泵到工频电网的接触器，通过PLC输出的指令控制泵的工频运行或者停止;

     3＃泵工频接触器:3＃泵工频接触器是连接3＃泵到工频电网的接触器，通过PLC输出的指令控制泵的工频运行或者停止；

     1#泵变频接触器：1＃泵变频接触器是连接1＃泵到变频器的接触器，通过PLC输出的指令控制泵的变频运行或者停止；

     2＃泵变频接触器：2#泵变频接触器是连接2#泵到变频器的接触器，通过PLC输出的指令控制泵的变频运行或者停止；

      3#泵变频接触器：3#泵变频接触器是连接3＃泵到变频器的接触器，通过PLC输出的指令控制泵的变频运行或者停止；

（2）变频器

该系列中的MM430变频器是一种风机水泵负载专用变频器，能适用于各种变频驱动系统，尤其适合用于工业部门的水泵和风机,主要优点有以下几个方面:

1、体积小，结构紧凑;

2、采用模块化结构，组态灵活；

3、采用较高的脉冲开关频率,运行时噪声较小;

4、具有完善的电动机和变频器保护功能；

5、具有较高的输出转矩；

6、具有旁路功能，可安全地将电动机直接切换为电源供电；

7、具有节能功能,可最大限度地节约能源；

8、如果对水泵进行驱动时,可以对无载（泵内无水）空转状态进行监测；

9、3组驱动数据，可使变频器在3组驱动数据下工作；

10、复合制动功能可实现快速制动;

11、可设置跳转频率，可在驱动系统出现谐振时将机械所受应力降到最低；

12、捕捉再启动功能,可使变频器与正在转动的电动机连接时所受冲击力最小;

13、变频器根据PTC/KTY的输入信号对电动机进行过温度控制，保护电动机;

14、可介入网络中.

（3）各类按钮

在这个控制系统的自动操作中，采用三种机械按钮，控制供水系统的调试和运行，手动/自动按钮使用按钮，即旋到一边接通，旋到另一边就断开;自动启动按钮采用触电触发式按钮；急停按钮使用旋转复位按钮,按下后系统停止，旋转后自动弹起复位。

在手动控制状态时，对于每个设备都对应设置一个按钮，采用触电触发式按钮,即按下接通，松开复位.

（4）人机界面

该系统采用西门子公司的TD200文本显示器，该显示器可适用于所有S7—200系列的PLC，采用TD200主要完成以下功能:

（1）显示信息;

（2）设定和修改控制系统的参数；

（3）8个可由用户定义的功能键，可替代普通按键;

（4）提供强制I/O检测功能.

TD2000的连接很简单，只需在所提供的连接电缆接到S7-200系列PLC的PPI接口上即可，在距离不超过其规定范围时，有PLC对其进行供电。在编程时，可利用西门子公司提供的编程软件STEP7—Micro/WIN32，由于在CPU中已经保留了一个专门的区域用于与TD200进行数据交换，所以只需要将显示及修改的中间继电器、寄存器等与文本显示器相应的数据区域进行连接即可.

（5）传感器

四、软件系统设计

1、1＃泵电动机运行控制

工厂过程分析：1#电机变频运行，启动PID运算，调节1＃电机工作在合适的频率上，当用水量增加时,1＃电机运行频率也随着增加，当经PID调节后反馈值依然小于标准值，即用水量大于1＃变频运行所能达到的最大出水量，则定时5S，如果5S后，反馈值不小于标准值，则用水量减少了，则用1#变频调节即可，如果5S后，反馈值依然小于标准值，说明目前的用水量大于1#电机变频运行的出水量，此时如果变频器输出频率还没有达到最大值50赫兹，则有1＃电机继续变频运行调节，如果此时1＃电机运行频率达到50赫兹，则将1＃变频变为工频,启动2#变频。    

2、2＃泵电动机运行控制

工厂过程分析：1#电动机工频运行,2#电机变频运行,启动PID运算,调节2＃电机工作在合适的频率上:

（1）当用水量减少，即压力反馈值增加，2#变频运行频率降低，如果用水量继续减少，则经PID调整2＃变频运行频率继续降低,当不能再低时(PID调节满足不了要求），压力反馈值依然大于标准值（用水量小），则定时延迟5S，5S后再将反馈值与标准值比较，如果反馈值依然大于标准值，说明目前的用水量小于1#工频运行的出水量,则启动1＃泵电动机运行控制,即1#泵变频运行；如果5S后,反馈值小于标准值，则说明用水量增加了,则用2#变频调节（增加频率）即可，即1#工频运行，2#变频运行。

(2)当用水量增加，即压力反馈值降低，2＃变频运行频率增加，如果用水量继续增加,则经PID调整2＃变频运行频率继续增加，当经PID调整完后，反馈值依然小与标准值(PID调节满足不了要求)，则定时延迟5S,5S后再将反馈值与标准值比较，如果反馈值依然小于标准值，说明目前的用水量大于1＃电机工频运行和2＃电机变频运行的出水量，此时如果变频器输出频率还没有达到最大值50赫兹，则有2#电机继续变频运行调节,如果此时2#电机运行频率达到50赫兹，则将2＃变频变为工频,启动3#变频。    如果5S后，反馈值大于标准值，说明用水量减少了，则用2#变频调节（减少频率)即可,即1＃工频运行，2#变频运行。

3、3＃泵电动机运行控制

工作过程分析：1#、2＃电动机工频运行，3＃电机变频运行,启动PID运算，调节3＃电机工作在合适的频率上：

（1）当用水量减少,即压力反馈值增加，3#变频运行频率降低，如果用水量继续减少，则经PID调整3＃变频运行频率继续降低,当不能再低时（PID调节满足不了要求），压力反馈值依然大于标准值（用水量小），则定时延迟5S，5S后再将反馈值与标准值比较, 如果反馈值依然大于标准值,说明目前的用水量小于1#、2#工频运行的出水量，则启动2#泵电动机运行控制，即1＃工频，2＃泵变频运行; 如果5S后，反馈值小于标准值,则说明用水量增加了，则用3＃变频调节（增加频率)即可，即1＃、2＃工频运行,3#变频运行。

（2）当用水量增加,即压力反馈值降低，3＃变频运行频率增加，如果用水量继续增加，则经PID调整3＃变频运行频率继续增加，当经PID调整完后,反馈值依然小与标准值（PID调节满足不了要求），则定时延迟5S,5S后再将反馈值与标准值比较，如果反馈值依然小于标准值，说明目前的用水量大于1＃、2#电机工频运行和3#电机变频运行的出水量，此时如果变频器输出频率还没有达到最大值50赫兹，则有3#电机继续变频运行调节，如果此时3#电机运行频率达到50赫兹,则将3＃变频变为工频,即1#、2#、3#都工频运行。    如果5S后,反馈值大于标准值，说明用水量减少了，则用3＃变频调节（减少频率）即可，即1#、2#、3#工频运行。

当1#、2＃、3＃都工频运行时，当用水量减少时，即反馈值大于标准值，延时5S， 5S后如果反馈值不大于标准值，则3＃电机继续工频运行，如果5S后反馈值仍然大于标准值，则说明三个电机都工频运行的出水量大于实际的用水量，则启动3＃电机运行控制，即1＃、2#工频运行，3#变频运行.下载本文