恒壓供水控制系統(tǒng)

1、摘要隨著社會的發(fā)展，恒壓供水越來越重要。本系統(tǒng)以PLC與變頻器控制水泵工作，根據(jù)壓力給定的理想值信號及管網(wǎng)水壓的反饋信號進(jìn)行比較，變頻器根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制管網(wǎng)水壓的目的。文中重點敘述了變頻節(jié)能原理，恒壓供水原理及PID控制方式。并提供控制系統(tǒng)硬件和控制軟件，經(jīng)現(xiàn)場模擬調(diào)試成功，實現(xiàn)運行可靠、節(jié)能、低噪，維護(hù)簡單等效果。關(guān)鍵詞： 恒壓供水；PLC控制；閉環(huán)PIDAbstractWith the development of society, more and more important in the constant pressure water supply. This s

2、ystem uses PLC and inverter control pump working pressure, according to the given ideal value signal and pressure of the pipe network compares the feedback signal, frequency converter according to the compared result, adjust the pump speed, to control the pressure of the pipe network for the purpose

3、 of. This paper mainly describes the energy saving principle of variable frequency, constant pressure water supply theory and PID control. And provides the control system hardware and control software, the simulation debugging success, to achieve reliable operation, energy saving, low noise, simple

4、maintenance and effect.Key Words：Constant pressure water supply；PLC control；Closed loop PID1 引言 隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市人口和城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高層建筑與日俱增。對水、電、消防、智能化等基礎(chǔ)供應(yīng)配套要求也越來越高。如何有效提高高層建筑給水系統(tǒng)能量利用率，減少無效能耗，成為了高層建筑給水設(shè)計的首要問題。傳統(tǒng)的供水方式有恒速泵加壓供水、恒速泵加水塔的供水、恒速泵加高位水箱的供水和恒速泵-氣壓罐供水方式。雖然這些供水方式比較簡單，但是由于其占地面積大、自動化程度低、耗能不合理、適應(yīng)性差、維護(hù)不方便

5、等原因不僅造成水資源和電資源的浪費，而且還會帶來水質(zhì)的二次污染。因此，我國目前更多的采用變頻恒壓供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體的變頻恒壓供水系統(tǒng)，不僅可以顯著提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且也有利于實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控。此外，變頻恒壓供水系統(tǒng)還具有良好的節(jié)能性，這在大力提倡節(jié)能的今天尤為重要。本系統(tǒng)研究和設(shè)計小區(qū)供水系統(tǒng)電氣控制， 滿足2000人600住戶小區(qū)生活用水和7層消防供水。利用PLC和HMI實現(xiàn)組態(tài)控制，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保、控制系統(tǒng)可靠、操作方便、顯示直觀。采用以FX2N-32MR為主控器的控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)水壓自動控制及變頻與工頻自動切換，

6、并且用臺達(dá)觸摸屏為人機(jī)界面實現(xiàn)水壓設(shè)置、系統(tǒng)狀況顯示，更加直觀，用三菱變頻器FR-A540驅(qū)動水泵的電機(jī)，實現(xiàn)工頻變頻運轉(zhuǎn)，達(dá)到恒壓變頻的功效，在小區(qū)供水上達(dá)到節(jié)能的效果。2 恒壓供水技術(shù)和優(yōu)點2.1工作原理變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵機(jī)組、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通過傳感器反饋水壓調(diào)節(jié)變頻器輸出，進(jìn)而調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。2.2泵節(jié)能理論（1) 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性:是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，全揚程與流量間的關(guān)系的曲線H1=f(QG)，稱為揚程特性曲線，如圖1曲線（1）

7、所示。（2）管阻特性：以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，揚程H與流量Q之間的關(guān)系H=f(Qu)，稱為管阻特性曲線，不同閥門開度，管阻特性曲線不同。如圖2-1曲線（2）所示。（3) 供水系統(tǒng)的工作點:揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，在這一點上，供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。（4) 供水功率:供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率P (KW)稱為供水功率。圖21供水系統(tǒng)的控制，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。當(dāng)用戶需求發(fā)生變化時，需要對供水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。(1）閥門控制法：轉(zhuǎn)速保持不變，通過關(guān)小或開大閥門不調(diào)節(jié)流量，以適應(yīng)用戶

8、對流量的需求。這時的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。(2)轉(zhuǎn)速控制法：閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。由水泵的相似定律又稱為比例定律可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著, 這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本方面。2.3 恒壓供水的優(yōu)點1、 恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。2

9、、 由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機(jī)的機(jī)械使用壽命。3、 水泵電動機(jī)采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，避免電動機(jī)啟動時的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。徹底消除水錘現(xiàn)象。4、 實現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力。3 自動控制系統(tǒng)的原理在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)

10、構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。 利用負(fù)反饋原理，通過壓力傳感器反饋水管壓力，然后跟設(shè)定壓力進(jìn)行比較得到一個差值，通過D/A轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)變頻器輸出,從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,管道壓力隨之改變,反饋壓力也改變,使管道壓力越來越接近給定值，從而實現(xiàn)了恒壓控制。當(dāng)用水量增加，管道壓力減小，反饋壓力減小，差值變大，調(diào)節(jié)變頻器輸出使頻率增大，水泵加速管道壓力隨之增大，越來越接近設(shè)定值，實現(xiàn)恒壓。4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)4.1 電路控制方案 本系統(tǒng)運用三菱PLC FX2N32

11、MR，A/D、D/A模塊FX0N3A，三菱變頻器FR500，臺達(dá)觸摸屏及傳感器實現(xiàn)了恒壓供水。主控制器PLC FX2N32MR采集來自各個部件（故障、狀態(tài)輸入,A/D模塊,人機(jī)界面）的信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理輸出，經(jīng)過D/A模塊轉(zhuǎn)換來控制變頻器工作，實現(xiàn)水泵的調(diào)頻調(diào)速以來達(dá)到恒壓控制。人機(jī)界面既可以對工作水壓進(jìn)行設(shè)置也可以顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。4.2 系統(tǒng)硬件4.2.1 控制系統(tǒng)原理圖圖4211主電路接線圖圖4212控制電源接線圖4213PLC 信號輸入與信號輸出接線圖4-214 控制系統(tǒng)I/O口分配4.2.2 電氣設(shè)計與選擇表4221元件清單器件名稱型號數(shù)量可編程控制器三菱FX2N-32MR1變頻器

12、三菱FR5001觸摸屏臺達(dá)DOPA571交流接觸器CJ20-40-2203空氣開關(guān)DZ47-60D30/3P1開關(guān)電源220-24 5W1壓力傳感器1按鈕開關(guān)LA19-103熔斷器RTO-2A 24VDC1熔斷器RTO-2A 250VAC1導(dǎo)線BVR-10mm2若干導(dǎo)線BVR-2.5mm2若干4.2.3 系統(tǒng)接線圖 圖4231輸入電路接線圖4232輸出電路接線利用續(xù)流二極管VD利用RC電路 以消除電感能量濾波和接地數(shù)字信號地 DG模擬信號地 AG保護(hù)接地 PE屏蔽地 圖42334.3 系統(tǒng)軟件程序框圖首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后選擇系統(tǒng)運行方式手動和自動模式。然后進(jìn)行采樣，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理輸出，經(jīng)過數(shù)

13、模轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率以達(dá)到恒壓效果。4.3.1 系統(tǒng)程序A/D、D/A模塊接口子程序圖4-3-1-1A/D、D/A模塊接口子程序b0=0選擇A/D通道1b0=1選擇A/D通道2b1=01開啟A/D通道B2=10開啟D/A通道前三行為模擬輸入，K0寫入BFM#17，選擇A/D輸入通道1，K2寫入BFM#17，啟動通道1的A/D轉(zhuǎn)換處理，F(xiàn)ROM為讀取BFM#0，把通道1的當(dāng)前值存入寄存器D210 讀取模擬輸入通道所需的時間TAD按如下計算： TAD=（TO指令處理時間）*2+（RROM指令處理時間） 后三行為模擬輸出，D200寫入BFM#16，這將轉(zhuǎn)換成模擬輸出，K4寫入BFM#17，啟動

14、D/A轉(zhuǎn)換處理。 寫入模擬輸入通道所需的時間TAD按如下計算： TAD=（TO指令處理時間）*3PID指令D120 采樣時間 1-32767 ms D121 （ 反動作方向b0=1 ）D122 輸入濾波 0-99%D123 比例增益 1-32767%D124 積分時間 （1-32767）100 msD125 微分增益 1-100%D126 微分時間 （1-32767）100 msD500為給定值，D210為反饋值，D120為表多，D200為輸出值4.3.2 變頻器參數(shù)設(shè)置1. 變頻器為單相變頻器，按圖連接變頻器線路，輸入電壓L、N接220V，輸出接電機(jī)U、V、W；頻率外調(diào)“10”，“2”“5”

15、接電位器；2. 設(shè)置參數(shù)，在P79=“1”情況下顯示“PU”設(shè)定有關(guān)參數(shù)，P1=45，P2=10HZ（上限頻率），P3=50HZ(下限頻率),P7=2S（加速時間）、P8=3S（減速時間）、P19=220；3. 運行在“EXT”情況下，啟動變頻器，調(diào)節(jié)頻率，P79=“2”。4.3.3 人機(jī)界面設(shè)計管道壓力通過5V電源和電位器的結(jié)合進(jìn)行模擬調(diào)節(jié)觸摸屏控件如下：觸摸屏輸出部分：Y0：1號泵允許指示；Y1：2號泵允許指示；T20：1號泵故障；T21：2號泵故障；D101：當(dāng)前水壓；D502:泵累計運行時間；D102:電動機(jī)的轉(zhuǎn)速觸摸屏輸入部分：M500：自動啟動；M100:手動1號泵；M101:手動

16、2號泵；M102：停止；M103：運行時間復(fù)位；M104:清楚報警；D500：水壓設(shè)定；4.4 調(diào)試計算機(jī)（上位機(jī)）作為編程通過專用通信電纜與PLC（下位機(jī)）進(jìn)行通信。在連接或斷開專用電纜時，應(yīng)關(guān)閉控制電源；同時須注意專用電纜接插頭插入的位置，否則易損壞上述儀器設(shè)備。在進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試時應(yīng)逐級調(diào)試，即先軟件，再硬件；先弱電，再強(qiáng)電；先低壓，再高壓；先輸入，再輸出；先開環(huán)，再閉環(huán)；先電氣，再機(jī)械。PLC的輸入和輸出的公共端COM必須分開，不能直接連接。5 結(jié)語 本文闡明了恒壓供水系統(tǒng)基于PLC的變頻調(diào)速節(jié)能原理，接著分析了系統(tǒng)原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。實踐證明采用變頻器調(diào)速技術(shù)，不僅節(jié)約能源，并改善了操

17、作人員的工作環(huán)境，而且對于提高整個系統(tǒng)的自動化水平有著很大的作用，調(diào)試簡單，操作方便使用安全，運行可靠等都有顯著的效果。 由于本設(shè)計基于數(shù)量較少的泵組運行，因此有著一定的局限性。不得不承認(rèn)分析設(shè)計與測試中仍存在一些問題，還需要進(jìn)一步優(yōu)化完善控制系統(tǒng)的功能設(shè)計。參考文獻(xiàn)1 冉翔.變頻調(diào)速技術(shù)在恒壓供氣系統(tǒng)中的應(yīng)用.J 電氣傳動自動化, 2009,6（31）:36-492 元友德. PLC、變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用實訓(xùn)M .北京：中國電力出版社，2004.013 王 建. 三菱變頻器入門與典型應(yīng)用M .北京：中國電力出版社，2004.84 陳 浩.案例解說PLC、觸摸屏及變頻器綜合應(yīng)用M.北京：中國電力出版社，2008.85 周志敏.變頻調(diào)速系統(tǒng) 工程設(shè)計 參數(shù)設(shè)置 調(diào)試維護(hù)M.北京： 電子工業(yè)出版社6 xxxxx .J電世界 2009.4：9-10.97 何 超.交流變頻調(diào)速技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出