恒壓供水控制系統(tǒng)

-.z.摘要隨著社會的開展，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)水壓的反應(yīng)信號進(jìn)展比擬，變頻器根據(jù)比擬結(jié)果調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，到達(dá)控制管網(wǎng)水壓的目的。文中重點表達(dá)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(yùn)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)PIDAbstractWiththedevelopmentofsociety,moreandmoreimportantintheconstantpressurewatersupply.ThissystemusesPLCandinvertercontrolpumpworkingpressure,accordingtothegivenidealvaluesignalandpressureofthepipenetworkparesthefeedbacksignal,frequencyconverteraccordingtotheparedresult,adjustthepumpspeed,tocontrolthepressureofthepipenetworkforthepurposeof.Thispapermainlydescribestheenergysavingprincipleofvariablefrequency,constantpressurewatersupplytheoryandPIDcontrol.Andprovidesthecontrolsystemhardwareandcontrolsoftware,thesimulationdebuggingsuccess,toachievereliableoperation,energysaving,lownoise,simplemaintenanceandeffect.KeyWords：Constantpressurewatersupply；PLCcontrol；ClosedloopPID1引言隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的開展，城市人口和城鎮(zhèn)建立規(guī)模不斷擴(kuò)大，高層建筑與日俱增。對水、電、消防、智能化等根底供給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擬簡單，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)不方便等原因不僅造成水資源和電資源的浪費(fèi)，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，以到達(dá)節(jié)能環(huán)保、控制系統(tǒng)可靠、操作方便、顯示直觀。采用以F*2N-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，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(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)恒壓變頻的成效，在小區(qū)供水上到達(dá)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)的供水局部主要由水泵機(jī)組、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通過傳感器反應(yīng)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)的根本特性和工作點揚(yáng)程特性:是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔珦P(yáng)程與流量間的關(guān)系的曲線H1=f(QG)，稱為揚(yáng)程特性曲線，如圖1曲線〔1〕所示?！?〕管阻特性：以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔瑩P(yáng)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?！?)供水系統(tǒng)的工作點:揚(yáng)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(yùn)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2－1供水系統(tǒng)的控制，流量是供水系統(tǒng)的根本控制對象。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(yáng)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(yáng)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)能效果的最根本方面。2.3恒壓供水的優(yōu)點恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動機(jī)電源頻率，而到達(dá)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。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。水泵電動機(jī)采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，防止電動機(jī)啟動時的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時也防止了電動機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。徹底消除水錘現(xiàn)象。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)被控對象的構(gòu)造和參數(shù)不能完全掌握，或得不到準(zhǔn)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)控制器的構(gòu)造和參數(shù)必須依靠經(jīng)歷和現(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)反應(yīng)原理，通過壓力傳感器反應(yīng)水管壓力，然后跟設(shè)定壓力進(jìn)展比擬得到一個差值，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,反應(yīng)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，反應(yīng)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(yùn)用三菱PLCF*2N－32MR，A/D、D/A模塊F*0N－3A，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PLCF*2N－32MR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)速以來到達(dá)恒壓控制。人機(jī)界面既可以對工作水壓進(jìn)展設(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4－2－1－1主電路接線圖圖4－2－1－2控制電源接線圖4－2－1－3PLC信號輸入與信號輸出接線圖4-2－1－4控制系統(tǒng)I/O口分配4.2.2電氣設(shè)計與選擇表4－2－2－1元件清單器件名稱型號數(shù)量可編程控制器三菱F*2N-32MR1變頻器三菱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220-245W1壓力傳感器1按鈕開關(guān)LA19-103熔斷器RTO-2A24VDC1熔斷器RTO-2A250VAC1導(dǎo)線BVR-10mm2假設(shè)干導(dǎo)線BVR-2.5mm2假設(shè)干4.2.3系統(tǒng)接線圖圖4－2－3－1輸入電路接線圖4－2－3－2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4－2－3－34.3系統(tǒng)軟件程序框圖首先進(jìn)展系統(tǒng)初始化，然后選擇系統(tǒng)運(yùn)行方式手動和自動模式。然后進(jìn)展采樣，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理輸出，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率以到達(dá)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=0→1開啟A/D通道B2=1→0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)前值存入存放器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1-32767msD121〔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〕100msD125微分增益1-100%D126微分時間〔1-32767〕100msD500為給定值，D210為反應(yīng)值，D120為表多，D200為輸出值4.3.2變頻器參數(shù)設(shè)置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〞接電位器；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；運(yùn)行在“E*T〞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)展模擬調(diào)節(jié)觸摸屏控件如下：觸摸屏輸出局部：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(yùn)行時間；D102:電動機(jī)的轉(zhuǎn)速觸摸屏輸入局部：M500：自動啟動；M100:手動1號泵；M101:手動2號泵；M102：停頓；M103：運(yùn)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)展通信。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)展現(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必須分開，不能直接連接。5結(jié)語本文說明了恒壓供水系統(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)的組成構(gòu)造。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，操作方便使用平安，運(yùn)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(yùn)行，因此有著一定的局限性。不得不成認(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〕:36-49[2]元友德.PLC、變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用實訓(xùn)[M].：中國電力，2004.01[3]王建.三菱變頻器入門與典型應(yīng)用[M].：中國電力，2004.8[4]浩.案例講解PLC、觸摸屏及變頻器綜合應(yīng)用[M].：中國電力，2008.8[5]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].：電子工業(yè)[6]*****.[J]電世界2009.4：9-10.9[7]何超.交流變頻調(diào)速技術(shù)[M].：航