變頻恒壓供水PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

變頻恒壓供水PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：目前，我國的供水方式正朝著高效節(jié)能、自動(dòng)化的方向發(fā)展，采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水自動(dòng)化系統(tǒng)?；诖耍疚木蛯?duì)變頻恒壓供水PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的分析，希望可以為有關(guān)人員提供一定的借鑒。關(guān)鍵詞：PLC；恒壓供水；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)我國目前的供水設(shè)備還處在智能化水平較低、自動(dòng)化程度較低的狀況。PLC具有較高的可靠性，較好的性價(jià)比，價(jià)格低廉，適應(yīng)性廣，便于擴(kuò)充的優(yōu)點(diǎn)。將PLC技術(shù)和變頻技術(shù)相結(jié)合，并將其用于恒壓供水是當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。恒壓供水系統(tǒng)的首要目標(biāo)是保證管網(wǎng)內(nèi)的水壓不變。由于水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著流量的變化而經(jīng)常發(fā)生變化，為了保證管網(wǎng)水壓的穩(wěn)定，需要采用變頻調(diào)速裝置為水泵電機(jī)供電。1變頻恒壓供水詳細(xì)情況小區(qū)內(nèi)的生活用水因季節(jié)、晝夜差異較大，因用水與供水的不均衡主要體現(xiàn)在水壓上，也就是用水量多、供水不足、水壓低、水量少。目前，國內(nèi)的城市給水、工業(yè)生產(chǎn)的循環(huán)水等技術(shù)還處于起步階段。隨著電力電子及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以PLC為主要控制器，變頻調(diào)速裝置為執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)了恒壓、節(jié)水、節(jié)能的供水，以滿足生活用水和工業(yè)用水的需求[1]。新的變頻恒壓供水系統(tǒng)在設(shè)備投入、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化等方面均有明顯的優(yōu)越性，并且節(jié)能效果明顯。恒壓供水系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)吸引了國內(nèi)各大供水企業(yè)的關(guān)注，并不斷投入研發(fā)、生產(chǎn)該高科技產(chǎn)品。隨著城市建設(shè)、智能樓宇的發(fā)展、供水網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度以及總體規(guī)劃的需要，傳統(tǒng)的單泵、恒壓系統(tǒng)逐步被多泵控制取代。盡管單泵產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，但是單泵電機(jī)的深度調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致水泵和電機(jī)的效率低下，而多泵產(chǎn)品的投資更少，運(yùn)行效率更高。2PLC變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論2.1PLC變頻供水系統(tǒng)的基本特性在實(shí)際使用中，一般使用離心泵，以離心速度驅(qū)動(dòng)水流，使水進(jìn)入給水管道。根據(jù)具體的離心式水泵的給水轉(zhuǎn)動(dòng)曲線顯示資料，可以得出，在實(shí)際的給水工作中，揚(yáng)程與其流量成反比例。在實(shí)際給水中，離心泵的給水壓力隨水量的增加而降低。因此，在給水過程中，揚(yáng)程的大小決定了其基本的給水關(guān)系。2.2PLC變頻供水系統(tǒng)的能耗分析在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須重視對(duì)其進(jìn)行能量分析，只有通過對(duì)其進(jìn)行能量分析，才能使其在實(shí)際應(yīng)用中得到最大的效益。根據(jù)水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和水流的流速來進(jìn)行能量分析，在實(shí)際的給水中，由于泵的壓力不夠大，存在著供水壓力不足的情況，從而增加了供水系統(tǒng)的能源消耗。如果在實(shí)際給水過程中Q1和揚(yáng)程H1是固定的，則Q1向Q2的變化將使給水的能量消耗增加，從而使給水的阻力曲線發(fā)生變化。2.3系統(tǒng)構(gòu)成壓力傳感器通常設(shè)在泵站出口，它的主要作用是控制管網(wǎng)中的水壓。通常情況下，在用水量較大時(shí)，水壓變化通常都很小。而壓力傳感器一般把用水量的變化轉(zhuǎn)換成電流或壓力變化的幅度，并把數(shù)據(jù)傳送到穩(wěn)壓器上[2]。調(diào)節(jié)器中有一個(gè)預(yù)先設(shè)置好的管道壓力，當(dāng)測(cè)量到壓力傳感器給出的水壓時(shí)，它會(huì)根據(jù)測(cè)量值和實(shí)際測(cè)量值，對(duì)其進(jìn)行綜合分析，并按照相關(guān)的調(diào)整規(guī)則，給出相應(yīng)的調(diào)整信號(hào)。例如，當(dāng)調(diào)壓器收到測(cè)量水壓的時(shí)候，與給定的水壓進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，測(cè)量的水壓小于規(guī)定的水壓，說明系統(tǒng)的水壓沒有達(dá)到理想的水壓，而當(dāng)測(cè)量值大于規(guī)定的水壓時(shí)，控制器就會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，使水泵的速度下降。此外，所述穩(wěn)壓器的輸出信號(hào)典型值是一個(gè)在4毫安至20毫安之間的電流信號(hào)，或一個(gè)0至10伏之間的電壓信號(hào)，其大小通常正比于上述的給定值和測(cè)量值之間的差值，從而驅(qū)動(dòng)所述執(zhí)行裝置。調(diào)整器將會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)來提高或降低水泵電機(jī)的速度。2.4供水系統(tǒng)工作流程第一步，在系統(tǒng)通電，在變頻設(shè)備開始工作之后，將水泵電機(jī)M1拖動(dòng)，PLC計(jì)算出變頻調(diào)速器的輸出頻率，再由變頻調(diào)速器調(diào)整M1的旋轉(zhuǎn)速度，水泵電動(dòng)機(jī)M1處于調(diào)速操作狀態(tài)。在測(cè)量出的壓力達(dá)到一定的范圍后，供水和用水達(dá)到了一個(gè)平衡，并且轉(zhuǎn)速達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定的水平。第二，隨著測(cè)量水壓的降低，壓力傳感器的反饋信號(hào)會(huì)降低，這表明，在這個(gè)時(shí)候，用水量越來越多，水壓的變化也越來越大，變頻器根據(jù)偏差值調(diào)整輸出頻率來控制水泵的速度，直到泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定值，才能滿足供水的需要。而在測(cè)量到水壓升高后，變頻裝置會(huì)根據(jù)誤差調(diào)整輸出頻率，使水泵電機(jī)的速度降低至一個(gè)新的穩(wěn)定值。第三，在測(cè)量到水壓升高后，變頻調(diào)速裝置會(huì)降低輸出頻率，如果在這個(gè)時(shí)間頻率仍在上限頻率以上，仍無法將實(shí)際水壓降到設(shè)置壓力以下，則在減少泵的條件下，PLC會(huì)關(guān)閉發(fā)出指令的工頻工作狀態(tài)的水泵M2，并將水壓降到一個(gè)預(yù)設(shè)值。2.5工作原理設(shè)計(jì)關(guān)閉空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)開始工作。手動(dòng)/自動(dòng)開關(guān)打至自動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。PLC中序首先接通KM6，啟動(dòng)變頻器。PID調(diào)整是根據(jù)壓力設(shè)定值（根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定）和壓力實(shí)際值（來自壓力傳感器）之間的偏差，并且向變頻器輸出給定頻率信號(hào)。變頻器根據(jù)給定的頻率信號(hào)和預(yù)先設(shè)定的加速時(shí)間，對(duì)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使水壓保持在設(shè)定壓力的上下限范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。同時(shí)，變頻器的運(yùn)行頻率達(dá)到上限時(shí)，將信號(hào)發(fā)送給PLC,PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力的上下限信號(hào)以及變頻器的工作頻率是否達(dá)到上限信號(hào)，由程序判斷是否啟動(dòng)第二泵（或者第三泵）。當(dāng)變頻器的工作頻率達(dá)到最高頻率并保持一定時(shí)間后，PLC就會(huì)把當(dāng)前的變頻調(diào)速泵轉(zhuǎn)換成工頻運(yùn)行，然后迅速啟動(dòng)下一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行。此時(shí)PID將通過遠(yuǎn)端壓力表的檢測(cè)信號(hào)繼續(xù)分析、計(jì)算和判斷，從而進(jìn)一步控制變頻器的工作頻率，

使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。2.6變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則在實(shí)際工作中，變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵守：第一，在設(shè)計(jì)水庫的能力時(shí)，應(yīng)確保其容量大于單位小時(shí)最大供水能力。第二，在確定水泵的揚(yáng)程高度時(shí)，應(yīng)確保水泵的最高水位高于每小時(shí)的最高水位。第三，在設(shè)計(jì)抽水總流量時(shí)，應(yīng)確保抽水總量大于其小時(shí)最大供水能力。只有嚴(yán)格遵循上述原則，才能確保變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，也能極大地改善用戶的使用體驗(yàn)。3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)組成根據(jù)系統(tǒng)按照技術(shù)需求，采用了當(dāng)前比較成熟的交流變頻恒壓供水控制方案。建立控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)由PLC，變頻器，水箱，供水系統(tǒng)，供水管網(wǎng)，各種傳感器和儀表組成。3.2系統(tǒng)的控制過程利用壓力計(jì)對(duì)管網(wǎng)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將其傳輸?shù)絇LC,PLC根據(jù)測(cè)量結(jié)果與設(shè)置值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行PID調(diào)整。第一臺(tái)水泵采用變頻方式啟動(dòng)，在水壓不足的情況下，先進(jìn)入工頻工作，然后啟動(dòng)第二臺(tái)泵進(jìn)入變頻，如此反復(fù)，直至第3個(gè)臺(tái)水泵啟動(dòng)；停機(jī)時(shí)，首先停止工頻水泵，然后停止變頻水泵，這是一種先啟動(dòng)后停止的原則。變頻調(diào)速器是通過調(diào)整水泵機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和調(diào)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)壓力的控制。3.3控制硬件設(shè)計(jì)本文對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)中的電壓信號(hào)采集模塊的要求進(jìn)行了研究。PLC控制系統(tǒng)。變頻調(diào)速器的作用是通過控制PLC的輸出信號(hào)來調(diào)節(jié)水泵的速度，同時(shí)還可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的水量，以保證一定的供水壓力。變頻調(diào)速系統(tǒng)的選型、調(diào)速范圍、調(diào)速精度、調(diào)速方式等都是設(shè)計(jì)中的重要問題，選用西門子MM440變頻調(diào)速系統(tǒng)。3.7控制軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)首先要有一個(gè)主要的控制程序，在給出了一個(gè)整體的控制方案后，在該系統(tǒng)中還應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)PLC程序來對(duì)測(cè)量的水壓進(jìn)行比較，并對(duì)給定的水壓和信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)水壓的調(diào)整和閉環(huán)的控制。在本系統(tǒng)中，要設(shè)定自動(dòng)、手動(dòng)兩個(gè)檔位，并編制合理的水泵操作規(guī)程。3.8畫面組成設(shè)計(jì)通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，將設(shè)備的工作狀況和數(shù)據(jù)的變化以多種形式呈現(xiàn)給工作人員，其中，水位的顯示可以反映系統(tǒng)的水位，操作人員在觸摸屏上設(shè)置控制指令，并進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和對(duì)水泵組的操作狀況進(jìn)行管理。在這種情況下，MCGS會(huì)立即模擬工作狀態(tài)對(duì)配置進(jìn)行模式測(cè)試，方便技術(shù)人員在以后的調(diào)試和測(cè)試中使用。在對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)時(shí)，要做到分階段、逐步進(jìn)行。同時(shí)，在進(jìn)行相關(guān)工作的過程中，要盡可能地滿足廣大用戶的用水需要，節(jié)約用水，將設(shè)備的運(yùn)行故障降到最低。4控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)4.1方案設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采取了一種循環(huán)式的水泵轉(zhuǎn)換方式：變頻調(diào)速裝置僅與第一個(gè)水泵電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)水泵的容量達(dá)不到恒定壓力時(shí)，變頻調(diào)速裝置便會(huì)自動(dòng)停止工作，向控制中心PLC發(fā)送信號(hào)，通過預(yù)先編制好的程序來完成。循環(huán)開關(guān)泵的本質(zhì)就是把第一個(gè)水泵轉(zhuǎn)換成一個(gè)工作頻率，然后用它來驅(qū)動(dòng)其它的水泵。這種給水的方法，就是將變頻調(diào)速裝置一直控制著一臺(tái)水泵，而其它的水泵則只能在工頻工作，不受其控制，從而達(dá)到了設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)的目標(biāo)，也就是使水管網(wǎng)內(nèi)的壓力保持不變[3]。這種循環(huán)式抽水方式在全國各地的自來水公司都得到了廣泛的應(yīng)用，但也有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是當(dāng)水泵切換時(shí)，水管中的壓力會(huì)出現(xiàn)短暫的波動(dòng)。4.2總體設(shè)計(jì)4.2.1基本控制功能恒壓供水系統(tǒng)最根本的作用就是通過PLC的PID功能來調(diào)整輸出，然后將輸出信號(hào)傳輸給變頻器，變頻器會(huì)根據(jù)輸出信號(hào)的變化來調(diào)整變頻器的輸出頻率[4]。電動(dòng)機(jī)會(huì)根據(jù)實(shí)際水壓與期望的水壓之差來調(diào)整電機(jī)的速度，從而保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定、可靠。4.2.2上位機(jī)功能通過PLC與上位機(jī)的通信，可以對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)各個(gè)電磁閥的開閉狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，并對(duì)設(shè)定的壓力進(jìn)行調(diào)整。4.2.3短信功能在水壓異常時(shí)，可向預(yù)先設(shè)定的電話通知用戶，提示系統(tǒng)有問題；也可以通過短消息來調(diào)節(jié)預(yù)置的水壓。4.2.4移植功能由于控制系統(tǒng)必須能夠滿足大部分的使用要求，而不能只針對(duì)某一特定的建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)，所以必須具有良好的可移植性。4.2.5其他功能為了延長機(jī)器的使用壽命，應(yīng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，盡量避免頻繁起動(dòng)停機(jī)。5控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5.1科學(xué)選擇與設(shè)計(jì)PLC選擇變頻調(diào)速有其原理。為了使系統(tǒng)的運(yùn)行性能最大化，變頻調(diào)速必須和給水水泵的功率相適應(yīng)。不能比給水泵的功率大得多，也不能比給水泵的功率小得多。在使用變頻器之前，必須首先設(shè)定好初始參數(shù)，然后再設(shè)定變頻器的工作參數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使水泵的容量與負(fù)載相適應(yīng)[5]。為了使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)響應(yīng)達(dá)到最優(yōu)的速率，還需要對(duì)積分項(xiàng)、比例項(xiàng)的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整?？傊?，在選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，必須根據(jù)負(fù)荷特性來達(dá)到工作要求。換言之，在選擇變頻調(diào)速時(shí)要根據(jù)負(fù)荷的特點(diǎn)來達(dá)到工作的需要[6]。西門子可以在此考慮，其參數(shù)的設(shè)定如下：P0003=3（專用）;P0010=30；P0970=1，并附加地顯示P0970（復(fù)位完成）。需注意的是，基于PLC的恒壓式供水系統(tǒng)本身含有1個(gè)模擬量的輸出信號(hào)和11個(gè)數(shù)字量的輸出信號(hào)5.2適宜選擇液位變送器在具體的設(shè)計(jì)中，采用DS26型分體液位傳感器，可用于深井、水池等液面測(cè)量，并可調(diào)節(jié)全范圍和零點(diǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。結(jié)束語：結(jié)果表明，PLC和變頻調(diào)速裝置在恒壓供水系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其穩(wěn)定可靠的工作性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)的供水系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)⒐芫W(wǎng)的壓力維持在一定的范圍內(nèi)，達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)約能源的目標(biāo)。在變頻調(diào)速裝置發(fā)生故障后仍可保證系統(tǒng)供水，并可在故障發(fā)生后自動(dòng)開機(jī)，具有較高的推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)：[1]田亞娟,郭麗穎.變頻恒壓供水PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化,2010,29(1):25-28.[2]江衛(wèi)平.變頻恒壓供水PLC控制系