恒压供水控制系统

摘要随着社会的发展，恒压供水越来越重要。本系统以PLC与变频器控制水泵工作，根据压力给定的理想值信号及管网水压的反馈信号进行比较，变频器根据比较结果调节水泵的转速，达到控制管网水压的目的。文中重点叙述了变频节能原理，恒压供水原理及PID控制方式。并提供控制系统硬件和控制软件，经现场模拟调试成功，实现运行可靠、节能、低噪，维护简单等效果。关键词：恒压供水；PLC控制；闭环PIDAbstractWiththedevelopmentofsociety,moreandmoreimportantintheconstantpressurewatersupply.ThissystemusesPLCandinvertercontrolpumpworkingpressure,accordingtothegivenidealvaluesignalandpressureofthepipenetworkcomparesthefeedbacksignal,frequencyconverteraccordingtothecomparedresult,adjustthepumpspeed,tocontrolthepressureofthepipenetworkforthepurposeof.Thispapermainlydescribestheenergysavingprincipleofvariablefrequency,constantpressurewatersupplytheoryandPIDcontrol.Andprovidesthecontrolsystemhardwareandcontrolsoftware,thesimulationdebuggingsuccess,toachievereliableoperation,energysaving,lownoise,simplemaintenanceandeffect.KeyWords：Constantpressurewatersupply；PLCcontrol；ClosedloopPID1引言随着我国社会经济的发展，城市人口和城镇建设规模不断扩大，高层建筑与日俱增。对水、电、消防、智能化等基础供应配套要求也越来越高。如何有效提高高层建筑给水系统能量利用率，减少无效能耗，成为了高层建筑给水设计的首要问题。传统的供水方式有恒速泵加压供水、恒速泵加水塔的供水、恒速泵加高位水箱的供水和恒速泵-气压罐供水方式。虽然这些供水方式比较简单，但是由于其占地面积大、自动化程度低、耗能不合理、适应性差、维护不方便等原因不仅造成水资源和电资源的浪费，而且还会带来水质的二次污染。因此，我国目前更多的采用变频恒压供水系统。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体的变频恒压供水系统，不仅可以显著提高供水系统的稳定性和可靠性，而且也有利于实现供水系统的集中管理与监控。此外，变频恒压供水系统还具有良好的节能性，这在大力提倡节能的今天尤为重要。本系统研究和设计小区供水系统电气控制，满足2000人600住户小区生活用水和7层消防供水。利用PLC和HMI实现组态控制，以达到节能环保、控制系统可靠、操作方便、显示直观。采用以FX2N-32MR为主控器的控制系统设计，实现水压自动控制及变频与工频自动切换，并且用台达触摸屏为人机界面实现水压设置、系统状况显示，更加直观，用三菱变频器FR-A540驱动水泵的电机，实现工频变频运转，达到恒压变频的功效，在小区供水上达到节能的效果。2恒压供水技术和优点2.1工作原理变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵机组、电动机、管道和阀门等构成。通过传感器反馈水压调节变频器输出，进而调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。2.2泵节能理论（1)供水系统的基本特性和工作点扬程特性:是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，全扬程与流量间的关系的曲线H1=f(QG)，称为扬程特性曲线，如图1曲线（1）所示。（2）管阻特性：以水泵的转速不变为前提，扬程H与流量Q之间的关系H=f(Qu)，称为管阻特性曲线，不同阀门开度，管阻特性曲线不同。如图2-1曲线（2）所示。（3)供水系统的工作点:扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，在这一点上，供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。（4)供水功率:供水系统向用户供水时所消耗的功率P(KW)称为供水功率。图2－1供水系统的控制，流量是供水系统的基本控制对象。当用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。(1）阀门控制法：转速保持不变，通过关小或开大阀门不调节流量，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。(2)转速控制法：阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。由水泵的相似定律又称为比例定律可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著,这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本方面。2.3恒压供水的优点1、恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。2、由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。3、水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。彻底消除水锤现象。4、实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。3自动控制系统的原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。利用负反馈原理，通过压力传感器反馈水管压力，然后跟设定压力进行比较得到一个差值，通过D/A转换调节变频器输出,从而改变电机的转速,管道压力随之改变,反馈压力也改变,使管道压力越来越接近给定值，从而实现了恒压控制。当用水量增加，管道压力减小，反馈压力减小，差值变大，调节变频器输出使频率增大，水泵加速管道压力随之增大，越来越接近设定值，实现恒压。4电气控制系统设计与实现4.1电路控制方案本系统运用三菱PLCFX2N－32MR，A/D、D/A模块FX0N－3A，三菱变频器FR500，台达触摸屏及传感器实现了恒压供水。主控制器PLCFX2N－32MR采集来自各个部件（故障、状态输入,A/D模块,人机界面）的信号，经过数据处理输出，经过D/A模块转换来控制变频器工作，实现水泵的调频调速以来达到恒压控制。人机界面既可以对工作水压进行设置也可以显示系统的工作状态。4.2系统硬件4.2.1控制系统原理图图4－2－1－1主电路接线图图4－2－1－2控制电源接线图4－2－1－3PLC信号输入与信号输出接线图4-2－1－4控制系统I/O口分配4.2.2电气设计与选择表4－2－2－1元件清单器件名称型号数量可编程控制器三菱FX2N-32MR1变频器三菱FR5001触摸屏台达DOPA571交流接触器CJ20-40-2203空气开关DZ47-60D30/3P1开关电源220-245W1压力传感器1按钮开关LA19-103熔断器RTO-2A24VDC1熔断器RTO-2A250VAC1导线BVR-10mm2若干导线BVR-2.5mm2若干4.2.3系统接线图图4－2－3－1输入电路接线图4－2－3－2输出电路接线利用续流二极管VD利用RC电路以消除电感能量滤波和接地数字信号地DG模拟信号地AG保护接地PE屏蔽地图4－2－3－34.3系统软件程序框图首先进行系统初始化，然后选择系统运行方式手动和自动模式。然后进行采样，经过数据处理输出，经过数模转换，调节变频器输出频率以达到恒压效果。4.3.1系统程序A/D、D/A模块接口子程序图4-3-1-1A/D、D/A模块接口子程序b0=0选择A/D通道1b0=1选择A/D通道2b1=0→1开启A/D通道B2=1→0开启D/A通道前三行为模拟输入，K0写入BFM#17，选择A/D输入通道1，K2写入BFM#17，启动通道1的A/D转换处理，FROM为读取BFM#0，把通道1的当前值存入寄存器D210读取模拟输入通道所需的时间TAD按如下计算：TAD=（TO指令处理时间）*2+（RROM指令处理时间）后三行为模拟输出，D200写入BFM#16，这将转换成模拟输出，K4写入BFM#17，启动D/A转换处理。写入模拟输入通道所需的时间TAD按如下计算：TAD=（TO指令处理时间）*3PID指令D120采样时间1-32767msD121（反动作方向b0=1）D122输入滤波0-99%D123比例增益1-32767%D124积分时间（1-32767）100msD125微分增益1-100%D126微分时间（1-32767）100msD500为给定值，D210为反馈值，D120为表多，D200为输出值4.3.2变频器参数设置1.变频器为单相变频器，按图连接变频器线路，输入电压L、N接220V，输出接电机U、V、W；频率外调“10”，“2”“5”接电位器；2.设置参数，在P79=“1”情况下显示“PU”设定有关参数，P1=45，P2=10HZ（上限频率），P3=50HZ(下限频率),P7=2S（加速时间）、P8=3S（减速时间）、P19=220；3.运行在“EXT”情况下，启动变频器，调节频率，P79=“2”。4.3.3人机界面设计管道压力通过5V电源和电位器的结合进行模拟调节触摸屏控件如下：触摸屏输出部分：Y0：1号泵允许指示；Y1：2号泵允许指示；T20：1号泵故障；T21：2号泵故障；D101：当前水压；D502:泵累计运行时间；D102:电动机的转速触摸屏输入部分：M500：自动启动；M100:手动1号泵；M101:手动2号泵；M102：停止；M103：运行时间复位；M104:清楚报警；D500：水压设定；4.4调试计算机（上位机）作为编程通过专用通信电缆与PLC（下位机）进行通信。在连接或断开专用电缆时，应关闭控制电源；同时须注意专用电缆接插头插入的位置，否则易损坏上述仪器设备。在进行现场调试时应逐级调试，即先软件，再硬件；先弱电，再强电；先低压，再高压；先输入，再输出；先开环，再闭环；先电气，再机械。PLC的输入和输出的公共端COM必须分开，不能直接连接。5结语本文阐明了恒压供水系统基于PLC的变频调速节能原理，接着分析了系统原理及系统的组成结构。实践证明采用变频器调速技术，不仅节约能源，并改善了操作人员的工作环境，而且对于提高整个系统的自动化水平有着很大的作用，调试简单，操作方便使用安全，运行可靠等都有显著的效果。由于本设计基于数量较少的泵组运行，因此有着一定的局限性。不得不承认分析设计与测试中仍存在一些问题，还需要进一步优化完善控制系统的功能设计。参考文献[1]冉翔.变频调速技术在恒压供气系统中的应用.[J]电气传动自动化,2009,6（31）:36-49[2]元友德.PLC、变频器、触摸屏综合应用实训[M].北京：中国电力出版社，2004.01[3]王建.三菱变频器入门与典型应用[M].北京：中国电力出版社，2004.8[4]陈浩.案例解说PLC、触摸屏及变频器综合应用[M].北京：中国电力出版社，2008.8[5]周志敏.变频调速系统工程设计参数设置调试维护[M].北京：电子工业出版社[6