宋伟希论文

1变频恒压供水系统的设计宋伟希娄底市高级技工学校中文摘要用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用内部包含有PID调节器、PLC、单片机等器件有机结合的供水专业变频器构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。对于恒压供水这类工业对象，采用常规的PID控制器，在工作点附近的小范围内，由于其动特性近似于线性，有可能控制得较好；但当大范围改变给定值或受外界环境（包括工况）太大扰动时，就需要及时修正PID参数，否则将使温升动特性变差。基于此，本研究将利用西门子S7-200PLC恒压供水系统控制。关键词：PLC；恒压供水；控制；变频器一、课题背景及意义我国城市发展的速度非常之快，这对城市现有的供水系统的考验非常大，城市的扩张使得城市供水范围增大，居民用水量增加，用水高峰更多。这就使得供水末端保证所需的供水压力困难加大。现阶段我国在高层住房供水和其他各个方面的循环供水等方面还没有达到较高的自动化的程序，技术还比较落后。这种技术水平使得用水高峰期的水位要求往往达不到，造成了较低的供水压力；而在用水低峰时又有过高的供水水位，压力过大，造成了水资源的浪费，还可能存在爆管事故。二、国内外研究现状和发展趋势从查阅的国内外的恒压供水工程的资料来看，国外的恒压供水工程一般都是一台变频器只带一台水泵机组，一台变频器拖动多台水泵机组的情况基本上没有，这种设置的成本较高。所以，现在国内外的研究中还很少涉及多种现在智能化控制技术、通讯技术和网络技术来实现变频但压供水系统。因此，变频恒压供水系统的性能还有待于进一步研究改善，使其能被更好的应用于城市居民的日常生活和供水系统的生产实践中。三、变频恒压供水原理分析变频恒压供水的基本原理是：泵组的运行台数，供水压力的闭环控制，都通过电动机2调速装置来完成，当管网压力发生变化时能稳定供水压力和节能。1、供水系统的曲线特性水泵在某一转速能够在流量Q的变化下，产生不同的杨程H，从而形成一个关系曲线f(Q)，这就是供水系统的基本特性关系，图1表明，当阀门开度和水泵转速都不改变的状况下，Ｑ越大，Ｈ就越小，即用户的用水情况决定Ｑ的大小。图1供水系统中的扬程特性和管阻特性2、供水系统对电机调速的基本要求生活供水系统的供水量的变化范围很大，供水量在每天的不同时段不同，在每年的不同的季节也不同。供水系统对电机调速的基本要求有:（1）如果是在相同的工况下对水泵进行调速操作，水泵的扬程H和转速N的平方成正比.（2）在供水系统突然启动，系统会产生较大的电流冲击，为了避免在大的重启下电机和其他电气设备不受损害，需要采用软启动的方法。3、供水系统的节能原理分析根据流体力学的相关的原理，当采用变频技术进行调速控制时，所有的参数：流量Q、轴功率P、扬程H、转速n的关系如下公式所示：32n1n2P1P2，n1n2H1H2，n2n1Q1Q2从公式中可以看出，轴功率的比值是与电机转速的比值的3次方成正比的，所以流量减小时，电机转速就会减小，这时能有很明显的节能效果。如果是在理想状态，电机转速降为额定转速的80%时，水泵的功率就能够下降到额定值的51.2%，这样就能节约48.8%的电能。四、变频恒压供水系统的原理1、供水系统的恒压控制原理如果供水系统的用水量发生变化，就可以通过闭环控制的方式来进行变频器输出的控制和电机转速的控制，进而对供水系统的水流量进行调节，从而维持管网的水压在设定值的范围内；水泵的电机需要在变频与工频之间来回的切换，在这个过程中为了减小水压的变化范围和电流的波动值，可以使用同步锁相切换技术来实现平滑稳定的切换过程。2、水泵调速运行的节能原理3在供水系统中，主要的控制目的就是水的流量，所采用的主要的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法和调速控制法下供水系统的管网和水泵的运行特性曲线图如图2所示。图2管网及水泵的运行特性曲线图可以看出，供水系统的水流量与水泵的转速成正比，扬程与水泵的转速同样也成正比，而水泵的运行功率与水泵转速的立方成正比，则水泵的损耗功率与水泵的转速同样也成正比。所以，如果能够有效控制水泵的转速就能控制损耗功率，所以调速控制法相比阀门控制法，能够取得较好的节能效果。3、变频恒压供水系统的特点变频恒压供水系统和传统的供水系统相比，有其自身的优点，主要表现在如下几个方面：1）节能性2）可延长电机和水泵寿命3）容易实现自动化控制4）减少对系统电网的损害5）非线性和时滞性6）容错性7）可扩充性五、变频恒压供水控制的设计1、系统主要设备的选型变频恒压供水系统的电气控制总框图如图3所示：图3系统的电气控制总框图4从图3可以看出，该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：PLC（含转换模块和通讯模块含DA/）、变频器、压力传感器、变压器和水泵机组等。其中电器控制主要设备选择的型号如表1所示：表1号清单主要硬件设备名称与型设备名称设备型号及其厂商）可编程序控制器（PLCcpu226Siemens模拟量扩展模块EM235Siemens变频器MM440Siemens水泵机组）3台泵SFL-上海熊猫机械（系列水压力送变器仪数显1270及100XMTY2、电气控制原理图的硬件设计电气控制原理图主要包括三个部分，分别为系统的主电路图、系统的控制电路图和其他的外围电路图。图4电气控制主电路5120SB1KM1SB2Q0.0Q0.1KM2KM2KM1HL1KM2HL2FR146PLCSB4Q0.2Q0.3KM4KM2KM3810SB6Q0.4Q0.5KM6KM2KM51214SB3KM3FR2HL3KM4HL4FR3HL5KM6HL6KM5SB5SB7YV2SB8YV2HL7HL8HL9HAKAHL10Q1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5N1NL1FU2图5电控系统的控制电路3、系统外围电路的设计根据以上控制要求设计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表2所示。表2输入输出点代码及地址编号名称代码地址编号号信入输供水模式转换信号SA1I0.0水池水位下限信号SLLI0.1水池水位上限信号SLHI0.2变频器报警信号SUI0.3消铃按钮SB9I0.4试灯按钮SB10I0.5值远程压力表模拟量变压UAIW0号信出输示灯泵工频运行接触器及指#1HL1KM1,Q0.0示灯泵变频运行接触器及指#1HL2KM2,Q0.1示灯泵工频运行接触器及指#2HL3KM3,Q0.2示灯泵变频运行接触器及指#2HL4KM4,Q0.3示灯泵工频运行接触器及指#3HL5KM5,Q0.4示灯泵变频运行接触器及指#3HL6KM6,Q0.5消防供水转换电磁阀生活/YV2Q1.0号信出输灯水池水位下限报警指示HL7Q1.1变频器故障报警指示灯HL8Q1.2火灾报警指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器频率复位控制KAQ1.5压控制变频器频率用电电UfAQW0结合系统控制电路图5和PLC的I/O端口分配表2，PLC及扩展模块外围接线图如图6所示：61M0.00.11.00.70.60.50.40.30.22.72.62.52.42.32.22.12.01.71.62M1.51.41.31.21.11L0.0L+M1.51.41.31.21.13L1.00.70.60.52L0.40.30.20.1地1.71.6L1N。AC。CPU226CN2×RS485MV0M0地L+RAA+I0B-B+RBA-D-D+RDC-C+RC偏移配置增益EM235I0I1I2Q0Q1SA1窗口比较器液位变送器水位上下限信号SUSLHLSB746810121424222018162N1＋－压力变送器输出压力信号输入变频器图6PLC及扩展模块外围接线图六、PID参数整定PID调节器有4个主要参数Ts、Kc、Ti、Td需要整定，即使只PI控制器，也有3个主要的参数需要整定。具体原则如下：1）为了减少需要整定的参数，可以首先采用PI控制器。2）如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能进入稳态或者不稳定，应减小控制器的增益Kc或增大积分时间Ti。3）如果消除误差的速度较慢，应适当减小积分时间，增强积分作用。4）反复调节增益和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分作用，即采用PID控制。5）如果被控量第一次达到稳态值的上升时间太长，可以适当增大增益Kc。4.1.4PID闭环控制仿真实践结果STEP7-Micro/WIN内置了一个“PID调节控制面板”工具，用于PID参数的调试，可以同时显示给定值SP、过程变量PV和调节器输出M的波形。还可以用PID调节控制面板实现PID参数的手动调节或自动调节（见图7）。图7PID调节控制面板7八、研究结论和未来展望城市生活用水量具有周期性和随机性，用水高峰时水压过低，用水低谷时水压太高又可能产生爆管现象和造成能量浪费。通过设计变频供水系统后，供水管网实现了恒压供水，能耗也大幅度下降，对推动工业生产自动化及远程监测和控制有着重大意义。系统能根据压力传感器实时采集公共供水管网的压力变化，经PID运算后由变频器自动调节水泵运行台数、运行方式及运行转速以适应管压的变化，以实现恒压供水的目的。这样即能防止能量空耗，又避免启动时冲击电流的影响，大大延长了设备的使用寿命。随着科学的发展，各种新型的电气设备及控制技术也不断出现，变频恒压供水系统也逐步朝着数字微机化、智能化、系统化、网络化、标准化等方向发展。参考文献：[1]浅谈PLC的应用与发展[J].CAD/CAM与制造业信息化,2005,06:18-20.[2]方桂笋.基于PLC的变频恒压供水系统的设计[D].兰州理工大学,2008.[3]相晓晖.高标清数字录像机的格式及应用范围[J].影视制作,2009,09:35-38.[4]胡素萍.PLC在恒压供水系统中的应用[J].企业导报,2012,20:254-258.[5]朱玉堂.变频恒压供水系统的研究开发及应用[D].浙江大学,2005.