PLC+变频器在小区恒压供水控制中的应用

高级技师专业论文工种:维修电工PLC+变频器在小区恒压供水控制中的应用姓名：王京伟身份证号：申报等级：高级技师准考证号:0002工作单位：北京光华染织厂培训单位：北京市朝阳区博艺职业技能培训学校鉴定单位:培训日期:2007年08月11日2摘要：本文介绍了西门子PLC和变频器在某生活小区双恒压供水系统中的应用情况，在恒压供水系统中可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。关键词：变频器、PLC、恒压供水3目录一、引言--------4二、变频恒压供水系统工作原理--------4三、恒压供水系统特点--------6四、用户现场情况--------8五、电气控制系统原理图--------10六、系统程序设计--------12七、结论--------15八、结束语--------1545一.引言本文是针对某生活小区实际情况，结合用户生活/消防双恒压供水控制的要求，我们进行改造的一些心得。现将其中的改造情况介绍如下。恒压供水系统对于生活小区是非常重要的，例如在生活小区供水过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响居民生活。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大损失和人员伤亡。所以，生活小区采用生活/消防双恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。二.变频恒压供水系统工作原理1.变频器的工作原理我们知道，交流电动机的同步转速表达式(1)为：n＝60f(1－s)/p式中n--异步电动机的转速；f--异步电动机的频率；s--电动机转差率；p--电动机极对数。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。电机用变频器调速时有两种情况--基频（基准频率）以下调速和基频以上调速。必须考虑的重要因素是：尽量保持电机主磁通为额定值不变。如果磁通过弱（电压过低），电机铁心不能得到充分利用，电磁转矩变小，负载能力下降。如果磁通过强（电压过高），电机处于过励磁状态，电机因励磁电流过大而严重发热。根据电机原理可知，三相异步电机定子每相电动势的有效值：E1=4.44f1N1Φm式中：E1--定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值，单位V；6f1--定子频率，单位Hz；N1--定子每相绕组有效匝数；Φm--每极磁通量由式中可以看出，Φm的值由E1/f1决定，但由于E1难以直接控制，所以在电动势较高时，可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电压U1代替。那么要保证Φm不变，只要U1/f1始终为一定值即可。这是基频以下调速时的基本情况，为恒压频比（恒磁通）控制方式，属于恒转矩调速。基准频率为恒转矩调速区的最高频率，基准频率所对应的电压为即为基准电压，是恒转矩调速区的最高电压，在基频以下调速时，电压会随频率而变化，但两者的比值不变。在基频以上调速时，频率从基频向上可以调至上限频率值，但是由于电机定子不能超过电机额定电压，因此电压不再随频率变化，而保持基准电压值不变，这时电机主磁通必须随频率升高而减弱，转矩相应减小，功率基本保持不变，属于恒功率调速区。可见，基准频率为恒功率调速区的最低频率，是恒转矩调速区与恒功率调速区的转折点，而基准电压值在整个恒功率调速区内不再随频率变化而改变。2.恒压供水系统工作原理(1)系统主控环节系统整体的控制信号，包括压力设定信号，工频和变频故障信号处理，水位故障检测处理均由主控PLC及变频器或主控人机设定，对于整个系统的运行信号进行综合，尤其是当出现故障状态的系统处理操作，是整个系统的核心控制部分。(2)变频器内部控制环节变频器内部控制，主要是指变频器内部PID功能模块，内部PID功能使现场工程师设置和调试方便，相对于原来的硬件PID板控制，省去了硬件维护需要，节省了成本。主控环节的压力设定信号与系统压力信号反馈形成闭环以维持管网恒定压力。PID的特性可由参数选择。(3)供水环节7供水环节为变频器控制外部电机的中间控制机构，变频器供水环节为一个独立的控制系统，只需要一根外接的电话线，就可与主控板连接，方便的远程控制，利用485通讯底层接口，无需外接电源，就可控制多达5个以上的继电器，从而用来控制外接接触器。接口简单，使用方便。(4)电机控制环节当管网压力的变化要求增加或减少工作水泵时，通过供水附件基板的中间继电器，控制各个电机交流接触器。基板输出端口的状态决定外部各个水泵的运行状态。(5)执行环节执行环节为各水泵。图1闭环控制的硬件原理图供水专用变频器=普通变频器+PLC，是集供水控制和供水管理一体化的系统。除具有变频器的一般特性外，还具有以下特性：水压高、水压低输出接口，变频器运行上限、下限频率（可以任意设定），可以方便地进行双压力控制，内置智能供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统如图1。传感器反馈的水压信号直接送入变频8器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可以使用变频器的键盘设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。面板可以直接显示压力反馈值（Mpa）。图2恒压控制原理图恒压供水系统工作原理如图2所示。测量元件选用压力传感器，Ui为恒定供水压力设定值，供水压力U作为输出量，构成闭环控制系统。在运行中，当用水量增大时，水管道内压力值变低，反馈值U变小，当Ui大于U时，变频器通过内置PID进行调速，使电机的转速加快，增加水流量，提高管道压力，直到管道压力U与设定压力Ui相等时，变频器将保持转速不变。当用水量减少时，水管道内压力值变大，反馈值U变大，当Ui小于U时，变频器通过内置PID进行调速，使电机的转速降低，减少水流量，降低管道压力，直到管道压力U与设定压力Ui相等时，变频器将保持转速不变。当进入小流量区域后，管道压力U增加，当UUi时，变频器输出频率降低，当降低到变频器设置的最低频率时，经过延时，系统进入休眠状态。当通过压力变送器采集回来的供水压力U降低到一定值时（苏醒压力值可通过变频器设置），会自动唤醒系统工作，变频器通过改变电源频率控制水泵机组的转速，直至接近供水压力U的给定值Ui。这样，不但避免了启动大电流的冲击，而且不管系统供水流量大小如何变化，供水的压力U始终维持在给定（压力）值Ui的附近。三.恒压供水系统特点91.控制精度高：变频器的内置PID调节器，实时监视压力实际值，随时调节水泵的投入数量和运行速度，从而自动跟踪用水量，并保持管网压力恒定，通过调节PI参数，控制精度可达0.01Mpa。2.压力设定，操作简便：用户可用键盘或电位器（选择件）设定压力。3.可多台水泵循环软启动：装置可列1—N台水泵进行循环软启动控制，既减少了电机启动时对电网的冲击，又减少了水泵的启动磨损和设备的冲击能耗，延长了设备的电气和机械寿命。4.定时换泵功能：本设备为了保证各台水泵都能均匀地磨合，不发生锈蚀，延长设备的使用寿命，在PLC控制程序上有定时切换水泵工作时间的功能。当1号水泵连续工作时间满8小时后，控制系统将发出换泵工作指令，自动切出1号水泵，将2号水泵投入工作状态；当2号水泵连续工作时间满8小时后，系统将自动切换1号水泵投入工作，依次类推，循环往复地工作。5.睡眠功能，高效节能，自动投入夜间值班小泵功能：在设备进入用水低谷或夜间小流量运行状态时，为进一步节省电能，降低设备运行费用，主控系统将发出指令，自动将主泵切出，投入夜间值班小泵运行。当供水系统的用水量逐渐增大，值班小泵无法满足供水需求时，设备将自动投入主泵运行，将夜间值班小泵及时切出。实现供水系统智能化管理。6.系统多点监视的扩展功能：为了保证设备正常运行，防止蓄水池无水而造成水泵空转，避免造成烧坏设备的事故发生，系统设有蓄水池水位监测功能。当蓄水池水位降低到安全水位以下时，设备自动停止运行并报警，当水位回升到正常高度后，设备自动恢复到正常运行状态。7.手动/自动功能，提高供水系统的可靠性：10当自动控制系统出现故障时，可将系统切换到手动工作方式，使泵投入运行，保证正常连续供水。再对自动控制系统进行检修。8.双压力控制功能该项功能是专为消防/生活共用型供水设备而设计的。设备平时工作在第一供水压力状态下，当接到消防信号指令后，将自动按消防供水压力指令进行供水。当消防信号指令解除后，设备会自动恢复到第一供水压力状态下进行工作。基于上述情况，我们对某生活小区供水系统进行改造，采用西门子PLC作为主控单元。利用风光供水变频器，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的。四.用户现场情况1.现场设备：图3生活/消防双恒压供水系统示意图如图3所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动向水箱注水。水池的高低水位信号也直接送给PLC，作为水位报警。为了保持供水的连续性，水位上、下限传感器高低距离较少。生活用水和消防用水共用二台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，二台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，二台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，二台泵改为生活供水使用。生活/消防双恒压的两个恒压值是变频器直接设定的，生活压力设定为110.35MPa，消防压力设定为0.60MPa。压力低、压力高信号分别由变频器内部主控板14脚、15脚给出。供水运行下限频率、供水运行上限频率由变频器程序设定，运行下限频率设为20Hz,运行上限频率设为50Hz。现场设备参数如下:型号65-315(I)A流量56m3/h扬程110m效率56%转速2900r/min电机功率37KW2.设备选型（1）变频器选用JD-BP32-XF型风光专用供水变频器(2)PLC选型①PLC系统选型系统共有开关量输入点8个，开关量输出点10个，选用西门子主机CPU222（8入6出,继电器型）1台，加上扩展模块EM222（8输出继电器型）1台，即可满足用户供水控制要求。(3)压力传感器在供水系统中，压力传感器既可以采用压力变送器，也可以采用远传压力表。在本例中采用远传压力表，压力表相应接线端子接到变频器主控板3脚、4脚、5脚即可。五.电气控制系统原理图电气控制系统原理图包括主电路图、控制电路图及PLC外围接线图三部分。1.主电路图如图3所示为电控系统主电路。二台电机分别为M1、M2。接触器KM1、KM3，分别控制M1、M2的工频运行；接触器KM2、KM4，分别控制M1、M2的变频运行；FR1、FR2分别为二台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2和QS3分别为变频器和二台泵电机主电路的隔离开关；FU1、FU2为主电路的熔断器；BPQ为风光供水专用变频器。12图4主电路图2.控制电路图如图5所示为电控系统电路。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态，打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1~SB6控制二台泵的起/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。图中的HL8为自动运行状态电源指示灯。13图5电控系统控制电路图3.PLC接线图下图6所示为PLC及扩展模块外围接线图。14图6双恒压供水控制系统及扩展模块的外围接线图六.系统程序设计1.根据图3所示及控制要求，统计控制系统的输入、出信号的名称，代码及地址编号如下表1所示。输入输出点/代码及地址编号表1152.程序中使用的PLC内部器件及功能，如下表2所示：表22.系统PLC控制程序如下：161718七.结论随着变频调速技术的飞速发展，变频调速恒压供水技术在小区已普19遍使用。用变频器来实现恒压供水，供水控制系统提高了小区的供水质量。各项控制指标达到了用户的要求。恒压供水改造效果是明显的，改造是成功的。八.结束语在我工作的十几年中，逐渐掌握了一些先进的理论和技术