變頻恒壓供水PLC控制系統(tǒng)的設計

變頻恒壓供水PLC控制系統(tǒng)的設計摘要：目前，我國的供水方式正朝著高效節(jié)能、自動化的方向發(fā)展，采用現(xiàn)代科學技術和變頻技術，實現(xiàn)恒壓供水自動化系統(tǒng)。基于此，本文就對變頻恒壓供水PLC控制系統(tǒng)的設計進行了一定的分析，希望可以為有關人員提供一定的借鑒。關鍵詞：PLC；恒壓供水；控制系統(tǒng)；設計我國目前的供水設備還處在智能化水平較低、自動化程度較低的狀況。PLC具有較高的可靠性，較好的性價比，價格低廉，適應性廣，便于擴充的優(yōu)點。將PLC技術和變頻技術相結合，并將其用于恒壓供水是當前系統(tǒng)設計的必然趨勢。恒壓供水系統(tǒng)的首要目標是保證管網(wǎng)內(nèi)的水壓不變。由于水泵電動機的轉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)速裝置為水泵電機供電。1變頻恒壓供水詳細情況小區(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)水等技術還處于起步階段。隨著電力電子及計算機控制技術的發(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)在設備投入、運行經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、可靠性、自動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)點吸引了國內(nèi)各大供水企業(yè)的關注，并不斷投入研發(fā)、生產(chǎn)該高科技產(chǎn)品。隨著城市建設、智能樓宇的發(fā)展、供水網(wǎng)絡的調(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)結構簡單、可靠，但是單泵電機的深度調(diào)節(jié)會導致水泵和電機的效率低下，而多泵產(chǎn)品的投資更少，運行效率更高。2PLC變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設計理論2.1PLC變頻供水系統(tǒng)的基本特性在實際使用中，一般使用離心泵，以離心速度驅(qū)動水流，使水進入給水管道。根據(jù)具體的離心式水泵的給水轉動曲線顯示資料，可以得出，在實際的給水工作中，揚程與其流量成反比例。在實際給水中，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，揚程的大小決定了其基本的給水關系。2.2PLC變頻供水系統(tǒng)的能耗分析在供水系統(tǒng)的設計中，必須重視對其進行能量分析，只有通過對其進行能量分析，才能使其在實際應用中得到最大的效益。根據(jù)水泵的轉動頻率和水流的流速來進行能量分析，在實際的給水中，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。如果在實際給水過程中Q1和揚程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)構成壓力傳感器通常設在泵站出口，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，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)器中有一個預先設置好的管道壓力，當測量到壓力傳感器給出的水壓時，它會根據(jù)測量值和實際測量值，對其進行綜合分析，并按照相關的調(diào)整規(guī)則，給出相應的調(diào)整信號。例如，當調(diào)壓器收到測量水壓的時候，與給定的水壓進行對比，結果顯示，測量的水壓小于規(guī)定的水壓，說明系統(tǒng)的水壓沒有達到理想的水壓，而當測量值大于規(guī)定的水壓時，控制器就會發(fā)出一個信號，使水泵的速度下降。此外，所述穩(wěn)壓器的輸出信號典型值是一個在4毫安至20毫安之間的電流信號，或一個0至10伏之間的電壓信號，其大小通常正比于上述的給定值和測量值之間的差值，從而驅(qū)動所述執(zhí)行裝置。調(diào)整器將會發(fā)出一個信號來提高或降低水泵電機的速度。2.4供水系統(tǒng)工作流程第一步，在系統(tǒng)通電，在變頻設備開始工作之后，將水泵電機M1拖動，PLC計算出變頻調(diào)速器的輸出頻率，再由變頻調(diào)速器調(diào)整M1的旋轉速度，水泵電動機M1處于調(diào)速操作狀態(tài)。在測量出的壓力達到一定的范圍后，供水和用水達到了一個平衡，并且轉速達到了一個穩(wěn)定的水平。第二，隨著測量水壓的降低，壓力傳感器的反饋信號會降低，這表明，在這個時候，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，直到泵的轉速達到一個新的穩(wěn)定值，才能滿足供水的需要。而在測量到水壓升高后，變頻裝置會根據(jù)誤差調(diào)整輸出頻率，使水泵電機的速度降低至一個新的穩(wěn)定值。第三，在測量到水壓升高后，變頻調(diào)速裝置會降低輸出頻率，如果在這個時間頻率仍在上限頻率以上，仍無法將實際水壓降到設置壓力以下，則在減少泵的條件下，PLC會關閉發(fā)出指令的工頻工作狀態(tài)的水泵M2，并將水壓降到一個預設值。2.5工作原理設計關閉空氣開關，供水系統(tǒng)開始工作。手動/自動開關打至自動，系統(tǒng)進入全自動運行狀態(tài)。PLC中序首先接通KM6，啟動變頻器。PID調(diào)整是根據(jù)壓力設定值（根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設定）和壓力實際值（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。變頻器根據(jù)給定的頻率信號和預先設定的加速時間，對水泵轉速進行控制，使水壓保持在設定壓力的上下限范圍內(nèi)，實現(xiàn)恒壓控制。同時，變頻器的運行頻率達到上限時，將信號發(fā)送給PLC,PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力的上下限信號以及變頻器的工作頻率是否達到上限信號，由程序判斷是否啟動第二泵（或者第三泵）。當變頻器的工作頻率達到最高頻率并保持一定時間后，PLC就會把當前的變頻調(diào)速泵轉換成工頻運行，然后迅速啟動下一臺水泵變頻運行。此時PID將通過遠端壓力表的檢測信號繼續(xù)分析、計算和判斷，從而進一步控制變頻器的工作頻率，

使管壓保持在壓力設定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。2.6變頻調(diào)速系統(tǒng)設計原則在實際工作中，變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設計應嚴格遵守：第一，在設計水庫的能力時，應確保其容量大于單位小時最大供水能力。第二，在確定水泵的揚程高度時，應確保水泵的最高水位高于每小時的最高水位。第三，在設計抽水總流量時，應確保抽水總量大于其小時最大供水能力。只有嚴格遵循上述原則，才能確保變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時，也能極大地改善用戶的使用體驗。3控制系統(tǒng)設計3.1控制系統(tǒng)組成根據(jù)系統(tǒng)按照技術需求，采用了當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)的結構框圖。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對管網(wǎng)壓力進行實時監(jiān)測，并將其傳輸?shù)絇LC,PLC根據(jù)測量結果與設置值進行對比，進行PID調(diào)整。第一臺水泵采用變頻方式啟動，在水壓不足的情況下，先進入工頻工作，然后啟動第二臺泵進入變頻，如此反復，直至第3個臺水泵啟動；停機時，首先停止工頻水泵，然后停止變頻水泵，這是一種先啟動后停止的原則。變頻調(diào)速器是通過調(diào)整水泵機組的運行臺數(shù)和調(diào)速來實現(xiàn)對管網(wǎng)壓力的控制。3.3控制硬件設計本文對變頻恒壓供水系統(tǒng)中的電壓信號采集模塊的要求進行了研究。PLC控制系統(tǒng)。變頻調(diào)速器的作用是通過控制PLC的輸出信號來調(diào)節(jié)水泵的速度，同時還可以調(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)速方式等都是設計中的重要問題，選用西門子MM440變頻調(diào)速系統(tǒng)。3.7控制軟件設計該系統(tǒng)首先要有一個主要的控制程序，在給出了一個整體的控制方案后，在該系統(tǒng)中還應該設計一個PLC程序來對測量的水壓進行比較，并對給定的水壓和信號進行計算，實現(xiàn)對水壓的調(diào)整和閉環(huán)的控制。在本系統(tǒng)中，要設定自動、手動兩個檔位，并編制合理的水泵操作規(guī)程。3.8畫面組成設計通過對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行綜合處理，將設備的工作狀況和數(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置控制指令，并進行數(shù)據(jù)檢測，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測和對水泵組的操作狀況進行管理。在這種情況下，MCGS會立即模擬工作狀態(tài)對配置進行模式測試，方便技術人員在以后的調(diào)試和測試中使用。在對變頻恒壓供水系統(tǒng)進行一體化設計時，要做到分階段、逐步進行。同時，在進行相關工作的過程中，要盡可能地滿足廣大用戶的用水需要，節(jié)約用水，將設備的運行故障降到最低。4控制系統(tǒng)方案設計和總體設計4.1方案設計該系統(tǒng)采取了一種循環(huán)式的水泵轉換方式：變頻調(diào)速裝置僅與第一個水泵電動機相連，當水泵的容量達不到恒定壓力時，變頻調(diào)速裝置便會自動停止工作，向控制中心PLC發(fā)送信號，通過預先編制好的程序來完成。循環(huán)開關泵的本質(zhì)就是把第一個水泵轉換成一個工作頻率，然后用它來驅(qū)動其它的水泵。這種給水的方法，就是將變頻調(diào)速裝置一直控制著一臺水泵，而其它的水泵則只能在工頻工作，不受其控制，從而達到了設計這種系統(tǒng)的目標，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用，但也有一個缺點，那就是當水泵切換時，水管中的壓力會出現(xiàn)短暫的波動。4.2總體設計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，然后將輸出信號傳輸給變頻器，變頻器會根據(jù)輸出信號的變化來調(diào)整變頻器的輸出頻率[4]。電動機會根據(jù)實際水壓與期望的水壓之差來調(diào)整電機的速度，從而保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定、可靠。4.2.2上位機功能通過PLC與上位機的通信，可以對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并對各個電磁閥的開閉狀態(tài)進行實時的顯示，并對設定的壓力進行調(diào)整。4.2.3短信功能在水壓異常時，可向預先設定的電話通知用戶，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，而不能只針對某一特定的建筑物進行設計，這樣會造成大量的資源浪費，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器的使用壽命，應嚴格遵守操作規(guī)程，盡量避免頻繁起動停機。5控制系統(tǒng)硬件設計5.1科學選擇與設計PLC選擇變頻調(diào)速有其原理。為了使系統(tǒng)的運行性能最大化，變頻調(diào)速必須和給水水泵的功率相適應。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，必須首先設定好初始參數(shù)，然后再設定變頻器的工作參數(shù)。從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，使水泵的容量與負載相適應[5]。為了使系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)響應達到最優(yōu)的速率，還需要對積分項、比例項的參數(shù)進行相應的調(diào)整?？傊?，在選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)時，必須根據(jù)負荷特性來達到工作要求。換言之，在選擇變頻調(diào)速時要根據(jù)負荷的特點來達到工作的需要[6]。西門子可以在此考慮，其參數(shù)的設定如下：P0003=3（專用）;P0010=30；P0970=1，并附加地顯示P0970（復位完成）。需注意的是，基于PLC的恒壓式供水系統(tǒng)本身含有1個模擬量的輸出信號和11個數(shù)字量的輸出信號5.2適宜選擇液位變送器在具體的設計中，采用DS26型分體液位傳感器，可用于深井、水池等液面測量，并可調(diào)節(jié)全范圍和零點，達到設計要求。結束語：結果表明，PLC和變頻調(diào)速裝置在恒壓供水系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，其穩(wěn)定可靠的工作性能遠遠超過了常規(guī)的供水系統(tǒng)，其優(yōu)點是能夠?qū)⒐芫W(wǎng)的壓力維持在一定的范圍內(nèi)，達到節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)約能源的目標。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)生后自動開機，具有較高的推廣價值。參考文獻：[1]田亞娟,郭麗穎.變頻恒壓供水PLC控制系統(tǒng)的設計[J].計算技術與自動化,2010,29(1):25-28.[2]江衛(wèi)平.變頻恒壓供水PLC控制系