恒压供水控制论文（精选12篇）
恒压供水控制论文 篇1
0引言
恒压供水系统具有节能、可靠及无人值守的优点,因此在供水系统中获得了广泛的应用。国内针对恒压供水的研究很多,如文献[1]研究采用PLC与变频器串行通信构成恒压供水系统;文献[2]采用可编程序控制器PLC和交流电机变频调速技术,研制出全自动恒压供水系统;文献[3]基于PLC、变频器和计算机技术,设计将BP神经网络控制策略寓于变频控制之中,实现PID参数的在线调整。
本文设计恒压变频供水系统,采用SIEMENS PLC控制方案,以变频方式及压力闭环实现控制。程序设定目标压力,将A/D采集的反馈压力值与其比较,经数学运算后,通过D/A口输入到变频器模拟控制口,达到闭环调节转速的目的,实现恒压供水控制。
1系统主要功能及原理
1.1 变频恒压供水原理
交流转速调节可表示为:
其中:n为电机额定转速;f1为电源频率;p为电机极对数,s为电机转差率。改变频率f1就可以调节同步转速。
根据流体力学,流量与转速及功率的物理联系为:
其中:Q为管网流量;H为水泵扬程;P为电机实际功率。
1.2 系统实现功能
系统实现功能为:①系统可实现一拖三控制模式;②采用压力传感器检测系统压力信号,其信号制式为4 mA～20 mA,该方式可识别断线状态及零信号状态;③采用投入式液位传感器检测水位状态信息,其信号制式为4 mA～20 mA,该方式可识别断线状态及零信号状态;④系统能实时显示压力、液位,变频频率信息可通过液晶窗口显示;⑤为方便操作,系统按手动、自动及检修方式工作。
1.3 控制框图
系统控制原理如图1所示,阐明了其整体控制结构。
2系统设计
2.1 工艺流程
2.1.1 压力上升工艺
将泵按A-B-C排序,初期首先A泵进入闭环调速模式,当系统压力小于设定值时,控制器控制变频器调速,压力逐渐升高,若频率达到工频时仍未实现预定压力,则需继续投入备用泵,此时PLC控制变频器与A泵断开,经1 s延时,A泵切换为工频运行,B泵切换到变频方式,压力按此规律运行若仍未实现预期压力,则C泵也需投入。
2.1.2 压力下降工艺
按照C-B-A顺序实现压力下降闭环控制。当供水压力大于设定压力值时,C泵变频器频率降低,转速下降,当低至20 Hz时仍高于额定压力,则停止C泵,将B泵切换为变频状态,按此规律继续完成控制。
2.2 系统配置
2.2.1 主电路
A、B、C三相交流电经主开关进入主电路,QF1为变频器电源控制开关,QF2为软启动器电源控制开关,QF3为1号泵工频电源控制开关,QF4为2号泵工频电源控制开关,QF5为3号泵工频电源控制开关。
2.2.2 变频器柜指示灯
变频器柜指示灯编号及其功能见表1。
2.2.3 PLC开关量输入配置
PLC开关量输入配置见表2。
2.2.4 PLC开关量输出配置
PLC开关量输出配置见表3。
2.2.5 PLC模拟量输入输出配置
EM231模拟量模块共有4路输入(选用前3路):RA与A+连接,4 mA～20 mA一号泵电流信号输入到A+与A-;RB与B+连接,4 mA～20 mA二号泵电流信号输入到B+与B-;RC与C+连接,4 mA～20 mA三号泵电流信号输入到C+与C-。EM235模拟量模块共有4路输入(选用前2路),分别采集压力与液位信号,液位与压力变送器均为两线制输出。EM235模拟量模块共有1路输出,选择电流输出,其M0与I0输出连接到变频器COM与AI2端。
2.2.6 电流变送器
HBA-YSAD系列电流变送器是应用电磁感应原理研制而成的一种新型电流变送器,初级与次级之间高度绝缘,用于交流电流的测量。其为四线制工作方式:L、0连接开关电源,M、0输出4 mA～20 mA电流。
2.2.7 压力变送器与液位变送器
PT401型压力变送器具有结构紧凑、坚固、重量轻、便于安装和使用等特点,适用于全天候的恶劣危险环境和各类腐蚀性介质。其与PLC的连接见图2。
PT311型静压式液位变送器选用进口带防腐膜片的敏感组件,将芯体装入一个不锈钢或聚四氟乙烯壳体内,顶部钢帽既能保护传感器膜片,又能使液体顺畅地接触到膜片;该产品测量准确、稳定性好,并具有良好的密封和防腐性能。其与PLC的连接见图3。
3结论
本文设计的恒压变频供水系统代替了传统水塔水箱的高位供水,节能效果显著,实现了无人化工作,自动化程度高。同时避免了传统方式的手工频繁切换,延长了设备的使用寿命。系统设置了报警功能,发生故障时可实现远程报警。
参考文献
[1]姚福强.基于PLC和变频器串行通讯的变频恒压供水系统[J].微计算机信息,2004,20(8):9-11.
[2]贺玲芳.基于PLC控制的全自动变频恒压供水系统[J].西安科技学院学报,2000,20(3):243-245.
[3]许智榜,石晓瑛.智能变频恒压供水系统设计及实现[J].南昌工程学院学报,2006,25(3):61-64.
[4]王廷才,王伟.变频器原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2008.
恒压供水控制论文 篇2
参考文献
[1]何立民：MCS-51系列单片机应用系统设计，北京航空航天大学出版社，1990，
[2]秦进平、官英双：基于单片机的恒压供水系统，黑龙江工程学院学报，，
恒压供水控制论文 篇3
关键词：PLC 恒压供水 控制系统 设计
中图分类号：TU991 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0022-01
传统的自来水公司供水系统，常常要面对不同时段，用水量往往差别很大的情况，随着电力电子技术的发展，恒压供水获得了广泛的应用，本PLC控制系统采用法国schneider-electric公司高端过程自动化控制器系统，上位监控计算机与本系统控制器之间采用以太网方式通信，并与低压柜侧安装的6块电能表之间采用串口方式通讯。控制系统主要控制对象为6台水泵，其中4台功率为220 kW，各采用一台软启动器控制，2台功率为200 kW，采用一台变频器进行切换起停控制。每台泵出口配置一台电动切断阀（开关量控制），供水总管配置有一台压力测量仪表和流量测量仪表（都为4～20 MA信号），为了保证可靠性，水池液位测量配置两个独立的传感器，一为连续液位测量的模拟量信号，一为液位低报警的开关量信号。
1 系统主要组成部分
（1）加压站控制系统采用一套独立的控制系统，包括PLC和上位监控计算机。
（2）控制站采用法国施耐德公司的QUANTUM系列，组态软件选用GE公司的iFix。
（3）就地上位监控计算机通过以太网和控制站CPU交换数据，中心调度室计算机通过以太网和控制站CPU交换数据。
（4）系统具有独立于PLC的就地手动控制功能，一旦PLC 系统出现故障可切换到手动系统控制，保证加压供水生产的正常运行。
2 系统功能与原理
（1）正常情况下，系统以一台变频泵加减一台工频泵的工作方式自动运行，实现恒压供水。同时任何一台泵都可以在备用的条件下，用“手动”按钮选择为手动，退出自动工作状态单独操作，但无论在何种情况下最多只允许一台变频泵加一台工频泵的工作方式，且不允许单独启动工频泵。
（2）启停泵时，都遵循先开泵后开阀，先关阀后关泵的原则，防止水泵启停对设备造成的水锤损害，同时开泵与开阀，关阀与关泵的间隔时间程序设定为15 s。
（3）具有警戒水位自动停泵功能，同时在自动状态运行时。其中1、2、3号泵对应1号清水池，4、5、6号泵对应于2号清水池。警戒水位在管理员界面下可调、可屏蔽（需要屏蔽时将警戒液位设为0 m）。
（4）具有出水总管达到高压力或者低压力时，系统报警功能（延时10 s）。高压力即实际值比设定值大1 kg，低压力即实际值比设定值小1 kg。
系统在自动状态下运行时，首先一台泵变频运行，当加泵条件满足后，启动一台工频泵，当减泵条件满足后，停止该工频泵。其中3、4号变频运行，一用一备，同时只允许其中一台工作，2、5号工频运行，一用一备，同时只允许其中一台工作，1、6号工频运行，作为日后拓展。
（5）自动状态下加减泵条件：在管理员界面下可设置给定压力，压差值ΔP，延时时间（程序中设定为延迟30 s）。当变频器频率达到频率上限，而实际压力<给定压力-ΔP，延时一段时间后上述情形仍存在，则满足加泵条件。当变频器频率达到频率下限，而实际压力>给定压力+ΔP，延时一段时间后上述情形仍存在，则满足减泵条件。在自动状态下，启动某一台泵的前提条件是该泵对应的阀门处于远程自动状态。否则不能控制。
（6）停泵时，若对应阀门的“关到位”信号不能及时收到，延时一定时间后强制关泵。先前的故障信号消除后，自动转为备用状态。定时时间到自动切换功能。当3号4号泵都在自动状态下，开始计时，当计时时间到后，优先的泵切换为备用，备用的泵切换为优先。系统默认自动切换时间为48 h。
3 供水系统中恒压实现方式
对于供水系统进行控制，主要是为了满足用户对于水压的需求。因此，供水系统基本的控制对象是压力。压力的大小又由扬程来控制，而扬程却不能具体的测量及控制。考虑在动态的情况下，扬程大小能够由供水水泵转速的大小反映出来，而扬程同供水能力（由流量GQ表示）以及用水需求（由用水流量UQ表示）的平衡情况相关。
如果供水能力GQ>用水需求UQ，则压力P升高，此时需要降低转速；如果供水能力GQ<用水需求UQ，则压力P降低，此时需要提高转速；如果供水能力GQ=用水需求UQ，则压力P保持不变，水泵转速不变。
由上述可得流体压力P的变化反映出供水能力同用水需求UQ间的矛盾。因此，选择转速控制来对管道压力的大小进行调节。这说明，通过恒压供水就能够确保供水能力以及用水流量间的平衡，能够很好地满足用户对于用水流量的需要。
当用户需求出现变化时，为了适应压力的变化，就要在压力恒定的前提下对供水系统进行调节。常见的调节方法有阀门控制法及转速控制法两种。
（1）阀门控制法。
保持转速恒定，通过对阀门的开度大小进行调节来控制流量。其本质是水泵自身的供水能力保持不变，而通过控制水路当中的阻力大小对流量大小进行强制改变，以满足用户对于流量的需求。此时的管阻特性随着随阀门开度的变化而变化，但扬程特性保持不变。
（2）转速控制法。
阀门开度恒定，通过调节水泵的转速对流量进行调节。其本质是通过改变水泵的供水能力来满足用户对于流量的需求。当水泵的转速变化时，扬程特性将随之出现改变，而管阻特性保持不变。
4 变频恒压供水系统的控制方案
变频恒压供水系统的控制方案包括1台变频器控制1台水泵的简单控制方案，也有1台变频器控制几台水泵的方案，我们下面简单介绍单台变频器控制单台水泵：
单台变频器控制单台水泵的控制方案在国内一般指一台变频器控制一台水泵。因为全部变频系统当中，变频器、控制器、电机都没有备份设备，无法在出现问题时进行切换，所以现今多应用于用水量小，且对供水可靠性的要求不高的场合。
5 结语
恒压供水自动控制系统的研究 篇4
自从通用变频器问世以来,变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点,使我国供水行业的技术装备水平经历了一次飞跃。恒压供水调速系统可实现水泵电机无级调速,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求,是当今最先进合理的节能型供水系统。
1 控制系统的组成及工作原理
供水系统由主供水回路、储水池、水泵组成,采用PLC实现对控制系统的调节。本控制系统是一个2台泵运行的恒压供水系统。考虑到实际应用中的性价比,这2台泵既可作变频泵,又可作定速泵。可编程控制器选择S7-200系列PLC,变频器选择LG-iG5系列,实现电动机的调速运行。
控制系统主要由PLC、变频器、继电器、压力传感器、EM235模拟量输入输出模块等组成,其系统原理图见图1。
系统自动状态工作时,PLC首先利用变频器软启动一台加压泵,此时安装在管道上的传感器将实测的管道压力反馈给变频器,与预先通过变频器面板设定的给定压力进行比较,通过变频器内部的PID运算,调节变频器输出频率。在用水量较大时,变频器输出频率接近工频而管网压力仍达不到压力设定值时,PLC将当前工作的变频泵由变频切换到工频下工作,并关断变频器,再将变频器切换到另一台泵,由变频器软启动该泵,实现一台工频一台变频双泵供水。随着用水量的减小,变频器输出频率下降,当降至频率下限而压力仍能达到压力设定值时,PLC将工频工作泵切除,只由剩下的单泵变频供水。系统无论单泵变频工作,还是双泵一台工频一台变频工作,始终控制管网压力与给定压力值保持一致,实现恒压变量供水。
2 系统的结构设计
系统控制的主电路如图2所示,其中P1、P2为2台水泵,每台泵既可控制为变频运行,又可控制为定速运行,这种转换可通过KM1、KM2、KM3、KM4的通断来实现。P1、P2这2台泵均由0.75 kW的电机拖动。变频器选用LG公司生产的iG5系列变频器,PLC选用西门子S7-200系列可编程序控制器,交流接触器选用德力西集团有限公司生产的CJXZ-1810交流接触器,压力传感器选用航天科技集团公司生产的AK-4型压力传感器,具有过压、欠压、过载、CPU异常及输出短路等多种保护功能。
2.1 变频器的控制
本系统中选用LG-iG5系列变频器作为系统的变频调速装置。LG-iG5系列变频器适用于0.37 kW～4.0 kW以内的三相电动机的交流调速,它控制灵活,结构紧凑,易于安装。该变频器基本配置带有PID功能,通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值,压力传感器反馈来的压力信号接至变频器的辅助输入端,作为压力反馈,变频器根据压力给定和实测压力调节输出频率,改变水泵转速,控制管网压力保持在给定压力值上。图3为变频器的基本配线图。变频器的极限输出频率通过面板可以设定;变频器面板上有故障复位按键,轻故障用复位按键复位,可重新启动变频器;FX短接,并连接到PLC的输出点上,由PLC控制变频器的运行与关断;输出端并联2个接触器分别接P1、P2泵电机,变频器可分别驱动2台泵,泵电机还通过另外2个接触器并联到工频电源上,这4个接触器线包连接到PLC的4个输出点上,由PLC控制其工频、变频切换工作。
2.2 PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容,它根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:①理论计算整定法:它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数,这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改;②工程整定方法:它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。3种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
2.3 PLC程序编辑
S7-200 CPU的控制程序由主程序、子程序、中断程序组成。为了能使系统稳定、高效、安全、节能地运行,由主程序完成电机在变频、工频下交替工作,因此,在软件设计中要对PLC的输出点KM1与KM2、KM1与KM3、KM2与KM4进行互锁,即KM1与KM2不能同时有输出信号,KM1与KM3、KM2与KM4也是一样,否则,就会发生变频器同时拖动2台泵,或者工频电源直接串入变频器输出端U、V、W而损坏变频器等严重事故。开启电机前,须先接通接触器,启动变频器;断开电机前,须先停止变频器,待变频器电流减为0时,才允许断开接触器。这样使系统运行更安全可靠。
本系统只占用8个输入口,5个输出口。电机的逻辑控制放在主程序,系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成,利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。系统中只用比例(P)和积分(I)控制,其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定,但需要进一步调试以确定最优控制参数。
3 结论
在供水系统中采用变频调速运行方式,系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵,使供水系统管道中的压力保持在给定值,以求最大限度地节能、节水、节地、节资,并使系统处于可靠运行状态,实现恒压供水;减泵时采用“先启先停”的切换方式,相对于“先启后停”方式,更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命;采用压力闭环控制,系统用水量任何变化均能使供水管道的服务压力保持给定,大大提高了供水品质;变频器故障后仍能保障不间断供水,同时实现故障消除后自启动,具有一定的先进性。
摘要：介绍了一种基于PLC控制的变频恒压供水系统,整个供水系统的运行采用闭环变频恒压供水控制。该系统具有简单实用、成本低廉、可靠性好、便于维护等特点,可用于工业运行。
恒压供水控制论文 篇5
论 文
目 录
一、绪论............................................2
二、变频器应用于恒压供水控制的目的..................2
三、供水系统组成....................................3 3.1、系统原理图..................................3 3.2、系统原理描述................................4
四、变频恒压供水电气原理............................4 4.1、主电路电气原理图............................5 4.2、控制电路电气原理图..........................6 4.3、手动工频控制方式............................6 4.4、自动变频控制方式............................7
五、总结............................................7
六、参考文献书目....................................9
一、绪论
基于PLC控制的变频调速恒压控制是一项综合现代电气技术和计算机控制的先进技术，广泛应用于水泵节能和恒压供水领域。利用PLC控制的变频调速技术用于水泵控制系统，它利用PLC、传感器、电气控制设备、变频器以及水泵组成闭环控制系统。使供水管网压力保持恒定。具有自动化程度高、调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。在大力提倡节约能源的今天，推广使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技节能装置，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。可以说变频调速技术是一项利国利民、有广泛应用前景的高新技术。它取代了传统的水塔或水泵直接加压供水方式，提高了供水质量。节能效果明显。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术。由于电子技术的飞速发展，PLC、变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停以及内置的的PID优化算法。不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，省去了对可编程控制器存储容量的要求和对PID算法的编程。降低了设备成本，提高了生产效率，可节省安装调试时间确保系统安全、稳定、长周期运行。
二、变频器应用于恒压供水控制的目的
为了提高大范围变负荷恒压供水的控制精度和可靠性。基于PLC控制的变频器恒压供水系统：通过供水管道上的远传压力表，输出0-10V模拟量信号送入变频器，来自动调节变频器的输出频率，从而改变水泵的转速，采用多台水泵分级控制，轮流变频启动的策略，保持供水管网的压力恒定。代替传统供水方式，达到供水稳定，节能降 耗的目的。
三、供水系统组成 3.1系统原理图
3.2系统原理描述
该系统由三台水泵、一台变频器、一台小型PLC、一块远传压力 表（压力传感器）一块浮球液位检测器组成。压力传感器把用户管网压力转换为0-10V标准信号送进变频器模拟量输入端，变频器通过内部自带的采样程序及PID闭环程序与用户设定压力构成闭环，对水泵电机进行变频调速，当变频器上升至工频运转时，变频器运算后转换 为数字量输出信号送给PLC，由PLC进行协调控制调节各台水泵电 机之间的切换运转，达到恒压供水的目的。
该系统有各个泵的运行时间循环功能，通过PLC的数据区保 持可以断电记忆。在单个泵长时间运行时依次对各个泵进行定时变频运转调换，保证各个泵之间的磨损平衡。每次起动时先起动1#泵，变频器根据压力的升高逐渐抬高频率输出。当用水量超过一台泵的供 水能力时，PLC通过程序实现泵的延时上行切换，切换至2#泵进行变频输出，1#泵进行工频输出。随着压力的提高依次切换至3#泵变频输出，2#和1#泵工频输出，依次循环。当压力降低时时，PLC通过程序实现泵的延时下行切换，原则为当前正在运行的泵运行时间最多的先撤出。直到满足设定压力为止。追求的最终目标为压力恒定。当供水负载变化时，变频器的输出电压与频率变化自动调节泵的 电机转速，实现恒压供水。在运行过程中，始终有液位检测传感器进行液位检测，若检测到液位不足，立即停止系统运转，防止水泵空转。
系统还可通过PLC的内部定时器进行自动定时供水，用户在PLC程序中提前设定每天最多段（段数也可设定）定时供水，比如早上6 ：00到9：00，中午11：00到2：00等。系统也可外加显示设备，动态显示各种参数，如设定压力，运行压力，水位高度，运行方式，各个泵的运行时间累计，运行状态，故障信息等等。
四、变频恒压供水电气原理
4.1、主电路电气原理图
4.2、控制电路电气原理图
4.3、手动工频控制方式
当转换开关打到手动位置时，此时为工频运行，按下1#水泵手动启动按钮，控制器通过编写的PLC程序让接触器1KM1闭合，其余的接触器断开，1#水泵电机将工频运行，按下停止按钮，水泵电机将停止运行。需要2#、3#水泵运行，依次按下2#、3#时，相对应的 6 水泵电机将工频运行。该控制方式一般用于当变频器出现问题时使用。
4.4、自动变频控制方式
当转换开关打到自动位置时，此时将投入自动变频控制方式，控制器通过编写的PLC程序使接触器KM和1KM闭合，其余的接触器断开。变频器根据远传压力表的反馈信号，自动调节输出频率，从而改变水泵的转速，达到恒压供水的目的，当压力增大时，将减小输出频率，使电机转速降低，减小供水量，当压力减小时，将增大输出频率，使电机转速增高，增大供水量。当远传压力表传来的模拟压力信号持续增高时，随着变频器输出频率的不断提高，当增加到工频状态下时，变频器多功能输出端子MO1将输出一个到达设定频率信号给中间继电器KA2的线圈，使接着PLC输入端子的KA2的常开触点闭合。PLC接收信号后，根据编好的程序，使变频器脱开第一个泵，对下一个泵进行变频控制。若压力持续增大则依次循环。反之则亦是由变频器测定频率降至0时，通过多功能输出端MO1将输出一个到达设定频率信号给中间继电器KA3的线圈，使接着PLC输入端子的KA3的常开触点闭合。PLC接收信号后，根据编好的程序，控制依次减少泵的工频使用数量，以满足系统压力需求。
注：水泵不论是手动控制还是自动控制，当水池无水时，液位下限开关将动作，PLC接收动作信号后，按程序执行将使电机停止运行，不至于空转。
五、总结
随着科学的发展，当今的变频器多是采用全新的空间矢量技术和 7 特有的软件死区补偿技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能通用变频器。它具有优良的速度控制和转矩控制特性,完整的保护功能以及灵活的编程能力和较高的可靠性
一般都内置PID调节器，PID调节控制对象的传感器等检测控制量（反馈量）由模拟输入通道给定，目标值（温度、压力、流量等）由数字量设定最大值（0—9999）给定。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使目标量的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证反馈信号值的准确、不失真，可对该信号设置滤波系数，使系统的调试非常简单、方便。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对PID算法的编程，PLC仅采用一个开关量输入/输出的即可，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。所以采用带有内置PID功能的变频器应用于恒压供水，降低了设备成本，提高了生产效率，可节省安装调试时间。
随着我国供水行业的发展，生产规模的不断扩大，人们生活水平的日益提高，高层楼宇的兴建越来越多，楼宇恒压供水工程具有很大的发展空间。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同行交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个论文写作过程中也提高了我的专业工作能力，树立了对自己工作能力的信心，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
六、参考文献书目
《SA系列变频器操作手册》
上海复旦国家大学科技园 《MASTER-K120S系列PLC使用手册》 赵明 许缪 主编 《电气控制与PLC》 李振安 主编 《实用电气工程师手册》
许立莘
PLC变频调速恒压供水系统 篇6
社会经济的发展以及人民生活水平的提高，人们对供水的质量与供水系统的稳定性也有了更高的要求，设计与选用高性能且适应广的恒压供水系统成了当今的发展趋势。利用 PLC，运用不同功能的传感器和网管的压力，变频器进而对水泵的速度进行调节，达到水管中的压力保持在一定的范围。
一、控制电机变频调速系统的构成
PLC、变频器、电机及电机测速系统共同构成了PLC 控制电机变频调速系统。
二、PLC 变频调速恒压供水系统
供水泵组由PLC 与变频调速技术控制。变频调速系统的一个特殊应用即恒压供水系统。它具有效率高、控制效果好的优点。
1、PLC 变频调速恒压供水系统的工作原理
恒压供水系统工作原理图
压力检测转换装置、控制系统和水泵共同构成了这个供水系统。管网的实际压力与给定压力进行比对，管网压力不足时，水泵转速在变频器增大输出频率的情况下，就会加快，管网压力在供水量的压力下就会上升。同样，供水量减小致使水泵转速减慢，管网压力相对下降，供水就会保持在恒定状态。变频器的输出频率通过压力检测转换装置对管道压力进行检测，检测到的信号会转换成0-5伏或4-20毫安的电信号，调节器通过运算并与设定值进行比较后，进行控制变频器。通过水泵的转速来调节管道的水压在系统的控制下达到恒定。同時，变频器具有软启动的功能，对电机有一定的保护功能。平滑无扰动切换和控制的实现，是因为变频器输出频率受到了检测。
2、PLC 变频调速恒压供水系统的硬件构成
中心控制装置由压力传感器、PLC 和变频器组成，所有功能均能实现。管网干线上的压力传感器对管网的水压进行检测，同时把压力转化为4-20毫安的电流信号，发送至PLC 与变频器。水泵电机的控制设备就是变频器，它能将0-5赫兹的频率信号，根据水压恒定的需要，传送给水泵电机，对它的转速进行调整。泵站供水的实际情况与需求，应该有三台水泵并用一台变频器，不仅要改变水泵电机的转速，而且水压的恒定也需要增减运行泵的台数进行维持，因为运行泵不能达到恒压的要求时，下一台水泵就要投入运行。压力在变频器输出频率降至最小后依然过高，就要停止一台运行泵，这就要求不仅对开关量进行控制，还要对数据进行处理。PLC 自动采样，将模拟量转换为数字量，放在数据寄存器中，通过数据处理指令调用，数据接触器随时接受指定的数据。压力传感器电流信号和变频器输出频率信号，都可以通过它被转换成数字量，提供给PLC，同时与恒压对应电流值、频率上限、频率下限进行比对，从而泵的切换与转换的变化可以实现。水泵在变频器和工频电网之间的切换过程在系统进行设计时就应该提高其速度，从而保证水能连续供应，尽可能减小水压的波动，使供水的质量提高。同时，硬件上必须设置闭锁保护防止故障的发生。
三、变频恒压供水系统控制流程
接收到有效的自控系统启动信号，系统通电启动变频器，变频泵M1开始工作，变频器的输出频率通过由压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差，进行调节，进而控制Ml的转速，供水量与用水量相平衡时，转速就会稳定在这个定值状态。
压力变送器在用水量增加水压减小时，就会反馈水压减小信号，进而PLC的输出信号因偏差变大而变大，继而变频器的输出频率变大，水泵的转速与供水量就会增大，这时水泵的转速就会达到一个新的稳定值。同样道理，水泵的转速在用水量减少水压增加时，压力闭环又会出现一个新的稳定值。
用户管网的实际压力，在用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，系统在变频循环式的控制方式下，将在PLC的控制下自动投入水泵M2，同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。
系统在用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，工频泵M2将被关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。如上转换在用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将会继续发生，将另一台工频泵M3关掉。
四、水泵切换条件分析
50赫兹成为频率调节的上限频率，是因为电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制。同时，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0赫兹。然而，变频器的输出频率在实际应用中，是不会降到0赫兹的。当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩。在一定程度上，水压会阻止源水池中的水进入管网，所以，水泵在电机运行频率下降到一个值时，就不会抽出水。同时，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。水泵在电机运行频率下降到抽不出水时的值，就是电机运行的下限频率，一般在20赫兹左右。选择50赫兹和20赫兹作为水泵机组切换的上下限频率，就是这个原因。
供水压力在输出频率达到上限频率时，在设定压力上下波动。当设定压力大于反馈压力时，机组就会进行切换。供水压力在增加了一台机组运行时，就会快速超过设定压力。特殊情况下，实际供水压力在运行组增加后，就会超过设定供水压力，这时在变频器的下限频率运行的新增加机组，达到了机组切换的停机条件，工频状态下运行的机组有一个会停掉。这种情况会导致系统经常处于不稳定状态，增大了机组的切换频率。相应的判别条件在实际应用中是通过对上面两个判别条件的修改得到的，增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。
五、系统软件设计分析
工作泵组数量管理分析。启动第二台水泵是为了恒定水压。一台水泵水压降落，变频器的输出频率升高，不能满足恒压时，就会启动第二台水泵。变频器的输出频率达到设定的上限值是启动下一台水泵的前提。
泵组管理规范。只有制定了管理规范，才能实现各台水泵必须交替使用以及软启动电动机。一台泵连续变频运行不得超过3小时，就应进行切换变频泵。现行运行的变频器从变频器上切除，同时接上工频电源运行，变频器复位并用于新运行泵的启动，并实行泵的工作循环控制。
变频调速恒压供水系统不仅具有节能和安全的特点，而且能够提供高质量的水。同时，运用PLC 作为控制器，降低了成本，实现了水泵电机无级调速，系统的运行参数能够依据用水量的变化进行自动调节，进而通过保持水压的恒定，在用水量发生变化时满足供水的需求。
变频恒压供水控制系统应用分析 篇7
1 管网设定水压的计算
给水压力的计算，供水系统的用水规模即是用户的用水量，决定了用户正常用水的给定压力。
式中：Q一管网的实际流量 (m3/h) ;
上述计算方法只能是粗略计算，给水压力的设定在计算的基础上进行工程调试，根据实际调试值得到设定值。
2 水泵变频调速节能原理
在供水系统中，以转速控制法达到控制流量的目的。
异步电机的转速为：
从上式可知，当极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。
变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器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。
3 变频恒压供水系统的构成
由于本文的供水系统要适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水，我们用3台7.5kw水泵(三台主泵)组成供水系统，其原理框图如图1所示：
从上面的原理框图，我们可以看出变频恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。
泵的工作方式：
1)变频循环式：变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。
2)变频固定式：变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。
4 变频恒压供水系统的控制流程
整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的控制流程、通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水目的。其需要完成的控制流程如图2所示：
变频恒压供水系统的核心是恒压控制，它是根据水压给定值与供水管道中实际压力值的压差大小，控制变频器输出频率，使变频器实时调节水泵电机的转速以适应管路中压力的变化。
5 PID控制策略
通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。
5.1 位置式PID控制算法
位置式算法公式：
位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e (k)进行累加，运算量大;而且控制器的输出u (k) 对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u (k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。
5.2 增量式PID控制算法
增量式PID控制算法公式：
式中：
PID参数的整定原则一般计算机控制系统的采样周期T在选定后就不再改变，所以，一旦确定了Kp、Ti、Td，只要使用前后3次测量的偏差值即可由式(5)或(6)求出控制增量。
6 结语
本文研究设计的系统可以用于居民小区、企业、医院、机场等场所的生活用水控制，也可以用于各类型的自来水厂、增压泵站，供热和空调循环用水系统、工业锅炉补水系统，化工、制冷空调和其他工业及民用领域。由于它的功能全面、操作方便、又有形象美观的人机界面、方便可靠的数据通讯接口、高精度的恒压控制以及良好的节能效果，所以取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献
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[2]李信、李铁龙.PLC模糊控制恒压供水系统的应用.炼油与化工, 2004.
恒压供水变频调速控制系统设计 篇8
1 方案设计
供水系统的控制方案主要有3种,即恒速泵供水、高位储水供水和气压罐供水[4,5,6],其中,恒速泵供水是利用速度不变的水泵实时提供输水动力,当达到用水需求时,需要关闭水泵,当再次用水时,需要再次开启水泵,频繁开启、关闭水泵,耗电量较大,影响局部电压稳定,故此种供水系统应用较少。高位储水则是扩大或延长水泵的工作时间,利用恒速水泵不断向储水池供水,利用储水池实现用水备存,同时,减小水泵的开启、关闭频率,然而,高位储水泵需要建设较大的高位储水装置,占用空间大,造价成本高,在实际工程中应用较少。气压罐供水与高位储水供水的控制原理相同,区别在于,水泵的动力通过气压泵储存在气罐中。
本文设计的供水系统拟采用变频控制原理,同时利用水压传感器测试供水管路的压力信号,利用PID进行水压与电动机频率之间的信号变化,利用可编程控制器实时调整电动机的作业频率。通过改变电动机作业频率,实现水泵转速随水压变化而调节,达到节约电能、电动机连续作业、动力与供水动态调整的目的。
2 恒压供水变频调速控制系统的构成
2.1 系统构成
基于变频器进行恒压供水的控制系统构成如图1所示,供水的动力元件主要包括水泵1、水泵2和水泵3,其中,水泵3起到辅助供水作用;水泵的作业调节元件为变频器,供水系统的信号采集及调控元件为PID控制器,供水系统的逻辑换算元件为可编程控制器,此外,在本系统设计中,用上位机作为监控器,用远传压力表作为供水系统末端的压力采集元件。
2.2 系统工作原理
压力传感器分布在供水系统末端的管网中,当供水系统水源不足时,管网中的压力随之减小,压力传感器检测到的电压信号减弱,并将电压信号传递到PID控制中,控制器将接收到的电信号传递到可编程控制器,经过逻辑运算后得到反馈信号,将反馈的电信号传递给水泵的变频器,通过变频器调节水泵的转速,改善供水系统的动力状态,使供水系统处于供水工况,随着供水启动,供水系统压力逐渐升高,升高的压力信号实时被压力传感器采集,整套供水系统处于动态平衡调节中。
3 恒压供水变频调速控制系统的设计
3.1 变频调速选型
变频器是一种电压频率变换器,即将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电,以供给电动机运转的电源装置。它在变频调速恒压供水系统中起着非常重要作用,是水泵电机调速的执行者。
变频调速原理如公式1所示,当电机的转差率和磁极对数固定时,通过改变电源频率,实现电机转速的调整。
其中,n表示电机转速;f表示电源频率;s表示电机转差率;p表示电机磁极对数。
变频器的选用,需要综合考虑输入侧额定值、输出侧额定值、额定输出容量等。变频器容量的选择,一般根据负载性质及大小。变频器的控制方式主要有恒转矩负载、恒功率负载、二次方律负载3种。本系统设计中,综合考虑异步电动机的额定电流及变频器容量,选择西门子Micro Master430型变频器,co-trust S7-200系列中的CPU224,其输入频率为47Hz~63Hz,输出频率未0Hz~650Hz,功率因数为0.98,变频器效率为96%~98%,防护等级为IP20。
3.2 可编程控制器选型
可编程控制器(PLC)是恒压供水变频调速控制系统的核心部件,PLC容量是指I/O点数的数量,点数太多容易提高部件成本,点数太少导致余量不足,通常综合考虑被控对象的输入信号和输出信号的总点数,余量按照10%~15%的空间预留。本系统设计中,1路压力模拟量输入,1路电压模拟量输出,故选用TD200系列西门子变频器。
3.3 压力传感器
本系统设计中,供水系统的压力信号采集需通过压力传感器,故选择了YTZ-150型电位器式远传压力表,该电阻远传压力表适用于测量对铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。电阻远传压力表,可把被测值以电量值传至远离测量点的二次仪表上,以实现集中检测和远距离控制。此外,本仪表能就地指示压力,以便于现场工艺检查。起止电阻值为3Ω~20Ω,满度电阻值为340Ω~400Ω,工作电压≤6V。
3.4 电路图设计
根据恒压供水的使用要求和变频器、可编程控制器的工作原理,设计本系统的电路图,如图2所示。图中,M1,M2,M3为3台水泵电机,KM为相应电机的接触器,FR为相应电机的热继电保护器,QF为空气开关。从图2中可以清晰看到,3台电机的控制原理相同,均由接触器和热继电保护器控制,实现小电流控制大电流,提高电机的使用安全性。变频器改变三台电机的供电频率,实现电机转速的自动调节,通过电动机转速的无极调节,实现供水系统水压的动态稳定,达到恒压供水目的。在此电路图中,当供电系统无需调速控制时,可直接对3台电机进行调节。
4 结论
本文对恒压供水系统进行了关键部件选型和控制系统电路原理图设计,恒压供水变频调速系统的核心部件是变频器和远传压力表,恒压供水系统中变频器选用西门子Micro Master430型,远传压力表为YTZ-150型,电路原理图设计实现了1个变频器控制3台水泵,通过远传压力表和变频器实现了恒压供水。该控制系统结构简单,成本较低,安全性能较好,比较适应当前供水系统的电气化改造现状。
参考文献
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恒压供水单片机控制系统的设计 篇9
随着经济社会的不断发展, 水与工业生产的的关系日渐紧密, 生产对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。融合最新的自动化控制技术、通讯及网络技术的恒压自动供水方案, 成为人们关注的热点。
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, 用户在单片机端用键盘设置PID参数和目标压力, 通过485总线传送至变频器, 变频器接收指令后使用自身PID功能通过调节水泵工作频率稳定水泵的出口压力。采用该系统进行供水可以提高供水系统的可靠性和稳定性, 方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时该系统还具有良好的节能性, 这在电能日益紧缺的今天显的更具有现实意义。
2 变频恒压供水的近似数学模型
由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象, 我们难以得出它的精确数学模型, 只能进行近似等效。
系统中其他控制和检测环节的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比, 可忽略不计, 均可等效为比例环节。因此, 恒压供水系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一阶惯性环节, 即可以写成:
式中:K为系统的总增益, T为系统的惯性环节时间常数, s为系统纯滞后时间。
3 变频恒压供水系统的构成
本文介绍的供水系统适用于工业用水以及消防等多种场合。三台水泵组成的供水系统的结构如图3.1所示。它主要是由单片机 (At89C51) 、变频器、压力变送器、配电装置以及水泵等组成。用户通过控制面板上的键盘和显示屏了解和控制系统的运行状态。
3.1 系统的硬件组成及其功能
根据前面章节介绍, 系统硬件主要由以下几部分组成:①单片机 (At89C51) 及外围器件;②电机控制主电路与控制电路;③变频器、水泵机组的选择;④压力反馈的实现。
3.1.1 单片机及外围器件的分析选择
单片机作为整个恒压供水系统的远程控制端, 要完成键盘信号的扫描, LED数码管的显示, 开关量的扫描输入和控制输出, 通信报文的发送接收。鉴于实际应用, 单片机选用A T M E L公司的AT89C51, 该单片机内部有4K字节的Flash程序存储器, 地址为0000H-0FFFH, 可以满足需要而不用外扩程序存储器, 键盘上设5个按钮, 分别是:启动/停止键, 设定键, 确定键, 增加键, 减小键, 分别连至P2.0, P2.1, P2.2, P2.3, P2.4, 当按键按下时相应的单片机引脚为低电平, 松开后恢复为高电平。
显示部分采用4个LED共阴极8段数码管, 显示接口采用动态扫描驱动方式;如图3.2所示。
为了提高单片机系统的抗干扰性和可靠性, 加入了硬件看门狗MAX1232, 它可以实现电源监控、按钮复位输入、监控定时器等主要功能。线路上使用双绞线传输信号, 增强了485线路的抗电磁干扰能力, 另外增加光电耦合器TLP521隔离。
3.1.2 变频器和水泵机组
变频器和水泵机组作为系统的执行机构, 完成系统对外的供水量输送。变频器选用西门子公司的MM420变频器, 本设计中使用变频器内部集成PI控制功能来实现闭环控制;变频器具有丰富的通信模块, 性能稳定可靠, 本系统使用其RS485通讯功能, 单片机通过485通讯将压力设定值和PI参数传送给变频器;变频器兼具故障报警和完善的保护措施。在选泵时, 应注意泵的扬程宜大些, 因为变频调速最大压力受水泵的限制。
3.1.3 压力反馈的实现
压力变送器选用SP-1M1F智能型, 二线制24VDC供电, 可以将工况压力线性转换成4-20m A的电流。变频器MM420的8、9端子提供24V输出, 将8端子接变送器的1+, 9端子接变送器的3-, 在回路中图3.2 LED连线图串入250欧姆的电阻, 将4-20m A电流转换成1-5V直流电压, 以反馈的形式输入到MM420 (3、4端子) , 将4端子与9端子连接。
3.2 系统的软件设计
程序采用结构化设计方法, 分为与变频器间的实时通信, 变频器运行状态显示, 检测键盘命令, 水泵切换控制等控制模块。
3.2.1 通信程序设计
(1) MM420通信协议。通用的串行接口协议 (USS) 按照串行总线的主-从通讯原理来确定访问的方法。总线上可以连接一个主站和最多31个从站。主站根据通讯报文中的地址字符来选择要传输数据的从站。在主站没有要求它进行通讯时, 从站本身不能首先发送数据, 各个从站之间也不能直接进行信息的传输。
每条报文都是以字符STX (=02hex) 开始, 接着是长度的说明 (LGE) 和地址字节 (ADR) 。然后是采用的数据字符。报文以数据块的检验符 (BCC) 结束;如图3.3所示。
(2) 通信协议的C51实现。在程序中定义了两个数组uchar data Tdata[16], uchar data Rdata[16]分别作为发送缓冲区和接收缓冲区, 实现发送报文的组装和接收报文的拆分, 是单片机实现远程控制的基础。
调用bcc_th () 子程序计算出BCC校验码, 附加在报文的末尾, 然后调用发送子程序void Thdata () 将报文发送出去。
报文发送出去后变频器端校验正确会立即返回应答报文。所以单片机发送完后, 短暂延时, 将485芯片置于接收状态, 等待应答数据的到来。
接收完16个字节长的报文后, 调用bcc_rec () 计算出BCC校验码与Rdata[15]作比较, 如果相同就说明接收到的数据正确。
变频器返回报文的PZD区包含运行状态信息, 在程序中通过读取PZD, 就可以获得当前变频器的实时运行状态。
第2个PZD字则显示当前变频器的运行频率, 例如变频器运行频率是50HZ是返回的PZD第二个字为4000, 40HZ时返回3333, 两者存在线性关系。
3.2.2 检测键盘命令
由于键盘直接连接至单片机的P2口, 故不断读取P2口的信号状态就可以检测到有无按键按下。代码为ACC=P2&0x03;/*读P2口到ACC屏蔽高6位, 检测有没有启停、设置键按下。
3.2.3 水泵切换控制
水泵的切换主要是由继电器和接触器实现的, 单片机首先输出位信号, 控制继电器线圈的通断电, 而继电器触点的开合又可以控制接触器线圈的通断电, 进而可以控制水泵电机的工频、变频电源的接入和断开。
单台泵连续运行三小时, 启动另一台泵替换, 可以避免单台泵长时间工作提高了系统的稳定性和可靠性, 此项功能是通过日历芯片来实现。
4 电磁兼容性分析
由于系统由变频器、压力变送器、单片机等多种电气设备组成, 所以在现场的运行过程中, 我们还需要考虑系统的电磁兼容性。
4.1 变频器的干扰分析
目前通用电压源型变频器的输出电压波形为矩形波, 而不是正弦波, 因此它的输出电压、电流中含有丰富的高次谐波。高次谐波电流对负载产生直接干扰;此外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射, 干扰邻近电气设备。
4.2 将系统的EMC降到最小的措施
①电气控制柜内的所有设备都良好接地, 在接地时要使用短和粗的接地线, 并且连接到公共接地点或接地母排上。
②为有效的抑制电磁波的辐射和传导, 电动机与变频器的连接电缆须采用变频专用屏蔽电缆。
③485通讯线缆使用屏蔽性双绞线, 屏幕层在控制柜侧接地。
④由于压力反馈信号中存在较强的杂波干扰和尖峰脉冲干扰, 为此启用变频器内部的PID反馈滤波功能。
⑤单片机系统合理布线, 外加MAX1232看门狗, 监控程序的执行, 在485端口跨接120欧姆的反射电阻, 抑制信号的反射。
5 结语
该系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和加减泵, 使供水系统管网中的压力保持在给定值, 以求最大限度的节能、节水、节地、节资, 并使系统处于可靠运行的状态, 实现恒压供水;减泵时采用“先启先停”的切换方式, 相对于“先启后停”方式, 更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命;压力闭环控制, 系统用水量任何变化均能使供水管网的服务压力保持给定, 大大提高了供水品质, 在实际应用中取得了较好的效果。
摘要：随着经济社会的不断发展, 水与工业生产的的关系日渐紧密, 生产对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。介绍了单片机恒压供水系统的工作原理和特点, 在此基础上给出了一种用单片机和变频器组成的恒压供水系统的设计方案, 使用变频器内部PID功能, 单片机通过RS485总线对变频器状态进行监控, 整个供水控制系统对管网水压进行自动控制。在工厂实际生产中系统取得了较好的效果。
关键词：供水系统,单片机,通信,变频器
参考文献
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恒压供水控制论文 篇10
1 恒压供水系统概述
恒压供水系统实现了PLC与变频技术的组合, 通过变频器来对水泵的运行进行控制, 达到将市政管网水源以及地下水源经蓄水池直接加压进入到供水管网中, 满足生产生活需求。在系统运行时, 可以通过对供水管网流量以及压力变化, 利用PLC自动控制变频器输出频率, 对水泵电机的运转速度进行调控, 将系统运行压力维持在稳定状态, 达到恒压供水的目的。恒压供水系统具有经济效益高、运行稳定、操作简单以及自动化程度高等优点, 在运行过程中管理十分方便。
2 PLC控制恒压供水系统设计分析
2.1 硬件系统设计
2.1.1 水泵机组
水泵机组为供水系统的基础设备, 在选择时需要结合系统运行实际需求, 对当地供水需求进行分析, 同时参考供水流量、供水类型以及供水压力等参数, 确定水泵机组、电机等构件。如可以选择用3台DFW系列离心泵为二级加压泵房机组, 此种水泵电机与泵直接相联, 中间传动结构更为简单, 运行时稳定性更高[1]。电机为三相异步电动机, 转速为1480r/min, 功率160KW, 额定电流288A。另外, 可以选择用硬质合金机械来进行轴封处理, 不但可以延长设备服务年限, 同时在后期运行维护过程中也更为方便。
2.1.2 仪表
(1) 电磁流量计。
需要以管径与流量等依据作为选择依据, 常用有LDTH管道式电磁流量计, 供电电压220v, 输出4-20m A, 量程0~5m/s可调。将其应用于系统中, 测量管内无阻流部件, 对直管段要求比较低, 并且在测量时不会受到液体密度、温度、压力以及粘度等因素影响吗, 计量结果更准确。
(2) 压力变送器。
主要作用是检测供水管网压力变送为4~20m A电流信号输入到PLC中, 对比压力设定值后由PID进行调节, 最后将运算后频率输出到变频器, 来对水泵电机运行频率、供水量等进行调节, 实现恒压供水。在选择时应以水泵机组供水量、扬程以及供水压力等参数作为依据, 以提高PLC数据传输可靠性为目的来确定, 如KT-3351系列智能压力变送器, 量程0-1MPa, 输出4-20m A, 具有精确的自诊断能力, 数据传输精度高, 并且零点与量程调整影响小。
1.1.3变频器
以电动机额定电流与功率来确定所选变频器容量, 确保其运行时能够满足几个条件, 即:
其中, PM表示负载要求电机输出功率;η表示电动机效率;cosφ表示电动机功率因数;UM表示电动机电压, 单位V;IM表示电动机工频电源时电流, 单位A;k表示电流波形修正系数, PWM方式取值1.0~1.05;ICN表示变频器额定电流, 单位A;PCN表示变频器额定容量, 单位KVA[2]。
1.1.4PLC
PLC为系统设计的核心, 在确定设计方案后, 需要基于系统运行特点、控制要求等, 来确定控制动作, 并以输出点数、外部设备特性等为依据, 确定PLC储存器功能与容量, 选择性价比最高的应用于系统设计。
2.2 系统电路设计
系统电路的设计需要做好几个因素的分析, 即输入电源电压在一定允许范围内变化, 在输入交流电断电时, 不会对控制器程序以及数据造成损坏, 并且电路运行具有较高的稳定性与安全性。尤其是对于不允许断电的场合, 需要做好电源冗余管理, 并对其进行完善的抗干扰处理。变频器输入信号分为控制信号与输入电源信号2种, 设计时应选择用控制电路端子FWD、REV等方式来代替主电路电源ON/OFF方式来对变频器运行进行控制。输出信号分为输出控制信号与送水泵变频器输出电源信号两种, 其中控制信号包括送PLC超压信号、欠压信号、变频器故障信号。
系统主水泵设计时以供水状态为依据, 选择变频与工频两种方式, 电路设计时就需要对每台主水泵设置两个接触器, 分别与工频和变频电源输出相联, 同时辅助泵只选择工频状态, 只需要设置一个接触器接入工频即可。其中在连接线路时, 需要确保水泵旋向的正确性。变频器主电路输出端子通过基础接触器与三相电动机相联, 在旋转方向与工频电机转向不同时, 应对输出端子相序进行调换, 确保系统能够正常运行。另外, 为对变频器运行功率进行优化, 还可以就变频器端子间接入相应的DC电抗器。对变频器接地端进行可靠接地处理, 确保整个系统运行的可靠性, 同时还可以降低设备运行噪音。
2.3 监测软件系统设计
2.3.1 软件架构
为保证监测软件设计效果满足系统恒压供水需求, 必须要在根本上掌握好总体功能设计, 做好软件架构分析, 在实现系统监测基础功能的同时, 降低系统设计与运行所需成本。从系统监测功能来看, 软件架构模块主要包括信息监控与管理程序两大部分, 如数据管理模块、数据采集与通信模块以及设备状态控制模块等。恒压供水系统运行状态控制模块, 主要是以各项数据对系统状态影响为基础, 通过各项收集到的信息数据进行分析, 来对各运行参数进行调整, 保证设备维持在一个良好的运行状态。而数据管理模块则主要对各项数据进行统计、查询以及分析, 同时为向系统管理提供依据还需要对数据库进行维护。
2.3.2 状态控制模块
设备状态控制模块主要包括报警、参数设定、状态显示以及调整等作用, 以对数据的分析结果为依据, 来对各项运行参数进行适当的调整, 确保系统维持在良好的运行状态。第一, 报警。当系统运行过程中出现故障会及时通过声音或者灯光闪烁等方式向工作人员发出警报, 进而可以及时采取措施处理故障。其中, 要详细如实记录故障资料数据, 便于系统运行状态的分析。第二, 状态调整。即以设备运行状态参数、数据为依据, 通过详细分析在电脑上对各参数做进一步的调整。一般可以利用PLC反馈的水位与压力数据, 对PID参数进行调整, 然后将其传输到PLC中, 利用调节功能完成系统的控制, 提高系统供水效果。第三, 状态显示。主要利用趋势图方式来将各项运行参数以动态的方式呈现出来, 操作人员通过对趋势图的分析, 既可以弄清并掌握设备运行的详细状态。
2.3.3 数据采集与通信
即对系统运行参数与数据进行采集与处理, 同时包括通信参数设定、数据存储与通信等功能, 其中参数设定即以系统管网供水压力、用户用水时间、用水量等为依据, 完成对压力传感器参数的设定, 并利用PLC与上位机PC机相互通信协议来实现通信参数的设定。恒压供水系统运行会产生大量数据, 通过对其的综合分析与调整, 对提高系统运行效果具有重要意义。数据处理模块的设计, 主要是满足其利用相应格式分解自PLC读取数据的功能, 利用滤波对其进行相应处理后存于数组中。而数据通信模块的设计则应满足对PLC不同共状态的控制, 由上位机下达控制命令并完成对控制参数的修改。
2.4 PLC程序设计
PLC程序设计内容主要包括系统初始化程序、水泵电机启动程序、小功率水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、阀门开启关闭程序、停机程序以及报警程序等, 所有程序相互配合来实现恒压供水系统的正常运行。第一, 初始化程序。即在系统正式运行前, 对整个系统的不同部分实际工作状态进行检测, 一旦发现错误内容则发出警报, 初始化模拟量数据处理数据表同时赋予其初值, 整个环节需要在主程序里面对子程序进行调用方式来完成。第二, 水泵电机启动程序。PLC程序来完成电机的启动, 并且启动前需要使变频器三相电源输入端得到电, 由PLC发出指令, 将变频器三相电源输出端与电机接触器闭合, 将变频器外控端子FMD-CM常开触点相连, 将BX-CM间处于断开状态。第三, 阀门启闭程序。重点设计水泵机组启停阀门启闭研究, 以及自动切换时阀门启闭研究, 一般情况下水泵机组启动时, 要先开机然后开阀, 停机时则先关阀在停机。
3 结语
PLC控制恒压供水系统是现在常用的一种方式, 为提高其运行效果, 在对系统进行时, 需要做好对各项硬件设备的选择, 以各项参数为依据, 来确保各构件可以完全满足系统运行需求。同时, 还应就电路设计方法进行分析, 做好合理性设计, 提高系统运行安全性与稳定性。
参考文献
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恒压供水控制论文 篇11
【关键词】松下系列；PLC恒压；供水系统；创新设计探讨
随着变频技术的发展和居民对生活用水的质量要求提高，现在变频的恒压供水系统已经提高了原来的供水系统，在多层的小区当中广泛运用。因为在新的系统当中很多部分是使用原来的设备，所有在原来的系统改进的过程当中会出现一些问题，这些问题一般都是不可预料的。本文将介绍PLC恒压供水系统，这是对原来供水系统的改进，尽量保留了原来的设备，这个系统能够很好解决原来设备当中检修比较频繁的问题，不仅体现出了PLC恒压供水系统的优势，而且还能够很好节省资金。
一、PLC恒压供水系统介绍
PLC恒压变频供水系统是由几个部分组成的，它们分别是主要是有PLC、变频器、调节器、时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制器和四台水泵。使用的人可以通过控制器上面的指示灯、按钮盒转换开关来了解和运行系统。系统原理图如图1所示。
整个系统主要通过系统里面的压力传感器把出口的压力信号变为标准信号，送入调节器里面，然后对信号进行运算，再把它们和给定的压力参数进行对比，然后得出一个调节的参数，再把信号输送到变频器里面，然后通过变频器来调节水泵的转速来改变整个系统的供水量，还需要使得供水系统的压力保持在给定的数值上面。如果需要的水量超过了一台泵能够提供的，就需要通过控制器来加泵。根据用水的情况来决定工作泵的数量和水泵的速度，这样就可以实现供水的压力保持恒定。当供水的负载发生变化的时候，输入电机的电压和频率也发生了变化，这样就形成了一个给定压力为标准的系统。
系统当中还有一个时间和PID控制器，这就保证了整个系统能够换泵运行，也能够双工作压力设定。除此之外，整个系统还有很多保护功能，特别是对硬件和备用水泵的保护，这样就能够保证供水正常和及时得到维修。在正常运行的时候，水泵的运行顺序是1、2、3、4。
二、工作原理
2.1运行的方式
这个系统的运行方式有两种，一种是手动和自动两种。手动控制的话就是，通过按钮控制水泵的运行和停止，需要根据需要的情况来控制不同泵的运行。这种方式主要是在系统出现故障和检修的时候使用的。自动运行就是合上自动开关，首先是第一个泵通电，输出的频率逐渐上升，同时调节器接受到压力传感器的信号，然后进行对比分析，把调节参数反馈给变频器。如果压力不够的话，就把频率调节到五十赫兹，第一个泵也把变频转变为工频，然后启动二号泵进行变频，变频器的数值就会逐渐上升到给出的数值，如果还需要加泵的话就依次类推。如果用水量比较少的话，就需要从先启动的泵上面减少，通过更加调节器给出的参数进行调节，最终保证系统的平稳运行。如果有电源停电的话，整个系统就会停机。等到电力恢复之后，整个系统又会恢复工作，结下了的操作是和上面启动系统一样的。变频上面的自动功能是整个系统当中最基本的一个功能，系统能够自动完成这一系列的操作。
2.2PLC控制系统
整个系统采用的是一種可以编程的控制器，PLC编程采用的是一OMRO N CX-Programmer，这种工具是可以提供一个相当完整的编程环境的，而且还可以进行离线编程，以及在线连接和调试。这种工具还能够实现梯图和语句的转换，整个系统采用的是输入和输入来控制电机的运行和停止，还有控制系统定时切换，变频和故障报警等，这大大提高了系统的性价比。而系统当中的模拟量是通过调节器和变频器来控制的。
通过调节变频器可以改变供水的压力数值，如果用户使用的水量比较少的话，供水的压力就会变大，这个时候可以调节变频器来是水泵减速，这样就可以使得供水的压力保持恒定。供水系统当中水泵的切换是一项比较关键的技术，当水泵的转速减小到一定程度的时候，想要降低水泵的压力就需要减少水泵的数量。在进行切换的时候，需要先断开整个回路，然后把变频器加入到下一台正在运行的工频回路当中，这样就完成了水泵从工频转变为变频运行的转变。切换结束之后，运行的水泵数量变少了，变频器的位置也发生了变化，先开的先停止是切换当中的重要原则，也就是最先切换第一个工作的，这样可以保证有三台水泵在轮流使用，这也是可以延长水泵的使用寿命的。如果供水的压力低的话，就需要增加水泵的数量，这样才能给提高水压，加泵的过程就是把闲置的水泵加入到系统当中。
三、系统故障和维修
系统出现故障的时候首先要报警，这样才能够进行维修。当系统出现比如变频器故障、液位达到下限、超过压力、压力缺失等一系列情况的时候，系统都是会发出报警的。当出现上面一些情况，系统不仅会发出警报，而且还会停机。一旦出现这些情况之后就需要通知维修人员来进行维修，如果是变频器发生了故障的话，你就可以进行手动控制供水。
为了对水泵进行检修和维护，需要系统在正常运行当中。在一段时间之内使得一台水泵停止运行。系统当中是由备用水泵的，可以随意对一台水泵进行备用，这样可以保证系统的正常运行。为了是水泵能够进行轮休，系统当中还有软件备用功能，工作泵和备用泵是可以定期进行切换的，这个周期一般是由控制器控制的。
四、结论
恒压供水控制论文 篇12
1 控制系统组成
本系统以变频器调速为主, 工频运行为辅的方式来运行, 通过压力传感器采集水道中的出水压力来控制变频器的频率调节及水泵机的工作台数。可通过上位机和显示屏时时了解系统运行状态和故障信息, 并能通过上位机进行远程控制。其中控制器、变频器、显示屏、上位机之间通过CAN总线进行通讯, 有通信距离长、实时性好、抗干扰能力等优点。
2 系统电路设计简介
系统主要由一台EPEC2038可编程控制器、一台ABB公司的ACS400系列7.5 k W变频器, 及RCAN01CAN通信模块、压力传感器、中间继电器、接触器、热继电器、显示屏、上位机及三台水泵电机等组成。每台水泵电机都可以变频运行, 也可以工频运行。若系统需要的供水量增大, 可以通过增加运行电机的实现, 通过压力传感器采集到水道中出水压力的大小, 控制器实时PID运算调节变频器的运行频率。系统通过控制中间继电器来控制接触器动作来达到控制水泵电机起停的目的。系统有起动按钮和停止按钮, 控制整个系统起动或者停止。自动/检修按钮来确定系统是在正常自动运行状态还是在故障检修状态。三个泵电机分别有独立的起动/停止按钮, 在检修状态时可以测试各个电机的状态。
3 PLC程序设计
系统程序以Co De Sys 2.1为编程环境, 可以采用多种编程语言编程, 本程序采用通用的ST语言进行编程。当系统开始自动运行时, 变频器开始上电同时开始检测是否有故障信号。 (1) 变频器没有故障, 系统为变频运行模式。通过压力传感器检测水道中出水压力的大小, 控制器通过检测到的压力信号进行一系列的PID运算, 实时调节变频器的频率输出。首先先控制第一台电机起动, 当变频器调节调节频率达到最大50Hz后仍未达到要求的压力值后, 该电机转为工频运行, 变频器控制第二台电机起动并进行调速, 若频率至50 Hz后仍未达到需要的压力值, 则该电动机转为工频运行, 变频器控制第三台电机起动并调速, 直到达到要求的压力值。变频器根据压力传感器反馈值实时调节电机转速, 实现闭环调速, 安全节能; (2) 变频器有故障信号输出时, 系统自动跳转为工频模式运行, 系统先起动第一台电机运行, 若压力未达到要求值, 依次再起动第二、三台电机运行, 直至达到设定的压力值, 若压力达到设定的预警值时, 停止一台电机运行, 当压力下降到一定值时, 未工作电机自动起动。本程序还设定了定时电机切换子程序, 在变频模式和工频运行模式中均可, 电机轮流工作, 避免电机长时间工作损坏。
当系统为检修模式时, 操作人员可以通过控制柜上按钮单独起动或停止各个电机, 该模式主要用于检修调试时使用。当系统出现故障时, 故障内容可以通过控制柜上的显示屏或者上位机显示, 并提供了故障处理方法, 方便人员维修。
4 结语
本系统的优点在于: (1) 控制器和变频器之间通过CAN总线进行通信, 抗干扰能力优于普通的模拟量信号; (2) 当变频器运行过程中出现故障时, 可自动切换至工频运行, 能可靠保证供水安全; (3) 采用本地控制和远程控制相结合的方式, 并通过显示屏和上位机实时检测系统运行状态, 使系统运行更为可靠、安全, 维修更为方便。该控制系统应用了P L C控制技术、变频调速技术、闭环调速技术, 全自动运行大大减轻了人员的劳动强度, 并节约了能源。PLC控制变频调速的恒压供水系统在各个领域运用的越来越广泛, 节电效果明显, 极大地延长了系统的使用寿命, 具有广阔的应用前景。
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