恒压供水控制系统设计

恒压供水控制系统设计（精选12篇）

恒压供水控制系统设计 篇1

供水控制是节能降耗、体质增效的关键系统,能够对工业用水、生活用水实施科学调控,提高水资源的利用效率[1,2]。随着人口数量的增加、工业生产规模的扩大,水资源日益成为紧缺资源,大力提倡节约用水成为全社会共识。一方面,需要大力普及节约用水观念,降低人为浪费水资源;另一方面,要不断进行技术创新,实现水资源的精量使用。因此,采用变频控制技术[3],对传统供水系统进行自动化改造,对降低用水成本、提高用水效率具有重要技术价值和社会效益。

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

[1]郑伟.基于PLC的变频恒压供水系统在洗煤厂的应用[J].机械管理开发,2016(7).

[2]姜宏.浅谈恒压供水系统[J].科技创新与应用,2016(22).

[3]金昊.无级变频调速在恒压供水系统中的应用[J].电脑知识与技术,2016(15).

[4]梁庆燊.试论水厂PLC变频恒压供水技术的应用[J].中国高新技术企业,2016(5).

[5]杨扬.PLC变频调速恒压供水在供水系统中的实践[J].科技与创新,2016(3):104-105.

[6]孙永伟.恒压供水系统的分层控制[J].自动化与仪器仪表,2016(1).

恒压供水控制系统设计 篇2

—恒压供水系统

班级:0

班 姓名： 学号：

恒压供水系统概述

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，而且在相当一部分领域有着很好的应用。自来水供水、生活小区及消防供水系统。工业企业生活、生产供水系统及工厂其它需恒压控制领域（如空压机系统的恒压供气、恒压供风）。各种场合的恒压、变压控制，冷却水和循环供水系统。污水泵站、污水处理及污水提升系统。农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。宾馆、大型公共建筑供水及消防系统等都广泛的应用了恒压供水系统。

课程设计任务和目的

本课程设计要求在修完《监控系统程序设计技术》课程后，运用工业监控系统组态软件（MCGS），结合一个自动控制系统，完成该控制系统的上位机监控系统组态设计。使学生掌握监控软件的设计和编程方法，得到计算机监控系统程序设计与调试，以及编写设计技术文件的初步训练。为从事计算机控制方面的工作打下一定基础。

一、恒压供水系统原理

用户用水量一般是动态的，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。

恒压供水设备中采用多泵供水方案，当供水对用水发生相对变化时，供水系统自动调节供水1阀和供水2阀的开关，以次来保持供水管道中的压力恒定。

恒压供水系统效果图

封面：

二、组态步骤 2.1 工程分析

在开始组态工程之前，先对该工程进行剖析，以便从整体上把握工程的结构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能。

工程框架：

1． 4个用户窗口：水位控制、数据显示、报警窗口、封面

2． 4个主菜单：系统管理、数据显示、历史数据、报警数据

3． 4个子菜单：登录用户、退出登录、用户管理、修改密码

4． 5个策略：启动策略、退出策略、循环策略、报警数据、历史数据

数据对象：出水阀、出水压力、供水1阀、供水2阀、开水 阀、流量

1、流量

2、流量

3、水箱液位、水箱液位上限、水箱液位下限、停止、稳压阀、压力上限、压力下限、组对象

2.2 建立工程

可以按如下步骤建立样例工程：

A.鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，如果MCGS安装在D盘根目录下，则会在D:MCGSWORK下自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程X.MCG”(X表示新建工程的顺序号，如：0、1、2等)

B.选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。

C.在文件名一栏内输入“恒压供水系统”系统，点击“保存”按钮，工程创建完毕。

2.3 制作工程画面

2.3.1 建立画面

[1]

在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”。

[2]

选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。

[3]

将窗口名称改为：恒压供水系统；窗口标题改为：恒压供水系统；窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确 4 认”。

[4]

在“用户窗口”中，选中“水位控制”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口” 选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。

2.3.2 编辑画面

选中“恒压供水系统”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。

生成的画面如下图所示：

2.4 定义数据对象

实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。

1)指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围； 2)确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。

开关量：出水阀、供水1阀、供水2阀、开水阀、停止、稳压阀

模拟量：出水压力、流量

1、流量

2、流量

3、水箱液位、水箱液位上限、水箱液位下限、压力上限、压力下限

2.5 动画连接

由图形对象搭建而成的图形对象画面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实的描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的实时数据建立 相关性连接，并设置相应的动画属性。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的动画效果。

2.6 设备连接

MCGS组态软件提供了大量的工控领域常用的设备驱动程序，模拟设备是供用户调试工程的虚拟的设备。该构件可以产生标准的正弦波，方波，三角波，锯齿波信号。其幅值和周期都可以任意设置。

我们通过模拟设备的连接，可以使动画不需要手动操作，自动运行起来。

通常情况下，在启动 MCGS 组态软件时，模拟设备都会自动装载到设备工具箱中。如果未被装载，可按照以下步骤将其选入： 【1】在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。【2】点击工具条中的“工具箱”图标，打开“设备工具箱”。【3】单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮，弹出如图所示窗口：

【4】在可选设备列表中，双击“通用设备”。

【5】双击“模拟数据设备”，在下方出现模拟设备图标。【6】双击模拟设备图标，即可将“模拟设备”添加到右测选定设备列表中。

【7】选中选定设备列表中的“模拟设备”，单击“确认”，“模拟设备”即被添加到“设备工具箱”中。

下面详细介绍模拟设备的添加及属性设置：

[1]双击“设备工具箱”中的“模拟设备”，模拟设备被添加到设备组态窗口中。如图：

【2】双击“设备0-[模拟设备]”，进入模拟设备属性设置窗口，如图：

【3】点击基本属性页中的“内部属性”选项，该项右侧会出现图标，单击此按钮进入“内部属性”设置。

2.7 编写控制流程

用户脚本程序是由用户编制的、用来完成特定操作和处理的程序，脚本程序的编程语法非常类似于普通的Basic 语言，但在概念和使用上更简单直观，力求做到使大多数普通用户都能正确、快速地掌握和使用。

对于大多数简单的应用系统，MCGS 的简单组态就可完成。只有比较复杂的系统，才需要使用脚本程序，但正确地编写脚本程序，可简化组态过程，大大提高工作效率，优化控制过程。具体操作如下：

【1】在“运行策略”中，双击“循环策略”进入策略组态窗口。【2】进入“策略属性设置”，将：循环时间设为：200ms，按“确 认”。

【3】在策略组态窗口中，单击工具条中的“新增策略行”，增加一策略行，如图：

双击进入脚本程序编辑环境，输入下面的程序：

水箱液位控制

当水箱液位低于9时，开水阀就打开向水箱注入水，否则关闭。出水压力控制

当出水压力小于6时，供水1阀和供水2阀都打开，如果出水压力大于6且小于9时，关闭供水1阀，如果出水压力大于9时，将供水2阀也关闭。当停止按钮按下时，出水阀关闭，此时水箱液位维持在8，出水压力维持在7，保持不变。2.8 报警显示

MCGS 把报警处理作为数据对象的属性，封装在数据对象内，由实时数据库来自动处理。当数据对象的值或状态发生改变时，实时数据库判断对应的数据对象是否发生了报警或已产生的报警是否已经结束，并把所产生的报警信息通知给系统的其它部分，同时，实时数据库根据用户的组态设定，把报警信息存入指定的存盘数据库文件中。在对数据对象进行报警定义时，我们已经选择报警产生时，“自动保存产生的报警信息”，我们可以使用“报警信息浏览”构件，浏览数据库中保存下来的报警信息。2.9 报表输出

在工程应用中，大多数监控系统需要对设备采集的数据进行存盘，统计分析，并根据实际情况打印出数据报表。所谓数据报表就是根据实际需要以一定格式将统计分析后的数据记录显示和打印出来，如：实时数据报表、历史数据报表（班报表、日报表、月报表等）。数据报表在工控系统中是必不可少的一部分，是数据显示、查询、分析、统计、打印的最终体现，是整个工控系统的最终结果输出；数据报表是对生产过程中系统监控对象的状态的综合记录和规律总结。

实时报表是对瞬时量的反映，通常用于将当前时间的数据变量按一定报告格式（用户组态）显示和打印出来。实时报表可以通过 MCGS 系统的自由表格构件来组态显示实时数据报表。

2.10 曲线显示

在实际生产过程控制中，对实时数据、历史数据的查看、分析是不可缺少的工作。但对大量数据仅做定量的分析还远远不够，必须根据大量的数据信息，画出曲线，分析曲线的变化趋势并从中

发现数据变化规律，曲线处理在工控系统中也是一个非常重要的部分。

实时曲线构件是用曲线显示一个或多个数据对象数值的动画图形，象笔绘记录仪一样实时记录数据对象值的变化情况。历史曲线构件实现了历史数据的曲线浏览功能。运行时，历史曲线构件能够根据需要画出相应历史数据的趋势效果图。历史曲线主要用于事后查看数据和状态变化趋势和总结规律。2.11 安全机制

工业过程控制中，应该尽量避免由于现场人为的误操作所引发的故障或事故，而某些误操作所带来的后果有可能是致命性的。为了防止这类事故的发生，MCGS 组态软件提供了一套完善的安全机制，严格限制各类操作的权限，使不具备操作资格的人员无法进行操作，从而避免了现场操作的任意性和无序状态，防止因误操作干扰系统的正常运行，甚至导致系统瘫痪，造成不必要的损失。

MCGS 组态软件的安全管理机制和 Windows NT 类似，引入用户组和用户的概念来进行权限的控制。在 MCGS 中可以：定义无限多个用户组、每个用户组中可以包含无限多个用户同一个用户可以隶属于多个用户组。设计总结

通过本次对恒压供水系统的组态设计，加深了我们对组态监控课程设计的认识，从中了解到设计过程中的基本方法和步骤，一天天的设计过程，让我们更真切地感受到理论与实践之间确实还存在很大的距离，觉得这门课的关键在于与实践的联系。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想还有待我们进一步的深入学习。

另外，通过这次课程设计使我们更加懂得了各学科之间的联系，就比如过程控制与组态之间的联系运用，我们从中初步掌握了组态监控系统的设计方法，深入地理解了组态控制的意义，对我们今后的学习和实践有很大的帮助。

通过此次课程设计，也让我们发现了我们现在的不足，通过查阅资料我们对自己的专业知识也做到查漏补缺，及时补充改正。在今后的学习过程中我会更加努力。但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。

主要参考资料

恒压供水控制系统设计 篇3

关键词:PLC 变频调速 恒压供水系统 PID

中图分类号:TV1 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2010)03(c)-0106-01

1 变频调速恒压供水系统的设计原理

此恒压供水系统采用了三台水泵并联运行的方式,利用压力传感器将主水管网水压变换为电信号,经模拟量输入模块,输入可编程控制器(PLC),PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算,输出控制信号,经模拟量输出模块至变频器,调节水泵电机的供电电压和频率。当用水量较小时,一台泵在变频器的控制下稳定运行,当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力稳定时,PLC给定的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到,PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行,以保持压力的连续性,同时将下一台备用泵用变频器起动后投入运行,以加大管网的供水量保证压力稳定。若两台泵运转仍不能满足压力的要求,则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行,再将一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时,首先表现为变频器已工作在最低速信号有效,這时压力上限信号如仍出现,PLC首先将最先工频运行的泵停掉,以减少供水量。当上述两个信号仍存在时,PLC再停掉第二台工频运行的电机,直到最后一台泵用变频器恒压供水。

2 变频调速恒压供水系统硬件设计

本系统选用了西门子公司的S7-214PLC,辅以输入/输出扩展模块组成,主要检测元件有光电开关、压力检测开关,共计12个输入信号。执行部件有电机、变频调速器、声光报警器等,共3个输出点。PLC主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制变频器完成压力调节等功能。三台水泵由变频器直接驱动,进行恒压控制,变频器的起动、停止分为手动和PLC自动控制。控制面板上设有一个手动/自动转换开关,PLC对该开关的状态实时检测,当选择手动功能时,PLC只进行检测报警,由人工通过面板上的按钮和开关进行水泵的起、停和切换。当选择自动功能时,所有控制、报警均由PLC完成。控制系统原理图如图1所示。

3 变频调速恒压供水系统软件设计

为方便编程和调试,系统控制器采用模块化编程,主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块三个部分构成。

(1)手动运行模块。

当系统处于手动运行时,PLC只接收各电路保护信号和各传感器信号,并由此判断各工作水泵的运行状态,在出现故障的情况下,输出报警信号。水泵的起、停和切换由人工通过面板上的按钮和开关来实现。

(2)自动运行模块。

自动运行模块包括系统的初始化、开机命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。

电机控制子程序完成对三台水泵的运行和停止控制。由于变频器的输出频率与水泵的运转速度直接相关,用水量大时,变频器输出频率升高,水泵的运转速度大；用水量小时,频率降低,水泵的运转速度小。因此程序根据变频器的输出频率的大小就可以判断和控制水泵的工作状态。

(3)故障诊断和报警输出模块。

变频器具有短路、过载等保护功能,当变频器所驱动的水泵电机发生短路、过载等故障时,变频器将自动切断一次供电回路,进入保护状态并输出报警信号。系统把各故障点相应的接触器、断路器等元件的辅助触点接到PLC,PLC扫描输入这些触点的状态,并通过PLC程序将这些状态存放在数据存储区,再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析,判断设备或元件是否出了故障,如果发生故障,则切断该泵的接触器,然后对变频器复位,再将备用水泵的接触器接通,启动变频器运行备用泵,同时输出该泵故障报警信号。如电机故障指示灯亮等。各I/O点对应的故障信息如表1所示。

4 结束语

采用PLC作为控制器,硬件结构简单,成本低,系统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。另外,S7-214PLC基本单元提供一个RS-485接口,可以与楼宇监控中心进行通讯,实现无人远程控制。

参考文献

[1]钟肇新,范建东,等.可编程控制器原理及应用,2003.2

[2]宋伯生.PLC系统配置及软件编程［M］.中国电力出版社,2008.1.

变频恒压供水系统设计 篇4

生产用水量 (空调冷却塔、层压洗板机、真空泵站、纯净水系统等) 是随车间订单情况、季节变化 (温度) 、时间点等因素不同而波动的。用水量的变化直接反映在供水压力上, 即是生产用水量多而供水量少, 管道供水压力就会降低, 生产用水量少而供水量多, 管道供水压力就会升高。水泵原来的控制方式最大的不足就是无法根据用水量的变化而自动调节压力, 所以导致供水的稳定性无法保障。尤其是随着去年松山湖四分厂的投产, 原有的供水方式更是不能满足生产的用水需求。以公司2015 年做出的智能制造战略为切入点, 我们对整套软水系统进行了改造, 变频恒压供水系统是我们改造的其中一个项目。

2 变频恒压供水系统

2.1 系统设计要求

(1) 软水的供给压力设置5Kgf/cm2, 当实际压力低于设定压力时, 变频器就会提高频率, 反之则降低。

(2) 两台水泵一用一备轮流工作, PLC根据切换时间控制继电器组来实现水泵主回路接触器的切换, 水泵的频率调节由变频器自身的PID运算实现。

(3) 水泵的手动与自动除了PLC程序上互锁外, 在电器件继电器方面也互锁, 两台在操作上是互锁的, 即操作上只能选择一台泵运行控制。

2.2 变频恒压供水系统组成

(1) 管路供水部分:1# 水泵与2# 水泵、楼顶储水池、分厂生产车间。

(2) 压力检测部分:压力传感器。

(3) 电气控制部分:PLC、变频器、继电器、接触器。

2.3 主要接线

(1) 水泵主回路接线图如图1 所示:

a.KM1、KM3 分别为1# 水泵及2# 水泵的手动控制接触器, KM2、KM4 分别为1# 水泵及2# 水泵的变频控制接触器, 线圈均为AC380V;

b.通过继电器 (KA3、KA4、KA5、KA6) , 两台水泵在电气控制上进行互锁;

c.通过报警蜂鸣器, 对系统异常进行报警输出监控。

(2) 变频器的接线图如图2所示:

a.变频器在PID控制模式, RT与SD端子需要短接;

b.压力变送器选择两线型, 变频器根据压力变送器检测的压力进行内部的PID调节;

c.设置PID的上限及下限输出, 便于对变频器的工作状态进行一个监控作用。

3 变频器的PID控制

所谓PID控制就是变频器经过PID运算后得到的执行量, 来控制输出频率的变化, 而PID运算又是指P (比例运算) 、I (积分运算) 、D (微分运算) 三个运算的总和。有正负两种类型之分。本例中变频器采取负运算, 由变频器参数Pr.128 设定。变频器主要参数设定如表1:

4 PLC程序设置

4.1 PLC的I/O地址分配如表2 所示

4.2 PLC的外部接线图如图3 所示

4.3 PLC程序编程

5 结束语

软水泵的变频恒压改造在2015 年改造完成。系统改造后, 节能效果明显、供水稳定、设备运行状况良好等特点。变频恒压供水改造项目获得了公司2014-2015 持续改造成果颁奖大会上的一致好评。此项目的的意义不仅是提高了软水的供水稳定性, 更是为后续的设备改造奠定了坚实的技术基础。

参考文献

[1]高安邦, 刘晓燕, 等.三菱PLC工程应用设计[M].机械工业出版社.

[2]龚仲华, 史建成, 孙毅.三菱FX/Q系列PLC应用技术[M].人民邮电出版社, 2006.

[3]王仁祥, 王小曼.通用变频器选型、应用与维护[M].人民邮电出版社.

[4]钟肇新, 范建东, 冯太合.可编程控制器原理及应用[M].华南理工大学出版社.

[5]高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例[M].人民邮电出版社, 2004.

恒压供水控制系统设计 篇5

3单片机硬件电路的设计

传感器输出的电压值一般为电压信号在本设计中使用一个电位器来模拟传感器。对电压信号的采集选择ADC0832。在实际中电机调速一般是选择三相变频器。限于条件，本设计只能用三个直流电机来模拟三台泵，因此选择适合于直流电机的PWM方式来对电机进行调速。

3.1水管压力测量模块

在实际应用中，用传感器检测供水管道的压力，如果水压高于设定值，则降低转速；如果水压低于设定值，则提高转速。传感器输出的.电压值一般为电压信号，限于设计条件，本次设计采用一个电位器来模拟传感器。调节电阻值的大小，即可改变电压的大小，从而模拟管道水压的改变。

3.2电机控制模块

PLC在恒压供水系统中的应用 篇6

在供水系统中，水压的变化规律是无法预先确定的时间函数。恒压供水系统的任务是被控量能够以一定的精度跟随实际水压变化的控制系统。随着可编程序控制器功能模块的增加以及控制指令的完善，恒压供水系统在这种随动系统中得到了越来越广泛的应用。恒压供水系统的基本控制策略是：用压力传感器监测管路中的水压，其反馈的实际值经A/D转换后输入至PLC的数据寄存器中与设定值进行比较，其差值由CPU进行PID运算处理后，进行D/A转换，将输出结果控制变频器，实现对水泵电动机的无级调速，从而达到给水管压力稳定在设定的压力值上。

二、控制方案

根据控制要求，该系统采用PID控制，其控制原理图如图1所示。系统通过安装在出水总管上的压力传感器实时将当前水压转换成电信号，通过与PLC配套的功能模块A/D转换器，将和压力成正比的模拟信号转换为数字信号输入至可编程序控制器（PLC），与设定的信号进行比较，经PID运算处理后得出最佳的运行参数，经D/A转换后送至变频器的模拟控制输入端，从而控制变频器的输出频率，使水泵电动机根据当前实际的水压在合理的转速上运行。

三、主要电器元件选型

1.PLC的选型

恒压供水系统中的输入信号不是很多，最基本的包括两个开关量信号（启动和停止）和一个模拟量信号（压力信号）。两个输出信号则用于控制电源输入和控制变频器的输出频率，其中控制变频器的输出频率是模拟量信号。

2.模拟量控制器件

FX2N-4AD和FX2N-DA是FX2N系列PLC的模拟量控制器件，分别为四路模拟量的输入特殊功能模块和输出特殊功能模块。它们转换精度极高，且分辨率为12bit的二进制数。

FX2N-4AD有四个模拟量输入通道：CH1、CH2、CH3和CH4。输入端子对应V+、I+，VI-为公共端。每路的输入形式均可设定为电压或电流形式，输入范围为DC：-10-- +10V、-20-- +20mA、+4-- +20mA。FX2N-4DA有四个模拟量输出通道：CH1、CH2、CH3和CH4。输出端子对应V+、I+，VI-为公共端。每路的输入形式均可设定为电压或电流形式，输出范围为DC：-10-- +10V、+4-- +20mA。

连接在FX2N基本单元扩展接口上的特殊功能模块均占用特殊功能模块编号，基本单元可以对其进行准确的读/写（FROM/TO）数据。从最靠近的基本单元的第一个开始，顺序编号为0—7。I/0扩展模块不占编号，特殊功能模块最多不能超过8个，FX2N-16MR与特殊功能模块的连接如图2所示。

FX2N-4AD和FX2N-DA的功能是进行A/D与D/A的转换，使PLC能够完成对模拟量的处理。FX2N-4AD和FX2N-DA内均有自己的数据缓冲区BFM，相关模块的输入/输出方式的设定、输入/输出范围设定、采样次数设定、零点与增益调整、模块识别码等有关信息均存储在缓冲区BFM当中，对FX2N-4AD和FX2N-DA模块的操作就是对其数据缓冲区的读/写。

FX2N系列PLC的基本单元与模拟量模块数据缓冲区的读/写，是通过FROM和TO指令来实现的，其数据交换应通过以下步骤来进行。

（1）确定FX2N-4AD和FX2N-DA的位置。特殊功能模块的识别码存放在其数据缓冲区（BFM）的#30单元中（FX2N-4AD为K2010，FX2N-DA为K3020）。将该位置的识别码读入PLC，然后将此数据同这种模块的识别码相比较，若相等则表示该位置上安装的是这种模块。

（2）对FX2N-4AD和FX2N-DA进行初始化设置。设定参数在BFM的#0、#20、#21、#22、#23和#24单元中，涉及输入/输出的类型与范围，增益与零点的调整等。另外FX2N-4ADBFM的#1、#2、#3、#4可设定四通道的采样次数。可用TO指令对上述BFM进行写操作，来设定模块的工作状态，以满足控制要求。

（3）对模拟量数据进行处理。模拟量的输入数据（已经A/D转换成数字量），四个通道的平均值分别储存在FX2N-4AD BFM的#5--#8单元中。模拟量的输出数据（已经A/D转换成数字量），分别储存在FX2N-4DA BFM的#1--#4单元中。用FROM指令将对应通道的输入数据，读入PLC的数据寄存器D中，供系统分析处理用。用TO指令将系统处理后的模拟量输出控制数据，写入对应通道的BFM。

3.变频器

变频器用于控制实际管路中的水压控制水泵的转速，变频器输出频率高时水泵转速就快，反之则慢。其中控制变频器频率的是模拟量电压0-10V，当模拟量电压是0时变频器输出频率为0，当模拟量电压为10V时变频器输出频率为50Hz。

变频器功能参数很多，在实际应用中，多数只要采用出厂设定值即可。但有些参数要根据实际的控制要求进行设定。在本系统中，变频器的输出频率要根据输入的模拟电压信号（DC0-10V）自动调节，因此把变频器恢复出厂设定值后，还需要设置PR.79为2(外部运行模式)；PR.73为0（模拟量输入选择0-10V）；PR.125为50（模拟量输入端子2最大的频率）。

4.压力传感器

压力传感器是将管路中的压力信号转换和其成正比的标准的直流电流或直流电压信号，例如DC0--10V或4--20MA。压力传感器分为电流输出型和电压输出型，电压输出型具有恒压源的性质。电流输出型具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。

四、系统构成及软元件分配

1.系统构成（如图3所示）

2.软元件分配

五、程序处理

1.模拟量的处理

系统中有两个模拟量：一是实际压力测量的反馈值，二是将实际压力与设定压力进行PID运算后产生的控制信号。测量值为模拟量输入，采用FX2N-4AD实现，将FX2N-4AD的CH1通道设定为电压输入方式，将压力反馈值进行A/D转换，为PID运算提供反馈信号。控制信号为模拟量输出，采用FX2N-4DA完成，将FX2N-4DA的CH1通道设定为电压输出方式，经PID运算后产生的压力控制信号进行D/A转换，作为变频器的控制电压。

2.PID调节

FX2N系列PLC提供PID指令。该指令对当前值D20和设定值D10进行比较，通过PID回路處理两者之间的偏差来产生一个调节值，存入D30中，通过FX2N-4DA送给变频器。梯形图如图4所示，其中M100为启动信号。

[S3]为PID的参数设置：PID参数存放在以[S3]为首的23个数据寄存器组成的数据堆栈中。这些软元件有些是要输入数据的，通过参数的设置，可用PID指令组成不同的回路组态。PID控制器的4个主要参数TS、KP、TI和TD需要整定。无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定时首先应把握PID参数与系统动态、静态性能之间的关系。在P、I、D这三种控制中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数KP越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但若KP过大，也会造成系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。调节器中的积分作用与当前的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。因此积分部分可以消除稳态误差，提高系统精度。但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响，因此很少单独使用。积分时间常数TI增大时，积分作用减弱，系统的动态性能可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。因为微分部分具有超前和预测的特点，所以，根据误差变化的速度，微分部分能提前给出较大的调节，反映系统变化的趋势。当微分时间常数TD增大时，超前量会相应减小，动态性能得到改善，但是高频干扰的能力会降低。如果TD过大，系统输出量可能出现频率较高的振荡。这些参数的设定要根据系统的实际情况进行现场调试。

恒压供水技术采用变频器改变水泵电动机电源频率，系统在运行过程中可有效节约电能，经济效益十分显著。同时因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，也节省了人力。

恒压供水单片机控制系统的设计 篇7

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

[1]马忠梅, 等编著.单片机的C语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社.2003.

[2]周航慈著.单片机应用程序设计技术.北京航空航天大学出版社.2003.

[3]张燕宾主编.变频调速应用实践.机械工业出版社.2000.

[4]清源计算机工作室编著.Protel 99 SE原理图与PCB及仿真.机械工业出版社, 2004.

双罐恒压供水电气系统的设计 篇8

某公司要对冷冻车间的关键生产设备进行升级改造和换代, 冷冻车间新购置的核心设备必须使用恒压供水, 供水压力的稳定性直接影响产品的质量, 如果出现断水, 则会导致当前批次产品报废, 因此在设计时必须认真考虑。冷冻车间位于1楼, 需要0.25 MPa的稳定水源, 双水罐供水点与冷冻车间用水设备距离50 m。控制系统要求可以在现场和200 m以外的3楼中控室都可以进行监视和控制, 如何实现两地控制, 则是本项目电气设计的难点所在。

2 项目方案

2.1 供水管网与控制系统构成

图1是双罐变频恒压供水系统流程图, 其内容有1号、2号储水罐;水管、水泵、闸阀、气动阀、水流方向;2路液位计和1路压力传感器检测位置;控制电柜需处理的信号类型和数量 (开关量和模拟量) ;PLC、A/D模拟量模块、变频器的控制组成;MCGS昆仑通态触摸屏安装地点 (位于车间三楼的中央控制室) ;组态屏与PLC的通信方式和距离等。由于冷冻车间需要的水源压力比较严格, 而且不能有断水出现, 否则会导致在线生产中的整批产品报废, 因此, 采用双储水罐恒压轮换供水的方式, 水管布局也做了相应设计。双储水罐的供水来自取水点分支管道2, 罐1或2进水则由PLC驱动气动阀2、4实现, 闸阀1、2是在储水罐装有水但需要更换气动阀1、3或水泵时使用, 使用哪个储水罐的水对冷冻车间进行变频恒压供水, 则由PLC驱动气动阀1、3决定, 储水罐的容积是根据管道2没水供应, 但必须能使冷冻车间设备顺利加工完当前批次产品的最少储水量计算 (按单罐加适当余量计算) 。每个储水罐的尺寸最后确定为直径1.5 m, 高度为2.5 m, 水泵2供水给50 m外的冷冻车间, 且压力保持0.25 MPa, 泵的参数为:流量Q=23 m3/h、扬程H=35 m、电机额定功率P=4 k W、转速n=2 900 r/min。

2.2 控制要求

冷冻车间变频恒压供水的现场控制电柜只设自动模式, 有启动、停止, 消除报警按钮, 信号输出则由电源黄色指示灯、运行绿色指示灯、故障红色指示灯、故障声光报警器等组成, 起现场警示作用。远在200 m外的三楼生产总控室必须有冷冻车间变频恒压供水的运行工况监视, 也能远距离操作, 现场不能修改的运行参数都可以在总控室实现。

电气系统需完成三部分控制: (1) 由PLC, A/D模拟量模块, 液位传感器1、2, 气动阀1、2、3、4组成的水罐液位检测和进、出水控制; (2) 由PLC、A/D模拟量模块、变频器、压力传感器组成的一路PID闭环控制, 使冷冻车间的用水设备得到严格恒定的0.25 MPa水源; (3) 三楼中控室的组态屏上可修改PID参数, 显示变频器当前运行参数, 水罐的水位, 气动阀状态等, 也就是必须准确、真实地实现系统的过程监视和控制。

3 硬件和软件资源准备

3.1 控制核心部件选型

PID运算的精度、稳定、可靠是本项目成败的关键, 因此, 选择PLC时重点就在PID运算的选择上, 综合欧美、日系等两大流派各厂家品牌PLC考虑, 应以西门子S7-200较为合适, 它拥有数据运算能力强, 精度高, PID控制编程时可模块化和标准化, 容易调试等众多优点, 价格也合适。结合项目实际需要, PLC选择:S7-200 CPU224 AD/DC/RLY;模拟量模块为:EM235 AI4/AQ1x12Bit[1]。

3.2 传感器的选择

压力传感器是PID闭环控制的关键器件之一, 它是反映被控制的物理量的实际数值, 即反馈值, 它必须准确、可靠地达到所需精度要求等。这里选择了北京中天科技有限公司赫斯曼插头型GB-3000A (G) 压力变送器如图2, 接口规格:M20×1.5 mm, 输出:4~20 m A, 量程:0~1 MPa;精度等级:0.2级[2]。

储水罐的水位测量则由投入式液位变送器实现, 只有这种类型的传感器才能对密封罐的液位实现过程监视, 它具有安装便捷, 维修简单, 能实时准确地探测密封罐液位的变化, 并在组态屏上用数据和生动的组态画面表现出来。GB-2100A液位变送器 (如图3) , 参数选择为:精度等级:0.1级, 量程:0~5 m, 输出:4~20 m A, 介质:淡水, 线长:10 m[3]。

3.3 变频器和组态屏的选择

西门子公司的MICRO-MASTER420[4]是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。它具有很高的运行可靠性和功能的多样性, 具有全面而完善的保护功能, 用户界面友好, 安装、操作和控制灵活方便。因此, 本工程驱动水泵2电动机的变频器选择MM420系列;货号:6SE6420-2UD24-0BA1;使用电压:380 V;输出功率:4 k W。

北京昆仑通态MCGSTpc7062K[5]使用的是MC-GS嵌入版组态软件, 它通过对现场数据的采集处理, 以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案, 在自动化领域有着广泛的应用。MCGS带有丰富、生动的多媒体画面, 它以图像、图符、报表、曲线等多种形式, 为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等相关信息;用大小变化、颜色改变、明暗闪烁、移动翻转等多种手段, 增强画面的动态显示效果;MCGSTpc7062K拥有丰富的资源但不到千元的价格, 完全是一款名符其实的高性价比触摸屏。

4 项目实施

4.1 变频器接线图

由于本变频恒压供水控制只有自动运行模式, 因此, 主线路只需给变频器和电机供电, 其接线图如图4[4,6]。

4.2 PLC控制线路I/O分配图

图5是冷冻车间变频恒压供水系统PLC的I/O分配图[1,6]。它的控制组成有: (1) 压力传感器、PLC、A/D模拟量模块、变频器所组成的PID闭环控制; (2) 现场控制所需要的按钮、信号、执行机构驱动等开关量的处理, 包括有4个输入量:启动、停止、报警消音、变频器故障, 9个输出量:运行指示、故障指示、故障声光报警、变频器启动、变频器故障复位、气动阀1、2、3、4; (3) 2支投入式液位计、PLC、A/D模拟量模块组成的水位检测。由于EM235模块的要求, 模拟量的输入端必须统一使用电流或电压输入, 不能混用, 必须正确设定SW1~SW6, 本工程的压力传感器、投入式液位计均使用4~20 m A标准方式传送, 采用电流传输比电压传输更能抗干扰和传送更远距离。

5 软件设计

5.1 PLC编程

冷冻车间变频恒压供水系统PLC控制程序由1个主程序 (OB1) 、3个子程序 (SBR0、SBR1、SBR2) 和1个时间中断程序 (INT0) 组成[7]。下面就简要介绍PLC各个程序模块的功能 (由于文章篇幅所限, 本项目的PLC程序省略) 。

5.1.1 主程序设计[7]

主程序需完成的功能有:调用初始化PID回路参数子程序SBR0;调用出水口压力计算、变频器输入电压及运行频率计算子程序SBR1;调用1号和2号罐液位计算SBR2;能实现启动、停止、运行指示、变频器故障锁定、变频器声光报警、变频器故障复位、1号水罐水位判断、2号水罐水位判断、组态画面元素的动画显示和报警等。最重要的是能实现1号、2号储水罐的轮换进水和供水, 它用步进阶梯指令进行编写, 由状态元件S0.0至S0.5完成。

5.1.2 子程序设计[7]

子程序包含三个, 子程序SBR0实现对PID环路表数值的初始化, 调用时间中断程序INT0;子程序SBR1是把压力传感器的检测值换算为水压压力值, 单位为MPa, 也把PID运算后的AQW0输出值换算为驱动变频器的电压值和变频器的频率值 (按0~50 Hz计算) ;子程序SBR2是把1号和2号储水罐中由投入式液位计检测出来的值换算成液位高度, 单位为m。

5.1.3 中断程序设计[7]

时间中断程序INT0能实现AIW0 (A路模拟量输入值) 标准化转换后, 作为PID运算环路的检测标准值存于VD500, 然后进行PID运算, 最后把PID运算后的标准输出值, 通过数值类型转化成模拟量输出格式值, 再从EM235模块的AWQ0输出电压控制变频器的运转频率。

5.2 MCGSTpc7062K组态画面设计[5]

Tpc7062K有两个串行通信口, 规格和特点如表1, 本项目的现场控制电柜与中控室相隔200 m以上, 因此, PLC与Tpc7062K之间必须采用RS485通信, 通信电缆制作如图6。

图7是冷冻车间恒压供水系统组态画面, 组态屏是置于三楼的中控室, 它可以实现系统启动、停止;设定运行水压;显示实时水压值;PID关键参数修改;显示变频器控制电压;显示变频器运行频率等。同时它还必须有反映两个储水罐运行工况的动态画面和数据, 其中就包括:可以设定两个储水罐的上、下限水位, 显示两个储水罐水位的实时高度, 既有动画也有数据, 4个气动阀的通断状态, 水泵的通断状态, 水流动的动画等。

6 结束语

恒压供水方案虽多种多样, 但会因不同场合而定。设计者需根据具体项目选择合适的恒压供水方案, 而不是盲目追求配置高端、系统复杂等不一定适合的方案, 这都要在设计时充分考虑。本工程的管网和电气控制设计, 满足了双储水罐轮换恒压供水而同时又需要在相隔较远的两地控制的要求。系统投入实际使用以来, 运行可靠、灵活、经济, 成功地解决生产的关键问题, 稳定了产品质量, 降低了人力成本。

参考文献

[1]Siemens AG.S7-200可编程控制器系统手册[Z].2002.

[2]北京中天科技有限公司.GB-3000A (G) 压力变送器使用说明书[Z].2009.

[3]北京中天科技有限公司.GB-2100A液位变送器使用说明书[Z].2009.

[4]Siemens AG.MICROMASTER 420使用大全用户手册[Z].2001.

[5]北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS嵌入版说明书[Z].2011.

[6]中华人民共和国国家标准局.电气制图[M].北京:中国标准出版社, 1987.

恒压供水控制系统设计 篇9

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。

参考文献

恒压供水控制系统设计 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

[1]许德浩.基于PLC控制的恒压供水系统设计[D].天津:天津大学, 2012.

[2]方桂笋.基于PLC的变频恒压供水系统的设计[D].兰州:兰州理工大学, 2008.

[3]吴学娟.基于FPC的变频调速恒压供水系统的研究[D].合肥:安徽工程大学, 2012.

[4]姜素霞, 闫艳霞, 杨小亮.基于PLC控制的恒压变频调速供水系统设计与仿真[J].郑州轻工业学院学报:自然科学版, 2011 (1) :62-65.

章村矿循环水泵恒压供水变频改造 篇11

关键词：变频调速；恒压供水；节能；PID

1 概述

现章村矿洗煤厂压滤车间使用2台循环水泵，互为备用。水泵的规格型号是200ZJ-Ⅰ-65A，额定流量是350m3/h，，扬程是40M ，配套使用电机型号：Y355L-6，额定功率220KW，额定电压 380V， 控制手段相对比较传统依靠调节阀门开度来调节介质流量，供水量不能根据生产工艺的要求精确调整，电机做功部分消耗在挡板阀门之间的“頂牛”状态中，存在电能浪费。

2 改造的必要性

2.1 操作简便可控：循环水泵设备的开停车在集控操作界面对该设备实现控制，同时针对重介洗选工艺与脱介筛相关设备设置联锁，大大满足生产需要。

2.2 优化指标控制：循环水泵实现变频调速可分为自动和手动，手动状态下可通过电位器调节速度，自动状态是通过PLC模拟输入信号输入指定频率控制，自动状态下根据工况实时调速，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

2.3 节能节电效果显著：采用变频调节后，系统实现软启动，软停车等功能，系统效率得到提高，节约能源，为降低企业用电率提供了良好的途径。

3 现场情况及节电效果分析

3.1 工频状态下的耗电量计算

Pd：电动机功率；Cd：年耗电量值； U：电动机输入电压；I：电动机输入电流；cosφ：功率因数； T：年运行时间；δ：单负荷运行时间百分比。

电机耗电功率计算公式：Pd=×U×I×cosφ ①

累计年耗电量公式：Cd=T×∑（Pd×δ） ②

其中取电机输入电流为320A， cosφ为0.85，设备运行每年按运行5440小时（340天）340天计算。

根据计算公式①②，通过计算可得出工频情况下各负载的耗电量如下：

Pd=179（kW） Cd=97.4万kW·h

3.2 变频下单位时间耗电量计算

根据流量、压力、轴功率与其转速的关系

用文字表述为：流量与转速成正比、压力与转速的平方成正比、轴功率与转速的立方成正比。

变频状态下的计算如下：

P'：泵实际轴功率；P0：水泵额定轴功率 ；Cb：年耗电量值；

Q'：水泵实际流量；Q0：水泵额定流量；H'：水泵出、入口压力差；

H0：水泵额定压力。

低压配电系统运行电压380V，电机实际运行电流201A，水泵电机功率l10kW、极数4极、实际出力为55%～83%，取Q/QN=0.80得：

即流量为改造前的80%，则转速为当转速变为80%额定转速时，80%转速变为80%流量、64%压力，最后输出51%轴功率。故：

4 系统技术方案

闭环控制运行：根据现场提供的反馈信息（ 如压力，流量等）做闭环控制，变频器自动根据反馈值自动调节运行频率，满足现场运行工况。

现场直接接收管道压力变送器传感到变频器PLC 4—20mA信号，变频器内置PID调节器，自动实现闭环控制。随着水泵出水压力的变化，随之变频器的输入反馈信号相应变化，在变频器的PID控制作用下，变频器输出与之相反的控制，最终使得出水压力恒定，实现恒压供水。

5 结语

变频恒压供水系统的设计，提高了供水质量，减少了对设备的冲击，具有节省能源，操作方便，自动化程度高等优点。节能延长电机、水泵使用寿命4年以上。为章村矿洗煤厂优化洗选工艺、提高工作效率、减岗并岗具有重要意义。

参考文献：

[1]赵华军.基于PLC和变频器控制的恒压供水系统设计[J].自动化与信息工程，2006（3）.

[2]胡雪梅.变频恒压供水系统的设计与应用[J].电机与控制应用，2011，38（8）.

[3]张慧宾.变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2000：128-129.

作者简介：

恒压供水控制系统设计 篇12

关键词：变频调速,单片机,恒压

1 变频调速恒压供水理论分析

1.1 供水压力和变频器输出频率的关系

在变频调速运行时,电动机的压频比U/f(供电电压/供电电源频率)保持不变,管网压力随着供电电源频率成正比例变化。当变频器的输出频率在一定时,若用户用水量增大,从而流量Q增大时,供水管网的水压将会降低。为了保持供水压力不变,就必须增大变频器的输出频率以提高水泵机组的转速;当用户的用水量减小时,流量Q减小,在变频器输出频率不变的情况下,管网的供水压力将会增大,为了减小供水管网水压,就必须降低变频器的输出频率。

1.2 恒压控制的理论分析

恒压控制的目的就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。在系统运行过程中,如果实际供水压力低于设定压力,控制系统将得到正的压力差△P,这个差值经过相应的控制算法处理之后,可以计算出变频器输出频率的的增量,该增量就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值,将这个增量和变频器当前的输出频率值相加,得出的值就是变频器当前应该输出的频率。

1.3 变频调速恒压供水系统的构成及工作原理

本文设计的恒压供水系统主要适用于城市高层住宅生活消防供水系统,我们以四台水泵(三台主泵和一台辅助小泵)为例,整个系统的工作流程为:安装在用户端出水管上的压力传感器,将供水管网的压力信号转变为电信号,输入A/D转换器,转换后的数字信号进入到单片机,经过相应的运算处理后,与设定的压力信号进行比较,得出偏差值,再经过自适应模糊算法得出最佳的运行工况参数,并由D/A转换器将其转换为模拟信号,输出给变频器以控制变频器的输出频率,从而控制交流电动机的转速,以控制水泵的输出流量和压力,使供水管网的压力趋向于设定压力值,从而实现闭环控制的恒压供水。

2 变频调速恒压供水系统的重点硬件设计

2.1 单片机的选择

本文所设计的系统中采用的单片机为双列直插式封装,其型号为AT89S52 24PC0532。系统的硬件电路框图如图1。

2.2 串口通信电路

串口通讯电路用来实现系统与上位PC机的通讯。单片机在供水系统中用在现场进行数据采集并实现现场控制。串口通讯电路如图2所示。

3 系统的软件设计与系统调试

系统主程序设计:系统主程序在系统上电后首先要进行一系列的初始化工作,并使得串口通讯模块、A/D模块、D/A模块、LCD显示模块等与单片机的数据传输正常。另外,在系统运行过程中要及时进行故障检测,以防止设备损坏和意外发生;当出现故障时,单片机系统要及时发出报警信号,提示用户检修。若无故障存在,在LCD上会显示实际压力大小,系统启动后自动进入恒压控制模式。

4 总结

变频调速恒压供水系统能极大地改善给水管网的供水环境,可以根据管网瞬间压力变化自动调节水泵电机的转速和多太水泵电机的投入和推出,使管网住干出口端保持在恒定的设定压力值,整个供水系统始终保持高效节能和运行在最佳状态。

参考文献

[1]阎凯峰,牛继荣.交流调速驱动系统与恒压供水[J].内蒙古工业大学学报,1998,2(17):57-62.

[2]罗文军,王焱玉.基于单片机的恒压变频调速供水系统的设计[J].桂林航天高等专科学校校报,2005,2.