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恒压供水控制系统
摘要
随着社会的开展,恒压供水越来越重要。
本系统以PLC与变频器控制水泵工作,根据压力给定的理想值信号及管网水压的反应信号进行比拟,变频器根据比拟结果调节水泵的转速,到达控制管网水压的目的。
文中重点表达了变频节能原理,恒压供水原理及PID控制方式。
并提供控制系统硬件和控制软件,经现场模拟调试成功,实现运行可靠、节能、低噪,维护简单等效果。
关键词:
恒压供水;PLC控制;闭环PID
Abstract
Withthedevelopmentofsociety,moreandmoreimportantintheconstantpressurewatersupply.ThissystemusesPLCandinvertercontrolpumpworkingpressure,accordingtothegivenidealvaluesignalandpressureofthepipenetworkcomparesthefeedbacksignal,frequencyconverteraccordingtothecomparedresult,adjustthepumpspeed,tocontrolthepressureofthepipenetworkforthepurposeof.Thispapermainlydescribestheenergysavingprincipleofvariablefrequency,constantpressurewatersupplytheoryandPIDcontrol.Andprovidesthecontrolsystemhardwareandcontrolsoftware,thesimulationdebuggingsuccess,toachievereliableoperation,energysaving,lownoise,simplemaintenanceandeffect.
KeyWords:
Constantpressurewatersupply;PLCcontrol;ClosedloopPID
1引言
随着我国社会经济的开展,城市人口和城镇建设规模不断扩大,高层建筑与日俱增。
对水、电、消防、智能化等根底供给配套要求也越来越高。
如何有效提高高层建筑给水系统能量利用率,减少无效能耗,成为了高层建筑给水设计的首要问题。
传统的供水方式有恒速泵加压供水、恒速泵加水塔的供水、恒速泵加高位水箱的供水和恒速泵-气压罐供水方式。
虽然这些供水方式比拟简单,但是由于其占地面积大、自动化程度低、耗能不合理、适应性差、维护不方便等原因不仅造成水资源和电资源的浪费,而且还会带来水质的二次污染。
因此,我国目前更多的采用变频恒压供水系统。
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的变频恒压供水系统,不仅可以显著提高供水系统的稳定性和可靠性,而且也有利于实现供水系统的集中管理与监控。
此外,变频恒压供水系统还具有良好的节能性,这在大力提倡节能的今天尤为重要。
本系统研究和设计小区供水系统电气控制,满足2000人600住户小区生活用水和7层消防供水。
利用PLC和HMI实现组态控制,以到达节能环保、控制系统可靠、操作方便、显示直观。
采用以FX2N-32MR为主控器的控制系统设计,实现水压自动控制及变频与工频自动切换,并且用台达触摸屏为人机界面实现水压设置、系统状况显示,更加直观,用三菱变频器FR-A540驱动水泵的电机,实现工频变频运转,到达恒压变频的成效,在小区供水上到达节能的效果。
2恒压供水技术和优点
变频恒压供水系统的供水局部主要由水泵机组、电动机、管道和阀门等构成。
通过传感器反应水压调节变频器输出,进而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。
因此,供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。
〔1)供水系统的根本特性和工作点扬程特性:
是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提,全扬程与流量间的关系的曲线H1=f(QG),称为扬程特性曲线,如图1曲线〔1〕所示。
〔2〕管阻特性:
以水泵的转速不变为前提,扬程H与流量Q之间的关系H=f(Qu),称为管阻特性曲线,不同阀门开度,管阻特性曲线不同。
如图2-1曲线〔2〕所示。
〔3)供水系统的工作点:
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为供水系统的工作点,在这一点上,供水系统处于平衡状态,系统稳定运行。
〔4)供水功率:
供水系统向用户供水时所消耗的功率P(KW)称为供水功率。
图2-1
供水系统的控制,流量是供水系统的根本控制对象。
当用户需求发生变化时,需要对供水系统做出调节,以适应流量的变化。
常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。
(1〕阀门控制法:
转速保持不变,通过关小或开大阀门不调节流量,以适应用户对流量的需求。
这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变,但扬程特性那么不变。
(2)转速控制法:
阀门开度保持不变,通过改变水泵的转速来调节流量。
当水泵的转速改变时,扬程特性将随之改变,而管阻特性那么不变。
由水泵的相似定律又称为比例定律可以看出,功率与转速的立方成正比,流量与转速成正比,损耗功率与流量成正比,所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多,节能效果显著,这是变频调速供水系统具有节能效果的最根本方面。
2.3恒压供水的优点
1、恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率,而到达调节水泵转速改变水泵出口压力,比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式,具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。
2、由于变量泵工作在变频工况,在其出口流量小于额定流量,泵转速降低,减少了轴承的磨损和发热,延长泵和电动机的机械使用寿命。
3、水泵电动机采用软启动方式,按设定的加速时间加速,防止电动机启动时的电流冲击,对电网电压造成波动的影响,同时也防止了电动机突然加速造成泵系统的喘振。
彻底消除水锤现象。
4、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,节省了人力。
3自动控制系统的原理
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
利用负反应原理,通过压力传感器反应水管压力,然后跟设定压力进行比拟得到一个差值,通过D/A转换调节变频器输出,从而改变电机的转速,管道压力随之改变,反应压力也改变,使管道压力越来越接近给定值,从而实现了恒压控制。
当用水量增加,管道压力减小,反应压力减小,差值变大,调节变频器输出使频率增大,水泵加速管道压力随之增大,越来越接近设定值,实现恒压。
4电气控制系统设计与实现
4.1电路控制方案
本系统运用三菱PLCFX2N-32MR,A/D、D/A模块FX0N-3A,三菱变频器FR500,台达触摸屏及传感器实现了恒压供水。
主控制器PLCFX2N-32MR采集来自各个部件〔故障、状态输入,A/D模块,人机界面〕的信号,经过数据处理输出,经过D/A模块转换来控制变频器工作,实现水泵的调频调速以来到达恒压控制。
人机界面既可以对工作水压进行设置也可以显示系统的工作状态。
4.2系统硬件
4.2.1控制系统原理图
图4-2-1-1主电路接线图
图4-2-1-2控制电源接线
图4-2-1-3PLC信号输入与信号输出接线
图4-2-1-4控制系统I/O口分配
4.2.2电气设计与选择
表4-2-2-1元件清单
器件名称
型号
数量
可编程控制器
三菱FX2N-32MR
1
变频器
三菱FR500
1
触摸屏
台达DOPA57
1
交流接触器
CJ20-40-220
3
空气开关
DZ47-60D30/3P
1
开关电源
220-245W
1
压力传感器
1
按钮开关
LA19-10
3
熔断器
RTO-2A24VDC
1
熔断器
RTO-2A250VAC
1
导线
BVR-10mm2
假设干
导线
假设干
4.2.3系统接线图
图4-2-3-1输入电路接线
图4-2-3-2输出电路接线
利用续流二极管VD
利用RC电路以消除电感能量
滤波和接地
数字信号地DG
模拟信号地AG
保护接地PE
屏蔽地
图4-2-3-3
4.3系统软件
程序框图
首先进行系统初始化,然后选择系统运行方式手动和自动模式。
然后进行采样,经过数据处理输出,经过数模转换,调节变频器输出频率以到达恒压效果。
4.3.1系统程序
A/D、D/A模块接口子程序
图4-3-1-1A/D、D/A模块接口子程序
b0=0选择A/D通道1
b0=1选择A/D通道2
b1=0→1开启A/D通道
B2=1→0开启D/A通道
前三行为模拟输入,K0写入BFM#17,选择A/D输入通道1,K2写入BFM#17,启动通道1的A/D转换处理,FROM为读取BFM#0,把通道1的当前值存入存放器D210
读取模拟输入通道所需的时间TAD按如下计算:
TAD=〔TO指令处理时间〕*2+〔RROM指令处理时间〕
后三行为模拟输出,D200写入BFM#16,这将转换成模拟输出,K4写入BFM#17,启动D/A转换处理。
写入模拟输入通道所需的时间TAD按如下计算:
TAD=〔TO指令处理时间〕*3
PID指令
D120采样时间1-32767ms
D121〔反动作方向b0=1〕
D122输入滤波0-99%
D123比例增益1-32767%
D124积分时间〔1-32767〕100ms
D125微分增益1-100%
D126微分时间〔1-32767〕100ms
D500为给定值,D210为反应值,D120为表多,D200为输出值
4.3.2变频器参数设置
1.变频器为单相变频器,按图连接变频器线路,输入电压L、N接220V,输出接电机U、V、W;频率外调“10〞,“2〞“5〞接电位器;
2.设置参数,在P79=“1〞情况下显示“PU〞设定有关参数,P1=45,P2=10HZ〔上限频率〕,P3=50HZ(下限频率),P7=2S〔加速时间〕、P8=3S〔减速时间〕、P19=220;
3.运行
在“EXT〞情况下,启动变频器,调节频率,P79=“2〞。
4.3.3人机界面设计
管道压力通过5V电源和电位器的结合进行模拟调节
触摸屏控件如下:
触摸屏输出局部:
Y0:
1号泵允许指示;Y1:
2号泵允许指示;T20:
1号泵故障;T21:
2号泵故障;D101:
当前水压;D502:
泵累计运行时间;D102:
电动机的转速
触摸屏输入局部:
M500:
自动启动;M100:
手动1号泵;M101:
手动2号泵;M102:
停止;M103:
运行时间复位;M104:
清楚报警;D500:
水压设定;
4.4调试
计算机〔上位机〕作为编程通过专用通信电缆与PLC〔下位机〕进行通信。
在连接或断开专用电缆时,应关闭控制电源;同时须注意专用电缆接插头插入的位置,否那么易损坏上述仪器设备。
在进行现场调试时应逐级调试,即先软件,再硬件;先弱电,再强电;先低压,再高压;先输入,再输出;先开环,再闭环;先电气,再机械。
PLC的输入和输出的公共端COM必须分开,不能直接连接。
5结语
本文说明了恒压供水系统基于PLC的变频调速节能原理,接着分析了系统原理及系统的组成结构。
实践证明采用变频器调速技术,不仅节约能源,并改善了操作人员的工作环境,而且对于提高整个系统的自动化水平有着很大的作用,调试简单,操作方便使用平安,运行可靠等都有显著的效果。
由于本设计基于数量较少的泵组运行,因此有着一定的局限性。
不得不成认分析设计与测试中仍存在一些问题,还需要进一步优化完善控制系统的功能设计。
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