基于plc控制的變頻調速恒壓供水系統介紹
2013-7-8 15:31:19??????點擊：
基于plc控制的變頻調速恒壓供水系統介紹
日常的生活用水量隨季節、晝夜、上下班的時間不同而有較大變化，因而經常出現供水用水的不平衡，主要表現在水壓上，用水多而供水少則水壓低，用水少而供水多則水壓高。為保證小區的供水正常，可以利用PLC配以不同功能的傳感器，根據網管的壓力，通過變頻器控制水泵的轉速，使水管中的壓力始終保持在合適的范圍。
理論分析
根據變頻調速恒壓供水系統的特點，本文變頻調速恒壓供水系統控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的、模型不穩定的對象。對它的控制仍屬于工業過程控制的范疇，它以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上。
從系統的原理上圖中可以看出，在系統運行過程中，如果實際供水壓力Pf低于設定壓力Ps，控制系統將得到正的壓力差△P，這個差值經過計算和轉換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵機組的轉速減小，實際供水壓力因此而減少。同樣，最后調節的結果是實際供水壓力和設定壓力相等。
變頻調速恒壓供水系統的硬件設計
本文的供水系統要適用生活水、工業用水以及消防等多種場合的供水，我們以四臺水泵（三臺主泵和一臺附屬小泵）組成的供水系統為例，其原理框圖如下圖所示。
從原理框圖，我們可以看出變頻調速恒壓供水系統由執行機構、信號檢測、控制系統、人機界面、通訊接口以及報警裝置等部分組成。
供水控制系統安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統)、變頻器和電控設備三個部分。
(1)供水控制器：它是整個變頻恒壓供水控制系統的核心。供水控制器直接對系統中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執行機構（即水泵）進行控制。
(2)變頻器：它是對水泵進行轉速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。
(3)電控設備：它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換及就地/集中等工作。
變頻調速恒壓供水系統的控制流程
整個變頻恒壓供水控制系統要根據檢測到的輸入信號的狀態、按照系統的控制流程、通過變頻調速器和執行元件對水泵組進行控制實現恒壓供水目的。其需要完成的控制流程如下圖所示。其控制流程如下：
(1)系統上電，按照接收到有效的自控系統啟動信號后，首先啟動變頻器拖動水泵MI（可以是M2，M3，這里以Ml為例），通過恒壓控制器，根據用戶管網實際壓力和設定壓力的誤差調節變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉速，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩定到某一定值，這期間M1工作在調速運行狀態。
(2)當用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環和恒壓控制器，增加水泵的轉速到另一個新的穩定值，反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環和恒壓控制器，減小水泵的轉速到另一個新的穩定值。
(3)當用水量繼續增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率50Hz時，若此時用戶管網的實際壓力還未達到設定壓力，并且滿足增加水泵的條件時，在變頻固定式的控制方式下，系統將變頻器的輸出的頻率降為下限頻率的同時開啟一臺恒速水泵。在變頻循環式的控制方式下，系統將電機Ml切換至工頻電網供電后，Ml恒速運行，同時使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運行，系統恢復對水壓的閉環調節，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續增加，滿足增加水泵的條件，將繼續發生如上轉換，并有新的水泵投入并聯運行。當最后一臺水泵M3投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率50Hz時，壓力仍未達到設定值時，控制系統就會發出水壓超限報警。
(4)當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網的實際壓力水壓仍高于設定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統將先運行的那臺恒速水泵關掉，恢復對水壓的閉環調節，使壓力重新達到設定值。當用水量繼續下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續發生如上轉換，直到剩下一臺變頻泵運行為止。
(5)當系統中只有調速泵在工作，而調速泵的運行頻率已降至下限頻率時，且滿足關泵條件，此時關閉調速泵。系統進入靠附屬小泵進行少量補水的狀態。在這種情況下，若實際壓力低于設定壓力，則延時后開啟附屬小泵進行補水，附屬小泵開啟后，若實際壓力高于附屬小泵的工作壓力（設定壓力+附屬小泵啟停壓力誤差），則關掉附屬小泵。待實際壓力再次低于設定壓力后，重復上述過程。在附屬小泵開啟后，壓力達不到設定壓力，則經過一定的延時后，關掉附屬小泵，開啟調速泵進行控制，工作過程同2、3、4。
變頻調速恒壓供水系統的軟件設計本系統的程序是建立在變頻恒壓供水的方案和控制流程基礎上的，按照PLC應用的步驟開發完成的。系統運行主程序首先要進行一系列的初始化工作，并使擴展模塊（通訊模塊、A/D模塊等）、觸摸屏、變頻器等設備與PLC的數據傳輸正常。在系統運行過程中要及時進行故障檢測，以防止設備損壞和意外發生；當出現故障時，要在觸摸屏上及時顯示并進行報警輸出，方便維修人員維修，有利于系統恢復正常工作。無故障情況下，在觸摸屏上顯示設定壓力和實際壓力，系統自動啟動后，進行恒壓控制。其流程框圖如下圖所示。
結語
通過現場工業試驗表明，該設計提高了系統的穩定性、可靠性以及可擴容性。將數字PID控制技術引入該系統，提高系統的控制性能和性價比：同時在系統中引入人機界面，提高了系統的可視性和可操作性。
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