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恒压调速供水系统概述

供稿:Z&啸傲江湖 2006/1/20 17:50:00

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本设计的内容是PLC控制的恒压供水系统,主要用到了PLC和变频器,系统采用变频调速方式自动调节水泵电机的速度,改变了以往先启后停的方式,系统能够自动和手动完成各个泵的启动、停止和无冲击切换,以及故障报警,使水压平稳过渡。
  在恒压供水控制系统设计中,对变频器控制也进行了必要的讲解。包括变频原理,变频器的分类以及参数的设定。其硬件由PLC、变频器、电机、继电器等组成。详细的论述了PLC的原理、变频器的原理、硬件设计、软件设计;操作、参数设定、控制系统图的设计。
在设计中利用PLC控制变频器,采用PID控制器,形成以压力为闭环的控制系统,从而实现供水压力的恒定,而泵的启动和停止可以自动和手动来实现的。该系统运行可靠,抗干扰性强,且具有经济性。【关键词】可编程控制器(PLC);变频器;继电器;PID控制器  随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质的不断提高,变频恒压供水系统以逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。然而,由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备,所以,此技术用在对原有系统的改造过程中,既可以体现变频控制恒压供水的优势,又可以尽量保留原有的设备,有效的节省了大量的资金,并且可以保证系统的可靠的运行。1.1变频调速恒压供水设计方案  通过安装在出水管网上的压力传感器,把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器,经运算与给定的压力进行比较,得出一比较参数,送给变频器,由变频器控制电机的转速,调节系统的供水量,使供水管网上的压力保持在给定的压力上,当用水量超过一台泵的供水量时,通过PLC控制切换器进行加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速,实现恒压供水。当供水负载变化时,输入电机的电压和频率也随之变化,这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外,系统还设有多种保护功能,充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。
  图1-1为变频恒压供水系统。其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源,实现电机的无极调速,从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压,压力设定单元为系统提供满足用户需求的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后,经可编程控制器内部PID控制程序的计算,输出给变频器一个转速控制信号。还有一种方法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器,由PID回路调节器在调节器内部进行运算后,输出给变频器一个转速调节信号,如图1-1中虚线所示。供水设备控制1—3台水泵,在这些水泵中,只有一台变频泵。当供水设备供电开始时,先启动变频泵,管网水压达到设定值时,变频器的输出频率则稳定在这一数值上。而当用水量增加,水压降低时,传感器将这一信号送入可编程控制器或PID回路调节器,可编程控制器或PID回路调节器则送出一个比用水量增大的信号,使变频器的输出频率上升,水泵的转速提高,水压上升。如果用水量增加很多,使变频器的输出频率达到最大值,仍不能使管网水压达到设定值,可编程序控制器或PID回路调节器就发出控制信号,启动一台工频泵,其他泵依次类推。反之,当用水量减少,变频器的频率达到最小值时,则发出减少一台工频泵的信号,其他泵依次类推。图1-1中M1-M3为电机,P1-P3为水泵,KM1-KM6为电机起、停、互相切换的交流接触器。

图1-1变频恒压供水系统
图1-1变频恒压供水系统

  由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的,所以对可编程来讲,要有模拟量输入接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高,这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带模拟量输入/输出接口的可编程控制器,则要在可编程器的数字量输出口另接一块PWM调制板,还增加了连线和附加设备,降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出接口的可编程控制器和一个PID回路调节器,其成本也和带模拟量输入/输出接口的可编程控制器差不多。所以,在变频器调速恒压给水控制设备中,PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。
  针对传统的变频调速供水的不足之处,国外不少生产厂商近年来纷纷推出一系列的新型产品,如ABB公司的ACS600、ACS400系列产品,富士公司的G11S/P11S系列产品。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内,形成了带有各种应用宏的新型。1.2变频恒压供水控制方式众所周知,水泵消耗与转速的三次方成正比。即:
N=Kn3
N:为水泵消耗功率;
K:为比例系数
  水泵设计是按工频运行时设计的,但除用水高峰外,大部分时间流量较小,因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化,最终达到节能的目的。实践证明,使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%,从而大大降低能耗,节能率可达20%--40%。
  目前国内各厂家的供水设备电控柜,除采用落后的继电接触器控制方式外,大致有以下四类:(1)逻辑电子电路控制方式:
  这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。往往采用一台泵固定于变频状态,其余泵均为工频工作 状态的方式。因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵启动时有冲击、抗干扰能力较低,但成本较低。(2)单片机电路控制方式:
  这类控制电路优于逻辑电路,但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦,追加功能时往往要对电路进行修改,不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。(3)带PID回路调节器和/或可编程序控制器(PLC)的控制方式:
  此时变频器的作用是为电机提供可变频率的电源,实现无极调速,从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后,经可编程控制器内部PID控制程序的计算,输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器,由PID回路调节器内部进行运算后,输入给变频器一个调速信号。(4)新型变频调速供水设备
  针对传统的变频调速供水设备的不足之处,国内外不少生产厂家纷纷推出了一系列新型产品。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器,形成了带有各种应用宏的变频器,由于PID运算在变频器内部,这就省去对可编程存控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程,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。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法。所以使水压的调节十分平滑,稳定。同时,为了保证水压信号反馈信号值的准确、不失信,可对该信号设置滤波时间常数,同时还可对反馈信号进行换算,使系统的调试非常简单、方便。恒压供水控制系统总体设计1 恒压供水控制系统的设计   本设计综合PLC在多方面的应用,既有开关量I/O,也有模拟量I/O,及其PID调节器的使用。另外,设计中还使用了变频器控制。
工艺过程
  随着社会的发展和进步,城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面要求提高供水质量,不要因为压力的波动造成供水的障碍;另一方面要求保证供水的安全性和可靠性,提高供水质量。针对这方面的要求,本设计以 PLC丰富的控制功能,达到系统设计要求。
本设计为三台水泵的恒压供水控制系统。工艺过程如图4-1所示。


  市水网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1,它们自动把水注满储水池,只要水位低于高水位,则自动往水箱中注水。水池的高/低水位信号由传感器直接送给PLC,作为低水位报警用。为了保证供水的连续性,水位上下限传感器的高低距离不是相差很大。三台水泵根据用水量的多少,按一定的控制逻辑运行,使供水在恒压状态下进行。系统控制要求
对三台泵恒压供水的基本控制要求:
(1)系统开始供水时,变频运行;
(2)三台泵根据恒压的需要,采取“先开先停”的原则接入和退出;
(3)在用水量小的情况下,如果一台泵连续运行时间超过3小时,则要切换到下一台泵,即系统具有“倒泵功能”可避免某一台泵长时间工作;
(4)三台泵启动时有延时,减小电流过大时对其他用电设备的冲击;
(5)要有完善的报警功能;
(6)对电机的操作要有手动和自动两种控制功能。传感器选用
  采用FT-1压力传感器,FT-1E液位传感器,均将4-20mA的压力、液位信号送入PLC。变频器选用
  变频器采用ABB公司的ACS400变频器,该产品具有矢量控制,过流、过压、变频器热保护、电机热保护、失速、瞬时关断保护、外部故障、脉冲编码 、 电机过载(V/F)、变频器过载保护等功能。通过PLC模拟量输出端子来控制变频器的频率及其复位操作,从而达到电机速度跟随压力给定,保证管网水压的恒定。变频器参数设定
表4-1变频器参数表



控制系统的I/O点及地址分配
  控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如表4-1所示。水位上下限信号分别为I0.1、I0.2,它们在水淹没时为0,露出时为1。
表4-1 输入/输出点代码和地址编号

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