基于plc控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)介紹
2013-7-8 15:31:19??????點(diǎn)擊：
基于plc控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)介紹
日常的生活用水量隨季節(jié)、晝夜、上下班的時(shí)間不同而有較大變化，因而經(jīng)常出現(xiàn)供水用水的不平衡，主要表現(xiàn)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(qū)的供水正常，可以利用PLC配以不同功能的傳感器，根據(jù)網(wǎng)管的壓力，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，使水管中的壓力始終保持在合適的范圍。
理論分析
根據(jù)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象。對(duì)它的控制仍屬于工業(yè)過程控制的范疇，它以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。
從系統(tǒng)的原理上圖中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果實(shí)際供水壓力Pf低于設(shè)定壓力Ps，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差△P，這個(gè)差值經(jīng)過計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過程中該過程將被重復(fù)，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運(yùn)行過程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減少。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。
變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
本文的供水系統(tǒng)要適用生活水、工業(yè)用水以及消防等多種場(chǎng)合的供水，我們以四臺(tái)水泵（三臺(tái)主泵和一臺(tái)附屬小泵）組成的供水系統(tǒng)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(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、通訊接口以及報(bào)警裝置等部分組成。
供水控制系統(tǒng)安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。
(1)供水控制器：它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即水泵）進(jìn)行控制。
(2)變頻器：它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。
(3)電控設(shè)備：它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換及就地/集中等工作。
變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制流程
整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據(jù)檢測(cè)到的輸入信號(hào)的狀態(tài)、按照系統(tǒng)的控制流程、通過變頻調(diào)速器和執(zhí)行元件對(duì)水泵組進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)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(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)水泵MI（可以是M2，M3，這里以Ml為例），通過恒壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間M1工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。
(2)當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值，反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。
(3)當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件時(shí)，在變頻固定式的控制方式下，系統(tǒng)將變頻器的輸出的頻率降為下限頻率的同時(shí)開啟一臺(tái)恒速水泵。在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將電機(jī)Ml切換至工頻電網(wǎng)供電后，Ml恒速運(yùn)行，同時(shí)使第二臺(tái)水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投入并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)最后一臺(tái)水泵M3投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。
(4)當(dāng)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(wǎng)的實(shí)際壓力水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將先運(yùn)行的那臺(tái)恒速水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下一臺(tái)變頻泵運(yùn)行為止。
(5)當(dāng)系統(tǒng)中只有調(diào)速泵在工作，而調(diào)速泵的運(yùn)行頻率已降至下限頻率時(shí)，且滿足關(guān)泵條件，此時(shí)關(guān)閉調(diào)速泵。系統(tǒng)進(jìn)入靠附屬小泵進(jìn)行少量補(bǔ)水的狀態(tài)。在這種情況下，若實(shí)際壓力低于設(shè)定壓力，則延時(shí)后開啟附屬小泵進(jìn)行補(bǔ)水，附屬小泵開啟后，若實(shí)際壓力高于附屬小泵的工作壓力（設(shè)定壓力+附屬小泵啟停壓力誤差），則關(guān)掉附屬小泵。待實(shí)際壓力再次低于設(shè)定壓力后，重復(fù)上述過程。在附屬小泵開啟后，壓力達(dá)不到設(shè)定壓力，則經(jīng)過一定的延時(shí)后，關(guān)掉附屬小泵，開啟調(diào)速泵進(jìn)行控制，工作過程同2、3、4。
變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的程序是建立在變頻恒壓供水的方案和控制流程基礎(chǔ)上的，按照PLC應(yīng)用的步驟開發(fā)完成的。系統(tǒng)運(yùn)行主程序首先要進(jìn)行一系列的初始化工作，并使擴(kuò)展模塊（通訊模塊、A/D模塊等）、觸摸屏、變頻器等設(shè)備與PLC的數(shù)據(jù)傳輸正常。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中要及時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè)，以防止設(shè)備損壞和意外發(fā)生；當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，要在觸摸屏上及時(shí)顯示并進(jìn)行報(bào)警輸出，方便維修人員維修，有利于系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。無故障情況下，在觸摸屏上顯示設(shè)定壓力和實(shí)際壓力，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)后，進(jìn)行恒壓控制。其流程框圖如下圖所示。
結(jié)語
通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及可擴(kuò)容性。將數(shù)字PID控制技術(shù)引入該系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的控制性能和性價(jià)比：同時(shí)在系統(tǒng)中引入人機(jī)界面，提高了系統(tǒng)的可視性和可操作性。
