恒壓供水系統(tǒng)控制__設(shè)計報告

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著社會的發(fā)展，恒壓供水越來越重要。本系統(tǒng)以PLC與變頻器控制水泵工作，根據(jù)壓力給定的理想值信號及管網(wǎng)水壓的反饋信號進行比較，變頻器根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達到控制管網(wǎng)水壓的目的。文中重點敘述了變頻節(jié)能原理，恒壓供水原理及PID控制方式。并提供控制系統(tǒng)硬件和控制軟件，經(jīng)現(xiàn)場模擬調(diào)試成功，實現(xiàn)運行可靠、節(jié)能、低噪，維護簡單等效

2、果。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 恒壓供水；PLC控制；閉環(huán)PID</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of society, more and more important in the constant pressure water supply. This

3、system uses PLC and inverter control pump working pressure, according to the given ideal value signal and pressure of the pipe network compares the feedback signal, frequency converter according to the compared result, a

4、djust the pump speed, to control the pressure of the pipe network for the purpose of. This paper mainly describes the energy saving principle of variable frequency, constant press</p><p>　　Key Words：Constant

5、 pressure water supply；PLC control；Closed loop PID</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市人口和城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模不斷擴大，高層建筑與日俱增。對水、電、消防、智能化等基礎(chǔ)供應(yīng)配套要求也越來越高。如何有效提高高層建筑給水系統(tǒng)能量利用率，減少無效能耗，成為了高層建筑給水設(shè)

6、計的首要問題。傳統(tǒng)的供水方式有恒速泵加壓供水、恒速泵加水塔的供水、恒速泵加高位水箱的供水和恒速泵-氣壓罐供水方式。雖然這些供水方式比較簡單，但是由于其占地面積大、自動化程度低、耗能不合理、適應(yīng)性差、維護不方便等原因不僅造成水資源和電資源的浪費，而且還會帶來水質(zhì)的二次污染。因此，我國目前更多的采用變頻恒壓供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體的變頻恒壓供水系統(tǒng)，不僅可以顯著提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且也有

7、利于實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控。此外，變頻恒壓供水系統(tǒng)還具有良好的節(jié)能性，這在大力提倡節(jié)能的今天尤為重要。本系統(tǒng)研究和設(shè)計小區(qū)供水系統(tǒng)電氣控制， 滿足2000人600住戶小區(qū)生活用水和7層消防供水。利用PLC和HMI實現(xiàn)組態(tài)控制，以達到節(jié)能環(huán)保、控制系統(tǒng)可靠、操作方便、顯示直觀。采用以FX2N-32MR為主控器的控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)水壓自動控制及變頻與工頻自</p><p>　　2 恒壓供水技術(shù)和優(yōu)點</p

8、><p><b>　　2.1工作原理</b></p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵機組、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。通過傳感器反饋水壓調(diào)節(jié)變頻器輸出，進而調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。</p><p><b>　　2.2泵節(jié)能理論</b&

9、gt;</p><p>　?。?) 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性:是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔珦P程與流量間的關(guān)系的曲線H1=f(QG)，稱為揚程特性曲線，如圖1曲線（1）所示。</p><p>　　（2）管阻特性：以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，揚程H與流量Q之間的關(guān)系H=f(Qu)，稱為管阻特性曲線，不同閥門開度，管阻特性曲線不同。如圖2-1曲線（2）所示。</p>

10、;<p>　　（3) 供水系統(tǒng)的工作點:揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，在這一點上，供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。</p><p>　?。?) 供水功率:供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率P (KW)稱為供水功率。</p><p><b>　　圖2－1</b></p><p>　　供水系統(tǒng)的控制，流量是

11、供水系統(tǒng)的基本控制對象。當用戶需求發(fā)生變化時，需要對供水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。</p><p>　　(1）閥門控制法：轉(zhuǎn)速保持不變，通過關(guān)小或開大閥門不調(diào)節(jié)流量，以適應(yīng)用戶對流量的需求。這時的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。</p><p>　　(2)轉(zhuǎn)速控制法：閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。當水泵

12、的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。</p><p>　　由水泵的相似定律又稱為比例定律可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著, 這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本方面。</p><p>　　2.3 恒壓供水的優(yōu)點</p><p>　　恒壓供水技術(shù)

13、因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。</p><p>　　由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。</p><p>　　水泵電動機采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網(wǎng)電

14、壓造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。徹底消除水錘現(xiàn)象。</p><p>　　實現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節(jié)省了人力。</p><p>　　3 自動控制系統(tǒng)的原理</p><p>　　在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能

15、完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。</p><p>　　利用負反饋原理，通過壓力傳感器反饋水管壓力，然后跟設(shè)定壓力進行比較得到一個差值，通過D/A轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)變頻器輸出,從而改變電機的轉(zhuǎn)速,管道壓力隨

16、之改變,反饋壓力也改變,使管道壓力越來越接近給定值，從而實現(xiàn)了恒壓控制。當用水量增加，管道壓力減小，反饋壓力減小，差值變大，調(diào)節(jié)變頻器輸出使頻率增大，水泵加速管道壓力隨之增大，越來越接近設(shè)定值，實現(xiàn)恒壓。</p><p>　　4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　4.1 電路控制方案</p><p>　　本系統(tǒng)運用三菱PLC FX2N－32MR，A/D、

17、D/A模塊FX0N－3A，三菱變頻器FR500，臺達觸摸屏及傳感器實現(xiàn)了恒壓供水。主控制器PLC FX2N－32MR采集來自各個部件（故障、狀態(tài)輸入,A/D模塊,人機界面）的信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理輸出，經(jīng)過D/A模塊轉(zhuǎn)換來控制變頻器工作，實現(xiàn)水泵的調(diào)頻調(diào)速以來達到恒壓控制。人機界面既可以對工作水壓進行設(shè)置也可以顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。</p><p><b>　　4.2 系統(tǒng)硬件</b></

18、p><p>　　4.2.1 控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖4－2－1－1主電路接線圖</p><p>　　圖4－2－1－2控制電源接線</p><p>　　圖4－2－1－3PLC 信號輸入與信號輸出接線</p><p>　　圖4-2－1－4 控制系統(tǒng)I/O口分配</p><p>　　4.2.

19、2 電氣設(shè)計與選擇</p><p>　　表4－2－2－1元件清單</p><p>　　4.2.3 系統(tǒng)接線圖 </p><p>　　圖4－2－3－1輸入電路接線</p><p>　　圖4－2－3－2輸出電路接線</p><p><b>　　利用續(xù)流二極管VD</b></p><

20、p>　　利用RC電路 以消除電感能量</p><p><b>　　濾波和接地</b></p><p><b>　　數(shù)字信號地 DG</b></p><p><b>　　模擬信號地 AG</b></p><p><b>　　保護接地 PE</b>&l

21、t;/p><p><b>　　屏蔽地</b></p><p><b>　　圖4－2－3－3</b></p><p><b>　　4.3 系統(tǒng)軟件</b></p><p><b>　　程序框圖</b></p><p>　　首先進行系統(tǒng)初始

22、化，然后選擇系統(tǒng)運行方式手動和自動模式。然后進行采樣，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理輸出，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率以達到恒壓效果。</p><p>　　4.3.1 系統(tǒng)程序</p><p>　　A/D、D/A模塊接口子程序</p><p>　　圖4-3-1-1A/D、D/A模塊接口子程序</p><p>　　b0=0選擇A/D通道1</p>

23、<p>　　b0=1選擇A/D通道2</p><p>　　b1=0→1開啟A/D通道</p><p>　　B2=1→0開啟D/A通道</p><p>　　前三行為模擬輸入，K0寫入BFM#17，選擇A/D輸入通道1，K2寫入BFM#17，啟動通道1的A/D轉(zhuǎn)換處理，F(xiàn)ROM為讀取BFM#0，把通道1的當前值存入寄存器D210</p>&l

24、t;p>　　讀取模擬輸入通道所需的時間TAD按如下計算：</p><p>　　TAD=（TO指令處理時間）*2+（RROM指令處理時間）</p><p>　　后三行為模擬輸出，D200寫入BFM#16，這將轉(zhuǎn)換成模擬輸出，K4寫入BFM#17，啟動D/A轉(zhuǎn)換處理。</p><p>　　寫入模擬輸入通道所需的時間TAD按如下計算：</p><

25、p>　　TAD=（TO指令處理時間）*3</p><p><b>　　PID指令</b></p><p>　　D120 采樣時間 1-32767 ms </p><p>　　D121 （ 反動作方向b0=1 ）</p><p>　　D122 輸入濾波 0-99%&

26、lt;/p><p>　　D123 比例增益 1-32767%</p><p>　　D124 積分時間 （1-32767）100 ms</p><p>　　D125 微分增益 1-100%</p><p>　　D126 微分時間 （1-32767）100 ms<

27、/p><p>　　D500為給定值，D210為反饋值，D120為表多，D200為輸出值</p><p>　　4.3.2 變頻器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　變頻器為單相變頻器，按圖連接變頻器線路，輸入電壓L、N接220V，輸出接電機U、V、W；頻率外調(diào)“10”，“2”“5”接電位器；</p><p>　　設(shè)置參數(shù)，在P79=“1”情況下顯示“PU

28、”設(shè)定有關(guān)參數(shù)，P1=45，P2=10HZ（上限頻率），P3=50HZ(下限頻率),P7=2S（加速時間）、P8=3S（減速時間）、P19=220；</p><p><b>　　運行</b></p><p>　　在“EXT”情況下，啟動變頻器，調(diào)節(jié)頻率，P79=“2”。</p><p>　　4.3.3 人機界面設(shè)計</p><

29、;p>　　管道壓力通過5V電源和電位器的結(jié)合進行模擬調(diào)節(jié)</p><p><b>　　觸摸屏控件如下：</b></p><p><b>　　觸摸屏輸出部分：</b></p><p>　　Y0：1號泵允許指示；Y1：2號泵允許指示；T20：1號泵故障；T21：</p><p>　　2號泵故障；D

30、101：當前水壓；D502:泵累計運行時間；D102:電動機的轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　觸摸屏輸入部分：</b></p><p>　　M500：自動啟動；M100:手動1號泵；M101:手動2號泵；M102：停止；M103：運行時間復(fù)位；M104:清楚報警；D500：水壓設(shè)定；</p><p><b>　　4.4 調(diào)試<

31、/b></p><p>　　計算機（上位機）作為編程通過專用通信電纜與PLC（下位機）進行通信。在連接或斷開專用電纜時，應(yīng)關(guān)閉控制電源；同時須注意專用電纜接插頭插入的位置，否則易損壞上述儀器設(shè)備。</p><p>　　在進行現(xiàn)場調(diào)試時應(yīng)逐級調(diào)試，即先軟件，再硬件；先弱電，再強電；先低壓，再高壓；先輸入，再輸出；先開環(huán)，再閉環(huán)；先電氣，再機械。PLC的輸入和輸出的公共端COM必須分開，

32、不能直接連接。</p><p><b>　　5 結(jié)語</b></p><p>　　本文闡明了恒壓供水系統(tǒng)基于PLC的變頻調(diào)速節(jié)能原理，接著分析了系統(tǒng)原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。實踐證明采用變頻器調(diào)速技術(shù)，不僅節(jié)約能源，并改善了操作人員的工作環(huán)境，而且對于提高整個系統(tǒng)的自動化水平有著很大的作用，調(diào)試簡單，操作方便使用安全，運行可靠等都有顯著的效果。</p>&l

33、t;p>　　由于本設(shè)計基于數(shù)量較少的泵組運行，因此有著一定的局限性。不得不承認分析設(shè)計與測試中仍存在一些問題，還需要進一步優(yōu)化完善控制系統(tǒng)的功能設(shè)計。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 冉翔.變頻調(diào)速技術(shù)在恒壓供氣系統(tǒng)中的應(yīng)用.[J] 電氣傳動自動化, 2009,6（31）:36-49</p><p&g

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