维修电工技师论文：典型的变频恒压供水自动控制系统分析

典型的变频恒压供水自动限制系统分析摘要随着社会的发展和时代的进步，城市高层建筑和智能小区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障碍；另一方面要求保证供水的牢靠性和平安性。针对这两方面的要求，出现了一种新的智能供水方式，这就是采纳PLC和变频器限制的恒压供水系统。本文分析的是以供水变频泵为限制对象，采纳PLC和变频器两种高科技产品与继电—接触器传统限制技术相结合，设计的一套自动限制系统。该系统对传统的水塔供水系统进行自动化改造供应了新的思路。关键词：变频恒压供水；PLC；变频器；自动限制系统；分析传统的供水方式普遍不同程度的存在奢侈水力、电力资源；效率低；牢靠性差；自动化程度不高等缺点，严峻影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动牢靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定牢靠的限制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特殊是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代限制技术于一体。采纳该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和牢靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今日尤为重要，所以探讨设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。典型的变频恒压供水自动限制系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采纳变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采纳“先启先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而限制变频器的输出电压和频率，进而变更水泵电机的转速来变更供水量，最终保持管网压力稳定在设定值旁边。本系统主要由变频器、可编程限制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调整系统。本设计中有1个贮水池，3台水泵，采纳部分流量调整方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器限制下作变速运行，其余水泵做恒速工频运行。PLC依据管网压力自动限制各个水泵之间切换，并依据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器限制其输出频率，调整流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。一、工艺分析及限制要求1.1工艺分析PLC限制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程限制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调整系统，该系统的限制流程图如图1.1所示：图1.1变频恒压供水系统限制流程图变频恒压供水系统以供水出口管网水压为限制目标，在限制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压限制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。变频恒压供水系统的结构框图如图1.2所示：图1.2变频恒压供水系统框图恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必需通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，限制变频器的输出频率，从而限制电动机的转速，进而限制水泵的供水流量，最终运用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。1.2限制要求基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：(1)由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采纳白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。白天，小区的用水量大，系统高恒压值运行；夜间，小区用水量小，系统低恒压值运行。(2)在用水量小的状况下，假如一台水泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避开某一台水泵工作时间过长。倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的状况下。(3)考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。(4)三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动限制功能，手动只在应急或检修时临时运用。(5)系统要有完善的报警功能。二、变频恒压供水限制系统及硬件设计2.1网络结构设计网络结构采纳环型拓扑型式,总体结构采纳三层网络结构模式,分别为调度指挥限制中心以太网、1000M工业以太网及接入系统网络。系统由主干千兆光纤工业以太环网、调度指挥限制中心骨干路由网关、工业以太网交换机以及连接用光纤、光配等组成。主干网络的布置以调度室和水厂的交换机为核心,其它子系统交换机为系统以后的改造、信号的上传预留接口,全部交换机形成环网,并通过光纤彼此相连,从而使得各个子系统的信号可以汇总传送到调度室交换机上。交换机采纳西门子SCALANCEX-400工业交换机。工业以太网络采纳西门子的最新工业以太网技术PROFINET网络化系统,实现网络的高牢靠性、丰富的网络管理功能、模块化结构和较少的协议转换功能。2.2PLC硬件设计PLC是整个变频恒压供水限制系统的核心，它要完成对系统中全部输入号的采集、全部输出单元的限制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的实力和编程软件的便利与否等多方面因素。由于恒压供水自动限制系统限制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。PLC和上位机的通信采纳PC/PPI电缆，支持点对点接口(PPI)协议，PC/PPI电缆可以便利实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令爱护，可以对程序实施平安爱护。依据限制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有肯定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中须要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以须要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。2.3电气原理图典型的变频恒压供水自动限制系统主电路图如图2.1所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器KM1、KM3、KM5分别限制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别限制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载爱护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。本系统采纳三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器限制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的状况下，假如变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避开某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮番做变频泵。图2.1变频恒压供水自动限制系统主电路图2.4I/O地址安排依据以上限制要求统计限制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表2.1所示：表2.1输入输出点代码及地址编号名称代码地址编号输入信号供水模式信号(1-白天，0-夜间)SA1I0.0水池水位上下限信号SLHLI0.1变频器报警信号SUI0.2试灯按钮SB7I0.3压力变送器输出模拟量电压值UpAIW0输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯KM1、HL1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM2、HL2Q0.12#泵工频运行接触器及指示灯KM3、HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM4、HL4Q0.33#泵工频运行接触器及指示灯KM5、HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM6、HL6Q0.5输出信号水池水位上下限报警指示灯HL7Q1.1变频器故障报警指示灯HL8Q1.2白天模式运行指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器频率复位限制KAQ1.5变频器输入电压信号UfAQW0PLC及扩展模块外围接线图，如图2.2所示：图2.2PLC及扩展模块外围接线图本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字量和1个模拟量。压力变送器将测得的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关SA1用来限制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入I0.0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入窗口比较器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平1，送入I0.1；变频器的故障输出端与PLC的I0.2相连，作为变频器故障报警信号；开关SB7与I0.3相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作。本变频恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。Q0.0~Q0.5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1输出水位超限报警信号；Q1.2输出变频器故障报警信号；Q1.3输出白天模式运行信号；Q1.4输出报警电铃信号；Q1.5输出变频器复位限制信号；AQW0输出的模拟信号用于限制变频器的输出频率。PLC程序参考文献[1]李丽敏,叶洪海,张玲玉.PLC恒压供水系统的设计[J].自动化与仪器仪表.2008(01)[2]李巧红.基于PLC的恒压供水系统探讨[J].中国科技信息.2008(20)[3]李贵生.基于PLC的恒压供水自动限制系统