恒压供水控制系统研究分析

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1、摘要随着社会的发展，恒压供水越来越重要。本系统以PLC与变频器控制水泵工作，根据压力给定的理想值信号及管网水压的反馈信号进行比较，变频器根据比较结果调节水泵的转速，达到控制管网水压的目的。文中重点叙述了变频节能原理，恒压供水原理及PID控制方式。并提供控制系统硬件和控制软件，经现场模拟调试成功，实现运行可靠、节能、低噪，维护简单等效果。关键词： 恒压供水；PLC控制；闭环PIDAbstractWith the development of society, more and more important in the constant pressure water supply. This s

2、ystem 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, adjust the pump speed, to control the pressure of the pipe network for the purpose

3、 of. This paper mainly describes the energy saving principle of variable frequency, constant pressure water supply theory and PID control. And provides the control system hardware and control software, the simulation debugging success, to achieve reliable operation, energy saving, low noise, simple

4、maintenance and effect.Key Words：Constant pressure water supply；PLC control；Closed loop PID1 引言 随着我国社会经济的发展，城市人口和城镇建设规模不断扩大，高层建筑与日俱增。对水、电、消防、智能化等基础供应配套要求也越来越高。如何有效提高高层建筑给水系统能量利用率，减少无效能耗，成为了高层建筑给水设计的首要问题。传统的供水方式有恒速泵加压供水、恒速泵加水塔的供水、恒速泵加高位水箱的供水和恒速泵-气压罐供水方式。虽然这些供水方式比较简单，但是由于其占地面积大、自动化程度低、耗能不合理、适应性差、维护不方便

5、等原因不仅造成水资源和电资源的浪费，而且还会带来水质的二次污染。因此，我国目前更多的采用变频恒压供水系统。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体的变频恒压供水系统，不仅可以显著提高供水系统的稳定性和可靠性，而且也有利于实现供水系统的集中管理与监控。此外，变频恒压供水系统还具有良好的节能性，这在大力提倡节能的今天尤为重要。本系统研究和设计小区供水系统电气控制， 满足2000人600住户小区生活用水和7层消防供水。利用PLC和HMI实现组态控制，以达到节能环保、控制系统可靠、操作方便、显示直观。采用以FX2N-32MR为主控器的控制系统设计，实现水压自动控制及变频与工频自动切换，

6、并且用台达触摸屏为人机界面实现水压设置、系统状况显示，更加直观，用三菱变频器FR-A540驱动水泵的电机，实现工频变频运转，达到恒压变频的功效，在小区供水上达到节能的效果。2 恒压供水技术和优点2.1工作原理变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵机组、电动机、管道和阀门等构成。通过传感器反馈水压调节变频器输出，进而调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。2.2泵节能理论（1) 供水系统的基本特性和工作点扬程特性:是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，全扬程与流量间的关系的曲线H1=f(QG)，称为扬程特性曲线，如图1曲线（1）

7、所示。（2）管阻特性：以水泵的转速不变为前提，扬程H与流量Q之间的关系H=f(Qu)，称为管阻特性曲线，不同阀门开度，管阻特性曲线不同。如图2-1曲线（2）所示。（3) 供水系统的工作点:扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，在这一点上，供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。（4) 供水功率:供水系统向用户供水时所消耗的功率P (KW)称为供水功率。图21供水系统的控制，流量是供水系统的基本控制对象。当用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。(1）阀门控制法：转速保持不变，通过关小或开大阀门不调节流量，以适应用户

8、对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。(2)转速控制法：阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。由水泵的相似定律又称为比例定律可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著, 这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本方面。2.3 恒压供水的优点1、 恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。2

9、、 由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。3、 水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。彻底消除水锤现象。4、 实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。3 自动控制系统的原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结

10、构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。 利用负反馈原理，通过压力传感器反馈水管压力，然后跟设定压力进行比较得到一个差值，通过D/A转换调节变频器输出,从而改变电机的转速,管道压力随之改变,反馈压力也改变,使管道压力越来越接近给定值，从而实现了恒压控制。当用水量增加，管道压力减小，反馈压力减小，差值变大，调节变频器输出使频率增大，水泵加速管道压力随之增大，越来越接近设定值，实现恒压。4 电气控制系统设计与实现4.1 电路控制方案 本系统运用三菱PLC FX2N32

11、MR，A/D、D/A模块FX0N3A，三菱变频器FR500，台达触摸屏及传感器实现了恒压供水。主控制器PLC FX2N32MR采集来自各个部件（故障、状态输入,A/D模块,人机界面）的信号，经过数据处理输出，经过D/A模块转换来控制变频器工作，实现水泵的调频调速以来达到恒压控制。人机界面既可以对工作水压进行设置也可以显示系统的工作状态。4.2 系统硬件4.2.1 控制系统原理图图4211主电路接线图图4212控制电源接线图4213PLC 信号输入与信号输出接线图4-214 控制系统I/O口分配4.2.2 电气设计与选择表4221元件清单器件名称型号数量可编程控制器三菱FX2N-32MR1变频器

12、三菱FR5001触摸屏台达DOPA571交流接触器CJ20-40-2203空气开关DZ47-60D30/3P1开关电源220-24 5W1压力传感器1按钮开关LA19-103熔断器RTO-2A 24VDC1熔断器RTO-2A 250VAC1导线BVR-10mm2若干导线BVR-2.5mm2若干4.2.3 系统接线图 图4231输入电路接线图4232输出电路接线利用续流二极管VD利用RC电路 以消除电感能量滤波和接地数字信号地 DG模拟信号地 AG保护接地 PE屏蔽地 图42334.3 系统软件程序框图首先进行系统初始化，然后选择系统运行方式手动和自动模式。然后进行采样，经过数据处理输出，经过数

13、模转换，调节变频器输出频率以达到恒压效果。4.3.1 系统程序A/D、D/A模块接口子程序图4-3-1-1A/D、D/A模块接口子程序b0=0选择A/D通道1b0=1选择A/D通道2b1=01开启A/D通道B2=10开启D/A通道前三行为模拟输入，K0写入BFM#17，选择A/D输入通道1，K2写入BFM#17，启动通道1的A/D转换处理，FROM为读取BFM#0，把通道1的当前值存入寄存器D210 读取模拟输入通道所需的时间TAD按如下计算： TAD=（TO指令处理时间）*2+（RROM指令处理时间） 后三行为模拟输出，D200写入BFM#16，这将转换成模拟输出，K4写入BFM#17，启动

14、D/A转换处理。 写入模拟输入通道所需的时间TAD按如下计算： TAD=（TO指令处理时间）*3PID指令D120 采样时间 1-32767 ms D121 （ 反动作方向b0=1 ）D122 输入滤波 0-99%D123 比例增益 1-32767%D124 积分时间 （1-32767）100 msD125 微分增益 1-100%D126 微分时间 （1-32767）100 msD500为给定值，D210为反馈值，D120为表多，D200为输出值4.3.2 变频器参数设置1. 变频器为单相变频器，按图连接变频器线路，输入电压L、N接220V，输出接电机U、V、W；频率外调“10”，“2”“5”

15、接电位器；2. 设置参数，在P79=“1”情况下显示“PU”设定有关参数，P1=45，P2=10HZ（上限频率），P3=50HZ(下限频率),P7=2S（加速时间）、P8=3S（减速时间）、P19=220；3. 运行在“EXT”情况下，启动变频器，调节频率，P79=“2”。4.3.3 人机界面设计管道压力通过5V电源和电位器的结合进行模拟调节触摸屏控件如下：触摸屏输出部分：Y0：1号泵允许指示；Y1：2号泵允许指示；T20：1号泵故障；T21：2号泵故障；D101：当前水压；D502:泵累计运行时间；D102:电动机的转速触摸屏输入部分：M500：自动启动；M100:手动1号泵；M101:手动

16、2号泵；M102：停止；M103：运行时间复位；M104:清楚报警；D500：水压设定；4.4 调试计算机（上位机）作为编程通过专用通信电缆与PLC（下位机）进行通信。在连接或断开专用电缆时，应关闭控制电源；同时须注意专用电缆接插头插入的位置，否则易损坏上述仪器设备。在进行现场调试时应逐级调试，即先软件，再硬件；先弱电，再强电；先低压，再高压；先输入，再输出；先开环，再闭环；先电气，再机械。PLC的输入和输出的公共端COM必须分开，不能直接连接。5 结语 本文阐明了恒压供水系统基于PLC的变频调速节能原理，接着分析了系统原理及系统的组成结构。实践证明采用变频器调速技术，不仅节约能源，并改善了操

17、作人员的工作环境，而且对于提高整个系统的自动化水平有着很大的作用，调试简单，操作方便使用安全，运行可靠等都有显著的效果。 由于本设计基于数量较少的泵组运行，因此有着一定的局限性。不得不承认分析设计与测试中仍存在一些问题，还需要进一步优化完善控制系统的功能设计。参考文献1 冉翔.变频调速技术在恒压供气系统中的应用.J 电气传动自动化, 2009,6（31）:36-492 元友德. PLC、变频器、触摸屏综合应用实训M .北京：中国电力出版社，2004.013 王 建. 三菱变频器入门与典型应用M .北京：中国电力出版社，2004.84 陈 浩.案例解说PLC、触摸屏及变频器综合应用M.北京：中国

18、电力出版社，2008.85 周志敏.变频调速系统 工程设计 参数设置 调试维护M.北京： 电子工业出版社6 xxxxx .J电世界 2009.4：9-10.97 何 超.交流变频调速技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2006.8 8 Edgar L.Villarreal and Andrew Dixon. Analysis of a rainwater collection system for domestic water supply in Ringdansen, NorrkOPing, SwedenJ.Building and Environment,Volume 40，Issue 9,SePtember 2005,Pages1174-11849 崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨J.兰州铁道学院学报,2000(l):84-8818技术发展