关于建筑施工场所恒压供水技术的应用

关于建筑施工场所恒压供水技术的应用摘要：恒压供水（热水)要求：1)采用三台2.2KW的水泵，工作方式为二用一备，并且要互为备用，轮流切换工作；2)供水要求：系统供水压力要求0.2Mpa±5%之间，恒压不间断的向用户进行供水。3)控制系统应具备手动和自动功能，当设备故障时要有报警输出，当储热水箱低水位时，供水系统要有停止工作。3.2设备选型根据设备情况及甲方要求，变频器选用三菱FD-D700系列，PLC选用三菱FX2N系列，接触和断路器选用施耐德电气产品。3.3电路设计和程序编写1)电路设计一次电路：水泵采用工频运行和变频运行两种接线方式，变频器为一拖三的方式进行接线。二次电路：工频运行和变频运行设定互锁接线、为确保系统的可靠性及保护PLC，接触器线圈与PLC输出独立接线，通过中间断电器进行连接。2)程序编写程序编写主要采用步进指令进行，根据用户要求，程序设有手动和自动两种控制方式，并设有急停，报警和水箱缺水保护等功能。3.4系统安装及调试1)变频器调试由于本系统PID调节是由变频器来实现，所以在设置变频器参数时，除了常规参数设定外，还要对变频器有关PID的参数进行设定，如Pr.128—PID动作选择，Pr.131—上限，Pr.132—下限等参数，另外对多功能输出端子进行功能定义设置。2)PLC调试根据图纸检查PLC接线正确无误后，将程序的导入PLC中，测试手动操作启/停水泵是否正常，测试工频和变频的互锁及报警等事项。3)系统联调变频器和PLC单机调试正常后，进行系统联调，主要测试管道压力改变时，系统是否具备自动调节能力，三台水泵是否能够实现互为备用功能，系统报警功能及缺水保护等功能测试。3.5系统验收及运行效果该恒压供水项目通过了甲方及工程监理的验收，系统各项功能指示均能满足设计要求。系统自投入运行至今已有1年多时间，系统运行稳定，可靠性高，没有出现故障，维护少。无论是在用水的高峰期还是低谷期，水管压力的波动小，用户用水压力稳定，另外系统能够节省能源，节约电能大约是常规供水的20%。在大多数的恒压供水电气系统的设计中，pid控制算法是设计人员常常采用的恒压控制算法。常见的pid控制器控制形式主要有3种:(1)硬件型，通用pid温控器;(2)软件型，使用离散形式的pid控制算法在可编程序控制器上做pid控制器;(3)使用变频器内置pid控制功能，相对前两者来说，这种叫内置型。这3种控制器形式各具特点，但采用什么形式的pid控制器对控制性能和生产成本具有一定的影响，这值得设计人员考虑的。本文将与大家探讨3种控制器形式的应用、优劣以及调试过程中的要点。2pid温控器图1pid温控器控制系统框图现在的pid温控器多为数字型控制器，具有位控方式、数字pid控制方式以及模糊控制方式，有的还具有自整定功能，如富士pwx系列温控器、欧陆800系列温控器就属此类型。此类温控器的输入输出类型都可通过设置参数来改变，考虑到抗干扰性，一般将输入输出类型都设定为4~20ma电流类型。图1为以pid温控器调节器构成的闭环压力调节系统，压力的给定值由pid温控器的面板设定，压力传感器将实际的压力变换为4~20ma的压力反馈信号，并送入pid温控器的输入端;pid温控器将输入的模拟电流信号经数字滤波、a/d转换后变为数字信号，一方面作为实际压力值显示在面板上，另一方面与给定值作差值运算;偏差值经数字pid运算器运算后输出一个数字结果，其结果又经d/a转换后，在pid温控器的输出端输出4~20ma的电流信号去调节变频器的频率，变频器再驱动水泵电机，使压力上升。当给定值大于实际压力值时，pid温控器输出最大值20ma，压力迅速上升，当给定值刚小于实际压力值时，pid温控器输出开始退出饱和状态，输出值减小，压力超调后也逐渐下降，最后压力稳定在设定值处，变频器频率也稳定在某个频率附近。这种pid控制形式的主要优点有:操作简单、功能强大、动态调节性能好，适用于选用的变频器性能不是很高的应用场合，同时控制器还具有传感器断线和故障自动检测功能。缺点是:pid调节过于频繁，稳态性能稍差，布线工作量多。调试注意要点:p参数值不宜太大，一般为0.5~1;i参数和d参数的比值大约为4，i参数的值一般为6s~16s;由于pid温控器的响应快，为了防止调整过程中压力波动过大，变频器的上升和下降时间应调大些，推荐30s~80s;设定pid温控器的显示标尺斜率，校正压力显示值;设定适当的数字滤波时间，抑制干扰信号的输入。3软件型pid喜欢使用plc指令编程的设计者通常自己动手编写pid算法程序，这样可以充分利用plc的功能。在连续控制系统中，模拟pid的控制规律形式为(1)式中e(t)—偏差输入函数；u(t)—调节器输出函数；kp—比例系数;t1—积分时间常数;td—微分时间常数。由于式(1)为模拟量表达式，而plc程序只能处理离散数字量，为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。式(1)经离散化后的差分方程为(2)式中t—采样周期;k—采样序号，k=0，1，2…i，…k;u(k)—采样时刻k时的输出值;e(k)—采样时刻k时的偏差值;e(k-1)—采样时刻k-1时的偏差值;为了减小计算量和节省内存开销，将式(2)化为递推关系式形式:(3)式中sv—调节器设定值;f(k)—采样时刻k时的反馈值;f(k-1)—采样时刻k-1时的反馈值;f(k-2)—采样时刻k-2时的反馈值;至此式(3)已可以用作编程算法使用了，如图2所示，建议采用1s的时间定时中断程序来做pid程序。式(3)中的常数项可在参数输入后调用一个子程序来计算，这样可以避免每个扫描周期都计算一次常数项。图2软件型pid控制系统框图可采用与plc直接连接的文本显示器或触摸面板输入参数和显示参数，如西门子的td200、tp7等。使用式(3)编写pid程序，需4次乘法、两次加法、两次减法计算以及多个mov指令，因此显得很烦琐。实际应用中，取消p、d控制，保留i控制，也能很好满足实际要求，所以控制关系式可写成:u(k)=u(k-1)+△u(4)式中△u—积分增量。显然式(4)简单得多，积分增量可根据实际需要来确定。当压力未到达设定值，增量为正;当压力超调后，增量为负。采用式(4)来控制压力，也存在一些问题，△u设置过大，则稳态时压力误差大，△u设置太小，则调整时间太长。如果结合模糊控制的思想，就能较好地改良控制性能。控制思想如下:当实际压力小于设定值的90%时，plc输出最大值信号，使变频器以50hz运行，从而压力迅速上升;当实际压力等于或大于设定值的90%时，plc输出一个经验值，然后才调用增量控制中断程序。经验值可事先设定，等压力稳定后，再将稳定后的控制输出值替换原预设经验值。这种形式的pid控制器优点是控制性能好，柔性好，在调节结束后，压力十分稳定，信号受干扰小，调试简单，接线工作量少，可靠性高。不足是编程工作量增加，需增加硬件成本。调试时要尽量设置短的变频器的上升时间和下降时间。在编程设计中必须防止计算结果值溢出，造成控制失控，而且还要编写校正传感器零点和判断其是否正常的功能程序。4变频器内置pid现在的大多数变频器，无论是水泵风机专用型，还是通用型都内置了pid控制功能，这对节省系统的成本很有利。使用变频器的内置pid功能，首先必须设定pid功能有效，然后确定pid控制器的信号输入类型，如采用有反馈信号输入，则要求有设定值信号，设定值可以为外部信号，也可以是面板设定值;如采用偏差输入信号，则无须输入设定值信号。以下是以三菱f540系列变频器为例的2种输入信号接线控制图,如图3、图4所示。图中:r1—设定值电位器,r2—电阻式远传压力表，rt与sd短接pid功能有效。图3设定值为面板输入，反馈信号为电流信号的内置pid接线图图4输入为偏差值的内置pid接线图内置型pid的优点很明显，成本低，控制性能较好，设置的参数少，接线工作量较少，抗干扰性最好。缺点是这种pid也属软件型pid，响应较慢，易出现超调现象;压力的设置和显示不直观。调试应尽量设置短的变频器的上升时间和下降时间，使用面板设定设置值时，设定的是设置值与传感器量程的相对值，设置正确的pid动作方向。5结束语当然实际应用还有其他形式的控制器，只不过这3种形式的pid控制器较常用而已。在结束文章之前，我想小结一下设计者应如何选择哪种形式的pid控制器。对于初入门的设计者来说，采用第1种形式较佳，因为pid温控器操作方便、简单易懂，通过实时调整，了解pid参数的作用，较快的掌握pid控制的原理。对于有经验的设计者来说，采用第2种形式最好，因为利用plc的指令可以编出功能强大的控制器并能优化plc控制程序。对于考虑成本的设计者来说，采用第3种形式的图4应用方案最佳，既充分利用了变频器的功能，又节省了高成本的压力传感器，而且控制效果也不错，不失为一种好方案。文中有不当之处，敬请同行批评指正！1概述日常的生活用水经常随时间而变化的，因季节、昼夜相差很大，因此用水和供水的不平衡集中表现在水压上，即用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。保持供水压力可以保持供、用水的平衡。以往采用水箱和水塔或气罐加压方法，往往容易造成水的二次污染、造成水质不好。由于电力电子技术的发展，变频调速技术在水塔自动恒压供水方面获得了广泛的应用。2组成及工作原理一般供水系统三台泵组成，每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵为一台小泵两台大泵组成，小泵为1.5KW大泵为3.0KW，三台泵的协调工作以满足供水需要。现系统组成如图1所示。该系统由一台PLC两个变频器。两个变频器。两个压力传感器，控制柜及相关设备组成。利用一台变频器可以控制两台30KW水泵的运转，改造后，1＃泵15KW始终处于工频运转，两台30KW水泵由变频器的控制实现变工况运转。1＃泵工频运转一般不能满足白天的最小用水量，因此白天供水时首先投入1＃泵和2＃泵，2＃泵工作在变频启动状态，随着压力会自动调节频率的高低以保持压力的恒定，在用水量不大时，2＃泵和1号泵同时工作可以满足要求，如果用水量增大，2＃泵会自动切换到工频状态，并给PLC发出信号，继而变频启动3＃泵30KW，此时1＃，2＃泵工作在工频状态，3＃泵工作在变频状态。由于3＃泵的自动调节功能，从而保证系统的恒压。一般而言，三台泵同时投入是绝对能满足要求的。控制系统硬件组成图如图2所示：注：MC1、MC2互锁，MC3、MC4互锁，MC6用于切断2＃运行，MC7用于切断3＃运行如果3＃泵工频运转压力不能满足要求的话，则该变频器会自动切除，退出工作，使3＃泵处于工频。该系统组成简单，系统成本低，可靠性高。3系统功能该系统选用FR-500日本三菱变频器。该系统中具有功能：3.1自动切换变频/工频运行功能变频器提供三种不同的工作方式供用户选择：方式0：基本工作方式。变频器始终固定驱动一台泵并实时根据其输出频率：控制其他辅助泵启停。即当变频器的输出频率达到最大频率时启动一台辅助泵工频运行、当变频器的输出频率达到最小频率时则停止最后启动的辅助泵。由此控制增减工频运行泵的台数。方式1：交替方式，变频器通常固定驱动某台泵，并实时根据其输出频率，使辅助泵工频运行，此方式与方式0不同之处在于若前一次泵启动的顺序是泵1→泵2，当变频器输出停止时，下一次启动顺序变为泵2→泵1。方式2：直接方式。当启信号输入时变频器启动第一台泵当该泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成立时，先停止最先启动的泵。3.2PID的调节功能由压力传感器反馈的水压信号(4-20MA或-5V)直接送入PLC的A/D口(可以通过手持编程器)，设定给定压力值，PID参数值，并通过PLC计算何以需切换泵的操作完成系统控制，系统参数在实际运行中调整，使系统控制响应趋于完整。3.3“休眠”功能系统运行时经常会遇到用户用水量较小或不用水(如夜晚)情况，为了节能，该系统专用设置了可以使水泵暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于其下限时，变频器停止