PLC在恒压供水中的应用

恒压供水详解一．行情分析众所周知，水是生活中不可缺少的能源之一,我们生活范围的高度集中使得水的供给需求增大,而日常生活中对水的需求也随着时间的变化而变化,为了保障对水的供给需求,也是时代的发展要求就必须有一些辅助装置来确保,在我们居住的环境有稳定的水源供应,根据需要的多少来自行调节水源的供给,从而,既充分利用了水源,又节约了相应的能源,本文是针对某生活小区实际供水需求情况，结合用户生活用水和消防用水的需要,拟定为社区恒压供水。随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。现将其中的改造情况介绍如下。恒压供水系统对于生活小区是非常重要的，例如在生活小区供水过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响居民生活。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大损失和人员伤亡。所以，生活小区采用生活/消防双恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。某住宅区由于自来水管网的水压较低，自来水通常不能到达住宅的较高楼层。传统的供水方式利用蓄水池蓄水，用水泵再次将水送至楼顶的高位水箱，再供应给用户。蓄水池中的水一般是由市政自来水管网供给，这样，有压力的水进入水池后变成了零压力，造成大量的能源白白浪费，这种供水方式不可避免通过蓄水池和高位水箱造成二次污染，影响居民的身体健康。但是为保证小区的供水正常，我们利用PLC，配以稳流罐、负压消除器和不同功能的传感器等，根据网管的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。这种变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置。不对市政供水管网产生负压，适用于一切需要增高水压、恒定流量的给水系统。另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省40％。结合使用可编程序控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命。基于上述情况，对某生活小区供水系统进行改造，采用西门子PLC作为主控单元。并充分利用变频器的变频作用，根据系统状态可快速调整供水系统的供给需要，达到恒压供水的目的。改造提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果。二．PLC在恒压供水中的应用1、原理框图：参见图一所示。图一、恒压供水原理框图2、系统概述：该系统由四台大泵（22KW）与一台小泵（5.5KW）组成；PLC部分由西门子可编程控制器S7-200系列的CPU226，文本显示器TD200组成；变频器采用三菱FR-A540系列，功率22KW。用户所需的生活用水压力、消防用水压力、运行方式等参数在TD200文本显示器上设定，压力传感器把用户管网压力转换为0-10V标准信号送进PLC模拟量模块EM235，PLC通过采样程序及PID闭环程序与用户设定压力构成闭环，运算后转换为PLC模拟量输出信号送给变频器，调节水泵电机转速，达到恒压供水的目的。该系统有各个泵的运行时间累计功能，通过PLC的数据区保持可以断电记忆。每次起动时先起动1#小泵，当用水量超过一台泵的供水能力时，PLC通过程序实现泵的延时上行切换，切换原则为当前未运行的大泵累计运行时间最少的先投入；当压力超过时，PLC通过程序实现泵的延时下行切换，切换原则为当前正在运行的大泵运行时间最多的先撤出。直到满足设定压力为止。追求的最终目标为压力恒定。当供水负载变化时，变频器的输出电压与频率变化自动调节泵的电机转速，实现恒压供水。系统还可通过PLC的实时时钟自动定时供水，用户在TD200上设定每天最多6段（段数也可设定）定时供水，比如早上6：00到8：30，中午11：20到1：30等。系统可动态显示各种参数，如设定压力，运行压力，水位高度，运行方式，实时时间，日历，各个泵的运行时间累计（精确到秒），运行状态，故障信息等等。为了不使系统中TD200画面显得死板，在PLC程序中控制TD200中的画面定时切换，动态显示；系统还有故障自诊断功能，各泵发生过载、缺相、短路、传感器断线、传感器短路、水位下限、水压超高、水压超低、变频器故障等，都会有声光报警，TD200上同时显示故障类型，通知设备维修人员处理，并可记忆故障发生时间及班次，以便追查原因及相关责任。3、工作原理：3．1自动手动方式（1）手动运行时，可按下按钮起动停止水泵在工频状态下运行，完全脱离开PLC及变频器的控制，该功能主要用在检修及自动系统出现故障时的应急供水方式中。（2）自动运行时，全部泵的运行依程序自动工作。上行过程：当在自动运行方式时，按下TD200上的起动软健，系统先起动1#小泵，PLC程序控制模拟量模块EM235给定变频器一固定频率输出，此时若用PID运算输出直接控制变频器则（设定压力大，运行压力为零，所以运算输出最大）变频器依设定的上升时间运行，升速太快，系统冲击很大。等泵运行一会儿，管网压力积累后，再用PID运算输出控制变频器。具体时间和频率与管网系统有关，在现场调试时这两个参数在TD200上设定调整。管网越大，时间越长。当1#小泵到达50HZ后，系统压力仍偏低，则延时一段时间后，系统靠PLC程序把1#泵切换到工频运行，同时由PLC输出一个开关量给变频器的MRS端子，变频器瞬间禁止输出，此时PLC把运行时间最少的泵变频接触器接通后，撤掉禁止输出，相应的泵变频起动运行；延时切断1#小泵，系统中相应的一台大泵变频运行，压力自动调节，若系统压力平衡，则频率稳定在一个相对的范围，若频率到达50HZ后压力仍然偏低，则再投入一台大泵，比较剩下的泵的累计运行时间，时间少的先行投入，以此类推。注意，上行中，只要有一台大泵运行，则1#小泵要断开，大泵与小泵同时运行时，小泵的效率很低。下行过程：当系统压力偏高，变频器运行在18HZ左右（18HZ以下泵的效率很低，经验值）时，PLC程序判断运行在工频状态的泵累计运行时间（若只有一台泵不作判断），运行时间最多的泵延时先行撤出，在撤出的瞬间，PLC控制变频器运行频率在50HZ，要不系统冲击过大，容易有水垂现象，延时一会儿后，再把PID运算输出投入即可；以此类推。注意：下行过程中，到最后一台大泵运行时，频率在18HZ左右，系统压力仍然偏高时，则把1#小泵切换到变频运行。这种情况在夜间可能发生，当供水管网很大时，也许没有这个可能性。三、注意事项：1、该系统中有泵的工频变频上行切换，为了系统的快速响应，切换时间最好越短越好，切换时时间差很小，所以各个泵的变频接触器与工频接触器最好用可逆接触器，电气线路与PLC程序中也要有互锁功能。以免发生意外短路事故。对系统或变频器造成危害。2、变频器上行下行切换时间设定，如果设定值过大，则系统不能迅速对管网的用水量做出反应；如果设定值过小，则可能引起系统频繁的投入泵，撤出泵的动作；为此，PLC程序中增加判断设定压力与运行压力在临界切换状态时，只要不超过允许的误差范围内，不做泵的切换。3、变频器在上行切换时，必须要有瞬间禁止输出功能，变频器没有此功能可用自由停车功能；所以选择变频器时要注意这点。三、变频器在恒压供水中的应用1、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15KW大泵为30KW，三台泵的协调工作以满足供水需要。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。四.PID调节在恒压供水中的应用在工程实际中，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。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。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。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID调节原理仅用P动作控制，不能完全消除偏差[1]。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的P+I控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用。在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统（即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节）效果比较好。PID调节器的动作规律是01[]tcdideUKeedtTTdt或011[]tdideUeedtTTdt式中cK：调节器的比例系数iT：调节器的积分时间dT：调节器的微分时间：比例带，它是惯用增益的倒数e:调节器的偏差信号U：输出PID调节器的传递函数是11()[1]cdiGsTsTs不难看出，由上式表示的调节器动作规律在物理上是不能实现的。工业上实际采用的PID调节器的传递函数一般为'''11()11diccdiidTsTsGsKTsKTsK其中'cK＝cFK；'iT＝iFT；'ddTTF式中带（’）的量是调节器参数的实际值，不带的为参数的刻度值。F成为相互干扰系数：iK为积分增益；dK为微分增益.五.总结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：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