基于PLC和变频调速分时恒压供水系统设计.doc

基于PLC和变频调速的分时恒压供水系统设计赵鹏飞1，2 陈晓军2（1.南通宝钢钢铁有限公司，江苏南通 226002； 2. 南通市广播电视大学机械工程系，江苏南通 226006）摘要 文章在分析南通钢厂生活水系统存在浪费水电等资源问题的基础上，提出了变频恒压供水系统改造方案，设计了一套基于PLC控制的变频调速分时恒压自动控制供水系统，并成功应用于南通钢厂的生活水系统中。该系统由PLC、触摸屏、变频器、压力变送器、水泵电机组及控制柜等主要设备构成的全自动变频恒压供水系统。该系统具备全自动分时变频恒压运行、手自动转换等功能。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，实现了节约能源及减少公司成本的目的，同时该系统具备运行可靠、控制灵活、自我保护功能完善等特点并具有多种辅助功能，增强了系统的可靠性。关键词 恒压供水系统；变频器；PLC；触摸屏；分时Design of Water-supply System with PLC-based Frequency Conversion Time-Sharing Constant PressureZhao Pengfei1, 2 Chen Xiaojun1 (1.Nantong Baogang iron & steel co.,LTD. Nantong,226002 ;2. Department of Mechanical Engineering, Nantong Radio & TV University, Nantong, 226006)Abstract: Based on the analysis of water and electricity waste problems of Nantong steel company living water system, Frequency variable constant pressure water supply system improvement actions were pointed out. A serie of basing on PLC control of Frequency variable constant pressure automation control water supply system was designed, successfully applied in Nantong steel company living water system. This Fully automation frequency variable constant pressure water supply system consists of PLC, Touch screen, inverter, Pressure converter, water pump motor set, control cabinet and so on main equipments. This system have fully automation time seperated frequency variable constant pressure operation, manual automatic conversion functions. This system effectively solved problems that exsist in traditional water supply, achieved energy conservation and company cost reduction purpose, meanwhile this system is with reliable operation, flexible control, self- protection, complete functions, and also with a variety auxiliary functions, this stengthens the reliability of the system.Key words: Constant pressure water supply system; Inverter; PLC; Touch screen; Time-Sharing中图分类号：TP273 文献标识码：B 文章编号：0 引言本课题选自南通宝钢钢铁公司生活供水系统的改造项目。目前，公司生活供水区域呈现的特点是：用水的时间相对集中，水量和水压的波峰，波谷差非常大。当职工处于上班时间内，用水量较多，基本达到了泵站的总容量，而当职工处于休息时，用水量相对非常少。这种大范围的水量和水压波动问题造成的影响，主要有两个方面：作者简介：赵鹏飞（1974-）,男，江苏南通人，工程师；陈晓军（1972-），男，江苏姜堰人，副教授，主要研究方向为机电控制。一方面，生活用水质量较差。当处于用水高峰期时，远距离用水区很难用到水，或根本用不到水，只能靠用水低峰时积蓄一些水，来弥补高峰期的缺水问题，从而维持日常用水。这种境况对当前高节奏，高效率的现代化生活来说，势必会降低职工的生活质量；另一方面，从目前的供水系统来看，只具有按时加大供水量的能力，利用人的视力监测主干线供水压力的办法来维持。从技术上讲，仅实现了逻辑上的解决办法，并未彻底解决系统实时控制问题。从目前的供水行业调查结果表明，变频恒压供水系统以其节能、安全、可靠、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。变频恒压供水系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，始终保持水压恒定以满足用户用水要求。该系统是当今最先进、合理的节能型供水系统，在实际应用中得到了很大的发展1-4。因此利用PLC与交流电机变频调速技术对管网供水进行自动控制，实现分时恒压供水56。1 供水系统要求由于白天和夜间对于供水需求不同，过去为了满足用户需求以最大用水负荷为标准，采取全天候供水。在白天是可以满足实际需求，但是在夜间存在明显富余问题，存在浪费电和水资源的问题。为此，拟根据企业各时段实际用水需求，开发变频恒压供水系统，实现节电、节水的目的。具体供水要求如下：上午6时-晚上20时要求供水压力为4.5公斤，晚上21时-凌晨0时要求供水压力位3公斤，凌晨0时至次日上午6时停机，利用管网自然压力约2公斤（其中各时间段可调，压力可调）。2 变频恒压控制的原理在供水系统中，通常以流量为控制目标，常用的控制方法有阀门控制法和转速控制法两种。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量。因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变。这种控制方法是通过改变水的动能来改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制，其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。本控制系统的原理图如图1所示。图 1变频恒压控制的原理图从图1中可见：在运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，可以得到变频器输出频率的增加值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而提高供水压力。上述调节过程被重复执行，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速也将减小，使得实际供水压力减小，直至实际供水压力和设定压力相等7,8。3 变频恒压供水系统硬件设计本系统由触摸屏、PLC、PID控制仪、变频器、接触器、泵、压力传感器组成。通过压力传感器将水压信号转变为420mA的标准电流信号，送入PID控制仪，与给定的标准信号进行运算比较，得出调节参数，以此参数作为变频器的输入量，从而使变频器控制水泵的转速，调节系统的供水，使得管网中的水压和给定的标准压力保持一致。各时间段可通过触摸屏来设置，在夜间也可通过触摸屏实现强制开机。3.1 控制系统组成控制系统组成框图如图2所示。图 2恒压供水系统图在硬件设计时，采用一台变频器连接1台电动机。具有变频/工频两种工作状态，通过两个接触器与两个空气开关实现与变频连接。为了显示电机当前的工作电流，在电机三相输入电源前面接入了电流互感器，电流表装在柜体上，可以方便地观察电机的工作电流，便于操作人员监测电机的工作状态。热继电器可以实现对电动机的过载保护。变频器主电路电源输入端子(R,S,T)经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子(U,V,W)经接触器接至三相电动机上。在变频器起动、运行和停止操作中，将用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不用主电路的通断来进行。此外，为了改善变频器的功率因素，将配置相应的AC电抗器，直接连接到变频器的(R,S,T)端子。在控制电路设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离问题。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中间继电器去控制。实现系统中的强电和弱电之间的隔离，对系统进行保护，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。所有控制的动作，都是按照PLC的程序逻辑来完成。控制电路之间存在互锁关系。当前工作状态指示灯设计问题，为了节省PLC的输出端口，可以根据与PLC输出端子相联的中间继电器的有关常开触点的断开/闭合状态来控制相应指示灯的点亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。3.2 PLC设计PLC的输入、输出点数是根据控制系统设计要求和所要控制的现场设备数量加以确定的。（1）输入端PLC的输入端口包括工变频器转换按钮、工频启动按钮、工频停止按钮、故障复位按钮、热继保护输入等。（2）输出端PLC的输出端口包括：工/变频器转换、故障指示、运行指示、停机指示、各压力段之间切换、变频器起动控制、故障复位等。PLC与所有交流接触器的连接是通过中间继电器来实现的，可以实现控制系统中强电和弱电之间的隔离，保护PLC设备，增强系统工作的可靠性。（3）PLC的选型所需端子数目除了要考虑控制系统实际需求外，还要留有一定的余量，以为新设备的加入或设备调整留有余地。所选用的为艾默生主模块为EC20型的PLC 其开关量输出(DQ)为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入为16点，输入形式为+24V直流输入。PLC外部接线图如图3所示。图 3 PLC外部接线图4 控制系统软件设计4.1 PLC程序设计PLC控制程序可采用艾默生公司提供的ControlStar V3.3编程软件进行设计。程序在PC上编制，经编译后通过编程电缆把程序下载到PLC。4.2 人机界面设计借助触摸屏，用户只要用手指轻轻地触碰显示屏上的图符或文字就能对主机进行操作，从而使人机交互变得更加直接了当，同时能显示系统当前状态参数，对系统进行实时监控。本系统采用的是威纶通公司生产的MT6056触摸屏，共设计了三个画面，分别是开机画面、强制画面和各压力段时间设定画面。开机画面如图4所示。图 4 开机画面5 结束语新开发并成功应用的15kW恒压供水变频调速控制系统具有如下特点：(1)可实现双恒压变量控制方式,定压精度1%；（2）节电：变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%，按电费0.6元/度计算，年节约电费约51800元；（3）节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象，系统实行闭环供水后，用户的生活水用量由原来的1100吨/月降到800吨/天，年节约水费约247500元；（4）运行可靠：变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂；（5）控制灵活：分段供水，定时供水，手自动选择工作方式。参考文献：1孙凯. 基于PLC的变频恒压供水系统的设计J. 中国制造业信息化, 2010, (19)2包西平, 赵颖. 全自动变频恒压供水系统设计J. 机电工程技术, 2010, (7)3刘丹, 山炳强, 宫玥. 基于PLC和触摸屏的接力供水控制系统设计J. 青岛大学学报(工程技术版), 2010, (2)4田亚娟, 郭丽颖. 变频恒压供水PLC控制系统的设计J. 计算技术与自动化, 2010, (