基于PLC的变频调速恒压供水系统研究

基于PLC的变频调速恒压供水系统研究摘要：煤矿井下作业过程中，基于井下作业需求和环境特点，保证供水系统恒压供水是关键#本文以某矿井井下消防变频器通过调节输出频率控制水泵运行频率可停机的水锤现象对管路运行起到保护作用用同时利调节水泵运行频率改变水泵出水量实现主井水箱恒压供水效果#以变频器和可编程逻辑控制器(Pro_井在2023年前井下消防系统的消防水水源主要来自超磁外排水在设备运行过程中用井下消防系统容易出现超磁外排水水量不稳定现象很容易导致井下部为了应对这一情况开对井下消防系统进行改造升级开优化设计方案提出可行策略用为了解决井下用水水量问题开计划将水提标改造车间处理后国家三级标准的外排水供至井下消防供水系统改善井下用水条件用通过科学计算开选择应用BQS300-110-110/N潜水泵供水开由于地面开闭所电压均为380V水泵运行电流为210A开传统启动开关启动电流高达5~7倍开约1050～1470A开易引发开闭所开关柜掉电为了保证用电安全和稳定引入变频器借助这一部件和PLC部件实现水泵智能化控制开保证水泵安全启动和运行#2基于PLC的变频调速恒压供水系统分析2.1恒压供水系统控制要求恒压供水系统设计需要满足以下要求：①可以实时监测供水管网中的水压#借助高精度压力传感器等设备实现水压数据全面采集和智能分析并将其传输到控制系统辅助系统做出智能决策用②根据目标水压可以迅速且精确调节水泵运行状态用当水压低于设定值时开增加水泵运行数量或提高水泵转速开加大供水量提升水压4反之开当水压过高时开减少水泵运行数量或降低转速保证水压稳定在设定范围③具备良好的稳定性和自我保护功能用可以应对突发状态开如合理应对用水需求突然变化场景或者在短时间内迅速将水压调整为正常状态用且系统与井下其他系统具备联合作业能力可以协同实现智能化监控和信息采集预防故障发生1用2.2基于PLC的变频调速恒压供水系统构成系统、变频器、人机界面、上位连接部分以及报警装置等通过各部分部件协同合作开实现智能控制水泵、恒压供水目标²2结构框架如图1所示用蓄水池供水管图1恒压供水系统结构组成框架图示2.3恒压供水系统应用准备工作主要内容型潜水泵开从水泵出水口沿工业厂区管路桥架至主井水箱安装2趟φ219供水管路在水提标改造车间配电室安装2台变频器控制柜从5#闭所低压开关柜沿工业厂区桥架敷设2趟MYP3*70低压电缆至水提标改造车间配电室变频器控制柜电源侧将潜水泵2趟电源电缆敷设至水提标配电室变频器控制柜负荷侧用同时在主井水箱内安装2个水位传感器将传感器信号线敷设至水提标配电室变频器利用变频器启停控制潜水泵开以及利用水箱水位传感器反馈水位信号实现变频器调节潜水泵运行频率控制水泵运行电流及给水量实现恒压供水用2.4恒压供水系统控制原理该系统功能实现的主要原理是借助变频器和PLC部件实现水泵智能化控制利用电机特性也是通过改变电机供电频率可以改变电动机转速此时泵机的转速也随之改变用结合煤矿井下水压和水位情况科学调整水泵运行状态实现恒压供水目标保证水量处于稳定输出状态用3.1硬件方面PLC设备是系统功能实现的核心部件本文结合需求册从经济性、可行性、安全性等方面出发选择西门子S7-200系列CPU2260N型号的PLC作为设计部件用该部件小巧属于整体式PLC可以通过拓展模块构建功能复杂的控制系统同时开该设备具备40个数字量输入/输出点数、2个RS232-485通信接口、7个可扩展的模块用综合来看其具备应用优势³1用3.1.2变频器选型变频器也是该系统构建的重要部件用本文结合设计要求开选择以西门子MM440变频器作为设计部件用该类变频器是MM4系列中性能、功率最全的产品具备2个多功能继电器输出端、2个模拟量输出端(0～20mA)开其中开模拟输入端可以作为第7个和术开实现模块化设计借助I/O端口可以实现自由连接用此外控制方式方面包括矢量控制和V/F控制方式两种且具备PID控制功能用综合来看其可以满足应用需求用3.1.3传感器硬件选型该系统之中开涉及的传感器以压力传感器和液位传感器为主其中管网区域安装的压力传感器负责管控管网压力开液位传感器负责检测水位用为了保证设备安全运行用保证传感器的精度是关键用研究案例中选择应用YTZ-150型带电接点式的压力传感同时案例应用GY500投入分体式液位变送器开采用扩散硅压阻芯体316全不锈钢结构壳体采用隔离防爆设计开检测量程在0～200m范围内开输出功率为4～20mA#3.2软件方面3.2.1控制算法该系统涉及2台水泵呈现并联状态用系统控制过程中开水泵采用工频运行与变频运行循环切换的工作模式用为了实现上述目标需要保证软件编写方案满足运行需求当变频器发挥作用时恒压供水系统中常见的干扰信号以阶跃信号为主因此该系统采用PID控制实现调节其中PID控制器由PLC实现用当管网压力偏离设定值时开PLC发挥作用检测偏差量e经过PID运算后将结果输送给变频器用此时开变频器依据数据信息实现水泵调节在此过程中涉及PID连续控制算法用该控制算法关键在于将误差信号e(t)通过比例(p)、积分(工)和微分(D)线性组合构成控制输出进行示积分时间常数T。表示微分时间常数e(t)表示为了保证变频器输出电压在系统运行过程中保持稳定应用带死区的PID算法开也就是当压力偏值的绝对值le<△时开控制器保持原状否则会重新计算输出计算值用PID控制结构如图2所示系统运行过程中开变频器输出电压频率不频繁变化用也就是设定当压力偏差的绝对值lek△时控制器保持原值开如果不符合上述要求则重新计算开输出新的计算值4#其主要流程运行的泵当前变频切换到工频3.2.2系统运行方式概述该系统运行时包含手动和自动两种运行方式#其中手动运行方式如下：先按下SB2按钮启动电机变调整水泵运行状态并切换电机变频使电机呈现工频运行模式用上述工程中为了避免切换时变频器受到工频电压的反向冲击田借助时间继电器实现保护用也就是利用该设备设置时间延迟0.5s#此外开当系统压力过大时需要手动按下SB1按钮切断工频运行电机用依靠上述流程可以完成各泵灵活管控用一旦自动运行模式出现故障可以手动保证系统正常运行自动运行方式如下：发挥PLC优势开由其通过算法和模型实现电机工频和变频继电器智能化管控在条件达到标准时完成增泵升压和减泵降压控制用第一升压控制用系统运行时每台水泵具备三种运行模式分别是工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态系统作业开始阶段此时用供水管道内水压为零控制系统发挥作用带动变频器运行使水泵启动且转速逐渐升高开当输出压力达到设定值时开转速稳定到一定范围用当感知到水量增大水压减少时压力闭环调节水泵加速促使其达到稳定转速反之用水量减少开水压增大时开需要水泵按照设定速率减速直到达到稳定转速停止#等到需要更大用水时变频器调整为工频模式开此时调整水泵运行保证满足用水量需求用在此过程中需要注意开如果所有水泵均投入运行开且变频器达到工频运行状态但压力仍未达到标准设定值开此时控制系统自动示警用第二降压控制用当系统用水量下降、水压升高时变频器输出频率下降为启动频率如果水压仍高于设定值系统会自动调整工频运行时长最高的水泵为停止状态并恢复对水压的闭环调节直到压力达到设定值用如果用水量持续下降每出现一次变频器输出频率降低为启动频率时都需要调整一台水泵直到最后剩下一台变频泵为止如果出现一台变速运行水泵开此时用水量近似零需要结合工作状态持续时长开调整系统进入间歇运行状态或者小容量水泵运行状态达到节能、节水目的用除了上述功能外