基于plc控制的变频调速恒压供水系统介绍
2013/7/8 15:31:19 点击：
基于plc控制的变频调速恒压供水系统介绍
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。为保证小区的供水正常，可以利用PLC配以不同功能的传感器，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。
理论分析
根据变频调速恒压供水系统的特点，本文变频调速恒压供水系统控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象。对它的控制仍属于工业过程控制的范畴，它以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。
从系统的原理上图中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力Pf低于设定压力Ps，控制系统将得到正的压力差△P，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值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，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，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，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减少。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
变频调速恒压供水系统的硬件设计
本文的供水系统要适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水，我们以四台水泵（三台主泵和一台附属小泵）组成的供水系统为例，其原理框图如下图所示。
从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。
供水控制系统安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。
(1)供水控制器：它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。
(2)变频器：它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。
(3)电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中等工作。
变频调速恒压供水系统的控制流程
整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的控制流程、通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水目的。其需要完成的控制流程如下图所示。其控制流程如下：
(1)系统上电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动水泵MI（可以是M2，M3，这里以Ml为例），通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1工作在调速运行状态。
(2)当用水量增加水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，增加水泵的转速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环和恒压控制器，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。
(3)当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频固定式的控制方式下，系统将变频器的输出的频率降为下限频率的同时开启一台恒速水泵。在变频循环式的控制方式下，系统将电机Ml切换至工频电网供电后，Ml恒速运行，同时使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，并有新的水泵投入并联运行。当最后一台水泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。
(4)当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际压力水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将先运行的那台恒速水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，直到剩下一台变频泵运行为止。
(5)当系统中只有调速泵在工作，而调速泵的运行频率已降至下限频率时，且满足关泵条件，此时关闭调速泵。系统进入靠附属小泵进行少量补水的状态。在这种情况下，若实际压力低于设定压力，则延时后开启附属小泵进行补水，附属小泵开启后，若实际压力高于附属小泵的工作压力（设定压力+附属小泵启停压力误差），则关掉附属小泵。待实际压力再次低于设定压力后，重复上述过程。在附属小泵开启后，压力达不到设定压力，则经过一定的延时后，关掉附属小泵，开启调速泵进行控制，工作过程同2、3、4。
变频调速恒压供水系统的软件设计本系统的程序是建立在变频恒压供水的方案和控制流程基础上的，按照PLC应用的步骤开发完成的。系统运行主程序首先要进行一系列的初始化工作，并使扩展模块（通讯模块、A/D模块等）、触摸屏、变频器等设备与PLC的数据传输正常。在系统运行过程中要及时进行故障检测，以防止设备损坏和意外发生；当出现故障时，要在触摸屏上及时显示并进行报警输出，方便维修人员维修，有利于系统恢复正常工作。无故障情况下，在触摸屏上显示设定压力和实际压力，系统自动启动后，进行恒压控制。其流程框图如下图所示。
结语
通过现场工业试验表明，该设计提高了系统的稳定性、可靠性以及可扩容性。将数字PID控制技术引入该系统，提高系统的控制性能和性价比：同时在系统中引入人机界面，提高了系统的可视性和可操作性。
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