恒溫恒壓供水設備是怎么樣的供水設備基于PLC的恒溫恒壓控制系統
恒溫恒壓供水設備設計
2.1、恒溫恒壓供水設備總體組成
該系統由倆臺小泵（5.5KW）組成；PLC部分由西門(mén)子可編程控制器S7-200系列的CPU226，文本顯示器TD200組成；變頻器采用三菱FR-A540系列，功率22KW。用戶(hù)所需的生活用水壓力、消防用水壓力、運行方式等參數在TD200文本顯示器上設定，壓力傳感器把用戶(hù)管網(wǎng)壓力轉換為0-10V標準信號送進(jìn)PLC模擬量模塊EM235，PLC通過(guò)采樣程序及PID閉環(huán)程序與用戶(hù)設定壓力構成閉環(huán)，運算后轉換為PLC模擬量輸出信號送給變頻器，調節水泵電機轉速，達到恒壓供水的目的。
恒溫恒壓供水設備有各個(gè)泵的運行時(shí)間累計功能，通過(guò)PLC的數據區保持可以斷電記憶。每次起動(dòng)時(shí)先起動(dòng)1#小泵，當用水量超過(guò)一臺泵的供水能力時(shí)，PLC通過(guò)程序實(shí)現泵的延，時(shí)上行切換，切換原則為當前未運行的大泵累計運行時(shí)間較少的先投入；當壓力超過(guò)時(shí)，PLC通過(guò)程序實(shí)現泵的延，時(shí)下行切換，切換原則為當前正在運行的大泵運行時(shí)間較多的先撤出。直到滿(mǎn)足設定壓力為止。追求的 目標為壓力恒定。當供水負載變化時(shí)，變頻器的輸出電壓與頻率變化自動(dòng)調節泵的電機轉速，實(shí)現恒壓供水。
恒溫恒壓供水設備還可通過(guò)PLC的實(shí)時(shí)時(shí)鐘自動(dòng)定時(shí)供水，用戶(hù)在TD200上設定每天 6段（段數也可設定）定時(shí)供水，比如早上6：00到8：30，中午11：20到1：30等。系統可動(dòng)態(tài)顯示各種參數，如設定壓力，運行壓力，水位高度，運行方式，實(shí)時(shí)時(shí)間，日歷，各個(gè)泵的運行時(shí)間累計（準確到秒），運行狀態(tài)，故障信息等等。為了不使系統中TD200畫(huà)面顯得死板，在PLC程序中控制TD200中的畫(huà)面定時(shí)切換，動(dòng)態(tài)顯示；溫度控制在40-60度之間，當傳感器反饋的溫度通過(guò)計算，平均低于40，則PLC控制鍋爐加熱至60度。系統還有故障自診斷功能，各泵發(fā)生過(guò)載、缺相、短路、傳感器斷線(xiàn)、傳感器短路、水位下限、水壓過(guò)高、水壓過(guò)低、變頻器故障等，都會(huì )有聲光報警，TD200上同時(shí)顯示故障類(lèi)型，通知設備維修人員處理，并可記憶故障發(fā)生時(shí)間及班次，以便追查原因及相關(guān)責任。
2.2、恒溫冷水機組的控制
（1）手動(dòng)運行時(shí)，可按下按鈕起動(dòng)停止水泵在工頻狀態(tài)下運行， 脫離開(kāi)PLC及變頻器的控制，該功能主要用在檢修及自動(dòng)系統出現故障時(shí)的應急供水方式中。
（2）自動(dòng)運行時(shí)，全部泵的運行依程序自動(dòng)工作。
上行過(guò)程：當在自動(dòng)運行方式時(shí)，按下TD200上的起動(dòng)軟健，系統先起動(dòng)1#小泵，PLC程序控制模擬量模塊EM235給定變頻器一固定頻率輸出，此時(shí)若用 PID運算輸出直接控制變頻器則（設定壓力大，運行壓力為零，所以運算輸出較大）變頻器依設定的上升時(shí)間運行，升速太快，系統沖擊很大。等泵運行一會(huì )兒，管網(wǎng)壓力積累后，再用PID運算輸出控制變頻器。具體時(shí)間和頻率與管網(wǎng)系統有關(guān)，在現場(chǎng)調試時(shí)這兩個(gè)參數在TD200上設定調整。管網(wǎng)越大，時(shí)間越長(cháng)。
當 1#小泵到達50HZ后，系統壓力仍偏低，則延，時(shí)一段時(shí)間后，系統靠PLC程序把1#泵切換到工頻運行，同時(shí)由PLC輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量給變頻器的MRS端子，變頻器瞬間禁止輸出，此時(shí)PLC把運行時(shí)間較少的泵變頻接觸器接通后，撤掉禁止輸出，相應的泵變頻起動(dòng)運行；延，時(shí)切斷1#小泵，系統中相應的一臺大泵變頻運行，壓力自動(dòng)調節，若系統壓力平衡，則頻率穩定在一個(gè)相對的范圍，若頻率到達50HZ后壓力仍然偏低，則再投入一臺大泵，比較剩下的泵的累計運行時(shí)間，時(shí)間少的先行投入，以此類(lèi)推。注意，上行中，只要有一臺大泵運行，則1#小泵要斷開(kāi)，大泵與小泵同時(shí)運行時(shí)，小泵的效率很低。
下行過(guò)程：當系統壓力偏高，變頻器運行在18HZ左右（18HZ以下泵的效率很低，經(jīng)驗值）時(shí)，PLC程序判斷運行在工頻狀態(tài)的泵累計運行時(shí)間（若只有一臺泵不作判斷），運行時(shí)間較多的泵延，時(shí)先行撤出，在撤出的瞬間，PLC控制變頻器運行頻率在50HZ，要不系統沖擊過(guò)大，容易有水垂現象，延，時(shí)一會(huì )兒后，再把 PID運算輸出投入即可；以此類(lèi)推。注意：下行過(guò)程中，到末后一臺大泵運行時(shí)，頻率在18HZ左右，系統壓力仍然偏高時(shí)，則把1#小泵切換到變頻運行。這種情況在夜間可能發(fā)生，當供水管網(wǎng)很大時(shí)，也許沒(méi)有這個(gè)可能性。
2.3、PID控制原理
從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成.系統主要的設計任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實(shí)現管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟啟動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對運行數據進(jìn)行傳輸。根據系統的設計任務(wù)要求，結合系統的使用場(chǎng)所，本文選用通用變頻器+PLC控制。
恒溫系統，溫度控制在40-60度之間，當傳感器反饋的溫度通過(guò)計算，平均低于40，則PLC控制鍋爐加熱至60度。
2.4、可編程序控制器
執行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶(hù)管網(wǎng)。
通常這些水泵包括:
(1)調速泵:是由變頻調速器控制、可以進(jìn)行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。
(2)恒速泵:水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以在用水量增大而調速泵的較大供水能力不足時(shí)，對供水量進(jìn)行定量的補充。
此外，通常一些變頻系統還會(huì )增設附屬小泵，它只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如:夜間)對管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補充。
恒壓供水系統設計
3.1變頻器的選擇
在系統控制過(guò)程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號:
(l)水壓信號:它反映的是用戶(hù)管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時(shí)，需進(jìn)行 冉刃 轉換。另外為加強系統的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測。檢測結果可以送給PLC，作為數字量輸入。
(2)液位信號:它反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時(shí)?？刂葡到y要對系統實(shí)施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來(lái)自在安裝于水源處 的液位傳感器。
(3)報警信號:它反映系統是否正常運行，水泵電機是否過(guò)載、變頻器是否有異常，該信號為開(kāi)關(guān)量信號。
3.2、傳感器的選擇-
供水控制系統一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(P比 系統)、變頻器和電控設備三個(gè)部分:
(1)供水控制器:它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統的核心。供水控制器直接對系統中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來(lái)自人機接口和通訊接口的數據信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過(guò)變頻調速器和接觸器對執行機構(即水泵成行控制.
(2)變頻器:它是對水泵進(jìn)行轉速控制的單元.變頻器跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。根據水泵機組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同，變頻器有如下兩種工作方式:
（a)變頻循環(huán)式:變頻器拖動(dòng)某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時(shí)，系統先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺水泵電機。
（b)變頻固定式:變頻器拖動(dòng)某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時(shí)，系統直接啟動(dòng)另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統運行前可以選擇。
變頻器的電控設備它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開(kāi)關(guān)等電氣元件組成.用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動(dòng)切換及就地/集中等工作。
3.3、可編程控制器（PLC）
人機界面是人與機器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所。通過(guò)人機界面，使用者可以更改設定壓力，修改一些系統設定以滿(mǎn)足不同工藝的需求，同時(shí)使用者也可以從人機界面上得知系統的一些運行情況及設備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統的運行過(guò)程進(jìn)行監視，對報警進(jìn)行顯示。
通訊接口是本系統的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)該接口，系統可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監控系統進(jìn)行數據交換;同時(shí)通過(guò)通訊接口，還可以將現代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用到本系統中來(lái)，例如可以對系統進(jìn)行遠程的診斷和維護等。
3.4、電器控制系統原理圖
作為一個(gè)控制系統，報警是必，不可少的重要組成部分。由于本系統能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統安全、可靠、平穩的運行，防止因電機過(guò)載、變頻器報警、電網(wǎng)過(guò)大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統 須要對各種報警量進(jìn)行監測，由P比 判斷報警類(lèi)別，進(jìn)行顯示和保護動(dòng)作控制，以免造成不必，要的損失。
變頻恒壓供水系統的控制方案有多種，有1臺變頻器控制1臺水泵的簡(jiǎn)單控制方案，也有1臺變頻器控制幾臺水泵的方案，本文簡(jiǎn)單介紹單臺變頻器控制單臺水泵：
單臺變頻器控制單臺水泵的控制方案在國內通常是指是一臺變頻器控制一臺水泵。由于全部變頻系統中，變頻器、控制器、電機均無(wú)備份設備，出現問(wèn)題無(wú)法切換，故目前多適用于用水量不大，對供水的可靠性要求不高的場(chǎng)合。
值得一提的是，在國外或國內少數大企業(yè)，也有一種每臺變頻器只帶一臺水泵的運行方式，但它的控制方式與上面是不同的，這些泵站往往是同時(shí)配備了多臺變頻器配多臺水泵，采用集中控制的辦法，這種變頻系統與國內水泵站常用的一臺變頻器控制單臺水泵的工作方式是 不一樣的。在這種系統中，由于有多臺變頻器，各水泵既可以同時(shí)變頻運行，也可以分別工頻運行，使其可靠性、安全性、可調節性大大優(yōu)于國內常見(jiàn)的各種控制方式，不過(guò)在成本上，也遠遠高于目前國內的常用的變頻恒壓供水系統。
3.5、恒壓供水的控制算法
在變頻恒壓供水中，整個(gè)變頻恒壓供水控制系統要根據檢測到的輸入信號的狀態(tài)，按照系統的控制流程，通過(guò)變頻調速器和執行元件對水泵組進(jìn)行控制實(shí)現恒壓供水的目的。這個(gè)控制過(guò)程是一個(gè)閉環(huán)過(guò)程，它的反饋信號是由壓力傳感器產(chǎn)生的供水壓力，執行機構是變頻器，通過(guò)控制系統將控制結果傳輸到變頻器中，改造變頻器的輸出頻率，從而使供水壓力發(fā)生改變，完成整個(gè)控制過(guò)程。
在實(shí)際運用中，通常對水壓的閉環(huán)控制都采用PID控制，電機增減的控制根據不同的情況有所不同，但多數采用頻率、頻率結合壓力的方法來(lái)實(shí)現。PD 的算法和實(shí)現將在3.4節進(jìn)行詳細闡述，電機的增減控制算法在將在3.4節加以分析。
監控系統分為現場(chǎng)監控系統和遠程監控系統兩部分?，F場(chǎng)監控系統既與可編程邏輯控制器通訊，又同時(shí)與遠程監控系統通訊。通過(guò)現場(chǎng)觸摸屏控制向控制器發(fā)送命令，設置算法參數和控制量;接受并記錄采集到的數據，顯示系統狀態(tài);但現場(chǎng)控制系統位于機房設備之中，不方便管理人員進(jìn)行操作，為彌補這一不足，開(kāi)發(fā)了一套遠程監控系統，通過(guò)上位機遠程監控供水運行狀況，可對冷水機組、冷凍水泵進(jìn)行遠程手動(dòng)控制，從而提高故障應急處理能力，保障了供水的可靠性，進(jìn)一步提升了管理水平。
現代的工業(yè)自動(dòng)控制系統正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統，它具有適應性強、開(kāi)放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@些系統劃分為控制層、監控層、管理層三個(gè)層次結構。其中監控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實(shí)現對現場(chǎng)的實(shí)時(shí)監測與控制，且在自動(dòng)控制系統中完成上傳下達、組態(tài)開(kāi)發(fā)的重要作用。遠程監控站通過(guò)運行監控軟件實(shí)現對冷凍水供給自動(dòng)控制系統的遠程狀態(tài)監視和控制，其功能主要包括以下五項:
(l)實(shí)時(shí)監視現場(chǎng)設備的工作狀態(tài)及運行參數;
(2)畫(huà)面手動(dòng)控制及自動(dòng)控制系統運行;
(3)設備的手動(dòng)操作與運行參數的設定;
(4)運行參數的歷史數據記錄及查詢(xún);
(5)故障報警及查詢(xún)。
監控軟件畫(huà)面主要由“系統工藝總體畫(huà)面”、“手動(dòng)操作控制畫(huà)面”、“自動(dòng)參數設定畫(huà)面”、“歷史趨勢記錄畫(huà)面”、“報警匯總記錄畫(huà)面”五個(gè)主要畫(huà)面組成。
