变频恒压供水系统设计

变频恒压供水系统设计（精选12篇）

变频恒压供水系统设计 第1篇

目前,在建筑给水系统中常用的给水方式有直接给水方式、单设水箱的给水方式、设储水池和水泵的给水方式、水泵水箱联合给水方式、气压给水方式和变频恒压给水方式。而其中的变频恒压给水方式具有高效节能、用水压力恒定、延长设备使用寿命和功能齐全等优点,通过改变水泵电机转速的方式对供水量和压力进行调节,可以实现对供水的较精确控制。

1 设计原理框图

如图1所示,本设计采用闭环控制方式。压力检测点设置于水泵出口处,在检测点处设置压力传感器,将现场压力值经远传压力表返回到给定信号值处,经比较后,偏差信号通过PID调节器调节后送入变频器,变频器通过改变水泵电机的电压和频率值改变水泵转速,使检测点处压力值基本保持不变,进而达到恒压供水的目的。

2 设计方案

现拟设计一供水量在20 m3~30 m3之间,扬程在50 m~70 m之间,始终由单台泵供水,具有主备泵的变频恒压供水系统。

本设计拟采用OMRON CPM1A型的30点形式的PLC作为控制器,富士FRN11VG7S-4C型变频器作水泵电机的调速控制。

2.1 主电路及控制电路

设计如图2所示主电路图,图中M1,M2为带动水泵的电动机,采用低压断路器QF1控制进出线电源,QF2用于保护变频器,用KM1实现变频器的启停控制,QF3用于保护PID调节器,PID调节器将远传压力表采集的现场信号处理后送入变频器。电机M1和M2在变频情况下与变频器连接,通过KM2和KM4的控制实现启停,可通过一个万能转换开关K控制变频器的FWD和REV端子,实现电机正反转控制,变频器通过调节频率改变电机转速,实现变频恒压供水目的。工频情况下,电机M1和M2分别通过QF4和QF5与工频电源直接连接,通过KM3和KM5实现启停控制。低压短路器可实现对电机的短路和欠电压保护等功能;热继电器FR1和FR2起过载保护作用。

本设计有自动和手动两种模式控制,其中手动模式用于在工频交流电下测试水泵电机的完好性。

如图3所示,在控制电路中,PLC根据相应口的输入信号控制输出信号,实现自动控制水泵的启停、变频/工频运行、运行指示、故障报警等。

1)自动模式:通过自动/手动模式选择旋钮SA1将控制系统设置为自动模式,自动模式下,按下变频器启停按钮SB1后启动变频器,按下启动按钮SB2后水泵电机即可接入变频器变频运行,实现变频恒压供水。可通过主备泵切换旋钮SA2切换主泵和备泵。

2)手动模式:通过自动/手动模式选择旋钮SA1将控制系统设置为手动模式,手动模式下,分别通过1号泵启动按钮SB4和停止按钮SB5控制1号泵的启停;通过2号泵启动按钮SB6和停止按钮SB7控制2号泵的启停,将水泵电机接入工频电网下运行,用于测试水泵电机性能。

3)故障自投:自动模式下,两水泵分别为主泵和备泵。若运行时主泵发生故障,立即切断相应电机电源,备用电机解除备用状态,延时30 s,自投。

4)各种指示及报警:HL1为变频器正常工作指示灯,HL2,HL4分别为2台水泵变频情况下正常工作指示灯,HL3,HL5分别为2台水泵工频情况下正常工作指示灯,HL6和HL7分别为2台水泵故障指示灯,HL8为变频器故障指示灯,HA为故障警铃。

PLC的I/O分配表设计如表1所示。

2.2 梯形图

梯形图设计如图4所示。通过图4,可实现变频器和水泵电机的启停、自动和手动模式选择、主备泵选择、故障信号处理等功能。

3 操作使用说明

本系统以VVVF变频器、PLC和PID调节器为中心控制器件,组成闭环调节系统,控制水泵的运行,保证用户水压恒定。一共设置2台水泵,1台为工作泵,另1台为备用泵,两泵的工作状态可以在任意时刻进行切换。让2台电动机分时工作,并且在工作泵出现故障时,备用泵能在短暂延时后自行启动。

3.1 主要技术指标

1)额定电压和频率:380 V/220 V;50 Hz;2)备用泵投入工作延时时间:30 s。

3.2 安装调试方法

1)在安装前检查性能,合上低压断路器开关,变频器、PLC和PID调节器电源指示灯亮。2)选择手动模式,水泵电机在工频电压下运行,检测电机是否完好。3)切换为自动模式,按下相应按钮启动变频器和工作水泵,相应指示灯亮,变频器根据远传压力表所检测的现场水压信号调节输出频率,控制水泵电机的转速,实现变频恒压供水。检查运行情况,若一切正常运行,再设置人为故障,此时警铃报警。然后检查另一水泵能否经过30 s延时后自投。4)在1台泵工作若干小时后进行主/备泵切换,看切换能否正常进行,若能自动切换,则说明设计成功。

3.3 使用方法

1)手动和自动模式切换:旋钮SA1为自动和手动模式切换旋钮,若不进行操作,默认自动模式。2)主泵和备泵切换:旋钮SA为主泵和备泵切换旋钮,若不进行操作,默认1号泵为主泵,2号泵为备泵。3)手动启停:按钮SB5和SB6可分别实现手动控制1号泵启动和停止,按钮SB7和SB8可分别实现控制2号泵的启动和停止。4)各种指示灯及警铃:指示灯HL1为变频器的工作指示灯;HL2,HL4分别为1号泵和2号泵的变频运行状态下的工作指示灯;HL3,HL5分别为1号泵和2号泵的工频运行状态下的工作指示灯;指示灯HL6和HL7分别为1号泵和2号泵的故障指示灯;指示灯HL8为变频器频率越限故障指示灯;警铃HA为1号泵和2号泵的故障报警指示。

3.4 远程监控

操作人员可在控制室对控制系统试下远程监测与控制,人机界面友好,系统工作稳定、安全、高效、经济,可实现建筑设备的自动化控制和管理。

4 结语

在选择供水方式时,应考虑如市政供水的水压、水量情况、建筑物的规模、当地供电可靠性及用户要求等方面的因素。兼顾各个方面来看,目前,变频恒压供水是一个较为经济合理、技术运行可靠且安全的供水方式,适合大力推广。

摘要：根据变频恒压供水系统设计原理,介绍了该供水系统的设计方案,从技术指标、安装调试、使用方法、远程监控等环节,阐述了变频恒压供水系统的操作要点,实现了节能、经济、高效的供水目标。

关键词：供水系统,变频器,水泵,电压

参考文献

[1]秦春莺.高层建筑给水设计探讨[J].山西建筑,2005,31(1):98-99.

[2]张承慧,崔纳新,李珂.交流电机变频调速及其应用[M].北京:机械工业出版社,2008.

变频恒压供水系统设计 第2篇

供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频恒压供水系统能够很好的满足现代供水系统的要求。

在变频恒压供水系统出现以前，有以下供水方式：(1)单台恒定转速泵的供水系统

这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。

(2)恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统

这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统

这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。

变频恒压供水系统不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，s7-200具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。供水系统的基本特性

供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f(q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。

管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f(q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。

图1 供水系统的基本特性 变频恒压供水系统的构成及工作原理 3.1 系统的构成

变频恒压供水系统采用西门子的s7-200 plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，交流接触器和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。s7-200 plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。

三相交流电与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接异步电动机，异步电动机带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到交流接触器，交流接触器两端连接的是工频或变频的三相交流电，主要起接通或断开三相交流电与异步电动机。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。

图2 变频恒压供水系统的总体框图

3.2 系统的工作原理

变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转速为：

其中：n0为异步电机同步转速； n为异步电机转子转速；

f为异步电机的定子输入交流电的频率； s为异步电机的转差率； p为异步电机的极对数。

由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。

当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。

变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。

系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的闭环控制系统，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。

图3 变频恒压供水系统的控制原理框图 硬件电路设计 4.1 主电路

变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、热继电器kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。

图4 系统主电路图

4.2 控制电路

控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的i0.0输入口相连接，当按下sb0时，i0.0为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，i0.1为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，i0.5为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，i0.6为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。i0.5和i0.6的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，i0.2为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。

图5 plc外围接线图 程序设计

5.1 plc程序设计

plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，i0.1为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。

图6 主程序流程图

当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到i0.5。此时，q0.1为“0”，q0.2为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后q0.3为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。

当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到i0.6。此时，q0.4为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时q0.1为“1”，q0.2为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。

5.2 变频器mm440的参数配置

变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过a/d转换器得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。

附表 mm440的参数配置 结束语

变频恒压供水系统智能化改造 第3篇

关键词：故障智能处理；变频器；PLC；软启动器；触摸屏；压力传感器

中图分类号：F426 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）29-0020-02

1 前 言

随着变频技术的发展及其广泛的应用，变频恒压供水系统以其节能、供水质量好等优点，已得到广泛的使用。以往的变频恒压供水系统没有故障报警和处理能力，当系统发生故障时，系统就停止运行，等待工作人员来处理，如处理不及时就会引起供水中断，甚至带来较大的经济损失。针对这一问题是否能在原来的系统基础上加装更为智能化的控制，经过现场勘察，决定了在原来的系统的程序上多加一个故障智能控制程序和一个A/D、D/A混合模块就能实现处理故障智能化，在运行上更为可靠，大大降低了因为系统故障停机而引造成的经济损失。笔者就这一问题设计了一套故障处理智能恒压供水系统，与以往的相比增加了故障自诊定，自动处理的能力，提高了系统的可靠性，达到了全自动控制和无人值班的要求，该程序也适用于以往的变频恒压供水系统的改造，有较强的实用和适用性。下面是笔者为客户原来的恒压供水系统增加了智能故障报警处理能力为例，浅谈实现变频恒压供水系统故障处理智能化的办法。

2 原恒压供水的控制系统

2.1 系统装置

①4台45 kW的水泵及一台5.5 kW的辅助泵；

②变频器SPF-45 K-A；

③触摸屏MT510T；

④可编程控制器K7M-DR60S；

⑤软启动器ATS4-46D88N。

2.2 控制方式

系统控制分为手动控制、自动恒压控制、应急控制三种控制方式。

2.2.1 手动控制

每台水泵电机均有手动控制功能，可由操作人员对水泵电机启动和停止进行操作。为了减小手动启动水泵时的启动电流对电网的冲击，所以采用了软启动方式启动水泵电机。

2.2.2 自动恒压控制

自动恒压控制是采用变频器自带的PID调节器进行控制的。根据压力传感器（4-20 mA）的电流输入变频器的电流输入控制端，以压力传感器的压力反馈信号反馈到变频，在变频内部的PID调节器进行运算控制调节水泵的频率。采用定时切换泵启动功能使不会总是运行一台电机，使电机寿命加长。

2.2.3 应急控制

当变频器发生故障时，系统则不能进行恒压控制，而选择手动控制，则需要专人值班，极为不方便。就针对这一问题是否能在原来的系统基础上加装更为智能化的控制，经过现场勘察，我们决定了在原来的系统的程序上多加一个故障智能控制程序和一个A/D、D/A混合模块就能实现处理故障智能化。加入改造后的程序之后，经过现场模拟故障调试比原来的系统在运行上更为可靠，大大降低了因为系统故障停机而引造成的经济损失。以下就这一问题进行了分析和解决。

3 新恒压供水系统介绍

在原系统中加入了A/D、D/A混合模块，见表1，让压力变送器反馈的压力信号为4～20 mA的电流模拟信号输入模块中转换为数字信号能让PLC读取的同时又能将压力信号从模块的输出通道以4～20 mA的模拟电流信号反馈到变频器里。系统运行时，变频器通过反馈的压力进行压力比较，并通过自带的PID运算调节器进行PID运算，自动对水泵进行调速控制。而PLC能通过通讯的方式读取变频器的输出频率，用以判别加、减泵的需要。在变频器发生故障时，选择应急状态运行后，PLC将对供水系统进行上、下限压控制（既水压低于下限压力时，先由软启动器启动一台水泵，全压运行一段时间后，如果水压还达不到下限压力，则PLC将已启动的电机切换到工频，再由软启动启动另一台水泵。以此类推，直到压力到达下限或全部水泵电机启动运行为止。当水压到达或超过上限压力时，PLC将停止一台水泵运行，过一定的时间后如果水压还是大于上限压力，则再停一台水泵运行，以此类推）。以下具体分析当变频器发生故障时，如何通过PLC进行故障判断分析、报警和智能处理的过程。

本控制系统具有一定的故障自动处理能力，由于变频器、软启动器运行状态、通讯故障及接触器、热继电器和传感器的工作状态和故障状态均有输入到PLC中，故能根据不同的故障进行相应的处理。以下将对这些故障逐一分析。

3.1 接触器故障及热继电器报警

接触器故障判断，在PLC控制接触器的输出点闭合后，对应的接触器应会闭合。这时引进该接触器的常开触点对接触器的故障进行判断。如果接触器未闭合则过一定的时间后报警，触摸屏中显示故障情况。KM1为1号电机工频运行的接触器的常开触点当接触器动作时用来驱动P0005，KM5为1号电机变频运行接触器的常开触点当接触器动作时用来驱动P0006。P0044为驱动M1变频工作接触器动作的内部继电器，P0045为驱动M1工频工作接触器动作的内部继电器。

热继电器报警时，PLC将对发生报警的水泵进行切除运行，其他水泵继续运行。同时在触摸屏上显示故障信息，提醒用户注意。

3.2 变频器发生故障

当变频器在工作过程中发生报警停止运行时，变频器内部报警继电器动作，其报警继电器的常闭接点接入PLC中，如果该触点断开，PLC接收到该触点信号而发出报警，蜂鸣器则以停5 s鸣1 s的频率鸣叫，并执行故障子程序，以通讯的方式读出变频器报警的内容显示在触摸屏上，以方便工作人员查询。持续1 min后，若无人进行处理复位，PLC将对变频器进行自动复位并启动运行。

如果自动复位故障成功，系统则继续运行但其报警内容信息则记录在触摸屏内。如报警自动复位无法解除故障，则将当前变频工作的水泵切除运行，改为待投入运行。同时，PLC将下一台水泵接入变频运行，并再次对变频进行故障复位，启动运行，如变频器无异常报警，系统将继续运行，同时在触摸屏上显示该变频报警原因为该水泵电路故障。如果故障复位还是无法正常运行，则故障仍无法解除，那么触摸屏上显示变频器故障，系统将运行状态改为应急状态运行。

3.3 软启动器故障

软启动器这在手动和应急状态有投入运行。当在手动控制时发生故障，则在触摸屏上显示软启动故障，并提示是否选择变频器进行启动（选择“是”会触发M101的触点闭合，那么系统将软启动切除运行，1.5 s后启动变频器，由变频对水泵进行启动运行。选择“否”则触发M 100的触点闭合，则停止手动运行。如果在应急状态下发生报警，则系统停止工作，触摸屏显示报警状态，蜂鸣器以鸣2 s停1 s的频率进行鸣叫。

3.4 通讯故障

PLC通电后，就会以每150 ms为一个周期，循环地读取变频器的输出频率、输出电流和直流电压的数据，如通讯正常，M42每150 ms会接通一次，T42计时器则不会接通。如果通讯异常，那么M42常闭一直闭合，则T42计时满10 s后，就判断出了通讯故障，触摸屏上将显示通讯故障。

3.5 压力传感器断线故障

压力传感器检测到的压力信号为电流4～20 mA的信号，传送给可编程控制器A/D、D/A混合模块的A/D通道0，该通道的读取数据将存储到D4980中，这样可编程就可获得实时的水压信号。同时将A/D通道0的数据直接传送到D/A通道0输出，可用作变频器的反馈信号。

当压力为0时，压力传感器仍有4 mA的电流输出，当压力传感器断线时，输出的电流为0 mA，这时PLC就根据了该特点，判断压力传感器是否断线故障。如图1所示。

4 结 语

智能恒压供水系统的外围控制电路简单，可靠性高，故障检测、分析，故障处理能力强，人机对话功能强，用户操作方便。实现了高可靠无人值班的智能运行。与以往的系统相比，有着更高的实用性、可靠性，大大提高了供水的质量，减少了系统的维护量，使故障一目了然。该程序也适用于以往的变频恒压供水系统的改造，有较强的实用和适用性。在未来的供水系统中，智能故障处理系统必得到广泛的应用和推广。

参考文献：

[1] 三垦力达电气有限公司.SAMCO-VM05A型、B型、C型变频器说明书.

[2] LS产电.可编程MASTER-K指令手册.

[3] 深圳人机电子有限公司.EasyBuilder 500使用手册.

变频器恒压供水系统设计 第4篇

1 水泵调速方案的选择

1)水泵调速时,其输出扬程H与转速的平方成正比;在流量为零时,管道也需维持一定的水压P。因为流量是随用户的用水量随机变化的,控制的对象只能是水压,故调速系统应根据水压构成闭环控制。

2)泵类机械称为减转矩负载,即随着转速的降低,负载转矩大体与转速的平方成比例地减小。故变频器可选用减转矩的SF模式。水泵的调速范围要求不高,一般不会低至额定转速的40%(转差率S<0.4)。

3)水泵进行调速时,消耗功率与转速的三次方成比例,据现场实测显示,近似为2.5次的比例关系,在计算损耗和节电时可以此为基础。

4)恒压供水系统要求压力恒定,而且压力要连续可调,故系统应采用压力闭环控制。压力闭环控制采用PID调节器可保证供水压力P的动态稳定性和无静差,但由于转速本身又与压力存在二次比例关系,使得这种系统不能保证电机的动静态品质。故采用内环为速度闭环的SF控制系统。这种带压力反馈的SF控制变频调速使恒压供水系统获得优良的特性和显著的节能效果。

2 变频调速恒压供水控制系统的结构及工作原理

整个系统结构如图1所示,其中,压力调节器PID是三菱变频器FR-E540型自带的控制系统,是由比例控制(P)、积分控制(I)和微分控制(D)组合成的[3]。用PID调节器和变频器构成闭环系统控制,可以提高供水压力的控制精度,改善控制系统的动态响应。与虚线关联部分为SF变频器调速控制系统为内环。系统工作时,先启动主泵,管网水压达到设定值,变频器的输出稳定在某数值上。而当用水量增加,水压降低时,压力变送器将该信号实时送入比较器与给定压力H*比较,其差值输入PID控制器,PID的输出量作为SF控制变频器的转差给定输入ωs,从而控制电动机的转速上升,水压力P恢复到给定值P*,系统稳定运行。如果用水量增加很多,主泵达到最大流量仍不能使管网水压达到设定值,将自动启动备用泵;反之,当用水量减少时,可自动切断备用泵。变频器根据压力信号以双位控制方式达到恒压供水的目的。

3 恒压供水设备容量的确定

系统的供水条件是满足在用水高峰时无断水现象。供水设备的容量大小决定水泵机组的流量与扬程,而这两参数的确定源于用户对供水的需求。

3.1 用户供水量的确定

取位置相对较高、供水较困难的用户为恒压供水对象。根据具体的供水时间和水流量,选取较大的供水量作为计算供水量。

3.2 供水扬程计算

在扬程计算中,一般把最远最高建筑作为依据,理论上0.1 MPa的压力可获得10 m扬程。

3.3 驱动水泵的电动机功率计算[4]

${\rm P}=\frac{k\gamma Q({\rm H}+\text{Δ}{\rm H})}{\eta \eta {}_{{\rm P}}}\times 10{}^{-3}$。

式中:P——电动机功率,kW;

Q——泵的流量,m3/s,取0.035 m3/s(高于实际值10%);

k——裕量系数,常取1.05～1.7,这里取1.6;

γ——流体密度,kg/m3;

H——扬程,m,取30 m;

η——泵的效率,一般取0.6～0.84,这里取0.7;

ΔH——主管损失扬程,m,取3 m;

ηP——传动装置效率,与电动机直接连接ηP=1。

参考以上计算的结果,选取主泵和备用泵的容量。

4 结语

该系统从实际情况出发,本着实用原则而设计,实用性、经济性良好,节能效果显著,据初步估计,耗电量可降低42.5%。另外,电动机不再需要频繁启停,可延长寿命3年～5年,消除了硬启动过程中对电网的冲击。对小型变频器恒压供水系统的设计可以起到借鉴作用。

摘要：以公寓变频调速恒压供水系统为例,介绍了用变频调速系统实现恒压供水及进行水压控制的具体方法,阐明了系统的工作原理及其与一般供水系统相比的优越性,论述了变频调速供水系统在节能等方面的优点,为小型变频器恒压供水系统设计提供了参考依据。

关键词：变频器,变频调速,节能,PID,恒压供水

参考文献

[1]冬雷,李永东.变频调速系统的发展现状与前景展望[J].变频器世界,2001(6):67-68.

[2]冯垛生,张淼.变频器的应用与维护[M].广州:华南理工大学出版社,2001.

[3]吴忠智,黄立培.调速用变频器及配套设备选用指南[M].北京:机械工业出版社,2002.17-23.

变频恒压供水系统设计 第5篇

3单片机硬件电路的设计

传感器输出的电压值一般为电压信号在本设计中使用一个电位器来模拟传感器。对电压信号的采集选择ADC0832。在实际中电机调速一般是选择三相变频器。限于条件，本设计只能用三个直流电机来模拟三台泵，因此选择适合于直流电机的PWM方式来对电机进行调速。

3.1水管压力测量模块

在实际应用中，用传感器检测供水管道的压力，如果水压高于设定值，则降低转速；如果水压低于设定值，则提高转速。传感器输出的.电压值一般为电压信号，限于设计条件，本次设计采用一个电位器来模拟传感器。调节电阻值的大小，即可改变电压的大小，从而模拟管道水压的改变。

3.2电机控制模块

变频恒压供水系统设计 第6篇

【关键词】变频恒压供水；煤矿防尘；实践与应用

1原防尘供水系统概述

寿阳县友众煤业公司煤层埋藏较浅，距离地表垂直高度只有138米，原防尘供水系统采用静压供水方式和水泵供水方式相结合，井下水通过矿井排水系统排至地面沉淀水池，沉淀后利用4KW潜水泵排至另一沉淀水池蓄水，通过4寸管路利用静压引至6#石门防尘水池，从6#石门防尘水池分两路供水，一路通过防尘管路利用静压排至井下各防尘地点，另一路利用4KW潜水泵排至6#石门掘进工作面。由于防尘水压力不足影响掘进工作面和综采工作面的正常生产，在副井水仓安装一台DA型水泵（电机功率37　KW）供回采泵站水箱，在回采泵站水箱处安装一台DA型水泵（电机功率18.5KW）供综采工作面机组，防尘水压力仅能达到1.1　MPa，在回风上山安装一台DA型水泵（电机功率18.5KW）供掘进迎头防尘，防尘水压力仅能达到0.6　MPa。

存在的问题：1、系统防尘水压力仍然不足，综采工作面机组防尘水压力仅能达到1.1　MPa，掘进迎头防尘水压力仅能达到0.6　MPa，而且防尘水流量不稳定，水质差，不能满足正常生产的需要。2、该系统管路复杂，需用闸阀多，还需要频繁倒换操作各个闸阀，占用设备多（三台潜水泵，三台DA型水泵，五台开关），所有设备均需要人工操作而且安装在不同地点，使用人员多，可靠性差，不便于维护。

2变频恒压防尘供水系统概述

为了解决原静压防尘供水系统存在的问题，友众煤业在副井口新建沉淀池和蓄水池各一个，井下水通过矿井排水系统排至地面新建沉淀水池，经过滤、净化水处理后排至新建蓄水池，在新建蓄水池上面安装PCS型微机控制全自动变频恒压供水设备一套。该套设备将防尘水通过防尘管路输送到井下各防尘工作地点。

该系统优点：1、系统防尘水压力充足，当供水设备出水压力调整至0.Pa时，综采工作面机组防尘水压力达到2.8MPa，掘进迎头防尘水压力达到2MPa，而且防尘水流量稳定，水质好，完全能够满足正常生产的需要。2、系统管路简单，不需要频繁操作闸阀，将原系统中配备的三台潜水泵、三台DA型水泵、五台开关全部撤除，仅在地面安装供水设备一套，占用设备少，而且该套设备为全自动调节控制，可以定时自动换泵，不需要设专人值班，可靠性高。3、PCS型微机控制全自动变频恒压供水设备，由泵组、负压罐，控制柜、管件阀门等组成，选用两台水泵，一用一备。具有结构简单，设计合理，占地面积小，便于安装和运输等优点。4、微机变频恒压供水控制系统保护功能完善，水泵电机采用变频器软启动方式，无电流冲击。由于该系统采用了闭环自动控制，可随时根据用水情况自动调节水泵转速，从而改变供水量。由于水泵耗电功率与水泵电机转速成三次方正比关系，所以水泵调速运行节电效果非常显著，平均耗电量较通常的供水方式可节电30%-50%。

3微机变频恒压供水控制系统技术特点

微机控制变频调速恒压供水控制系统采用国际先进的交流电机变频调速技术，对水泵进行调速以达到恒压目的。该系统由以下几部分组成：（1）压力传感器将管网上压力信号变化量转化为电信号变化量。（2）供水控制柜将电信号经分析运算后，输出給变频调速器。（3）变频器控制水泵转速以调节水压。可以根据井下实际情况设定输出压力值，该系统根据井下用水量的变化，随时自动调节水泵转速，以维持恒压力变流量供水，从而大幅度地节约电能，提高供水质量。

4供水控制器介绍

ZYG恒压供水控制器是微机控制变频调速恒压供水控制系统的核心部件，该控制器为单片机智能数字控制，四位数码管显示，采用模糊控制技术，国际标准仪表结构。并提供水位信号接口，双恒压控制，小流量停机，睡眠和睡眠唤醒，定时换泵，变频故障保护，水泵无水监测，远传压力表断线保护等功能。ZYG控制器的压力控制精度高，抗干扰性能好，在变频环境下运行稳定，操作使用简明直观，比PLC成本低，调试更方便，各参数键盘数码设定可断电存储100年，具有硬件看门狗功能，可直接接电阻式远传压力表，具有睡眠和睡眠唤醒功能，在最低赫兹时输出可为零，避免了频繁切换泵和电机长时间在低频运行发热的情况，两台泵互为备用，定时循环开机，现场调试比一般的控制器更方便。

5效益分析

改造后比改造前设备费用多投入为：

11万元-6.96万元=4.04万元

改造后比改造前设备耗电量费用少投入为：

31万元-6.3万元=24.7万元

改造后比改造前人员少投入工资为：18万元

综上分析，改造后比改造前年可节约费用为

24.7万元+18万元-4.04万元=38.66万元

变频恒压供水系统试验平台的设计 第7篇

本文在对国内现有便器水箱阀类配件试验平台深入分析的基础上,认为影响实验平台测试准确性的主要问题是实验系统中供水系统的试验压力不稳定。为了解决这一问题,在研究变频恒压供水理论的基础上,设计出变频恒压控制系统,采用了PLC(PID) 对试验供水压力及真空度进行控制。试验平台理论上就是变频恒压控制系统。该平台由供水系统,真空系统,控制系统三部分组成,可以完成七项试验 :密封、耐压、流量、水击、虹吸、临界水位、噪音的测定。

1 控制系统硬件组成及其功能实现

1.1 PLC 及其扩展模块分析选择

PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心,它主要负责采集输入信号、控制输出单元、实现恒压、对外交换数据的工作。因此在选择PLC时,要考虑PLC的指令丰富程度、指令执行速度、通讯接口及协议、内存空间、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。本设计采用的OMRON型PLC。PLC的规格型号是cmh40点的xa型,最多7个扩展单元,开关量最大320点,摸拟量最大37路。数据容量32K字,本体40点,24点输入,16点输出,继电器输出。通信上采用上位链接,无协议通讯。考虑到匹配问题,扩展模块也采用OMRON型号,电源电压AC100~240V,输入DC24V输入24点,输出继电器1A输出16点。

1.2 变频器和水泵机组

变频器和水泵机组作为系统的执行机构,完成供水、供压的任务。要清楚水泵电机的功率及额定电流,用变频器控制水泵电机的转速,本设计采用西门子变频器。水泵采用小型三相异步电动机,其型号 :Y2-112M-2; 功率 :4Kw; 转速 :2890r/min[39]。

1.3 人机界面

人们可以通过触摸屏与系统交互信息,触摸屏显示水泵的运行电流、系统的运行流程、输出电压、变频器输出频率以及系统报警情况 ; 压力的设定、泵的运行方式、系统运行方式的选择也可以通过触摸屏操作完成。触摸屏选择过程中应该将它与PLC的通讯情况考虑在内,用威纶通(wintouch) 公司TP系列MT506M型号的触摸屏操控,触摸屏与PLC等控制器相连接 , 以PLC为核心,将集散的若干控制器、传感器和变频器管理调度。其特点 :画面的直观性,良好的兼容性,极高的性价比。

1.4 PID 调节器和压力送变器

通过压力变送器可以将水管中的压力信号转化为4-20m A或1-5V的模拟量信号,本文采用的是由北京瑞利维尔公司研发的4-20m A输出压力变送器,PID调节器选用日本富士PXW型调节器 ( 硬件型 )

1.5 启动装置

选择时应与电机的额定功率及额定电流相匹配。采用小型断路器,型号 : DZ47-63 C20. 小型断路器即空气开关,是手动启动,有电流过载保护作用。

1.6 PLC 用低压电器、隔离变压器、控制柜

PLC的供电电源可以通过采用隔离变压器对其进行保护,而且PLC不再受供电电源的干扰,电气控制柜和低压电器为该系统各种功能的实现提供了有利条件。

1.7 控制系统变频电路的设计

系统在运行过程中,实际供水压力如果低于系统所设定的压力,该控制系统就会得到正的压力差,经过相应的计算和转换,得出变频器输出频率的增加值,该增加值就是为了减小设定压力与实际供水压力的差值,将变频器当前的输出值与所得增加值加在一起,变频器当前所应输出的频率即为相加值。水泵机组会在该频率的作用下增加自身转速,提高实际供水压力,实际供水压力和设定压力不等之前此过程会一直循环下去,直到相等为止。系统在运行过程中,实际供水压力如果高于系统所设定的压力,情况恰好相反,变频器输出频率有所降低,水泵机组会在该频率的作用下减小自身转速,降低实际供水压力,在实际供水压力和设定压力相等之前该过程会被一直循环下去。

变频恒压供水控制系统采取了以下基本控制策略 :采用可编控制器构成控制系统及电动机变频调速装置,进行优化控制水泵机组的调速运行,并控制供水压力及真空度,当管路流量发生变化时,可以对供水压力进行调节使其保持恒压状态,并且可以有效地节约电能。泵的出水压力是该系统的主要控制目标,将系统反馈的管路压力实际值与系统所设定的给水压力值进行比较,并将其数值输入CPU中进行运算,根据运算结果发出相应的控制指令,对水泵与电动机转速进行控制,以此来确保供水管路压力保持在恒定状态。

变频器的输出切换问题,目前尚未得到足够的重视,因而在认识上还存在着一些误区 : 一种看法是将变频器当作一般的交流电源,或者像软启动器一样,因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意切换 : 另一种着法则认为由于变频器自身的设计原理,是不允许变频器在运行中进行切换的。这两种看法都不免有失偏颇,所以有关变频器在拖动系统应用的文章中,碰到变频器的切换问题时,要么有意回避,不作具体描述 : 要么一语带过,用简单的一句“切换到电网运行”不了了之。因此,如何在不停电的情况下,采用鉴频鉴相技术对变频器的输出电压进行跟踪,当变频器输出电压的频率、幅值和相位均保持与电网电压一致时,实现变频器与电网之间的同步平稳切换,是多泵变频恒压供水系统中的关键问题。

2 供水系统的硬件组成及其功能实现

供水系统主要是由多级泵提供压力,经过稳压罐稳压后,通过安装在出水管上的压力送变器传递信号,调节系统供水量,从而保证供水管路上的所需压力,实现了对阀类的密封性、水击、耐压以及流量试验的测定。主要包括 :

(1)直角球阀 :(采购件):开启和关闭水箱中的水。

(2)不锈钢编制软管 :由不锈钢波纹管外编钢带网套,两端以接头连接,可承受0—2.5MPa的工作压力。

(3)水箱 :焊接件,储水。

(4)多级增压 泵 :(采购件 )型号CDJF4-22FS多级离心泵,它采用小型三相异步电动机,型号Y2-112M-2 ;多级离心泵可以调节流量,其原理是 :变频器可以改变电动机的转速,电动机的转速改变,导致多级离心泵流量可以调节。为系统的压力提供动力源。

(5)截止阀 :(采购件 )采用的真空 隔离截止 阀适用于 公称压力PN4.0 ~ 10.0Mpa,可以切断或接通流动的介质。适用介质为 :水、蒸汽等。关闭和开启稳压罐和系统的连接。

(6)稳压罐 :(采购件)型号SN-400。主要技术指标 :罐体公称直径400mm, 工作压力0.6~2.0MPa,总容积0.15L,调节容积0.05L,总重量125Kg。综合试验平台在水击试验时,有最大冲击压力1.75MPa,为了防止由此而引起的试验平台震动,降低水的动能,故设置稳压罐。

(7)流量传感 器 :(采购件 )型号LWYGY-6。主要技术参数 :公称通径 :12.7mm,精确度 :±1.0%R ;被测介质 :对1Cr18Ni9Ti和硬质合金没有损害的液体,精确度 :±1.0%R ;公称压力 :2.5Mpa;供电电源 :内置。设计目的是 :将供水系统的流量变化信息转变为电信号,传到控制系统中。

(8)压力送变器 :设置两个压力送变器 ;一个测试管路供水系统压力,另一个是采样频率大于300Hz的压力传感器,用于检测峰值压力,以此和管路压力比较作水击试验,记录铜管与进水管连接处的压力峰值与静压力之差。将水的压力变化信息转变成电信号,输送到控制系统中去。在压力送变器接口处安装了不锈钢缓冲管,其设计目的是 :当系统压力发生变化(既压力冲击),保护压力送变器。

(9)铜管 :纯铜(铜含量大 于99.95%);长5000mm,外径为15mm,壁厚为1mm的铜管。将铜管盘成直径为270 mm的弹簧状。其设计目的是 :稳定在作水击试验时供水系统的压力。

(10)电动机 :采用小型三相异步电动机,其型号Y2-112M-2,功率4Kw,转速2890r/min。电动机的调速采用变频器调速。

3 箱体的硬件组成及功能实现

箱体的作用是支撑,在箱体上安装着真空系统、供水系统、控制系统大小几十个机械电气元件。同时,在试验平台工作过程中,箱体要承受工作负载的卸荷压力。所以,箱体要有足够的强度、刚度和稳定性。

箱体由上箱体、下箱体及支架构成。箱体主体是焊接件,通过焊接、螺钉将Q235制成的构件和角钢连接一体,其强度、刚度和稳定性完全符合设计要求。

4 平台的软件组成及功能实现

(1)系统运行主程序 :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、D/A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,防止设备的损坏和意外发生 ; 当出现故障时,要在触摸屏上及时显示并进行报警输出,方便工作人员确认和维修,有利于系统恢复正常工作 [12]。无故障情况下,在触摸屏上显示设定力和实际压力,系统自动启动后,进行恒压控制。

(2)数字PID子程序 :该子程序与模糊控制子程序的功能一样的,只是控制算法不一样。在系统中,只需选择一个,通过对水泵转速的调节,实现系统输出压力的恒定。利用上章有关内容,在主程序初始化时计算Q0,QI,Q2,在子程序中直接读取A/D模块的输出,得到当前的实际水压,将此压力值与压力设定值相减,得到当前误差量e (k),计算控制增量ΔU(k),将该增量通过PLC与变频器的通讯去控制变频器的频率,实现恒压供水。其流程框图 ( 见图3.9) 如下 :

(3)故障检测子程序 :故障检测是保证系统安全、可靠运行的一个重要环节,在本文的自控系统中,检测的量主要有 :真空灌液位、变频器故障、水泵故障、压力传感器断线故障、水泵出水压力脱离正常范围等信号 .

5 结束语

通过以上的硬件电路和软件电路的设计,各项指标基本达标,为实际应用中的便器水箱配件测试提供了一个有效而又可行的思路。

摘要：本文根据实际环境,在对国内现有便器水箱阀类配件试验平台深入分析的基础上,提出了变频恒压供水系统试验平台的设计方案,完成了试验平台的硬件和软件系统的设计,为实际应用中的便器水箱配件测试提供了一个有效而又可行的思路。

基于PLC变频恒压供水系统设计 第8篇

PLC供水控制系统是现代化企业迈向成功所必不可少的要素, 是国家行业依循的重要控制系统。变频恒压的供水系统设计中是要依靠水量的变化来条件PLC系统的运行参数, 通过调速系统的变动来条件水泵电机的调速。当用户的用水量发生不同的变动时, 通过保持水压的恒定来满足不同用户的用水需求量。利用PLC变频恒压来研究分析供水系统可谓是当前比较合理的节能型供水系统了。在实际运行的过程中通过不同类型的专用变频器有不同的内置功能, 是能够有效的节约成本, 更加合理的设计供水系统设备有着重要的意义。PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体的先进技术。采用PLC变频恒压供水系统的设计方案是具有着稳定性和可靠性、节能性的优势的, 这对于当前水能源紧缺的时代更显得其重要性了。所以本文对于用PLC变频恒压供水系统设计的研究, 是有利于提高企业及人民日常生活和工作方面, 以及节约能源上都有着重要的现实意义。

2 PLC变频恒压供水系统具体设计方案

目前PLC变频控制系统的应用从单机到系统, 从逻辑控制到全程控制, 功能异常强大。功能异常强大的同时产品也非常丰富, 为了更好地掌握和全面了解PLC变频控制系统, 并且在实际应用中取得事半功倍的效果, 应当从系统思维的角度进行PLC系统的全面分析。要想做好PLC系统的了解和选择, 从项目策划、初步设计、施工设计整个系统出发, 探讨各个阶段思考的侧重点与解决方案, 找出适合的PLC控制系统。在选择PLC时, 不仅应当考虑当前控制系统的需要, 还应当从长远作出考虑。

2.1 工作原理介绍

PLC变频恒压系统主要是由压力传感器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。这个系统主要是根据PLC和变频调速的装置共同控制供水系统, 在通过对水泵组的运行台数的控制过程中, 利用当前设定好的自动掉价水泵电机转数来调节不同的程度的供水压力, 更好的补偿供水不足的变量, 以完成水压力的闭环控制环节。该设计系统的原理主要是利用了PLC的抗干扰性和可靠性好, 可以根据不同系统设定的不同要求完成控制精度的需求。能用利用数据进行传输的同时利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵, 实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换。该工作原理能够更好的满足生产和生活用水不同程度的需求, 节约电力的同时又可以更好的的实现电力恒压供水的效果。

2.2 具体的设计方案过程

(1) 供水系统的主要组成: (1) 自动变频软起动的水泵, 用来提高水压以实现向高处供水, 并根据用水量大小自动调节开泵台数。 (2) 变频调速器, 调节水泵转速以调节管网中水流量, 通过跟踪供水系统的控制器来改变调速泵的变动频率。 (3) 电控设备, 在供水控制器的控制下完成对水泵的各种需求切换控制, 通过人工的条件来完成控制, 保障供水的连续性。 (4) 供水控制器, 它是变频恒压供水系统的重要组成部分, 直接对不同的压力, 液位报警信号进行采集整理, 通过变频调速器和接触器对水泵进行控制。

(2) 总体设计的具体过程。以变频器为主要的控制核心, 运用不同的变频控制闭环系统对用户管网压力进行定时的采集, 同时设定特定的压力值与其进行比较。根据不同的压力偏差来控制变频泵的速度及定量泵的起、停, 实现恒压变量的供水方式, 从而更好地达到节能节水的目的。PLC对水泵房各台水泵的监测, 突出实时性和可靠性。每台离心水泵的水流和出口压力, 通过电流变送器和压力变送器送入PLC的模拟量输入模块, PLC通过对水泵电机电流的数据处理, 判定水泵处于运行还是停止状态, 当水泵机电流大于上限或上上限时, PLC置电机电流越上限或上上限报警位, 当电流上升变化率大于设定的限值时, PLC置水泵故障报警位。当输入电信号小于4m A或大于20m A, 置电流变送器故障位。压力变送器的压力信号同样接到PLC模拟量输入模块, 除了对压力上限和上上限进行报警监视外, 对水泵出口压力的上升和下降的变化率也监视。为了更好的满足用户的供水需求, 对于用户用水量少的, 通过变量水泵转速到某种程度时候, 控制器会相应的自动停止最开始运行的那台定量水泵, 根据当前的管网压力来相应的去调节变量泵转动的速率, 使其保持在一个稳定的状态上。如用户用水量较大的时候, 变频泵转速达到最高频率为50 Hz, 这时控制器通过压力传感器检测, 输出控制信号起动其中一台水泵作变频运行, 通过控制变频泵使用户管网压力与设定压力值相等。当用户管网压力低于设定压力, 控制器将变频泵切换成工频运行, 待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台水泵, 由一台工频泵和一台变量泵同时供水, 直至满足用户用水要求。这样每台水泵的起动均经变频器控制, 全部机组实现循环软起动, 即每台泵的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升。当外来管网压力达到设定压力值时, 则控制器完全停止各泵工作, 由外界管网直接向用户供水。

总结

恒压供水是人们日常生活和工作中最常用的供水控制系统, 但是基于PLC变频控制为核心进行供水系统的设计能够更好的实现供水需求。这种设计方案不仅实现了恒压自动控制, 很大程度上节约了人力财力, 还提高了供水质量。在水泵高效率的运行下, 基于PLC变频方案的设计对于节能方面又能有着重要的突出作用, 对整个供水系统来说实现了最优化的控制和稳定性的控制。

参考文献

[1]杨向明.电气控制与可编程控制器应用[M].北京:中国建材工业出版社, 2014.

[2]程良伦.电器与可编程控制器应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2013.

单相变频恒压供水控制器设计 第9篇

供水系统是人们生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大,水质易污染,基建投资多,而最主要的缺点是水压不能保持恒定,导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术,它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域,特别是供水行业中。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高。

变频调速恒压供水控制器是以管网水压为设定参数,通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速,实现管网水压的闭环调(PID),使供水系统自动恒稳于设定的压力值。即用水量增加时,频率升高,水泵转速加快,水量相应增大,当用水量超过一台泵的供水量时,通过控制器加泵;用水量减少时,频率降低,水泵转速减慢,供水量亦相应减小。

在国内外己有很多关于恒压供水的研究,其中主要由两种:一是基于单片机加通用变频器的恒压供水,另一种是基于PLC加专用变频器的恒压供水。两种各有自己的特点,前者价格便宜,通用性强,易于操作,不需专业人员就能操作;而后者价格高,对专业知识要求高,非专业人员不易操作,但是其抗干扰能力强,在市场上也有很大的应用。

目前,变频恒压供水技术应用较多,但都是使用三相电机,要求用户提供三相交流电源。国外部分公司也已研制出了少量的单相电机变频恒压供水系统,其共同的缺点是价格昂贵、功能不全、界面使用不方便,价格较高。对于一些仅使用单相交流电压的用户,如一些太阳能热水工程,宾馆、酒店、洗浴场所、别墅、高层建筑、城乡居民小区、企事业等生活用水,同样需求恒压变频供水,因此,设计单相交流变频恒压供水控制装置具有重要的意义。

2 系统结构设计

变频恒压供水控制器由变频器、控制器、传感器、主副两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成,是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。它可同时对两台单相220V/ 50Hz的异步电动机进行变频调速和闭环控制,其系统组成结构如图1所示。自动恒压供水控制系统的基本控制策略是:采用电动机调速装置与供水控制器构成控制系统,进行优化控制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供水压力的闭环控制,在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。

系统的具体工作流程为:系统通过安装在出水总管上的压力传感器,将供水管网的非电量信号(动态压力)转变成电信号,输入至供水控制器的输入模块,信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算,得出偏差值,再经过PID处理得出最佳的运行工况参数,并将其转换成模拟信号,由系统的输出部分输出变频器的频率设定值至变频调速器,用变频调速器控制水泵的转数来调节管网内的实际压力,直到趋向于设定压力值,从而实现闭环控制的恒压供水。对于多台泵调速的方式,控制器控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况,并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。系统通过计算判定目前是否己达到设定压力,决定是否增加(投入)或减少(撤出)水泵。即:当一台水泵工作频率达到最高频率时,若管网水压仍达不到预设水压,则将启动令一台工频泵运行,(此设计只用两台电机且功率达到设计要)此后,往复工作,直至满足设定压力要求为止。反之,若管网水压大于预设水压,控制器控制变频器频率降低,使变频泵转速降低,当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵,始终使管网水压保待恒定。总之,系统可根据用户用水量的变化,自动确定泵组的水泵的循坏运行,以提高系统的稳定性及供水的质量。系统由变频器、控制器、传感器、主副两个水泵电机及相关电气控制设备集成而成。

该变频恒压供水控制器以单片机为核心,在水泵的出水管道上安装一个压力传感器,用于检测管道压力,并把出口压力变成0～5 V的模拟信号,送到单片机系统的A/D 转换输入端,再经A/D转换变成相应的数字信号,送入单片机进行数据处理。单片机经运算后与设定的压力进行比较,得出偏差值,再经PID调节得出控制参数,经D/A转换变成0～5 V的模拟信号,送入变频器中,以控制其输出频率的大小,以此改变水泵的电机转速,从而达到控制管道压力的目的。当实际管道压力小于给定压力时,变频器输出频率升高,电机转速加快,管道压力升高:反之,频率降低,电机转速减小,管道压力降低。其变过程可以表示如下:检测压力(下降)——控制器输出(上升)——变频器频率(上升)电机转速(上升),反之相反,最终达到恒压。

3 水管压力检测模块

该供水控制器的设计需要测量供水管道的水压,通过压力的反馈值,单片机控制变频器的输出频率,从而实现自动调节水泵工作。供水管道水压的测量用到的是压力传感器。压力传感器类型主要有压电压力传感器、蓝宝石压力传感器、扩散硅压力传感器、陶瓷压力传感器等。

本次采用压阻式压力传感器来测水管的压力。压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的,它采用集成电路工艺,结构简单。当它受到压力作用时,应变元件电阻发生变化,从而使输出电压发生变化。一般压阻式传感器使在硅膜片上做4个等值的电阻的应变元件,构成惠斯特电桥。当受到压力作用时,一对桥臂的电阻发生变大而另一对桥臂的电阻变小,电桥失去平衡,输出一个与压力成正比的电压。压阻式传感器有易于微型化,测量范围宽,频率响应好和精度高等特点。但在使用过程中,要注意硅压阻式压力传感器对温度很敏感,在具体的应用电路中要采用温度补偿。目前,大多数硅压阻式传感器已将温度补偿电路做在传感器中,从而使得这类传感器的温度系数小于±0.3%的量程。

典型的压力传感器应用电路如图2所示。该变送电路可应用于硅压阻式压力传感器。由于仪用放大电路具有高输入阻抗的特点,两运放A1、A2特性相同时,就可以很好的减小温漂,增强抗共模干扰的能力,切当改变增益时对放大器的特性无影响。这种放大电路能测量小信号并具有较高的精度。

4 电机控制电路设计

压力传感器将压力信号经过A/D转换后输入到单片机,如果压力和设定压力有偏差,单片机将控制变频器调频使压力值稳定,当变频主电机由变频器拖动运行至最大频率,压力如还没能达到设定的压力值,则MCU自动启动定频副电机,以保持供水压力恒定。这样不但减少了电机的无功功率,而且提高了水泵的工作效率,节约了能源。电机控制电路如图3所示。

5 变频器

在变频恒压供水控制器中变频器是其中的重要组成部分,单片机只有控制变频器的输出频率才能不断的调节供水量。变频器的选择包括变频器的型号选择和容量选择两个方面。单相恒压供水专用变频器接线如图4所示。

变频器通过控制FWD端和GND端的通断来控制电机的正反转。控制REV端与GND端的通断来控制变频器的启停。通过FA1端输入的电压(0-5V)来控制变频器的输出频率。根据控制功能可将通用变频器分为三种类型:普通功能行V/F变频器、具有转矩控制功能的高性能型V/F控制变频器(也称无跳闸变频器)和矢量控制高性能型变频器。变频器的类型的选择要根据浮躁的要求进行。对于低速下负载转矩较小,通常选用普通功能型的变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械采用采用具有抓怒控制功能的高功能型变频器则是比较理想的。因为这种变频器低速转矩大,静态机械特性硬度大,不怕负载冲击,具有挖土机特性。为了实现大调速必得恒转矩调速,采用加大变频器容量的办法。对于精度高、动态性能好、响应快的生产机械,应采用矢量控制高性能通用变频器。如果负载对机械特性的要求不高,可考虑选择较为简易的V/F控制方式的变频器,而在要求较高的场合,则必须采用有反馈的矢量控制方式。从国内生产不多的单相变频器中,可以选用单相供水泵专用变频器(ACD-15)。其额定容量为1.5 kW,适用于小型单相电机。调速性能好,使用简单。

6 结束语

本系统通过对变频恒压供水控制系统的工作原理和控制原理的分析,用单片机汇编语言结合硬件电路,设计出以STC89C52 为核心的恒压供水控制器。并将数值PID 算法应用到变频恒压供水控制器中,使得用户在使用时更加方便快捷。变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向,采用单片机控制的变频供水系统具有工作可靠、实现容易、价格低廉等特点,是较理想的控制器。

摘要：利用变频恒压供水系统对水泵电机实行无级调速,依据用水量及水压变化通过微机检测、PID运算,自动改变水泵转速保持水压恒定以满足用水要求,是目前最先进、合理的节能供水系统。与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较,不论是投资、运行的经济性,还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有优势。

关键词：单相电机,变频,单片机,控制器,恒压供水

参考文献

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[4]孙君武,一种单相电容电机变频调速方法[J].西南交通大学学报,1999,34(5):524-528.

变频恒压供水控制系统的设计与调试 第10篇

1 系统结构及组成

变频恒压供水系统结构见图1。

水泵为JCB-22型三相电泵,流量22L/min,扬程3.3m,额定功率125W,额定电压380V,额定频率50Hz,额定电流0.33A,额定转速2 760r/min,E级绝缘,连续工作制。2台水泵同时运行的扬程也只有6.6m,而理论上0.1MPa的压力可获得10m扬程,因此管道的最大压力不会超过0.1MPa。于是,选用YTZ150型电阻远传压力表,最大量程为0.1MPa。水箱为在超市买的4号滑轮整理箱,容量为50L,规格为535mm×382mm×380mm,材质为聚丙烯。水管内径为10mm。在2台水泵出水处分别安装1个止回阀。

为降低成本,选用国产品牌欧瑞传动电气有限公司生产的风机、泵类专用型变频器F1500-P0015T3B,其适配电动机功率1.5kW(因变频器最小规格为0.75kW,且两者价格相差无几)、额定输出电流为4A,价格只有国外品牌的一半。

供水系统是一个非线性、大惯性的系统,当压力波动较大时,需要加快响应,应采用模糊控制;当压力范围较小时,应用PID控制来保持静态精度,这些都可通过PLC编程来实现。但PLC价格较贵,为此我们选用了欧瑞公司专为变频供水系统和锅炉与换热系统补水而设计的FPC多泵控制器。其端子说明见表1,端子接线见图2。

2 系统工作及控制原理

由变频器控制的水泵将水箱中的水送入管道,远传压力表将检测到的压力变化模拟信号送入恒压供水系统控制器中与给定压力比较并处理。当水龙头开大(用水量大),管网压力降低,变频器立即将频率提高,变频泵转速加快,管网中压力随即升高,当一台变频泵达到最高频率时仍无法满足给定压力时,恒压供水系统自动将这台变频泵变为工频运行,启动下一台泵变频运行。当用水量较少,系统会降低变频泵的转速,当降至某一特定值时,会将工频泵停下。为了避免工频泵长时间不运转,恒压供水系统在一定的时间间隔中自动转换工频泵与变频泵的工作角色。其工作原理见图3,电气控制原理见图4。

合上QF1、QF2后,控制电源指示灯HL1亮。断开停机信号输入开关SA1,使DI2与CM2断开,多泵控制器通过其FWD、CM1端子对变频器进行启停控制,通过D/A、CM2端子对变频器进行转速控制。

设定控制器参数P03=6,此为2泵循环软启动控制模式。此时,系统定义B1、B2为变频工作端子,G1、G2为工频工作端子。系统上电工作时,先接通B1,启动1号泵变频工作。当用水量较少时,变频器只需对1号泵进行变频调节保持系统的压力稳定。如用水量加大,则变频器输出频率升高,当1号泵工作频率升高到到50Hz时,延时P05秒(设定P05=2s),如果仍然达不到系统压力设定值,多泵控制器则将B1断开,接通G1,即将1号泵由变频转换为工频工作状态,并关断变频器,延时3s后,接通B2,将变频器切换到2号泵,启动2号泵进行变频工作,供水系统依靠调节2号泵的工作频率来稳定系统压力,实现一台工频一台变频双泵运行。

当用水量减少,变频器的输出频率会下降,当2号泵频率下降至0Hz时,延时P06秒(设定P06=2s),多泵控制器将G1断开,切断1号工频泵,供电,由2号泵进行变频调节,保持系统的压力稳定。

停机时,闭合开关SA1,DI2与CM2闭合,当DI2与CM2端子闭合超过2s后,控制器所有的输出都关闭,但设定与测量值都可显示。输出关闭的顺序为先关D/A,3s后关RUN(CM1,FWD),2s后关变频泵继电器,最后关闭工频泵继电器(先启先停,中间间隔2s)。

为了防止KM1与KM2、KM3与KM4同时动作,损坏变频器,在KM1与KM2之间、KM3与KM4之间设置了互锁;同时为了防止一台变频器同时带动2台水泵变频运行,在KM1与KM3之间也设置了互锁。

3 系统调试注意事项及问题

1)通电前应检查有无漏接线,接线是否正确;检查所有螺丝、端子有无松动现象;控制箱内电气元件上有无可能引起电气短路的线头及其它金属杂物;控制箱体外壳接地线接法是否正确,接触是否良好。检查后,合上QF1,设定变频器参数(具体过程略)。

2)合上QF1,当再合上QF2时,配电室电子式剩余电流动作断路器Q1因微弱的三相不平衡电流而跳闸。

3)调试时,变频器电压模拟量输入端口的AN1本应与多泵控制器的D/A输出端口相连,但误与其相邻的DI1相连,使得变频器显示频率值始终为0。

4)在主回路接线中误将KM2当成KM1,两者主触点接反,造成改变变频器频率却无法改变水泵转速的情况发生。

5)KM2、KM3主触点电源相序接错,造成2个水泵都为反转运行(反转时压力小)。

4 结束语

该变频恒压供水控制系统采用欧瑞公司泵类专用变频器和FPC多泵控制器,对水泵进行一拖二的电气控制,方案先进,控制简单,投资少,而且有利于节能。在水泥企业实践中,只需根据实际水泵电动机容量来选择相应规格的变频器和控制器即可。在实际接线调试时,一定要参照电气原理图和端子接线图认真仔细安装,力争接线无误,一次成功。否则,电气故障的检查是个大麻烦。

摘要：采用泵类专用变频器和FPC多泵控制器,组成变频恒压供水控制系统;该系统采用1台变频器拖动2台电动机的方式,由多泵控制器进行信号的处理,通过管网的压力变化来控制变频器的运行。通过系统调试,该装置控制方案可靠实用。

变频恒压供水系统设计 第11篇

【关键词】松下系列；PLC恒压；供水系统；创新设计探讨

随着变频技术的发展和居民对生活用水的质量要求提高，现在变频的恒压供水系统已经提高了原来的供水系统，在多层的小区当中广泛运用。因为在新的系统当中很多部分是使用原来的设备，所有在原来的系统改进的过程当中会出现一些问题，这些问题一般都是不可预料的。本文将介绍PLC恒压供水系统，这是对原来供水系统的改进，尽量保留了原来的设备，这个系统能够很好解决原来设备当中检修比较频繁的问题，不仅体现出了PLC恒压供水系统的优势，而且还能够很好节省资金。

一、PLC恒压供水系统介绍

PLC恒压变频供水系统是由几个部分组成的，它们分别是主要是有PLC、变频器、调节器、时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制器和四台水泵。使用的人可以通过控制器上面的指示灯、按钮盒转换开关来了解和运行系统。系统原理图如图1所示。

整个系统主要通过系统里面的压力传感器把出口的压力信号变为标准信号，送入调节器里面，然后对信号进行运算，再把它们和给定的压力参数进行对比，然后得出一个调节的参数，再把信号输送到变频器里面，然后通过变频器来调节水泵的转速来改变整个系统的供水量，还需要使得供水系统的压力保持在给定的数值上面。如果需要的水量超过了一台泵能够提供的，就需要通过控制器来加泵。根据用水的情况来决定工作泵的数量和水泵的速度，这样就可以实现供水的压力保持恒定。当供水的负载发生变化的时候，输入电机的电压和频率也发生了变化，这样就形成了一个给定压力为标准的系统。

系统当中还有一个时间和PID控制器，这就保证了整个系统能够换泵运行，也能够双工作压力设定。除此之外，整个系统还有很多保护功能，特别是对硬件和备用水泵的保护，这样就能够保证供水正常和及时得到维修。在正常运行的时候，水泵的运行顺序是1、2、3、4。

二、工作原理

2.1运行的方式

这个系统的运行方式有两种，一种是手动和自动两种。手动控制的话就是，通过按钮控制水泵的运行和停止，需要根据需要的情况来控制不同泵的运行。这种方式主要是在系统出现故障和检修的时候使用的。自动运行就是合上自动开关，首先是第一个泵通电，输出的频率逐渐上升，同时调节器接受到压力传感器的信号，然后进行对比分析，把调节参数反馈给变频器。如果压力不够的话，就把频率调节到五十赫兹，第一个泵也把变频转变为工频，然后启动二号泵进行变频，变频器的数值就会逐渐上升到给出的数值，如果还需要加泵的话就依次类推。如果用水量比较少的话，就需要从先启动的泵上面减少，通过更加调节器给出的参数进行调节，最终保证系统的平稳运行。如果有电源停电的话，整个系统就会停机。等到电力恢复之后，整个系统又会恢复工作，结下了的操作是和上面启动系统一样的。变频上面的自动功能是整个系统当中最基本的一个功能，系统能够自动完成这一系列的操作。

2.2PLC控制系统

整个系统采用的是一種可以编程的控制器，PLC编程采用的是一OMRO N CX-Programmer，这种工具是可以提供一个相当完整的编程环境的，而且还可以进行离线编程，以及在线连接和调试。这种工具还能够实现梯图和语句的转换，整个系统采用的是输入和输入来控制电机的运行和停止，还有控制系统定时切换，变频和故障报警等，这大大提高了系统的性价比。而系统当中的模拟量是通过调节器和变频器来控制的。

通过调节变频器可以改变供水的压力数值，如果用户使用的水量比较少的话，供水的压力就会变大，这个时候可以调节变频器来是水泵减速，这样就可以使得供水的压力保持恒定。供水系统当中水泵的切换是一项比较关键的技术，当水泵的转速减小到一定程度的时候，想要降低水泵的压力就需要减少水泵的数量。在进行切换的时候，需要先断开整个回路，然后把变频器加入到下一台正在运行的工频回路当中，这样就完成了水泵从工频转变为变频运行的转变。切换结束之后，运行的水泵数量变少了，变频器的位置也发生了变化，先开的先停止是切换当中的重要原则，也就是最先切换第一个工作的，这样可以保证有三台水泵在轮流使用，这也是可以延长水泵的使用寿命的。如果供水的压力低的话，就需要增加水泵的数量，这样才能给提高水压，加泵的过程就是把闲置的水泵加入到系统当中。

三、系统故障和维修

系统出现故障的时候首先要报警，这样才能够进行维修。当系统出现比如变频器故障、液位达到下限、超过压力、压力缺失等一系列情况的时候，系统都是会发出报警的。当出现上面一些情况，系统不仅会发出警报，而且还会停机。一旦出现这些情况之后就需要通知维修人员来进行维修，如果是变频器发生了故障的话，你就可以进行手动控制供水。

为了对水泵进行检修和维护，需要系统在正常运行当中。在一段时间之内使得一台水泵停止运行。系统当中是由备用水泵的，可以随意对一台水泵进行备用，这样可以保证系统的正常运行。为了是水泵能够进行轮休，系统当中还有软件备用功能，工作泵和备用泵是可以定期进行切换的，这个周期一般是由控制器控制的。

四、结论

变频恒压供水系统设计 第12篇

变频器是机电一体化的高技术产品, 以优异的调速性能、高效率、高功率因数、宽广的运用范围及显著的节能效果, 得到了广泛的应用。现场总线是一种用于自动化底层的现场设备或现场仪表互联的通信网络, 是一种全分散、全数字化、智能、双向、多点网络通信系统;由现场总线构筑的FCS系统因具有分散性和集中性、自治性和协调性、灵活性和扩展性、先进性和继承性、可靠性和适应性、友好性和新颖性等一系列特点和优点而广泛应用。

供水系统的高效、可靠运行与人们的生活密切相关, 随着电力电子技术、控制技术、计算机等技术的不断发展和应用, 从早期的水塔供水, 进入到高性能的变频恒压供水。尽管变频恒压供水具有节能、运行工艺安全可靠、延长设备寿命等优点, 但随着智能建筑的迅速发展, 传统的变频恒压供水系统成为智能建筑弱电集成系统的信息“孤岛”, 制约了现代物业管理的信息化水平, 为此, 引入通讯网络技术, 设计基于工业以太网的恒压供水系统具有十分重要的现实意义。

(二) 控制系统硬件设计

在恒压供水系统中, 应对供水系统的有关设备工作状态和参数实时监测、控制、报警处理, 并实现节能环保, 同时需要把参数和状态上传到监控计算机, 以实现集中管理和控制。系统主要测试的参数有供水管道出口压力、管道流量、蓄水池水位, 对运行数据进行全自动数据采集、处理、分析、控制、显示、查询和打印, 实现设备的自动监测管理, 提高管理水平和工作效率。

根据FCS系统体系结构、设计的原则、系统的工艺和性能的需求指导系统硬件的设计工作, 为系统良好、可靠、高效地工作奠定坚实的基础, 下面主要从系统的组成、系统工作原理和主要设备选型三方面进行简要说明。

1. 系统总体设计

为确保系统工作的高可靠性以及考虑系统调试的需要, 所设计的FCS系统采用双方案方式, 即操作站工作方案和传统的PLC工作方案, 以操作站工作方案为主。当操作站或网络通讯故障时, PLC控制系统工作方案投入工作, 为及时处理突发事件, 以及为配合恒压供水系统的实际调试工作, 在PLC的控制方案中, 引入了恒压供水工艺流程的完全手动控制方式。

变频恒压供水系统主要由变频控制柜、压力传感器、水泵、供水管网等设备组成, 变频控制柜由变频器、断路器、接触器和控制器等设备组成;FCS主要由操作站 (工程师站) 、控制站和现场设备及通讯网络组成。变频供水的变频器、水泵机组、接触器、传感器、变送器视为FCS系统的现场设备, 其控制器视为FCS的控制站, 操作站选用高性能的工控计算机。通讯网络分为底层控制网、系统网和监控网, 控制网用于控制站和现场设备的互联, 采用传统的模拟信号;系统网用于控制站和操作站的互联, 采用PROFIBUS-DP总线;监控网采用以太网, 实现智能建筑信息共享。系统的结构原理图如下图1所示。

在所设计的FCS系统中, 一方面, 确保恒压供水系统正常可靠运行;另一方面, 充分利用计算机强大的数据运算、处理、图形显示和通讯功能, 及时监控系统的工作参数和工作状态, 也为智能建筑物业信息化管理提供了良好的平台。

2. 系统的工艺流程

系统的控制原理参见图1。压力传感器将用户管网水压信号变成电信号 (4mA-20mA) 送给PLC的A/D转换器输入端, 经过PLC程序数据处理后, 执行PLC中的PID指令, PID根据压力设定值与实际检测值进行PID运算, 输出控制量, 经PLC的D/A输出模拟信号给变频器的外部输入控制端, 通过变频器输出电源控制水泵电动机的电压和频率, 调节异步电动机的转速, 从而改变水泵的出水量来调节供水管网的压力。

当用水量较少时, 1#泵在变频器控制下变频运行。如用水量加大, 压力传感器在供水管网端测的水压偏小, 则变频器输出频率上升, 直到上限频率50Hz, 这时1#泵由变频切换为工频运行状态。同时系统对2#泵进行变频起动和调节。如果两台泵供水仍不能满足供水要求, 则系统将2#泵投入工频进行, 将3#泵投入变频运行。

如用水量减少, 变频器的频率会下降。当变频器频率下降至下限值30Hz时, PLC将最先工频运行的水泵停掉, 如果频率下限值仍持续出现, PLC再停止第2台工频运行的水泵。系统按先开起的泵先切除的顺序逐台切换泵, 以维持管网水压恒定;同时实现“倒泵功能”, 延长水泵寿命。

FCS变频恒压供水系统, 首先利用操作站进行系统初始化设置和发布起动命令;其次, 通过执行PLC控制程序, 按照一定规则改变水泵机组投放和切除, 在变频器的配合下, 实现水泵的软起动;其三, 变频器在PLC的控制下输出所需频率和电压的交流电给变频水泵机组;其四, 操作站除实现人机监控、报警和报表等功能外, 还要实现数据远传。

3. 主要设备选型

根据FCS恒压供水系统的组成方案和工艺要求及所需的数字量、模拟量输入输出通道等情况进行设备选型工作。操作站选用IPC-610型工控机, 为实现DP组态, 配置具有PROFIBUS—DP接口的网卡CP5611。控制器选用西门子的S7-200系列的CPU224PLC, 具有14输入/10输出, 并扩充具有4个模拟量输入和1个模拟量输出通道的EM235模块和具有PROFIBUS-DP接口的EM277模块。MM440系列变频器是西门子公司结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能矢量变频器, 具有很宽的功率范围、优良的速度控制和转矩控制特性、完整的保护功能、较高的可靠性、较小的体积、灵活的编程能力以及可选的PROFIBUS-DP接口模块, 本系统选用西门子MM440变频器。

(三) FCS软件开发

1. 软件开发概况

FCS控制系统, 应确保实时性、可靠性、可维护性、过程量采集和输出、人机交互、通信功能、信息处理和算法优化等要求, 为此在软件开发时, 应充分从系统的工艺性能、功能基本要求及特点出发, 以满足系统高性价比的目标。

FCS软件开发分为控制站的PLC程序开发和操作站的监控程序开发两部分内容, 由于组态软件具有直接读写PLC、图形和动画直观呈现工业现场信息、对现场数据进行逻辑和数字运算、对数据进行记录存储、可将运行状况及各类数据实现报表及报警处理、为用户提供脚本语言编写特定模块等强大功能, 为了提高开发效率和系统工作可靠性, 操作站选用西门子WINCC6.0组态软件。WINCC是西门子公司在自动化领域采用最先进的技术与微软公司共同开发的工控软件, 是基于32位的Windows人机界面 (HMI) 监控软件, 也是一个功能强大的全面开放的监控系统。WINCC集成了图形系统、报警信息系统、报表系统、数据处理、标准应用接口等功能, WINCC生成友好的人机对话接口, 使操作员能够清晰管理和优化工作过程。S7-200PLC开发平台选用STEP7Micro/WIN 32V4.0编程软件。

2. 操作站软件组态

利用操作站WINCC6.0组态软件可对控制器及设备的工作参数和工作状态实现全面监视和控制, 要求程序及画面能够直观地显示各个工艺参数的状态和数据;鉴于工业控制的特点, 要能在画面上直观地看出工艺参数的趋势走向, 便于进行分析、采取相应的操作及控制策略;为便于管理者的监管, 要有历史数据库, 同时, 对主要的工艺参数进行报警监控, 以便及时处理生产过程中出现的问题;另外, 还要能对有关数据进行统计、打印, 利用通信, 为管理部门提供所需数据。因此, 操作站实现主要功能包括:动态流程图、动态数据、趋势曲线画面显示功能, 以及数据处理、数据库管理、控制调节、报警、数据通讯、打印等功能。

WINCC6.0组态软件的应用组态主要步骤为:其一、将所有IO点的参数及标识整理齐全, 并以表格的形式保存, 以便在组态软件组态和PLC编程时使用。其二、明确所使用的IO设备的生产商、种类、型号, 使用的通信接口类型, 采用的通信协议, 以便在定义IO设备时做出正确配置。其三、根据工艺过程绘制、设计画面结构和框架。其四、建立实时数据库, 组态各种变量参数, 并定义数据连接。其五、制作实时、历史趋势曲线以及报警显示和报表功能。其六、对组态及系统进行分段和总体调试, 进一步完善用户需求和系统功能。

操作站的监控画面主要包括:FCS恒压变频供水系统主画面、趋势图和报警画面。

1) 主画面系统主画面是系统的总貌图, 操作员可观看系统总体运行情况和各种状态, 了解各个设备的运行情况, 在画面上主要显示设备的开关量信号及主要参数, 其主画面如图2所示。

2) 趋势图主要包括实时趋势和历史趋势, 过程数据首先由组态软件的实时数据库处理和保存为历史数据库, 然后由界面系统的趋势曲线显示和分析。利用实时趋势图不仅可以监测各变量的当前值, 还可以通过曲线变化情况来监测变化的趋势, 从而可对出现的问题进行及时处理。

3) 报警画面报警是在控制过程出现问题时, 及时发出警告, 指导操作人员根据报警情况作相应处理, 并通过事件记录, 掌握状态变化和操作人员活动情况。

3.PLC控制程序开发

PLC的程序设计主要就是依据变频恒压供水工艺流程, 确保供水管网压力恒定, 围绕泵的启与停、变频与工频的切换及变频器工作频率的调整。PLC的程序设计采用模块化编程, 即将程序根据功能划分为一定逻辑块, 逻辑块以子程序和中断程序方式组织, 由主程序进行调度协调。本系统PLC程序由主程序、初始化子程序、加/减水泵及变频/工频判断切换子程序、故障报警子程序、定时采集和PID控制中断服务程序模块组成, 恒压变频供水系统PLC主程序如图3所示。PLC的程序设计主要就是依据变频恒压供水工艺流程, 确保供水管网压力恒定, 围绕泵的启与停、变频与工频的切换及变频器工作频率的调整。PLC的程序设计采用模块化编程, 即将程序根据功能划分为一定逻辑块, 逻辑块以子程序和中断程序方式组织, 由主程序进行调度协调。本系统PLC程序由主程序、初始化子程序、加/减水泵及变频/工频判断切换子程序、故障报警子程序、定时采集和PID控制中断服务程序模块组成, 恒压变频供水系统PLC主程序如图3所示。PLC的程序设计主要就是依据变频恒压供水工艺流程, 确保供水管网压力恒定, 围绕泵的启与停、变频与工频的切换及变频器工作频率的调整。PLC的程序设计采用模块化编程, 即将程序根据功能划分为一定逻辑块, 逻辑块以子程序和中断程序方式组织, 由主程序进行调度协调。本系统PLC程序由主程序、初始化子程序、加/减水泵及变频/工频判断切换子程序、故障报警子程序、定时采集和PID控制中断服务程序模块组成, 恒压变频供水系统PLC主程序如图3所示。PLC的程序设计主要就是依据变频恒压供水工艺流程, 确保供水管网压力恒定, 围绕泵的启与停、变频与工频的切换及变频器工作频率的调整。PLC的程序设计采用模块化编程, 即将程序根据功能划分为一定逻辑块, 逻辑块以子程序和中断程序方式组织, 由主程序进行调度协调。本系统PLC程序由主程序、初始化子程序、加/减水泵及变频/工频判断切换子程序、故障报警子程序、定时采集和PID控制中断服务程序模块组成, 恒压变频供水系统PLC主程序如图3所示。

初始化子程序主要完成PID控制参数、变频器上/下频率、定时采集周期进行设置, 为节省扫描时间, 在主程序中只需在上电时执行一次。在加/减水泵及变频/工频切换子程序中, 为避免切换过于频繁, 影响设备的性能和寿命, 利用PLC中的定时器进行时间逻辑控制;另外, 在用水量最小的情况下, 如一台水泵连续运行时间超过2小时, 则应切换到下一台, 实现系统“倒泵功能”。故障检测处理子程序主要利用泵的“应有”工作状态与其供水管网流量的内在联系, 确定故障位置并进行处理。中断服务程序利用PLC的定时器, 一方面, 实现周期性采样管网的流量和压力过程量;另一方面, 执行PLC的PID处理, 并输出控制量, 调整变频器的输出频率, 以实现恒压供水要求。

(四) 结论

在供水系统中引入FCS变频恒压控制系统, 在实现节能的同时, 使系统启动平稳, 启动电流小, 避免了电机启动时对电网的冲击, 延长了泵和阀门等的使用寿命;并且综合了计算机、PLC和变频器各自的优点, 实现系统高度协调和有效控制, 不仅提升供水的质量和工作效率, 也为智能建筑物业管理信息化奠定了良好的基础。

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