2023年基于PLC变频器通讯恒压供水系统.doc

基于PLC与变频器通信方式闭环调速系统 ----基于PLC和变频器串行通讯的变频恒压供水系统 董小丹 摘  要：随着社会主义市场经济的开展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。 本论文分析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。具体讲述了系统的总体设计与软件的实现，并对系统采取的可靠性措施进行了说明。 本论文的变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。 关键字：变频调速；恒压供水；PLC；监控系统 引言 介绍了一种基于PLC和变频器采用串行总线方式通讯的变频恒压供水系统的构成和工作原理。系统采用变频调速方式自动调节水泵电机转速，保持供水压力的恒定，在用水低谷时投入小流量泵，降低电能损耗。变频器故障时仍能自动运行，保证不间断供水，同时故障消除后能自启动，实现无人值守全自动运行。 在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉定压供热和恒压补水喷淋及消防等供水系统中，采用传统的水塔、高位水箱、气压增压等设备，不但占地面积和设备投资大，维护困难，且不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水需求。另一方面，由于供水量的随机性，采用传统方法难以保证供水的实时性，且水泵的选取往往是按最大供水量来确定，而顶峰用水时间较短，这样水泵在很长一段时间内有较大余量，不仅水泵效率低，供水压力不稳，而且造成大量电力浪费。这里介绍一种由可编程控制器控制的变频恒压供水系统，它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力，又能节约能源。 一、系统介绍 变频恒压供水控制系统由PLC控制器、触摸屏显示器、变频调速器、压力变送器、水位变送器、交流接触器等其它电控设备以及3台水泵〔水泵数量可以根据需要设置〕和一台小流量泵等构成，如图1所示。在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力，在蓄水池安装液位变送器，PLC具有模拟量输入检测模块，检测压力变送器和液位变送器输出的4-20mA信号，将检测的压力信号与设定的压力信号经过PID运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速，保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统；自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏显示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和各泵的工作状态等信息；可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守。 随着变频技术的开展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以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，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低本钱、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不管是设备的投资，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无法比较的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向开展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点: (一)、供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。 (二)、用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。 (三)、变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。 (四)、在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的参加控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。 (五)、当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。 (六)、水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。 (七)、用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。 图1 二、工作原理 该系统具有手动和自动两种运行方式： ㈠手动运行方式 选择此方式时，按启动按钮泵或停止按钮，可根据需要而分别启停各水泵。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。 ㈡自动运行方式 1.启动程序 在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，假设水池水位符合设定水位要求，1#泵变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反响PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，那么频率上升至50Hz，延时一定时间后，将1#泵切换为工频，2#泵变频交流接触器吸合，变频启动2#水泵，频率逐渐上升，直至出水压力到达设定压力，依次类推增加水泵。 2.水泵切换程序 如用水量减小，出水压力超过设定压力，那么PLC控制变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。假设变频器输出频率低于某一设定值〔水泵出水频率，一般为25Hz〕，而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，假设在一定时间内，出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行；假设在一定时间内出水压力仍高于设定压力，根据先投先停的原那么，PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力到达设定值。 3.启动小流量泵 对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统，可设置一台小流量水泵。例如在晚上12点到凌晨5点，居民生活用水很少，一台30kW的水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在25Hz左右，电动机不仅要消耗十几个千瓦的电能，同时还要长期工作在低频状态，大大影响电动机的寿命。假设系统中设置一台5KW左右的小流量水泵，为了维持出水压力，由小流量水泵变频工作，不仅电动机工作在较高频率，而且消耗的电能也很小。在小流量水泵的选择上，其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，扬程和主泵相同。 4.水池水位检测 在自动供水的过程中，PLC实时检测水池水位，假设水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发出缺水报警信号；假设水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信号；假设水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给水管电动阀门。 5.自动启动 有时电源会突然断电，假设无人值班，恢复供电后假设系统无法启动会造成断水，为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。在电源恢复后，PLC会发出指令，蜂鸣器发出警告，然后按自动运行方式变频启动1#泵，直到稳定地运行在给定水压值。 6.消防报警 当出现消防报警信号时，系统立即按照消防压力运行。 7.故障处理 变频故障从冗余设计原那么考虑，在变频器发生故障时也要不间断供水。当变频器突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC发指令使全部水泵停机，然后1#泵工频运行〔假设水泵功率大于37KW，那么需要采用降压启动或其它启动方式〕，经一定延时后根据压力变化情况再使2#泵工频运行。此时，PLC切换泵那么根据实际水压的变化在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时，均能由蜂鸣器发出警报声。条件许可时可以添加MODEM模块，在变频器、电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员 ，通知有关人员前来维修。所有故障解决、恢复正常后，自启动前也要发出报警信号。 三.器件的选型及介绍 ㈠.可编程控制器 1、简介PLC 可编程控制器是60年代末在继电器系统上开展起来的，当时称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。可编程控制器的产生和开展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为根底，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件那么需要根据要求进行设计。 图3.1 PLC的硬件结构框图 可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。随着微电子技术计算机技术和通信技术的开展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。现在的PLC已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。美国电气制造商协会(NEMA)将其正式命名为可编程控制器(Programmable Controller)，简称PC，但是为了和个人计算机(Persona1 Computer)的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC。 事实上与所有的器件一样，PLC本身也有其局限性，它无法向操作者显示动态的设备状态参数，无法进行大批量数据的存贮与转化，尤其是当系统工艺改变时，无法方便、快速地改变相关参数、配方。因此，在现今的稍微复杂一些的控制系统中，PLC通常与工业控制计算机配合使用，实现完整的控制功能。 2、 PLC的特点 现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。在兴旺的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点： ⑴、编程方法简单易学 ⑵、功能强，性能价格比高 ⑶、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 ⑷、无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强