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高层楼宇恒压供水控制系统的
高层楼宇恒压供水控制系统的
摘要
高层楼宇恒压供水控制系统具有运行稳定可靠,占地面积小,节电节水,自动化程度高,操作控制方便等特点,这对于楼宇节能降耗、提高经济效益和保障设备安全、稳定运行具有现实意义。
本论文通过分析恒压供水控制系统的原理,系统的组成结构及不同的控制方案,设计出更切合实际需要的恒压供水控制系统。
通过研究和比较,本论文采用变频器和PLC实现恒压供水,对系统的硬件设计进行了详细的介绍,然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。
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可编程控制器(PLC)构成控制系统,完成供水压力的恒定控制,使管网流量变化达到稳定供水压力的目的。
系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较,其差值输入PLC运算处理后,发出控制指令,控制电动机的转速,从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
该系统能够对供水过程进行自动控制,能够有效地降低能耗,保证了供水系统维持在最佳运行状况,提高了生产管理水平。
系统可靠性高、经济性强。
关键词变频调速,恒压供水,PLC
ABSTRACT
Frequencycontrolwatersupplysystemhasastableandreliableoperation,smallfootprint,powersaving,highdegreeofautomation,convenientcontrolfeatures,whichimprovetheeconomicandsecurityequipmentforbuildingenergysaving,safeandstableoperationwithpracticalsignificance.
Thepaperthroughtheanalysisoftheprincipleoffrequencycontrolwatersupplycontrolsystem,thesystemstructureanddifferentcontrolschemestodesignmoreinlinewiththeactualneedsoftheconstantpressurewatersupplycontrolsystem.Throughresearchandcomparison,thepaperinverterandPLCconstantpressurewatersupply,carriedoutadetailedintroductiontothehardwaredesignofthesystem,andthenusethedigitalPIDconstantvoltagecontrolsystemdesign.Thebasiccontrolstrategyofconstantpressurewatersupplycontrolsystem:
theuseofamotorspeedcontroldevicewithprogrammablecontroller(PLC)controlsystems,constantwaterpressurecontrol,thepurposeofastablewatersupplypressurechangesinthepipenetworktraffic.Explorerpressureofthewatersupplypressureandfeedbacksystemsetactualvaluecomparison,thedifferencebetweentheinputPLCoperationprocessing,issuecontrolinstructionstocontrolthespeedofthemotor,soastoachievethewatermainspressurestabilizedatthesetpressurevalue.
Thesystemiscapableofautomaticcontrolofthewatersupplyprocess,whichcaneffectivelyreducepowerconsumption,toensurethewatersupplysystemismaintainedattheoptimumoperatingconditionstoimprovetheproductionmanagementlevel.Systemreliabilityishigh,theeconomyisstrong.
KeywordSpeed-frequencyvariable,Constantpressurewatersupply,PLC
1绪论
1.1前景
随着社会经济的迅速发展,水对人民生活与工业生产的影响日益加强,人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求也不断提高。
目前最先进的自动化技术,控制技术,通信技术和网络技术综合应用到供水领域,将成为供水系统的新发展方向。
基于PLC的恒压供水控制系统更是的到了广泛的应用。
1.2国内外研究概况
高层楼宇恒压供水控制系统的发展得益于变频调速技术的发展。
随着科学技术的不断发展,恒压供水控制系统中的变频器作为执行机构,在供水量大小需求不同时,为了保证管网压力恒定,在管网终端配备压力控制器和压力传感器,从而实现对压力的闭环控制。
在初期,由于国外生产的变频器的功能主要局限在频率控制、正反转控制、升降速控制、起制动控制、变压变频比控制及其它保护功能。
从早期的相关资料显示情况来看,国外的恒压供水系统在设计之初都只采用了一台变频器带一台水泵机组的方式,因此投资成本较高,不利于系统的大规模使用和发展。
直至1968年,丹佛斯公司(丹麦)发明并首家生产了面向多台设备的变频器之后,变频技术的历史性革新发展及变频恒压供水控制系统体现出来的稳定性、可靠性、自动化程度高等优点以及显著的节能效果才被大家发现和认可。
之后国外生产变频器的厂家开始推出能够同时服务于多台工作机组的变频器。
像ABB集团(瑞士)推出了HVAC恒压供水基板,有“变频泵固定方式”,“变频泵循环方式”双模式。
但这也体现出了这类产品的先天不足,这类设备虽说微化了电路结构,降低了设备投入,但其输出接口仍缺乏灵活性,系统的动态性能和稳定性能依然不高,与别的设备之间难以形成有效的数据通信,而且限制了带负载的容量。
因此,在实际使用时其范围依然受到诸多的限制。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水控制系统的工程,但主要设备如变频器,仍大多采用国外品牌。
从系统的动态性、稳定性、抗干扰性以及开放性等多方面的综合技术指标来看,系统依然存在很多缺陷,还远远没能达到用户的要求。
因此,有待于厂家进一步研究改善变频恒压供水控制系统的性能,使其能被更好的应用于生活、生产实践当中,给用户提供更方便,更简单的服务。
即使目前变频调速还存在诸多短处,变频调速依然是目前优于以往任何一种调速方式(如调压调速、串级调速、变极调速等)的控制系统,变频调速已成为当今世界上一项性能最好、效益最高、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统也具有诸多特点,如:
高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等。
1.3恒压供水工艺图
图1.1恒压供水工艺图
2高层楼宇恒压供水系统整体设计
2.1变频恒压供水系统的组成及原理图
变频恒压供水系统主要由变频器、PLC、压力变送器和终端水泵机组组成,形成一个完整的闭环调节系统,系统的控制流程图如图2.1所示:
图2.1恒压供水控制系统控制流程图
从图中可看出,系统可分为:
执行机构、控制机构、信号检测机构三大部分,具体为:
(l)执行机构:
执行机构是由一组水泵组成,包括一台变频泵和两台工频泵,变频泵通过变频器发出控制信号对电机转速进行调整,使水量稳定在可控范围内;工频泵只有启停功能,当用户用水量很大时(变频泵已经达到额定功率,但仍无法满足用户需求),工频泵开始投入工作。
(2)信号检测机构:
在系统运行时,需要检测相关信号来及时调整执行机构的工作状态,此时就需要检测管网水压信号、水池水位信号和报警信号。
管网水压信号检测的是用户管网的水压值,他是整个系统的主要反馈信号。
由于终端检测得到的是模拟信号,需要经过A/D转换。
为了提高系统的可靠性,还需对供水的上下限压力进行检测,电接点压力表就能很好的完成这一任务,检测结果通过数字量传给PLC进行检测;水池水位信号是检测水源的充足性。
当信号有效时,控制系统会自动检测并对系统实施保护控制,以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。
液位传感器通常安装于水池中;报警信号是当工作组机构运行有错误时输出信号,系统进行相应的开关控制以此保护整个系统。
(3)控制机构:
控制系统包括PLC、变频器和电控设备,一般整体安装于控制柜中。
PLC是变频恒压供水控制系统的最核心部件。
PLC直接处理系统中传来的各方数据,如压力信号、液位信号、报警信号等,对收集的数据和设定数据进行比较,再做出相应的控制操作;变频器是PLC的执行单元,PLC送来的控制信号作用于变频器,变频器通过改变调速泵的运行频率,完成对调速泵的转速控制。
根据实时用水情况的不同,变频器可以有两种工作方式:
变频固定式和变频循环式。
变频固定式是指变频器始终拖动某一台水泵机组作为调速泵,当供水量无法满足要求时,并且此组水泵机组已经是工作在50HZ的频率下,这是就需要增加另一台水泵机组来增大管网水压,系统会直接启动一台处于工频运行状态的水泵机组,原来的调速泵依然运行于调速状态;变频循环式也是当供水要求无法满足时,需要增加额外的水泵机组,但新增加的水泵机组做变频运行,原来的变频调速泵转为工频运行状态。
在工作之前须确定好恒速泵,本设计中采用后者。
任何控制系统,报警器绝对是必不可少的重要组成部分。
由于本系统适用范围广泛,所以为了保证系统能够安全、可靠、平稳的运行,系统必须具有对各种警报量的检测功能,检测量会直接送至PLC,并由PLC判断报警类别,进行相应的动作控制,以免造成不必要的损失。
变频恒压供水系统是以控制供水出口管网水压为控制目标,使实际供水量始终处于设定的供水压力范围。
设定值的表现方式可以是常数,也可以是时间分段函数。
所以,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允许波动供水压力内。
变频恒压供水系统的结构框图如图2.2所示:
图2.2恒压供水控制系统框图
恒压供水系统的压力变送器安装于用户供水管道上,并实时检测监测点的水压,以4—20mA的电信号传送至PLC,此检测信号是实现恒压供水的关键参数。
由于电信号为模拟量,还需通过PLC内置的A/D转换模块将电信号转换成数字信号并与设定值进行比较,将比较后的偏差值进行PID运算,再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号,控制变频器的输出频率,从而控制电动机的转速,进而控制水泵的供水流量,最终使用户供水管道上的压力恒定在允许范围内,实现变频恒压供水功能。
2.2变频恒压供水系统控制流程
变频恒压供水系统控制流程如下:
(l)系统通电,按照接收到有效的自控系统启动信号后,首先变频器会启动变频泵M1,根据比较压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差来调节变频器的输出频率,控制Ml的转速。
当输出水压达到设定值,用水量与供水量达到相对平衡时,转速会稳定在某一转速值,这期间Ml将处于调速运行的稳定工作状态。
(2)当用水量增加导致管网水压减小时,压力变送器反馈的水压信号会减小,偏差变大,PLC的输出信号变大,变频器的将增大输出频率,从而使水泵的转速增大,供水量增大,最终水泵的转速将相对稳定在一个转速值。
反之,当用水量减少使管网水压增大时,通过与前面相反的压力闭环调节,减小水泵的转速直至稳定在另一个新的稳定值。
(3)当用水量持续增加,水泵机组的工作频率已达到50Hz,实际水压仍未达到实际设定压力值,并且增加水泵的条件也已经满足(在下节有详细阐述)时,在处于变频循环式的工作模式下,系统的PLC自动控制水泵,使M2进行变速运行,同时变频泵M1转换为工频泵运行,系统仍然处于闭环调节状态,直至管网水压与供给水压趋于平衡。
当用水量持续增加,同时增加水泵的条件也已经满足,将会重复上面的转换行为,并将指定工频泵M3进入工频运行状态。
如果供水量持续增加,变频器的输出频率也已经达到频率的最高上限50Hz,但压力却仍没有达到初始设定值时,控制系统的终端就会传送警报信号,主机发出水压超限报警,此时供水系统已经达到设计的最大负荷。
(4)当用水量开始下降,管网水压开始升高,变频器输出的频率也已降至下限,管网的实际水压仍高于设定压力值,并满足减少水泵机组的条件时,系统将会关掉工频泵M2,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,将另一台工频泵M3关掉。
2.3水泵切换条件分析
在上述的系统工作流程中,我们提到当变频泵己运行在上限频率,此时管网的实际水压仍低于设定压力,仍需要增加水泵来满足供水要求,来达到恒压的目的;当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率,此时管网的实际水压仍高于设定压力,此时仍需要减少工频泵来减少供水流量,达到恒压的目的。
那么怎么才能使系统既能有效的工作在额定供水压力范围内,又能避免上诉情况的出现,同时又使机组不过于频繁的切换呢?
由于我国电网的固定传输频率是50HZ,因而变频器和电机工作频率受到限制,因此50HZ成为频率调节的上限频率。
另外,由于变频器不可能输出负值,最多只能是0HZ,就是变频器停止工作。
在实际生产生活应用中,变频器的输出频率是不可能降到0HZ的。
因为当水泵机组运行时,水泵开始向上抽水,已经送入管网的水会对水泵有反作用力,阻止水泵的抽水运行,所以一旦电机的运行频率降到一定程度时,就已经不能向管网送水,实际的管网中的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。
在实际应用中这个频率就是电机运行的下限频率。
毫无疑问,这个频率是远大于0HZ的。
具体的频率与系统的使用场合和水泵的基本特性等因素有关,一般使用情况下是在20HZ左右。
因此水泵机组工作室的切换频率上下限分别为50HZ和20HZ。
当水泵机组的输出频率达到上限频率时,管网的实际供水压力会趋于稳定在某一压力值。
如果
,PLC会进行机组切换,由于突然增加了一台水泵机组,供水压力很可能在短时间内超出了压力设定值,系统很有可能做出停掉一组水泵机组的指令,长此以往对系统的结构性损伤非常大。
。
假定在极端情况下,系统刚增加了一组水泵机组,而实际供水压力超过设定供水压力,新增加的水泵机处于频率下限运行,并且完全满足了系统关停机组的条件,这时系统会做出关停一组水泵机组的指令。
如果在实际用水量不变的情况下,供水泵站中的所有水泵机组就会存在一种循环,即投入—切出—再投入—再切出地一直循环下去,机组切换的次数在一定时间内会增加,系统也会处于一种长期不稳定状态,这样也会导致实际供水压力处于不断波动之中。
所以在系统构建之初就要考虑相关的解决方案,一旦出现此情况系统既无法提供稳定可靠的供水压力,水泵机组的使用寿命也会大大缩短,频繁使用的阀门和水泵等相关器件也会很快磨损,造成设备维护成本的上升。
另外,供水压力超调量的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰值出现的情况,这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。
所以,在实际应用中,相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的,其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。
实际的机组切换判别条件如下:
加泵条件:
且延时判别成立(2.6)
减泵条件:
且延时判别成立(2.7)
式中:
:
上限频率
:
下限频率
:
设定压力
:
反馈压力
3系统的硬件设计
3.1系统主要设备的选型
根据基于PLC的恒压供水控制系统的原理,控制系统框图如图3.1所示:
图3.1控制系统框图
由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分:
(1)PLC及其扩展模块、
(2)变频器、(3)水泵机组、(4)压力变送器、(5)液位变送器。
主要设备选型如表3.1所示:
表3.1本系统主要硬件设备清单
主要设备
型号及其生产厂家
可编程控制器(PLC)
SiemensCPU226
模拟量扩展模块
SiemensEM235
变频器
SiemensMM440
水泵机组
SFL系列水泵3台(上海熊猫机械有限公司)
压力变送器及显示仪表
普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪
液位变送器
分体式液位变送器DS26(淄博丹佛斯公司)
3.1.1PLC及其扩展模块的选型
PLC是整个系统的核心部件,它需要完成很多任务,如:
输入号的采集、输出单元的控制、恒压的实现、对外的数据交换等。
因此在选择PLC时,首先要考虑PLC的整体性能,如:
指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、带扩展模块的能力、通讯接口及协议、编程软件的方便与否等。
由于目前世界上专业应用于恒压供水控制系统的控制设备相对较少,因此决定选用德国SIEMENS公司的S7-200型。
S7-200型PLC的特点较为突出:
整体结构紧凑,价格实惠,高性价比。
SIEMENS公司的产品可扩展性好,可靠性高,有丰富的通信指令,通信协议简单;工控计算机与PLC建立连接后,控制系统就可以实现监测控制。
根据对控制系统实际所需端子数目和预留量的考虑,因此选用的主模块为CPU226,它有16点开关量输出口,以AC220V继电器形式输出;有24点开关量输入口,以+24V直流形式输入。
在实际中由于还有模拟量输入,所以需要模拟量输入点和模拟量输出点各1个。
由于原有的设备已经不能实现,所以需要扩展模块的补充,在此选择的是EM235。
此模块由4个模拟输入(AIW),1个模拟输出(AQW)信号总共5个通道组成。
此模块的输入输出端口能够自动完成A/D和D/A的转换,转换信号可以是一个字长(16bit)的数字信号,也可以是标准的输入输出信号。
EM235模块还可以针对不同的标准输入输出信号,通过DIP开关进行设置,它的拓展性和实用性还可以为系统的进一步升级提供有效的硬件支持。
3.2系统主电路分析及其设计
基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3.2所示:
执行机构由三台水泵电机组成,分别为M1、M2、M3,它们分别带动水泵1#、2#、3#。
接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行;接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行;FR1、FR2、FR3为热继电保护器,分别为三台水泵电机过载保护;QS1、QS2、QS3、QS4为隔离开关;FU为熔断器,用来保护主电路。
本系统采用三泵循环变频运行方式,即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行,其余水泵在工频下做恒速运行,在用水量小的情况下,如果变频泵连续运行时间超过3h,则要切换到下一台水泵,即系统具有“倒泵功能”,避免某一台水泵工作时间过长。
因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下,但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。
图3.2恒压供水控制系统主电路图
三相电源经过低压熔断器、隔离开关连接至变频器的R、S、T端,电机通过接触器的触点与变频器的U、V、W端相连。
当电机工频运行时,隔离开关及变频器输出端的接触器与变频器之间断开,工频运行的接触器与隔离开关之间闭合。
低压熔断器除除了可以保护接通电源外,同时还可以实现短路保护,对应的热继电器FR则可以对每台电动机进行过载保护。
在工作状态下,变频和工频不可能同时接通,二者只可以有一种工作状态。
变频器的输出端必须经过接触器的触点,不能直接与电源相连接,这是为了保证变频器过载时的安全性。
当电动机处于工频运行状态时,接触器的触点会自动断开。
同样的当水泵机组从工频状态转为变频状态时,工频接触器必须先断开,才允许变频器输出端与接触器接通,所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作,相互之间必须设计可靠的互锁,防止上述情况的发生。
为了实时监控电机负载的运行情况,主回路的电流大小将通过电流互感器和变送器测得的信号以4~20mA电流信号实时传送至上位机。
同时在转换开关处接电压表测线电压,电压表还可通过转换开关测得不同相之间的线电压,由此可以使系统更实用简洁。
系统开始初始运行时,必须先观察电动机的转向,确保转向正常。
若转向相反,则需要通过改变电源相序来调整转向。
在系统进行启停操作时,主电路不能被直接断开(如直接使熔断器或隔离开关断开),而必须进行软启动或软停止,这可以通过变频器实现。
为了使变频器更高效,所以要接电抗器来提高变频器的功率因素。
当采用手动控制时,必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流,本系统采用软启动器。
3.3系统控制电路分析及其设计
系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC,控制电路的合理性,程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。
本系统采用西门子公司S7-200系列PLC,它体积小,执行速度快,抗干扰能力强,性能优越,非常适合小型控制系统。
PLC主要用于实现变频恒压供水系统的自动控制,负责以下功能的实现:
自动控制三台水泵的投入运行;能在三台水泵之间实现变频泵的切换;三台水泵在启动时要有软启动功能;对水泵的操作要有手动/自动控制功能,手动只在应急或检修时临时使用;系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。
如图3.3为电控系统控制电路图。
图中SA为手动/自动转换开关,当SA打在1的位置时,此时为手动控制状态;打在2的位置时,此时为自动控制状态。
手动运行时,通过按钮SB1~SB6来实现三台水泵的启/停功能;自动运行时,系统会在已经写好了的PLC程序控制下自动运行。
图中的HL10为自动运行状态下的电源指示灯。
如果变频器想进行复频控制,只需要通过中间继电器的触点即可。
图中的Q0.0~Q0.5及Q1.1~Q1.5为PLC的输出继电器触点,可结合下节中图3.4一起读图。
图3.3恒压供水控制系统控制电路图
注:
PLC各I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节I/O端口分配中将详细介绍。
本系统在手动/自动控制下的运行过程如下:
(1)手动控制:
手动控制只在检查故障原因时才会用到,便于电机故障的检测与维修。
单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式,此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。
SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电,KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能,电机M1可以稳定的运行在工频下。
只有当SB2按下时才会切断电路,KM1线圈失电,电机M1停止运行。
同理,可以通过按下SB3、SB5启动电机M2、M3,通过按下SB4、SB6来使电机M2、M3停机。
(2)自动控制:
在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。
单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模式,自动控制的工作状况由PLC程序控制。
Q0.0输出1#水泵工频运行信号,Q0.1输出1#水泵变频运行信号,当Q0.0输出1时,KM1线圈得电,1#水泵工频运行指示灯HL1点亮,同时KM1的常闭触点断开,实现KM1、KM2的电气互锁。
当Q0.1输出1时,KM2线圈
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