基于PLC和变频调速的分时恒压供水系统设计.pdf

技术 基于P L C和变频调速的分时恒压供水系统设计 赵 鹏 飞 ， 陈晓 军 1 ． 南通宝钢钢铁有限公 司， 江苏南通 2 2 6 0 0 2 ；2 ． 南通市广播 电视大学 机械 工程 系， 江苏南通 2 2 6 0 0 6 摘 要在分析南通钢厂生活水 系统存在 的水 电等资源浪费 问题 的基础上 ，提 出了变频恒压供水系统改造方案 ．设计 了一套基 于 P L C控制 的变频 调速分时恒压 自动控制供 水系统 ，并成功应用 于南 通钢厂的生活水系统 中。该系统 由 P L C、触摸屏 、变频器 、 压力变送器、 水泵电机组及控制柜等主要设备构成，具备全自动分时变频恒压运行、手自动转换等功能。系统有效地解决了传 0 统供水 方式中存 在的问题 ，实现了节约能源及减少公 司成 本的 目的，同时该 系统具备 运行 可靠 、控制灵 活、 自我保护功 能完善 等特点 ，并具有多种辅助功能 ，增强 了系统的可靠性 。 关键词 恒压供水系统 ；变频器；P L C；触摸屏；分 时 中圈分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号1 0 0 9 9 4 9 2 f 2 0 1 1 1 1 2 0 0 2 6 0 4 De s i g n o f W a t e r - S u p p l y S y s t e m wi t h P LC- Ba s e d Fr e q u e n c y Co n v e r s i o n Ti me - S h a r i n g Co n s t a n t Pr e s s u r e Z HAO P e n g f e i ， ．C HE N Xi a o - i a n 1 ． Na n t o n g B a o g a n g i r o n＆ s t e e l C o ． ，L t d ，Na n t o n g 2 2 6 0 0 2，Ch i n a ；2 ． D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ． Na n t o n g R a d i o T V Un i v e r s i t y ，N a n t o n g 2 2 6 0 0 6，C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f wa t e r a n d e l e c t r i c it y wa s t e p r o b l e ms o f Na n t o n g s t e e l c o mp a n y l i v i n g wa t e r s y s t e m， fre q u e n c y v a r i a b l e c o n s t a n t p r e s s u r e wa t e r s u p p l y s y s t e m i mp r o v e me n t a c t i o n s w e r e p r e s e n t e d． A s e e s o f fr e q u e n c y v a r i a b l e c o n s t a n t p r e s s u r e a u t o ma t i o n c o n t r o l wa t e r s u p p l y s y s t e m b a s e d o n P LC c o n t r o l wa s d e s i g n e d ， a n d s u c c e s s f u l ly a p p l i e d i n Na n t o n g s t e e l c o mp a ny l i v i n g wa t e r s y s t e m ． T h i s a u t o ma t i o n fre q u e n c y v a ria b l e c o n s t a n t p r e s s u r e wa t e r s u pp l y s y s t e m c o n s i s t s o f P LC， t o u c h s c r e e n ，i n v e r t e r ，p r e s s u r e c o n v e rte r ， wa t e r p u mp mo t o r s e t ，c o n t r o l c a b i n e t a n d S O o n ma i n e q u i p me n t s ．Th i s s y s t e m h a s f u l l y a u t o ma t i o n t i me s e p ara t e d fre q u e n c y v a ria b l e c o n s t a n t pr e s s u r e o p e r a t i o n ，ma n u a l a u t o ma t i c c o n v e r s i o n f u n c t i o n s ． Th i s s y s t e m e f f e c t i v e l y s o l v e d p r o b l e ms t h a t e x i s t i n t r a di t i o n a l wa t e r s u p p l y ， a c h i e v e d e n e r g y c o n s e r v a t i o n a n d c o mp a n y c o s t r e d u c t i o n p u r po s e ， me a n wh i l e t h i s s y s t e m i s wi t h r e l i a b l e o p e r a t i o n ，fl e x i b l e c o n t r o l ， s e l f - p r o t e c t i o n ，c o mp l e t e f u n c t i o n s ， a n d a l s o wi t h a v a ri e t y a u x i l i a r y f u n c t i o n s ，t h i s s t r e n g t h e n s t h e r e l i ab i l i t y o f t h e s y s t e m． Ke y wo r d s c o n s t an t p r e s s u r e wa t e r s u p ply s y s t e m ； i n v e r t e r ； P LC；t o u c h s c r e e n； t i me s h a rin g 1引 言 本课题选 自南通宝钢钢铁公司生活供水系统 的改造项 目。 目前 ，该公司生活供水区域呈现的 特点是 用水的时间相对集中 ，水量和水压 的波 峰 、波谷 差 非 常 大 。 当职工 处 于 上班 时 间 内 ，用 水量较多，基本达到了泵站的总容量 ，而当职工处 于休息时，用水量相对非常少。这种大范围的水量 和水压波动问题造成的影响，主要有两个方面。 一 方面，生活用水质量较差 。当处于用水高 峰期时 ，远距离用水区很难用到水 ，或根本用不 到水 ．只能靠用水低峰时积蓄一些水 ，来弥补高 峰期的缺水 问题 ，从而维持 日常用水 。这种境况 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 6 1 3 对 当前高节奏 ，高效率 的现代化生活来说 ，势必 会降低职工的生活质量。 另一方 面，从 目前 的供水系统来看 ，只具有 按时加 大供水量 的能力 ．利用人的视力监测主干 线供水压力的办法来维持 。从技术上讲 ，仅实现 了逻辑上 的解决办法 ，并未彻底解决系统实时控 制问题。 从 目前 的供水行业调查结果表明 ．变频恒压 供水系统以其节能、安全、可靠 、高品质的供水质 量等优点 ．使我 国供水行业 的技术装备水平从 9 0 年代初开始经历了一次飞跃。变频恒压供水系统实 现水泵 电机无级调速 ，依据用水量的变化 自动调 测 控技 节系统的运行参数，始终保持水压恒定以满足用户 用水要求。该系统是当今最先进 、合理的节能型供 水系统 ，在实际应用 中得到了很大的发展 [ 1 - a ] 。因 此 利用 P L C与交 流 电机 变频调 速技 术对管 网供 水进行 自动控制 ，实现分时恒压供水[ 5 - 6 1 。 2供水 系统要求 由于 白天和夜间对 于供水需求不同 ，过去为 了满足用户需求以最大用水负荷为标准 ，采取全 天候供水 。在 白天是可 以满足实际需求 ，但是在 夜间存在明显富余 问题 。存在浪费电和水资源的 问题 。为此 ，拟根据企业各时段实 际用 水需求 ， 开发变频恒压供水系统 ，实现节 电、节水的 目的。 具体供水要求如下 上午 6时～ 晚上 2 0时要求供 水压力为 4 ． 5千克力 ，晚上 2 1时～ 凌晨 0时要求 供水压力为 3千克力 ，凌晨 0时至次 日上午 6时 停机 ，利用管网 自然压力约为 2千克力 其 中各 时 间段 可调 ，压 力可 调 。 3变频恒压控制 的原理 在供水系统 中 ，通常 以流量为控制 目标 ，常 用 的控制方法 有阀门控制法和转速控制 法两种 。 阀门控制法是通过调节 阀门开度来调节流量 。水 泵 电机转速保持不变。其实质是通过改变水路 中 的阻力大小来改变流量 。因此 ，管阻将随 阀门开 度的改变而改变 ，但扬程特性不变 。由于实际用 水 中，需水量是变化 的，若阀门开度在一段时间 内保持不变 ，必然要造成超压或欠压现象的出现。 转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流 量 ，而阀门开度保持不变 。这种控制方法是通过 改变水的动能来改变流量 。因此 ．扬程特性将随 水泵转速 的改变而改变 ，但管阻特性不变 。变频 调速供水方式属于转速控制 ，其工作原理是根据 用户用水量 的变化 自动地调整水泵 电机 的转 速 ， 使管网压力始终保持恒定 ，当用水量增大时 电机 加速 ，用水量减小 时电机减速。本控制系统的原 理 图如 图 1 所 示 。 从 图 1中可见 在运行过程中。如果实 际供 水压力低于设定压力 ，控制系统将得到正的压力 差 ，这个差值经过计算 和转换 ．可以得到变频器 输出频率的增加值 ，将这个增量和变频器当前 的 输 出值相加 ，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 ，从而提高供水压力。 上述调节过程被重复执行 ，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 的转速也将减小 ，使得 实际供水压力减小 ，直至实际供水压力和设定压 力相等 ] 。 4变频恒压供 水系统硬 件设计 本系统 由触摸屏 、P L C 、P I D控制仪 、变频 器 、接触器 、泵 、压力传感器组成 。通过压力传 感器将水压信号转变为 4 ～ 2 0 m A的标准电流信号 ， 送人 P I D控制仪 。与给定 的标准信号进行运算 比 较 ，得 出调节参数 ，以此参数作 为变频器的输入 量 ，从而使 变频器控制水泵的转速 ，调节系统 的 供水 ，使得 管网中的水压和给定的标准压力保持 一 致 。各时间段可通过触摸屏来设置 ，在夜 间也 可通过触摸屏实现强制开机。 4 ． 1控制 系统 组成 控制系统组成框图如图 2所示。 在硬件设计时 ．采用一台变频器连接 1台电 动机 。具有变频／ I频两种工作状态 ，通过两个接 触器与两个 空气开关实现与变频连接 。为了显示 电机 当前的工作 电流 ，在 电机三相输入 电源前面 接人 了电流互感器 ，电流表装在柜体上 。可以方 便地观察电机 的工作电流，便于操作人员监测 电 机的工作状态 。热继电器可以实现对 电动机 的过 载保护 。 变频 器主 电路 电源输入端子 R，S ，T 经 过空气开关 与三相电源连接 ，变频器主电路输 出 端子 U，V，W经接触器接 至三相电动机上 。 图 1 变频恒压控制 的原理 图 在变频器启动、运行 和停止操作 中，用触摸面板的运行和停止键 或 者 是 外 控 端 子 D R E V 来操作，而不用主电路的通断来 进行。此外 ．为了改善变频器的 功率 因素，将配置相应 的 A C电 技 术 网 2 恒压供水 系统图 抗器 ，直接 连接 到变 频器 的 R，S ，T 端 子 。 在控制电路设计 中。首先要考虑弱电和强电 之间的隔离问题 。为了保护 P L C设备 ，P L C输 出 端 口并不是直接和交流接触器连接 ．而是通过 中 间继电器去控制 。实现系统中的强电和弱电之间 的隔离 ，对系统进行保护 ，延长系统的使用寿命 ， 增 强 系统 工 作 的 可靠 性 。 所有控 制的动作 ，都是按 照 P L C的程序逻辑来完成 。 控制 电路之 间存 在互锁 关 系 。 当 前 工 作 状 态 指 示 灯 设 计方 面 ，为了节省 P L C 的输 出端 口，可以根据 与 P L C输 出端 子相联 的中间 继 电器 的有关 常开触 点的 断开／ 闭合状态来控制相应 指示灯 的点亮和熄灭 ，指 示 当前 系统 电机 和阀门 的 工作状 态 。 4． 2 Pl_ C设 计 变频器启动控制 、故障复位 等。P L C与所有交流 接触器 的连接是通过 中间继电器来实现的 。可 以 实现控 制系统 中强 电和弱 电之 间 的隔离 ．保 护 P L C设备 ，增强系统工作的可靠性 。 3 P L C的选 型 所需端子数 目除了要考虑控制系统实际需求 外 。还要 留有一定的余量 ，为新设备 的加入或设 备调整 留有余 地 。所选 用 的为艾默 生主模 块为 E C 2 0型的 P L C。其开关量输 出 D Q为 l 6点 ， 输 出形式为 A C 2 2 0 V继电器输 出开关量输入 为 1 6点 ，输入形式为 2 4 V直流输入 。P L C外部接 线图如图 3所示。 5控制 系统软件设计 5 ． 1 P L C程序 设计 P L C控制程序可采用艾默生公 司提供 的 C o n ． t r o l S t a r V 3 ． 3编程软件进行设计。程序在 P C上编 制 ，经编译后通过编程电缆把程序下载到 P L C 。 第 二 段 压 选 择 壹 囊 嚣 运 行 置 簧 拜 挑 被 障 复 位 图 3 P L C外部 接线 图 P L C 的 输 入 、 输 出 点 数是根据控制系统设计要求和所要控制的现场设 备数量加以确定的。 1 输入端 P L C的输入端 口包括工变频器转换按钮 、工 频启动按钮 、工频停止按钮 、故障复位按钮 、热 继保护输入等 。 2 输出端 P L C的输出端 口包括 3 2 ／ 变频器转换 、故障 指示 、运行指示、停机指示 、各压力段之间切换 、 5 。 2人机 界面 设计 借助触 摸屏 ．用 户只要 用 手指 轻轻地 触碰 显示 屏上 的 图符或 文 字就 能对 主 机进 行操 作 ， 从 而使人 机交互 变得更加 直接 了当 ，同时能 显 示 系统 当前 状态 参数 ，对 系统进 行实 时 监控 。 本系统采用的是威纶通公司生产 的 MT 6 0 5 6触摸 屏 ，共设计 了三个 画面 ，分别 是开 机画 面 、强 制 画面 和各 压力段 时间设定 画面 。开机 画面 如 图 4所 示 测控 技 图 4 开 机 固 面 6结束语 新开发并成功应用 的 1 5 k W 恒压 供水变频调 速控制系统具有如下特点。 1 可实 现双 恒压 变量 控制 方式 ，定压 精 度 ≤- 1- 1 ％。 2 节电 变频恒压供水系统的最显著优点 就是节约电能 ，节能量通常在 1 0 ％～ 4 0 ％。按 电费 0 ． 6元／ 度计算 ，年节约电费约 5 1 8 0 0元 。 3 节水 根据实际用水情况设定管网压力 ， 自动控制水泵 出水量 ，减 少 了水 的跑 、漏 现象 ， 系统实行闭环供水后 ，用户的生活水用量 由原来 的 1 1 0 0吨／ 天 降 到 8 0 0吨／ 天 ，年 节 约 水 费 约 2 4 7 5 0 0元 4 运行 可靠 变频恒压供水系统供水压力 稳定且流量可在大范 围内连续变化 ．从 而可 以保 证 用户任何时候 的用水压力 ，不会 出现在用水高 峰期热水器不能正常使用 的情况。由变频器实现 泵 的软起动 ，使水泵实现由工频到变频 的无冲击 切换 ，防止管 网冲击 ，避免管 网压力超 限，管道 破 裂 。 5 控制灵活 分段供水 ，定 时供水 ，手 自 动选择工作方式 。 参考文献 [ 1 ]-T ,I、 凯． 基于P L C的变频恒压供水系统的设计 [ J ]． 中 国制 造 业 信 息化 ，2 0 1 0 1 9 5 0 5 2 ． [ 2 ] 包西平 ，赵 颖． 全 自动 变频恒压供水 系统设计 【 J ]． 机 电工 程技 术 ，2 0 1 0 7 2 7 3 0，1 3 3 ． [ 3 ]刘丹 ，山炳 强，宫玩． 基 于 P L C和触摸屏 的接 力供水 控制系统设计L J ]． 青岛大学学报工程技术版，2 0 1 0 2 5 9 ． [ 4 ]田亚娟 ，郭丽颖． 变频 恒压供 水 P L C控 制 系统的设计 L J ]． 计算技术与 自 动化， 2 0 1 0 1 2 5 2 8 ． [ 5 ]王锡仲 ，蒋志坚 ，高景峰． 变频优化调压节能供 水装 置 的研制 [ J ]． 中国给水排水，2 0 0 4 ，2 4 1 O 6 4 6 7 ． [ 6 ]刘灿 生．自动化是我 国水厂发展 的方向 ]． 中国给 水 排 水 ，2 0 0 0 ，2 4 1 2 1 3 ． [ 7 ]王 涛 ，王爱 国． P L C及 变频技 术实现的恒压供 水 系统 l J ]．自动化博览，2 0 0 4 ，2 1 6 4 1 4 2 ，4 4 ． [ 8 ]赵相 宾 ，刘 国林．变频调 速和软起 动技 术 的现状和发 展 L J ]． 自动化博览，2 0 0 0 ，1 7 6 1 4 ． 第一作者简 介赵鹏 飞 ，男 ，1 9 7 4年 生，江苏南通人 ，工 程师。研究领域 机 电控制。 编 辑 阮毅 。 - -4 - 。 ” ” ” “ ” “ ” ” ” ” ” “ ” ” “ ” 十 。 、 l i 欧 比特公 司签署战略合作协议 ； ． L 比特公司举行战略合作协议签订仪式，双方充分发挥技术、产品、服 ； 网技术与应用、产品 研发及 市场开拓等方面建立战略 合作伙伴关系。 了 呈我国航空航 天领域 具有 自主知识产权的高可靠嵌入 式 5 0 C芯片及系统 ’ 重大科研项目 的研制企业之一， 拥有雄厚的 资金和技术实力， 致力于 t 技术产品。 十 硼 相关的先进技术和优质硬件设备资源，力争达到优势互补。航天科工 硼产品的软件研发、软件环境管理和其他相应的技术攻关等工作。欧比 只 别器、各类电-3标签等技术支持。双方组建合作性技术研发团队， 将 工 _丁 造成为国内同行业技术 领先水平。共同负责合作产品的 市场宣传与 销 i 资源，努力拓展和开发产品市场。 f T l 一卜 卜n 卜一 卜” ” - ” ” ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．