基于PLC的恒压供水系统的研究与设计
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作者: 毕俊喜 张巨洲
【摘要】基于PLC为核心控制变频器，用以太网方式通讯的变频恒压供水系统的研究和设计。系统使用PLC采集运算，以设定压力和反馈压力为控制目标，以PID为控制算法组成闭环控制，WinCC可视化面板管理，实时采集水网参数、电机温度、设备运行状态，达到优化运行、可靠保护、远程实时监控。最终控制变频器的输出，实现自动调节水泵电机转速，保持供水压力的恒定。该系统还设有多种保护功能，及故障记录诊断，从而保证正常供水，实现无人值守全自动运行。
【关键词】PLC控制器；变频器；恒压供水
当今世界以PLC为控制中心，变频器作为执行核心，无级调节电机转速的控制水泵流量的系统被广泛认可。此种系统特点：系统稳定靠，控制方法灵活可调，稳压避开高低峰节能。目前的居民生活小区及消防供水系统中广泛使用。在这里向大家介绍一种由PLC为控制中心的变频调为主要执行元件的恒压恒温供热水系统，它使用可视化系统监控设备节约人工，系统运行的优良性能又能节约能源。
一、项目选题背景及研究内容
1.近几年来，变频技术取得了显著的发展，很多变频技术都被老百姓所接受并且日益走进千家万户。但是不得不说，我国的在变频技术的应用与发达国家相比有一定的距离，发达国家交流电机使用变频率在60%-70%，而在我国变频技术使用率仅为6%；在日本，风机、水泵采用变频调速技术已达10%，而我国变频技术在水泵、风机上的应用刚刚起步，应用率相对而言微乎其微。可以看出，变频技术在中国存在着很大的发展空间，我们应该不离不弃的坚持推广这项技术。
2.变频技术不仅仅是异步电动机，结构坚固，易于维护，更重要的是由于采用变频技术的异步电动机的机械性可以达到了直流电动机调压调速的功能。这样子可以很好的解决国内供水的很多问题。从而人们可以按照序曲自行研发一个合适的而且比较方便环保的调速控水系统。恒压供水系统改变原有的调速方式，实现了无极控制恒压供水，依据用水量的变化自动控制调节系统运行的参数，保证了供水的安全可靠。随着电子技术的不断深入，恒压变频器的日益完善，功能越来越强，即可利用恒压变频的各种功能对其变频调速恒压供水系统提供更多的服务，从而保证恒压供水系统的更多功能，供水的更稳定，更好的为人类服务。
二、项目介绍
恒温恒压供水控制系统由可编程控制器、可视化触摸屏显示器、变频器、交流电动机、压差传感器、液位变送器、温度变送器、板式换热器、继电器、辅助加热器、以太网线及相应模块、等其它电控设备、以及5台循环水泵和一台小流量隔膜泵等构成。在整个系统中，可编程控制器与可视化显示器安装在中控室，远程可使用以太网络监控现场模块。在水箱入空和出口安装压差传感器，检测水压。在水箱底部安装液位变送器。在水箱里安装温度变送器。可编程控制器中的模拟量模块采集液位变送器、温度变送器送来的4-20mA信号电流。将测量信号与PLC设置的信号进行比较，经过PID模糊运算后，由PLC控制变频器输出的频率来调节交流电动机的转速，改变循环泵的流量，来保证供水水压恒定。箱体水温温度由板式换热器供给。温度控制阀来调节温度。辅助加热器用来保证温度的恒定。这样就构成了以设定压力温度为基准的恒压恒温闭环系统。触摸屏显示器用于显示供电电压、工作电流、变频器实际频率、供水压力及各循环泵的工作状态等；可以通过触摸屏以太网络在线修改供水压力和温度控制恒温供水系统的运行。
三、程序设计原理
1.整套热水供给系统采用西门子CPU
226 PLC控制，软件使用西门子S7-200进行控制程序编辑。可视化面板使用西门子Smart 1000显示屏，软件使用WinCC flexible。同一公司系列产品，兼容性好，协议一致利于通讯。STEP 7是用于SIMATIC可编程控制器组态和编程的标准软件。它是SIMATIC工业软件的组成部分。为功能模板和通讯处理器赋值参数、强制和多处理器模式、全局数据通讯、使用通讯功能块的事件驱动数据传输、组态连接。WinCC flexible项目包括能让系统接受操作和监视的所有组态数据。在WinCC flexible中，组态数据根据主题类别进行编译。每个类别都在单独的编辑器中进行处理。编辑器的可用性取决于所用的WinCC flexible版本和要组态的HMI设备。WinCC flexible的工作环境只显示当前使用的HMI设备所支持的编辑器。也就是说，组态工作非常简单且易于进行。
2.稳定运动状态的自动控制系统设计。系统为了解决水压波动，流量变化对供水系统的扰动。采集管网压力、温度、电流等信号。参考传统的PID调节器算法，即：
U(T)=Kp[e(t)++T]
关于P值，I值，D值的设定可采用测试法，最短短时间内完成参数设定，避免造成不良影响。设定的依据：增益P值大，有利于减少供水管网的实际压力与恒压给定值的差值，但是P值过大，系统将产生振荡，稳定性变差。积分I值越小振荡作用越强烈，适当增大I值，使系统更加稳定，但是时间长又会发生难以迅速恢复的情况，系统的动态响应变差。微分D愈短，微分作用越弱。P，I，D经验值和参数设定依据，在测试过程中依照先比例后积分的原则对系统进行调节。在程序控制中使用比较指令函数运算等先关算法更精准的计算调整相关参数，实时精确的控制恒温恒压供水系统。
3.变送器的安装、电气连接、调试和维护必须由通过培训、有资格的专业人员操作。如果在管系上需要进行焊接工作，不要将焊接设备的接地接在本测量设备上。安装者必须保证仪表根据接线图正确接线。如果电源不隔离，变送器必须接地。在打开和修理电气设备时请遵守当地所有相关规定。
四、工作流程介绍
该系统具有手动操作模式和自动工作模式两种运行方式
1.手动操作模式
选择手动模式时，操作可视画界面。可实现单独设备的启动和停止，这种方式用于检修或控制系统出现故障时使用。
2.自动运行模式
（1）系统补水
1）地下储水池由一台7.5KW的深井潜水泵供水，当蓄水池水位达到最低下限（通过压力传感器测量水位）1米时，启动深井补水泵开始补水。（蓄水池深度2米）达到最高水位2米时，停止供水。
2）由地下蓄水池为1号水箱供水（冷水）（5.5KW水泵2台，由变频器控制），1号水箱高度3米，2号水箱高度2米，1、2号水箱之间落差1.5米；1、2号水箱由管道相连实现自动补水，补水时当1号水箱水位达到1.5米时，自动开始为2号水箱补水，2号水箱加满后，再为1号水箱加水，直至1号水箱加满为止。（2.8米）
3）当1号水箱水位达到最低保持水位（热水）1米时，启动1、2号之间的补水泵（1台 2.2KW）开始由2号水箱为1号水箱补水（热水）；当2号水箱水位达到最低保持水位1米时，停止为1号水箱补水，关闭2号水箱为1号水箱补水的补水泵；同时开启冷水水箱上水电动阀门为1号水箱补水（冷水）.1号水箱水位达到2.8米时，关闭水箱进水电动阀门。
4）当1号或2号水箱水温达到80℃以上时，启动水箱上水电动阀门，水位达到2.8米，温度达到70℃时，关闭水箱上水电动阀门。设置一个最高水位，起保护作用，达到这个高度时停止所有上水。
（2）系统循环
1）对1、2号集热器采集热能，通过与1号水箱相连的管道将热能传导进入1号水箱当1号水箱水温与1号或2号集热器水温的温差超过10℃时，启动1、2号集热器循环水泵。温差低于5℃时关闭；1号、2号集热器循环泵各自独立可单独启停。
2）冬天当1号、2号集热器室外管道温度低于5℃时，启动集热器和1号水箱之间的循环泵，室外管道温度高于10℃时循环泵停止。当1号水箱水温与板式换热器的温差超过15℃时，启动板式换热器循环水泵；温差低于5℃是循环泵停止。当1、2号水箱水温的温差达到10℃时启动1、2号之间的循环水泵；达到温差5℃范围内停止循环泵。
五、现场应用设备
详见表1，表2。
六、总结
PLC可视化控制变频器恒温恒压供水系统同其它供水方式相比较，除具有的节能效果外，还有以下优势：操作界面简单明了，易于学习培训。通过变频器调速控制循环泵的水流量，改变老式的调节节流阀来控制流量的方法，减低了管道阻力，延长元件的使用寿命。可编程控制器可实现软启动，对交流电动机的分时分步启动，躲开高峰电流避免对电网的冲击。PLC自动控制，不需要人员频繁操作，降低了人员劳动强度提高生产力。基于PLC的恒温恒压供水系统，应广泛推广使用。
参考文献
[1]乔维德.模糊神经网络在PLC恒压供水系统中的应用[J].电器传动自动化,2007,29(2).
[2]谢仕洪,朱晓聪,姜立波.模糊PLD控制算法在恒压供水系统中的应用[J].陕西科技大学学报,2007,25(2).
[3]田庆思,周启华,张静萍.模糊控制实现的变频恒压供水系统[J].佳木斯大学学报,2007,25(2).
[4]二次供水工程技术规程CJJ140-2010[M].光明日报出版社,2010,7.
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