基于可编程控制器和变频器的恒压供水系统控制的研究
日期：2008-8-27 23:48:33 来源：中国自动化网
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1 引言
随着变频器技术的日益成熟，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，在小区供水和工厂供水控制中发挥了很大的作用。
根据某洗衣机进水电磁阀生产厂家的需要，为了给该厂电磁阀性能测试生产线提供基准恒压水源，本文利用PLC控制技术和变频调速技术设计的全自动恒压供水系统,能较好地满足生产需求，水压精度较高。为了不浪费水资源，系统还具有自动水循环功能。
2 系统组成及实现原理
恒压供水的基本控制策略是:采用可编程控制器（plc）与变频调速装置构成控制系统，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，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量,自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。
变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能pid调节器、压力变送器、plc控制单元等部分组成，控制系统原理图如图1所示。
其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。智能pid调节器实现管网水压的pid调节。plc控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自动调整其它工频泵的运行台数。变频器和plc的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。水泵电机实现变频软启动, 消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击，延长机电设备的使用寿命。
3 控制系统硬件设计
本系统采用三套电机-水泵对水网进行恒压供水，每台电机均可工作在变频方式或工频方式，但每次仅有一台电机工作在变频调速状态。工作时可根据实际情况选择，变频器根据实际水压的变化,不断地调整水泵转速,通过调节流量达到恒定水压的目的。另外,可编程序控制器根据当前水泵的供水情况对其进行合理切换, 及时增泵和减泵，实现最佳匹配。
3.1 主控电路设计
电控系统的主电路由3台电机分别为m1、m2和m3。接触器km1、km2、km3分别控制电机m1、m2和m3变频或工频运行，fr1、fr2、fr3分别为3台水泵电机过载保护的热继电器，qs1、qs2、qs3、qs4分别为变频器和3台水泵电机主电路的隔离开关，fu1为主电路的熔断器，vvvf为通用变频器。
3.2 智能pid调节器和变频器接线图
变频器选用三垦力达电气有限公司的shf系列，功率分别为7.5kw，1.5kw和15kw，变频器采用模拟量控制方式。通过变频器对电机水泵实现软启动功能。图2为pid调节器和变频器的接线图。变频器根据pid调节器输出信号，及时调节输出频率，改变电机和水泵的转速,调节系统供水量,使供水管网中的压力稳定在设定压力值上。
3.3 plc输入/输出地址分配
根据对控制系统的分析，本系统选用中达电通公司的dvp60es00t2 plc实现控制，共有60点输入输出，其中36个输入点，24个晶体管输出点，交流供电，其环境温度、抗冲击、抗噪声等性能指标均能满足要求，附表为plc输入/输出地址分配表。
附表 plc输入/输出地址分配表
4 系统软件设计
系统的软件设计包括plc的程序设计和变频器的功能参数设定。这里主要讨论plc的程序设计。
plc的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计，手动部分是通过按钮控制电机在工频下运行和停止，主要考虑系统调试或检修时用。
当选择开关打到"自动"时，系统能够进入自动工作状态，由plc和变频器联合控制各台电机的投入或切除、工频或变频运行方式。供水系统共有3台泵组电机，在根据水压决定投入泵组台数后，只有最初投入的电机进行变频调速，其它后投入的电机则在工频下全速运行，泵组电机的切换过程由逻辑控制单元plc实现。
图3为选择p1泵为变频泵，p2、p3泵为工频泵时的plc状态转移图。假设增泵顺序为p1、p3和p2，当供水设备开始工作时，先起动变频泵p1，当管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在一定数值上。当用水量增加时，水压降低，压力变送器把水管出口变化了的总管实际压力信号变成4～20 ma的标准信号送入智能pid调节器, pid回路调节器经运算,得出调节参数送给变频器，使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水压上升。如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到最大值（50hz）时，若供水压力仍不能使管网水压达到设定值，延时20s后，pid调节器就发出控制信号，通过PLC控制单元起动一台工频泵p3泵，若管网水压仍不能达到设定值，则延时20s后，继续起动工频泵。反之，当用水量减少，供水压力大于设定值时，变频器的输出频率降低，水泵转速下降，变频器的输出频率达到最小值（30hz）时，延时20s后，则发出减少一台工频泵的命令，其他泵依次类推。
5 结束语
自行设计的变频调速恒压供水系统实现简单,成本低廉，投入运行以来，工作可靠，具有较好的控制效果。主要体现在:
（1） 系统供水压力平稳，压力变化在 0.01mpa 以内;
（2） 高效节能，系统有plc和变频器管理，可有效解决不同用水量时电机轻载或空载时节能问题;
（3） 整个系统自动化程度高，不需人员职守，故障时可以自动保护并发出报警信号。
（4） 自动水循环，实现了有效的节水。
另外，系统采用plc控制，容易随时修改程序，以改变工作状况，满足不同控制要求，有较大的灵活性和通用性，有一定的推广应用价值。
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随着变频器技术的日益成熟，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，在小区供水和工厂供水控制中发挥了很大的作用。
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根据某洗衣机进水电磁阀生产厂家的需要，为了给该厂电磁阀性能测试生产线提供基准恒压水源，本文利用PLC控制技术和变频调速技术设计的全自动恒压供水系统,能较好地满足生产需求，水压精度较高。为了不浪费水资源，系统还具有自动水循环功能。
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2 系统组成及实现原理
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恒压供水的基本控制策略是:采用可编程控制器（plc）与变频调速装置构成控制系统，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，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量,自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。
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图1 恒压供水系统控制原理框图
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变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能pid调节器、压力变送器、plc控制单元等部分组成，控制系统原理图如图1所示。
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其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。智能pid调节器实现管网水压的pid调节。plc控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自动调整其它工频泵的运行台数。变频器和plc的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。水泵电机实现变频软启动, 消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击，延长机电设备的使用寿命。
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3 控制系统硬件设计
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本系统采用三套电机-水泵对水网进行恒压供水，每台电机均可工作在变频方式或工频方式，但每次仅有一台电机工作在变频调速状态。工作时可根据实际情况选择，变频器根据实际水压的变化,不断地调整水泵转速,通过调节流量达到恒定水压的目的。另外,可编程序控制器根据当前水泵的供水情况对其进行合理切换, 及时增泵和减泵，实现最佳匹配。
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3.1 主控电路设计
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电控系统的主电路由3台电机分别为m1、m2和m3。接触器km1、km2、km3分别控制电机m1、m2和m3变频或工频运行，fr1、fr2、fr3分别为3台水泵电机过载保护的热继电器，qs1、qs2、qs3、qs4分别为变频器和3台水泵电机主电路的隔离开关，fu1为主电路的熔断器，vvvf为通用变频器。
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3.2 智能pid调节器和变频器接线图
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变频器选用三垦力达电气有限公司的shf系列，功率分别为7.5kw，1.5kw和15kw，变频器采用模拟量控制方式。通过变频器对电机水泵实现软启动功能。图2为pid调节器和变频器的接线图。变频器根据pid调节器输出信号，及时调节输出频率，改变电机和水泵的转速,调节系统供水量,使供水管网中的压力稳定在设定压力值上。
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图2 pid调节器和变频器接线图
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3.3 plc输入/输出地址分配
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根据对控制系统的分析，本系统选用中达电通公司的dvp60es00t2 plc实现控制，共有60点输入输出，其中36个输入点，24个晶体管输出点，交流供电，其环境温度、抗冲击、抗噪声等性能指标均能满足要求，附表为plc输入/输出地址分配表。
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附表 plc输入/输出地址分配表
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4 系统软件设计
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系统的软件设计包括plc的程序设计和变频器的功能参数设定。这里主要讨论plc的程序设计。
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plc的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计，手动部分是通过按钮控制电机在工频下运行和停止，主要考虑系统调试或检修时用。
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当选择开关打到"自动"时，系统能够进入自动工作状态，由plc和变频器联合控制各台电机的投入或切除、工频或变频运行方式。供水系统共有3台泵组电机，在根据水压决定投入泵组台数后，只有最初投入的电机进行变频调速，其它后投入的电机则在工频下全速运行，泵组电机的切换过程由逻辑控制单元plc实现。
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图3 系统控制流程图
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图3为选择p1泵为变频泵，p2、p3泵为工频泵时的plc状态转移图。假设增泵顺序为p1、p3和p2，当供水设备开始工作时，先起动变频泵p1，当管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在一定数值上。当用水量增加时，水压降低，压力变送器把水管出口变化了的总管实际压力信号变成4～20 ma的标准信号送入智能pid调节器, pid回路调节器经运算,得出调节参数送给变频器，使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水压上升。如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到最大值（50hz）时，若供水压力仍不能使管网水压达到设定值，延时20s后，pid调节器就发出控制信号，通过PLC控制单元起动一台工频泵p3泵，若管网水压仍不能达到设定值，则延时20s后，继续起动工频泵。反之，当用水量减少，供水压力大于设定值时，变频器的输出频率降低，水泵转速下降，变频器的输出频率达到最小值（30hz）时，延时20s后，则发出减少一台工频泵的命令，其他泵依次类推。
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5 结束语
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自行设计的变频调速恒压供水系统实现简单,成本低廉，投入运行以来，工作可靠，具有较好的控制效果。主要体现在:
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（1） 系统供水压力平稳，压力变化在 0.01mpa 以内;
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（2） 高效节能，系统有plc和变频器管理，可有效解决不同用水量时电机轻载或空载时节能问题;
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（3） 整个系统自动化程度高，不需人员职守，故障时可以自动保护并发出报警信号。
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（4） 自动水循环，实现了有效的节水。
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另外，系统采用plc控制，容易随时修改程序，以改变工作状况，满足不同控制要求，有较大的灵活性和通用性，有一定的推广应用价值。
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