智能恒溫恒壓供水設(shè)備設(shè)計

2.1、智能恒溫恒壓供水設(shè)備總體組成

     該系統(tǒng)由倆臺小泵（5.5KW）組成；PLC部分由西門子可編程控制器S7-200系列的CPU226，文本顯示器TD200組成；變頻器采用三菱FR-A540系列，功率22KW。用戶所需的生活用水壓力、消防用水壓力、運(yùn)行方式等參數(shù)在TD200文本顯示器上設(shè)定，壓力傳感器把用戶管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)換為0-10V標(biāo)準(zhǔn)信號送進(jìn)PLC模擬量模塊EM235，PLC通過采樣程序及PID閉環(huán)程序與用戶設(shè)定壓力構(gòu)成閉環(huán)，運(yùn)算后轉(zhuǎn)換為PLC模擬量輸出信號送給變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供水的目的。

     恒溫恒壓供水設(shè)備有各個泵的運(yùn)行時間累計功能，通過PLC的數(shù)據(jù)區(qū)保持可以斷電記憶。每次起動時先起動1#小泵，當(dāng)用水量超過一臺泵的供水能力時，PLC通過程序?qū)崿F(xiàn)泵的延，時上行切換，切換原則為當(dāng)前未運(yùn)行的大泵累計運(yùn)行時間較少的先投入；當(dāng)壓力超過時，PLC通過程序?qū)崿F(xiàn)泵的延，時下行切換，切換原則為當(dāng)前正在運(yùn)行的大泵運(yùn)行時間較多的先撤出。直到滿足設(shè)定壓力為止。追求的  目標(biāo)為壓力恒定。當(dāng)供水負(fù)載變化時，變頻器的輸出電壓與頻率變化自動調(diào)節(jié)泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓供水。

      智能恒溫恒壓供水設(shè)備還可通過PLC的實時時鐘自動定時供水，用戶在TD200上設(shè)定每天 6段（段數(shù)也可設(shè)定）定時供水，比如早上6：00到8：30，中午11：20到1：30等。系統(tǒng)可動態(tài)顯示各種參數(shù)，如設(shè)定壓力，運(yùn)行壓力，水位高度，運(yùn)行方式，實時時間，日歷，各個泵的運(yùn)行時間累計（準(zhǔn)確到秒），運(yùn)行狀態(tài)，故障信息等等。為了不使系統(tǒng)中TD200畫面顯得死板，在PLC程序中控制TD200中的畫面定時切換，動態(tài)顯示；溫度控制在40-60度之間，當(dāng)傳感器反饋的溫度通過計算，平均低于40，則PLC控制鍋爐加熱至60度。系統(tǒng)還有故障自診斷功能，各泵發(fā)生過載、缺相、短路、傳感器斷線、傳感器短路、水位下限、水壓過高、水壓過低、變頻器故障等，都會有聲光報警，TD200上同時顯示故障類型，通知設(shè)備維修人員處理，并可記憶故障發(fā)生時間及班次，以便追查原因及相關(guān)責(zé)任。


2.2、智能恒溫冷水機(jī)組的控制  

（1）手動運(yùn)行時，可按下按鈕起動停止水泵在工頻狀態(tài)下運(yùn)行， 脫離開PLC及變頻器的控制，該功能主要用在檢修及自動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的應(yīng)急供水方式中。

（2）自動運(yùn)行時，全部泵的運(yùn)行依程序自動工作。

    上行過程：當(dāng)在自動運(yùn)行方式時，按下TD200上的起動軟健，系統(tǒng)先起動1#小泵，PLC程序控制模擬量模塊EM235給定變頻器一固定頻率輸出，此時若用 PID運(yùn)算輸出直接控制變頻器則（設(shè)定壓力大，運(yùn)行壓力為零，所以運(yùn)算輸出較大）變頻器依設(shè)定的上升時間運(yùn)行，升速太快，系統(tǒng)沖擊很大。等泵運(yùn)行一會兒，管網(wǎng)壓力積累后，再用PID運(yùn)算輸出控制變頻器。具體時間和頻率與管網(wǎng)系統(tǒng)有關(guān)，在現(xiàn)場調(diào)試時這兩個參數(shù)在TD200上設(shè)定調(diào)整。管網(wǎng)越大，時間越長。

    當(dāng) 1#小泵到達(dá)50HZ后，系統(tǒng)壓力仍偏低，則延，時一段時間后，系統(tǒng)靠PLC程序把1#泵切換到工頻運(yùn)行，同時由PLC輸出一個開關(guān)量給變頻器的MRS端子，變頻器瞬間禁止輸出，此時PLC把運(yùn)行時間較少的泵變頻接觸器接通后，撤掉禁止輸出，相應(yīng)的泵變頻起動運(yùn)行；延，時切斷1#小泵，系統(tǒng)中相應(yīng)的一臺大泵變頻運(yùn)行，壓力自動調(diào)節(jié)，若系統(tǒng)壓力平衡，則頻率穩(wěn)定在一個相對的范圍，若頻率到達(dá)50HZ后壓力仍然偏低，則再投入一臺大泵，比較剩下的泵的累計運(yùn)行時間，時間少的先行投入，以此類推。注意，上行中，只要有一臺大泵運(yùn)行，則1#小泵要斷開，大泵與小泵同時運(yùn)行時，小泵的效率很低。

    下行過程：當(dāng)系統(tǒng)壓力偏高，變頻器運(yùn)行在18HZ左右（18HZ以下泵的效率很低，經(jīng)驗值）時，PLC程序判斷運(yùn)行在工頻狀態(tài)的泵累計運(yùn)行時間（若只有一臺泵不作判斷），運(yùn)行時間較多的泵延，時先行撤出，在撤出的瞬間，PLC控制變頻器運(yùn)行頻率在50HZ，要不系統(tǒng)沖擊過大，容易有水垂現(xiàn)象，延，時一會兒后，再把 PID運(yùn)算輸出投入即可；以此類推。注意：下行過程中，到末后一臺大泵運(yùn)行時，頻率在18HZ左右，系統(tǒng)壓力仍然偏高時，則把1#小泵切換到變頻運(yùn)行。這種情況在夜間可能發(fā)生，當(dāng)供水管網(wǎng)很大時，也許沒有這個可能性。

2.3、智能恒溫恒壓供水PID控制原理

  從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成.系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，本文選用通用變頻器+PLC控制。

   恒溫系統(tǒng)，溫度控制在40-60度之間，當(dāng)傳感器反饋的溫度通過計算，平均低于40，則PLC控制鍋爐加熱至60度。

2.4、智能恒溫恒壓供水可編程序控制器

  執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)。

  通常這些水泵包括:

  (1)調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。

  (2)恒速泵:水泵運(yùn)行只在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以在用水量增大而調(diào)速泵的較大供水能力不足時，對供水量進(jìn)行定量的補(bǔ)充。

 此外，通常一些變頻系統(tǒng)還會增設(shè)附屬小泵，它只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如:夜間)對管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充。


智能恒溫恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

3.1變頻器的選擇

  在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號:

  (l)水壓信號:它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進(jìn)行 冉刃 轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入。

  (2)液位信號:它反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時。控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號來自在安裝于水源處 的液位傳感器。

  (3)報警信號:它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。

3.2、傳感器的選擇-

  供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(P比 系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個部分:

  (1)供水控制器:它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵成行控制.

 (2)變頻器:它是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元.變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有如下兩種工作方式:

 （a)變頻循環(huán)式:變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50Hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機(jī)。

（b)變頻固定式:變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50Hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇。

  變頻器的電控設(shè)備它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成.用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換及就地/集中等工作。

3.3、可編程控制器（PLC）

  人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場所。通過人機(jī)界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運(yùn)行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機(jī)界面還可以對系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)視，對報警進(jìn)行顯示。

  通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;同時通過通訊接口，還可以將現(xiàn)代前進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)等。

3.4、電器控制系統(tǒng)原理圖

作為一個控制系統(tǒng)，報警是必，不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保障系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng) 須要對各種報警量進(jìn)行監(jiān)測，由P比 判斷報警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必，要的損失。

變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案有多種，有1臺變頻器控制1臺水泵的簡單控制方案，也有1臺變頻器控制幾臺水泵的方案，本文簡單介紹單臺變頻器控制單臺水泵：

單臺變頻器控制單臺水泵的控制方案在國內(nèi)通常是指是一臺變頻器控制一臺水泵。由于全部變頻系統(tǒng)中，變頻器、控制器、電機(jī)均無備份設(shè)備，出現(xiàn)問題無法切換，故目前多適用于用水量不大，對供水的可靠性要求不高的場合。

  值得一提的是，在國外或國內(nèi)少數(shù)大企業(yè)，也有一種每臺變頻器只帶一臺水泵的運(yùn)行方式，但它的控制方式與上面是不同的，這些泵站往往是同時配備了多臺變頻器配多臺水泵，采用集中控制的辦法，這種變頻系統(tǒng)與國內(nèi)水泵站常用的一臺變頻器控制單臺水泵的工作方式是 不一樣的。在這種系統(tǒng)中，由于有多臺變頻器，各水泵既可以同時變頻運(yùn)行，也可以分別工頻運(yùn)行，使其可靠性、安全性、可調(diào)節(jié)性大大優(yōu)于國內(nèi)常見的各種控制方式，不過在成本上，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前國內(nèi)的常用的變頻恒壓供水系統(tǒng)。

3.5、智能恒溫恒壓供水的控制算法  

在變頻恒壓供水中，整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據(jù)檢測到的輸入信號的狀態(tài)，按照系統(tǒng)的控制流程，通過變頻調(diào)速器和執(zhí)行元件對水泵組進(jìn)行控制實現(xiàn)恒壓供水的目的。這個控制過程是一個閉環(huán)過程，它的反饋信號是由壓力傳感器產(chǎn)生的供水壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是變頻器，通過控制系統(tǒng)將控制結(jié)果傳輸?shù)阶冾l器中，改造變頻器的輸出頻率，從而使供水壓力發(fā)生改變，完成整個控制過程。

 在實際運(yùn)用中，通常對水壓的閉環(huán)控制都采用PID控制，電機(jī)增減的控制根據(jù)不同的情況有所不同，但多數(shù)采用頻率、頻率結(jié)合壓力的方法來實現(xiàn)。PD 的算法和實現(xiàn)將在3.4節(jié)進(jìn)行詳細(xì)闡述，電機(jī)的增減控制算法在將在3.4節(jié)加以分析。

      監(jiān)控系統(tǒng)分為現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)既與可編程邏輯控制器通訊，又同時與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通訊。通過現(xiàn)場觸摸屏控制向控制器發(fā)送命令，設(shè)置算法參數(shù)和控制量;接受并記錄采集到的數(shù)據(jù)，顯示系統(tǒng)狀態(tài);但現(xiàn)場控制系統(tǒng)位于機(jī)房設(shè)備之中，不方便管理人員進(jìn)行操作，為彌補(bǔ)這一不足，開發(fā)了一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控供水運(yùn)行狀況，可對冷水機(jī)組、冷凍水泵進(jìn)行遠(yuǎn)程手動控制，從而提高故障應(yīng)急處理能力，保障了供水的可靠性，進(jìn)一步提升了管理水平。

現(xiàn)代的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計算機(jī)軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通常可以把這些系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。遠(yuǎn)程監(jiān)控站通過運(yùn)行監(jiān)控軟件實現(xiàn)對冷凍水供給自動控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視和控制，其功能主要包括以下五項:

(l)實時監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù);

(2)畫面手動控制及自動控制系統(tǒng)運(yùn)行;

(3)設(shè)備的手動操作與運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定;

(4)運(yùn)行參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)記錄及查詢;

(5)故障報警及查詢。

監(jiān)控軟件畫面主要由“系統(tǒng)工藝總體畫面”、“手動操作控制畫面”、“自動參數(shù)設(shè)定畫面”、“歷史趨勢記錄畫面”、“報警匯總記錄畫面”五個主要畫面組成。