恒溫恒壓供水設備是怎么樣的供水設備基于PLC的恒溫恒壓控制系統(tǒng)
恒溫恒壓供水設備設計
2.1、恒溫恒壓供水設備總體組成
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、運行方式等參數(shù)在TD200文本顯示器上設定，壓力傳感器把用戶管網壓力轉換為0-10V標準信號送進PLC模擬量模塊EM235，PLC通過采樣程序及PID閉環(huán)程序與用戶設定壓力構成閉環(huán)，運算后轉換為PLC模擬量輸出信號送給變頻器，調節(jié)水泵電機轉速，達到恒壓供水的目的。
恒溫恒壓供水設備有各個泵的運行時間累計功能，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，當用水量超過一臺泵的供水能力時，PLC通過程序實現(xiàn)泵的延，時上行切換，切換原則為當前未運行的大泵累計運行時間較少的先投入；當壓力超過時，PLC通過程序實現(xiàn)泵的延，時下行切換，切換原則為當前正在運行的大泵運行時間較多的先撤出。直到滿足設定壓力為止。追求的 目標為壓力恒定。當供水負載變化時，變頻器的輸出電壓與頻率變化自動調節(jié)泵的電機轉速，實現(xiàn)恒壓供水。
恒溫恒壓供水設備還可通過PLC的實時時鐘自動定時供水，用戶在TD200上設定每天 6段（段數(shù)也可設定）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)，如設定壓力，運行壓力，水位高度，運行方式，實時時間，日歷，各個泵的運行時間累計（準確到秒），運行狀態(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責任。
2.2、恒溫冷水機組的控制
（1）手動運行時，可按下按鈕起動停止水泵在工頻狀態(tài)下運行， 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)故障時的應急供水方式中。
（2）自動運行時，全部泵的運行依程序自動工作。
上行過程：當在自動運行方式時，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運算輸出直接控制變頻器則（設定壓力大，運行壓力為零，所以運算輸出較大）變頻器依設定的上升時間運行，升速太快，系統(tǒng)沖擊很大。等泵運行一會兒，管網壓力積累后，再用PID運算輸出控制變頻器。具體時間和頻率與管網系統(tǒng)有關，在現(xiàn)場調試時這兩個參數(shù)在TD200上設定調整。管網越大，時間越長。
當 1#小泵到達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#泵切換到工頻運行，同時由PLC輸出一個開關量給變頻器的MRS端子，變頻器瞬間禁止輸出，此時PLC把運行時間較少的泵變頻接觸器接通后，撤掉禁止輸出，相應的泵變頻起動運行；延，時切斷1#小泵，系統(tǒng)中相應的一臺大泵變頻運行，壓力自動調節(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，只要有一臺大泵運行，則1#小泵要斷開，大泵與小泵同時運行時，小泵的效率很低。
下行過程：當系統(tǒng)壓力偏高，變頻器運行在18HZ左右（18HZ以下泵的效率很低，經驗值）時，PLC程序判斷運行在工頻狀態(tài)的泵累計運行時間（若只有一臺泵不作判斷），運行時間較多的泵延，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#小泵切換到變頻運行。這種情況在夜間可能發(fā)生，當供水管網很大時，也許沒有這個可能性。
2.3、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、水泵機組以及低壓電器組成.系統(tǒng)主要的設計任務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)管網水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設計任務要求，結合系統(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、可編程序控制器
執(zhí)行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網。
通常這些水泵包括:
(1)調速泵:是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定。
(2)恒速泵:水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以在用水量增大而調速泵的較大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充。
此外，通常一些變頻系統(tǒng)還會增設附屬小泵，它只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如:夜間)對管網用水量進行少量的補充。
恒壓供水系統(tǒng)設計
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，需進行 冉刃 轉換。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測。檢測結果可以送給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)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。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)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。
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、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構(即水泵成行控制.
(2)變頻器:它是對水泵進行轉速控制的單元.變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。根據(jù)水泵機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速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機。
（b)變頻固定式:變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，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)運行前可以選擇。
變頻器的電控設備它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成.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）
人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設定壓力，修改一些系統(tǒng)設定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)視，對報警進行顯示。
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)進行數(shù)據(jù)交換;同時通過通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進的網絡技術應用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進行遠程的診斷和維護等。
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域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng) 須要對各種報警量進行監(jiān)測，由P比 判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，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、電機均無備份設備，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，在國外或國內少數(shù)大企業(yè)，也有一種每臺變頻器只帶一臺水泵的運行方式，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行，也可以分別工頻運行，使其可靠性、安全性、可調節(jié)性大大優(yōu)于國內常見的各種控制方式，不過在成本上，也遠遠高于目前國內的常用的變頻恒壓供水系統(tǒng)。
3.5、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，通過變頻調速器和執(zhí)行元件對水泵組進行控制實現(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生的供水壓力，執(zhí)行機構是變頻器，通過控制系統(tǒng)將控制結果傳輸?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。
在實際運用中，通常對水壓的閉環(huán)控制都采用PID控制，電機增減的控制根據(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)進行詳細闡述，電機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)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)兩部分?，F(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)位于機房設備之中，不方便管理人員進行操作，為彌補這一不足，開發(fā)了一套遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過上位機遠程監(jiān)控供水運行狀況，可對冷水機組、冷凍水泵進行遠程手動控制，從而提高故障應急處理能力，保障了供水的可靠性，進一步提升了管理水平。
現(xiàn)代的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@些系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結構。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、組態(tài)開發(fā)的重要作用。遠程監(jiān)控站通過運行監(jiān)控軟件實現(xiàn)對冷凍水供給自動控制系統(tǒng)的遠程狀態(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)場設備的工作狀態(tài)及運行參數(shù);
(2)畫面手動控制及自動控制系統(tǒng)運行;
(3)設備的手動操作與運行參數(shù)的設定;
(4)運行參數(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。
