基于PLC 的小区恒压供水系统的设计

PLC

基于PLC的小区恒压供水系统的设计

张小栋

中国矿业大学信电学院，江苏徐州（221008）

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摘 要：针对当前小区供水系统普遍采用水泵高位水箱供水和气压罐供水存在投资大、占用面积大和水泵频繁启动的问题，本文提出了一种基于PLC、变频器、远传压力表、水泵机组、计算机和通信模块组成的变频恒压供水系统。该系统具有自动变频运行、自动工频运行、远程手动控制和现场控制等功能，使供水系统的可靠性冗余度、故障处理能力和监控能力得到了提高。Matlab仿真分析验证了基于PLC的小区恒压供水设计系统的可行性。此外，这一系统比传统的小区供水系统具有更好的节能性、对管网冲击小和可靠性高的优点。 关键词：PLC；变频器；PID

中图分类号：TP273

1．引言

随着我国城市高层建筑增多，当前普遍采用的水泵高位水箱供水和气压罐供水存在基建投资大、占地面积大、维护不方便、水泵电机启动电流大、能耗大和可靠性低等问题。供水为了提高供水的经济性、稳定性和可靠性，一些研究者提出了基于单片机的恒压供水系统及其改进系统[3,4,5]。具体实现为：单片机将实际检测到的水压值与设定的水压值形成的偏差按PID或模糊控制规律运算后，输出的电流信号控制变频器的输出频率，从而实现了对水泵转速的控制，使供水量与用水量一致。基于单片机的供水系统尽管具有成本低、易编程、自动化程度高等的优点，但是它存在着故障排除慢、系统运行中的一些参数无法监控与记录、供水的可靠性方面比起PLC的供水方式要差等缺点，不适用于恶劣的工业环境。 另一些研究者也对基于PLC的恒压供水系统做了一些研究和改进[6-12]，用PLC作为控制器按PID或模糊控制规律对变频器的输出频率控制，实现了对水泵转速的控制。然而这些研究仅局限于对PID或模糊控制器参数的设置和PID子程序的编写，而未针对实际存在的如欠水位故障、变频器故障和电机故障时供水方式的设计。

为了进一步提高小区供水系统的可靠性、实现对供水系统的监控和增强供水系统故障处理能力，本文在给出供水系统自动变频运行方式和自动工频运行方式的基础上，增加了远程手动控制运行方式和现场手动运行方式的设计，使小区供水系统的可靠性和故障处理能力得到了一定的提高。同时，本文通过Matlab建模仿真分析了此设计方案的可行性。 系统的可靠性、稳定性、经济节能性已经不能满足当前城市居民的需求[1][2]。

2.小区恒压供水

在高层建筑中，一个好的供水系统基本上能够满足居民正常的供水质量。由于重力和高度的影响，同一幢建筑中不同的楼层水压是不同的。在早上和晚上用水量高峰时，往往靠近楼顶的居民有很小的供水量，而靠近地面的用户却不受影响。

为了满足用户每天在不同时间段内的用水量，传统的解决途径是通过改变管网的阀门开度来改变供水量，而水泵的扬程并不改变。如果阀门的开度在一定的时间内未能改变，将会产生欠压或过压现象，由此会不可避免的产生水锤作用。如果水锤作用严重，将会带来管子的破裂或管子的干瘪。供水的安全性不能得到保证。

为了保证供水能力和用水需求的平衡，需要以水的流量作为控制对象，对其实现闭环控

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制。而流量的大小又取决于扬程，实际中扬程难以进行具体测量和控制。在动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，若供水能力大于用水需求，则压力上升；若供水能力小于用水需求，则压力下降；若供水能力等于用水需求，则压力不变。压力的变化反映了供水能力与用水需求之间的矛盾，所以我们把压力作为基本的控制对象来实现对流量的调节。因此，实现恒压供水就能保证供水能力和用水流量处于平衡状态，从而满足了用户所需的用水量需求。

为了实现小区恒压供水，可以通过改变水泵的转速来改变供水能力，由于转速与水泵定子边的频率成正比，改变水泵的定子频率，就可以改变水泵的转速。而水泵定子边的频率可以通过恒压恒频变频器来得到，所以通过改变变频器的输入电压，就可以对水泵转速的控制。因此，将压力传感器测得压力信号与给定的压力信号比较后通过PID参数调节后作为变频器的输入电压，就可以实现对压力进行闭环控制，从而实现恒压供水。当用户需求发生变化时，供水系统通过对水泵的转速进行调节，满足了用户用水量的需求。图1给出了小区恒压供水系统的基本原理图。

图1 小区恒压供水系统基本原理

3．系统结构与功能

通过对某住宅小区楼层高度，小区占地面积和小区流动人口的考察，确定小区的供水需求：流量为0-500m/h,扬程为60m。为满足供水需求，供水系统需要三台主泵（55KW）1#、2#和3#（如图2）并联供水和一台辅泵（5.5KW）4#（如图2）辅助供水[13]。为实现恒压供水，供水系统在全流量范围内通过变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，根据用水量大小调节投入水泵台数，使供水压力始终保持为设定值。当处于用水低谷或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。图2给出了某小区变频恒压供水系统的总体构成。

系统选用普通压力表（0-1Mpa）和数显仪实现压力的检测和显示，压力变送器将测得的压力信号转化为4-20mA的电流信号并输入到普通功能型U/f控制方式的富士变频器FRN55P11S-4CX的内置PID模块中进行调节，输出电流经放大后作为变频器的输入电压（0-5V）输入到变频器通过变频实现对水泵转速的控制，从而实现对供水量的调节。变频器

（24I/24O）的变频范围为20HZ-50HZ。为实现供水需求，可编程控制器（PLC） FX2N-48MR-001

通过对压力上下限信号频率上下限信号的检测，实现三个主泵变频循环的可靠切换、变频泵的连续调节和工频泵的分级调节。同时蓄水池液位传感器将检测到得液位上下限信号输入到PLC中，PLC通过对进水管电动阀的调节来控制进水量。

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图

2 系统构成

同时在供水系统中为了减少对水泵机组、管道所产生的水锤，水泵机组配置了电动蝶阀

[14]，如图2所示。为对供水系统实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块RS232，工作人员能够通过上位机来对系统的运行状态进行监测和远程手动控制。当系统出现故障时供水系统通过电话拨号系统自动拨号通知工作人员，使供水系统能得到尽快的维修。

由上述可知，为满足小区居民供水的需求，实现恒压供水，系统需自动变频恒压供水运行；为提高供水的可靠性的冗余度，系统需自动工频运行；为提高系统实现对供水系统状态的监控，系统需远程手动控制运行；为了增强系统故障的处理能力，系统需现场手动控制运行。

自动变频恒压运行方式是指在PLC控制下，通过PID调节、变频调速实现自动恒压供水，是根据恒压条件下供水系统中水泵运行状态及转换过程设计的PLC控制程序。 自动工频运行是指在变频器故障状态时，为维持压力的相对恒定，系统根据水压大小自动调节工频运行电机台数，维持供水，这种运行方式只是在特殊情况下的一种备用供水方案，提高了系统可靠性的冗余度。

远程手动控制是指在控制室，通过计算机和PLC远程通信操控水泵的运行，是一种辅助供水方案。

现场手动控制运行是指通过现场按钮人工控制电机工频、变频运行，这一方式完全通过电气控制线路设计来实现，PLC不参与，主要用于检修、调试及PLC故障时的运行。 同时系统还具有水泵故障锁定功能。当有水泵出现故障时，系统自动锁定出 …… 此处隐藏：8169字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……