基于PLC的变频恒压供水系统设计

2023-03-04

恒压供水是指用水用户在任何时间, 无论用水量的大小总保持管网中的水压基本恒定。在城市自来水管网系统、楼宇中央空调冷却系统、生活商业消防用水系统等众多领域中均有应用。本文模拟设计一栋9层楼高的居民楼房供水系统。由于高楼层对水压的要求极高, 在水压较低或不稳定时, 会出现无法正常用水甚至无法将水压出的情况;而水压过高则会造成能源的浪费。基于PLC的变频恒压供水系统能够自动维持恒定压力, 并且可以按照压力信号自动启动备用泵, 及时调整管网水压, 满足用户的供水要求。它的主要特点是:维持水压恒定、控制系统可手动、自动运行。多台泵自动切换运行、泵组及线路保护检测报警与信号显示, 系统睡眠与唤醒等。

一、PLC (Programmab leLogic Controller)

西门子S7-200系列PLC在小型化和专业化控制领域具有很强优势, 由微处理器 (CPU) 、I/O模块、存储器 (EPROM、RAM) 、通信口和电源组成, 各组成部分之间通过总线连接。PLC是一种数字运算的电子系统, 类似于一种工业计算机。主要通过用户程序来实现不同的控制功能:逻辑控制、定时计数控制、步进控制、数据处理。通信联网等。由于在元器件、工作方式、触点数量和控制电路实施方式方面相比于继电器控制有很大优势。PLC有可靠性高、控制功能强、组成灵活、操作方便等特点, 具有较强的环境适应性和较高的抗干扰能力, 相对于继电接触器控制或单片机控制, 工作人员只需要通过改变程序, 既可以实现各种控制要求。非常适合恒压供水的环境要求。

二、执行单元

执行单元由一组水泵组成, 用于将水供入用户管网系统, 分为两种类型:调速泵和恒速泵。调速泵由变频器调速控制、进行频率的调整, 根据用户用水量的变化调节电机的转速, 维持管网的水压恒定。恒速泵只在工频和速度恒定时运行, 在水量增大而调速泵的最大供水能力不足时, 对供水量进行定量的补充。

三、信号检测

在恒压供水系统的信号主要包括包括自来水的报警和出水水压两种信号。系统非正常运行, 变频器异常、水泵电机过载等故障信息通过报警信号反应。而出水水压信号是用户管网的水压值的重要参考值, 是恒压供水系统的主要反馈信号。

四、人机界面 (Human Machine Interaction)

人机界面是人和机器的信息交流设备, 是人和计算机实现远距离的信息传递的媒介。对于没有梯形图编程基础的非专业人士来说, 通过人机界面将PLC内部程序实现的控制功能外观化是一种很好的方式。使用者可以更改压力设定值, 修改系统的设定值来满足不同工艺的要求。在操作人员和PLC设备之间做双向沟通, 用户可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的状态。实时处理或监控管理随时可能变化信息。

五、变频器

选用三菱FR-E740系列变频器, 调节水压只需要改变水泵电动机的额定频率即可。在外部操作模式或组合操作模式2下, 可以通过外接的开关器件的组合通断改变输入端子的状态来实现变频。它通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。

六、系统设计

本文设计一栋10层楼高的供水系统, 由变频器控制双速电动机 (电机1) 和异步电动机 (电机2) 。整个控制系统分手动和自动两种状态。I/O地址分配如下:X0—X6共7个输入端口, 分别对应7个按钮和1个手动/自动选择开关;Y0—Y3分别对应三个接触器;Y10—Y12对应变频器低、中、高信号。

(一) 手动状态

触摸屏与PLC变量对应如下:M0对应启动;M1对应停止;M2-M对应电机1低/高速, 电机2低/中/高速;Y0-Y1对应电机1电机1低/高速状态;Y14对应变频启动;Y15对应运行状态;频率值对应D0。

程序设计:按下启动按钮SB2 (或触摸屏的上启动按钮) , 运行指示灯亮, 系统进入运行状态;按下低速按钮SB3 (或触摸屏上低速按钮) 双速电机低速运行;按下高速按钮SB4 (或触摸屏的高速按钮) 双速电机低速切换到高速;选择变频器低、中、高任一按钮 (或对应触摸屏上按钮) , 电机2已相应速度运行;按下停止按钮SB1 (或触摸屏上停止按钮) , 整个系统停止工作。

(二) 自动状态

触摸屏与PLC变量对应如下:M10-M15分别对应水压低/高/正常及三种状态;M0对应启动;M1对应停止;电机1低高速分别为Y0/Y1;频率值对应D0。

共有8种运行状态:双速电机低速、电机2高速、双速电机低速+电机2低速、双速电机低速+电机2中速、双速电机低速+电机2高速、双速电机高速+电机2低速、双速电机高速+电机2中速、双速电机高速+电机2高速。按下启动按钮, 如果现实压力低, 电机1和电机2每隔10s一次切换运行状态, 直至达到规定压力。检测管路压力的压力传感器采用电阻式传感器或压力变送器。控制过程如下:通过触摸屏上水压按钮模拟当前水压高低, 并在触摸屏上现实压力状态;按下启动按钮, 进入运行状态, 当压力正常时, 保持该状态;压力偏低超过10s, 进入下一状态;压力偏高超过10s, 返回到前一状态。按下停止按钮, 系统停止。

七、结束语

水是人类不可缺少的资源, 供水的稳定性、经济型直接影响着人们的正常生活和工作。该系统利用变频器实现多台水泵电机的软启动和调速, 不仅有效的保证了供水系统管网压力恒定, 而且具有工作可靠、无二次污染、节能效果显著等优点。

摘要：随着城市化进程不断加快, 高层建筑供水系统的稳定性和可靠性显得尤为重要, 由于近年来广泛采用二次供水容易引起二次污染, 并且二次供水系统具有耗能多、监测不到位等缺点。基于以上原因, 本文主要探讨基于PLC的变频恒压供水系统的设计。PLC可以实现多功能智能化的控制, 结合变频器组成的恒压供水系统具有抗干扰能力强、维修方便、低成本低耗能等优点。

关键词：PLC,变频技术,恒压供水