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摘要：工厂冷却水是生产工艺的重要组成部分，其使用量和水压有时常变化的特点，原来的工频供水已经落后，水压过高容易造成设备的损害和冷却水的浪费。针对这种情况，在建设基础和管路不变的情况下，设计出一种PLC和变频器组合的恒压供水系统，通过各种传感器的数据采集，上水泵变频器通过多段速控制的方法，将开放式水池水位控制在范围以内，管网供水压力信号实时精确采集，经可编程控制器过滤处理，采用PID控制消除误差，自动控制供水变频器运转频率，使供水压力趋于稳定平衡，闭环控制实现恒压供水，从而达到节能降耗的目的。应用结果表明，该控制系统可以将生产所需的供水压力稳定在0.35 MPa左右，压力浮动在±0.05 MPa,基本保持稳定。
关键词：恒压供水；PLC;PID;变频调速；多段速
0引言
随着工业技术的不断发展，在现代工厂中，稳定的供水压力对于生产的运行和设备的运转至关重要。变频技术不断发展，供水要求品质也不断提高，传统的供水方式压力波动大，效率不高，浪费大，可靠性也不强。变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于工厂、企业、生活和消防供水中[1]。变频恒压供水依据水压的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时能够保证水压的恒定以满足生产的要求，逐渐成为工厂供水的首选方案[2]。原来的供水系统自动化程度偏低，一方面上水池时常因水位过高溢出造成浪费，另一方面用水量的不定期变化造成供水管路压力时高时低，造成生产设备常常因冷却水出现故障。因此设计一套实用稳定的供水系统有着重大的社会和经济意义。
本文在基础设施不变的情况下，优化增加电器元件，以西门子S7-200PLC为核心设计供水系统，传感器精准检测供水管路实时压力，利用PID控制消除误差，实现对水泵机组的变频恒压控制，达到恒压供水的目的，设计结果表明设定水压在0.35 MPa,实现水压波动不超过0.05 MPa。同时上水池根据水位变化，变频器多段速调整频率，可靠确保水位在范围内控制，有效地减少冷却水的浪费，真正达到节能降耗的目的。同时为老旧供水系统改造提供一个新思路，用少许的经济投入推动自动化程度的升级。
1理论分析与研究
1.1变频器的调速工作原理
电动机的转速计算如下：
式中：n为电动机的转速；f为频率；p为电动机的极数，s为电动机的转差率。
一般情况下极数p和转差率s不变，异步电动机的转速n主要和频率相关，频率越高，速度越快。改变电源的频率就可以改变电动机的转速了。变频调速是改变电动机的输入频率从而改变其转速的调速方法[3]。根据电动机频率和电压特性，对于异步电动机来说，磁通是与电压和频率的比值有关系的，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就增大，铁心磁回路饱和，电流剧增，容易过热烧坏电机。在电机额定频率以下，采用恒磁通变频调速方式，u/f恒定以确保磁通不变，电动机转矩基本保持不变[4]。在电机额定频率以上，属于恒功率调速，由于电动机的电压不能超过额定电压，当频率高于额定频率时，电压只能保持不变，此时磁通随着频率的升高而变小，这种情况下，电机的转速升高，但转矩减小，功率基本不变。
1.2变频器的多段速设计
多段速的设计：本文使用的是三段速控制，当使用三段速的控制时，通常通过3个不同的输入信号来控制电机的速度[5]。RH、RM、RL三个端子用于不同的速度段。变频器可以对电动机进行多挡转速驱动，在进行多挡转速控制时，需要对变频器有关参数进行设置，然后再操作相应的端子外接开关[6]。变频器的RH、RM、RL为多挡转速控制端子，RH为高速挡，RM为中速挡，RL为低速挡[7]。当液位传感器检测到水位于25%以下，PLC控制RH输入为真，变频器按照所设频率45 Hz运行，当水位位于25%~75%,PLC控制R M输入为真[8],变频器按照所设频率35 Hz运行。当水位位于75%以上，PLC控制RL输入为真，变频器按照所设频率20 Hz运行。变频器三段速设计如图1所示。
1.3 PID控制原理
在工业生产当中，需要用闭环控制方式来实现对压力和位置等连续变化的模拟量控制[9]。PID（比例－积分-微分）控制是常用的调速控制手段，常常用于调节电机等设备的速度。PID控制基本原理如下。
(1)比例(P)控制：控制器输出与输入误差信号成比例关系，偏差越大，输出的控制信号就越强，当仅有比例控制时，系统输出存在稳态误差。
(2)积分(I)控制：误差信号的积分成正比关系，时间越长，积分增大，直到误差变成零为止，积分控制可以消除稳态误差，但有可能会导致超调和震荡。
(3)微分(D)控制：误差信号的导数成正比关系，它能够预测误差的变化趋势，有提前给出控制信号，减少超调发生。
工作过程：测量出水压值跟设定的压力值比较[10],得出误差信号。比例控制根据误差大小立即输出控制信号给变频器，对水泵电机速度进行一个初步调整。积分控制对误差不断进行累积，持续调整控制信号，消除稳态误差。微分控制则根据误差的变化率提前预测变化，给出控制信号。这三者控制信号合成后，得到最后的控制信号，调节变频器频率，实现水压的精准控制。PID的控制使用于本设计原理如图2所示。
1.4恒压供水系统的工作原理
恒压供水系统基于闭环控制原理，通过检测管网中的实际压力，并将其与设定的压力值进行比较，利用PLC控制器计算出控制信号，调整变频器运行频率，从而调节水泵的运行速度[11],无论用水量怎么变化，管网的压力始终保持在设定的压力值附近。供水系统设计如图3所示。
2新增电器选型
2.1信号采集器
信号采集器主要由各种液位开关和压力传感器组成，对水压和水位以及问题故障进行实时监测并将信号传递给PLC[12]。管网水压传感器选用的是高精度压力变送器PCM300,量程为0~1.0 MPa,对应输出模拟量信号是0~10 VDC,精度为0.5%FS,24VDC供电，如图4所示。上水池水位检测选用的是UHZ-519磁翻板液位计，量程0~1 000 mm,刻度显示0~100,对应输出模拟量信号是4 20 mA电流，24 VDC供电。如图5所示。
PLC是整个供水系统的大脑，所有的信号收集都集中到这里，然后操作指令也是从这里发出去。在选择PLC时，首先要考虑输出输入输出的容量，还要考虑到PLC的类型，是选择继电器型还是选择晶体管型[13],最后还得考虑性价比的问题。为了保证得到较好的控制性能CPU,选用的是西门子S7-200的PLC,CPU 226 CN AC/DC/RLY,如图6所示。其本身拥有21个开关量输入点和14个开关量输出点，基本满足设计要求，其内部含有PID控制器。扩展模块为模拟量模块西门子EM235CN和EM232CN。
2.3人机界面的选型
根据人机界面的使用环境，操作界面的大小以及与可编程控制器PLC的连接问题，考虑了性价比之后，选择了西门子SMART 1000IE 10in操作屏。
2.4变频器的选型
根据控制器的输出信号，调节水泵电机的转速，从而改变水泵的供水量[14]。本设计恒压水泵变频器型号为台达VFD-F型30 kW,上水泵变频器型号为三菱FR-A840 11 kW。
3供水设计系统结构
恒压供水系统流程如图7所示。水从地下大水池经上水泵抽到开放式小水池，冷却塔位于小水池上方，变频泵将小水池里冷却后的水供给生产设备，回水自然回流至大水池中。
3.1系统主电路的设计
系统上水泵主电路如图8所示。Q1为三相电源与工频上水泵之间的电源开关，Q2是电源与变频上水泵之间的电源开关，Q3是电源与恒压变频泵之间的电源开关，FR(1-3)是热继电器，在电路中能够保护电机。KM1负责控制上水泵工频运行接触器。
3.2系统控制设计
电源合闸后，检查人机界面(HMI)有没有故障报警，消除报警后，人机界面设定恒压供水目标压力（如0.35 MPa),启动运行程序，首先检查大水池是否缺水，水位低I0.2点灯变亮，自动补水阀Q0.0启动，补水至水位正常后停止，补水期间报警灯常亮，液晶屏上补水指示灯常亮。其次，上水池分为工频和变频。工频状态运行下上水池上水泵工频启动，变频状态下，上水池水泵变频启动，频率随着上水池液位变送器变化而上下变化。上水池水温度由K型热电偶探测，信号送至RS400温控表中，超过设定温度（如35℃),冷却塔风机启动，有效降低水温。上水池水位正常后，系统启动变频泵，水压力检测点传感器实时检测供水管路压力，信号传送至PLC当中，由PLC进行运算比较，PID调节，对比目标压力，实时修改变频器频率[15],使检测压力和目标压力(0.35 MPa)趋于相同。
3.3 PLC的输入／输出点分配
PLC的点位表如表1所示。
3.4程序模拟量的转换
对PLC模拟量的处理转换，是PLC程序的难点。磁翻板液位计的输入4~20 mA和压力传感器输入的0~10 V的信号处理成PLC能识别的数字量，又要在HMI人机界面上显示出可读的数字。对于S7-200的模拟量，0~10 V对应AIW4的范围固定是0~32 000,不需要自己去在线数据采集最大或者最小值，只需将读出来的值转换成实际使用的工程量[16]。0~10 V对应0~1 MPa(0~32 000),0.01 MPa则对应的是320,压力传感器实际采集到数字就很好计算了。磁翻板液位计的量程是0~1 000 mm,对应的4~20 mA的电流信号，其对应的PLC输入值为6400 32 000。其通用比例换算公式如下：
O V=[(O SH-O SL)·(IV-ISL)/(ISH-ISL)]+O LS (2)
式中：OV为换算结果；O SH为换算结果的高限，1 000 mm;O SL为换算结果的低限，0 mm;IV为采样值，AIW0;ISH为换算对象的高限，32 000;I SL为换算对象的低限，6 400。
3.5报警功能
报警功能的设计是由两部分组成，一种是直观的声光报警器，另一种是人机界面的报警视图。当报警标志位被触发时，PLC通过输出模块控制声光报警器发出报警信号，同时在人机界面触发报警指示灯闪烁，报警视图出现报警文本[17],等操作人员确认并排除故障后才能消除。在PLC的程序中设置了报警记录功能，可以把报警发生的时间、类型等信息储存在内存中，以便以后查询分析。报警类别分为离散量报警和模拟量的报警，离散量报警基本由PLC的输入点位可以直观检查，模拟量的报警由程序设计，实现条件才可以触发（比如：液位高于90%触发高水位报警，液位低于10%触发缺水报警）。部分PLC报警程序如图9所示。
3.6供水系统常见故障及处理方法
供水系统常见故障及处理方法如下。
(1)出水压力表显示不稳定。这是电子仪表在测量时出现误差或者有信号干扰所致。最好是在安装电子仪表的同时加装机械指针表，两者对比，双重显示更高效。电子仪表的信号传输线采用屏蔽线更安全，有效屏蔽干扰信号[18]。在PLC程序中，添加测量压力信号的过滤程序，有效过滤杂乱的压力信号[19],始终要保持信号是线性变化的。
(2)启动时变频器出现“过电流”报警。恒压变频泵启动时电流过大，频率很快达到最大值，但是检测的水压并不会随频率升高而增大，水泵快速运转，水压并没有升高，一般这是由于水泵之中有空气，此时需停止水泵运转，排掉泵中存留空气，重新启动
(3)运行“过热”报警。变频器长时间运行，模块发热[20],检查风扇是否运行正常。电柜中未安装排风扇，热量无法散出也会出现过热报警。
(4)上水池水位升不起。上水池水位升高不了，变频器频率已经达到最大，电机高速运转，水位就升不起。这是一般由于水泵进水管堵塞，流量达不到要求所致，及时清除堵塞管路。
3.7供水系统运行效果
系统的硬件连接在一起后，开始PLC软件程序的编写，调试。经过调试后，供水系统能够顺利地运行起来。为检查用水高峰期与低谷期的供水表现，对供水压力值和恒压变频器频率及上水池水位值进行了监测，供水压力设置0.35 MPa,所测压力值基本在0.35 MPa左右浮动，误差不超过0.05 MPa,上水池水位的范围控制在50%~80%,实时数据如表2所示。
4结束语
本文在原有设备基本不变的情况下，新增部分控制器件，利用PLC可编程控制器，结合PID闭环控制技术，设计了一套恒压供水系统。其能根据用水量变化实际情况，自动控制水泵运行频率，实现用水高峰期，水泵频率自动升高，增大供水量，保证生产需求水压；当用水量较少时，自动降低水泵运行频率，避免能源的浪费。使用变频器多段速设计，范围控制水池水位。当故障出现时，报警灯蜂鸣闪烁，人机界面弹出文本报警，方便操作人员排查故障，保障系统安全可靠运行，具有很高的应用价值。完善的恒压供水系统操作简单，数据一目了然，报警功能直观，节能效果明显，工作性能优越，在保证生产要求的同时，减少了能量的损耗，提升了经济效益，恒压供水技术必将供水方案中的主流，也为供水老旧设备的自动化改造升级提供一个思路。
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人参与 2025-03-05 10:38:36 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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