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恒压供水控制系统设计
1概述
水是人类每日不可缺少的物质,是保障城市安全最主要的灭火剂。
在合理的城市水厂及输配水设施建成后,如何处理好供求关系,关键是建立供水调度系统,进行优化调度。
城市供水系统与供电、供气、供热等系统同属城市重要基础设施,其产、供、销都具有连续性、广域性、公用性、多样性、重要性,产品不可返修等共性。
城市供水系统主要是从河流或地下水取水经处理送至用户,再经污水处理回到河流的过程,如图1所示。
图1城市供水系统
而城市供水又独具特点:
产品质量受二次污染和存放时间的影响,服务质量受管网布局和用户地形标高的影响。
我国城市供水调度80年代初开始起步,80年代中期微机及无线通讯在调度中产生实效,至今已有很大的发展。
在城市供水系统进入居民生活区、工厂和学校后又有二次供水系统。
二次供水设施是否按规定建设、设计及建设的优劣直接关系到二次供水水质、水压和供水安全,与人民群众正常稳定的生活密切相关。
本文就是介绍一种供水水质、水压和供水安全都很好的二次供水系统——恒压供水系统。
这种恒压供水系统解决了二次污染、水压等问题,同时具有较高的节能能力[1]。
2恒压供水方式及其控制系统方案
2.1恒压供水方式
目前,二次加压供水方式通常设置调蓄清水池,先将市政供水管网的水存到蓄水池,再由变频调速水泵组供水到用户。
但这种供水方式存在着严重的蓄水池水质二次污染问题,已不利于人们生活质量的提高。
因此,两种管网供水优化系统被越来越多地应用:
直接式管网叠压供水系统、无负压管网增压稳流给水系统。
2.1.1储水池二次供水
储水池二次供水是传统的供水方式,也是目前较多见的供水方式。
这种方式通常的做法是在用水区附近建一个储水池,市政供水先供到该储水池。
水泵从这个储水池中抽水向外供水,这个供水对设备与控制要求较低,日常维护也较简单,只需对储水池定期清洗发及水泵的日常维护即可。
同时这种方式也存在明显缺点:
清洁如果做得不足会造成严重的二次污染;在用水高峰期时可能会出现水压不足;建造储水池工期长等。
因此,两种管网供水优化系统被越来越多地应用:
直接式管网叠压供水系统、无负压管网增压稳流给水系统。
2.1.2无负压管网增压稳流给水设备
无负压管网增压稳流给水设备主要由微机变频控制系统、负压检测及处理系统、水泵机组、稳流补偿器、真空抑制器、各种管件、阀门等组成。
设备工作原理如图2:
图2无负压管网增压稳流给水系统
首先根据用户实际情况设定用水点工作压力。
设备运行过程中实时检测实际供水压力,并与设定压力进行比较,调节变频器频率,使管网压力始终保持在设定数值上。
负压检测装置实时检测稳流补偿器中的用水量变化情况,当检测到实际用水量小于管网的给水流量时,此时管网不产生负压,稳流补偿器进入储能状态;当检测到实际用水量大于管网的给水流量时,设备通过真空抑制器及稳流补偿器中的检测装置采集稳流补偿器内的真空度及水位信号,通过微机控制真空抑制器及稳流补偿器中的特殊装置动作,将稳流补偿器中原来储备的能量进行释放,以补偿此时能量的不足,达到整个系统内压力的自动平衡状态,抑制负压的产生,完成不间断的持续供水。
全密闭结构及负压反馈抑制系统使设备可以直接与市政供水管网串接,充分利用市政管网原来的压力。
多变量模糊控制与智能管理系统技术,在运行过程中,针对需要控制的对象具有的多样性、随机性、连续性及高度不稳定等特性达到多层次、多目标的综合效果来实现无负压的过程。
2.1.3直接式管网叠压供水系统
直接式管网叠压供水技术是对传统二次供水技术的革新,在市政管网压力允许的情况下,管网叠压供水设备可取消贮水池,直接从市政管网中取水增压。
直接式管网叠压供水系统主要由水泵、缓冲罐、和变频数控柜等组成,取消了贮水池和屋顶水箱。
水泵直接从市政管网中抽取,为平抑峰值水压时对市政管网的压力影响,增加了一个缓冲罐,缓冲罐事选配一只充有自然空气的缓冲罐,然后送至各用水点,其系统组成如图3所示。
图3 直接式管网叠压供水系统
直接式管网叠压供水系统的工作原理分以下几种情况:
当自来水管网水压不能满足用水要求时,压力表向变频数控柜发出信号,变频软起动水泵机组加压供水,直至实际供水压力等于设定压力时,变频数控柜控制水泵机组以恒定转速运;在用水高峰期间,用户管网压力下降,当降到低于设定压力时远传压力表发出信号给变频数控柜,使变频器频率升高,水泵机组转速增加,出水量和压力都随之上升,直至用户实际压力值等于设定压力值;在用水低谷期间,用户管网压力上升,当高于设定压力值时远传压力表发出信号给变频数控柜,变频器频率降低,水泵机组转速降低,使用户管网实际压力值等于设定压力值[4]。
2.2系统分析及控制方案的确定
2.2.1系统的综合分析
两种供水系统的适用范围可相互补充。
当市政供水管网水量应充分,供水压力相对稳定时可采用无负压管网增压稳流给水设备。
由于其直接与市政给水管网串联供水,没有了水池的蓄水功能,因此对市政供水管网提出了更高的要求。
但在一些用水非常集中、瞬时用水量过大的地方,则应使用直接式管网叠压供水,以减少峰值流量对管网造成的影响,保证无负压设备的正常工作。
这两种系统均是根据水泵工作的压力叠加原理,直接串联的供水方式充分利用了市政给水管网的水压,减小了二次加压水泵的工作能耗。
而且无需修建蓄水池或水箱,避免了自来水在池中滞留,造成杂质进入池水、微生物滋生、余氯减少等现象,彻底杜绝了水池、水箱内水资源及定期清洗水池等对水资源的浪费。
同时还节约建筑面积、节省土建工程投资、简化加压系统设计。
并且抽水设备直接与室外市政给水管网串接,实现了从水厂供水到用户的连续流过程。
而且无负压管网增压稳流给水设备采用了全密闭的负压抑制系统,自来水不与空气直接接触,彻底杜绝了水质的二次污染。
现今很多生产厂家只在传统的变频供水设备的基础上,用储水罐加上一个自动进排气阀,声称无负压设备。
使用这样的无负压设备,当市政给水管网供水不足时,设备会出现停机保护现象,人为增加了不正常的供水时间,而且机组频繁启动会造成管网压力波动过大等问题。
其次,在无负压管网增压稳流给水设备运行时,水泵机组的工作扬程范围变大,对水泵机组的性能提出了更高的要求。
而采用直接式管网叠压供水技术,如果将叠压供水设备设置在地下室,不仅可能影响周围用户的水压,还可能导致回流污染或地下水侵入。
但如果设置高程过高,则可能出现断水现象。
同时,市政管网水压波动范围较大时其应配置特性曲线较陡,高效区扬程范围较大的水泵,这就要求有更多的资金投入。
旁通管的止回阀应具有可靠的密闭性能,并应当设置倒流监测装置,在有可能较长时间停用的旁通管应采取一些有效的措施,避免水质恶化产生二次污染。
直接式管网叠压供水和无负压管网增压稳流给水系统目前已在许多西欧国家得到普遍应用,在我国上处起步阶段。
相信随着管材、设备、施工技术的不断发展,这两种系统将会逐步完善提高,在更大的范围内得到普遍应用。
2.2.2控制方案的比较与选择
本设计采用直接式管网叠压供水系统,而直接式管网叠压供水系统又有多种不同方案。
方案一:
在同一个供水系统中,设置多台常用泵,供水量大时多台全开,供水小时开一台或两台。
方案二:
采用变频调整进行恒压供水,所有水泵配一台变频器。
每台水泵由各自变频器调整
方案三:
采用变频调整进行恒压供水,只配一台变频器,一台PLC由调节变频器输出频率控制水泵转速,同时由PLC控制水泵变频与工频的切换。
方案比较:
方案一由于水泵是发额定功率运行因此很难达到要求的水压精度;方案二可以达到水压精度,但由于一次性投资成本过高;只有方案三既能达到要求水压精度又能节省成本,固此选用方案三作为本设计系统方案。
2.3系统配置与性能特点
变频恒压供水系统示意图如图4所示,它主要是由PLC、PLC模块、变频器、压力表、以及水泵等组成。
用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。
系统中,PLC是整个系统的核心,所有的数据的处理与控制都是由PLC完成;远传压力表负责信号的检测,反馈信号加到PLC控制柜中,在系统中是反馈通道;变频器、继电器组都是执行机构,变频的控制主要是通过PLC的模拟量输出的模拟量来控制,继电器组的控制通过PLC的I/O中输出的开关信号经过中间继电器等隔离设备控制;最后在这个闭环系统中的输出是用户端的水压。
图4系统配置示意图
通过安装在出水管网上的压力传感器,把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PLC,经运算与给定压力进行比较,得出一调节参数,送给变频器,由变频器控制水泵的转速,调节系统供水量,使供水系统管网中的压力保持在给定压力上;当用水量超过一台泵的供水量时,通过PLC控制器加泵。
根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速,实现恒压供水。
当供水负载变化时,输入电机的电压和频率也随之变化,这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
图5系统实物图
2.3.1水泵、电动机
本系统的执行机构是水泵、电动机,通过水泵电动机的控制才能达到理想的水压。
因此水泵、电动机的造型应该符合系统的要求。
水泵的选择要考虑两个问题:
扬程和流量。
扬程有水泵能提供的水压有关,理论上0.1MPa的水压扬程可达到10m;流量有用户数量各用户性质等有关。
电机的选择应根据水泵的轴功率和电动机与水泵转速一致来选择,同时要选用泵类负载的电机和安全级达到要求的电机。
2.3.2性能特点
系统的主要性能特点:
(1)可实现恒压变量、多种启停控制方式;
(2)变频器对电机进行软启动,轮转变频运行,电机轮流工作,减少设备损耗,延长电机寿命;(3)具有自动、手动。
为了防止在重新设定PLC程序、参数或者PLC出现故障和维修调试时系统不至于停止工作特意增加了手动功能。
(4)具有完善的电气安全保护措施,对过流、过压、欠压、过载、断水等故障自行诊断并报警。
控制系统设计:
恒压供水是指用户端不管用水量大小,总保持管网中水压基本恒定,这样,既可满足各部位的用户对水的需求,又不使电动机空转,造成电能的浪费。
为实现上述目标,需要变频器根据给定压力信号,调节水泵转速,从而达到控制管网中水压恒定的目的。
该系统主要由4台水泵(分别标号为1#泵、2#泵、3#泵、4#泵)、1台变频器、PLC、及线性压力传感器等组成。
其中PLC、压力传感器组成闭环反馈控制系统。
PLC控制各台水泵的运行状态如工频运行、变频运行、停止,控制水泵的运行台数,在大范围上控制供水的水压;PLC的PID调节功能控制变频器对变频泵进行速度调节,在小范围上控制供水的水压。
水泵的速度调节采用变频调速技术,利用变频器对水泵进行速度控制,采用“一变多工”的控制方式,并根据PLC的PID输出信号驱动变频器的输出。
3控制系统的硬件设计
3.1PLC的选择
PLC是本系统的控制核心,是系统运行的关键,PLC在本系统中的主要任务:
(1)代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作,数字式PID调节。
一个调节器往只能实现一路PID设置,用PLC作调节器可同时实现多路PID设置,在供水泵站的各类工况中PID可能不一样,PLC作数字式调节器就十分方便。
(2)控制水泵的运行与切换。
在多泵组恒压供水泵站中,为了使设备均匀地磨损水泵及电机轮换工作的,每台水泵都以变频起动的软启动方式起动,PLC作为控制核心控制每台水泵的启停与水泵组的增加与减少。
(3)变频器的驱动控制。
恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式,需要采用PLC的模拟量控制模块,该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号,输出端送经给定值与反馈值勤比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号,并依此信号的变化改变变频器的输出频率。
(4)泵站的其它逻辑控制。
除了泵组的运行管理工作外,泵站还有逻辑控制工如泵站工作状态指示,泵站工作的报警,系统的自检等,这此都可以在PLC的控制程序中安排。
PLC选型的基本原则是:
在功能满足要求的前提下,选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优的机型。
通常做法是,在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合,建议选用整体式结构的PLC;其他情况则最好选用模块式结构的PLC;对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中,一般其控制速度无须考虑,因此,选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求;而在控制比较复杂,控制功能要求比较高的工程项目中(如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等),可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机(其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等)。
3.1.1I/O的选择
PLC与生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
PLC有许多I/O接口模块,包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块,使用时应根据它们的特点进行选择。
(1)确定I/O点数
根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时,应再增加10%~20%的备用量,以便随时增加控制功能。
对于一个控制对象,由于采用的控制方法不同或编程水平不同,I/O点数也应有所不同。
下表列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数。
典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数如表1所示:
表1典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数
序号
电气设备、元件
输入点数
输出点数
1
Y-起动的笼型异步电动机
4
3
2
单向运行的笼型异步电动机
4
1
3
可逆行的笼型异步电动机
5
2
4
单向变极时机
5
3
5
可逆变极时机
6
4
6
单向运行的直流电动机
9
6
7
可逆运行的直流电动机
12
8
8
单线圈电磁阀
2
1
9
双线圈电磁阀
3
2
10
比例阀
5
3
11
按钮
1
-
12
光电管开关
2
-
13
信号灯
-
1
14
拨码开关
4
-
15
三档段开关
3
-
16
行程开关
1
-
17
接近开关
1
-
18
制动器
-
1
19
风机
-
1
20
位置开关
2
-
21
单向运行的绕线转子异步电动机
3
4
22
可逆运行的绕线转子异步电动机
4
5
(2)开关量I/O
开关量I/O接口可从开关(如按钮、限位开关等)及控制设备(如指示灯、报警器、电动机起动器等)接收信号。
典型的交流输入/输出信号为24~240V,直流输入/输出信号为5~240V。
尽管输入电路因制造厂家不同而不同,但有些特性是相同的,如用于消除错误信号的抖动电路等。
此外,大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。
在评估离散输出时,应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。
熔丝电路也许在开始时花费较多,但可能比在外部安装熔丝耗资要少。
(3)模拟量I/O
模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。
这些接口可用于测量流量、温度和压力,并可用于控制电压或电流输出设备。
这些接口的典型量程为-10~+10V、0~+20V、4~20mA或10~50mA,多数采用4~20mA、0~+20V。
(4)特殊功能I/O
在选择一台PLC时,用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定(如定位、快速输入、频率等)。
此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于最大限度减小控制作用的模块。
有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据,从而使CPU从繁重的任务处理中解脱出来。
(5)智能式I/O
当前,PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的I/O模块。
一般智能式I/O模块本身带有处理器,可对输入或输出信号作预先规定的处理,并将处理结果送入CPU或直接输出,这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量[2]。
3.1.2存储器类型及容量选择
PLC系统所用的存储器基本上由PROM、EPROM及RAM三种类型组成,存储容量则随机器的大小变化,一般小型机的最大存储能力低于6kB,中型机的最大存储能力可达64kB,大型机的最大存储能力可上兆字节。
使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型,必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
PLC的存储器容量选择和计算的第一种方法是:
根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。
第二种为估算法,用户可根据控制规模和应用目的,按照下表的公式来估算。
为了使用方便,一般应留有25%~30%的裕量,获取存储容量的最佳方法是生成程序,即用了多少字。
知道每条指令所用的字数,用户便可确定准确的存储容量。
表2给出了存储器容量的估算方法。
表2 估算存储器容量的方法
控制目的
公式
说明
代替继电路
M=Km(10D1+5D0)
D1为数字(开关)量输入信号
D0为数字(开关)量输出信号
AI为模拟量输入信号
Km为每个接点所存储字节数
M为存储器容量
模拟量控制
M=Km(10D1+5D0+10AI)
多路采样控制
M=Km[10D1+5D0+100AI+(1+采样点×
0.25)]
根据上述PLC选型的方法。
再结合系统要求本系统与实际工艺本系统选区用性价比较高的西门子S7-200PLC,CPU为226。
3.2西门子S7-200PLC系统配置
3.2.1S7-200PLC的性能和特点
西门子S7系列程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列,分别为S7系列的大、中、小PLC。
S7-200系列有CPU21X系列和CPU22X系列,其中CPU22X型有4个不同的基本型号,分别为CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。
CPU226是功能最强的单元,可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。
4种型号的PLC具有下列特点:
(1)集成的24V电源。
可直接连接到传感器和变送器,CPU221CPU222具有180mA输出。
CPU224输出280mA,CPU226输出400mA可用作负载电源。
(2)高速脉冲输出。
具有2路高速脉冲输出端,输出脉冲频率可达20kHz,用于控制步进电机。
(3)通信口。
CPU221CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。
CPU226有2个RS-485通信口。
支持PPI、MPI通信协议,有自由中通信能力。
(4)模拟电位器。
CPU221/222E有1个模拟电位器,CPU224以上有2个模拟电位器。
模拟电位器用来改变特殊寄存器(SMB28SMB29)中的数值。
(5)数字量输入/输出点。
CPU221具有6个输入点和4个输出点;CPU222有8个输入点和6个输出点;CPU224具有14个输入点和10个输出点;CPU226具有24个输入点和16输出点。
S7-200PLC有三种工作方式:
停止、运行和TERM方式,CPU前面板上用两个发光二极管显示当前工作方式,绿色指示灯亮,表示为运行状态,红色指示灯亮,表示为停止状态,在标有SF的指示灯地表示系统出现故障,PLC停止工作。
STOP(停止)。
CPU在停止工作方式时,不执行程序,此时可以通过编程装置向PLC装载程序或进行系统设置。
在程序编辑、上下载等处理过程中,必须把CPU置于STOP方式.
RUN(运行)。
CPU在RUN方式下,POLC按照自己的工作方式运行用户程序。
用工作方式开关可以改变工作方式,工作方式有3个档位:
STOP、TERM、RUN。
把方式开关切到STOP位,可以停止程序的执行;把方式开关切到RUN位,可以启动程序的执行;把方式开关切到TERM或位,允许STEP7-Micro/WIN软件设置CPU工作状态。
如果工作方式开关设为STOP或TERM,电源上电时,CPU自动进入STOP工作状态。
设置为RUN时,电源上电,CPU自动进入RUN工作状态。
用编程软件改变工作方式。
把方式开关切换到TERM,可以STEP7-Micro/WIN软件设置工作工方式。
在程序中用指令改变工作方式。
在程序中插入一个STOP指令,CPU可由RUN方式进入STOP工作方式。
CPU226是一种带超大容量内存的设备,包括16KB程序内存和10KB数据内存,它专门针对应用范围广、内存要求高的需求而设计。
SimaticS7--200CPU226微型PLC具有40多个数字输入/输出口,并且通过扩展模块最多可扩展为128个数字量输入和120个数字量输出。
也可以通过扩展模块连接模拟量的外围设备和温度测量模块。
CPU226有两个单独的接口,一个接口用于SimaticS7--200网络,而另一个接口用于SimaticS7--300/400网络中的从站MPI接口。
而且,各接口也可以作为一个可自由编程的设备接口被参数化,并通过ASCII协议控制驱动器、modem和打印机。
借助通信扩展模块,CPU226还可以用作Profibus-DP网络的从站和AS-i网络的主站。
另外,它支持32位浮点运算,包括三角函数和积分PID控制器。
与所有S7-200CPU一样,SimaticS7--200CPU226XM微型PLC不仅具有24VDC输入和24VDC晶体管输出,同时还具有230VAC输入和继电器输出。
由于它的输入电压范围大,可从85V到264V,使其可以在全世界各地使用。
和其它S7--200CPU一样,用户可以用Step7-Micro/WIN软件进行编程和对新设备组态。
序的生成过程。
CPU226XM程序可以用MicroWINV3.1x进行编辑,甚至在运行状态时也能进行。
3.2.2EM235模拟量扩展模块的应用
(1)EM235的性能与指标
PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口,为了使PLC能完成模拟量的处理,常见的方法是为整合式PLC加配模拟量扩展单元。
模拟量扩展单元可将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果量转换为机外所需的模拟量。
EM235是S7-200系列PLC的模拟量模块,它有四路模拟量输入及一路模拟量输出,技术规范见表3。
接线图如图6所示,可以用于恒压供水控制中。
图6EM235接线图
(2)EM235的校准
EM235的校准可以简单地理解为仪表使用前的调零及调满度。
配置及校准操作位置见图7。
图7 EM235的校准电位及DIP配置开关
表3 EM235的输入输出技术规范
输入技术规范
输出技术规范
输入最大电压
30DV
隔离
无
输入最大电流
32A
信号范围
电压输出
电流输出
10
0~20mV
输入滤波衰减
-3Db,3.1kHz
分辨率
12位A/D转换器
隔离
否
分辨率,满量程
电压
电流
12位
11位
输入类型
差分
输入范围
电压单极性
电压双极性
电流
0~10V,0~5V
0~1V,0~500mV
0~100mV,0~50mV
±10V,±5V
±1V~+1V,±500mV
±250mV,±100mV
±50mV,±25mV
0~20mA
数据字格式
电压
电流
3200
0~3200
输入分辨率
最差情况,0~55℃
电压输出
电流输出
典型,25℃
电压输出
电流输出
±2%满量程
±2%满量程
±5%满量程
±5%满量程
AD转换时间
<250uS
模拟输入阶跃响应
1.5ms到95%
共棋抑制
40Db,DC到60Hz
共棋电压
信号电压加共模电压必须≤±12V
24VDC电压范围
20.4~28.8V
数据字格式
双极性,满量
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