基于PLC的恒压变频工厂供水系统设计.pdf

务I 匐 地 基于P L C 的恒压变频工厂供水系统设计 The des i gn cons t an t pr ess ur e f r e quenc y con v er si on w a t er s upp l y s ys t em bas ed on PLC 陈天华，王 辛 CHEN T i a n ． h u a．、 ／ V ANG Xi n 北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 1 0 0 0 4 8 摘 要针对工业供水中的节能问题，提出了基-P L O 的恒压变频供水控制方案。本系统由P L C 、变频 器、传感器和等组成，采用P ID 调节 ，根据水压的给定值与测量值的偏差 ，通过对变频器频率 和输出电压的实时控制，调节电机转速来改变水泵出水量，实现整个管网压力自动调节和稳 定。运行记录表明，本系统不仅实现了供水过程的自动控制 ， 有效降低了供水能耗 ，还能使 系统 在最佳状况下运行，提高了企业的生产管理水平。 关键词恒压供水；P L C；P I D 调节 中图分类号T P 3 9 3 文献标识码A O o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 7 上 ． 2 7 0 引言 微 电子技术 的进步和产业技 术的升级 ，使人 们对供水系统的可靠性、节 能和供水质量提 出了 更高的要求。但由于历史原因，我国很多企事业 单位还采用主要 由接触器 等机 械构件组成 的传统 供水系统 ，线路复杂，通 断电 由人工进行操作 ， 维护困难 ，需2 4 小时值班。这不仅费时、费力，而 且对管网压力及水位的变化难以做 出及时和准确的 反应H 】 。因此，在满足对供水系统安全性和可靠性 的前提下，提高系统的自动化水平，保持供水压力 恒定并改善供水系统的质量便显得 日益重要。 1 恒压变频供水系统工作原理 恒压 变频供水 系统主要 由变频器 、压力传感 器 、恒压控制单元、压力变送器、低压 电器 以及水 泵机组和管网等组成 。通过变频器对异步电机的转 速进行调节，控制水泵旋转 ，实现恒压供水 。 恒 压变 频控翩系统的 目标是 当用水量发生变 化 时 ，管 网实际水 压保 持恒 定 或者 设 定值 范 围 内，设定值可以为常数或分段函数。 本系统主要用于工业生产用水 ，其用水量主 要集中在8 0 0 ～1 7 O 0 时段 ，其他时段均处于低 流量状态 。因此 ，采用多台水泵并联供水 ，根据 用水量调节水 泵数 量，在全流量范 围内将变频泵 的连续调节和工频泵 的分级调节相结合 ，使供水 压力保持在设定范围。 文章编号 ；1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 0 7 上 - 0 0 9 0 - 0 3 系统 由变频 器 、P I D调节 器和压力变 送器组 成的闭环调节 系统。恒压供水 系统被控对象 的数 学模型可 以近似为一阶滞后惯性环节H 】 ，由图 1 可 知 ，若供水 系统运行过程 中实际水压低于设 定压 力 ，则控制系统获得正偏差，使变频器 的输 出频 率增加 ，增大水泵机组的转速，从而提高供水压 力，反之亦然。 图1 恒 压变 频控 制原理 供水 系统可 分为三部分 ，即信号检测系统、 执行 系统和控制 系统 。执行 系统主要 由变频泵和 循 环泵 构 成 。变频 泵根 据用 水量 的变 化 改变 电 机转速 ，维持管 网水压恒定 。循环泵的功能是在 系统开启和停止两种工作状态时 向保温水箱中补 水 。信 号 检测 系统 检 测 的信号 包括 液 位 、温 度、水压和报警 信号。控制系统 包括变频器、 C 控制器和电控设备等。 2 供水系统的控制流程 供 水 参 数 供 水 压 力 0． 2 M P a；水 温 5 0 ℃～6 5 ℃；水箱液位 0 ． 9 m～2 ． 0 m。系统主要包 括三个部分，即循环换热部分 、恒压变频供水部分 及H MI 控制部分。系统电气控制结构如图2 所示 。 收稿日期2 0 1 3 - 0 5 -1 7 基金项目北京市本科生科学研究计划 2 0 1 2 1 2 ；北京市科研创新平台项目 2 0 1 1 5 1 作者简介陈天华 1 9 6 7一，男，湖南人，教授，硕士，研究方向为信号与信号处理、自动化及计算机测控技术等。 【 9 O 】 第3 5 卷第7 期2 0 1 3 0 7 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l lI8 ,fl u S I E N S 7 - 2 0 0 可缡程控 制嚣及H M 工 人机界面 l l 上 气 控 制 回 路 f I 电 气 控 制 回 路 J f 电 气 l 术 阀 及 补 水 阀 l I 1 一2征 环 泵 I l l一2供 水 泵 传感嚣 。 t t 、 保沮水箱 生 产车f _ 】 图2 系统 电气控制结构 1 循环换热部分 循环换 热包括补水过程和换热过程 。补水过 程利用液位传感器将保温水箱 的液位信号传送给 P L C，根据液位传感器的反馈信号控制循环水泵 的 启动 、停止 、补水 阀门的开 闭，从而控制水箱补 水 。换热过程利用温度传感器检测保温水箱的温 度并实时传送给P L C，系统根据反馈信号控制循环 水泵的启停及供热阀门的开闭，完成换热过程。 2 恒压变频供水部分 通 过压 力 传 感 器检 测水 泵 出水 管 网处 的水 压 ，将压力信号与给定水压进行 比较 ，然后通过 P I D控制器控制变频器实现对水泵的调速及水泵数 量的增减 ，从而形成 以给定压力为基准的压力 闭 环系统，实现恒压供水。 系统 接 收到启动 指令后 ，首先 变频启动 1 号 泵，通过P I D模块，根据实测压力和设定压力的差 调节变频器的输 出频率，控制1 号水泵的转速 ，当 管 网压力达到设定值 ，其供水量与用水量平衡 ， 转速稳定 ，水泵工作在变频运行状 态。若用水 量 增加导致管网水压降低时 ，通过P I D调节模块，增 大水泵的转速；反之，当用水量减少而管网水压 增加时，减小水泵的转速 。 当用户用水量继续增 加，变 频器输 出频率达 到上限4 9 Hz ，若管网实际压力还未达到设定值 ， 此时 系统将 1 号水泵切换 至工频运 行 ，同时通过 变频器启动2 号水泵，通过调节2 号水泵的运行频 率，使管网压力达到设定值范围。 当用水量下降水压升高，2 号泵的运行频率降 至下限2 0 Hz 时，管网实际压力仍高于设定值，此 时 系统停止1 号水泵运行 ，通过变频器调节2 号泵 的运行频率 ，使管网压力重新达到设 定值。 3 H MI 控制部分 HMI 是 系统进行监控 的人机界面 系统，主要 功能包括手动 、 自动、频率显示、泵 的运行方式 显示、故障报警和显示等 。P L C对手动／ 自动切换 开关的状态进行实时检测，当选择手动时，P L C只 进行检测报警 ，由人工通 过HMI 面板上 的按钮进 行水泵的启停和切换；选择 自动功能时 ，所有控 制和报警功能均 由P L C自动完成。 3 硬件设计 系统硬件设备主要包括P L C 及扩展模块、变频 器 、压力传感器 、液位传感器 、温度传感器、换 热器、水泵机组等。 3 。 1 P L C 及扩展模块的选型 P L C是整个控制 系统的核心 ，主要 负责输入 信号采集、控制负载运行、P I D恒压供水调节 以及 与HM1 人机界面的数据交换 。本系统采用西门子 C P U 2 2 4 C N及模拟量扩展模块E M2 3 5 C N，系统总 体结构如图3 所示。 压 力传 感 器将 供 水 管路 中的压 力信 号 变成 0 ～ 1 0 V电压 信 号或 4 ～2 0 mA电 流信 号 ，作 为 E M2 3 5 模 拟量 模块 的输入 ，由于传输 时 电压信 号 容 易受 到干 扰 与损 耗 】 ，因 此 ，选用 输 出为 4 2 0 mA电流信号的压力传感器 ，同理 液位传感 图3 恒压变频供水系统总体结构 第3 5 卷第7 期2 0 1 3 - 0 7 上 [ 0 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l II8 出 发情况下，均有1 个用户操作失败，导致不能产生 正确的P DF 文件 ，且操作失败时 ，系统 界面显示 “ 系统忙 ，请稍后再试”。 结合 同步监测到的 系统数据进行分析 ，发现 “ 合并P D F”时 随着并发人数不断增加 ，CP U的平均 利用率 一 直处于2 0 ％以下 ， “ ％DP C t i me ”的值处于较低 水平，处理器队列长度始终小于2 ，未出现堵塞； 内存基本保持稳定 ，并发人数增加 对内存影 响不大，可用物理 内存始终在总物理内存的7 0 ％左 右 服务器硬盘的 “ Di s k T r a n s f e r ／ s e c ”的值一直 大于 1 2 0 ms ，最高时达到1 9 7 ms 。这个参数反映硬 盘 完成请 求所用的时间，一般 而言，此值 应小于 6 0 ms ，过大则表示 系统要求的I ／ O速度已接近硬盘 的最大速度 ，需要 更换更快 的硬盘或更换硬盘 的 R A I D方式； S QL S e r v e r 数据库和I I S 性能数据稳定，无报 错 。 2 结果分析 结果分析 是对测试 过程产生的数据及现象进 行分析 ，判断是否符合设计用户需求 、是否达到 预期 的性能指标 ，如有不达标需进一步分析原 因 并提 出解决方法。 本案例通过对上面测试执行产生的数据进行 分析 ，可以判断， “ 合并P DF ”脚本运行时产生了 大量的硬盘读写 ，特别是当操作对象是大数据文 件 ／ g T I F F 格式时，系统压力集中在硬盘上 ， 导致硬盘繁忙无法及时响应，影响了系统性能 。 因此 ，提 出以下解决思路 要求厂商调整软件代码算法结构、分散系统 压力 ； 提升硬盘I ／ O速度或更换硬盘的RA ID方式。 3 结束语 软件性能测试技术是查找软件性能问题和检验 软件质量的重要手段，已经成为软件工程实施的必 要环节。以L o a d R u n n e r 作为测试工具，创建真实的 负载并精确定位性能问题，为保证软件应用性能和 软件工程顺利实施提供严谨的技术保障。 参考文献 【 1 】刘群策． L o a d R u n n e r 和软件项目性能测试[ M] ． 北京 机械 工业出版社， 2 0 0 8 ． 【 2 】陈绍英， 金成姬， 冯艳硕． L o a d R u n n e r 虚拟用户开发指南 【 M】 ． 北京 电子 工业出版社， 2 0 0 9 ． ． ●■●I |I 蠡● {量‘ 矗● | 矗● 矗● ． 矗●I 蠡‘ ．{叠‘ {矗‘ ． ‘‘ ． | 盘● ．{重‘ 重‘ {● {矗‘ ●蠡● 鑫● |矗‘ ●童● 【 上接第9 2 页】 水压 设定 设定 系统恒压供水压力 ，初 始值 为0 ． 2 MP a ；水温设定C1 水温上限，系统停止换 热时的温度 ，初始值6 5 ℃；水温设定C2 水温下 限 ，系统开始换热时的温度 ，初始值5 0 ℃。 4 结论 本 系统将 工频泵 的分级调节和变频泵 的连续 调节在全流量范 围内结合在一起 ，编程灵活 、应 用简单、可靠性高，可手动控制和 自动变频运 行 ，可将故障 电机切换到非故障电机运行的 自动 切换功能 ，提高 了供水系统的可靠性和安全性 ， 系统具有故障报警和实时记录功能，其整体设计 方案先进、合理 ，具有很好的管理和监控能力， 达到了可靠稳定、应用方便、维护简单、高效节 能 的设计 目标 。稳定的供水环 境不仅对保障人们 的生活秩序和各种工业生产过程的稳定运行以及 产品的质量具有重要作用，还对提高劳动生产率 具有重要意义 。 参考文献 [ 1 ]1 崔金贵． 变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨 [ J 】 ． 兰州铁道学院学报， 2 0 1 0 1 8 4 ． 8 6 ． 【 2 】胡纲衡， 唐瑞球， 江志敏． 交流变频调速的切换控制技术 [ J ] ． 电工技术杂志， 2 0 1 0 6 4 3 4 5 ． 【 3 】金传伟， 毛宗源． 变频调速技术在水泵控制系统中的应用 [ J ] ． 电子技术应用， 2 0 1 0 9 3 8 3 9 ． [ 4 】赵丽梅． 变频器恒压供水系统设计． 山西建筑， 2 0 0 9 ， 0 6 ． 【 5 】马桂梅， 谭光仪， 陈次昌． 泵变频调速时的节能方案讨论 [ J ] ． 四川工业学院学报， 2 0 0 9 3 5 7 ． 第3 5 卷第7 期2 0 1 3 - 0 7 上 【 9 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m