一种变频式恒压自动供水控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种变频式恒压自动供水控制系统，属于自动控制技术领域。本实用新型包括PLC、变频器、液位传感器、模拟量输出模块、压力传感器、接触器切换电路、水泵、电机、手动控制模块；所述模拟量输出模块、变频器和手动控制模块分别与PLC相连接，液位传感器检测的输出信号与模拟量输出模块相连接，压力传感器检测的输出信号分别与模拟量输出模块和变频器的PID模块相连接，PLC和变频器的PID模块分别连接到接触器切换电路，接触器切换电路与电机相连接，电机带动水泵运转供水。本实用新型解决了居民用水高峰期出现水压不足，低峰期水压过大的问题，实现恒压供水，使资源得到充分利用，达到节能环保的目的。
【专利说明】
一种变频式恒压自动供水控制系统
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种变频式恒压自动供水控制系统，属于自动控制技术领域。
【背景技术】
[0002]随着社会的飞速发展，城市不断扩建，城市人口不断增加，城镇居民用水量大大更加，给自来水厂带来极大的压力，根据现用的供水系统情况，针对水厂当前存在的自动化程度不高，能耗较大，为满足不断增多的居民的生活用，自来水的原有老设备已经超负荷运作，可靠性也大大降低的情况，同时在用水的高峰期难以保证供水的稳定性。随着人们对供水要求的日益提高，结合当今发展迅速的变频恒压供水技术及现场总线控制技术，对送水栗站进行监控实现恒压供水及对整个自来水厂现场设备进行实时监控及实时数据采集。因此就必须对水厂的相关技术进行改造，以实现供水高效、稳定、可靠的目的。实现对用户恒压供水已成为自来水公司的必然选择，同时系统需要适应不断增加的供水设备接入。
【发明内容】
[0003]本实用新型提供了一种变频式恒压自动供水控制系统，用于解决现有城市居民急速增加带来的供水困难与供水不稳定的问题，老供水设备在居民用的高峰期与低峰期供水方式一成不变，使得高峰期出现水压不足，低峰期水压过大，不能保证恒压供水，同时造成电能资源严重浪费的问题。
[0004]本实用新型的技术方案是:一种变频式恒压自动供水控制系统，包括PLCl、变频器
2、液位传感器3、模拟量输出模块4、压力传感器5、接触器切换电路6、水栗7、电机8、手动控制丰吴块9 ；
[0005]所述模拟量输出模块4、变频器2和手动控制模块9分别与PLCl相连接，液位传感器3检测的输出信号与模拟量输出模块4相连接，压力传感器5检测的输出信号分别与模拟量输出模块4和变频器2的PID模块相连接，PLCl和变频器2的PID模块分别连接到接触器切换电路6，接触器切换电路6与电机8相连接，电机8带动水栗7运转供水。
[0006]还包括PROFIBUS现场总线10及PC上位机监控系统11;其中，PC上位机监控系统11通过PROFIBUS现场总线1与PLCl相连接。
[0007]本实用新型的工作原理是:
[0008]保证整个供水网管的出水口的压力供应恒定从而保证最不利点处用户的用水量的满足。
[0009]变频式恒压自动供水控制系统，通过PROFIBUS将多个PLC与上位监控主机相连，再由相应的PLCl其他各个下层部分相连，液位传感器3检测的输出信号与模拟量输出模块4相连接，其中:压力传感器5采集供水系统出水网管上的压力变化，而后把变化值转换成标准的电信号，再把这信号分别传送给模拟量输出模块4和变频器2的PID模块。变频器2在接受到这些信号后，利用PID模块对其进行PID算法的处理，最后转化成相应的所需控制信号一一频率(这是用来对电机的速度进行调节)。变频器处理后的信号，一部分作为功能预设值，并且传给PLC JLC利用这些信号对交流接触器组的开关的判断及控制。PLCl和变频器2的PID模块分别连接到接触器切换电路6)，接触器切换电路6)直接与电机8栗组相连接，电机8带动水栗7运转供水，直接决定电机栗组的运行状态。
[0010]液位传感器3主要负责检测供水水池的水位深度，大多数情况下，这些信号只是作为应急措施用。液位传感器3信号是传送给PLCl的。其目的是PLCl根据这信号判断水池是否在正常的安全线内，防止被供水池抽空和水溢出的危险并进行报警。
[0011]手动控制模块9的手动控制信号的输入是用来直接控制电机栗组的运行，系统在手动控制的模式下时，手动控制信号(包括开启和停止电机栗组)以最高的优先级来通过PLC直接控制水栗机组的启停。当系统切换的全自动控制模块时，根据各传感器的输入信号，信号就自动实现恒压控制的目的。此时，当变频器工作正常时，压力信号通过压力传感器5，传送给变频器2内置的PID，经PID运算后，输出信号控制变频器的输出频率，从而控制水栗的转速进而保持供水管道的压力基本恒定。用户用水量大时，网管管路压力下降，变频器频率就升高，水栗转速加快，反之，频率下降水栗减速运姓，从而维持恒压供水。当用水量大于一台水栗的最大供水量时，通过PLCl的内部控制进行对接触器切换电路的控制，使其再投入一台水栗。同样的原理，PLCl根据用水量的大小，可自动确定投入的水栗台数。
[0012]当变频器出现故障时，系统停止上述的自动供水方式，相应的启动工频自动运行供水方式(该方案只是一种后备方案，系统绝大部分时间都应该运行在变频恒压运行方式)，此时水压传感器的信号直接输入PLCl，由PLCl进行信号的范围判断，从而决定何时增栗(只能是工频运行)，何时减栗。由此来实现近似的恒压自动供水。
[0013]通过PROFIBUS连接的上位监控主机实时采集现场数据及对现场设备进行实时监控，实现恒压供水的目的。
[0014]其中，供电系统线路的设计为:
[0015][I]系统采用变压器调压功能来进行电压的转换。把工业电源380V/50HZ的三相电源转化成PLC和其他设备要求的220V电源。当然，对变频器及水栗回路部分要求的380V的电源，可以由380V电源直接接入。当然接入时，应用一个总进线空气开关(QFl)来保证系统的安全。
[0016][2]当在外部供电系统短时断电时，系统仍能维持一定时间，在这里系统采用不间断电源UPS的措施。UPS平时处于充电状态，当系统失电时，UPS能自动切换到输出状态，维持控制器的供电
[0017][3]为保证供电系统之间的抗干扰功能，一要充分的考虑到线路的良好接地，二是变压器的次级连接线要使用双绞线。还有采用几个变压器分别对所需相应电压的设备进行供电，这样有利于消除各电源间的影响。
[0018]所述变频式恒压自动供水控制系统中的现场总线技术(PROFIBUS—DP)的EM277PROFIBUS—DP通信模块用来将S7—200连接到PROFIBUS—DP网络。EM277通过DP通信端口连接至护1^181^—0?网络中的一个主站，通过串行1/0总线连接到57—20(^1]模块。系统运用PROFIBUS协议通过PROFIBUS总线网络来与上位机的监控系统进行通信。
[0019]所述变频式恒压自动供水控制系统通过对应参数计算:所述PLCl为S7—200的CPU226作为系统的控制单元；水栗7选用北京市昌宁产业有限责任公司的水栗型号:350S26;电机8选用福安市永达盛电机有限公司的电动机型号:Y315M-4;根据已选定的电机的容量，变频器2选用型号:MM430变频器;液位传感器3选用江门市利德电子有限公司的液位传感器型号:LD600G A 1- 3.5m - 5m;压力传感器5选用登方上海电子有限公司的压力传感器型号:JVPL 10;
[0020]系统控制思想的其他方面注意点:
[0021][I]控制系统的设计，需考虑当系统投入时，水栗的运行台数始终控制在I?3台的范围内(设计要求的需要)。当输入的要求超过此范围，要求栗进行运行或停止时，系统就进行报警与阻止该方式的进行。实现这一技术要求，只要通过对电机栗组的运行状态进行监控，系统就可以对此进行水栗运行台数的限制。
[0022][2]考虑到系统的寿命，特别是各电机和水栗的运行时间的寿命。在本系统中，我们对各电机和水栗的开启顺序米取“先停先启，全停先启I”的策略；同样停止他们的顺序就是“先开先停”的策略。在这里，采用查询的方式来实现。查询的方式实现的思想是，先确定各栗的运行状态(包括变频启动、工频启动、停止三种)，然后根据此来决定开启或停止水栗号。
[0023][3]工频恒压自动控制运行方式作为一种备用方案，为防止在水栗停开一台水压不足而增开一台水压又超调造成的所谓切换振荡。控制系统采用在线辨识水压控制区间的控制方案.即只有越过控制区间.系统才能发生动作，水栗才能进行切换。控制区间的设定方案:假设当前的水压控制区间为[X01 X02]X01〈SP〈X02。我们可以设定刚开始时(即程序初始化赋值时)的区间为[0.955?，1.055?]，5?为网管水压目标值。当网管水压超过这个区间时，经过一定的延时。系统开始动作〔或增开或停开一台水栗)。动作后，当前管压信号SPl由压力传感器经A/D转换后传回PLC，现在则以SP为依据重新建立控制区间为[X11，X12]，并按下式取值:X1 I=SP-1.05 I Δρ I，X12=SP+1.05 | Δρ |，Ap=SPl-SP ；
[0024]因此，系统每进行一次栗切换，PLC在线修改一次水压控制区间从而避免了切换振荡。
[0025]本实用新型的工作步骤如下:
[0026]Stepl、通过PLCl设定管压参数目标值的区间为[0.95SP，1.05SP]；
[0027]Step2、判断手动模式还是自动模式运行:
[0028]Step2.1、如果是手动模式，则启动手动处理模块9:PLCl检测到液位传感器3无水位报警信号；如果有水位报警信号，则进行停栗控制，如果无水位报警信号，则检测压力传感器5有无超压信号；如果有超压信号，则进行停栗控制，如果无超压信号，则检测水栗7有无停止信号;如果有水栗7停止信号，则进行停栗控制，否则检测手启栗信号:如果有手启栗信号，则进行增开栗控制;接着执行步骤Step3;其中，无超压信号，表示当前管压参数值没有超过水管能承受的安全值;有手启栗信号，表示存在人为触发启动水栗控键;有停止信号，表示存在人为触发停止水栗控键；
[0029]Step2.2、如果是自动模式，PLCl则进行变频器2的接通及判断变频器2有无故障存在:
[0030]Step2.2.1、当变频器2有故障时，则执行自动工频恒压处理模块:
[0031 ]自动工频恒压处理模块的处理过程为:
[0032]Step2.2.1.1、压力传感器5将采集的当前管压参数值经模拟量输出模块4进行A/D转化后发送给至PLCl;
[0033]Step2.2.1.2、PLC1判断经A/D转换的当前管压参数值是否在设定区间内:
[0034]若在，系统状态不变，接着执行步骤Step3;
[0035]若不在，则判断经A/D转换的当前管压参数值与设定区间的大小:如果小于区间下限则延时按序工频增加一台开启的水栗数;如果大于区间上限则延时按序减少一台开启的水栗数，当工作的水栗7仅剩一台，则执行步骤Step3;
[0036]Step2.2.1.3、延时改变水压设定范围，并将当前管压参数值SPl由压力传感器5经模拟量输出模块4进行A/D转化后传回PLCl，同时，建立管压参数目标值的区间为[XII，X12];其中,Xll=SP-1.05 I Δρ |，X12=SP+1.05 | Δρ |，Ap=SPl-SP;
[0037]Step2.2.1.4、根据更新后的设定区间，执行步骤Step2.2.I.2;
[0038]其中，初次进入自动工频恒压处理模块时，设置I台水栗工作在工频状态；
[0039]Step2.2.2、当变频器2无故障时，PLCl判断变频器2的频率是否在设定的范围内:
[0040]Step2.2.2.1、如果在，则执行自动变频恒压处理模块:
[0041 ]自动变频恒压处理模块的处理过程为:
[0042]Step2.2.2.1.1、压力传感器5采集当前管压参数值作为反馈信号输入变频器2模拟输入端子；
[0043]Step2.2.2.1.2、通过变频器2的PID控制，将当前管压参数值与SP作比较:如果大于，变频器2降低频率并带动水栗7的电机8转速降低，如果小于，变频器2提高频率并带动水栗7的电机8转速提尚；
[0044]Step2.2.2.I.3、重复执行步骤 Step2.2.2.1.1-步骤 Step2.2.2.1.2,直到当前管压参数值与SP相等，执行步骤Step3;
[0045]其中，初次进入自动变频恒压处理模块时，开启变频器2及I台水栗变频零转速启动；
[0046]Step2.2.2.2、如果不在，则按照如下步骤执行:
[0047]Step2.2.2.2.1、压力传感器5采集当前管压参数值作为反馈信号输入变频器2模拟输入端子；
[0048]Step2.2.2.2.2、通过变频器2的PID控制，将当前管压参数值与SP作比较:
[0049]Step2.2.2.2.2.1、如果小于，则执行欠压处理模块，欠压处理模块的处理过程为:[°°50]检测有无变频水栗运行:
[0051 ]如果有，则判断哪一个水栗变频运行，把变频改为工频运行，执行步骤Step3;
[0052]如果无，则检测有无工频栗运行:如果有，则判断哪台水栗最后开启的工频运行，并启动该水栗后一台水栗变频运行;如果无，则启动一台水栗变频运行，执行步骤Step3 ；
[0053]Step2.2.2.2.2.2、如果大于，则执行超压处理模块，超压处理模块的处理过程为:[°°54]检测有无变频水栗运行:
[0055]如果有，则判断哪一个水栗变频运行，把变频栗关掉，执行步骤Step3;
[0056]如果无，则按序判断哪台水栗最先开启的工频运行，关闭该水栗后启动该栗变频运行，执行步骤Step3 ；
[0057]Step3、故障检测:
[0058]Step3.1、如果系统发生故障，则执行故障处理模块，故障处理模块处理过程为:
[0059]首先判断是否水位不足或过满:如果不足或过满，则关闭整个系统，同时转入报警程序发出水位信号报警；
[0060]其次判断是否变频器2是否故障:如果是，则关闭自动变频恒压处理模块，并启动自动工频恒压处理模块，同时转入报警程序发出变频器故障报警；
[0061 ] Step3.2、如果系统没有发生故障检测，则，则循环执行步骤Stepl到Step3整个过程。
[0062]本实用新型的有益效果是:采用当今较先进的变频调速技术、PID控制方式及PLC控制技术来进行，以实现恒压供水，具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。解决了居民用水高峰期出现水压不足，低峰期水压过大的问题，实现恒压供水，使资源得到充分利用，达到节能环保的目的。采用现场总线控制系统(FCS)，开放式系统，互换性，统一组态，分散控制，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性，并解决了水厂日后相关工艺过程的技术改进，工艺处理部门各种现场受控设备的增加，以及现场设备实际距离的增加，必将大大增加整个系统的分散度的问题。将原有的人工控制的诸多设备接入系统，实现了自动控制，大大减少了人员的需求量。控制系统采用变频供水和工频供水两种供水方式，保证特殊情况的正常供水，最大限度保证居民的正常的生活用水。
【附图说明】
[0063]图1为本实用新型的变频式恒压自动控制系统构成原理图；
[0064]图2为本实用新型的供电系统电路图；
[0065]图3为本实用新型的接触器切换电路原理图；
[0066]图中各标号:1-PLC;2-变频器;3-液位传感器;4_模拟量输出模块;5_压力传感器；6-接触器;7-水栗、8-电机、9-手动控制模块、10-PR0FIBUS现场总线、I1-PC上位机监控系统。
【具体实施方式】
[0067]实施例1:如图1-3所示，一种变频式恒压自动供水控制系统，包括PLCl、变频器2、液位传感器3、模拟量输出模块4、压力传感器5、接触器切换电路6、水栗7、电机8、手动控制丰旲块9 ；
[0068]所述模拟量输出模块4、变频器2和手动控制模块9分别与PLCl相连接，液位传感器3检测的输出信号与模拟量输出模块4相连接，压力传感器5检测的输出信号分别与模拟量输出模块4和变频器2的PID模块相连接，PLCl和变频器2的PID模块分别连接到接触器切换电路6，接触器切换电路6与电机8相连接，电机8带动水栗7运转供水。
[0069]还包括PROFIBUS现场总线10及PC上位机监控系统11;其中，PC上位机监控系统11通过PROFIBUS现场总线1与PLCl相连接。
[0070]实施例2:如图1-3所示，一种变频式恒压自动供水控制系统，包括PLCl、变频器2、液位传感器3、模拟量输出模块4、压力传感器5、接触器切换电路6、水栗7、电机8、手动控制丰旲块9 ；
[0071 ]所述模拟量输出模块4、变频器2和手动控制模块9分别与PLCl相连接，液位传感器3检测的输出信号与模拟量输出模块4相连接，压力传感器5检测的输出信号分别与模拟量输出模块4和变频器2的PID模块相连接，PLCl和变频器2的PID模块分别连接到接触器切换电路6，接触器切换电路6与电机8相连接，电机8带动水栗7运转供水。
[0072]上面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
【主权项】
1.一种变频式恒压自动供水控制系统，其特征在于:包括PLC( I)、变频器(2)、液位传感器(3)、模拟量输出模块(4)、压力传感器(5)、接触器切换电路(6)、水栗(7)、电机(8)、手动控制模块(9); 所述模拟量输出模块(4 )、变频器(2 )和手动控制模块(9 )分别与PLC( I)相连接，液位传感器(3)检测的输出信号与模拟量输出模块(4)相连接，压力传感器(5)检测的输出信号分别与模拟量输出模块(4)和变频器(2)的PID模块相连接，PLC(I)和变频器(2)的PID模块分别连接到接触器切换电路(6)，接触器切换电路(6)与电机(8)相连接，电机(8)带动水栗(7)运转供水。2.根据权利要求1所述的变频式恒压自动供水控制系统，其特征在于:还包括PROFIBUS现场总线(10)及PC上位机监控系统(11);其中，PC上位机监控系统(11)通过PROFIBUS现场总线(10)与PLC(I)相连接。
【文档编号】E03B11/16GK205475474SQ201620037239
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月15日
【发明人】李文国, 杨其乐
【申请人】昆明理工大学