自动供水系统的设计与应用外文翻译资料

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自动供水系统的设计与应用

李苏林，刘俊英

山东理工大学电气工程学院淄博，山东省，中国255049

Lsl608@163.com

摘要：本文介绍了由西门子S7-300 PLC，Win CC和ABB变频器组成的小型二次压力水厂自动恒压闭环给水监控系统。然后介绍了系统特性的原理和结构。使得供水系统的稳定性和可靠性得到提高，并降低系统中的超谐波振荡并减少工人的劳动强度。相比于传统的供水系统，此供水系统实现了节能减排的目，为整个生产管理信息系统提供了必要的支持条件。

关键词：PLC；Win CC；变频器；二次压力

1 绪论

目前，我国距离过滤源不远的大部分城镇都是通过水厂二次加压供水，然后将水供应给当地用户使用的站点。并且这些水厂应确保工厂管网区域的输水压力保持在设定数值范围内。而这些水厂建于上世纪六，七十年代，技术过时，设备老旧，电能浪费大。同时，由于自来水质量的变化引发的水资源浪费的现象以及大型项目利润引起的许多人才的大材小用，机泵实际总效率非常低。另一方面，这些水厂有5-7台泵电机，容量在160KW〜75KW之间，起动和停止通常由手动控制，必须在启动之前用泵电机抽出真空泵，而且泵电机必须组合到出口阀门。在停止过程中，为了避免由于泵电机的管道水锤效应造成泵电机破坏，还必须进行复杂的停机操作。另外，所有水厂的运行参数，如水池水位，输出管道压力等都必须通过人工观察，所以系统的自动化程度非常低。因此，提高旧机组利用效率迫切需求技术改造，来实现节约用水能源，提高自动化水平。

全自动恒压闭环供水监控系统采用德国西门子公司生产的S7-300 PLC和SCADA（监控和数据采集），即Win CC，并连接ABB变频器。该系统利用变频调速技术的独特优异控制性能，消除了“大房拉小车”现象，具有SCADA软件的优点，如设置项目丰富，功能强大， 操作方便，界面友好， 善于与PLC沟通。 恒压供水系统不仅效果好，而且节能，减少人力投入。

2 控制系统构成

本文研究系统的控制对象是城市工业供水系统。根据实际情况，选用六台泵，两台主泵（110KW），四台辅助泵（两台90KW，两台75KW）。变频器只能控制两台主泵之一，当泵故障时，可以实现主泵切换。不使用变频器的泵 控制方式均采用Y-Delta;启动。 在白天，用水消耗大，两台主泵加上两台辅助水泵供水，晚上基本上只有两个主泵供水。由于早上和晚上的压力差较大，所以必须使用变频器。控制系统硬件图如图1所示，中心控制器采用德国西门子公司PLC 313C-2DP（256I / 256O），可满足系统切换量的要求。该系统使用两个压力传感器，范围为0至1.0 MPa，以测量水网的出口压力，压力变送器将检测到的压力信号转换为4〜20m A电流信号输入到PLC模拟量I / O模板SM334（ AI4 / AO2），通过PLC的PID运算，模拟输出端口的4〜20m A电流输出输出到变频器的给定接口，通过改变泵电机的运行频率来调节管网压力。该系统采用ABB公司提供的ACS 510系列110KW变频器，正确设置变频器的相关参数，如变频器的工作模式，加减速模式，变频器通讯板的最低频率。上位机的数据采集和监控系统采用西门子公司的Win CC。通信处理卡（CP5611）嵌入主机，并与MPI端口进行通信。

图1 控制系统硬件图

3 恒压供水控制系统理论分析

在供水系统中，本质是通过改变水中阻力的大小来改变水流大小。因此，网管阻力将随阀门开度的改变而变化，但水泵的升降特性保持不变。由于实际情况，需水量正在发生变化，如果阀门开口在一段时间内保持不变，则不可避免地会导致超压或欠压现象。而转速控制法是通过改变泵电机转速来调节流量，但阀门开度保持不变，通过改变水动能来改变流动。 因此，水泵的升降特性由水泵的转速变化而变化，但管阻性能保持不变。

根据泵速变化运行的相似规律，流量，泵升程，功率和转速之间的关系速度变化：

（1）

（2）

（3）

在这些公式中，Q1，H1，P1分别代表变速前的流量，泵升程和功率，Q2，H2，P2分别代表变速后的流量，泵升程和功率。 我们可以从公式（1）～（3）中看出，流量与转速成正比，泵升程与转速的平方成正比，功率与转速立方成正比。如果使用阀门控制方法，电机转速恒定，电机功耗会变小；在使用调节速度控制方法时，转速降低，功率也相应减小。 因此，通过调速控制方式，供水功率远远小于阀门控制方式，节能效果更好。

变频供水的方案属于调速控制。其工作原理是根据用水量大小调整泵的转速来改变水的流量，同时泵升降特性也改变。为确保工厂管网区域的输水压力保持不变，加压水厂采用恒压供水系统，确保供水质量。系统根据用水者的用水量变化自动调整泵电机的转速，保持管网压力始终保持恒定。水耗增加时电机加速，水耗减少时电机减速。

根据用水情况，系统将变频器工作频率的上限设定为泵的基本频率，下限设定为20Hz，也就是频率变化控制在在20Hz〜50Hz的。在此范围内，泵的运行频率与定子的相电压成正比，也与变频器的输入频率成比例。输入到PLC的管网压力信号（4〜20m A）与用户在PLC中设定的压力值进行比较，通过PLC内部的PID算法将得到的结果转换为频率调整信号，调整泵电机的功率频率，从而控制泵转速。

4 PLC程序设计及仿真

PLC控制程序采用由西门子公司提供的STEP-7 SIMATIC Manager 5.3软件。首先，将系统进行硬件配置，增加PLC的I/O模块。在该系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号、管网压力信号以及水位信号的输入，确定当前系统状态是否正常，然后执行程序，控制接触器、继电器和变频器通过输出点完成相应的控制任务。整个PLC的工作过程如图2所示。

图2 PLC主程序流程图

4.1 系统运行编程

当系统开始工作时，需要对整个系统进行初始化。在开始启动时，系统要求OB100组织块检测系统所有部件的当前工作状态，如果有任何错误，则会发出报警。然后将数据表初始化为时间压力表，模拟（管网压力，液位等）处理结果的数据表，给出确定的初始值。

系统采用手动和自动操作模式，手动模式仅用于系统故障和调试的情况。此时主机只用于监控但不能控制，并且系统不调用水压处理子程序。当系统处于自动运行模式，则会调用水压处理子程序，如图3所示。水压原值设为，管网实际值为。当满足或并保持50秒，系统调用减泵或加泵的处理子程序。这里是用于避免辅助水泵频繁打开或关闭的压力余量。当满足时，PLC内部模糊PID算法开始工作，根据管网的压力改变变频器的频率，转换器频率为50Hz 60s后，水泵由电源频率驱动转换为变频器驱动。

图3 水压处理子程序流程图

4.2 PID参数设定

正确设动PID调节子程序的所有参数才能有效的实现恒压供水。PID控制系统是负反馈控制系统，由PID控制器和受控对象组成。一般具有闭环反馈控制系统结构的系统比反馈控制系统更加稳定。将实际值与压力设定值进行比较后，送入到PLC中，通过内部PID运算获得控制值，输出4〜20m A的信号，信号是变频器所需的控制信号。泵电机的转速可以改变管道的压力。PID模块是PLC程序的调用块，调用FB41块的系统只需要设置参数，而不是自己编写PID程序。

4.3 系统仿真

泵在初始状态下供水，分为零压力过程和压力上升过程。零压力的过程是纯粹的延时过程。泵将水从池中泵送到管道，在此过程中压力基本保持为零。当水逐渐充满了整个管道，压力逐渐增加一个稳定值称为此系统的压力上升过程。其他检测部分和控制链路可以看到比例链路，包括发射机，变频器，继电器控制转换等。该系统由一阶惯性链路组成，一个比例链接和一个纯粹的延时链接，因此该系统的数学模型具有如下形式：

（4）

是系统的总增益;系统的恒定惯性时间为，单位为;是系统的延迟时间，单位为。检测系统模型的参数可以应用阶跃响应曲线法。该方法适合和调整多次测量的数据;那么你可以得到=1.25，=120s，=8s。

图4 PID仿真图

在Matlab中建立的PID系统的仿真结构如图4所示。PID参数的理想值可以通过诸多测试和修改参数获得。这些值使的响应速度非常快且超调非常小。Matlab控制压力的模拟结果如图5所示。

图5 供水系统仿真曲线

4 工业控制配置软件Win CC的设计

集成人机界面（HMI）系统和监控管理系统都是由由工业控制配置软件Win CC构成。 Win CC是全称为Windows Control Center的缩写。Win CC集成了一系列先进技术，包括监控和数据采集、配置、脚本语言和OPC等。并且Win CC还提供了一些功能模块，如图形显示、文件信息和语句。

首先，要设置Win CC和S7-300之间的通信链路；其次建立变体标签，并设置标签的名称，数据类型和每个变体的地址；最后建立图像过程。使用Win CC的图形编辑器可以绘制许多元素和图形。系统图片由关键框架、参数设置、实时曲线、统计、历史记录和故障报警、查询等组成。上位机可以显示每个泵电机的参数，如电流、温度 、水平、压力、运行或停止的条件、运行时间。PC也独立自动修改当前在线时间。计算机显示器的主界面如图6所示。

图6 电脑显示器出界面图

当Win CC和PLC通讯后，PLC中的事件将可视化并且运行。系统在实际操作中为不同操作者设置不同的操作密码和相应的操作权限，以防止不正确的操作损坏系统。

5 总结

基于西门子PLC和Win CC的变频恒压闭环供水系统可以改变水泵的转速，根据实际需要情况下的水压的变化来调节水量，实现恒压供水。该系统具很多优点，例如节约能源、结构简单、运行可靠、方便调整、自动化程度高、保护范围广、供水质量高等。水泵由变频器进行软启动，利用变频器可实现水泵间的平滑切换，减少冲击电流，延长泵机组的使用寿命，并且节约能源，使系统处于可靠运行状态。并且变频器的应用前景也将更加开朗。

参考文献

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致 谢

作者衷心感谢山东科技大学科研基金的财务支持。

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