CN105756135B - 一种基于物联网的变频恒压供水智能控制系统 - Google Patents

一种基于物联网的变频恒压供水智能控制系统 Download PDF

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Abstract

一种基于物联网的变频恒压供水智能控制系统，物联网远程监控终端与远程网络通讯连接设备的GPRS调制解调器通过GPRS网络以及互联网通信连接；远程网络通讯连接设备的GPRS调制解调器通过RS232串口与PLC控制设备连接，SIM卡插在GPRS调制解调器的SIM插槽内。PLC控制设备的另一端分别外接变频器、液位传感器、压力变送器、电接点压力表、稳压罐、电动蝶阀。变频器由主电路供电，连接泵组并调节其转速。本发明采用基于物联网的远程控制技术，不受地域限制，能汇聚系统各单元安全信息，并对其进行统一监控，便于离线监控。采用变频调速加稳压系统的控制方式，实现对水泵机组的实时最优调速，使系统更节能、安全。

Description

一种基于物联网的变频恒压供水智能控制系统
技术领域
本发明属于恒压供水领域，涉及一种基于物联网的变频恒压供水智能控制系统。
背景技术
在水资源和电能短缺的背景下，长期以来在高层建筑供水技术方面自动化程度一直比较低，主要表现在造成能源浪费和设备损伤。在传统恒速泵加气压罐的供水方式中，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵使用工频启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频恒压供水系统可实现水泵电机无极调速，使供水压力与系统所需水压大致相等，节省能量，同时变频器对水泵采取软启动，启动冲击电流小，恒压供水系统运行稳定，调节范围大。
另外，对供水系统安全的监控多数只停留在现场阶段，各供水单元之间无法传达运行状况信息，无法及时的根据异地供水单元的故障来找到解决和防范的措施，提高安全性。就上述问题，我们有必要开发一套既能够对供水系统的运行进行平稳、可靠的控制，又能够集中地对多地供水单元的运行状态进行远程、实时、有效监控的控制系统。
发明内容
本发明目的是为了克服现有供水系统的不足，提供一种基于物联网的变频恒压供水智能控制系统，可实现对于高层建筑供水系统的恒压控制和对供水系统各单元的远程监控，实时反馈各单元的运行状况，及早获悉故障信息，确保居民用水水压和流量实时保持在最优范围内，不出现水压过高或过低及空抽等损坏设备的现象。使供水系统更加节电节水，安全可靠，可实时监控。
一种基于物联网的变频恒压供水智能控制系统，包括物联网远程监控终端1、远程网络通讯连接设备2、PLC控制设备3、变频器4、液位传感器5、压力变送器6、电接点压力表7、稳压罐8和电动蝶阀9；物联网远程监控终端1与远程网络通讯连接设备2的GPRS调制解调器通过GPRS网络以及互联网通信连接；远程网络通讯连接设备2的GPRS调制解调器通过RS232串口与PLC控制设备3连接，SIM卡插在GPRS调制解调器的SIM插槽内。PLC控制设备3的另一端分别外接变频器4、液位传感器5、压力变送器6、电接点压力表7、稳压罐8和电动蝶阀9。变频器4由主电路供电，连接泵组10并调节其转速。
一种基于物联网的变频恒压供水智能控制系统的控制方法，该变频恒压供水智能控制系统的控制部分分为下位机变频自动运行控制程序和上位机检测监控程序。下位机变频自动运行控制程序选择梯形图作为PLC编程语言，上位机检测监控程序是基于LabVIEW平台开发的。变频恒压供水系统能实现全自动运行、手动控制运行、远程监控。下位机变频恒压供水系统的控制程序分为主程序和中断子程序。主程序就是对整个变频恒压供水系统全自动工作的设计；子程序起着中断的作用，用于调节工作频率，使其稳定在设定值附近。
主程序模块在系统即将运行前进行初始化，对系统内各个部分的当前状态进行检测故障，若无故障，系统继续向下运行。若有故障，系统回到初始化步骤接着对各个参数进行处理。在初始化完成之后是对水箱液位的检测，直到满足要求后进行下一步。在开启水泵之前要检测运行时间，到达10S才可以开始进行供水，到达时间1号水泵开始变频运行供水，此时2号水泵是停止状态。从1号水泵运行开始，系统检测1号水泵运行时间，到达2h设定值后1号水泵停止，2号水泵依然为停止状态。此时检测换泵时间，到达10S后2号水泵开始进行工作，1号水泵则停止工作。2号水泵从工作开始到达2h的给定时间后，停止工作，此时1号水泵依然没有工作。系统检测换泵时间，到达10S后，1号水泵再次启动运行，2号水泵为停止状态。即整个系统的主运行流程。两台水泵互相交替运行，之间设有互锁，不能同时工作。
中断子程序是检测变频器的频率是否满足设定值。首先通过压力变送器检测压力，看是否达到设定值。若达到设定值，将检测值给变频器并减0.5Hz，判断此时频率是否小于频率下限，不小于直接给变送器，小于将频率设为0Hz给变频器；若未达到设定值，将检测值加0.5Hz，判断此时频率是否大于频率上限，不大于直接给变频器，大于将频率设为50Hz给变频器。
上位机检测监控程序实现与下位机的通信，即通过人机界面来设置相关参数并实时显示每个环节参数的变化是否正常，如供水超高压、出水压力、电机频率、电机运行时间这些重要的参数。此外监控画面还形象地呈现稳压罐的水量以及水泵叶轮的转动情况。
本发明的优点及效果是：(1)采用基于物联网的远程控制技术，不受地域限制，能汇聚系统各单元安全信息，并对其进行统一监控，减轻了工作人员的劳动强度，便于离线监控。(2)采用变频调速加稳压系统的控制方式，实现对水泵机组的实时最优调速，使系统更节能、安全。有效解决了传统恒速泵加气压罐控制方式精确度和稳定性差的问题。
附图说明
图1为本发明总体结构图。
图2为本发明的变频恒压供水控制系统结构图。
图3为本发明执行机构电路原理图。
图4为本发明控制机构电路原理图。
图5为本发明的PLC控制设备接线图。
图6为本发明的变频器接线图。
图7为本发明的主程序流程图。
图8为本发明的子程序流程图。
图9为上位机参数设置界面。
图10为上位机监控界面。
图中：1物联网远程监控终端；2远程网络通讯连接设备；3PLC控制设备；4变频器；5液位传感器；6压力变送器；7电接点压力表；8稳压罐；9电动蝶阀；10泵组。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
(1)通过管理员的账号和密码进入物联网远程监控终端的触摸屏人机界面，进入参数设置界面，设置好相关参数后，运行供水系统；
(2)设置GPRS调制解调器，使之处于数据发送状态，接收PLC控制设备经RS232串口传来的安全数据信息。
(3)这些数据经过通讯处理程序的解包后，筛选出有用的数据，再封装成包，在经过调制解调器上的TCP/IP协议栈发送到GPRS网络上去。
(4)连接在网络上的物联网远程监控终端就能够共享GPRS网络上的恒压供水系统安全数据信息，在监控终端上实时显示恒压供水系统运行状态监控画面。
(5)一旦有异样情况发生时，监控终端会通过互联网和GPRS网络及时发送查询和控制命令给GPRS调制解调器，然后再由调制解调器做出数据处理并通过RS232接口和通信线发送到PLC控制设备根据此命令对供水系统故障处进行排查并调整相关参数进行控制。
本发明变频恒压供水系统的主电路原理图分析：
图3中2台电机M1、M2，分别带动水泵1#、2#交替运行，每一台都能单独实现自动运行和手动运行，两台电机由一台变频器控制自动运行。接触器KM2、KM3别控制M1、M2的变频调速下的自动运行；接触器KM4、KM5分别控制M1、M2的工频手动运行；KH1、KH2分别为两台水泵电机过载保护用的热继电器；FU为主电路的熔断器。在系统通电之后，旋钮调到自动运行，接触器KM1闭合，变频器通电，此时KM4、KM5为断开状态，KM2得电导致接触器闭合，电机M1运行，此时系统工作在自动运行状态下。同理，若KM3得电导致接触器闭合，电机M2运行，此时系统也是工作在自动状态，KM2、KM3在控制电路中设置了互锁，绝不会同时运行。若系统在通电后，旋钮调到手动运行，KM1不得电，所以变频器不启动，KM2、KM3处于断开状态。通过旋钮能分别控制KM4、KM5的启动，两台水泵不会同时运行工作，此互锁装置在控制电路和PLC控制程序中实现。
本发明变频恒压供水系统的控制机构电路原理图分析：
图4中变频恒压供水系统自动状态的控制由PLC程序完成。将单刀双掷开关SA旋到自动运行模式，3、4点连接，自动运行指示灯HD点亮。继电器KM1得电，主电路和控制电路中的接触器KM1都得电闭合，此时若Q0.0输出为1，则K1闭合。水压低至电接点压力表下限P1闭合，继电器K4得电，接触器K4都闭合，此时继电器KM2得电，1号泵指示灯HL1点亮，电动机M1带动水泵1号工作，在变频器调节下开始给管网恒压供水。持续供水中若水压达到了电接点压力表的上限，P2闭合，继电器K5得电，断开串联在K4继电器上的常闭触点K5，导致继电器K4失电，因此KM2断电水泵停止工作，同时串联在继电器K5上的接触器K4断开，此时继电器K5断电，整个系统停止供水。由于用户继续用水水压会不断降低，当水压再度降至电接点压力表下限，P1闭合，整个循环过程又开始了。若Q0.1输出为1，K2闭合继电器KM3得电，就是2号泵运行，两泵的切换由PLC程序控制。所以这就是自动控制部分的原理。
手动控制通过人为操作控制柜上的按钮控制设备运行，该方式主要供设备调试、故障和检修时使用。先将单刀双掷开关SA旋至手动运行模式，可以通过开关分别对水泵1和水泵2进行控制起停。手动模式继电器K6得电，接触器K6闭合。若此时水压在电接点压力表下限，P1闭合继电器K4得电，接触器K4闭合，将旋钮SQ1打开，1号泵手动指示灯HD点亮，继电器KM4得电，主电路电机M1带动水泵1工作；如不打开旋钮SQ1而打开旋钮SQ2，2号泵手动指示灯HD点亮，继电器KM5得电，主电路电机M2带动水泵2工作。同理，水压上升至电接点压力表上限时，P2闭合继电器K5得电，断开串联在K4继电器上的常闭触点K5，导致继电器K4失电，串联在继电器K5上的接触器K4断开，此时继电器K5断电，整个系统停止供水。在主电路上安装了热继电器，防止手动操作时出现过载的情况，一旦出现意外主电路热继电器KH1/KH2断开，手动线路上KH1/KH2断开及时切断电源。
本发明PLC控制设备接线分析：
如图5所示的PLC接线图，其中I0.0接点为自动备妥功能，当系统被调为自动运行时，继电器KM1得电，接触器KM1闭合，此时进入系统备妥状态。I0.1接点为液位传感器开点，液位传感器有三个水位检测杆，一旦三个杆接触不到水，说明此时液位不够水池缺水，液位传感器开点闭合，PLC控制连锁停机。若不缺水状态，I0.1为断开，水泵可以正常运转。I0.5接变频器故障点，当变频器发生故障时接触器K3闭合，PLC控制连锁停机。Q0.0与Q0.1为PLC通过程序控制两台水泵交替运行的接点。压力变送器需要接到PLC中，产生4～20mA信号。L+接点接压力变送器的正极，送入24V正电压；压力变送器的负极输出接RA、A+接点，A-端供24V负电压，与M端相连。这样将压力变送器连接到了PLC中。M0与V0两个端子接变频器的GND/VS两个接点，将0～10V信号送入变频器，作为频率给定。电接点压力表有三个接点：压力表下限接点接145/P1；压力表上限接点接143/P2；压力表公共端接101/B。压力变送器有正极与负极，上面提到正极接L+端，负极接A+端。液位传感器有三个检测杆接入三个点E1、E2、E3。
本发明变频器接线及功能的设定：
如图6所示变频器R、S、T三个端子分别接入主电路LA、LB、LC380V电压供电。FWD端为电机的正转运行，当PLC给继电器K1供电，接触器K1吸合，输出正电压，使水泵正转。由于一个变频器带两个水泵，所以同理，无论是K1闭合还是K2闭合，变频器都输出正电压使水泵正转。继电器K3接变频器故障点，与PLC的I0.5端子相接，一旦变频器出现故障，TA会吸合，K3继电器得电，与之连接的PLC中K3接触器闭合，PLC控制连锁停机。VS/GND两端子输入模拟量，与EM235中M0/V0连接。PLC将0～10V信号送入变频器，变频器对应频率为0～50Hz，为线性对应关系。
本发明的系统将物联网技术与PLC工业自动化技术相结合，并具备远程通信能力，使得分散的供水单元能够统一受到监控。通过物联网远程监控终端实时监控恒压供水系统运行状态，提高供水系统生产作业效率和安全性；变频器和恒压系统对供水压力进行快速，实时，精确调节，实现恒压供水系统智能、高效、平稳、可靠地运行。

Claims (1)

1.一种基于物联网的变频恒压供水智能控制系统，其特征在于，该控制系统包括物联网远程监控终端（1）、远程网络通讯连接设备（2）、PLC控制设备（3）、变频器（4）、液位传感器（5）、压力变送器（6）、电接点压力表（7）、稳压罐（8）、电动蝶阀（9）；物联网远程监控终端（1）与远程网络通讯连接设备（2）的GPRS调制解调器通过GPRS网络以及互联网通信连接；远程网络通讯连接设备（2） 的GPRS调制解调器通过RS232串口与PLC控制设备（3） 的一端连接，SIM卡插在GPRS调制解调器的SIM插槽内；PLC控制设备（3）的另一端分别外接变频器（4）、液位传感器（5）、压力变送器（6）、电接点压力表（7）、稳压罐（8）和电动蝶阀（9）；变频器（4）由主电路供电，连接泵组（10）并调节其转速；
所述控制系统的控制方法，分为下位机变频自动运行控制程序和上位机检测监控程序；下位机变频自动运行控制程序选择梯形图作为PLC编程语言，上位机检测监控程序是基于LabVIEW平台开发的；下位机变频恒压供水系统的控制程序分为主程序和中断子程序；主程序就是对整个变频恒压供水系统全自动工作的设计；子程序起着中断的作用，用于调节工作频率，使其稳定在设定值附近；
主程序模块在系统即将运行前进行初始化，对系统内各个部分的当前状态
进行检测故障，若无故障，系统继续向下运行；若有故障，系统回到初始化步骤接着对各个参数进行处理；在初始化完成之后是对水箱液位的检测，直到满足要求后进行下一步；在开启水泵之前要检测运行时间，到达10S才可以开始进行供水，到达时间1号水泵开始变频运行供水，此时2号水泵是停止状态；从1号水泵运行开始，系统检测1号水泵运行时间，到达2h设定值后1号水泵停止，2号水泵依然为停止状态；此时检测换泵时间，到达10S 后2号水泵开始进行工作，1号水泵则停止工作，2号水泵从工作开始到达2h的给定时间后，停止工作，此时1号水泵依然没有工作；系统检测换泵时间，到达10S后，1号水泵再次启动运行，2号水泵为停止状态；即整个系统的主运行流程；两台水
泵互相交替运行，之间设有互锁，不能同时工作；
中断子程序是检测变频器的频率是否满足设定值；首先通过压力变送器检测压力，看是否达到设定值；若达到设定值，将检测值给变频器并减0.5Hz，判断此时频率是否小于频率下限，不小于直接给变送器，小于将频率设为0Hz给变频器；若未达到设定值，将检测值加0.5Hz，判断此时频率是否大于频率上限，不大于直接给变频器，大于将频率设为50Hz给变频器；
上位机检测监控程序实现与下位机的通信，即通过人机界面来设置相关参
数并实时显示每个环节参数的变化是否正常，如供水超高压、出水压力、电机频率、电机运行时间这些重要的参数；此外监控画面还形象地呈现稳压罐的水量以及水泵叶轮的转动情况。
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