冷却塔水位自动控制系统设计

文:杜浩林 青岛数控技术研究院2018年第六期

    摘要:为满足及时、准确、安全保证充足供水,若沿用人工方式,劳动强度大,工作效率低,安全性难以保障,因此对水塔水位控制自动化系统进行改造。采用分立元件电路实现了水塔水位的自动控制,设计出一种低成本、高实用价值的水塔水位控制器。该系统具有水源检测、等功能。采用独立的电路实现超高、低水位水位处理,自动控制电机电路。它能自动完成上水停水的全部工作循环,保证液面高度始终处于较理想的范围内。改造后的水塔水位自控系统,实现水塔水位自动控制,远程监控,实现无人值守。

    关键词:冷却水塔,自动控制,水塔水位

引言

    水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制原理,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求,从而提高了供水系统的质量。近几十年来,自动控制技术迅猛发展,在工农业生产,交通运输,国防建设和航空,航天事业等领域中获得广泛的应用。随着生产和科学技术的发展,自动控制技术至今已渗透到各种科学领域,成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素。比如在生活方面的温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯、空气调节器、电冰箱、自动路灯、自动门、保安系统等。在工业方面主要分为两大类:一类是气体、液体、粉体、石油化工制药、轻工食品、建材等行业。需要对温度、压力、物位、流量、成分等参数进行控制。另一类是对已成型材料的进一步加工或者对多种已成型材料的装配,主要控制位移、速度、角度等参数这些都需要应用自动控制学科的知识。控制理论一般分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。

    水行业是推动水科技产业化的龙头。给水行业是城市基础设施投资的主要方向之一,在体制上,供水企业体制的变革已成为市场化发展的必然;在技术上,供水行业则面临着关键给水装备国产化、工艺技术成套设备化、自动控制现代化的迫切的技术要求。优质供水是水工业市场化发展的新增长点,同时要倡导节约用水,提高水的重复利用率,并逐步建立完善的水工业学科体系。完善的水工业学科体系是水工业产业发展的必要保证,传统的给水排水工程学科体系已难以包还水工业的丰富内涵,已不能很好地适应水工业发展的需要,而水工业学科体系正是在给水排水工程学科组成,包括:水质与水处理技术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会科学、水工业设备制造技术等,它们共同支撑着水工业的工业体系,而在这些学科中水质与水处理技术和水工业工程技术是水工业学科体系中的主导学科。

    现代控制理论的产生,随着科学技术的突飞猛进,特别是空间技术和各类高速飞行器的发展,使各受控对象要求高速度、高精度,而系统的结构更加复杂,要求控制理论解决动态耦合的多输入多输出、非线形以及时变系统的设计问题。此外,对控制性能的要求也在逐步提高,很多情况下要求系统的某种性能是最优的,而且对环境的变化要有一定适应能力等。这些新的要求用经典理论是无法解决的,这同时也为现代控制理论的形成创造了条件。具有结构简单,使用寿命长,可靠性高,操作维修方便,经济实用的优点是用于各种高层液体储存的理想设备。

1  水位自动控制系统概述

    水塔水位控制系统采用交流电压检测水位,水位低于下限B点水位时,水泵抽水,水位达到最高水位线A时,水泵停止抽水,水位降低到最低水位线B以下时,恢复运行抽水。从而实现自动控制。

    该系统采用分立元件电路实现了水塔水位的自动控制,设计出一种低成本、高实用价值的水塔水位控制器。采用分立的电路实现超高、低水位处理,自动控制电机电路。依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求,从而提高了供水系统的质量。

图1冷却水塔供水系统结构图

    水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制原理,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求,从而提高了供水系统的质量。而且成本低,安装方便,经过多次实验证明,灵敏性好,是节约水源,方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。水塔水位控制系统采用交流电压检测水位,当水位低于下限水位时,水泵抽水,水位达到上限水位时,水泵停止抽水,水位降低到下限水位时,恢复运行抽水。从而实现自动控制。

    该系统采用分立元件电路实现了水塔水位的自动控制,设计出一种低成本、高实用价值的水塔水位控制器。采用分立的电路实现超高、低水位处理,自动控制电机电路。

    它能自动完成上水停水的全部工作循环,保证液面高度始终处于较理想的范围内,它结构简单,制造成本低,灵敏度高,节约能源显著,是用于各种高层液体储存的理想设备。

    通过指示灯模拟上水水泵,结合钮子开关模拟水位监测信号,模拟了水塔自动上水控制,当水池水位低于水池低位界面(s1为ON)时,电磁阀Y打开进水(Y为ON),定时器开始定时,4S后,如果S1还不为OFF,那么阀Y指示灯闪烁,表示阀Y没有进水,出现故障,S3为ON后,阀Y关闭(Y为OFF)。当S1为OFF,且水塔水位低于水塔低位水位界时,S3为ON,水泵M运转抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时水泵M停止。如表1-1为水塔水位模拟控制接线列表

表1-1水塔水位模拟控制接线列表

 

2  水塔水位PID控制系统的工作原理

    传统的水塔水位控制方式具有占地面积大、投资高、水泵电机频繁起动、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、水漏失严重等缺点;不仅生活用水容易受到二次污染,而且水泵电机的频繁起动使设备故障率高,检修、维护也存在困难。因此如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水,已是迫在眉睫。

    该系统采用PLC实现了水塔水位的自动控制,设计出一种低成本、高实用价值的水塔水位控制器。系统具有水源检测等功能。采用独立的电路实现水位检测处理,自动控制电机电路。它能自动完成上水、停水的全部工作循环过程,保证水面高度始终处于较理想的范围内,它结构简单,制造成本低,灵敏度高,节约能源显著,是适用于各种场合的理想设备。

    为了精确地实现对水位的控制,必须建立自动控制系统。根据水塔中的进、出水的水位可以自动控制水泵的运行与停止,使水位处于动态的平衡状态。控制系统主要分为水位的模拟检测和执行两部分组成。

    在传统的水塔、水箱供水的基础上,加入了PLC及液压变送器等器件.利用PLC和组态软件来实现水塔水位的控制.提供了一种实用的水塔水位控制方案。在系统中,只使用比例和积分控制,其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定,但还需要进一步调整达到最优控制效果。系统启动时,关闭出水口,用于动控制输入控制液体阀,使水位达到满水位的75%,然后打开出水口,同时输入控制液体阀从手动方式切换到自动方式。这种切换由一个输入的数字量控制。

    “水塔水位自动控制系统”的控制对象为水泵,容器为水塔或储液罐。将容器从下至上依次分为四等高度B,C,D,E。水位高度正常情况下控制在C、D之间。当水位在低于C点时,水泵开始进水。当水位高于D点时,水泵停止进水。当水位低于C点并到达B点时就报警,采取手动启动水泵。当水位超过D点并到达E点时上限报警,采取强制停止水泵,水位从溢流口流出。

①当水位处于B点之下,指示灯B、C、D、E全亮,报警电路开始报警,即下限报警。

②当水位处于B、C之间,指示灯B灭,C、D、E亮,水泵开始进水。

③当水位处于C、D之间,指示灯B、C灭,C、D亮,保持状态,即保持进水。

④当水位处于D、E之间,指示灯B、C、D灭,E亮,停进状态,即水泵不工作。

⑤当水位处于E点之上,指示灯B、C、D、E全灭,水泵不工作,报警电路开始溢出报警,即上限报警。

⑥报警电路可以手动关闭,只要按下报警确认开关,就可以解除报警的蜂鸣声。此时,报警确认灯亮起。处理完故障时,必须关闭报警确认灯,报警确认电路复位,恢复其监测故障的功能。

3  水位闭环控制系统

图1供水系统控制原理图

M1、M2—水泵Y0-Y3—液位开关F1—手阀F2—电磁阀

    为了精确的实现对水位的控制,必须建立闭环控制系统。根据水塔中的进、出水的水位可以自动控制水泵,使水位处于动态的平衡状态。

    供水系统的基本原理如图3-5所示,水位闭环调节原理是:通过在水塔中的三个液压变送器,将水位值变换为4~20mA电流信号进入PLC,把该信号和PLC中的设定值的程序进行比较,并执行较后程序,通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。当PLC出现故障时,还有一套手动控制来进行对水塔水位控制。手动控制采用交流接触器。

    上水箱液位低于Y3时,M1、M2同时工作,F2打开。液位上升至Y2时,M2停止,F2关闭,M1继续工作。液位上升至Y1时,M1也停止。打开F1手阀使上水箱放水,液位下降。当液位又低于Y1时M1起动工作,如F1开度较大下水量大于上水量,使液位继续下降至Y2时,M2启动工作同时F2打开,使上水量大幅上升,保持液位。Y0为下水箱缺水报警开关下水箱液位低于Y0时意味着水泵进水口缺水,此时应自动切断电源并报警。

4  结论

    本文研究设计的水塔水位控制系统采用可编程控制器、变频器依据用水量的变化通过压力变送器来实现变频驱动水泵电机无级调速,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求,从而达到恒压供水的目的,设计出一种低成本、高实用价值的水塔水位控制器。采用分立的电路实现超高、低水位处理,自动控制电机电路。它能自动完成上水停水的全部工作循环,保证液面高度始终处于较理想的范围内,它结构简单,制造成本低,灵敏度高,节约能源显著,是用于各种高层液体储存的理想设备。

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