PLC和變頻技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用

1、10期 總173期Oct.2007 No.10 Total No.173PLC和變頻技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用孫培利（浙江省諸暨市工業(yè)設(shè)備安裝公司，浙江褚暨 311800）摘 要:介紹了PLC和變頻技術(shù)在恒壓供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用。系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定。提高了恒壓供水系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，穩(wěn)定性好。關(guān)鍵詞:PLC；變頻技術(shù)；恒壓供水中圖分類號:TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號:1002-3607（2007）10-0033-031 引言在城市建筑逐步向高層化發(fā)展的今天，生活用水、消防用水等對供水配套裝置提出了更高的要求。由于公共自來水網(wǎng)水壓不足及網(wǎng)路壓降的

2、原因，往往會(huì)使得用戶端水壓過低而達(dá)不到要求。一般來說解決辦法有：增加供水泵站的壓力或采用末端增壓技術(shù)。前者涉及面太大，后者比較可行，常用的手段有儲(chǔ)氣罐式增壓供水、變頻調(diào)速恒壓供水等。儲(chǔ)氣罐式供水設(shè)備一次投資較低，但存在著壓力不穩(wěn)、氣包需定期充氣、壓力容器易產(chǎn)生危險(xiǎn)等缺點(diǎn)，目前已逐漸被變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備取代。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備采用國際上成熟的變頻調(diào)速技術(shù)，具有水壓穩(wěn)定、維護(hù)方便、運(yùn)行費(fèi)用低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。近年來，局域性恒壓供水系統(tǒng)已成為許多居民住宅小區(qū)及工業(yè)生產(chǎn)基地的首要選擇。相比較于大規(guī)模的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水系統(tǒng)，這種供水系統(tǒng)有它自身的特點(diǎn)：供水量在短時(shí)間內(nèi)(一天時(shí)間內(nèi))變化很大，這種變化在幾個(gè)

3、小時(shí)內(nèi)甚至是幾倍或上十倍。對供水壓力的要求比較嚴(yán)格，供水的壓力隨供水流量的變化而變化，甚至少量的水消耗量都需要一定的供水管道壓力。一般情況下，供水系統(tǒng)的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通過供水水泵的輸出來提供的。上述特點(diǎn)都是在恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)該加以考慮的。動(dòng)力控制線路以及四臺(tái)水泵等組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。設(shè)定值偏差頻率轉(zhuǎn)速實(shí)際壓力PIDVVVF水泵管網(wǎng)壓力傳感器圖1 工作原理圖系統(tǒng)采用四臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行方式，通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一

4、調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上；當(dāng)用水量超過一臺(tái)泵的供水量時(shí)，通過PLC控制器加泵。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。所有水泵電機(jī)從停止到啟動(dòng)及從啟動(dòng)到停止都由變頻器來控制，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)大電流給水泵電機(jī)帶來沖擊，相對延長了電機(jī)的使用壽命。同時(shí)，系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關(guān)”的順序關(guān)泵，工作泵與備用泵不固定死，這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運(yùn)行時(shí)間

5、，有效地防止因?yàn)閭溆帽瞄L期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率，降低了維護(hù)費(fèi)用。2 系統(tǒng)組成及工作原理變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖1所示，它主要是由PLC、變頻器、PID調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、液位傳感器、3310PLC和變頻技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用10第期3 系統(tǒng)硬件選擇3.1 可編程控制器選擇可編程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主機(jī)，I/O點(diǎn)數(shù)為40點(diǎn)(24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn))，具有兩個(gè)RS-485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。模擬量輸入采用4路12位A/D模擬量輸入的EM231模塊，具有較高的精度。PLC編程采用STEP7

6、-Micro/WIN編程軟件，它提供一個(gè)完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實(shí)現(xiàn)梯形圖與語句表的互相轉(zhuǎn)換。主要檢測元件有光電開關(guān)、壓力檢測開關(guān)，共計(jì)12個(gè)輸入信號。執(zhí)行部件有電機(jī)、變頻調(diào)速器、聲光報(bào)警器等，共三個(gè)輸出點(diǎn)。PLC主要完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、報(bào)警、控制變頻器完成壓力調(diào)節(jié)等功能。四臺(tái)水泵由變頻器直接驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行恒壓控制，變頻器的起動(dòng)、停止分為手動(dòng)和PLC控制?？刂泼姘迳显O(shè)有一個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，PLC對該開關(guān)的狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)選擇手動(dòng)功能時(shí)，PLC只進(jìn)行檢測報(bào)警，由人工通過面板上的按鈕和開關(guān)進(jìn)行水泵的起、停和切換。當(dāng)選擇自動(dòng)功能時(shí)，所有控制、報(bào)警均由PLC完成

7、（見圖2）。壓力信號消P出防信P4#泵水號L交管市C流3#泵網(wǎng)政供消接水防變觸2#泵管信頻器網(wǎng)號器1#泵蓄水池圖2 控制系統(tǒng)原理圖3.2 變頻器選擇變頻器選用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列風(fēng)機(jī)/泵類專用變頻器，它們具有RS-485通訊接口，性價(jià)比較高。PLC通過自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運(yùn)行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和過壓、過流、過負(fù)荷等全部報(bào)警信息等參數(shù)，并通過觸摸屏顯示出來，這比通過外部端口控制變頻器的運(yùn)行具有較高的可靠性，節(jié)省了PLC寶貴的I/O端口，又獲的了大量變頻器的信息。3.3 控制電路設(shè)計(jì)在控制電路設(shè)計(jì)中，注意到系統(tǒng)

8、自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換、34No.每臺(tái)水泵的變頻接觸器和工頻接觸器、各水泵的變頻接觸器在電氣上的連鎖，防止系統(tǒng)中出現(xiàn)一臺(tái)水泵工頻和變頻電源同時(shí)接通或多臺(tái)水泵同時(shí)接通變頻電源的現(xiàn)象（見圖3）。圖3 控制電路設(shè)計(jì)圖4 系統(tǒng)應(yīng)用4.1 系統(tǒng)流程為方便調(diào)試和編程，系統(tǒng)控制器采用模塊化編程，主要由手動(dòng)運(yùn)行模塊、自動(dòng)運(yùn)行模塊和故障診斷與報(bào)警模塊組成。當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，按下按鈕啟動(dòng)或停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#-4#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時(shí)用。自動(dòng)運(yùn)行模塊包括系統(tǒng)的初始化、開機(jī)命令的檢測、數(shù)據(jù)采集子程序、控制量運(yùn)算子程序、置初值子程序、電機(jī)控制子程序等（見圖4）。信號數(shù)據(jù)采集子程PID運(yùn)算子

9、程序置初值N置初值子程序電機(jī)控制子程序圖4 模塊流程圖其中：數(shù)據(jù)采集子程序完成對主水管壓力的數(shù)據(jù)采集?？刂屏窟\(yùn)算子程序完成變頻器控制量的計(jì)算和控制量的輸出，控制量的計(jì)算按PID控制規(guī)律進(jìn)行。4.2 系統(tǒng)操作合上自動(dòng)開關(guān)后，1#泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻10PLC和變頻技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用10第期率從0Hz上升，同時(shí)PID調(diào)節(jié)器接收到自壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50Hz，1#泵由變頻切換為工頻，啟2#變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，從先啟的泵開始減，同時(shí)根據(jù)PID調(diào)節(jié)器給的調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)

10、行（見圖5）。S0初始狀態(tài)啟動(dòng)S1M1S50HzS2M1，M2S50HzS3M1，M2，M3用水量減少S4M2，M3用水量減少S5M3f50Hz圖5 程序功能圖若有電源瞬時(shí)停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī)；待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，然后按自動(dòng)運(yùn)行方式啟動(dòng)1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)在自動(dòng)供水的過程中，PLC實(shí)時(shí)檢測水池水位，若水位低于設(shè)定的報(bào)警水位時(shí)，蜂鳴器發(fā)出缺水報(bào)警信號；若水位低于設(shè)定的停機(jī)水位時(shí)，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并發(fā)出停機(jī)報(bào)警信號；若水池水位高于設(shè)定的水池上限水位時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷水池給水管電動(dòng)閥門。變頻自動(dòng)功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動(dòng)完成對多臺(tái)泵軟起動(dòng)、

11、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。5 抗干擾措施與供水效果5.1 抗干擾措施變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)一般需要在無人值守的情況下工作，因此，系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器、主控制器、接觸器等安裝在同一電氣柜中，電網(wǎng)中存在著大功率的電動(dòng)機(jī)電感性負(fù)載，為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，在主控制器的選用中應(yīng)采取如No.下措施：主控制器的供電電源裕量要大；采用專用的看門狗電路，保證在控制器程序運(yùn)行異常情況下，可靠復(fù)位主控制器。主控制器外殼、電源保護(hù)地、變頻器保護(hù)地與電氣柜外殼相連，并可靠地連接大地。采用軟件濾波手段處理開關(guān)量及模擬量輸入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。5.2 采用PLC和變頻技術(shù)后的供水效果與

12、傳統(tǒng)供水技術(shù)相比，變頻調(diào)速技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)。節(jié)電，這是變頻恒壓供水系統(tǒng)最顯著的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)能量通常在10%40%；衛(wèi)生節(jié)水，根據(jù)實(shí)際用水情況設(shè)定管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制水泵出水系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)供水后，取消了水塔、水池、氣壓罐等設(shè)施，避免了用水的“二次污染”；運(yùn)行可靠，變頻恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時(shí)候的用水壓力由變頻器來實(shí)現(xiàn)泵的軟起動(dòng)，使水泵實(shí)現(xiàn)由工頻到變頻的無沖擊切換，防止管道破裂；控制靈活，可分段、定時(shí)供水；自我保護(hù)功能完善；延長設(shè)備壽命，保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定；占地少，投資回收期短，一般約為兩年。6 結(jié)語變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。采用PLC作為控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)在工業(yè)和生活中有很廣闊的應(yīng)用前景，除了具有明顯的節(jié)能效果外，還具有操作方便、容易、維護(hù)量小的特點(diǎn)，變頻器的軟啟動(dòng)功能也減少了對電網(wǎng)的沖擊，使設(shè)備運(yùn)行方式更趨于合理，設(shè)備的自動(dòng)化水平得到提高。對老系統(tǒng)的改造可以利用原供水管路，改造費(fèi)用低。總之，