可編程控制器在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應用

1、可編程控制器在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應用The Application of Programmable Control in the Control Syste mof Constant 2pre ssure Water Supplying Syste m李國厚 趙明富 徐君鵬 (河南科技學院 , 新鄉(xiāng) 453003摘 要 介紹了基于 P LC 與變頻調速技術的供水泵組的控制系統(tǒng)設計 , 詳細地討論了系統(tǒng)的組成、 工作原理、 運行方式、 獨特的模擬 量處理方法和設計要點。 系統(tǒng)具有功能完善、 運行穩(wěn)定、 可靠性高、 節(jié)能效果顯著和性價比高等特點。關鍵詞 P LC 變頻器 傳感器 供水系統(tǒng)Abst

2、ract The design of control system for water supply pum ps is introduced. The system is based on technologies of P LC and inverter. The structure , w orking principle ,operation m ode ,unique processing method of analog signals and essentials of design of the system are in detail. The system features

3、 com prehensive functions ,steady operation ,high reliability ,prom inent energy 2saving and high cost 2K eyw ords P LC Inverter Sens or W ater supplying system0 引言防用水的重要任務。差距。 , 大部分的供水系統(tǒng)僅 有單級的常規(guī)控制 。隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展 , 對供 水系統(tǒng)提出了更高的要求 , 所以必需對現(xiàn)有供水系統(tǒng) 的控制和管理進行改造 , 向著高度自動化乃至無人化 供水系統(tǒng)的方向發(fā)展 , 以達到減員增效和提高管理水 平的目的 。

4、 同時要求供水系統(tǒng)有應對消防緊急用水的 控制功能 , 而消防用水的水壓與生活供水的壓力不同 , 應在出現(xiàn)火情用水滅火時能自動提高水壓。 因此開發(fā) 可靠性高、 控制性能好的恒壓供水系統(tǒng)具有很高的實 用價值。目前國內多數(shù)供水企業(yè)仍使用傳統(tǒng)的恒速泵組切 換加壓的供水方式 , 水壓不穩(wěn) , 而且浪費電能。 統(tǒng)計表 明 , 我國每年水泵消耗的電能約占電能總耗的 20%以 上 , 而電耗又占水費成本的 60%以上 , 所以優(yōu)化對水 泵的控制具有重要的意義。 本文所介紹的是采用可編 程控制器 (P LC 和變頻調速 (VVVF 實現(xiàn)恒壓供水的控 制系統(tǒng)設計 。 整個系統(tǒng)具有結構簡單緊湊、 水壓波動 小、 運

5、行平穩(wěn)可靠等特點 , 僅靠節(jié)約的電費就能很快收 回設備投資 。1 供水系統(tǒng)的功能與設計隨著異步電機變頻調速技術的不斷發(fā)展 , 恒壓供、 科研和民用等的各 , 極大地減輕了環(huán)境污穩(wěn)地進行調速 , 使得供水系統(tǒng)不僅能夠精確地保持設 定的水壓值 , 而且在啟停供水系統(tǒng)時沒有沖擊。與其 它方法相比 , 除了節(jié)能、 衛(wèi)生、 安全、 靜音、 調整方便、 維 修量小等特點外 , 還適于多系統(tǒng)集中控制 。供水系統(tǒng)的普遍特點是負荷 (用水量 波動較大 , 且隨機性很強 。 整個系統(tǒng)的設計既要考慮生產(chǎn)和生活 的供水要求 , 同時還要保障消防用水。系統(tǒng)在功能上 包括自動調節(jié)恒壓供水和應急消防供水兩部分 , 如圖 1

6、所示。圖 1 供水系統(tǒng)的結構示意圖1 . 1 恒壓供水系統(tǒng)的設計在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中 , 主要由 P LC 、 變頻調 速器、 軟啟動器、 壓力變送器、 水位傳感器和現(xiàn)場的水 泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng) 。 此外還包 括空氣開關 、 斷路器 、 接觸器和中間繼電器等系統(tǒng)保護 電器 , 實現(xiàn)對變頻器、 電機和 P LC 的有效保護 , 以及對 電機的切換控制 。 P LC 和變頻器作為系統(tǒng)控制的核 心 , 根據(jù)給水母管壓力與壓力設定值的偏差變化情況 , 自動控制給水泵的投入臺數(shù)和電機轉速 , 實現(xiàn)閉環(huán)自 動調節(jié)恒壓供水 。 其中控制參量的 PID 算法可消除控 83自動化儀表 第

7、26卷第 8期 2005年 8月PR OCESS AUTOMATION INSTRU MENTATION V ol. 26N o. 8August 2005制參量的靜態(tài)誤差、 突變、 滯后等現(xiàn)象 , 縮短系統(tǒng)穩(wěn)定 的時間?？刂葡到y(tǒng)設有手 /自動切換開關 。選擇手動方式 時 , 可分別通過現(xiàn)場控制柜的按鈕控制各臺泵的單獨 運行與停止 , 便于系統(tǒng)調試、 定期檢修和臨時供水。選 擇自動工作方式時 ,P LC 首先使第一臺給水泵變頻啟 動 , 轉速從 0開始隨頻率的提高而上升 , 此時安裝在給 水母管上的壓力變送器將母管壓力反饋給 P LC , 與預 先設定的給定壓力進行比較 , 通過 PID 運算

8、 , 調節(jié)變頻 器的輸出頻率 , 以維持水壓恒定 , 這種跟蹤調節(jié)是精確 而平滑的 , 稱為細調節(jié) 。如果該臺調速泵調到最大供 水量 (即對應于 50H z 的最高頻率 仍達不到壓力給定 值 , 則延時一段時間 (避免瞬時干擾信號 控制第一臺 泵進 入 工 頻 運 行 , 變 頻 器 頻 率 從 50H z 迅 速 下 降 到 0H z , 同時使第二臺泵變頻啟動 , 如水壓仍不能滿足要 求 , 則重復上述過程啟動第三臺泵。 如此反復 , 直到壓 力符合要求 ; 反之 , 如果變頻泵運行降到 0H z 時母管壓 力仍大于給定壓力值 , 則延時一段時間后關閉一臺工 頻水泵 , 使變頻器頻率從 0

9、H z 迅速上升到 50H z , 壓進行調節(jié) , ,稱為粗調節(jié) 。 這樣 , 根據(jù)先開先 停的原則 , 只要任意一臺泵連續(xù)運行超過規(guī)定時間 (如 24小時 , 便可通過程序控制自動實現(xiàn)停機輪休 , 以延 長泵組的使用壽命。由 P LC 控制變頻調速裝置 , 通過 測量給水母管的壓力 , 將其轉換成 420m A 的模擬量 信號 , 進而控制變頻器的輸出頻率 , 調節(jié)水泵電機轉 速 , 使其自動適應水量變化 , 穩(wěn)定供水壓力。 系統(tǒng)運行 中 , 總有一臺水泵處于變頻調速狀態(tài) , 而其它為工頻恒 速或停機等待狀態(tài) , 保持有一臺泵由變頻電源驅動 , 實 現(xiàn)水壓的細調節(jié) , 以保證調節(jié)時間不大于

10、10s , 水壓波 動不超過 0101MPa 。當控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而失靈時 , 可將變頻器切至手動操作方式 。有些變頻恒壓供水裝置在水壓高時直接切除一臺 工頻泵 , 再由變頻泵進行調節(jié)。這種切泵的方式顯然 存在供水水壓的劇烈變化。在實際設計中 , 將變頻器 以工頻運行方式轉換到正在以工頻運行的工頻泵上 , 再逐漸降低頻率 , 實現(xiàn)變頻恒壓供水的無沖擊切泵 , 使 水壓過渡平穩(wěn) , 防止出現(xiàn)水壓大幅度波動及水壓為 0的短時斷水現(xiàn)象 , 提高了供水質量 。在系統(tǒng)工作過程 中 , 由于切換時接觸器吸合和釋放存在著延時 , 水泵電 機在切換到電網(wǎng)時會產(chǎn)生較大的電流沖擊 , 設計中可適 當使切換頻率大于

11、 50H z , 就可以盡量減小沖擊電流。若無人值班時突然停電 , 在恢復供電后水泵無法 啟動而造成斷水 。設計中可設置為變頻自啟動方式 , 在電源恢復后 ,P LC 控制報警器報警 , 然后按自動運行 方式變頻啟動水泵 , 直到穩(wěn)定地運行在給定水壓值 。 為防止變頻器 50H z 驅動與市電 50H z 驅動時電機 輸出功率不同而造成反復加泵 /減泵現(xiàn)象 , 程序中加 泵 /減泵的切換點設置為不是剛好等于設定值 , 加泵時 壓力值為 “設定值 -” , 減泵時判斷點為 “設定值 +” 。 其中 根據(jù)水壓控制的精度要求而進行相應的 設置。在供水系統(tǒng)中 , 通常將壓力變送器的模擬輸出信 號送到

12、P LC 的 A/D 轉換模塊 , 再將轉換的數(shù)字量輸入 到 P LC 中進行處理 。由于 A/D 轉換模塊價格都比較 高 , 增加了系統(tǒng)的成本。在實際設計中采用以壓頻轉 換器 LM 331, 將壓力變送器輸 出的 010V入 ,PID 運 , LC 輸出 PW M 信號 , 再經(jīng)低通濾波 。 這樣既能實現(xiàn)相應的 檢測和控制功能 , 又省去了價格昂貴的 A/D 轉換模 塊 , 提高了整個系統(tǒng)的性價比 。1. 2 消防供水系統(tǒng)的設計消防供水系統(tǒng)的可靠性要求很高 , 無火險時 , 一臺 小泵就能維持消防供水管網(wǎng)的水壓 , 一旦出現(xiàn)火情可 手動投入消防運行。必要時也可設置火警自動檢測 、 報警與啟動

13、控制。 接到火警信號后 , 控制系統(tǒng)立即起 動消防水壓 (即第二恒壓設定值 控制 , 軟啟動器依次 啟動大功率消防泵 , 以滿足消防對供水的需要 。系統(tǒng)在工作時 , 由水位傳感器檢測水池的水位 。 如水池水位下降到下限 , 則 P LC 控制進水閥打開 , 開始 進水。 在水池水位上升到上限時 , 進水閥自動關閉 , 停 止進水 , 使蓄水池的水位保持在上限和下限之間 , 保證 供水的需要。2 系統(tǒng)的保護功能2. 1 水泵維護和輪換功能為了防止某一臺長期不運行的水泵銹死 , 系統(tǒng)自 動每周 (或每十天 , 具體時間可根據(jù)實際情況確定 依 次輪流啟動每一臺消防大泵作短時間 (如半小時 維護 運行

14、一次 。 同時控制系統(tǒng)定時巡檢每一臺泵的運行時 間 , 如果某一臺泵休息時間太長 , 則將該泵投入運行 , 而運行時間最長的泵進入休息狀態(tài) 。 系統(tǒng)盡量使每一 臺泵的運行時間接近 , 避免某一臺泵因運行時間過長 93可編程控制器在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應用 李國厚 , 等而易出現(xiàn)故障的現(xiàn)象 , 提高了整個系統(tǒng)的可靠性和運 行壽命。2. 2 故障檢測與報警功能該系統(tǒng)設有水位檢測與報警 , 變頻器故障檢測與 報警 , 超壓 (水壓 檢測與報警及故障處理功能。蓄水 池高、 低水位的檢測與報警是分別采用一只浮球液位 開關 , 當水池中水位高于高位報警設定值時或水池水 位低于低位報警設定值時 , 二者分別

15、給 P LC 發(fā)送開關 信號 ,P LC 接收到此信號后 , 發(fā)出報警信號 , 通知操作 人員處理。 超壓報警只是在特殊情況下 (如壓力傳感 器失靈等 出現(xiàn) , 當實測壓力大大超過設定水壓時 , 則P LC 發(fā)出報警信號 , 通知操作人員處理 。3 結束語整個供水控制系統(tǒng)以 P LC 和變頻器為核心進行設 計 , 借助于 P LC 強大而靈活的控制功能和變頻器優(yōu)良 的變頻調速性能 , 實現(xiàn)了恒壓供水的控制 , 并在發(fā)生火 災時能及時提供消防所需的水壓及供水 , 設計合理 , 功 能完善。 系統(tǒng)的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。 采用 P LC 進行 PID 調節(jié) , 壓力給定值 , 工況下運行 。

16、 , 的 5%范圍內 。 電機采用變頻器進行驅動 , 節(jié)能效果顯著 , 可 達 30%左右 。 當一臺或幾臺泵出力不夠或發(fā)生故障時 , 可以 自動啟動下一臺泵 , 保證了供水壓力的穩(wěn)定。 給水泵 (電機 啟動的過程中 , 電流隨著電壓頻 率的逐步上升而增加 , 避免了啟動時的沖擊電流 , 延長 了水泵和電機的使用壽命 。 保護功能完善 , 有過熱和過流、 電源欠壓和過壓、 短路、 瞬間斷電、 過載等保護功能 , 對啟動和運行過程中 出現(xiàn)的各種故障均能給出相應的狀態(tài)指示和報警信號。 系統(tǒng)有自動和手動兩種工作方式 , 便于調試和 檢修 , 并可在出現(xiàn)故障時切換到手動控制方式 , 保證連 續(xù)供水。

17、系統(tǒng)具有水泵維護和循環(huán)切換功能 , 可有效地 避免長時間不工作的水泵銹死以及各個泵工作時間長 短不一的情況。 采用壓頻轉換方法處理水壓對應的模擬量 , 避 免使用昂貴的 A/D 轉換模塊 , 降低了系統(tǒng)的成本 , 提 高了整個系統(tǒng)的性價比?？傊?, 由于采用 P LC 和變頻調速技術 , 系統(tǒng)功能完 善 , 運行穩(wěn)定 , 可靠性高 , 節(jié)能效果顯著 , 節(jié)約了維修材 料和費用 , , 降低了噪音 , 1 吳忠智 , . . ,20022. . 華南理工大學出版社 ,3汪道輝 . 邏輯與可編程控制系統(tǒng) . 機械工業(yè)出版社 ,20014 戴廣平 . 電動機變頻器與電力拖動 . 中國石化出版社 ,1

18、9995 陳躍東 , 李永明 . 用 P LC 和變頻調速實現(xiàn)恒壓與消防供水 . 安徽工程學院學報 2003,18(16 鄔菲 . 給水泵變頻控制系統(tǒng) . 自動化儀表 ,2004,25(4 7 黃立培 . 變頻器應用技術及電機調速 . 人民郵電出版社 ,19988 盧颯 , 潘嵐 . P LC 在變頻供水設備計算機輔助測試系統(tǒng)中的應用 .自動化儀表 ,2002,23(10 收稿日期 :2004-11-22。第一作者李國厚 , 男 ,1968年生 , 碩士 , 副教授 ; 主要從事計算機控制 與儀表等方面的研究與教學工作 , 發(fā)表論文近 40篇。艾默生為上海賽科 27億美元的一體化聯(lián)合裝置實現(xiàn)數(shù)字自動化本刊訊 2003年上海賽科石油化工有限公司 SECC O 投資 27億美元的 10套乙烯裂解一體化裝置選擇了艾默 生作為數(shù)字自動化方案的合作伙伴。 2005年 7月 27日 , 艾默生子公司艾默生過程管理宣布中國最大的一體化石 油聯(lián)合裝置之一的數(shù)字自動化項目已經(jīng)完成 。上海賽科石油化工有限公司是億諾化學 (原英國石油 與中國石化、 上海石化成立的合資企業(yè) 。賽科一體化 裝置位于上海化學工業(yè)園區(qū) , 該裝置已于 2004年 6月投入運行。 一體化裝置主要包括年產(chǎn) 90萬噸乙烯、 60萬噸 聚乙烯、 25萬噸聚丙烯 、 50萬噸苯乙烯 、 30萬噸聚苯乙烯 、 26萬噸