潘文輝

(廣東省粵東商貿(mào)技工學(xué)校,廣東 梅州 514031)

PLC及變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

潘文輝

(廣東省粵東商貿(mào)技工學(xué)校,廣東 梅州 514031)

可編程控制器(PLC)和變頻器在工業(yè)現(xiàn)場控制領(lǐng)域中起著非常重要的作用,PLC及變頻器在供水行業(yè)應(yīng)用逐步增多.在供水行業(yè)中用得最多的就是變頻恒壓供水系統(tǒng),它最大的優(yōu)點就是可以使供水管網(wǎng)保持在恒壓的狀態(tài).特別是變頻器的應(yīng)用,完善的網(wǎng)絡(luò)通信功能,為電機(jī)的同步運行提供了必要的支持,遠(yuǎn)距離集中控制和在線監(jiān)控等提供了必要的支持.介紹了利用PLC及變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用,解決了電機(jī)沖擊、水錘作用,避免了臨界點造成的電機(jī)的頻繁啟動,系統(tǒng)的優(yōu)點還在于可以根據(jù)運行負(fù)荷的變化來自動調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)水泵的數(shù)量和轉(zhuǎn)速,始終可以使整個系統(tǒng)達(dá)到高效節(jié)能的最佳狀態(tài).

變頻器;PLC;供水系統(tǒng);電機(jī)

傳統(tǒng)的水塔供水缺點是很多的,水塔數(shù)量少、水箱容積普遍不大,會造成水在蓄滿后泵會停止運行的現(xiàn)象.在水位下降后,泵有可能重新起動,電動機(jī)就會頻繁起停,帶來的后果就是泵的使用壽命大大縮短,運行噪聲較大也會造成電能損耗嚴(yán)重,維護(hù)設(shè)備運行的成本比較高;水塔、水箱控制線路較長較高,檢修不便;初期在建設(shè)傳統(tǒng)的水塔(高位水箱)成本相對較大,運行一段時間后需要維護(hù)甚至大修,維修(維護(hù))費用較高,同時設(shè)備占地面積較大;在二次加壓供水時管網(wǎng)水錘現(xiàn)象嚴(yán)重,對管網(wǎng)沖擊很大,會大大縮短管網(wǎng)使用年限.深井泵在抽水、蓄水和第二次加壓的過程中,系統(tǒng)設(shè)備多,故障率高,能耗大,運行成本較高,同時存在飲用水二次污染的現(xiàn)象.二次加壓利用壓力上下限進(jìn)行控制,用戶水壓會在較大范圍內(nèi)波高動,造成供水質(zhì)量差,電動機(jī)還會頻繁的起動.在系統(tǒng)設(shè)計中水泵一般采用最大供水量設(shè)計,在用水高峰時間,容易造成能源的浪費以及在管網(wǎng)壓力過大時會引起管網(wǎng)的損壞.住宅區(qū)集中用水時會有用水量快速增加,用水量高峰時期供水量普遍不足的現(xiàn)象,公用管網(wǎng)水壓會有較大的浮動.每天不同時段用水是不相同的,供水壓力會隨著不同時期變化,也就是說用水量小時供水壓力會很高,用水高峰期時供水壓力會不足,所以單單靠供水值班人員進(jìn)行人工手動調(diào)節(jié)不能及時有效調(diào)節(jié),這樣不僅很浪費能源而且會有事故隱患的存在.因此智能化、標(biāo)準(zhǔn)化,系列化的供水設(shè)備是必然趨勢.

為了克服以上缺點,下面著重介紹變頻恒壓供水系統(tǒng)用來代替以前老舊傳統(tǒng)的水塔供水系統(tǒng).壓力恒定是變頻恒壓供水系統(tǒng)最大好處之一,可以保證某處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài),恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量,并把它應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng).在本文技術(shù)改造實踐中,體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢,充分解決老舊設(shè)備需要頻繁檢修的問題,又要達(dá)到節(jié)省資金的目的.

1 系統(tǒng)方案

目前住宅小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計方案主要采用quot;一臺變頻器控制一臺水泵quot;(即quot;一拖一quot;)的單泵控制系統(tǒng)和quot;一臺變頻器控制多臺水泵quot;(即quot;一拖Nquot;)的多泵控制系統(tǒng).隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,現(xiàn)在也有采用quot;二拖三quot;、quot;二拖四quot;、quot;三拖五quot;的發(fā)展趨勢.本文中采用的是quot;一拖Nquot;方案.它具有平穩(wěn)啟動變頻供水系統(tǒng)的優(yōu)點,并且對電網(wǎng)沖擊很小,對水泵平均的轉(zhuǎn)速也可以降低到一定程度,更能夠克服傳統(tǒng)系統(tǒng)中的quot;水錘效應(yīng)quot;,也能夠延長水泵的閥門、管道的壽命.

2 系統(tǒng)組成

它主要是由變頻器、PLC、TC時間控制器、PID調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及3臺水泵等組成.

3 系統(tǒng)理論

本文中充分將一些現(xiàn)代新技術(shù)結(jié)合在一起,如可編程(PLC)控制技術(shù)、變頻控制技術(shù)、電機(jī)泵組控制技術(shù)等等.系統(tǒng)理論認(rèn)為:水泵出水總管上的電壓信號是由遠(yuǎn)傳系統(tǒng)里的壓力表經(jīng)過轉(zhuǎn)換而成的,電壓信號再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊后得到數(shù)字量再送入PLC,經(jīng)過PLC內(nèi)部的PID運算后,輸出一個參考量,該參考量經(jīng)數(shù)字/摸擬轉(zhuǎn)換后,得出模擬量,再將此模擬量傳送到變頻器中,從而控制其輸出頻率的變化.設(shè)備采用多泵并聯(lián)方式的供水方式,一個好處就是運行的水泵數(shù)量的多少是由用水量的大小決定的.當(dāng)用戶用水量在比較小的情況下,由一臺泵在變頻工作,當(dāng)用戶用水量在增加的情況下,水泵運行的頻率會隨著用水量增加.當(dāng)然,如果出現(xiàn)用戶在用水量最大時,一臺水泵在額定輸出功率最大的情況下仍無法滿足用戶供水要求時,水泵會自動轉(zhuǎn)換成工頻運行狀態(tài)自動啟動下一臺水泵.反之,用戶用水量在減少的情況下,水泵運行頻率會自動調(diào)節(jié),直到降至下限運行頻率.如果還出現(xiàn)供水量仍大于用水量,那么系統(tǒng)會自動停止工頻運行水泵,同時增加變頻泵運轉(zhuǎn)速度.在用水量降到某一定的程度時,變頻主泵就會停止工作,而是由輔泵及小型氣壓罐來供水.

4 PLC的選用及程序

PLC的選用應(yīng)考慮系統(tǒng)的性價比,性價比當(dāng)然越高越好.電機(jī)的起/停、定期切換、自動投入供水泵的變頻及故障的報警等依靠的是可編程控制器(PLC)的開關(guān)量輸入/輸出來控制.PLC內(nèi)置的PID來決定電機(jī)轉(zhuǎn)速、壓力、電壓、頻率、電流的大小.因此,綜合以上,我們可以考慮選用CPU224搭配擴(kuò)展模塊EM222、模擬量模塊EM235.圖1是PLC系統(tǒng)的配置圖.

圖1

程序上,這里充分利用了主程序和起動子程序.主程序里包括含有參與調(diào)節(jié)程序、電機(jī)切換程序、加電機(jī)程序、減電機(jī)程序.起動子程序?qū)嶋H上就是清零子程序.要注意的是在主程序中,變頻器頻率上下限到達(dá)濾波時間繼電器的參數(shù)要設(shè)置好才能穩(wěn)定系統(tǒng).

5 選用變頻器及設(shè)置變頻器的參數(shù)

變頻器的選用有它的原則.變頻器的頻率應(yīng)該與供水泵功率相匹配,系統(tǒng)性能才能達(dá)到最大.既不能遠(yuǎn)大于供水泵功率,也不能遠(yuǎn)小于供水泵功率.變頻器在運行前應(yīng)該先進(jìn)行初始參數(shù)的設(shè)置,變頻器的工作參數(shù)應(yīng)該先確定下來,才能對變頻器進(jìn)行設(shè)置.這樣才能達(dá)到對系統(tǒng)的自動調(diào)整,以便讓運行水泵的數(shù)量和負(fù)荷相匹配.對積分項和比例項的參數(shù)也要進(jìn)行調(diào)整,才能保證系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)反應(yīng)達(dá)到最佳速度.同時也可以使響應(yīng)速度更加優(yōu)化、系統(tǒng)更加穩(wěn)定.總而言之,在選用變頻器時,一定要按負(fù)載特性滿足使用的要求.也就是說,選用變頻器時要按負(fù)載特性滿足使用要求就可以.在這里我們可以考慮使用西門子的,參數(shù)的設(shè)置可以這樣:P0003=3(專級);P0010=30; P0970=1,另外顯示P0970(復(fù)位完成).

6 系統(tǒng)原理圖(如圖2)及工作過程

圖2 恒壓供水系統(tǒng)原理圖

PLC對手動設(shè)定的壓力信號以及在現(xiàn)場壓力傳感器的反饋信號會進(jìn)行分析和計算,并將這種壓力偏差轉(zhuǎn)化為一定的變化率,在通過PID精密的運算后,轉(zhuǎn)化為0～5V的模擬信號送入變頻器,這個信號對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)并對電機(jī)進(jìn)行必要的軟起動.系統(tǒng)(PLC)會對模擬輸出量和壓力偏差的值通過比較后,轉(zhuǎn)化為I/O端口開關(guān)量,這個量的輸出會對控制繼電器組進(jìn)行驅(qū)動切換,通過以上系統(tǒng)的協(xié)調(diào)后,來確定電機(jī)的臺數(shù).系統(tǒng)會自動完成電機(jī)的起/停、變頻/工頻的切換,并在對其中一臺電動機(jī)變頻轉(zhuǎn)速確定之后,達(dá)到穩(wěn)定動力系統(tǒng)工作壓力的目的,從而達(dá)到恒壓供水的狀態(tài).

7 對主控電路進(jìn)行設(shè)計

恒壓供水主控電路參考圖3.M1、M2、M3是本系統(tǒng)的三臺電機(jī).三臺電動機(jī)的平常起、停由KM1,KM2、KM3進(jìn)行控制.電機(jī)的變頻運行則分別由接觸器KM4、KM5、KM6控制;系統(tǒng)中還設(shè)置了水泵電機(jī)的過載保護(hù)(由熱繼電器FR1/FR2/FR3擔(dān)當(dāng)).電路中的QS1、QS2、QS3、QS4是變頻器和三臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān).主電路的熔斷器是FU.通用變頻器為VVVF.

圖3

電控系統(tǒng)控制如電路圖4.手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)是SA.手動控制狀態(tài)時將SA打在1的位置;自動控制狀態(tài)時將SA打在2的位置.在手動運行的狀態(tài)下,控制三臺電機(jī)的起/停和電磁閥YV2的通/斷,可用按鈕SB進(jìn)行控制.在自動運行狀態(tài)時,系統(tǒng)會在PLC程序的控制下平穩(wěn)運行.

圖4 電控系統(tǒng)控制電路圖

8 結(jié)語

PLC及變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中有很廣泛的應(yīng)用,事實證明恒壓供水系統(tǒng)的可靠運行是傳統(tǒng)系統(tǒng)所不能比擬的,它的優(yōu)勢還在于管網(wǎng)中的壓力可以保持在一定的值,達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)資的目的.即使變頻器出現(xiàn)故障后也還能保障系統(tǒng)供水,同時也能夠?qū)崿F(xiàn)故障排除后自動啟動的目的,具有一定的先進(jìn)性及推廣性.

[1]曾毅等. 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計與維護(hù)[M].山東科學(xué)技術(shù)出版社 2000.

[2]李良仁.變頻器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京電子工業(yè)出版社,2004.

[3]陶俊珍.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊[M].科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2012-04-01.

TU991

A

1671-0711(2017)11(下)-0112-03