PLC在無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備供水系統(tǒng)中應(yīng)用
PLC在無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備供水系統(tǒng)中應(yīng)用
一、引言
在供水系統(tǒng)中，無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水是指在供水網(wǎng)系中用水量發(fā)生變化時(shí)，出口壓力保持不變的供水方式。本文采用計(jì)算機(jī)(PC)、可編程控制器(PLC)、變頻器組成變頻恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水、滿足節(jié)能降耗的要求，而且有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。用水量變化具有隨機(jī)性，用水高峰時(shí)水壓不足，低谷時(shí)又造成能量浪費(fèi)。無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備根據(jù)公共管網(wǎng)的壓力變化，通過(guò)PLC和變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的增減、水泵電機(jī)的運(yùn)行方式及電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，既防止了能量空耗，又避免出現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)沖擊電流對(duì)設(shè)備的影響。
無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備工作原理
無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)兩臺(tái)大功率電動(dòng)機(jī)，可在變頻和工頻兩種方式下運(yùn)行;一臺(tái)低功率的電機(jī)，作為輔助泵電機(jī)。
啟動(dòng)方式:為避免啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，電機(jī)采用變頻啟動(dòng)方式，從變頻器的輸出端得到逐漸上升的頻率和電壓。啟動(dòng)前變頻器要復(fù)位。
變頻調(diào)速:根據(jù)供水管網(wǎng)流量、壓力變化自動(dòng)控制變頻器輸出頻率，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。如設(shè)備的輸出電壓和頻率上升到工頻仍不能滿足供水要求時(shí)，PLC發(fā)出指令1號(hào)泵自動(dòng)切換到工頻電源運(yùn)行，待1號(hào)泵 全部退出變頻運(yùn)行，對(duì)變頻器復(fù)位后，2號(hào)泵投入變頻運(yùn)行。
多泵切換:根據(jù)恒壓的需要，采取無(wú)主次切換，即“先開先停”的原則接入和退出。在PLC的程序中，通過(guò)設(shè)置變頻泵的工作號(hào)和工頻泵的臺(tái)數(shù)，由給定頻率是否達(dá)到上限頻率或下限頻率來(lái)判斷增泵或減泵。在用水量較小的情況下，采用輔助泵工作。
為了避免一臺(tái)泵長(zhǎng)期工作，任一泵不能連續(xù)變頻運(yùn)行超過(guò)3小時(shí)。當(dāng)工頻泵臺(tái)數(shù)為零，有一臺(tái)運(yùn)行于變頻狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，當(dāng)達(dá)到3小時(shí)時(shí)，變頻泵的泵號(hào)改變，即切換到另一臺(tái)泵上。當(dāng)有泵運(yùn)行于工頻狀態(tài)，或輔助泵啟動(dòng)時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)并清零。
故障處理:能對(duì)水位下限，變頻器、PLC故障等報(bào)警。PLC故障，系統(tǒng)從自動(dòng)轉(zhuǎn)入手動(dòng)方式。
無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備PLC控制電路
系統(tǒng)采用S7-200PLC作下位機(jī)。S7-200PLC硬件系統(tǒng)包含一定數(shù)量的輸入/輸出(I/O)點(diǎn)，同時(shí)還可以擴(kuò)展I/O模塊和各種功能模塊，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，再減低系統(tǒng)成本，我們選用了UniMAT擴(kuò)展模塊接在CPU后面。輸入點(diǎn)為6個(gè)，其中水位上、下限信號(hào)分別為I0.0、I0.1。輸出點(diǎn)為10個(gè)，O0.0-O1.0對(duì)應(yīng)PLC的輸出端子。對(duì)變頻器的復(fù)位是由輸出點(diǎn)O1.0通過(guò)一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)及地址分配可知，系統(tǒng)共有5個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，9個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn);1個(gè)模擬量輸入點(diǎn)和1個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。可以選用CPU224PLC(14DI/10DO)，再擴(kuò)展一個(gè)UniMAT模擬量模塊EM235(4AI/1AO)。
無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備電控程序設(shè)計(jì)
4.1泵站軟件的設(shè)計(jì)分析
(1)由“恒壓”要求出發(fā)的工作組數(shù)量的管理
為了恒定水壓，那么在水壓降低時(shí)，需要升高變頻器的輸出頻率，并且在一臺(tái)水泵工作是不能滿足恒壓要求時(shí)，這時(shí)需要啟動(dòng)第，二臺(tái)。這樣有一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定是否需要啟動(dòng)新泵即為變頻器的輸出頻率是否達(dá)到所設(shè)定的頻率上限值。這一功能可以通過(guò)比較指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器的工作頻率達(dá)到上限的確定性，應(yīng)濾去偶然因素所引起的頻率波動(dòng)所達(dá)到的頻率上限值的情況，在程序中應(yīng)考慮采取時(shí)間濾波情況。
(2)臺(tái)組泵站泵組的管理規(guī)范
由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)均為軟啟動(dòng)，有規(guī)定各臺(tái)水泵 須交替使用，那么多臺(tái)組泵站泵組的投入運(yùn)行需要有一個(gè)管理規(guī)范。在本次設(shè)計(jì)中控制要求中規(guī)定任意的一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行不得超過(guò)3h，因此每次需要啟動(dòng)新泵或切換變頻泵的時(shí)候，以新運(yùn)行泵為變頻是合理的。具體的操作時(shí)，將現(xiàn)運(yùn)行的變頻器從變頻器上切除，并且接上工頻電源加以運(yùn)行，同時(shí)將變頻器復(fù)位并且用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，在本設(shè)計(jì)中所使用的是用泵號(hào)加1的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器的循環(huán)控制即3加上1等于0的邏輯，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。
4.2程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)前面可知，PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的功能比較多，由于模擬量單元及PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可以分為三個(gè)部分:主程序、子程序和中斷程序。
(1)系統(tǒng)的初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。利用定時(shí)器中斷功能來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制。初始化子程序流程框圖如圖1。在初始化的子程序中僅僅在上電和故障結(jié)束時(shí)用，其主要的用途為節(jié)省大量的掃描時(shí)間加快整個(gè)程序的運(yùn)行效率，提高了PID中斷的準(zhǔn)確度。上電處理的作用是CPU進(jìn)行清除內(nèi)部繼電器，復(fù)位所有的定時(shí)器，檢查I/O單元的連接。
圖1初始化程序
(2)主程序流程圖如圖2。其功能較多，如泵的切換信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等等都在主程序中。生活及消防雙恒壓的兩個(gè)恒壓值是采用數(shù)字式方式直接在程序中設(shè)定的。生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的70%，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的90%。本系統(tǒng)中的增益和時(shí)間常數(shù)為:增益Kc=0.25，采樣時(shí)間Ts=0.2s，積分時(shí)間Ti=30min。
圖2主控制程序
(3)中斷程序如圖3，其作用主要用于PID的相應(yīng)計(jì)算，在PLC的常閉繼電器SM0.0的作用下工作，它包括:設(shè)定回路輸入及輸出選項(xiàng)、設(shè)定回路參數(shù)、設(shè)定循環(huán)報(bào)警選項(xiàng)、為計(jì)算指定內(nèi)存區(qū)域、指定初始化子程序及中斷程序。
圖3中斷程序
結(jié)束語(yǔ)
恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時(shí)，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。實(shí)現(xiàn)恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。
水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，對(duì)電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。
由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運(yùn)行過(guò)程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可節(jié)約可觀的電能，其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。正因?yàn)榇耍到y(tǒng)具有收回投資快，而長(zhǎng)期受益，其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大。
在實(shí)際應(yīng)用中，采用PLC控制恒壓供水，還能容易地隨時(shí)修改控制程序，以改變各元件的工作時(shí)間和工作狀況，滿足不同情況要求。與繼電器或硬件邏輯電路控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)具有更大的靈活性和通用性。
無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備產(chǎn)品概述：
傳統(tǒng)的供水方式離不開蓄水池，蓄水池中的水一般由自來(lái)水管網(wǎng)供給，這樣，原來(lái)有壓力的水進(jìn)入水池后變成了零，然后從零開始加壓，造成大量的電力能源浪費(fèi)。無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備是以市政管網(wǎng)為水源，充分利用了市政管網(wǎng)原有的壓力，形成密閉的連續(xù)接力增壓供水方式，節(jié)能效果好，沒(méi)有水質(zhì)的二次污染，是變頻恒壓供水設(shè)備的發(fā)展與延伸。在市政管網(wǎng)壓力的基礎(chǔ)上直接疊壓供水，節(jié)約能源，并且還具有全封閉、無(wú)二次污染、占地量小、安裝快捷、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。
無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備工作原理：
投入使用，自來(lái)水管網(wǎng)的水進(jìn)入穩(wěn)流流罐，罐內(nèi)空氣從真空消除器排出，待水充滿后，真空消除器自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)自來(lái)水管網(wǎng)壓力能夠滿足用水要求時(shí)，系統(tǒng)由旁通止回閥向用水管網(wǎng)直接供水；當(dāng)自來(lái)水管網(wǎng)壓力不能滿足用水要求時(shí)，系統(tǒng)壓力信號(hào)由遠(yuǎn)傳壓力表反饋給變頻控制器，水泵運(yùn)行，并根據(jù)用水量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速恒壓供水，若運(yùn)轉(zhuǎn)水泵達(dá)到工頻轉(zhuǎn)速時(shí)，則啟動(dòng)另一臺(tái)水泵變頻運(yùn)轉(zhuǎn)。水泵供水時(shí)，若自來(lái)水管網(wǎng)的水量大于水泵流量，系統(tǒng)保持正常供水：用水高峰時(shí)，若自來(lái)水管網(wǎng)水量小于小泵流量量，穩(wěn)流罐內(nèi)的水作為補(bǔ)充水源仍然能正常供水，此時(shí)，空氣由真空消除器進(jìn)入穩(wěn)流罐，罐內(nèi)真空遭到破壞，確保了自來(lái)水管網(wǎng)不產(chǎn)生負(fù)壓，用水高峰過(guò)后，系統(tǒng)又恢復(fù)到正常供水狀態(tài)。當(dāng)自來(lái)水管網(wǎng)停水，造成穩(wěn)流罐液位不斷下降，液位探測(cè)器將信號(hào)反饋給變頻控制器，水泵自動(dòng)停機(jī)，以保護(hù)水泵機(jī)組。夜間小流量供水且自來(lái)水管網(wǎng)壓力不能滿足要求時(shí)，氣壓罐可以貯存并釋放能量，避免了水泵頻繁啟動(dòng)。
無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備原理：
雙模式無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備充分利用自來(lái)水管網(wǎng)的原有壓力能源，在同樣供水需求的情況下，可以選用功率相對(duì)較小的水泵及控制設(shè)備，同時(shí)在夜間小流量用水的情況下利用自來(lái)水水壓直接供水而無(wú)需起動(dòng)水泵。相比較于傳統(tǒng)的帶水池的供水設(shè)備可節(jié)約大量的電能運(yùn)行成本及投資成本。
無(wú)負(fù)壓增壓供水設(shè)備采用水泵與自來(lái)水管網(wǎng)直接相連，用壓力調(diào)節(jié)罐作為水泵進(jìn)水儲(chǔ)水裝置，采用真空消除器消除管網(wǎng)內(nèi)所產(chǎn)生的負(fù)壓，在充分利用自來(lái)水管網(wǎng)的原有壓力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了供水的二次增壓，該設(shè)備既實(shí)現(xiàn)了增壓的目的（且絲毫不會(huì)影響管網(wǎng)其它用戶水），又節(jié)省建水池，水箱的投資，在保證管網(wǎng)水質(zhì)的同時(shí)（無(wú)二次污染），又可充分利用管網(wǎng)的原有水壓，其節(jié)能效果極其顯著，可達(dá)50%以上。無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備全自動(dòng)智能控制，具有多種保護(hù)和控制功能，可實(shí)現(xiàn)真正無(wú)人值守。
無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備產(chǎn)品特點(diǎn)：
1、節(jié)省投資：節(jié)省投資50%左右，無(wú)需修建蓄水池或屋頂水箱，采用疊壓供水，減小設(shè)備初期投入。
2、高效節(jié)能，運(yùn)行成本低： 可充分利用市政管網(wǎng)供水壓力，差多少、補(bǔ)多少、不產(chǎn)生負(fù)壓、與傳統(tǒng)供水設(shè)備相比可節(jié)能30%—90%。停電也可維持市政管網(wǎng)水壓供水。
3、智能化程度高，操作簡(jiǎn)單，節(jié)省人力：該設(shè)備由全自動(dòng)智能化控制器控制，自行根據(jù)用戶的用水量和管網(wǎng)的自來(lái)水壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)行無(wú)人值守。并且采用人機(jī)界面（文本、數(shù)字）顯示，使客戶更加直觀的看到設(shè)備的運(yùn)行狀況。
4、環(huán)保衛(wèi)生:設(shè)備全封閉運(yùn)行 消除水源二次污染。
5、保護(hù)功能齊全：具有 過(guò)載、短路、過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)流、短路、水源缺水等自動(dòng)保護(hù)功能。在異常情況下能進(jìn)行信號(hào)報(bào)警、自檢、故障判斷等。
6、占地少安裝方便：整套設(shè)備只有一組供水控制柜、無(wú)負(fù)壓穩(wěn)流罐和水泵機(jī)組三部分，安裝非常簡(jiǎn)單方便。
7、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命：對(duì)多臺(tái)泵組均能可靠的實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，使電網(wǎng)和管網(wǎng)免沖擊，并且輪流運(yùn)轉(zhuǎn)，大大延長(zhǎng)了水泵及電機(jī)的使用壽命。設(shè)備壽命可延長(zhǎng)3倍以上。
無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備適用范圍：
1、高層建筑、居民小區(qū)、別墅等居民生活用水。
2、企事業(yè)單位、賓館、寫字樓、百貨商場(chǎng)，大型桑拿浴、醫(yī)院、學(xué)校，體育館，高爾夫球場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所的日常用水。
3、生產(chǎn)制造、洗滌裝置、食品工業(yè)、工廠、工礦的生產(chǎn)用水。
4、其他：老舊水池供水及其它形式供水的改造。
無(wú)負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備技術(shù)指標(biāo)：
1、供水流量 0—1500 M3/H 揚(yáng)程
2、控制電機(jī)功率 0.75---1500KW
3、供水戶數(shù) 10—10000戶
4、壓力控制范圍 0.15—1.6MPa
5、平均節(jié)電率 30—60%
6、控制原理 正弦波PWM或空間矢量SVPWM
7、運(yùn)行方式 單泵或多泵自動(dòng)切換
8、控制方式 可編程和PID控制
9、過(guò)載能力 150% 60秒
10、保護(hù)功能 軟啟動(dòng)、對(duì)過(guò)壓、缺相、變相、欠壓、斷 路，瞬間停電，短路等均有自診顯示和保護(hù)功能。
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