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基于PLC+變頻器的高樓無壓供水系統(tǒng)

1 引言

      目前的大型高層建筑和住宅小區(qū)的供水大多仍舊采用傳統(tǒng)的固定頻率三相交流電機(jī)拖動負(fù)載，采用高位水箱或氣壓罐加壓等方式。隨著季節(jié)、晝夜、時間等變化因素的影響，用水量相差很大, 管網(wǎng)水壓不恒定，供水和用水之間不平衡。采用plc+變頻器的調(diào)速高樓無壓供水系統(tǒng)可以解決上述諸多問題。本設(shè)計用一臺變頻器控制多臺水泵(一拖n)的控制方案, 具有供水系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn), 對電網(wǎng)沖擊小, 節(jié)約能源等優(yōu)點。

2 高樓無壓供水系統(tǒng)水泵控制特性

      水泵特性控制曲線圖1所示。若流量從q1降至q2，恒速泵揚(yáng)程將升至b，因恒壓線在cp處，通過反饋控制，變頻器降頻運(yùn)行，水泵由n2減速，維持在n1點，以保持恒壓cp，減少了bb′段揚(yáng)程，節(jié)約了電能。根據(jù)管網(wǎng)實際需要，設(shè)定管網(wǎng)壓力，系統(tǒng)配以壓力傳感器及plc，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，控制電機(jī)及水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)以給定壓力為目標(biāo)的壓力閉環(huán)自動控制。

3 電子陶瓷傳感器pmc原理及特點

      檢測元件的精度直接影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。通常可以選用各種壓力傳感器檢測管網(wǎng)壓力。傳統(tǒng)的壓力傳感器有利用彈性元件的，諸如電感壓力傳感器、電容壓力傳感器等。pmc系列壓力傳感器的構(gòu)造與之不同，屬于一體化的高精度儀器。它采用電子陶瓷技術(shù)，測量元件完全是固體形式。其工作原理是:使壓力直接作用于電子陶瓷膜片，膜片出現(xiàn)位移后所產(chǎn)生的電容量被與其同體的電子元件檢測、放大，最后轉(zhuǎn)換成4～20ma的標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。由于結(jié)構(gòu)的一體化，該元件具有相當(dāng)強(qiáng)的抗沖擊和抗過載能力，過壓量達(dá)額定量程的百倍以上;由于壓力測量元件中不用傳統(tǒng)的介質(zhì)物質(zhì)，該元件具有極高測量精度，且?guī)缀醪皇軠囟忍荻鹊挠绊?該元件采用pfm方式傳輸信號，大大減少了現(xiàn)場干擾的影響，信號傳輸用普通導(dǎo)線完成，簡單方便;同時該元件重量輕，體積小，安全可靠[1]。

4 高樓無壓供水系統(tǒng)“一拖n”控制方案

4.1 控制方案

      以“一拖二”方案為例，先由變頻器啟動l#水泵運(yùn)行，若工作頻率已達(dá)到變頻器的上限位50hz而壓力仍低于規(guī)定值時，將1#水泵切換成工頻運(yùn)行，此時變頻器的輸出頻率迅速下降為0，然后啟動2#水泵，供水系統(tǒng)處于“一工一變”的運(yùn)行狀態(tài); 若變頻器再次達(dá)到上限值50hz而壓力仍低于規(guī)定值時，將2#水泵也切換成工頻運(yùn)行，供水系統(tǒng)處于“二工一變”的運(yùn)行狀態(tài)。反之，若變頻器工作頻率已下降至下限位(一般設(shè)定為25～35hz)而壓力仍高于規(guī)定值時，令1#水泵停機(jī)，供水系統(tǒng)又處于“一工一變”的運(yùn)行狀態(tài); 若變頻器工作頻率又降至下限值而壓力仍高于規(guī)定位時，令2#水泵停機(jī)，系統(tǒng)回復(fù)到一臺水泵變頻運(yùn)行狀態(tài)。如此循環(huán)運(yùn)行。

4.2 變頻與工頻的切換

      當(dāng)水泵電機(jī)由變頻運(yùn)行切換至工頻運(yùn)行時，必須經(jīng)延時時間td，進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行后接觸器自動合閘，以防止操作過電壓; 而當(dāng)水泵電機(jī)由工頻運(yùn)行切換至變頻運(yùn)行時，也必須經(jīng)延時時間td后接觸器再閉合，防止電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢損壞變頻器。td根據(jù)水泵電機(jī)的功率而定，功率越大，td越大，100kw電機(jī)取值約為2.5～3.5s。

4.3 電路觸點互鎖

      在電路設(shè)計和plc程序設(shè)計中，控制每臺水泵工頻/變頻切換的兩個接觸器的輔助觸點或者plc內(nèi)部“軟觸點”必須相互聯(lián)鎖，以保證可靠切換，防止變頻器輸出端與工頻電源發(fā)生短路而損壞。為杜絕切換時接觸器主觸點意外熔焊、輔助觸點誤動作而損壞變頻器的事故，圖2中的k1采用兩臺連體雙重聯(lián)鎖的cjx2-n型聯(lián)鎖接觸器。

5 高樓無壓供水系統(tǒng)構(gòu)成與功能

5.1 系統(tǒng)構(gòu)成

      本高樓無壓供水系統(tǒng)是閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)，以plc為核心。選pmcl33型壓力傳感器作為出水口端壓力檢測元件，檢測泵出口管網(wǎng)水壓力作反饋信號，該元件可承受的相對壓力最大測量范圍達(dá)0～40mpa，最小測量范圍為0～1kpa，所需電源要求電壓為12.5～30v，精度±0.1%，壓力傳感器將出水口的壓力信號線性轉(zhuǎn)換為4～20ma dc標(biāo)準(zhǔn)信號送到plc。plc選用西門子s7-200系列可編程控制器，進(jìn)行壓力設(shè)定值與檢測元件反饋值的比較、pi運(yùn)算等調(diào)節(jié)器功能，通過參數(shù)自整定后輸出標(biāo)準(zhǔn)控制信號，該信號再進(jìn)入到變頻控制器模擬信號輸入端，控制變頻器輸出頻率，最終達(dá)到控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)控制。配以帶有參數(shù)設(shè)置功能的變頻器以及水泵電動機(jī)，綜合系統(tǒng)供水質(zhì)量及低成本要求，選用東芝vf-s7-170kw變頻調(diào)速器一臺，該變頻器可以自動完成軟啟動，配有參數(shù)設(shè)置模塊，對主要功能參數(shù)如加/減速時間、轉(zhuǎn)矩提升、過熱保護(hù)進(jìn)行設(shè)置等。水泵電機(jī)選擇變頻運(yùn)行、工頻運(yùn)行和自由停車三種方式，由plc依據(jù)壓力情況自動切換，變頻運(yùn)行機(jī)組與啟動柜之間有可靠的電路和軟件互鎖，以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。當(dāng)用戶使用流量增大時，根據(jù)水泵特性，水泵出口壓力降低，壓力傳感器將壓力作反饋信號送到plc，通過調(diào)節(jié)后刷新輸出，送給變頻器，使變頻器增大輸出頻率，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之增大，管網(wǎng)壓力提高。反之亦然。

5.2 高樓無壓供水系統(tǒng)運(yùn)行特點

系統(tǒng)經(jīng)過進(jìn)一年的試運(yùn)行，效果良好。技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計要求。其主要特點是:

(1) 提高了功率因數(shù)，改善了電機(jī)電源質(zhì)量，電機(jī)的功率與實際負(fù)荷相匹配，節(jié)能效果達(dá)27%左右;

(2) 運(yùn)行電機(jī)軟起動, 自由停車。電機(jī)均通過變頻器由0～50hz緩慢加速起動，減少了機(jī)泵因突然高速起動所帶來的影響，以及直接起動時起動電流對電網(wǎng)的沖擊;

(3) 實現(xiàn)了水壓自動控制，被調(diào)節(jié)量得到平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

6 結(jié)束語

      本高樓無壓供水系統(tǒng)是以plc為核心的閉環(huán)變頻恒壓供水系統(tǒng)，實際運(yùn)行證明，系統(tǒng)運(yùn)行良好，穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期效果，適合于在高層建筑的供水行業(yè)中推廣應(yīng)用。