PLC的微機變頻給水設備中的節能控制系統

引言  

　　隨著(zhù)我國城鄉建設的迅速發(fā)展,水、電供應不足的矛盾越來(lái)越成為人們關(guān)注的問(wèn)題。例如,人們日常生活中的用水量越來(lái)越大,一天中的用水量的波動(dòng)也越來(lái)越大。以往的供水系統中,水泵的選取往往是按較大供水量來(lái)確定,而實(shí)際的用水量在不斷變化。高峰用水時(shí)間較短,這樣水泵在很長(cháng)一段時(shí)間內有較大余量,不僅水泵效率低,供水壓力不穩,而且造成大量電力、水資源的浪費;并且以往依靠手動(dòng)操作控制泵的啟動(dòng)、停止,也已不能滿(mǎn)足要求。這里,介紹一種變頻控制的恒壓供水系統,它既能解決人工操作的繁雜勞動(dòng)和精神壓力,又能節約能源。  

　　  

微機變頻給水設備系統介紹  

　　該微機變頻給水設備控制系統主要裝置包括：可編程控制器（PLC）、變頻器、壓力傳感器、PID控制器以及相關(guān)軟件控制單元。該裝置形成一套完整的、全自動(dòng)的、智能的恒壓供水控制系統。該系統能夠以三種方式工作，分別為全自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)操作方式，其中后兩種是在全自動(dòng)方式出現故障時(shí)的彌補。  

　　2全自動(dòng)恒壓供水控制原理  

　　當主水管網(wǎng)壓力傳感器的壓力信號4~20mA送給數字PID控制器，控制器根據壓力設定值與實(shí)際檢測值進(jìn)行PID運算，并給出信號直接控制變頻器的轉速以使管網(wǎng)的壓力穩定。當用水量不是很大時(shí)，一臺泵在變頻器的控制下穩定運行；當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩定時(shí)，控制器的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時(shí)被PLC檢測到，PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的泵，投入到工頻運行，以保持壓力的連續性，同時(shí)將一臺備用的泵用變頻器起動(dòng)后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量，保證壓力穩定。若兩臺泵運轉仍，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。當用水量減少時(shí)，首先表現為變頻器已工作在較低速信號有效，這時(shí)壓力上限信號如仍出現，PLC首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當上述兩個(gè)信號仍存在時(shí)，PLC再停掉一臺工頻運行的電機，直到末后一臺泵用主頻器恒壓供水[4]。另外，控制系統設兩臺泵為一組，每臺泵的電機累計運行時(shí)間可顯示，24小時(shí)輪換一次，既保證供水系統有備用泵，又保證系統的泵有相同的運行時(shí)間，確保了泵的可靠壽命。  

　　  

微機變頻給水設備恒壓供水控制系統的編程  

　　本程序用富士專(zhuān)用的FLEX PLC編程器編譯[1]，利用梯形圖清晰直觀(guān)地展示各設備的運轉狀況等等。具體編程思想如下：  

　　首先選擇利用FLEX PLC的輸入繼電器、輸出繼電器以及內部繼電器，確定本設計方案所包括的儀器儀表。即一臺富士NB系列PLC、兩臺7.5KW水泵、一臺富士G11/P11變頻器、一臺壓力傳感器、一臺SR90系列PID調節器、若干個(gè)空氣開(kāi)關(guān)、斷路器、中間繼電器等。根據PLC接線(xiàn)原理圖（如圖2所示），進(jìn)行詳細接線(xiàn)，并參考FUJI NB系列可編程控制器得參考手冊，對PLC輸入輸出端子進(jìn)行定義。  

 

微機變頻給水設備系統操作說(shuō)明  

　　4.1自動(dòng)控制  

　　1. 設定用戶(hù)需要的目標壓力值  

　　系統送電之后，控制柜面板上的電源指示燈點(diǎn)亮，其下方的溫控表將會(huì )有顯示：PV---.---、SV---.---。其中PV---.---表示水管網(wǎng)中的實(shí)測壓力值,SV---.---表示用戶(hù)需要的目標壓力值.用戶(hù)可按動(dòng)▲、▼鍵使 SV---.--- 中的數字發(fā)生改變，直到顯示用戶(hù)需要的水管網(wǎng)的壓力值時(shí)按下ENT鍵，結束目標壓力值設定。  

　　2.選擇需要開(kāi)啟的泵組  

　　自動(dòng)/停/手動(dòng)開(kāi)關(guān)向左45度扳動(dòng)一次時(shí)，泵組處于啟動(dòng)狀態(tài)，系統將選擇1號泵組啟動(dòng)；控制柜面板上的自動(dòng)/停/手動(dòng)開(kāi)關(guān)扳到垂直位置時(shí)，四臺泵組均處于停止狀態(tài)。當將自動(dòng)/停/手動(dòng)開(kāi)關(guān)再次向左45度扳動(dòng)一次時(shí)，系統將選擇2號泵啟動(dòng)；   

　　3.變頻自動(dòng)工作開(kāi)始  

　　當系統檢測到某臺泵組的啟動(dòng)信號以后，便會(huì )使變頻器開(kāi)始升頻工作，此時(shí)水管網(wǎng)中的壓力開(kāi)始上升，即PV---.---中的顯示值開(kāi)始上升，并不斷趨向于用戶(hù)設定的SV---.---中的目標壓力值。當水管網(wǎng)中的壓力和用戶(hù)的設定的目標壓力值相吻合（即PV---.---中的顯示值和SV---.---中的顯示值相吻合）時(shí)，變頻器的輸出頻率便會(huì )穩定[3]。  

　　4.2自動(dòng)控制中的部分功能  

　　1.自動(dòng)切換至工頻  

　　2.故障泵組自動(dòng)退出運行  

　　3.定期倒換工作泵組  

 

微機變頻給水設備恒壓供水控制系統的優(yōu)點(diǎn)  

　　1.采用變頻恒壓供水，消除了主管網(wǎng)壓力波動(dòng)，保證了供水質(zhì)量，而且節能效果明顯，并延長(cháng)了主管網(wǎng)及其閥門(mén)的使用壽命。  

　　2.用穩壓減壓閥經(jīng)濟地解決了不同用水壓力的問(wèn)題。  

　　3.拓寬運用變頻恒壓控制原理，較好地解決了加壓泵房與抽水泵房的遠程通訊總是并達到異地連鎖控制的目的。  

　　4.在抽水泵房設置連續液位顯示，并將信號傳與PLC，防止泵缺水燒壞電機，設定的取水位置，確保水的質(zhì)量。  

　　5.電機既有電機保護器，又有軟起動(dòng)器，克服了起動(dòng)時(shí)的大電流沖擊，相對延長(cháng)了電機制使用壽命。  

　　6.由于采用PLC控制的壓力自動(dòng)控制，可以實(shí)現無(wú)人遠程操作，系統的PLC預留有RS485接口，可與公司總調度室計算機網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接。  

　　7.通過(guò)采用變頻器控制，可在不同季節、節假日、日夜及上下班等全面調控水量。 

 

微機變頻給水設備概述

      微機變頻給水設備是由防倒流裝置（根據需要設置），穩流罐，防負壓裝置，水泵機組，限壓保護裝置，膨脹罐（根據需要設置），控制儀表，控制柜，閥門(mén)，管路系統，配套附件等組成，從供水管網(wǎng)直接吸水，通過(guò)壓力傳感器檢測出壓力，將檢測值和設定值進(jìn)行比較，計算出在市政自來(lái)水管網(wǎng)的原有壓力的基礎上需要增加的壓力值，確定水泵投入臺數和變頻器輸出頻率，調整水泵的轉速以符合用水曲線(xiàn)實(shí)現恒壓供水或變壓供水。微機變頻給水設備較大程度利用了市政管網(wǎng)自來(lái)水的原水壓力，對市政管網(wǎng)不產(chǎn)生負壓，用不銹鋼穩流灌和管件，減少了用水的二次污染，是新一代供水領(lǐng)域的節能產(chǎn)品。

 

微機變頻給水設備功能特點(diǎn)

1、自動(dòng)消除負壓

      微機變頻給水設備系統與市政自來(lái)水管網(wǎng)直接吸水疊壓供水而不造成市政管網(wǎng)出現負壓。采用高品質(zhì)的材料和附件設備，通過(guò)吸收、改良，自主研發(fā)了多功能、采用電子防負壓智能技術(shù)，能夠提供高水準的精密控制的成套設備，綜合已經(jīng)達到較高水平。

2、疊壓節能

      微機變頻給水設備在運行時(shí)借助市政自來(lái)水的壓力，在原有管網(wǎng)壓力的基礎上疊加所需的壓力差，差多少，補多少，充分利用管網(wǎng)的余壓，系統自動(dòng)調整水泵運行臺數或調整水泵轉速，實(shí)現一直高效率點(diǎn)運行。當進(jìn)水壓力能滿(mǎn)足設計壓力時(shí)，水泵進(jìn)入休眠節能狀態(tài)。因此大大節省了運行費用，符合國家節能的要求。

3、壓力控制

      微機變頻給水設備實(shí)時(shí)通過(guò)壓力傳感器檢測出口壓力，將檢測值和設定值進(jìn)行比較，計算出在市政自來(lái)水管網(wǎng)余的壓基礎上需要增加的壓力值，確定水泵投入臺數和變頻器輸出頻率，調整水泵的轉速實(shí)現疊壓恒壓供水或疊壓變壓供水的控制。

4、自動(dòng)化程度高

      系統具有手動(dòng)啟動(dòng)停止、自動(dòng)啟動(dòng)停止方式、預留遠距離操作接口、備用泵自動(dòng)切換、壓力控制（恒壓/變壓）、高低電壓保護、欠相保護、漏電保護、過(guò)載保護、過(guò)熱保護、跳閘保護等功能，系統全自動(dòng)運行無(wú)須專(zhuān)人值守，人機界面，可遠程調整、監測和維護。

5、衛生

      系統全密封運行，異物不能進(jìn)入系統內部，不與空氣直接接觸。如防負壓裝置啟動(dòng)時(shí)，膜濾裝置將空氣中的細菌擋住，不進(jìn)入系統，防止用水二次污染。穩流罐和主要過(guò)流部件均采用304不銹鋼制造，確保用水衛生，滿(mǎn)足人們對飲用水越來(lái)越高的要求，也符合涉水衛生規范。

6、停電不停水

      系統直接和市政自來(lái)水管網(wǎng)相連，在停電時(shí)加壓泵雖停止工作，但自來(lái)水管網(wǎng)壓力依舊可維持低區用戶(hù)供水，即使在停水時(shí)，用戶(hù)也可以靠穩流灌存水維持短時(shí)間供水。

7、斷水或缺水保護

      系統在進(jìn)水斷水或缺水時(shí)，設備停止運行。當設備恢復進(jìn)水且達到設定條件時(shí)，設備自動(dòng)恢復正常運行。

8、節省投資、節省運行和維護成本

      系統沒(méi)設蓄水池等儲水設施，節省占地面積，降低建筑負荷，從而節省了大筆土建投資費用。

      系統全自動(dòng)運行無(wú)須專(zhuān)人值守，也沒(méi)有水質(zhì)處理儀器，免去定期清洗、消毒等工作；減少了系統滴、漏、益流的損失。故節能效果十分顯著(zhù)。

9、安裝簡(jiǎn)單快捷

      設備現場(chǎng)只需將設備大件組裝起來(lái)，連接進(jìn)、出水管法蘭即可，施工周期短，安裝簡(jiǎn)單。

10、備用泵

      系統配備一臺備用泵，備用泵的供水能力不小于較大一臺工作泵的供水能力，確保在水泵更換易損件或更換水泵時(shí)不影響設備供水能力。

 

微機變頻給水設備結構及組成

      微機變頻給水設備是由防倒流裝置（根據需要設置），穩流罐，水泵機組，限壓保護裝置，膨脹罐（可選），控制儀表，控制柜，閥門(mén)，管路系統，配套附件等組成。

控制柜

      獨立研發(fā)的多功能智能疊壓供水設備專(zhuān)用控制柜，設備采用日本深川公司 新技術(shù)專(zhuān)業(yè)供水變頻器或同等檔次知名品牌變頻器，知名品牌的電器元件和控制模塊，保證控制柜穩定可靠，控制方式靈活，抗干擾能力強，對環(huán)境的電磁污染小。

平滑控制技術(shù)

      控制系統擁有壓力平滑控制技術(shù)。如果沒(méi)有平滑控制技術(shù)，設備往往會(huì )出現過(guò)高的情況。在加減泵或出現水量變化較大的情況下，壓力波動(dòng)比較大。采用平滑控制技術(shù)后，系統可以根據實(shí)際反饋壓力自動(dòng)控制加減速速度，使系統的壓力更加穩定。

壓力自動(dòng)補償技術(shù)

      根據系統阻力特性，當流量越大時(shí)，系統的阻力越大。為了滿(mǎn)足系統在較大用水量時(shí)有足夠的揚程來(lái)克服系統阻力，一般廠(chǎng)家在設定系統壓力時(shí)只能按較大流量所需的壓力來(lái)設置，當小流量用水時(shí)壓力過(guò)剩造成能量浪費。公司研制的控制系統擁有壓力平滑控制技術(shù)，可以根據系統用水量的變化自動(dòng)調節系統的設定壓力，在小流量用水時(shí)運行在低壓力值，隨著(zhù)用水量的增大，系統按照水力特性，逐漸增大系統的使用壓力。從而較大限度地節省了電能。

合理性的水泵選型

      一些設備生產(chǎn)廠(chǎng)家往往由于技術(shù)力量不足，對水泵的特性不了解。由于水泵的工作點(diǎn)決定了系統的節能率以及設備的使用壽命，公司的技術(shù)人員擁有豐富的水泵與系統的設計和調試經(jīng)驗，不僅僅考慮了水泵的單機性能，還充分考慮了水泵的并聯(lián)性能，使系統更合理。

不銹鋼穩流罐

      穩流罐為304 不銹鋼材料制成，表面拋光或亞光外理。配備防負壓裝置和液位裝置，在管網(wǎng)壓力波動(dòng)時(shí)穩流罐內的水能作為補充起到穩流作用。

水泵機組

      水泵采用丹麥格蘭富多級立式離心泵或國內知名企業(yè)水泵，止回閥、球閥或蝶閥，儀表、進(jìn)出水管、管件這些材質(zhì)采用304不銹鋼或還保材料，這些和機組底座一起構成水泵機組。