PLC在變頻調速生活給水設備系統的應用

1 引言

      交流變頻調速技術(shù)在國內外得到了廣泛的應用，它具有體積小、重量輕、安裝操作簡(jiǎn)單、數據可靠、性能穩定和節電效果明顯等特點(diǎn),是一項較為成熟的高科技成果。近年來(lái)，在國內各行各業(yè)也相繼引進(jìn)交流變頻調速的各類(lèi)產(chǎn)品，以滿(mǎn)足生產(chǎn)現場(chǎng)的需求。在城市高樓發(fā)展的今天，以前的給水設備已經(jīng)遠遠不能滿(mǎn)足現代人民生活的需要，給水廠(chǎng)的自動(dòng)化改造迫在眉睫。如何保證在供水量波動(dòng)的時(shí)候水壓恒定，采取變頻恒壓控制是現代供水控制系統的主要方式。它利用plc、傳感器、變頻器及水泵機組組成閉環(huán)控制系統，使管網(wǎng)壓力保持恒定，代替了傳統的水塔供水控制方案，具有自動(dòng)化程度高，高效節能的優(yōu)點(diǎn)，在小區供水和工廠(chǎng)供水控制中得到廣泛應用，并取得了明顯的經(jīng)濟效益。

2 變頻調速生活給水設備組成

      變頻調速生活給水設備系統以3臺15kw的水泵p1、p2、p3變頻恒壓運行為例，以變頻器、可編程序控制器作為系統控制的核心部件，以設定壓力為控制目標，以pid為控制算法，和變頻器組成恒壓閉環(huán)控制系統，如圖1所示。系統時(shí)刻跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設定值的偏差變化情況，經(jīng)變頻器內部進(jìn)行pid運算，由plc控制變頻與工頻切換，自動(dòng)控制水泵電機投入臺數和電機轉速，實(shí)現閉環(huán)自動(dòng)調整恒壓供水。

2.1 變頻調速生活給水設備硬件設計

      變頻調速生活給水設備plc選用日本三菱公司的fxos-20mr產(chǎn)品，水泵p1、p2、p3可變頻運行，也可工頻運行，需plc的四個(gè)輸出信號控制，變頻器的運行與關(guān)斷由plc的一個(gè)輸出信號控制，變頻器極限頻率的檢測信號占用plc一個(gè)輸人點(diǎn)，設定水壓的上、下限壓力值，上、下限壓力值分別設在給定壓力值上下兩側與給定壓力略有偏差處，當管網(wǎng)壓力處于上、下限位置，傳感器分別輸出開(kāi)關(guān)信號進(jìn)入plc兩個(gè)輸人點(diǎn)，與變頻器的極限輸出頻率檢測信號一起，通過(guò)plc控制泵的變頻與工頻切換以及工頻運行泵的切除。系統所需的輸入/輸出點(diǎn)數量共為16個(gè)點(diǎn)，可編程控制器fxos-20mr能夠滿(mǎn)足系統的控制要求，fx系列plc的工作電源可以用交流220v電源，也可用直流24v電源，它具有抗干擾能力強，可靠性高等特點(diǎn)，可長(cháng)期在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。該系統的i/o分布如附表所示。

      變頻器選用日本安川變頻器cimr-p5a45p5產(chǎn)品。通過(guò)變頻器面板設定一個(gè)給定頻率作為壓力給定值（14端），壓力傳感器反饋來(lái)的壓力信號（0～10v）接至變頻器端子的7端、8端，作為壓力反饋，變頻器根據壓力給定和實(shí)測壓力，調節輸出頻率，改變水泵轉速。變頻器端子的19端和20端是傳感器壓力設定的上、下限值，該信號進(jìn)plc，作為工頻切換的控制信息，由plc控制水泵的工頻或變頻運行。變頻控制系統主回路如圖2所示。變頻器有2個(gè)作用，一是作為電機的軟起動(dòng)裝置，限制電動(dòng)機的啟動(dòng)電流；二是改變異步電動(dòng)機的轉速，實(shí)現恒壓供水。

      交流接觸器組km2 km3分別控制泵1的變頻運行和工頻運行；km4和 km5分別控制泵2變頻運行和工頻運行；km6和km7分別控制泵3的變頻運行和工頻運行。

2.3 壓力傳感器

      變頻調速生活給水設備輸出壓力一般小于或等于0.6mpa，故系統選用ytz一150型帶電接點(diǎn)式的壓力傳感器，其水壓檢測范圍為0～1mpa，檢測精度為±0.01mpa，該傳感器將0～1mpa范圍的壓力對應轉換成0～10v的電信號。

3 控制原理

      合上空氣開(kāi)關(guān)，供水系統投入運行。將手動(dòng)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)上，km1合上，系統進(jìn)入全自動(dòng)運行狀態(tài)，plc中程序首先接通km2，并起動(dòng)變頻器。根據壓力設定值（根據管網(wǎng)壓力要求設定）與壓力實(shí)際值（來(lái)自于壓力傳感器）的偏差進(jìn)行pid調節，并輸出頻率給定信號（irf）給變頻器。變頻器根據頻率給定信號及預先設定好的加速時(shí)間控制水泵的轉速以保證水壓保持在壓力設定值的上、下限范圍之內，實(shí)現恒壓控制。同時(shí)變頻器在運行頻率到達上限（設定為工頻50hz），會(huì )將頻率到達信號送給plc，plc則根據管網(wǎng)壓力的上、下限信號和變頻器的運行頻率是否到達上限的信號，由程序判斷是否要起動(dòng)第2臺泵（或第3臺泵）。

      當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時(shí)間（程序設定為15s），則plc會(huì )將當前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速（時(shí)間設定為5s）起動(dòng)下1臺泵變頻運行。此時(shí)pid會(huì )繼續通過(guò)由遠傳壓力表送來(lái)的檢測信號進(jìn)行分析、計算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設定值的上、下限偏差范圍之內。3臺泵切換及變頻控制程序框圖如圖3所示。

      增泵工作過(guò)程：假定增泵順序為l、2、3泵。開(kāi)始時(shí)，1泵電機在plc控制下先投入調速運行，其運行速度由變頻器調節。當供水壓力小于壓力預置值時(shí)變頻器輸出頻率升高，水泵轉速上升，反之下降。當變頻器的輸出頻率達到上限（50hz），并穩定運行15s后，如果供水壓力仍沒(méi)達到預置值，則需進(jìn)入增泵過(guò)程。在plc的邏輯控制下將1泵電機與變頻器連接的電磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，延時(shí)1s后，1泵電機切換到工頻運行，同時(shí)變頻器與2泵電機連接，控制2泵投入調速運行。如果還沒(méi)到達設定值，則繼續按照以上步驟將2泵切換到工頻運行，控制3泵投入變頻運行。

      減泵工作過(guò)程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當供水壓力大于預置值時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限（30hz），并穩定運行一段時(shí)間（30s）后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于預置值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調速運行，并繼續減泵工作過(guò)程。如果在晚間用水不多時(shí)，當最后一臺正在運行的主泵處于低速運行時(shí)，如果供水壓力仍大于設定值，則停機并啟動(dòng)輔泵投入調速運行，從而達到節能效果。

4 結束語(yǔ)

      該變頻調速生活給水設備系統邏輯控制采用plc控制變頻器實(shí)現調速恒壓供水，使用方便，工作可靠，系統壓力恒定，具有較好的控制效果。該變頻調速生活給水設備系統采用變頻器調節水泵轉速，使系統實(shí)現了高效節能，節能效率可達40％左右，同時(shí)由于采用變頻器對電機實(shí)行軟起動(dòng)，減少了設備損耗，延長(cháng)了水泵、電機設備的使用壽命。變頻調速生活給水設備系統采用閉環(huán)控制，參數超調波動(dòng)范圍小，偏差能及時(shí)進(jìn)行控制。變頻器的加速和減速可根據工藝要求自動(dòng)調節，控制精度高，能保證生產(chǎn)工藝穩定，而且由于變頻調速器具有十分靈敏的故障檢測、診斷、數字顯示功能，提高了水泵運行的可靠性。綜上所述，采用plc和變頻器為核心部件構成的變頻調速生活給水設備系統，具有很強的實(shí)用性，為供水領(lǐng)域的技術(shù)革新，開(kāi)辟了切實(shí)有效的途徑。