PLC在無(wú)負壓變頻調速給水設備供水系統中應用

一、引言

　　在供水系統中，無(wú)負壓變頻調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。本文采用計算機(PC)、可編程控制器(PLC)、變頻器組成變頻恒壓供水監控系統，通過(guò)變頻調速實(shí)現恒壓供水、滿(mǎn)足節能降耗的要求，而且有利于實(shí)現生產(chǎn)的自動(dòng)化及遠程監測。用水量變化具有隨機性，用水高峰時(shí)水壓不足，低谷時(shí)又造成能量浪費。無(wú)負壓變頻調速給水設備根據公共管網(wǎng)的壓力變化，通過(guò)PLC和變頻器自動(dòng)調節水泵的增減、水泵電機的運行方式及電機的轉速，實(shí)現恒壓供水，既防止了能量空耗，又避免出現電機啟動(dòng)時(shí)沖擊電流對設備的影響。

 

無(wú)負壓變頻調速給水設備工作原理

　　無(wú)負壓變頻調速給水系統采用一臺變頻器拖動(dòng)兩臺大功率電動(dòng)機，可在變頻和工頻兩種方式下運行;一臺低功率的電機，作為輔助泵電機。

　　啟動(dòng)方式:為避免啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，電機采用變頻啟動(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)前變頻器要復位。

　　變頻調速:根據供水管網(wǎng)流量、壓力變化自動(dòng)控制變頻器輸出頻率，從而調節電動(dòng)機和水泵的轉速，實(shí)現恒壓供水。如設備的輸出電壓和頻率上升到工頻仍不能滿(mǎn)足供水要求時(shí)，PLC發(fā)出指令1號泵自動(dòng)切換到工頻電源運行，待1號泵 全部退出變頻運行，對變頻器復位后，2號泵投入變頻運行。

　　多泵切換:根據恒壓的需要，采取無(wú)主次切換，即“先開(kāi)先?！钡脑瓌t接入和退出。在PLC的程序中，通過(guò)設置變頻泵的工作號和工頻泵的臺數，由給定頻率是否達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。

　　為了避免一臺泵長(cháng)期工作，任一泵不能連續變頻運行超過(guò)3小時(shí)。當工頻泵臺數為零，有一臺運行于變頻狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)計時(shí)器，當達到3小時(shí)時(shí)，變頻泵的泵號改變，即切換到另一臺泵上。當有泵運行于工頻狀態(tài)，或輔助泵啟動(dòng)時(shí)，計時(shí)器停止計時(shí)并清零。

　　故障處理:能對水位下限，變頻器、PLC故障等報警。PLC故障，系統從自動(dòng)轉入手動(dòng)方式。

無(wú)負壓變頻調速給水設備PLC控制電路

　　系統采用S7-200PLC作下位機。S7-200PLC硬件系統包含一定數量的輸入/輸出(I/O)點(diǎn)，同時(shí)還可以擴展I/O模塊和各種功能模塊，在保證系統穩定性的基礎上，再減低系統成本，我們選用了UniMAT擴展模塊接在CPU后面。輸入點(diǎn)為6個(gè)，其中水位上、下限信號分別為I0.0、I0.1。輸出點(diǎn)為10個(gè)，O0.0-O1.0對應PLC的輸出端子。對變頻器的復位是由輸出點(diǎn)O1.0通過(guò)一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現的。根據控制系統I/O點(diǎn)及地址分配可知，系統共有5個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)，9個(gè)開(kāi)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)?？梢赃x用CPU224PLC(14DI/10DO)，再擴展一個(gè)UniMAT模擬量模塊EM235(4AI/1AO)。

 

無(wú)負壓變頻調速給水設備電控程序設計

　　4.1泵站軟件的設計分析

　　(1)由“恒壓”要求出發(fā)的工作組數量的管理

　　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，并且在一臺水泵工作是不能滿(mǎn)足恒壓要求時(shí)，這時(shí)需要啟動(dòng)第，二臺。這樣有一個(gè)判斷標準來(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到所設定的頻率上限值。這一功能可以通過(guò)比較指令來(lái)實(shí)現。為了判斷變頻器的工作頻率達到上限的確定性，應濾去偶然因素所引起的頻率波動(dòng)所達到的頻率上限值的情況，在程序中應考慮采取時(shí)間濾波情況。

　　(2)臺組泵站泵組的管理規范

　　由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電動(dòng)機均為軟啟動(dòng)，有規定各臺水泵 須交替使用，那么多臺組泵站泵組的投入運行需要有一個(gè)管理規范。在本次設計中控制要求中規定任意的一臺水泵連續運行不得超過(guò)3h，因此每次需要啟動(dòng)新泵或切換變頻泵的時(shí)候，以新運行泵為變頻是合理的。具體的操作時(shí)，將現運行的變頻器從變頻器上切除，并且接上工頻電源加以運行，同時(shí)將變頻器復位并且用于新運行泵的啟動(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，在本設計中所使用的是用泵號加1的方法來(lái)實(shí)現變頻器的循環(huán)控制即3加上1等于0的邏輯，用工頻泵的總數結合泵號來(lái)實(shí)現工頻泵的輪換工作。

　　4.2程序的結構及程序功能的實(shí)現

　　根據前面可知，PLC在恒壓供水系統中的功能比較多，由于模擬量單元及PID調節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，這樣可以節省掃描時(shí)間。利用定時(shí)器中斷功能來(lái)實(shí)現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束時(shí)用，其主要的用途為節省大量的掃描時(shí)間加快整個(gè)程序的運行效率，提高了PID中斷的準確度。上電處理的作用是CPU進(jìn)行清除內部繼電器，復位所有的定時(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，如泵的切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等等都在主程序中。生活及消防雙恒壓的兩個(gè)恒壓值是采用數字式方式直接在程序中設定的。生活供水時(shí)系統設定為滿(mǎn)量程的70%，消防供水時(shí)系統設定為滿(mǎn)量程的90%。本系統中的增益和時(shí)間常數為: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的相應計算，在PLC的常閉繼電器SM0.0的作用下工作，它包括:設定回路輸入及輸出選項、設定回路參數、設定循環(huán)報警選項、為計算指定內存區域、指定初始化子程序及中斷程序。

 

　　圖3中斷程序

 

結束語(yǔ)

　　恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機電源頻率，而達到調節水泵轉速改變水泵出口壓力，比靠調節閥門(mén)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)，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(cháng)泵和電動(dòng)機的機械使用壽命。實(shí)現恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強度，節省了人力。

　　水泵電動(dòng)機采用軟啟動(dòng)方式，按設定的加速時(shí)間加速，避免電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響，同時(shí)也避免了電動(dòng)機突然加速造成泵系統的喘振。

　　由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運行過(guò)程中其轉速是由外供水量決定的，故系統在運行過(guò)程中可節約可觀(guān)的電能，其經(jīng)濟效益是十分明顯的。正因為此，系統具有收回投資快，而長(cháng)期受益，其產(chǎn)生的社會(huì )效益也是非常巨大。

　　在實(shí)際應用中，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(mǎn)足不同情況要求。與繼電器或硬件邏輯電路控制系統相比，PLC控制系統具有更大的靈活性和通用性。

 

無(wú)負壓變頻調速給水設備產(chǎn)品概述：

      傳統的供水方式離不開(kāi)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(kāi)始加壓，造成大量的電力能源浪費。無(wú)負壓供水設備是以市政管網(wǎng)為水源，充分利用了市政管網(wǎng)原有的壓力，形成密閉的連續接力增壓供水方式，節能效果好，沒(méi)有水質(zhì)的二次污染，是變頻恒壓供水設備的發(fā)展與延伸。在市政管網(wǎng)壓力的基礎上直接疊壓供水，節約能源，并且還具有全封閉、無(wú)二次污染、占地量小、安裝快捷、運行可靠、維護方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。

 

無(wú)負壓變頻調速給水設備工作原理：

       投入使用，自來(lái)水管網(wǎng)的水進(jìn)入穩流流罐，罐內空氣從真空消除器排出，待水充滿(mǎn)后，真空消除器自動(dòng)關(guān)閉。當自來(lái)水管網(wǎng)壓力能夠滿(mǎn)足用水要求時(shí)，系統由旁通止回閥向用水管網(wǎng)直接供水；當自來(lái)水管網(wǎng)壓力不能滿(mǎn)足用水要求時(shí)，系統壓力信號由遠傳壓力表反饋給變頻控制器，水泵運行，并根據用水量的大小自動(dòng)調節轉速恒壓供水，若運轉水泵達到工頻轉速時(shí)，則啟動(dòng)另一臺水泵變頻運轉。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，穩流罐內的水作為補充水源仍然能正常供水，此時(shí)，空氣由真空消除器進(jìn)入穩流罐，罐內真空遭到破壞，確保了自來(lái)水管網(wǎng)不產(chǎn)生負壓，用水高峰過(guò)后，系統又恢復到正常供水狀態(tài)。當自來(lái)水管網(wǎng)停水，造成穩流罐液位不斷下降，液位探測器將信號反饋給變頻控制器，水泵自動(dòng)停機，以保護水泵機組。夜間小流量供水且自來(lái)水管網(wǎng)壓力不能滿(mǎn)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)負壓變頻調速給水設備原理：

      雙模式無(wú)負壓供水設備充分利用自來(lái)水管網(wǎng)的原有壓力能源，在同樣供水需求的情況下，可以選用功率相對較小的水泵及控制設備，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。相比較于傳統的帶水池的供水設備可節約大量的電能運行成本及投資成本。 　

無(wú)負壓增壓供水設備采用水泵與自來(lái)水管網(wǎng)直接相連，用壓力調節罐作為水泵進(jìn)水儲水裝置，采用真空消除器消除管網(wǎng)內所產(chǎn)生的負壓，在充分利用自來(lái)水管網(wǎng)的原有壓力的基礎上實(shí)現了供水的二次增壓，該設備既實(shí)現了增壓的目的（且絲毫不會(huì )影響管網(wǎng)其它用戶(hù)水），又節省建水池，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，其節能效果極其顯著(zhù)，可達50%以上。無(wú)負壓供水設備全自動(dòng)智能控制，具有多種保護和控制功能，可實(shí)現真正無(wú)人值守。

 

無(wú)負壓變頻調速給水設備產(chǎn)品特點(diǎn)：

1、節省投資：節省投資50%左右，無(wú)需修建蓄水池或屋頂水箱，采用疊壓供水，減小設備初期投入。

2、高效節能，運行成本低： 可充分利用市政管網(wǎng)供水壓力，差多少、補多少、不產(chǎn)生負壓、與傳統供水設備相比可節能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，節省人力：該設備由全自動(dòng)智能化控制器控制，自行根據用戶(hù)的用水量和管網(wǎng)的自來(lái)水壓力進(jìn)行調節，實(shí)行無(wú)人值守。并且采用人機界面（文本、數字）顯示，使客戶(hù)更加直觀(guān)的看到設備的運行狀況。

4、環(huán)保衛生:設備全封閉運行 消除水源二次污染。

5、保護功能齊全：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)保護功能。在異常情況下能進(jìn)行信號報警、自檢、故障判斷等。

6、占地少安裝方便：整套設備只有一組供水控制柜、無(wú)負壓穩流罐和水泵機組三部分，安裝非常簡(jiǎn)單方便。

7、延長(cháng)設備的使用壽命：對多臺泵組均能可靠的實(shí)現軟啟動(dòng)，使電網(wǎng)和管網(wǎng)免沖擊，并且輪流運轉，大大延長(cháng)了水泵及電機的使用壽命。設備壽命可延長(cháng)3倍以上。

 

無(wú)負壓變頻調速給水設備適用范圍：

1、高層建筑、居民小區、別墅等居民生活用水。

2、企事業(yè)單位、賓館、寫(xiě)字樓、百貨商場(chǎng)，大型桑拿浴、醫院、學(xué)校，體育館，高爾夫球場(chǎng)，機場(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(chǎng)、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)負壓變頻調速給水設備技術(shù)指標：

1、供水流量 0—1500 M3/H 揚程

2、控制電機功率 0.75---1500KW

3、供水戶(hù)數 10—10000戶(hù)

4、壓力控制范圍 0.15—1.6MPa

5、平均節電率 30—60%

6、控制原理 正弦波PWM或空間矢量SVPWM

7、運行方式 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、保護功能 軟啟動(dòng)、對過(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功能。