PLC及变频器在恒压供水系统中的应用

潘文辉

(广东省粤东商贸技工学校,广东 梅州 514031)

PLC及变频器在恒压供水系统中的应用

潘文辉

(广东省粤东商贸技工学校,广东 梅州 514031)

可编程控制器(PLC)和变频器在工业现场控制领域中起着非常重要的作用,PLC及变频器在供水行业应用逐步增多.在供水行业中用得最多的就是变频恒压供水系统,它最大的优点就是可以使供水管网保持在恒压的状态.特别是变频器的应用,完善的网络通信功能,为电机的同步运行提供了必要的支持,远距离集中控制和在线监控等提供了必要的支持.介绍了利用PLC及变频器在恒压供水系统中的应用,解决了电机冲击、水锤作用,避免了临界点造成的电机的频繁启动,系统的优点还在于可以根据运行负荷的变化来自动调节供水系统水泵的数量和转速,始终可以使整个系统达到高效节能的最佳状态.

变频器;PLC;供水系统;电机

传统的水塔供水缺点是很多的,水塔数量少、水箱容积普遍不大,会造成水在蓄满后泵会停止运行的现象.在水位下降后,泵有可能重新起动,电动机就会频繁起停,带来的后果就是泵的使用寿命大大缩短,运行噪声较大也会造成电能损耗严重,维护设备运行的成本比较高;水塔、水箱控制线路较长较高,检修不便;初期在建设传统的水塔(高位水箱)成本相对较大,运行一段时间后需要维护甚至大修,维修(维护)费用较高,同时设备占地面积较大;在二次加压供水时管网水锤现象严重,对管网冲击很大,会大大缩短管网使用年限.深井泵在抽水、蓄水和第二次加压的过程中,系统设备多,故障率高,能耗大,运行成本较高,同时存在饮用水二次污染的现象.二次加压利用压力上下限进行控制,用户水压会在较大范围内波高动,造成供水质量差,电动机还会频繁的起动.在系统设计中水泵一般采用最大供水量设计,在用水高峰时间,容易造成能源的浪费以及在管网压力过大时会引起管网的损坏.住宅区集中用水时会有用水量快速增加,用水量高峰时期供水量普遍不足的现象,公用管网水压会有较大的浮动.每天不同时段用水是不相同的,供水压力会随着不同时期变化,也就是说用水量小时供水压力会很高,用水高峰期时供水压力会不足,所以单单靠供水值班人员进行人工手动调节不能及时有效调节,这样不仅很浪费能源而且会有事故隐患的存在.因此智能化、标准化,系列化的供水设备是必然趋势.

为了克服以上缺点,下面着重介绍变频恒压供水系统用来代替以前老旧传统的水塔供水系统.压力恒定是变频恒压供水系统最大好处之一,可以保证某处的供水能力和用水流量处于平衡状态,恰到好处地满足了用户所需的用水流量,并把它应用于多层住宅小区生活消防供水系统.在本文技术改造实践中,体现了变频控制恒压供水的技术优势,充分解决老旧设备需要频繁检修的问题,又要达到节省资金的目的.

1 系统方案

目前住宅小区变频恒压供水系统设计方案主要采用quot;一台变频器控制一台水泵quot;(即quot;一拖一quot;)的单泵控制系统和quot;一台变频器控制多台水泵quot;(即quot;一拖Nquot;)的多泵控制系统.随着经济的发展,现在也有采用quot;二拖三quot;、quot;二拖四quot;、quot;三拖五quot;的发展趋势.本文中采用的是quot;一拖Nquot;方案.它具有平稳启动变频供水系统的优点,并且对电网冲击很小,对水泵平均的转速也可以降低到一定程度,更能够克服传统系统中的quot;水锤效应quot;,也能够延长水泵的阀门、管道的寿命.

2 系统组成

它主要是由变频器、PLC、TC时间控制器、PID调节器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及3台水泵等组成.

3 系统理论

本文中充分将一些现代新技术结合在一起,如可编程(PLC)控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术等等.系统理论认为:水泵出水总管上的电压信号是由远传系统里的压力表经过转换而成的,电压信号再经模拟/数字转换模块后得到数字量再送入PLC,经过PLC内部的PID运算后,输出一个参考量,该参考量经数字/摸拟转换后,得出模拟量,再将此模拟量传送到变频器中,从而控制其输出频率的变化.设备采用多泵并联方式的供水方式,一个好处就是运行的水泵数量的多少是由用水量的大小决定的.当用户用水量在比较小的情况下,由一台泵在变频工作,当用户用水量在增加的情况下,水泵运行的频率会随着用水量增加.当然,如果出现用户在用水量最大时,一台水泵在额定输出功率最大的情况下仍无法满足用户供水要求时,水泵会自动转换成工频运行状态自动启动下一台水泵.反之,用户用水量在减少的情况下,水泵运行频率会自动调节,直到降至下限运行频率.如果还出现供水量仍大于用水量,那么系统会自动停止工频运行水泵,同时增加变频泵运转速度.在用水量降到某一定的程度时,变频主泵就会停止工作,而是由辅泵及小型气压罐来供水.

4 PLC的选用及程序

PLC的选用应考虑系统的性价比,性价比当然越高越好.电机的起/停、定期切换、自动投入供水泵的变频及故障的报警等依靠的是可编程控制器(PLC)的开关量输入/输出来控制.PLC内置的PID来决定电机转速、压力、电压、频率、电流的大小.因此,综合以上,我们可以考虑选用CPU224搭配扩展模块EM222、模拟量模块EM235.图1是PLC系统的配置图.

图1

程序上,这里充分利用了主程序和起动子程序.主程序里包括含有参与调节程序、电机切换程序、加电机程序、减电机程序.起动子程序实际上就是清零子程序.要注意的是在主程序中,变频器频率上下限到达滤波时间继电器的参数要设置好才能稳定系统.

5 选用变频器及设置变频器的参数

变频器的选用有它的原则.变频器的频率应该与供水泵功率相匹配,系统性能才能达到最大.既不能远大于供水泵功率,也不能远小于供水泵功率.变频器在运行前应该先进行初始参数的设置,变频器的工作参数应该先确定下来,才能对变频器进行设置.这样才能达到对系统的自动调整,以便让运行水泵的数量和负荷相匹配.对积分项和比例项的参数也要进行调整,才能保证系统的动态、静态反应达到最佳速度.同时也可以使响应速度更加优化、系统更加稳定.总而言之,在选用变频器时,一定要按负载特性满足使用的要求.也就是说,选用变频器时要按负载特性满足使用要求就可以.在这里我们可以考虑使用西门子的,参数的设置可以这样:P0003=3(专级);P0010=30; P0970=1,另外显示P0970(复位完成).

6 系统原理图(如图2)及工作过程

图2 恒压供水系统原理图

PLC对手动设定的压力信号以及在现场压力传感器的反馈信号会进行分析和计算,并将这种压力偏差转化为一定的变化率,在通过PID精密的运算后,转化为0～5V的模拟信号送入变频器,这个信号对电机的转速进行调节并对电机进行必要的软起动.系统(PLC)会对模拟输出量和压力偏差的值通过比较后,转化为I/O端口开关量,这个量的输出会对控制继电器组进行驱动切换,通过以上系统的协调后,来确定电机的台数.系统会自动完成电机的起/停、变频/工频的切换,并在对其中一台电动机变频转速确定之后,达到稳定动力系统工作压力的目的,从而达到恒压供水的状态.

7 对主控电路进行设计

恒压供水主控电路参考图3.M1、M2、M3是本系统的三台电机.三台电动机的平常起、停由KM1,KM2、KM3进行控制.电机的变频运行则分别由接触器KM4、KM5、KM6控制;系统中还设置了水泵电机的过载保护(由热继电器FR1/FR2/FR3担当).电路中的QS1、QS2、QS3、QS4是变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关.主电路的熔断器是FU.通用变频器为VVVF.

图3

电控系统控制如电路图4.手动/自动转换开关是SA.手动控制状态时将SA打在1的位置;自动控制状态时将SA打在2的位置.在手动运行的状态下,控制三台电机的起/停和电磁阀YV2的通/断,可用按钮SB进行控制.在自动运行状态时,系统会在PLC程序的控制下平稳运行.

图4 电控系统控制电路图

8 结语

PLC及变频器在恒压供水系统中有很广泛的应用,事实证明恒压供水系统的可靠运行是传统系统所不能比拟的,它的优势还在于管网中的压力可以保持在一定的值,达到节能、节水、节地、节资的目的.即使变频器出现故障后也还能保障系统供水,同时也能够实现故障排除后自动启动的目的,具有一定的先进性及推广性.

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[2]李良仁.变频器技术与应用[M].北京电子工业出版社,2004.

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TU991

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1671-0711(2017)11(下)-0112-03