試論ＰＬＣ與變頻器對小區供水系統的改造

李綺華

某小區占地150000m2,其中綠化面積53%,綠化日均用水量300m3,最高用水量70m3/h。小區引水工程由二級泵組組成,兩級泵組之間建有50m3的低位調節池。一級泵房由兩臺7.5kW流量為100m3/h的水泵(一用一備),引河水入調節池。兩臺7.5kW流量為50m3/h的水泵(一用一備),電接點壓力表和壓力罐組成的穩壓供水控制系統,將調節池的水送入小區各用水點。系統投入使用不到4年,由于啟動頻繁,故障變高,對小區綠化工作帶來很大影響,二級泵房的設備改造勢在必行。根據二級泵房的重要性及小區情況,結合市場上恒壓供水系統的性價比,二級泵房采用PLC及變頻器進行系統改造。

一、恒壓供水系統簡述

改造后的綠化供水系統原理,如圖1所示。系統由原來的兩臺7.5kW水泵改為三臺流量為22m3/h、揚程為36m的5.5kW水泵組成,水泵的總流量提高到66m3/h,電接點壓力表改成遠傳壓力表。由于氣壓罐具有小流量調節、貯能保壓、消除水錘、消除壓力抖動的作用,有利于壓力表的正確測控使用,故保留了原來的氣壓罐;使用原來的浮球,用于新系統的缺水保護信號;增加了由接觸器組、PLC和變頻器等組成的控制柜,由PLC控制變頻器改變水泵的轉速來穩定系統壓力。

管網壓力通過安裝在出水管網上的遠傳壓力表,變換成0～5V的標準信號與設定壓力信號,送入模擬量I/O輸入輸出模塊;經轉換后送至PLC的內置數字式PID調節器;經PID控制程序的運算,得出一個調節參數,返回給模擬量I/O模塊轉換成標準的0～10V的電壓信號送給變頻器,由變頻器控制水泵的轉速,調節系統供水量,使供水系統管網中的壓力保持在設定壓力。根據用水壓的大小,由PLC控制工作水泵數量的增減及變頻器對水泵電機的調速,實現恒壓供水。當供水負載變化時,輸入電機的電壓和頻率也隨之變化,構成了以設定壓力為基準的閉環控制系統。

二、主要電氣元件及原理圖

1.供水系統主電路

如圖2所示,水泵電機分別為M1、M2、M3。接觸器KM1,KM3,KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行;接觸器KM2,KM4,KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運行;QF1、QF2、QF3、QF4、QF5分別為控制柜總電源、水泵主電路、變頻器的斷路器。FNR-P11S為變頻器。

2.供水系統控制電路

如圖3、4所示,圖中SA1是為手動、自動轉換開關。手動狀態時可以通過面板上六個按鈕SB1-SB6任意直接“啟動/停止”每一臺電機。自動運行時,系統在PLC程序控制下運行。KA0和FU1、FU2、FU3組成控制柜的缺相保護及控制電路的短路保護。KA4為自動運行時缺水保護繼電器,使用24V直流電壓。KA5為變頻器的控制繼電器,通過其常開、常閉觸點控制變頻器的啟動和關斷。外置鐘控KT可以在上班時間內自動開泵供水,還能應對臨時供水需求。各泵的工頻及變頻轉換邏輯控制采用了電氣互鎖。

3.PLC控制系統I/O點地址分配及選型

如表1所示,系統共有開關量輸入點4個,開關量輸出點7個;模擬量輸入點2個,模擬量輸出點1個。選用西門子S7-200系列PLCCPU224與模擬量I/O模塊EM235(4AI/1AO)組成控制系統。

4.變頻器泵用標準

變頻器采用富士的泵用標準5000P11S系列的FRN5.5P11S-4CX。KA5的常開觸點接變頻器的端子FWD,控制變頻器正轉;常閉觸點接變頻器的端子X8,使變頻器在PLC切換電機時立即停止輸出。模擬量I/O模塊的V0、M0分別接變頻器的端子12、11,以實現用EM235的輸出電壓的信號控制變頻器運行頻率。變頻器的上限頻率設置為50HZ,下限頻率為防止水泵轉速較低形成“空轉”,在調試中發現設置為36HZ較合適。變頻器的參數設置,如表2所示。

三、PLC程序設計

PLC的梯形圖程序編程采用STEP7-Micro/WIN。它是西門子SIMATIC PLC的視窗軟件支持工具,可進行離線編程和在線連接和調試。整個程序由主程序OB1、數據轉換子程序SBR??_1、PID子程序PID0_EXE及PID中斷子程序PID0_INITX四部分組成。其中,PID子程序PID0_EXE及PID中斷子程序PID0_INITX由系統的指今向導自動生成。PID調節參數經過多次調整后,又在現場用STEP 7-Micro/WIN的直觀的交互式PID調節控制面板在線自動調節后將參數寫入PLC。

三臺泵根據恒壓的需要,采取“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。在SA1轉為自動方式時,1#電機變頻運行(此時Q0.1,Q1.1運行);如果變頻器達到頻率上限(VD250=3200),則定時器T37開始計時(60S),計時完畢后關閉Q0.1、Q1.1,接通Q0.0(變頻器立即停止輸出頻率由50Hz停至0Hz,1#泵處于自由旋轉狀態,同時1#泵切換至工頻運行),延時1S,延時完畢,Q0.3得電,為2#泵變頻啟動做好準備;Q0.3得電后,再延時1S后啟動變頻器即Q1.1得電,1#電機工頻運行,2#電機投入變頻運行(此時Q0.0、Q0.3、Q1.1運行);如果變頻器又達到頻率上限(VD250=3200),則定時器T37又開始時計時(60S),計時完畢后關閉Q0.3、Q1.1,接通Q0.2(2#泵電機轉為工頻運行),延時完畢后,則1#電機投入工頻運行,2#電機投入工頻運行,3#電機投入變頻運行(此時Q0.0、Q0.2、Q0.5、Q1.1運行)。

如果運行在1#電機工頻運行,2#電機工頻運行,3#電機變頻運行既有Q0.0、Q0.2、Q0.5、Q1.1運行)的狀態下,變頻器出現頻率下限(VD250=0),則定時器T38開始計時(30S),計時完畢后關閉Q0.0,此時2#電機處于工頻運行,3#電機處于變頻運行既有 Q0.2、Q0.5、Q1.1運行;如果變頻器又達到頻率下限(VD250=0),則定時器T38又開始計時(30S),計時完畢后,關閉Q0.2,此時僅3#電機處于變頻運行(即Q0.5、Q1.1運行)。

系統在投入電機時設置為“到達頻率上限后連續計時60S”,而在切除電機時設置為“到達頻率下限后30S”。這是為了防止運行著的電機全速運行壓力還低于給定壓力時,能盡快投入電機使壓力升高,同時防止當壓力在切換電機狀態附近波動時頻繁切換電機。

程序中還考慮了三臺水泵電機變頻循環切換的功能。一臺電機單獨處于變頻運行狀態時,當計時時間(2h)到時,關閉該電機和變頻器,并延時2s,延時到后起動另一臺電機變頻運行。各電機的控制除了硬件互鎖外在程序中又采用了軟元件的互鎖,提高了系統控制的可靠性和安全性。

系統運行當中,如果三臺水泵均發生過載故障時或變頻器出現故障時,停機并報警;而系統檢測到EM235模塊故障時則直接停機,有利于系統安全及快速檢修。

該工程試運行一個月后,系統正式投入運行。除了在試運行期間做過幾次PID參數的自動在線調整外,系統各部分運行正常。日均用水量減少了近50m3,日均用電量少了近10kwh,與原來恒壓供水系統相比較,有一定的節能效果;水泵起動平穩,起動電流限制在額定電流以內,減少了水泵啟動時對閥門及管網的沖擊;供水壓力穩定,供水點的閥門故障也很少發生,整個改造工程取得了成功。

(作者單位:廣東省交通高級技工學校)