基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施宏偉 李維國(guó)

引言：

近幾十年來(lái)變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)化國(guó)家已開(kāi)始了規(guī)模的應(yīng)用。80年代末，我國(guó)的民用及工業(yè)建筑電氣設(shè)計(jì)等領(lǐng)域也開(kāi)始使用變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速與傳統(tǒng)（如直流電機(jī)調(diào)速）比較，具有很大的優(yōu)越性：整個(gè)系統(tǒng)體積小，重量輕，控制精度高，保護(hù)功能完善，操作過(guò)程簡(jiǎn)便、可靠性高、通用性強(qiáng)，尤其是該技術(shù)用于一些高耗能設(shè)備的控制上，具有非常顯著的節(jié)能效果。通過(guò)對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，可使總耗電量減少30%—40%，節(jié)能的量級(jí)產(chǎn)生了一種飛躍。

變頻供水是從20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)供水應(yīng)用新技術(shù)，主要用于水廠、各種類型的生產(chǎn)廠、高層樓宇的供水系統(tǒng)，具有水壓恒定、噪聲小、節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于供水系統(tǒng)在運(yùn)行中流量和水壓在一天中的變化較大，如果使用傳統(tǒng)的電氣控制，設(shè)備啟動(dòng)頻繁，電流和水壓沖擊嚴(yán)重及設(shè)備維修量大，而且對(duì)供水壓力的控制來(lái)說(shuō)也很麻煩，總得人工對(duì)水泵進(jìn)行啟停操作，浪費(fèi)大，最終還影響供水質(zhì)量，供水成本也高，而變頻供水的出現(xiàn)使這些問(wèn)題迎刃而解。

作為應(yīng)用現(xiàn)代電力電子器件與微計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的交流變頻調(diào)速裝置，隨著產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，使得交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場(chǎng)巨大的技術(shù)革命。當(dāng)前自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置均采用交流變頻技術(shù)，而系統(tǒng)的控制裝置采用PLC控制器。恒壓供水系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的手段。

一、恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一）恒壓供水系統(tǒng)的組成及工作原理

采用了3臺(tái)水泵機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行供水方式，其中1、2號(hào)泵即可變頻又可工頻運(yùn)行，3號(hào)泵只變頻運(yùn)行；選用專為風(fēng)機(jī) 、泵用負(fù)載設(shè)計(jì)的普通功能型控制方式的三菱變頻器（型號(hào)FR-A540-11K-CH），變頻器內(nèi)置 PID 控制模塊；PLC 選用易于操作的具有I/O點(diǎn)數(shù)，16/16的三菱FX2N-32MR；壓力變送器選用普通壓力表 Y-100 和 XMT-I270 數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)、顯示和變送。系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)撥碼開(kāi)關(guān)，可分別控制1、2號(hào)泵單獨(dú)在工頻下的運(yùn)行與停止，這主要用于定期檢修和突發(fā)事件臨時(shí)供水。系統(tǒng)有普通生活供水和火災(zāi)供水兩種工作模式，系統(tǒng)要工作時(shí)PLC首先利用變頻器軟啟動(dòng)1號(hào)泵 ，此時(shí)裝在管網(wǎng)上的水壓傳感器將實(shí)測(cè)的管網(wǎng)壓力反饋到變頻器，同預(yù)先在變頻器面板設(shè)定的給定值進(jìn)行比較，通過(guò)變頻器內(nèi)部PID運(yùn)算，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，以達(dá)到控制電機(jī)工作轉(zhuǎn)速。在用水量較大時(shí)，變頻器輸出頻率接近頻率上限時(shí)，PLC通過(guò)邏輯運(yùn)行，將當(dāng)前工作的變頻泵由變頻切換到工頻下工作，并復(fù)位變頻器，再將變頻器切換到下一臺(tái)泵，由變頻器軟起動(dòng)該泵，達(dá)到增大供水量目的。當(dāng)用水量較小時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)到的管網(wǎng)壓力高于給定值時(shí)，經(jīng)過(guò)變頻器PID運(yùn)算后，可關(guān)斷工頻運(yùn)行泵，同時(shí)變頻器復(fù)位，變頻工作泵號(hào)減一，然后由變頻器軟啟動(dòng)該泵，以降低水壓。這樣根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺(tái)數(shù)的方案在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持給定值。

（二）恒壓供水系統(tǒng)其它輔助工作模式

1.水池水位達(dá)到下限處理模塊

當(dāng)水池欠水位時(shí)，立即關(guān)斷所有工作泵，防止電機(jī)空載運(yùn)行造成損壞，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警指示燈，以提醒工作人員做出相應(yīng)處理。當(dāng)水位恢復(fù)正常滅掉指示燈，由變頻器軟啟動(dòng)一號(hào)泵進(jìn)入正常運(yùn)行軌道。

2.變頻器故障模塊

當(dāng)變頻器故障時(shí)，立即關(guān)斷所有工作泵，報(bào)警電鈴、指示燈均工作。此時(shí)我們可以手動(dòng)分別控制1、2號(hào)泵工頻運(yùn)行，以維持供水。當(dāng)故障消除，報(bào)警電鈴、指示燈停止工作，軟啟動(dòng)一號(hào)泵，變頻運(yùn)行進(jìn)入正常軌道。

3.火災(zāi)模塊

火災(zāi)時(shí)，供水壓力設(shè)定值變大，指示燈、報(bào)警電鈴工作，此時(shí)供水和普通生活供水類似。滅火后，軟啟動(dòng)一號(hào)泵，變頻運(yùn)行進(jìn)入生活供水模式，指示燈、報(bào)警電鈴?fù)Ｖ构ぷ鳌?/p>

二、供水系統(tǒng)組成部件簡(jiǎn)單介紹

（一）PLC簡(jiǎn)介

可編程序控制器（PLC）主要以計(jì)算機(jī)的微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)的應(yīng)用技術(shù)、通訊技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種通用控制器。最初，PLC還僅是作為繼電器接觸器控制系統(tǒng)的替代品，而自從進(jìn)入電氣控制系統(tǒng)領(lǐng)域后，凸顯了其獨(dú)有的優(yōu)越性，以其自身強(qiáng)大的抗干擾能力、自診斷功能、通用性、模塊化結(jié)構(gòu)、安裝簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小、編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，提高了電氣控制系統(tǒng)的可靠性，基本解決了普通繼電器及接觸器中常見(jiàn)的故障問(wèn)題，具有很強(qiáng)優(yōu)越性，得到普遍適用。

本次恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能選用三菱FX2N-32MR，經(jīng)過(guò)編程軟件測(cè)試能很好完成預(yù)期功能。

（二）變頻器簡(jiǎn)介

PID控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制力式之一。它的原理通過(guò)控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)控制量（反饋量），將其與目標(biāo)值（溫度、流量、壓力等設(shè)定值）進(jìn)行比較。若有偏差，則通過(guò)此功能的控制動(dòng)作使偏差為零。也就是使反饋量與目標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過(guò)程量的控制。

1.變頻器工作原理

本次設(shè)計(jì)選用內(nèi)置PID模塊的FR-A540變頻器來(lái)控制水泵電機(jī)的工作，簡(jiǎn)單說(shuō)明：通過(guò)對(duì)變頻器面板設(shè)定的水壓值與壓力傳感器反饋值進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差，然后由內(nèi)部PID模塊按預(yù)先調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，得出調(diào)節(jié)量，控制變頻器輸出，從而改變水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，來(lái)保持供水管網(wǎng)壓力恒定。

2.變頻器參數(shù)設(shè)計(jì)

輸出額定電流---23A

輸出額定容量---17.5KVA輸出電壓（三相）--380V

（三）壓力傳感器接線圖

此裝置用于檢測(cè)供水管網(wǎng)壓力，同時(shí)把采集到值送人變頻器，來(lái)達(dá)到恒壓供水控制要求，

三、系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

三臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別為MI、M2、M3。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制一、二、三號(hào)泵的變頻運(yùn)行；KM2、KM4分別控制一、二號(hào)泵工頻運(yùn)行；FR1、FR2、FR3分別為三臺(tái)泵電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)的熱繼電器；QS1、QS2、QS3分別為變頻器和一、二號(hào)泵電動(dòng)機(jī)主電路的隔離開(kāi)關(guān)；VVVF為通用變頻器；FU1、FU2、FU3分別為三條線路保護(hù)熔斷器；FU4

為引出線熔斷器；QF為主斷路器。

（二）PLC硬件接線電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選擇輸入、輸出16/16型號(hào)PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)上面設(shè)計(jì)好的輸入輸出表格，按照PLC硬件接線規(guī)則。

四、總結(jié)與展望

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有節(jié)能、安全、供水質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。采用PLC為控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)在工業(yè)和生活中有很廣闊的應(yīng)用前景，除了具有明顯的節(jié)能效果外，還具有操作方便、容易，維護(hù)量小的特點(diǎn)，變頻器的軟啟動(dòng)功能也減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，使設(shè)備運(yùn)行方式更趨于合理，設(shè)備的自動(dòng)化水平得到提高。總之，采用變頻恒壓供水系統(tǒng)是一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。

【參考文獻(xiàn)】

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