試論ＰＬＣ與變頻器對小區(qū)供水系統(tǒng)的改造

李綺華

某小區(qū)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(qū)引水工程由二級泵組組成,兩級泵組之間建有50m3的低位調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(wěn)壓供水控制系統(tǒng),將調(diào)節(jié)池的水送入小區(qū)各用水點。系統(tǒng)投入使用不到4年,由于啟動頻繁,故障變高,對小區(qū)綠化工作帶來很大影響,二級泵房的設(shè)備改造勢在必行。根據(jù)二級泵房的重要性及小區(qū)情況,結(jié)合市場上恒壓供水系統(tǒng)的性價比,二級泵房采用PLC及變頻器進行系統(tǒng)改造。

一、恒壓供水系統(tǒng)簡述

改造后的綠化供水系統(tǒng)原理,如圖1所示。系統(tǒng)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(diào)節(jié)、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(tǒng)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(zhuǎn)速來穩(wěn)定系統(tǒng)壓力。

管網(wǎng)壓力通過安裝在出水管網(wǎng)上的遠傳壓力表,變換成0～5V的標準信號與設(shè)定壓力信號,送入模擬量I/O輸入輸出模塊;經(jīng)轉(zhuǎn)換后送至PLC的內(nèi)置數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器;經(jīng)PID控制程序的運算,得出一個調(diào)節(jié)參數(shù),返回給模擬量I/O模塊轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量,使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在設(shè)定壓力。根據(jù)用水壓的大小,由PLC控制工作水泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵電機的調(diào)速,實現(xiàn)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(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

二、主要電氣元件及原理圖

1.供水系統(tǒng)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(tǒng)控制電路

如圖3、4所示,圖中SA1是為手動、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。手動狀態(tài)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(tǒng)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(guān)斷。外置鐘控KT可以在上班時間內(nèi)自動開泵供水,還能應(yīng)對臨時供水需求。各泵的工頻及變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制采用了電氣互鎖。

3.PLC控制系統(tǒng)I/O點地址分配及選型

如表1所示,系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點4個,開關(guān)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(tǒng)。

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(zhuǎn);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(xiàn)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(shè)置為50HZ,下限頻率為防止水泵轉(zhuǎn)速較低形成“空轉(zhuǎn)”,在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)設(shè)置為36HZ較合適。變頻器的參數(shù)設(shè)置,如表2所示。

三、PLC程序設(shè)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(diào)試。整個程序由主程序OB1、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(tǒng)的指今向?qū)ё詣由?。PID調(diào)節(jié)參數(shù)經(jīng)過多次調(diào)整后,又在現(xiàn)場用STEP 7-Micro/WIN的直觀的交互式PID調(diào)節(jié)控制面板在線自動調(diào)節(jié)后將參數(shù)寫入PLC。

三臺泵根據(jù)恒壓的需要,采取“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。在SA1轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)狀態(tài),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(guān)閉Q0.3、Q1.1,接通Q0.2(2#泵電機轉(zhuǎn)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(tài)下,變頻器出現(xiàn)頻率下限(VD250=0),則定時器T38開始計時(30S),計時完畢后關(guān)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(guān)閉Q0.2,此時僅3#電機處于變頻運行(即Q0.5、Q1.1運行)。

系統(tǒng)在投入電機時設(shè)置為“到達頻率上限后連續(xù)計時60S”,而在切除電機時設(shè)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(tài)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(huán)切換的功能。一臺電機單獨處于變頻運行狀態(tài)時,當計時時間(2h)到時,關(guān)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(tǒng)控制的可靠性和安全性。

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

該工程試運行一個月后,系統(tǒng)正式投入運行。除了在試運行期間做過幾次PID參數(shù)的自動在線調(diào)整外,系統(tǒng)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(tǒng)相比較,有一定的節(jié)能效果;水泵起動平穩(wěn),起動電流限制在額定電流以內(nèi),減少了水泵啟動時對閥門及管網(wǎng)的沖擊;供水壓力穩(wěn)定,供水點的閥門故障也很少發(fā)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)