基于PLC 和變頻器控制的恒壓供水系統(tǒng)

周曉東

大廠回族自治縣城鄉(xiāng)供水總公司，河北 廊坊 065300

0 引言

在城鄉(xiāng)供水系統(tǒng)中，隨著高層建筑的廣泛建設(shè)以及居民小區(qū)的規(guī)模化發(fā)展，原有的高位水塔供水系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足恒壓供水的要求，采用變頻恒壓控制是現(xiàn)代供水控制系統(tǒng)的新型方式，變頻恒壓供水系統(tǒng)可有效地降低“水錘”對泵體沖擊、節(jié)約電能、維持管網(wǎng)水壓恒定、實現(xiàn)無人值守等。具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。本文論述了一種基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)。利用PLC加以不同功能的傳感器、變頻器，根據(jù)壓力傳感器測得管網(wǎng)壓力的大小及變化來控制加壓泵的轉(zhuǎn)速及數(shù)量，使水管的壓力始終保持在合適的范圍內(nèi)，從而達(dá)到恒壓供水的目的。

1 恒壓供水系統(tǒng)原理

恒壓供水的基本思路是：采用電機(jī)調(diào)速裝置控制泵的轉(zhuǎn)速，并自動調(diào)整泵的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力。系統(tǒng)任意設(shè)定供水壓力值，其與反饋總管的壓力值通過PID調(diào)節(jié)后控制調(diào)速裝置，以調(diào)節(jié)加壓泵的運(yùn)行速度，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水壓力。與傳統(tǒng)的恒速泵供水系統(tǒng)、水塔高位水箱供水系統(tǒng)和氣壓罐供水系統(tǒng)相比，調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有供水質(zhì)量高、靈活性強(qiáng)、能耗少、電動機(jī)起制動平穩(wěn)、無水錘效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，從而獲得了廣泛應(yīng)用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)概況

本系統(tǒng)擬在控制2臺55kW和3臺30kW加壓泵相互配合完成恒壓供水。本文將以“一拖三”（一臺變頻器拖動三臺加壓泵，加壓泵功率為30kW），“一拖二”（一臺變頻器拖動兩臺加壓泵，加壓泵功率為55kW）的設(shè)備介紹PLC與變頻器組成的恒壓供水系統(tǒng)的工作原理。同時為了確保不間斷供水的要求，另外備有55kW加壓泵變頻器一臺，3臺30kW加壓泵可降壓啟動。當(dāng)水池水位低于下限時系統(tǒng)自動關(guān)閉，防止加壓泵干抽。

2.2 系統(tǒng)原理圖

2.3 主控線路圖（見右圖）

2.4 工作原理

系統(tǒng)可有兩種運(yùn)行方式：自動運(yùn)行和手動運(yùn)行。

2.4.1 自動方式

1）啟動程序

在自動運(yùn)行方式下開始啟動運(yùn)行時，首先檢測水池水位，若水池水位符合設(shè)定水位要求，1號泵變頻交流接觸器吸合，電機(jī)與變頻器1連通，變頻器1輸出頻率從O開始上升，此時壓力變送器檢測壓力信號反饋變頻器1，經(jīng)PID運(yùn)算后變頻器1自動控制頻率輸出；如壓力不夠，則頻率上升至50Hz，延時一定時間后，再次檢測壓力信號，如壓力仍然不夠，變頻器1輸出信號反饋PLC，將1號泵切換為工頻，2號泵變頻交流接觸器吸合，變頻啟動2號加壓泵，頻率逐漸上升，當(dāng)2號泵頻率至50Hz，經(jīng)過延時檢測后壓力仍不能達(dá)到設(shè)定值時，變頻器1信號反饋PLC，4號泵變頻交流接觸器吸合，電機(jī)與變頻器2連通，同時停止1號泵運(yùn)行，變頻器2輸出頻率從O開始上升直至出水壓力達(dá)到設(shè)定壓力，當(dāng)壓力經(jīng)延時檢測后仍不能達(dá)到要求時，變頻器1輸出信號反饋PLC，將2號泵切換為工頻，3號泵變頻交流接觸器吸合，變頻啟動3號加壓泵，頻率逐漸上升依次類推增加加壓泵。加壓泵啟動的規(guī)律為任意兩30kW加壓泵運(yùn)行時，如壓力不夠，則啟動55kW加壓泵，當(dāng)兩臺30kW加壓泵兩臺55kW加壓泵都運(yùn)行時，如壓力不夠，則啟動剩下的30kW加壓泵。

2）加壓泵切換程序

如用水量減小，出水壓力超過設(shè)定壓力，變頻器降低輸出頻率，減少出水量來穩(wěn)定出水壓力。若變頻器輸出頻率低于某一設(shè)定值(加壓泵出水頻率，一般為25 Hz)，而出水壓力仍高于設(shè)定壓力值時，PLC開始計時，若在一定時間內(nèi)，出水壓力降低到設(shè)定壓力，PLC放棄計時，繼續(xù)變頻調(diào)速運(yùn)行；若在計時時間內(nèi)出水壓力仍高于設(shè)定壓力，則根據(jù)先投先停和優(yōu)先停30kW加壓泵再停55kW加壓泵的原則。PLC將發(fā)出指令停止正在運(yùn)行的加壓泵中運(yùn)行時間最長的工頻泵，直至出水壓力達(dá)到設(shè)定值。

3）水池水位檢測

在自動供水的過程中，PLC實時檢測水池水位，若水位低于設(shè)定的報警水位時，蜂鳴器發(fā)出缺水報警信號；若水位低于設(shè)定的停機(jī)水位時，停止全部加壓泵工作，防止加壓泵干抽，并發(fā)出停機(jī)報警信號；若水池水位高于設(shè)定的水池上限水位時，蜂鳴器發(fā)出報警信號提示關(guān)閉水源泵。

4）變頻器故障處理

當(dāng)變頻器1突然發(fā)生故障，蜂鳴器報警，PLC檢測是否有55kW加壓泵空閑，如果有就將運(yùn)行中55kW加壓泵切為工頻運(yùn)行，并變頻啟動空閑55kW加壓泵，如果沒有或啟動后仍然達(dá)不到設(shè)定壓力，則PLC發(fā)出信號指令，根據(jù)壓力情況依次啟動加壓泵(采用降壓啟動方式)，此時PLC切換泵則根據(jù)實際水壓。當(dāng)變頻器3突然發(fā)生故障，蜂鳴器報警，PLC發(fā)出指令切掉故障變頻器啟用備用變頻器，并保持故障前55kW加壓泵運(yùn)行狀況。

2.4.2 手動運(yùn)行方式

選擇此方式時，按啟動按鈕或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各加壓泵（啟動方式為變頻器軟啟動）。當(dāng)啟動一個加壓泵后，再啟動另一個加壓泵時，前一個啟動的加壓泵自動轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，為了保證變頻器充分軟啟動，每個加壓泵軟啟動間隔為30s。這種方式僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使用。

2.5 傳感器的作用

本設(shè)計使用到了壓力傳感器和液位傳感器。壓力傳感器是實現(xiàn)閉環(huán)控制必不可少的裝置，它將壓力信號反饋給變頻器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。液位傳感器是決定系統(tǒng)師父能夠運(yùn)行和發(fā)出警報的必不可少的裝置，對系統(tǒng)的正常運(yùn)行起到了重要作用。

3 系統(tǒng)設(shè)計特點(diǎn)

變頻恒壓供水系統(tǒng)的最顯著優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10%～40%。從單臺水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。PLC、變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，并設(shè)有故障應(yīng)急處理功能，從而保證了不間斷高質(zhì)量供水。本設(shè)計采用兩種型號加壓泵供水并設(shè)有變頻工頻轉(zhuǎn)換，根據(jù)起停泵規(guī)律，從而解決了壓力臨界值時加壓泵的頻繁啟動停止問題，對延長加壓泵使用壽命有很大的幫助。3臺30kW加壓泵在變頻器故障時采用降壓啟動，節(jié)省了一定的費(fèi)用。

4 結(jié)論

在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，根據(jù)實際需壓力的變化自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速或加減泵，實現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能降耗；變頻器故障后仍能自動運(yùn)行，基本保障了不間斷供水。采用變頻器對電機(jī)實行軟啟動，啟動平穩(wěn)，啟動電流可限制在額定電流以內(nèi)，減少了設(shè)備損耗，延長了使用壽命?？傊?，采用以PLC和變頻器為核心的恒壓供水系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實用性。

[1]王樹主.交頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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