一種基于PLC的自動(dòng)輪換恒壓給水方案

王 帥

（天津中電華利電器科技集團(tuán)有限公司，天津 300300）

某商廈給水泵位于地下二層，有 3臺，均為15kW，設(shè)計(jì)供水壓力為 0.7MPa。商廈在白天用水量較大，需同時(shí)運(yùn)行2臺水泵方可滿足用水量要求；而夜間用水量極少，只需一臺水泵變頻運(yùn)行維持水壓即可，且晝夜用水量較為規(guī)律。

1 3臺水泵運(yùn)行方式

據(jù)此用水量特點(diǎn)，3臺給水泵按如下方式運(yùn)行：

1）變頻起動(dòng) 1#水泵，用水量不大時(shí)，1#水泵在變頻器控制下穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)用水量加大時(shí)，若1#水泵已接近工頻運(yùn)行而水壓仍不足，則將1#泵切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)變頻起動(dòng)2#水泵，此時(shí)當(dāng)滿足用水量要求。

2）當(dāng)夜晚用水量減少時(shí)，若 2#水泵已低速運(yùn)轉(zhuǎn)而水壓仍超限，2個(gè)信號同時(shí)被PLC檢測到，則停止工頻運(yùn)行的1#泵，由2#泵變頻運(yùn)行維持水壓。

3）第二天白天用水量加大時(shí)，2#水泵切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)變頻起動(dòng) 3#水泵；夜晚用水量減少，則停止2#水泵，由3#水泵變頻運(yùn)行維持水壓。

4）第三天白天用水量加大，3#水泵切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)變頻起動(dòng)1#水泵；夜晚停止3#水泵，由1#水泵變頻運(yùn)行維持水壓。

5）第四天白天 1#水泵工頻運(yùn)行，2#水泵變頻運(yùn)行；夜晚1#水泵停止，2#水泵變頻運(yùn)行。水泵輪換運(yùn)行狀態(tài)見表1。

表1 水泵輪換運(yùn)行狀態(tài)

根據(jù)表1可知，第四個(gè)晝夜水泵的運(yùn)行狀態(tài)開始重復(fù)第一個(gè)晝夜，即每經(jīng)過三個(gè)晝夜，3臺水泵將完成一個(gè)“變頻運(yùn)行-工頻運(yùn)行-停止”的完整輪換過程。

2 主回路方案設(shè)計(jì)

由于每一臺水泵均有“變頻-工頻”的切換過程，故每臺水泵需要兩臺接觸器來實(shí)現(xiàn)切換，兩臺接觸器需要有機(jī)械及電氣聯(lián)鎖。3臺水泵共需要 6臺接觸器實(shí)現(xiàn)切換功能。

主回路原理如圖1所示。

圖1 三臺給水泵主回路原理圖

每臺水泵均設(shè)置手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，并設(shè)置變頻、工頻啟停按鈕，在PLC或壓力傳感器等故障時(shí)，能夠手動(dòng)運(yùn)行保持供水不致間斷。

3 PLC輸入及輸出信號

該系統(tǒng)的最終執(zhí)行元件為接觸器，通過控制不同的接觸器閉合而控制水泵的變頻、工頻運(yùn)行，3臺水泵需3組共6個(gè)控制信號，加上變頻器起停信號、水壓失壓報(bào)警信號，整個(gè)系統(tǒng)共有8個(gè)輸出信號，見表2。

表2 PLC輸出信號

該系統(tǒng)輸入信號較輸出信號多，主要有3臺水泵的手/自動(dòng)狀態(tài)信號，故障信號，水壓上、下限信號，變頻器運(yùn)行頻率上、下限信號，變頻器故障信號等。輸入信號見表3。

表3 PLC輸入信號

該系統(tǒng)輸入信號如上表所示，共13個(gè)信號。由于系統(tǒng)選用了三菱電機(jī)FR-F740變頻器，運(yùn)行頻率上限取其模擬量輸出，故共有12個(gè)開關(guān)量信號和1個(gè)4～20mA信號。考慮到某一臺水泵故障情況下與該水泵在手動(dòng)狀態(tài)下PLC處理結(jié)果相同，均為另外兩臺水泵變頻-工頻輪換運(yùn)行，故可將手/自動(dòng)狀態(tài)信號與故障信號合二為一，如此，輸入信號將可減少為10個(gè)。

根據(jù)上述輸入輸出信號要求，選定PLC為三菱電機(jī)FX1N-24MR產(chǎn)品，具有14個(gè)繼電器輸入點(diǎn)與10個(gè)繼電器輸出點(diǎn)，且程序命令完全滿足該系統(tǒng)要求。PLC配置FX1N-2AB-BD雙通道模擬量輸入控制模塊，用以檢測變頻器SCA端子輸出的信號。

4 水壓模擬量處理

考慮到變頻器參數(shù)多而繁復(fù)且較為專業(yè)，一旦設(shè)定完畢不希望隨便改變，故該系統(tǒng)的模擬量信號——管網(wǎng)水壓信號（4～20mA）處理并不調(diào)用變頻器PID調(diào)節(jié)模塊，而是配備外部PID調(diào)節(jié)儀表。

圖2 PLC輸入輸出信號分配

圖3 變頻器頻率上限信號輸入

圖4 PID調(diào)節(jié)器

根據(jù)系統(tǒng)要求，配置一塊WT-A600型（天津索思儀表）單回路通用自整定PID調(diào)節(jié)器，該儀表具有兩行數(shù)碼顯示，分別顯示設(shè)定值與測量值；另有兩行光柱，分別顯示輸入及輸出百分比。

兩線制壓力變送器信號經(jīng)調(diào)節(jié)器PID反作用調(diào)節(jié)后輸出至變頻器外部模擬量控制端子，整個(gè)系統(tǒng)以壓力信號為設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋閉環(huán)控制運(yùn)行模式，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

該P(yáng)ID調(diào)節(jié)器可設(shè)置上下限報(bào)警功能，PLC輸入信號之壓力上下限即由此輸出。該調(diào)節(jié)器將系統(tǒng)設(shè)定值、上限值、下限值、比例參數(shù)P、積分參數(shù)I、微分參數(shù)D等幾個(gè)參數(shù)設(shè)置為常用參數(shù)，普通用戶可以修改，高級參數(shù)則需要輸入密碼，如此，用戶可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)定一些參數(shù)，并得到PID的最佳配值。

5 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

PLC程序可分為兩個(gè)部分，一部分根據(jù)判定條件確定水泵運(yùn)行情況，如加泵或減泵；另一部分確定水泵運(yùn)行或停止哪一臺。

圖5 標(biāo)志位設(shè)定梯形圖示意

利用PLC內(nèi)部軟繼電器設(shè)定兩個(gè)標(biāo)志位，分別為加泵命令（M0）和減泵命令（M1）。由 M8000將FX1N-2AB-BD模擬量輸入模塊的CH1設(shè)置為電流輸入模式（4～20mA），并將 CH1的值直接存進(jìn)D0中，當(dāng) D0中的數(shù)值達(dá)到 20mA（變頻器輸出50Hz）同時(shí)壓力下限信號 X1同時(shí)存在，經(jīng)過 20s延時(shí)，加泵標(biāo)志位置位，執(zhí)行當(dāng)前變頻運(yùn)行水泵切換工頻運(yùn)行，變頻起動(dòng)下一臺水泵的命令；同理，當(dāng)壓力上限信號X0與頻率下限信號X2同時(shí)存在，經(jīng) 20s延時(shí)M1置位時(shí)，執(zhí)行停止當(dāng)前工頻運(yùn)行水泵的命令。

6 結(jié)論

以輪換運(yùn)行的方式實(shí)現(xiàn)恒壓供水是一種常用的方案，相比有備用運(yùn)行的方式，實(shí)現(xiàn)了各臺水泵平均壽命，避免了常用水泵磨損嚴(yán)重而備用水泵長期不用甚至銹蝕的情況；并實(shí)現(xiàn)了在有水泵故障時(shí)，其余水泵組成新的輪換系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。

在工程案例中，可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行的水泵臺數(shù)和工藝要求選擇合適的輪換條件，如本文中的用水量的周期規(guī)律性。若現(xiàn)場要求長期運(yùn)行，則可以時(shí)間為條件輪換運(yùn)行以達(dá)到平均壽命的目的。如筆者曾以相似的方案為天津某汽車生產(chǎn)線機(jī)器人冷卻水配套控制設(shè)備，以累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為條件實(shí)現(xiàn) 4水泵輪換運(yùn)行，該控制系統(tǒng)至今已成功運(yùn)行兩年有余。不同之處在于水泵功率較大（30kW），由變頻運(yùn)行切換至工頻運(yùn)行時(shí)增加了軟起動(dòng)器。

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