變頻器&PLC 在供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬衛(wèi)忠

（上海博士高環(huán)保設(shè)備工程有限公司，上海 200092）

1 恒壓水控的工作原理

1.1 恒壓水控系統(tǒng)概述

恒壓供水是指保持管網(wǎng)中水壓的基本恒定，不因用戶用水量的多少而改變。在高層建筑中，通常采用恒定管網(wǎng)的壓力來維持對高層的供水。恒壓供水系統(tǒng)的基本控制策略是:采用可編程控制器也就是我們所說的PLC與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行。并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值。運(yùn)用恒壓水控技術(shù)，既可以滿足生產(chǎn)供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，為居民供水提供便利。

1.2 PLC、變頻器在現(xiàn)代水控系統(tǒng)中的運(yùn)用

自來水廠的自動控制系統(tǒng)一般分為兩大部分，一是水源地深水泵的工作控制，而另外一種則是水廠區(qū)變頻恒壓供水控制。水廠區(qū)變頻恒壓供水控制運(yùn)用十分廣泛，水廠在運(yùn)用變頻恒壓供水控制時，水源通過水廠區(qū)對水池的水進(jìn)行消毒處理后，使得加壓泵向管路進(jìn)行恒壓供水，其間，就需要選用PLC和上位機(jī)組成實(shí)時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。對深水泵進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并且對供水泵采用變頻器進(jìn)行恒壓控制，通過PLC、變頻器在現(xiàn)代水控系統(tǒng)中的運(yùn)用，可以保證整個水廠的工作電機(jī)安全，可靠地運(yùn)行。

1.3 運(yùn)用PLC、變頻器水控系統(tǒng)的特性

運(yùn)用了變頻器和PLC的恒壓供水系統(tǒng)，變頻器可以為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速。從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。此外壓力變送器還具有檢測管網(wǎng)水壓的作用。PLC則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時還是變頻器的驅(qū)動控制，根據(jù)用水量的實(shí)際變化，實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行。變頻器和PLC的應(yīng)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便，對于消除了對電網(wǎng)、電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的沖擊，延長機(jī)電設(shè)備的使用壽命具有很大的作用。

2 變頻器、PLC在水控系統(tǒng)中的運(yùn)用設(shè)計(jì)

利用變頻器與PLC設(shè)計(jì)水控系統(tǒng)，需要根據(jù)供水管道的壓力值控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，將壓力維持在所需的壓力值上，將平時不必消耗的能量節(jié)省下來，從而達(dá)到節(jié)電的目的。設(shè)計(jì)主要的流程分為以下幾個步驟：

2.1 恒壓供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代工業(yè)運(yùn)用中，恒壓水控系統(tǒng)一般包括 3臺水泵電動機(jī)M l、M 2、M 3， 通過模擬設(shè)定，其中M l的功率為45kW，M 2為22kW，M 3為22kW。設(shè)計(jì)電路時，為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)一臺變頻器依次控制每臺水泵，來實(shí)現(xiàn)恒壓控制。為了使得系統(tǒng)具有變頻和工頻兩種運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻泵達(dá)到水泵額定轉(zhuǎn)速后，如水壓在所設(shè)定的判斷時間內(nèi)還不能滿足恒壓值時，系統(tǒng)自動將當(dāng)前變頻泵狀態(tài)切換為工頻狀態(tài)，并指示下一臺泵為變頻泵。可以設(shè)計(jì)其中接觸器KM 2、KM 4、KM 6分別控制 M l、M 2、M 3變頻運(yùn)行，KM l、KM 3、KM 5分別控制M l、M 2、M 3工頻運(yùn)行， FU為主電路的熔斷器，變頻器是風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載專用變頻器MM 430，通過合理的分析，可以得到的恒壓供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖

2.2 變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)

變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)主要包括四個大的板塊：一是壓力傳感器，是水控系統(tǒng)的控制輸入量，能否準(zhǔn)確采集該信號決定控制系統(tǒng)的精度及可靠性。二是PLC控制器,是整個控制系統(tǒng)的核心，通過對外界輸入狀態(tài)進(jìn)行檢測，對外界輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理后，輸出相應(yīng)的控制量。三是變頻器，作為核心控制器的后續(xù)控制單元，對終端設(shè)備進(jìn)行控制，最終達(dá)到控制要求。例如多段調(diào)速、變頻器調(diào)速等。最后還有水泵組成，供水系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過變頻器控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后達(dá)到控制水泵流量大小的。變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成圖

據(jù)城市供水電氣控制系統(tǒng)的功能要求，從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面來考慮，由于城市供水電氣控制系統(tǒng)的輸入/輸出端口較多，而其控制過程相對復(fù)雜，結(jié)合變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)，可以規(guī)劃出變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成如圖3所示。

圖3 變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成

3 PLC和變頻器在水控系統(tǒng)中的運(yùn)用改進(jìn)

現(xiàn)代水控系統(tǒng)運(yùn)用PLC與變頻器還存在著一定的局限性。主要體現(xiàn)在主要是PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的：如專用總線、專家通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議，I/O模板不通用，甚至連機(jī)柜、電源模板亦各不相同。編程語言雖多數(shù)是梯形圖，但組態(tài)、尋址、語言結(jié)構(gòu)均不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。使用變頻器時也存在著一些缺點(diǎn)：如使用變頻器會產(chǎn)生干擾電波，影響到同一電網(wǎng)的敏感元件。在工業(yè)實(shí)踐中，常常產(chǎn)生一些問題困擾著水控系統(tǒng)的工作人員，對此，通過分析，可以總結(jié)出幾條對于運(yùn)用變頻器和PLC的常見應(yīng)急措施。

3.1 變頻泵過壓跳閘問題

以某水務(wù)局的水控系統(tǒng)為例，一臺100kW工頻泵和一臺 160kW 變頻泵并聯(lián)為市區(qū)供水為例，當(dāng)100kW工頻泵拉閘停機(jī)時，變頻泵報(bào)過壓跳閘。某水務(wù)局水控設(shè)計(jì)圖如圖4。

圖4 某水務(wù)局的水控系統(tǒng)

通過這一具體的案例分析可以知道工頻泵工作時，水流在管道中高速流動，形成很大的慣性。當(dāng)工頻泵突然停止，管道中產(chǎn)生負(fù)壓，形成空化現(xiàn)象，負(fù)壓將水從變頻泵中吸入，推動葉輪轉(zhuǎn)動，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速高于變頻器的輸出轉(zhuǎn)速，電動機(jī)產(chǎn)生發(fā)電效應(yīng)。為此，可以通過在變頻器上加裝制動電阻來解決變頻泵過壓跳閘這一問題。

3.2 電動機(jī)過流現(xiàn)象

在鄂爾多斯某水務(wù)局一臺變頻水泵，當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到 16Hz時，總是會出現(xiàn)變頻器過流跳閘的現(xiàn)象。通過分析，可以知道因?yàn)樽冾l器驅(qū)動的是水泵，水泵按平方率特性曲線輸出，不會在某頻率出現(xiàn)過載情況。那么變頻器過流另有原因。斷開電動機(jī)，空載運(yùn)行正常，再接入電動機(jī)，仍然在16Hz左右出現(xiàn)過流跳閘。換一臺電動機(jī)，運(yùn)行正常，說明過流是電動機(jī)故障。

對此，為了處理電動機(jī)的過流問題，可以分解電動機(jī)，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)繞組有短路現(xiàn)象。原來變頻器的輸出頻率上升時，電壓也在上升，當(dāng)電壓上升到匝間擊穿電壓時，變頻器過流跳閘。

3.3 水泵變頻器過載

某供水單位使用艾默生 TD2000-4T0300P（30kW）變頻器拖動水泵負(fù)載，如圖5所示。使用過程中變頻器經(jīng)常報(bào)E013過載，檢查故障電流記錄58A，經(jīng)查說明書：風(fēng)機(jī)、水泵變頻器過載能力為：110%額定電流1m in，通過研究發(fā)現(xiàn)：變頻器的過載保護(hù)按反時限曲線不同分為G型和P型。本例機(jī)型為P型機(jī)，當(dāng)變頻器輸出電流達(dá)到95%持續(xù)時間達(dá)到1小時時，即報(bào)“E013”。當(dāng)變頻器輸出電流達(dá)到110%、持續(xù)時間達(dá)到1分鐘也同樣報(bào)E013。

圖5 艾默生TD2000-4T0300P(30kW)變頻器拖動水泵運(yùn)行圖

經(jīng)現(xiàn)場了解和查看，發(fā)現(xiàn)水泵負(fù)載長期工作在48Hz，電流長期在58A左右，報(bào)E013的原因?yàn)樽冾l器帶載能力不夠，需要更換更高一級的變頻器，即更換為 TD2000-4T0370P或 EV2000-4T0370P（37kW）。

3.4 PLC與變頻器在水控系統(tǒng)運(yùn)用的改進(jìn)措施

為了提高水控系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定性與安全性，對于PLC與變頻器的使用有著一些注意事項(xiàng)以及改進(jìn)措施。

為了實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的分散控制和集中管理，水控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采用了三層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，主電路中變頻與工頻中使用的接觸器應(yīng)采用帶有機(jī)械聯(lián)鎖的接觸器，并且應(yīng)當(dāng)嚴(yán)禁將工頻電源引入到變頻器中。變頻器的供電部分除了加裝空氣開關(guān)外，最好加裝快速保險(xiǎn)，以保證由于過電流造成的損壞PLC編程要考慮的問題。而作為最重要的人機(jī)操作界面的變頻器操作面板，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的輸入功能，還能實(shí)現(xiàn)頻率、輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩、端子狀態(tài)、閉環(huán)參數(shù)、長度等物理量的監(jiān)控，以及對這些物理量進(jìn)行存儲與修改。于是，適當(dāng)?shù)耐ㄟ^變頻器的故障報(bào)警顯示，對上述物理量進(jìn)行適當(dāng)修改，來排除變頻器的有關(guān)故障也顯得十分必要。

在如今，多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是近幾年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線。他是通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)發(fā)展的結(jié)合點(diǎn)，是過程控制的發(fā)展方向，它既能獨(dú)立運(yùn)行，也可連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集散自動化系統(tǒng)的復(fù)雜控制功能，應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域，用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的自來水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)多年的實(shí)際運(yùn)行證明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，報(bào)警及時，且對于變頻器以及PLC的穩(wěn)定性具有可靠地保障。運(yùn)用這種控制技術(shù)對結(jié)合了變頻器以及PLC的水控系統(tǒng)，具有較大的推廣價值。

4 結(jié)論

運(yùn)用了變頻器和PLC的水控系統(tǒng)，不僅性能穩(wěn)定可靠，而且能夠非常好地控制可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，水控系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，對于恒壓水控系統(tǒng)的功能擴(kuò)充和設(shè)計(jì)創(chuàng)新，實(shí)為重要。

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