PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)

PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由變頻器、PLC和兩臺水泵構(gòu)成。閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓供水是通過 PLC 控制變頻與工頻切換實現(xiàn)的。該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠等優(yōu)點。

社會經(jīng)濟的發(fā)展以及人民生活水平的提高，人們對供水的質(zhì)量與供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有了更高的要求，設(shè)計與選用高性能且適應(yīng)廣的恒壓供水系統(tǒng)成了當(dāng)今的發(fā)展趨勢。利用 PLC，運用不同功能的傳感器和網(wǎng)管的壓力，變頻器進而對水泵的速度進行調(diào)節(jié)，達到水管中的壓力保持在一定的范圍。

一、控制電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

PLC、變頻器、電機及電機測速系統(tǒng)共同構(gòu)成了PLC 控制電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。

二、PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)

供水泵組由PLC 與變頻調(diào)速技術(shù)控制。變頻調(diào)速系統(tǒng)的一個特殊應(yīng)用即恒壓供水系統(tǒng)。它具有效率高、控制效果好的優(yōu)點。

1、PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理

恒壓供水系統(tǒng)工作原理圖

壓力檢測轉(zhuǎn)換裝置、控制系統(tǒng)和水泵共同構(gòu)成了這個供水系統(tǒng)。管網(wǎng)的實際壓力與給定壓力進行比對，管網(wǎng)壓力不足時，水泵轉(zhuǎn)速在變頻器增大輸出頻率的情況下，就會加快，管網(wǎng)壓力在供水量的壓力下就會上升。同樣，供水量減小致使水泵轉(zhuǎn)速減慢，管網(wǎng)壓力相對下降，供水就會保持在恒定狀態(tài)。變頻器的輸出頻率通過壓力檢測轉(zhuǎn)換裝置對管道壓力進行檢測，檢測到的信號會轉(zhuǎn)換成0-5伏或4-20毫安的電信號，調(diào)節(jié)器通過運算并與設(shè)定值進行比較后，進行控制變頻器。通過水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道的水壓在系統(tǒng)的控制下達到恒定。同時，變頻器具有軟啟動的功能，對電機有一定的保護功能。平滑無擾動切換和控制的實現(xiàn)，是因為變頻器輸出頻率受到了檢測。

2、PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

中心控制裝置由壓力傳感器、PLC 和變頻器組成，所有功能均能實現(xiàn)。管網(wǎng)干線上的壓力傳感器對管網(wǎng)的水壓進行檢測，同時把壓力轉(zhuǎn)化為4-20毫安的電流信號，發(fā)送至PLC 與變頻器。水泵電機的控制設(shè)備就是變頻器，它能將0-5赫茲的頻率信號，根據(jù)水壓恒定的需要，傳送給水泵電機，對它的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。泵站供水的實際情況與需求，應(yīng)該有三臺水泵并用一臺變頻器，不僅要改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，而且水壓的恒定也需要增減運行泵的臺數(shù)進行維持，因為運行泵不能達到恒壓的要求時，下一臺水泵就要投入運行。壓力在變頻器輸出頻率降至最小后依然過高，就要停止一臺運行泵，這就要求不僅對開關(guān)量進行控制，還要對數(shù)據(jù)進行處理。PLC 自動采樣，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，放在數(shù)據(jù)寄存器中，通過數(shù)據(jù)處理指令調(diào)用，數(shù)據(jù)接觸器隨時接受指定的數(shù)據(jù)。壓力傳感器電流信號和變頻器輸出頻率信號，都可以通過它被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，提供給PLC，同時與恒壓對應(yīng)電流值、頻率上限、頻率下限進行比對，從而泵的切換與轉(zhuǎn)換的變化可以實現(xiàn)。水泵在變頻器和工頻電網(wǎng)之間的切換過程在系統(tǒng)進行設(shè)計時就應(yīng)該提高其速度，從而保證水能連續(xù)供應(yīng)，盡可能減小水壓的波動，使供水的質(zhì)量提高。同時，硬件上必須設(shè)置閉鎖保護防止故障的發(fā)生。

三、變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程

接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號，系統(tǒng)通電啟動變頻器，變頻泵M1開始工作，變頻器的輸出頻率通過由壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的偏差，進行調(diào)節(jié)，進而控制Ml的轉(zhuǎn)速，供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速就會穩(wěn)定在這個定值狀態(tài)。

壓力變送器在用水量增加水壓減小時，就會反饋水壓減小信號，進而PLC的輸出信號因偏差變大而變大，繼而變頻器的輸出頻率變大，水泵的轉(zhuǎn)速與供水量就會增大，這時水泵的轉(zhuǎn)速就會達到一個新的穩(wěn)定值。同樣道理，水泵的轉(zhuǎn)速在用水量減少水壓增加時，壓力閉環(huán)又會出現(xiàn)一個新的穩(wěn)定值。

用戶管網(wǎng)的實際壓力，在用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率50Hz時，還未達到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件時，系統(tǒng)在變頻循環(huán)式的控制方式下，將在PLC的控制下自動投入水泵M2，同時變頻泵M1做工頻運行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵M3投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率50Hz時，壓力仍未達到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。

系統(tǒng)在用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，工頻泵M2將被關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設(shè)定值。如上轉(zhuǎn)換在用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將會繼續(xù)發(fā)生，將另一臺工頻泵M3關(guān)掉。

四、水泵切換條件分析

50赫茲成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率，是因為電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制。同時，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0赫茲。然而，變頻器的輸出頻率在實際應(yīng)用中，是不會降到0赫茲的。當(dāng)水泵機組運行，電機帶動水泵向管網(wǎng)供水時，管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩。在一定程度上，水壓會阻止源水池中的水進入管網(wǎng)，所以，水泵在電機運行頻率下降到一個值時，就不會抽出水。同時，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。水泵在電機運行頻率下降到抽不出水時的值，就是電機運行的下限頻率，一般在20赫茲左右。選擇50赫茲和20赫茲作為水泵機組切換的上下限頻率，就是這個原因。

供水壓力在輸出頻率達到上限頻率時，在設(shè)定壓力上下波動。當(dāng)設(shè)定壓力大于反饋壓力時，機組就會進行切換。供水壓力在增加了一臺機組運行時，就會快速超過設(shè)定壓力。特殊情況下，實際供水壓力在運行組增加后，就會超過設(shè)定供水壓力，這時在變頻器的下限頻率運行的新增加機組，達到了機組切換的停機條件，工頻狀態(tài)下運行的機組有一個會停掉。這種情況會導(dǎo)致系統(tǒng)經(jīng)常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，增大了機組的切換頻率。相應(yīng)的判別條件在實際應(yīng)用中是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計分析

工作泵組數(shù)量管理分析。啟動第二臺水泵是為了恒定水壓。一臺水泵水壓降落，變頻器的輸出頻率升高，不能滿足恒壓時，就會啟動第二臺水泵。變頻器的輸出頻率達到設(shè)定的上限值是啟動下一臺水泵的前提。

泵組管理規(guī)范。只有制定了管理規(guī)范，才能實現(xiàn)各臺水泵必須交替使用以及軟啟動電動機。一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過3小時，就應(yīng)進行切換變頻泵。現(xiàn)行運行的變頻器從變頻器上切除，同時接上工頻電源運行，變頻器復(fù)位并用于新運行泵的啟動，并實行泵的工作循環(huán)控制。

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)不僅具有節(jié)能和安全的特點，而且能夠提供高質(zhì)量的水。同時，運用PLC 作為控制器，降低了成本，實現(xiàn)了水泵電機無級調(diào)速，系統(tǒng)的運行參數(shù)能夠依據(jù)用水量的變化進行自動調(diào)節(jié)，進而通過保持水壓的恒定，在用水量發(fā)生變化時滿足供水的需求。

（作者單位：山東水利職業(yè)學(xué)院）