可編程控制器在高層建筑給水系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

[摘 要]PLC可編程控制的變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)方案給水，主要由PLC可編程進(jìn)行邏輯控制，由變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)；變頻器、可編程控制器作為系統(tǒng)控制的核心部件，經(jīng)變頻器內(nèi)部PID運(yùn)算，通過(guò)PLC控制變頻與工頻切換，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓變量供水。本文采取變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)恒壓供水相對(duì)于傳統(tǒng)的閥門(mén)控制恒壓供水方式的節(jié)能機(jī)理，通過(guò)對(duì)變頻器內(nèi)置PID模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)程壓力表的水壓反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取PID調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠的特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]變頻調(diào)速；恒壓供水；多泵并聯(lián)；PLC可編程控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TU855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）14-0245-02

1 引言

給水系統(tǒng)是建筑發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是國(guó)家建設(shè)、社會(huì)文明進(jìn)步、人民生活不可缺少的，無(wú)法替代的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，城市高層建筑的供水問(wèn)題日益突出。一方面，在工業(yè)用水、鍋爐定壓供熱和恒壓補(bǔ)水噴淋、消防供水系統(tǒng)中，通常采用傳統(tǒng)的水塔或高位水箱供水方式、氣壓罐供水方式和泵組分時(shí)供水方式；其主要缺點(diǎn)：占地面積大，基建投資較多， 維護(hù)困難，隨著社會(huì)的發(fā)展，這種給水設(shè)計(jì)系統(tǒng)已不能滿(mǎn)足高層建筑、工業(yè)、消防用水的高水壓、大流量快速供水需求。另一方面，由于供水量的隨機(jī)性，采用傳統(tǒng)方法難以保證供水的實(shí)時(shí)性，且水泵的選取往往是按最大供水量來(lái)確定，而高峰用水時(shí)間較短，這樣水泵在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)有較大余量，不僅水泵效率低，供水壓力不穩(wěn)，而且造成大量電力浪費(fèi)。其已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足生活、生產(chǎn)的需要，隨著電力電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速恒壓變量供水系統(tǒng)由于具備造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單、節(jié)能效果顯著、全自動(dòng)控制、無(wú)二次污染的優(yōu)點(diǎn)；而PLC可編程控制其性能穩(wěn)定、成本低廉、功能強(qiáng)大、編程方便，且變頻調(diào)速控制設(shè)計(jì)基于PLC的多泵并聯(lián)推移軟啟動(dòng)變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)采用3臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行方式，壓力傳感器將主水管網(wǎng)水壓變換為電信號(hào)，經(jīng)模擬量輸入模塊，輸入PLC，PLC根據(jù)給定的壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行運(yùn)算[1]，輸出控制信號(hào)經(jīng)模擬量輸出模塊至變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的供電電壓和頻率。當(dāng)用水量較小時(shí)，一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)用水量大到水泵全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時(shí)，PLC給定的壓力下限信號(hào)與變頻器的高速信號(hào)同時(shí)被PLC檢測(cè)到，PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，以保持壓力的連續(xù)性，同時(shí)將下一臺(tái)備用泵用變頻器起動(dòng)后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若2臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍不能滿(mǎn)足壓力的要求，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻狀態(tài)運(yùn)行，再將一臺(tái)備用泵投入變頻運(yùn)行。當(dāng)用水量減少時(shí)，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號(hào)有效，這時(shí)壓力上限信號(hào)如仍出現(xiàn)，PLC首先將最先工頻運(yùn)行的泵停止，以減少供水量。當(dāng)上述2個(gè)信號(hào)仍存在時(shí)，PLC再停掉第2臺(tái)工頻運(yùn)行的電機(jī)，直到最后一臺(tái)泵用變頻器恒壓供水。所有水泵電機(jī)從停止到啟動(dòng)及從啟動(dòng)到停止都由變頻器來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)帶載軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)大電流給水泵電機(jī)帶來(lái)沖擊，相對(duì)延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。同時(shí)，系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開(kāi)先關(guān)”的順序關(guān)泵，工作泵與備用泵不固定死，這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運(yùn)行時(shí)間，有效地防止因?yàn)閭溆帽瞄L(zhǎng)期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率，降低了維護(hù)費(fèi)用。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖，變頻恒壓供水控制系統(tǒng)[2]主要由PLC控制器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、壓力變送器、水位變送器、交流接觸器設(shè)備及3臺(tái)15KW水泵機(jī)組系統(tǒng)構(gòu)成，在供水系統(tǒng)總出水管上安裝壓力變送器檢測(cè)出水壓力，在蓄水池安裝液位變送器，PLC具有模擬量輸入檢測(cè)模塊，檢測(cè)壓力變送器、液位變送器以及變頻器[3]輸出的4-20mA信號(hào)，作為控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的條件，PID調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)接收檢測(cè)的壓力信號(hào)并將檢測(cè)的壓力信號(hào)與設(shè)定的壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，通過(guò)控制變頻器的頻率來(lái)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定，構(gòu)成以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的壓力閉環(huán)系統(tǒng)；系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。該系統(tǒng)缺水、斷相保護(hù)功能，在軟件和硬件上實(shí)現(xiàn)互鎖功能，保證正常供水，且可以無(wú)人值守。

4 給水系統(tǒng)恒壓控制設(shè)計(jì)

流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象，而流量的大小又取決于揚(yáng)程，而揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制；因考慮到動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚(yáng)程大小的反映，而揚(yáng)程與供水能力（流量QG表示）和用水需求（用水流量Qu表示）之間的平衡情況相關(guān)。

若：供水能力Qc>用水需求Qu，則壓力P上升；

若：供水能力Qc<用水需求Qu，則壓力P下降；

若：供水能力Qc=用水需求Qu，則壓力P不變。

流體壓力P的變化反映了供水能力與用水需求Qu之間的矛盾。選擇壓力控制來(lái)調(diào)節(jié)管道流量的大小說(shuō)明通過(guò)恒壓供水就能保證供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，這樣能滿(mǎn)足系統(tǒng)所需的用水流量；系統(tǒng)需求發(fā)生變化時(shí)，需要對(duì)供水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定來(lái)實(shí)現(xiàn)的控制方法[4]。

4.1閥門(mén)控制法

轉(zhuǎn)速保持不變，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度大小來(lái)調(diào)節(jié)流量。實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)強(qiáng)行改變流量大小，以適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)流量的需求。這時(shí)的管阻特性將隨閥門(mén)開(kāi)度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。

4.2轉(zhuǎn)速控制法

閥門(mén)開(kāi)度保持不變，通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量。實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水泵的供水能力來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。

5 主電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為給水系統(tǒng)主電路控制圖，三臺(tái)驅(qū)動(dòng)供水泵組電動(dòng)機(jī)機(jī)分別為M1、M2、M3。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制電機(jī)M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制電機(jī)M1、M2、M3的變頻運(yùn)行；FR1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)的過(guò)載保護(hù)的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開(kāi)關(guān)；FU為主電路的熔斷器；通用變頻器為MM420。

6 系統(tǒng)后續(xù)研究

6.1 提高PLC可編程控制故障報(bào)警設(shè)想

在給水系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中具備3級(jí)故障顯示報(bào)警系統(tǒng)，1級(jí)設(shè)置在控制現(xiàn)場(chǎng)各控制柜面板，用指示燈指示設(shè)備正常運(yùn)行和故障情況，當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)指示燈亮，當(dāng)該設(shè)備運(yùn)行有故障時(shí)指示燈以1Hz的頻率閃爍。為防止指示燈燈泡損壞不能正確反映設(shè)備工作情況，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了故障復(fù)位/燈測(cè)試按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行任何時(shí)間持續(xù)按該按鈕3s，所有指示燈應(yīng)全部點(diǎn)亮，如果這時(shí)有指示燈不亮，說(shuō)明該指示燈已壞，應(yīng)立即更換，改按鈕復(fù)位后指示燈仍按原工作狀態(tài)顯示設(shè)備工作狀態(tài)。2級(jí)故障顯示設(shè)置在中心控制室屏幕監(jiān)視器上，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，有文字顯示故障類(lèi)型，工藝流程圖上對(duì)應(yīng)的設(shè)備閃爍，歷史事件表中將記錄該故障。3級(jí)故障顯示設(shè)置在中心控制室信號(hào)箱內(nèi)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，信號(hào)箱將用聲、光報(bào)警方式提示工作人員，及時(shí)處理故障。在處理故障時(shí)，又將故障進(jìn)行分類(lèi)，有些故障是要求系統(tǒng)停止運(yùn)行的，但有些故障對(duì)系統(tǒng)工作影響不大，系統(tǒng)可帶故障運(yùn)行，故障可在運(yùn)行中排除，這樣就大大減少整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)間，提高系統(tǒng)可靠性運(yùn)行水平。

6.2 變頻調(diào)速對(duì)給水系統(tǒng)安全性作用

（1）消除了水錘效應(yīng)，減少了對(duì)水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，可大大延長(zhǎng)水泵及管道系統(tǒng)的壽命。

（2）降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過(guò)程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長(zhǎng)。

（3）避免了電機(jī)和水泵的硬起動(dòng)，可大大延長(zhǎng)聯(lián)軸器壽命。

（4）減少了起動(dòng)電流，也就減少了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高自身系統(tǒng)的可靠性。

6.3 PLC可編程控制多泵并聯(lián)首起動(dòng)

水泵的并聯(lián)首起動(dòng)：初始化程序后，根據(jù)水泵控制主令開(kāi)關(guān)，確定水泵首起：若P1泵允許，則確定1號(hào)泵為首起；若1號(hào)泵不允許，而2號(hào)泵允許，則確定2號(hào)泵為首起泵；若1、2號(hào)泵均不允許，而3好泵允許運(yùn)行，則確定3號(hào)泵為首起泵。

7 結(jié)束語(yǔ)

給水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水其優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)?dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流可限制在額定電流以?xún)?nèi)，從而避免了啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門(mén)的使用壽命；可以消除啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)；大大降低了污染。在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際設(shè)定水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速或加減泵，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)資，并使系統(tǒng)處于可靠運(yùn)行的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水；減泵時(shí)采用“先啟先?！钡那袚Q方式，相對(duì)于“先啟后停”方式，更能確保各泵使用平均以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1] 周萬(wàn)珍，高鴻斌. PLC分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.1997：120-141

[2] 張全莊.PLC在恒壓供水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.2004：10.235-243

[3] 戴廣平.電動(dòng)機(jī)變頻器與電力拖動(dòng)[M].中國(guó)石化出版社.1999：89-106

[4] 邵裕森.過(guò)程控制工程.機(jī)械工業(yè)出版社.2002：129-131

作者簡(jiǎn)介

陳家文（1964—），男，云南昆明，本科，講師。從事研究工作：PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。