PLC在無負壓變頻調速給水設備供水系統中應用
PLC在無負壓變頻調速給水設備供水系統中應用
一、引言
在供水系統中，無負壓變頻調速給水是指在供水網系中用水量發生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。本文采用計算機(PC)、可編程控制器(PLC)、變頻器組成變頻恒壓供水監控系統，通過變頻調速實現恒壓供水、滿足節能降耗的要求，而且有利于實現生產的自動化及遠程監測。用水量變化具有隨機性，用水高峰時水壓不足，低谷時又造成能量浪費。無負壓變頻調速給水設備根據公共管網的壓力變化，通過PLC和變頻器自動調節水泵的增減、水泵電機的運行方式及電機的轉速，實現恒壓供水，既防止了能量空耗，又避免出現電機啟動時沖擊電流對設備的影響。
無負壓變頻調速給水設備工作原理
無負壓變頻調速給水系統采用一臺變頻器拖動兩臺大功率電動機，可在變頻和工頻兩種方式下運行;一臺低功率的電機，作為輔助泵電機。
啟動方式:為避免啟動時的沖擊電流，電機采用變頻啟動方式，從變頻器的輸出端得到逐漸上升的頻率和電壓。啟動前變頻器要復位。
變頻調速:根據供水管網流量、壓力變化自動控制變頻器輸出頻率，從而調節電動機和水泵的轉速，實現恒壓供水。如設備的輸出電壓和頻率上升到工頻仍不能滿足供水要求時，PLC發出指令1號泵自動切換到工頻電源運行，待1號泵 全部退出變頻運行，對變頻器復位后，2號泵投入變頻運行。
多泵切換:根據恒壓的需要，采取無主次切換，即“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。在PLC的程序中，通過設置變頻泵的工作號和工頻泵的臺數，由給定頻率是否達到上限頻率或下限頻率來判斷增泵或減泵。在用水量較小的情況下，采用輔助泵工作。
為了避免一臺泵長期工作，任一泵不能連續變頻運行超過3小時。當工頻泵臺數為零，有一臺運行于變頻狀態時，啟動計時器，當達到3小時時，變頻泵的泵號改變，即切換到另一臺泵上。當有泵運行于工頻狀態，或輔助泵啟動時，計時器停止計時并清零。
故障處理:能對水位下限，變頻器、PLC故障等報警。PLC故障，系統從自動轉入手動方式。
無負壓變頻調速給水設備PLC控制電路
系統采用S7-200PLC作下位機。S7-200PLC硬件系統包含一定數量的輸入/輸出(I/O)點，同時還可以擴展I/O模塊和各種功能模塊，在保證系統穩定性的基礎上，再減低系統成本，我們選用了UniMAT擴展模塊接在CPU后面。輸入點為6個，其中水位上、下限信號分別為I0.0、I0.1。輸出點為10個，O0.0-O1.0對應PLC的輸出端子。對變頻器的復位是由輸出點O1.0通過一個中間繼電器KA的觸點來實現的。根據控制系統I/O點及地址分配可知，系統共有5個開關量輸入點，9個開關量輸出點;1個模擬量輸入點和1個模擬量輸出點?？梢赃x用CPU224PLC(14DI/10DO)，再擴展一個UniMAT模擬量模塊EM235(4AI/1AO)。
無負壓變頻調速給水設備電控程序設計
4.1泵站軟件的設計分析
(1)由“恒壓”要求出發的工作組數量的管理
為了恒定水壓，那么在水壓降低時，需要升高變頻器的輸出頻率，并且在一臺水泵工作是不能滿足恒壓要求時，這時需要啟動第，二臺。這樣有一個判斷標準來決定是否需要啟動新泵即為變頻器的輸出頻率是否達到所設定的頻率上限值。這一功能可以通過比較指令來實現。為了判斷變頻器的工作頻率達到上限的確定性，應濾去偶然因素所引起的頻率波動所達到的頻率上限值的情況，在程序中應考慮采取時間濾波情況。
(2)臺組泵站泵組的管理規范
由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機均為軟啟動，有規定各臺水泵 須交替使用，那么多臺組泵站泵組的投入運行需要有一個管理規范。在本次設計中控制要求中規定任意的一臺水泵連續運行不得超過3h，因此每次需要啟動新泵或切換變頻泵的時候，以新運行泵為變頻是合理的。具體的操作時，將現運行的變頻器從變頻器上切除，并且接上工頻電源加以運行，同時將變頻器復位并且用于新運行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環控制，在本設計中所使用的是用泵號加1的方法來實現變頻器的循環控制即3加上1等于0的邏輯，用工頻泵的總數結合泵號來實現工頻泵的輪換工作。
4.2程序的結構及程序功能的實現
根據前面可知，PLC在恒壓供水系統中的功能比較多，由于模擬量單元及PID調節都需要編制初始化及中斷程序，本程序可以分為三個部分:主程序、子程序和中斷程序。
(1)系統的初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節省掃描時間。利用定時器中斷功能來實現PID控制的定時采樣及輸出控制。初始化子程序流程框圖如圖1。在初始化的子程序中僅僅在上電和故障結束時用，其主要的用途為節省大量的掃描時間加快整個程序的運行效率，提高了PID中斷的準確度。上電處理的作用是CPU進行清除內部繼電器，復位所有的定時器，檢查I/O單元的連接。
圖1初始化程序
(2)主程序流程圖如圖2。其功能較多，如泵的切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等等都在主程序中。生活及消防雙恒壓的兩個恒壓值是采用數字式方式直接在程序中設定的。生活供水時系統設定為滿量程的70%，消防供水時系統設定為滿量程的90%。本系統中的增益和時間常數為:增益Kc=0.25，采樣時間Ts=0.2s，積分時間Ti=30min。
圖2主控制程序
(3)中斷程序如圖3，其作用主要用于PID的相應計算，在PLC的常閉繼電器SM0.0的作用下工作，它包括:設定回路輸入及輸出選項、設定回路參數、設定循環報警選項、為計算指定內存區域、指定初始化子程序及中斷程序。
圖3中斷程序
結束語
恒壓供水技術因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調節水泵轉速改變水泵出口壓力，比靠調節閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。實現恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節省了人力。
水泵電動機采用軟啟動方式，按設定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統的喘振。
由于變量泵工作在變頻工作狀態，在其運行過程中其轉速是由外供水量決定的，故系統在運行過程中可節約可觀的電能，其經濟效益是十分明顯的。正因為此，系統具有收回投資快，而長期受益，其產生的社會效益也是非常巨大。
在實際應用中，采用PLC控制恒壓供水，還能容易地隨時修改控制程序，以改變各元件的工作時間和工作狀況，滿足不同情況要求。與繼電器或硬件邏輯電路控制系統相比，PLC控制系統具有更大的靈活性和通用性。
無負壓變頻調速給水設備產品概述：
傳統的供水方式離不開蓄水池，蓄水池中的水一般由自來水管網供給，這樣，原來有壓力的水進入水池后變成了零，然后從零開始加壓，造成大量的電力能源浪費。無負壓供水設備是以市政管網為水源，充分利用了市政管網原有的壓力，形成密閉的連續接力增壓供水方式，節能效果好，沒有水質的二次污染，是變頻恒壓供水設備的發展與延伸。在市政管網壓力的基礎上直接疊壓供水，節約能源，并且還具有全封閉、無二次污染、占地量小、安裝快捷、運行可靠、維護方便等諸多優點。
無負壓變頻調速給水設備工作原理：
投入使用，自來水管網的水進入穩流流罐，罐內空氣從真空消除器排出，待水充滿后，真空消除器自動關閉。當自來水管網壓力能夠滿足用水要求時，系統由旁通止回閥向用水管網直接供水；當自來水管網壓力不能滿足用水要求時，系統壓力信號由遠傳壓力表反饋給變頻控制器，水泵運行，并根據用水量的大小自動調節轉速恒壓供水，若運轉水泵達到工頻轉速時，則啟動另一臺水泵變頻運轉。水泵供水時，若自來水管網的水量大于水泵流量，系統保持正常供水：用水高峰時，若自來水管網水量小于小泵流量量，穩流罐內的水作為補充水源仍然能正常供水，此時，空氣由真空消除器進入穩流罐，罐內真空遭到破壞，確保了自來水管網不產生負壓，用水高峰過后，系統又恢復到正常供水狀態。當自來水管網停水，造成穩流罐液位不斷下降，液位探測器將信號反饋給變頻控制器，水泵自動停機，以保護水泵機組。夜間小流量供水且自來水管網壓力不能滿足要求時，氣壓罐可以貯存并釋放能量，避免了水泵頻繁啟動。
無負壓變頻調速給水設備原理：
雙模式無負壓供水設備充分利用自來水管網的原有壓力能源，在同樣供水需求的情況下，可以選用功率相對較小的水泵及控制設備，同時在夜間小流量用水的情況下利用自來水水壓直接供水而無需起動水泵。相比較于傳統的帶水池的供水設備可節約大量的電能運行成本及投資成本。
無負壓增壓供水設備采用水泵與自來水管網直接相連，用壓力調節罐作為水泵進水儲水裝置，采用真空消除器消除管網內所產生的負壓，在充分利用自來水管網的原有壓力的基礎上實現了供水的二次增壓，該設備既實現了增壓的目的（且絲毫不會影響管網其它用戶水），又節省建水池，水箱的投資，在保證管網水質的同時（無二次污染），又可充分利用管網的原有水壓，其節能效果極其顯著，可達50%以上。無負壓供水設備全自動智能控制，具有多種保護和控制功能，可實現真正無人值守。
無負壓變頻調速給水設備產品特點：
1、節省投資：節省投資50%左右，無需修建蓄水池或屋頂水箱，采用疊壓供水，減小設備初期投入。
2、高效節能，運行成本低： 可充分利用市政管網供水壓力，差多少、補多少、不產生負壓、與傳統供水設備相比可節能30%—90%。停電也可維持市政管網水壓供水。
3、智能化程度高，操作簡單，節省人力：該設備由全自動智能化控制器控制，自行根據用戶的用水量和管網的自來水壓力進行調節，實行無人值守。并且采用人機界面（文本、數字）顯示，使客戶更加直觀的看到設備的運行狀況。
4、環保衛生:設備全封閉運行 消除水源二次污染。
5、保護功能齊全：具有 過載、短路、過壓、欠壓、缺相、過流、短路、水源缺水等自動保護功能。在異常情況下能進行信號報警、自檢、故障判斷等。
6、占地少安裝方便：整套設備只有一組供水控制柜、無負壓穩流罐和水泵機組三部分，安裝非常簡單方便。
7、延長設備的使用壽命：對多臺泵組均能可靠的實現軟啟動，使電網和管網免沖擊，并且輪流運轉，大大延長了水泵及電機的使用壽命。設備壽命可延長3倍以上。
無負壓變頻調速給水設備適用范圍：
1、高層建筑、居民小區、別墅等居民生活用水。
2、企事業單位、賓館、寫字樓、百貨商場，大型桑拿浴、醫院、學校，體育館，高爾夫球場，機場等場所的日常用水。
3、生產制造、洗滌裝置、食品工業、工廠、工礦的生產用水。
4、其他：老舊水池供水及其它形式供水的改造。
無負壓變頻調速給水設備技術指標：
1、供水流量 0—1500 M3/H 揚程
2、控制電機功率 0.75---1500KW
3、供水戶數 10—10000戶
4、壓力控制范圍 0.15—1.6MPa
5、平均節電率 30—60%
6、控制原理 正弦波PWM或空間矢量SVPWM
7、運行方式 單泵或多泵自動切換
8、控制方式 可編程和PID控制
9、過載能力 150% 60秒
10、保護功能 軟啟動、對過壓、缺相、變相、欠壓、斷 路，瞬間停電，短路等均有自診顯示和保護功能。
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