PLC 與變頻器組成的恒壓供水系統(tǒng)

0 引言

恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水泵電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速，可依據(jù)用水量的變化(實(shí)際上為供水管網(wǎng)的壓力變化)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)，且技術(shù)日趨成熟。

PLC 與變頻器應(yīng)用到恒壓控制系統(tǒng)后，使系統(tǒng)運(yùn)行可靠，控制精度高既節(jié)省了人力又節(jié)約了能源，同時(shí)在變頻器軟啟動(dòng)下，使電機(jī)、水泵的使用壽命得到延長(zhǎng)。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 變頻調(diào)速的節(jié)能原理

圖1 中曲線1 是閥門完全打開時(shí)供水系統(tǒng)的阻力特性曲線，曲線2 是額定轉(zhuǎn)速時(shí)泵的揚(yáng)程特性曲線，供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)為A，流量為qa，揚(yáng)程為ha，電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積O-qa-A-ha-O 成正比。要將流量減少為qb的主要調(diào)節(jié)方法有兩種：傳統(tǒng)方法是保持電動(dòng)機(jī)(水泵)的轉(zhuǎn)速不變，將閥門關(guān)小，阻力特性如曲線3 所示，工作點(diǎn)移至B點(diǎn)流量為qb，揚(yáng)程為hb，電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積Oqb-B-hb-O成正比。采用變頻調(diào)速是保持閥門的開度不變，降低電動(dòng)機(jī)(水泵)的轉(zhuǎn)速，這時(shí)揚(yáng)程特性曲線如曲線4 所示，工作點(diǎn)移至C 點(diǎn)，流量仍為qb，但揚(yáng)程為hc，電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積O-qb-Chc-O成正比，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。

1.2 系統(tǒng)控制方案及水泵循環(huán)投切原理

系統(tǒng)變頻調(diào)速由PLC 與變頻器共同完成，其原理如圖2 所示。在水站出水管處放置一個(gè)壓力傳感器，變送器負(fù)責(zé)將傳感器壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為1耀5 V直流電壓信號(hào)送入PLC 的閉環(huán)控制模塊，該信號(hào)與壓力給定值相比較，并經(jīng)PID運(yùn)算，由模塊輸出一個(gè)4耀20 mA(也可為0耀10 V)的控制信號(hào)送往變頻器，控制變頻器輸出頻率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，達(dá)到輸出供水管水壓穩(wěn)定在所設(shè)定的壓力。

圖2中，接觸器K1，K2，K3 使水泵工作在工頻狀態(tài)，而K4 ，K5 ，K6 則與變頻器輸出相連使水泵工作在變頻狀態(tài)，考慮到每臺(tái)水泵不能同時(shí)工作在工頻與變頻狀態(tài)，在電氣設(shè)備上采用接觸器聯(lián)鎖保護(hù)。初始狀態(tài)，變頻器輸出連接在第一臺(tái)水泵電機(jī)上，管網(wǎng)壓力上升，當(dāng)壓力小于給定值，需要加泵時(shí)，由變頻器的繼電器輸出端口發(fā)出信號(hào)到PLC，由PLC 控制切換過程。變頻器停止輸出(變頻器設(shè)置為自由停車)，利用水泵的慣性將第一臺(tái)水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器連接到第二臺(tái)水泵上起動(dòng)并運(yùn)行，以此類推，將第二臺(tái)水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器連接到第三臺(tái)水泵上起動(dòng)并運(yùn)行。

需要減泵時(shí)，系統(tǒng)將依次將第一臺(tái)水泵停止，第二臺(tái)水泵停止，這時(shí)，變頻器連接在第三臺(tái)水泵上。

這種方式保證永遠(yuǎn)有一臺(tái)水泵在變頻運(yùn)行，三臺(tái)水泵中的任一臺(tái)都可能變頻運(yùn)行。這樣，才能做到不論用水量如何改變都可保持管網(wǎng)壓力基本恒定，且各臺(tái)水泵運(yùn)行的時(shí)間基本相同，這給維護(hù)和檢修帶來方便，并提高了系統(tǒng)的使用壽命。所以，大部分的供水廠家都基本采用此循環(huán)投切方案。

但此方案也有不足之處，就是在只有一臺(tái)變頻器運(yùn)行并切換到工頻過程中會(huì)造成管網(wǎng)短時(shí)失壓，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分地引起重視。另外，在圖2 中還可增加軟啟動(dòng)器作為備用。當(dāng)變頻器或PLC出現(xiàn)故障時(shí)，可用軟起動(dòng)器手動(dòng)輪流起動(dòng)各泵運(yùn)行以保證正常供水。

系統(tǒng)運(yùn)行后，變頻器的輸出端不能連接電源，也不能在運(yùn)行中帶載脫閘，切換過程應(yīng)按以下的程序進(jìn)行。循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到頻率上限(變頻器可設(shè)定為50 Hz)，運(yùn)行60 s管網(wǎng)水壓未達(dá)到給定值，此時(shí)，該臺(tái)水泵需切換到工頻運(yùn)行。切換過程是先關(guān)該臺(tái)水泵電磁閥，然后變頻器停車(停車方式設(shè)定為自由停車)，水泵電機(jī)慣性運(yùn)轉(zhuǎn)，考慮到電機(jī)中的殘余電壓，不能將電機(jī)立即切換到工頻，而是延時(shí)一段時(shí)間，到電機(jī)中的殘余電壓下降到較小值，保證與電源電壓不同相時(shí)造成的切換電流沖擊較小。例如某水廠160 kW水泵電機(jī)的切換時(shí)間為600 ms，連接在電機(jī)工頻回路中的空氣開關(guān)容量

為400 A。關(guān)閥后停車，水泵電機(jī)基本上處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)，到600 ms 時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降不是很多，使切換時(shí)電流沖擊較小。切換完成后，再打開電磁閥，已停車的變頻器起動(dòng)并運(yùn)行另外的水泵。當(dāng)變頻器輸出檢測(cè)到頻率下限(可設(shè)定為30 Hz)后，應(yīng)該切除最早啟動(dòng)的工頻泵，切除工頻泵時(shí)，也應(yīng)先關(guān)閥，后停車，這樣無“水錘”現(xiàn)象產(chǎn)生。上述這些操作都是由PLC控制自動(dòng)完成。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行過程全部是由PLC來自動(dòng)完成的，PLC 根據(jù)變頻器發(fā)出的頻率上限與下限信號(hào)來控制3臺(tái)水泵電機(jī)之間的循環(huán)投切，經(jīng)對(duì)比，3 臺(tái)水泵之間的切換是有規(guī)律可循的，因?yàn)樵谕粫r(shí)間只有一臺(tái)水泵處在變頻狀態(tài)，所以用變頻水泵的狀態(tài)作為查詢狀態(tài)位，工頻狀態(tài)位作為次判斷位，來分步編寫PLC的程序。系統(tǒng)選用日本立石公司的CPM2A 系列PLC，確定6 個(gè)交流接觸器的輸出分別為K1

(10.00)，K2(10.01)，K3(10.02)，K4(10.03)，K5(10.04)，K6(10.05)，變頻器頻率上限信號(hào)輸入為0.00，下限信號(hào)輸入為0.01。假設(shè)現(xiàn)在變頻器處在第一臺(tái)工頻，第二臺(tái)變頻狀態(tài)下，接觸器K1、K5 處在閉合狀態(tài)，即10.00、

10.04 輸出為1，其它輸出點(diǎn)輸出為0，則系統(tǒng)部分程序如圖3 所示。

圖3 中只是簡(jiǎn)單的程序思路，而切換過程中還要考慮時(shí)間延時(shí)以及電磁閥的動(dòng)作

問題，這里不多介紹。

3 結(jié)語(yǔ)

以CPM2A 系列PLC和變頻器為控制器的多泵恒壓供水系統(tǒng)已在某學(xué)校投入使用，試驗(yàn)結(jié)果證明，系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定，控制精度高，運(yùn)行可靠，節(jié)省電能，系統(tǒng)至今運(yùn)行正常。