恒压供水系统中变频技术和ＰＬＣ技术的应用

2009-02-18方向铁

中国高新技术企业 2009年2期

摘要：文章针对节能和提高供水质量问题，阐述了采用变频技术、PLC技术及自动控制技术相结合来实现的恒压供水控制的系统总体设计和应用。

关键词：恒压供水系统；变频技术；PLC技术；供水质量

中图分类号：TM921.5文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）02-0058-02

恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保持管网中水压的基本恒定。恒压供水系统的控制策略是采用可编程控制器（PLC）和变频调速装置优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时能达到稳定供水压力和节约电能的目的。

随着人们对提高供水质量的要求越来越高，另外人们的节能意识及对运行的可靠性的要求越来越强。采用变频器及PLC技术实现的无塔恒压供水系统，不仅能提高供水质量，而且在节约能源和运行可靠性具有较好的改善。变频调速恒压供水设备采用国际上成熟的变频调速技术，具有水压稳定、维护方便、运行费用低、节能等优点。

一、系统组成及工作原理

变频恒压供水系统原理如图1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及四台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。

系统采用四台水泵并联运行方式，通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。

所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制，实现软启动，避免了启动大电流给水泵电机带来冲击，相对延长了电机的使用寿命。同时，系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死。这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。

二、系统硬件选择

（一）可编程控制器选择

可编程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主机，I/O点数为40点（24个输入点和16个输出点），具有两个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。模拟量输入采用4路12位A/D模拟量输入的EM231模块，具有较高的精度。PLC编程采用STEP7-Micro/WIN编程软件，它提供一个完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的互相转换。主要检测元件有光电开关、压力检测开关，共计12个输入信号。执行部件有电机、变频调速器、声光报警器等，共三个输出点。PLC主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制变频器完成压力调节等功能。四台水泵由变频器直接驱动，进行恒压控制，变频器的起动、停止分为手动和PLC控制。控制面板上设有一个手动/自动转换开关，PLC对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时，PLC只进行检测报警，由人工通过面板上的按钮和开关进行水泵的起、停和切换。当选择自动功能时，所有控制、报警均由PLC完成。

（二）变频器选择

变频器选用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列风机/泵类专用变频器，它们具有RS-485通讯接口，性价比较高。PLC通过自由通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来，这比通过外部端口控制变频器的运行具有较高的可靠性，节省了PLC宝贵的I/O端口，又获得了大量变频器的信息。

（三）控制电路设计

在控制电路设计中，注意到系统自动/手动转换、每台水泵的变频接触器和工频接触器、各水泵的变频接触器在电气上的连锁，防止系统中出现一台水泵工频和变频电源同时接通或多台水泵同时接通变频电源的现象。

三、系统应用

（一）系统流程

为方便调试和编程，系统控制器采用模块化编程，主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块组成。当系统处于手动运行时，按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-4#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。自动运行模块包括系统的初始化、开机命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等（见图2）。

图2模块流程图

其中：数据采集子程序完成对主水管压力的数据采集。控制量运算子程序完成变频器控制量的计算和控制量的输出，控制量的计算按PID控制规律进行。

（二）系统操作

合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行（见图3）。

图3程序功能图

若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。同时在自动供水的过程中，PLC实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发出缺水报警信号；若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信号；若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给水管电动阀门。变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。

四、结论

与传统供水技术相比，变频调速技术具有如下优点：

1．节电，这是变频恒压供水系统最显著的优点，节能量通常在10%～40%。

2．卫生节水，根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水系统实行闭环供水后，取消了水塔、水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”。

3．运行可靠，变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力由变频器来实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管道破裂。

4．控制灵活，可分段、定时供水。

5．自我保护功能完善。

6．延长设备寿命，保护电网稳定。

7．占地少，投资回收期短，一般约为两年。

参考文献

[1]张春霞．变频调速及PLC技术在恒压供水系统中的应用[J]．矿业快报，2004，（10）．

[2]陈少雄，赵霞．变频器—PLC在供水控制系统的应用[J]．微计算机信息，2004，20（10）．