可编程控制器在高层建筑给水系统中的研究与应用

[摘 要]PLC可编程控制的变频恒压调速供水系统方案给水，主要由PLC可编程进行逻辑控制，由变频器进行压力调节；变频器、可编程控制器作为系统控制的核心部件，经变频器内部PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压变量供水。本文采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理，通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用远程压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠的特点。

[关键词]变频调速；恒压供水；多泵并联；PLC可编程控制

中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0245-02

1 引言

给水系统是建筑发展的重要基础设施，是国家建设、社会文明进步、人民生活不可缺少的，无法替代的物质基础。随着社会的发展进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面，在工业用水、锅炉定压供热和恒压补水喷淋、消防供水系统中，通常采用传统的水塔或高位水箱供水方式、气压罐供水方式和泵组分时供水方式；其主要缺点：占地面积大，基建投资较多， 维护困难，随着社会的发展，这种给水设计系统已不能满足高层建筑、工业、消防用水的高水压、大流量快速供水需求。另一方面，由于供水量的随机性，采用传统方法难以保证供水的实时性，且水泵的选取往往是按最大供水量来确定，而高峰用水时间较短，这样水泵在很长一段时间内有较大余量，不仅水泵效率低，供水压力不稳，而且造成大量电力浪费。其已经远远不能满足生活、生产的需要，随着电力电子及计算机技术的发展，变频调速恒压变量供水系统由于具备造价低、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染的优点；而PLC可编程控制其性能稳定、成本低廉、功能强大、编程方便，且变频调速控制设计基于PLC的多泵并联推移软启动变频调速恒压供水控制系统。

2 系统设计原理

系统采用3台水泵并联运行方式，压力传感器将主水管网水压变换为电信号，经模拟量输入模块，输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行运算[1]，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下稳定运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力稳定时，PLC给定的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将下一台备用泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频状态运行，再将一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将最先工频运行的泵停止，以减少供水量。当上述2个信号仍存在时，PLC再停掉第2台工频运行的电机，直到最后一台泵用变频器恒压供水。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，实现带载软启动，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。

3 系统设计方案

图1为系统设计方案图，变频恒压供水控制系统[2]主要由PLC控制器、PID调节器、变频器、压力变送器、水位变送器、交流接触器设备及3台15KW水泵机组系统构成，在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力，在蓄水池安装液位变送器，PLC具有模拟量输入检测模块，检测压力变送器、液位变送器以及变频器[3]输出的4-20mA信号，作为控制系统自动运行的条件，PID调节器环节接收检测的压力信号并将检测的压力信号与设定的压力信号经过PID运算后，通过控制变频器的频率来调整电动机的转速，保持供水压力的恒定，构成以设定压力为基准的压力闭环系统；系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动及变频水泵与工频水泵的切换，同时对运行数据进行传输。该系统缺水、断相保护功能，在软件和硬件上实现互锁功能，保证正常供水，且可以无人值守。

4 给水系统恒压控制设计

流量是供水系统的基本控制对象，而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制；因考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与供水能力（流量QG表示）和用水需求（用水流量Qu表示）之间的平衡情况相关。

若：供水能力Qc>用水需求Qu，则压力P上升；

若：供水能力Qc<用水需求Qu，则压力P下降；

若：供水能力Qc=用水需求Qu，则压力P不变。

流体压力P的变化反映了供水能力与用水需求Qu之间的矛盾。选择压力控制来调节管道流量的大小说明通过恒压供水就能保证供水能力和用水流量处于平衡状态，这样能满足系统所需的用水流量；系统需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定来实现的控制方法[4]。

4.1阀门控制法

转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。实质是水泵本身的供水能力不变，通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应系统对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。

4.2转速控制法

阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。实质是通过改变水泵的供水能力来适应系统对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。

5 主电路控制系统设计

图2为给水系统主电路控制图，三台驱动供水泵组电动机机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制电机M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制电机M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机的过载保护的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器；通用变频器为MM420。

6 系统后续研究

6.1 提高PLC可编程控制故障报警设想

在给水系统自动控制设计中具备3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位/灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示灯不亮，说明该指示灯已坏，应立即更换，改按钮复位后指示灯仍按原工作状态显示设备工作状态。2级故障显示设置在中心控制室屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。

6.2 变频调速对给水系统安全性作用

（1）消除了水锤效应，减少了对水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。

（2）降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长。

（3）避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。

（4）减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高自身系统的可靠性。

6.3 PLC可编程控制多泵并联首起动

水泵的并联首起动：初始化程序后，根据水泵控制主令开关，确定水泵首起：若P1泵允许，则确定1号泵为首起；若1号泵不允许，而2号泵允许，则确定2号泵为首起泵；若1、2号泵均不允许，而3好泵允许运行，则确定3号泵为首起泵。

7 结束语

给水系统采用变频调速来实现恒压供水其优点是：启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免了启动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门的使用寿命；可以消除启动和停机时的水锤效应；大大降低了污染。在供水系统中采用变频调速运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态，实现恒压供水；减泵时采用“先启先停”的切换方式，相对于“先启后停”方式，更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命。

参考文献

[1] 周万珍，高鸿斌. PLC分析与设计应用.电子工业出版社.1997：120-141

[2] 张全庄.PLC在恒压供水变频调速控制系统中的应用.2004：10.235-243

[3] 戴广平.电动机变频器与电力拖动[M].中国石化出版社.1999：89-106

[4] 邵裕森.过程控制工程.机械工业出版社.2002：129-131

作者简介

陈家文（1964—），男，云南昆明，本科，讲师。从事研究工作：PLC控制系统的设计。