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基于PLC和變頻器的供水智能系統

 

1 引言

      供水智能系統采用變頻器和可編程控制器plc等現代控制設備和技術實現恒定水壓供水，是供水領域技術革新的一項有效措施，以往采用的水塔供水既不穩定又不經濟，更重要的是浪費了大量的能源，本文介紹的變頻恒壓供水系統以其有效的實用性和經濟性，徹底解決了上述問題，是一項頗有實用價值的調速系統，為現有的供水系統技術改造提供了切實可行的途徑。

 

2 供水智能系統控制的原理

      基于s7-200的變頻恒壓供水系統的工作原理，是利用s7-200的可編程控制器和變頻器作為控制核心，時刻跟隨管網的壓力與壓力設定值的偏差變化情況，利用變頻器檢測實際水壓值，再將實際水壓值和設定值進行比較，按照變頻器內部的pid規律運算后，自動控制水泵電機的轉速；通過plc輸出控制變頻與工頻切換；自動控制水泵電機投入臺數和水泵電機的轉速，實現閉環自動調整恒壓供水，在保持恒壓下達到控制流量的目的；同時利用“先啟先停”的原則，自動巡檢每天水泵的運行時間，保證每臺水泵的工作時間一樣。

      本文以遼寧千山水泥廠的恒壓供水項目為例，設計了一套恒壓供水系統（見附圖），整個供水系統主要包括兩個部分：清水泵恒壓控制和循環水泵恒壓控制。清水泵主要是生活用水，循環水泵主要是工業用水，清水泵和循環水泵都由s7-200控制，清水泵是一拖二，循環水泵是一拖三，兩者的控制要求是一樣的。本文重點介紹循環水泵控制系統。

供水智能系統控制要求：

(1)控制系統具有手動、自動兩種工作方式，手動用于設備調試、檢修及其特殊情況下的供水。正常情況下，設備置于中控自動位，實現自動運行。

(2)當工作方式轉換開關處于自動時，可以根據設定壓力自動進行控制，保證恒壓供水。

(3)當工作方式轉換開關處于手動時，由人工在柜面上通過電位器調節各水泵轉速。

(4)清水泵泵正常情況下為一用一備，兩臺水泵互為備用；循環泵正常情況下為兩用一備，三臺水泵互為備用，由可編程控制器控制三臺水泵之間的自動啟停。

(5)系統具有運行、報警、故障等信號，均為無源常開點。

 

3 供水智能系統工作過程

      變頻調速恒壓控制系統構成由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、水位傳感器等組成。系統采用一臺變頻器拖動三臺電動機的啟動、運行與調速，三臺電機循環使用的方式運行，系統結構圖如附圖所示。

      根據現場生產的實際情況，一般只需要一臺泵變頻工作就能滿足生產需要，在用水高峰時期或特殊情況下需要一臺泵變頻運行一臺泵工頻運行，且保證每臺泵工作的時間一樣，循環使用每臺泵。

分析自動控制系統的工作過程，可以分為以下三種情況：

(1) 第一種情況

      泵1在變頻器的帶動下變頻運行，當用水量增大時，變頻器達到最大50hz；這時泵1由變頻變為工頻，泵2變頻運行；泵1沒有出現故障，而用水量又減小，在plc可編程控制器控制下，停止泵1工頻運行，只有泵2變頻運行，這期間一旦泵1出現故障，在plc可編程控制器控制下，停止泵1的運行，讓泵2變頻運行以保證供水壓力恒定。

(2) 第二種情況

      泵2在變頻器的帶動下變頻運行，當用水量增大時，變頻器達到最大50hz；這時泵2由變頻變為工頻，泵3變頻運行；泵2沒有出現故障，而用水量又減小，在plc可編程控制器控制下，停止泵2工頻運行，只有泵3變頻運行，這期間一旦泵2出現故障，在plc可編程控制器控制下，停止泵2的運行，讓泵3變頻運行以保證供水壓力恒定。

(3) 第三種情況

      泵3在變頻器的帶動下變頻運行，當用水量增大時，變頻器達到最大50hz；這時泵3由變頻變為工頻，泵1變頻運行；泵3沒有出現故障，而用水量又減小，在plc可編程控制器控制下，停止泵3工頻運行，只有泵1變頻運行，這期間一旦泵1出現故障，在plc可編程控制器控制下，停止泵3的運行，讓泵1變頻運行以保證供水壓力恒定。

在plc程序設計中，必須認真考慮這三種情況和三種情況的循環，才能保證系統實現正常的切換與長期穩定的運行。

 

4 系統硬件的設計

4.1 變頻器硬件設計

      變頻器選用abb/acs400型7.5kw變頻器產品，適配電機7.5kw，該變頻器基本配置中帶有pid功能，通過變頻器面板設定一個給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來的一個壓力信號（4~20ma）接在變頻器的輔助，作為壓力反饋，變頻器根據壓力給定和實測壓力，調節輸出頻率，改變水泵轉速，控制管網壓力保持在給定壓力值上，變頻器的極限輸出頻率的檢測輸出信號端進plc，作為泵變頻與工頻切換的控制信號，變頻器的極限輸出頻率通過面板可以設定，一般為50hz。變頻器的故障輸出端分別進plc可編程控制器和故障指示燈，plc可編程控制器讓故障泵停止工作，切換到正常泵，同時讓故障指示燈亮，提醒人們。變頻器面板上有故障復位按鍵，一般的故障用復位按鍵復位，可以重新啟動變頻器；變頻器的運行與停止端子接到plc可編程控制器的輸出端；變頻器的u、v、w輸出端并聯3個接觸器分別接到3個泵上面，變頻器可分別帶動3個泵，3個泵還可以通過另外3個接觸器并聯到工頻電源上。

4.2 plc硬件設計

      根據系統要求，系統數字量輸入點總有8個，數字量輸出點9個，plc可編程控制器選用西門子s7-200中的cpu224系列。i/o地址分配見附表。

 

5 注意事項

(1)變頻轉工頻開關切換時間t

      設置t是為了確保在加泵時，泵由變頻轉為工頻的過程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對應的交流接觸器不會同時吸合而損壞變頻器，同時為了避免工頻啟動時啟動電流過大而對電網產生的沖擊，此時間要設置的合理，太小空氣開關很容易跳閘，根據經驗這個時間一般為2~3s左右，最好用plc上面的電位器來根據實際情況來調整。

(2)上下限頻率持續時間th和tl

      變頻器運行的頻率隨管網用水量增大而升高，本系統以變頻器運行的頻率是否達到上限（下限）、并保持一定的時間為依據來判斷是否加泵（減泵），這個判斷的時間就是th（tl）。如果設定值過大，系統就不能迅速的對管網用水量的變化做出反應；如果設定值過小，管網用水量的變化時就很可能引起頻繁的加減泵動作；兩種情況下都會影響恒壓供水的質量。由于沒有顯示面板，所以用plc上面的電位器來根據實際情況來調整。

 

6 結束語

      供水智能系統邏輯控制采用plc，壓力調節采用帶pid控制的變頻器，使用方便，工作可靠，系統壓力恒定，無沖擊，具有較好的控制效果。在實際運行中，可以根據用戶實際需要，通過改變壓力給定，進行任意設定，在系統進行增泵或減泵過程中，水壓波動允許的范圍內，一旦增泵或減泵過程結束，壓力立即穩定到設定值，這個過程前后不到30s時間，很好地滿足了用戶用水要求。供水智能系統采用變頻器調節水泵轉速，使系統實現了高效節能，節能效率可達40%左右，同時由于采用變頻器對電機實行軟起動，減少了設備損耗，延長了水泵、電機設備的使用壽命。運行結果表明，采用plc和變頻器為核心部件構成的變頻恒壓供水系統，有著很強的實用性，具有壓力穩定、結構簡單、工作可靠等特點，為供水領域的技術革新，開辟了切實有效的途徑。