新型節能的基于plc的變頻調速恒壓供水系統
2013-4-27 10:28:41??????點擊：
新型節能的基于plc的變頻調速恒壓供水系統
引言
隨著變頻調速技術的發展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻調速恒壓供水系統已逐漸取代原有的水塔供水系統，廣泛應用于多層住宅小區生活消防供水系統。然而，由于新系統多會繼續使用原有系統的部分舊設備（如水泵），在對原有供水系統進行變頻改造的實踐中，往往會出現一些在理論上意想不到的問題。本文介紹的變頻控制恒壓供水系統，是在對一個典型的水塔供水系統的技術改造實踐中，根據盡量保留原有設備的原則設計的，該系統很好的解決了舊設備需要頻繁檢修的問題，既體現了變頻控制恒壓供水的技術優勢，同時有效的節省了資金。
一種替代水塔供水的基于PLC的恒壓供水系統的構成和工作原理。系統采用變頻調速方式自動調節水泵電機轉速或加、減泵。改變以往“先啟后停”方式，自動完成泵組軟啟動及無沖擊切換，使水壓平穩過渡。變頻器故障時系統仍可運行，保證不間斷供水。系統斷電恢復后可自啟動。采用硬件/軟件備用及鐘控功能，使各泵進行輪休，延長了設備的機械使用壽命。
1 變頻調速恒壓供水系統介紹
變頻調速恒壓供水系統原理如圖1所示，它主要是由PLC、變頻器、PID調節器、TC時間控制器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及4臺水泵等組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉換開關來了解和控制系統的運行。
通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4-20mA的標準信號送入PID調節器，經運算與給定壓力參數進行比較，得出一調節參數，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調節系統供水量，使供水系統管網中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制器加泵。根據用水量的大小由PLC控制工作泵數量的增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環控制系統。
同時系統配備的時間控制器和PID控制器，使其具有定時換泵運行功能（即鐘控功能，由時間控制器實現）和雙工作壓力設定功能（PID控制器和時間控制器實現）。此外，系統還設有多種保護功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統的正常供水。
正常情況（無泵檢修）時，各泵的運行順序為1#，2#，3#，4#。
2 變頻調速恒壓供水系統工作原理
2.1 運行方式
該系統有手動和自動兩種運行方式：
⑴. 手動運行
按下按鈕啟動或停止水泵，可根據需要分別控制1#-4#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。
⑵. 自動運行
合上自動開關后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0Hz上升，同時PID調節器接收到自壓力傳感器的標準信號，經運算與給定壓力參數進行比較，將調節參數送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50Hz，1#泵由變頻切換為工頻，啟2#變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，從先啟的泵開始減，同時根據PID調節器給的調節參數使系統平穩運行。
若有電源瞬時停電的情況，則系統停機；待電源恢復正常后，系統自動恢復運行，然后按自動運行方式啟動1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩定運行。
變頻自動功能是該系統最基本的功能，系統自動完成對多臺泵軟起動、停止、循環變頻的全部操作過程。
2.2 變頻調速恒壓供水系統故障處理
2.2.1 故障報警
當出現缺相、變頻器故障、液位下限、超壓、差壓等情況時，系統皆能發出聲響報警信號；特別是當出現缺相、變頻器故障、液位下限、超壓時，系統還會自動停機，并發出聲響報警信號，通知維修人員前來維修。此外，變頻器故障時，系統自動停機，此時可切換至手動方式保證系統不間斷供水。
2.2.2 水泵檢修
為維護和檢修水泵，要求在系統正常供水狀態下，在一段時間間隔內使某一臺水泵停運，系統設有水泵強制備用功能（硬件備用），可隨意備用某一臺水泵，同時不影響系統正常運行；為了使水泵進行輪休，系統還設有軟件備用功能（鐘控功能，由時間控制器實現），工作泵與備用N泵具有周期定時切換功能，周期間隔由時間控制器設定：1小時每次～96小時每次連續可調。
3 PLC控制系統
該系統采用的是歐姆龍可編程序控制器SYSMAC CPM2A系列，I/O點數為60點，PLC編程采用OMRON CX-Programmer，它是Omron PLC的32位視窗軟件支持工具，提供完整的編程環境，可進行離線編程和在線連接和調試，并能實現梯形圖與語句表的相互轉換。為了提高整個系統的性價比，該系統采用開關量的輸入/輸出來控制電機的啟停、定時切換、軟起動、循環變頻及故障的報警等，而電機轉速、水壓量等模擬量則由PID調節器和變頻器來控制。
泵組的切換示意圖如圖2。開始時，若硬件、軟件皆無備用（兩者同時有效時硬件優先），1#泵變頻啟動，轉速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延，時一段時間（避免由于干擾而引起誤動作）后，1#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，2#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動3#、4#泵，泵的切換過程同上；若開始時1#泵備用，則直接啟2#變頻，轉速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延，時一段時間后，2#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，3#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動4#泵，泵的切換過程同上；若1#、2#泵都備用，則直接啟3#變頻，具體泵的切換過程與上述類同。
同樣，若3臺泵（假設為1#、2#和3#）運行時，3#泵變頻運行降到0Hz，此時水壓仍處于上限值，則延，時一段時間后使1#泵停止，變頻器頻率從0Hz迅速上升，若此后水壓仍處于上限值，則延，時一段時間后使2#泵停止。這樣的切換過程，有效地減少泵的頻繁啟停，同時在實際管網對水壓波動做出反應之前，由變頻器迅速調節，使水壓平穩過渡，從而有效的避免了高樓用戶短時間停水的情況發生。
以往的變頻調速恒壓供水系統在水壓高時，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調節。這種切換的方式理論上要比直接切工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設備的使用壽命。而在該系統中，直接停工頻泵，同時由變頻器迅速調節，只要參數設置合適，即可實現泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩，有效的防止了水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現象，提高了供水品質。
4 變頻調速恒壓供水系統注意事項
要使系統穩定的運行，有幾個參數需特別注意：
⑴. 變頻轉工頻開關切換時間TMC
設置TMC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，所以在允許范圍內TMC須盡可能的小。
⑵. 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。
5 結束語
在供水系統中采用變頻調速運行方式，系統可根據實際設定水壓自動調節水泵電機的轉速或加減泵，使供水系統管網中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節能、節水、節地、節資，并使系統處于可靠運行的狀態，實現恒壓供水；減泵時采用“先啟先停”的切換方式，相對于“先啟后停”方式，更能確保各泵使用平均以延長設備的使用壽命；同時針對所用四臺泵均已使用多年、需要定期進行檢修的實際情況，增加了硬件/軟件備用功能，有效延長了設備的使用壽命；壓力閉環控制，系統用水量任何變化均能使供水管網的服務壓力保持給定，大大提高了供水品質；變頻器故障后仍能保障不間斷供水，同時實現故障消除后自啟動，具有一，定的先進性。目前該系統已投入使用，效果明顯。
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