顧娟

摘 要：本系統(tǒng)介紹了一種基于舊式水塔供水的PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理。通過(guò)傳感器與PID調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速或加、減泵，自動(dòng)完成泵組軟啟動(dòng)及無(wú)沖擊切換，使水壓平穩(wěn)過(guò)渡。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；PID調(diào)節(jié)器

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，變頻調(diào)速控制是很常見(jiàn)的，特別是在供水領(lǐng)域的運(yùn)用已經(jīng)很普遍，大到自來(lái)水廠，小到一幢住宅樓。采用恒壓供水大大的提高了供水的品質(zhì)，但是由于很多住宅用的供水系統(tǒng)仍是舊式的，在進(jìn)行新系統(tǒng)改造時(shí)會(huì)遇到一些理論上預(yù)料不到的情況。本系統(tǒng)充分考慮舊設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)其進(jìn)行改造，提高了系統(tǒng)的利用率。

1 系統(tǒng)介紹

變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖1所示，它主要是由PLC、變頻器、PID調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、液位傳感器、動(dòng)力控制線路以及4臺(tái)水泵等組成。用戶通過(guò)控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

通過(guò)安裝在出水管主網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上；當(dāng)用水量超過(guò)一臺(tái)泵的供水量時(shí)，通過(guò)PLC控制器加泵。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)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(shí)維修和系統(tǒng)的正常供水。

正常情況（無(wú)泵檢修）時(shí)，各泵的運(yùn)行順序?yàn)?#，2#，3#，4#。

2 工作原理

2.1 運(yùn)行方式

該系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式：

⑴. 手動(dòng)運(yùn)行

按下按鈕啟動(dòng)或停止水泵，可根據(jù)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(shí)用。

⑵. 自動(dòng)運(yùn)行

合上自動(dòng)開(kāi)關(guān)后，1#泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從0Hz上升，同時(shí)PID調(diào)節(jié)器接收到自壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)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(kāi)始減，同時(shí)根據(jù)PID調(diào)節(jié)器給的調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

3 泵組工作的切換

泵組的切換，開(kāi)始時(shí)，1#泵變頻啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速?gòu)?開(kāi)始隨頻率上升，如變頻器頻率到達(dá)50Hz而此時(shí)水壓還在下限值，延時(shí)一段時(shí)間（避免由于干擾而引起誤動(dòng)作）后，1#泵切換至工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，2#泵變頻啟動(dòng)，如水壓仍不滿足，則依次啟動(dòng)3#、4#泵，泵的切換過(guò)程同上；若開(kāi)始時(shí)1#泵備用，則直接啟2#變頻，轉(zhuǎn)速?gòu)?開(kāi)始隨頻率上升，如變頻器頻率到達(dá)50Hz而此時(shí)水壓還在下限值，延時(shí)一段時(shí)間后，2#泵切換至工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，3#泵變頻啟動(dòng)，如水壓仍不滿足，則啟動(dòng)4#泵，泵的切換過(guò)程同上；若1#、2#泵都備用，則直接啟3#變頻，具體泵的切換過(guò)程與上述類同。

4 PLC控制系統(tǒng)

PLC選用SIEMENS公司的S7-200系列：由CPU226XP、DI/DO模塊、AI/AO模塊組成。PLC作為控制單元，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。其主要的作用要體現(xiàn)以下幾方面：①完成對(duì)系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)字量與模擬量的相互轉(zhuǎn)換。②完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制及PID調(diào)節(jié)的運(yùn)算。③將PID運(yùn)算的數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，作為調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率的控制信號(hào)。④通過(guò)通信電纜及USS4協(xié)議完成對(duì)變頻器內(nèi)部參數(shù)讀寫及控制。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比，該系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出來(lái)控制電機(jī)的啟停、定時(shí)切換、軟起動(dòng)、循環(huán)變頻及故障的報(bào)警等，而電機(jī)轉(zhuǎn)速、水壓量等模擬量則由PID調(diào)節(jié)器和變頻器來(lái)控制。

5 變頻器、傳感器控制系統(tǒng)

5.1 利用PID調(diào)節(jié)方式

變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它以其獨(dú)特優(yōu)良的控制性被廣泛應(yīng)用在速度控制領(lǐng)域。特別是在供水行業(yè)中，由于生產(chǎn)安全和供水質(zhì)量的特殊需要，對(duì)恒壓供水壓力有著嚴(yán)格要求，變頻調(diào)速技術(shù)在本系統(tǒng)也得到了更加深入的應(yīng)用。

5.2 傳感器

壓電示傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器。它是某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。

傳感器頂端的信號(hào)處理電路可將液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出.磁致伸縮式液位計(jì)的測(cè)量范圍由磁致伸縮線的長(zhǎng)度決定，可以長(zhǎng)達(dá)十幾米，它可以替換差壓式、電容式、超聲波式、浮筒式或伺服式等傳統(tǒng)的液位計(jì)，具有可靠的工作性能.

6 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

6.1 高效節(jié)能

通過(guò)采用變頻調(diào)速恒壓控制，可在不同季節(jié)、全天不同時(shí)段內(nèi)有效即時(shí)地調(diào)控水量，這樣在用水量較低時(shí)，大大節(jié)約供水量，減少電耗。

在設(shè)定壓力內(nèi)跟隨用水量供水，避免了傳統(tǒng)供水方式的損耗，降低噸水消耗。

6.2 提高自動(dòng)化水平

根據(jù)系統(tǒng)建立自動(dòng)控制系統(tǒng)的原則“分散控制、集中管理、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守”，變頻恒壓供水技術(shù)的應(yīng)用提高了自動(dòng)控制系統(tǒng)的整體水平，真正作到了操作簡(jiǎn)便安全，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人職守，運(yùn)行安全可靠。

7 結(jié)束語(yǔ)

在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際設(shè)定水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速或加減泵，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)資，并使系統(tǒng)處于可靠運(yùn)行的狀態(tài)；減泵時(shí)采用“先啟先停”的切換方式，相對(duì)于“先啟后停”方式，更能確保各泵使用平均以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命；同時(shí)針對(duì)所用四臺(tái)泵均已使用，需要定期進(jìn)行檢修的實(shí)際情況，增加了硬件/軟件備用功能，有效延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；壓力閉環(huán)控制，系統(tǒng)用水量任何變化均能使供水管網(wǎng)的服務(wù)壓力保持給定，大大提高了供水品質(zhì)；變頻器故障后仍能保障不間斷供水，同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障消除后自啟動(dòng)，具有一定的可靠性.

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