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基于PLC和變頻器的供水智能系統(tǒng)

1 引言

      供水智能系統(tǒng)采用變頻器和可編程控制器plc等現(xiàn)代控制設(shè)備和技術(shù)實(shí)現(xiàn)恒定水壓供水，是供水領(lǐng)域技術(shù)革新的一項(xiàng)有效措施，以往采用的水塔供水既不穩(wěn)定又不經(jīng)濟(jì)，更重要的是浪費(fèi)了大量的能源，本文介紹的變頻恒壓供水系統(tǒng)以其有效的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，徹底解決了上述問(wèn)題，是一項(xiàng)頗有實(shí)用價(jià)值的調(diào)速系統(tǒng)，為現(xiàn)有的供水系統(tǒng)技術(shù)改造提供了切實(shí)可行的途徑。

2 供水智能系統(tǒng)控制的原理

      基于s7-200的變頻恒壓供水系統(tǒng)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(shí)刻跟隨管網(wǎng)的壓力與壓力設(shè)定值的偏差變化情況，利用變頻器檢測(cè)實(shí)際水壓值，再將實(shí)際水壓值和設(shè)定值進(jìn)行比較，按照變頻器內(nèi)部的pid規(guī)律運(yùn)算后，自動(dòng)控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速；通過(guò)plc輸出控制變頻與工頻切換；自動(dòng)控制水泵電機(jī)投入臺(tái)數(shù)和水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)整恒壓供水，在保持恒壓下達(dá)到控制流量的目的；同時(shí)利用“先啟先停”的原則，自動(dòng)巡檢每天水泵的運(yùn)行時(shí)間，保證每臺(tái)水泵的工作時(shí)間一樣。

      本文以遼寧千山水泥廠的恒壓供水項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)了一套恒壓供水系統(tǒng)（見(jiàn)附圖），整個(gè)供水系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：清水泵恒壓控制和循環(huán)水泵恒壓控制。清水泵主要是生活用水，循環(huán)水泵主要是工業(yè)用水，清水泵和循環(huán)水泵都由s7-200控制，清水泵是一拖二，循環(huán)水泵是一拖三，兩者的控制要求是一樣的。本文重點(diǎn)介紹循環(huán)水泵控制系統(tǒng)。

供水智能系統(tǒng)控制要求：

(1)控制系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種工作方式，手動(dòng)用于設(shè)備調(diào)試、檢修及其特殊情況下的供水。正常情況下，設(shè)備置于中控自動(dòng)位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。

(2)當(dāng)工作方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處于自動(dòng)時(shí)，可以根據(jù)設(shè)定壓力自動(dòng)進(jìn)行控制，保證恒壓供水。

(3)當(dāng)工作方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處于手動(dòng)時(shí)，由人工在柜面上通過(guò)電位器調(diào)節(jié)各水泵轉(zhuǎn)速。

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

(5)系統(tǒng)具有運(yùn)行、報(bào)警、故障等信號(hào)，均為無(wú)源常開(kāi)點(diǎn)。

3 供水智能系統(tǒng)工作過(guò)程

      變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)構(gòu)成由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、水位傳感器等組成。系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，三臺(tái)電機(jī)循環(huán)使用的方式運(yùn)行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如附圖所示。

      根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況，一般只需要一臺(tái)泵變頻工作就能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，在用水高峰時(shí)期或特殊情況下需要一臺(tái)泵變頻運(yùn)行一臺(tái)泵工頻運(yùn)行，且保證每臺(tái)泵工作的時(shí)間一樣，循環(huán)使用每臺(tái)泵。

分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過(guò)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(dòng)下變頻運(yùn)行，當(dāng)用水量增大時(shí)，變頻器達(dá)到最大50hz；這時(shí)泵1由變頻變?yōu)楣ゎl，泵2變頻運(yùn)行；泵1沒(méi)有出現(xiàn)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(yùn)行，只有泵2變頻運(yùn)行，這期間一旦泵1出現(xiàn)故障，在plc可編程控制器控制下，停止泵1的運(yùn)行，讓泵2變頻運(yùn)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(dòng)下變頻運(yùn)行，當(dāng)用水量增大時(shí)，變頻器達(dá)到最大50hz；這時(shí)泵2由變頻變?yōu)楣ゎl，泵3變頻運(yùn)行；泵2沒(méi)有出現(xiàn)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(yùn)行，只有泵3變頻運(yùn)行，這期間一旦泵2出現(xiàn)故障，在plc可編程控制器控制下，停止泵2的運(yùn)行，讓泵3變頻運(yùn)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(dòng)下變頻運(yùn)行，當(dāng)用水量增大時(shí)，變頻器達(dá)到最大50hz；這時(shí)泵3由變頻變?yōu)楣ゎl，泵1變頻運(yùn)行；泵3沒(méi)有出現(xiàn)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(yùn)行，只有泵1變頻運(yùn)行，這期間一旦泵1出現(xiàn)故障，在plc可編程控制器控制下，停止泵3的運(yùn)行，讓泵1變頻運(yùn)行以保證供水壓力恒定。

在plc程序設(shè)計(jì)中，必須認(rèn)真考慮這三種情況和三種情況的循環(huán)，才能保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正常的切換與長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

4.1 變頻器硬件設(shè)計(jì)

      變頻器選用abb/acs400型7.5kw變頻器產(chǎn)品，適配電機(jī)7.5kw，該變頻器基本配置中帶有pid功能，通過(guò)變頻器面板設(shè)定一個(gè)給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來(lái)的一個(gè)壓力信號(hào)（4~20ma）接在變頻器的輔助，作為壓力反饋，變頻器根據(jù)壓力給定和實(shí)測(cè)壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，控制管網(wǎng)壓力保持在給定壓力值上，變頻器的極限輸出頻率的檢測(cè)輸出信號(hào)端進(jìn)plc，作為泵變頻與工頻切換的控制信號(hào)，變頻器的極限輸出頻率通過(guò)面板可以設(shè)定，一般為50hz。變頻器的故障輸出端分別進(jìn)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(shí)讓故障指示燈亮，提醒人們。變頻器面板上有故障復(fù)位按鍵，一般的故障用復(fù)位按鍵復(fù)位，可以重新啟動(dòng)變頻器；變頻器的運(yùn)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(lián)3個(gè)接觸器分別接到3個(gè)泵上面，變頻器可分別帶動(dòng)3個(gè)泵，3個(gè)泵還可以通過(guò)另外3個(gè)接觸器并聯(lián)到工頻電源上。

4.2 plc硬件設(shè)計(jì)

      根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)數(shù)字量輸入點(diǎn)總有8個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn)9個(gè)，plc可編程控制器選用西門(mén)子s7-200中的cpu224系列。i/o地址分配見(jiàn)附表。

5 注意事項(xiàng)

(1)變頻轉(zhuǎn)工頻開(kāi)關(guān)切換時(shí)間t

      設(shè)置t是為了確保在加泵時(shí)，泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻的過(guò)程中，同一臺(tái)泵的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行各自對(duì)應(yīng)的交流接觸器不會(huì)同時(shí)吸合而損壞變頻器，同時(shí)為了避免工頻啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流過(guò)大而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，此時(shí)間要設(shè)置的合理，太小空氣開(kāi)關(guān)很容易跳閘，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)這個(gè)時(shí)間一般為2~3s左右，最好用plc上面的電位器來(lái)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整。

(2)上下限頻率持續(xù)時(shí)間th和tl

      變頻器運(yùn)行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高，本系統(tǒng)以變頻器運(yùn)行的頻率是否達(dá)到上限（下限）、并保持一定的時(shí)間為依據(jù)來(lái)判斷是否加泵（減泵），這個(gè)判斷的時(shí)間就是th（tl）。如果設(shè)定值過(guò)大，系統(tǒng)就不能迅速的對(duì)管網(wǎng)用水量的變化做出反應(yīng)；如果設(shè)定值過(guò)小，管網(wǎng)用水量的變化時(shí)就很可能引起頻繁的加減泵動(dòng)作；兩種情況下都會(huì)影響恒壓供水的質(zhì)量。由于沒(méi)有顯示面板，所以用plc上面的電位器來(lái)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整。

6 結(jié)束語(yǔ)

      供水智能系統(tǒng)邏輯控制采用plc，壓力調(diào)節(jié)采用帶pid控制的變頻器，使用方便，工作可靠，系統(tǒng)壓力恒定，無(wú)沖擊，具有較好的控制效果。在實(shí)際運(yùn)行中，可以根據(jù)用戶(hù)實(shí)際需要，通過(guò)改變壓力給定，進(jìn)行任意設(shè)定，在系統(tǒng)進(jìn)行增泵或減泵過(guò)程中，水壓波動(dòng)允許的范圍內(nèi)，一旦增泵或減泵過(guò)程結(jié)束，壓力立即穩(wěn)定到設(shè)定值，這個(gè)過(guò)程前后不到30s時(shí)間，很好地滿(mǎn)足了用戶(hù)用水要求。供水智能系統(tǒng)采用變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能，節(jié)能效率可達(dá)40%左右，同時(shí)由于采用變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)行軟起動(dòng)，減少了設(shè)備損耗，延長(zhǎng)了水泵、電機(jī)設(shè)備的使用壽命。運(yùn)行結(jié)果表明，采用plc和變頻器為核心部件構(gòu)成的變頻恒壓供水系統(tǒng)，有著很強(qiáng)的實(shí)用性，具有壓力穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等特點(diǎn)，為供水領(lǐng)域的技術(shù)革新，開(kāi)辟了切實(shí)有效的途徑。