基于PLC的多泵循環(huán)增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)
基于PLC的多泵循環(huán)增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)
1 引言
增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備恒壓供水在城市自來水管網(wǎng)系統(tǒng)、住宅小區(qū)生活消防用水系統(tǒng)、樓宇中央空調(diào)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域中均有應(yīng)用。增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備恒壓供水是指用戶端在任何時候，不管用水量的大小總能保持管網(wǎng)中水壓的基本恒定。在恒壓供水系統(tǒng)中可根據(jù)壓力給定的理想值信號及管網(wǎng)水壓的反饋信號進(jìn)行比較，變頻器根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制管網(wǎng)水壓的目的。本文介紹基于PLC控制的多臺水泵循環(huán)變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計方法。
2 增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備控制要求
某中心給水泵站擔(dān)負(fù)周邊高層小區(qū)的生活用水二次加壓任務(wù)。包括3臺22KW生活水泵、1臺7.5KW夜間補(bǔ)壓水泵。3臺生活水泵用水高峰時段需要工作在“1工1變”狀態(tài)，其它時段工作在“1變”狀態(tài)，深夜用水低谷僅用7.5KW補(bǔ)壓泵工作在工頻即可。
3 增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計
該系統(tǒng)主要由三菱FX-2N系列PLC控制器、三菱FR-A540變頻器、PID調(diào)節(jié)器、壓力變送器、浮球水位計（開關(guān)）、低壓電氣設(shè)備及水泵組成。
3.1主回路設(shè)計
采用一拖多的方式，每臺電機(jī)水泵既可工頻運(yùn)行又可變頻運(yùn)行。主回路如圖1。
變頻器用水高峰期3臺水泵一臺工頻運(yùn)行一臺變頻運(yùn)行另一臺處于待機(jī)狀態(tài)，并每周循環(huán)一次，既便于維護(hù)和檢修作業(yè)，又不至于停止供水。利用PLC編程可實現(xiàn)此功能。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2。一般用水時段有一臺水泵處于變頻狀態(tài)，其中應(yīng)特別注意，為了保護(hù)機(jī)電設(shè)備在工頻——變頻狀態(tài)切換過程中應(yīng)先將變頻器輸出停止，延時1s時間后再啟動，此時可能會出現(xiàn)短暫失壓現(xiàn)象，但實際應(yīng)用中這種影響并不明顯。
3.2 變頻器頻率（速度）設(shè)定的方法
（1）利用變頻器本身的多段速度設(shè)定法
三菱FR-A540變頻器本身有多段速度的設(shè)定功能，以七段速度為例，七段調(diào)速如下表：
操作模式：Pr.79=3
速度段 1 2 3 4 5 6 7
運(yùn)行頻率 15HZ 20HZ 25HZ 30HZ 35HZ 40HZ 45HZ
變頻器
參數(shù)設(shè)定 Pr.4=15 Pr.5=20 Pr.6=25 Pr.24=30 Pr.25=35 Pr.26=40 Pr.27=45
接點 RH RM RL RM、RL RH、RL RH、RM RH、RM、RL
相應(yīng)PLC I/O分配 Y11 Y12 Y13 Y12、Y13 Y11、Y13 Y11、Y12 Y11、Y12、Y13
表1 變頻器七段速度表
這種控制方式下，當(dāng)前水位若在下限則PLC輸出高一級的變頻信號給變頻器，當(dāng)七段速度均啟動工作但仍未達(dá)到上限，則啟動工頻。若已達(dá)到高水位，則PLC輸出低一級的變頻信號給變頻器。相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3。
（2）利用壓力傳感器信號經(jīng)PLC運(yùn)算給出變頻器運(yùn)行頻率設(shè)定信號
利用變頻器本身的多段速度控制僅需要水壓上限和下限兩個信號，控制方式簡單，編程方便。但控制精度不高。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器（本項目選擇PMC系列電子陶瓷壓力傳感器），將壓力信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的DC4~20mA的模擬量信號送入PLC的擴(kuò)展A/D單元，經(jīng)過A/D變換，利用PLC采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)方法計算出此時變頻器應(yīng)運(yùn)行的頻率，將相應(yīng)的數(shù)字量信號再通過PLC擴(kuò)展D/A轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換成電壓信號，此時變頻器工作在Pr.79=2的外部操作模式，由2、5端子之間的電壓值決定其頻率輸出。硬件原理圖見圖4。
由于涉及到PLC的A/D、D/A單元，其軟件編程需注意這兩個單元初始化的方法及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健３绦蛉鐖D5。
（3） 利用壓力傳感器給出信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行頻率設(shè)定的方法
除了3.2.（2）中的方法外，目前應(yīng)用較廣泛的是通過傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的DC4~20mA的模擬量信號后，將該信號送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)過PID儀表將壓力設(shè)定值與傳感器的反饋值進(jìn)行比較計算后，給出一個變頻器的頻率給定值。其原理圖如圖6。
PID調(diào)節(jié)器控制原理
經(jīng)過試驗比較發(fā)現(xiàn)，由于供水系統(tǒng)管道長、管徑大、管網(wǎng)的充壓比較慢，故系統(tǒng)屬于一個大滯后系統(tǒng)，僅采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制并不是較好的選擇，實際運(yùn)用中采用3.2.（2）與3.2.（3）相配合的方式將更有利于理想控制的實現(xiàn)。其硬件如圖7所示。
4結(jié)束語
多泵循環(huán)增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，它取代了傳統(tǒng)的水塔、高水位箱或氣壓罐，不但大大的改善了系統(tǒng)的性能，而且節(jié)能環(huán)保，具有良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。
中贏智能增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備簡介
智能增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備是一種新型的清潔衛(wèi)生、高效節(jié)能的變頻調(diào)速供水方式，也被業(yè)界稱為管網(wǎng)疊壓供水。它無需建立水池，直接連接在市政自來水管道上并充分利用自來水原有壓力節(jié)約了大量的電能和設(shè)備投資，其節(jié)能效果可達(dá)50%以上。
智能增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備應(yīng)具備的控制功能要求：須具有兩臺泵定時切換功能。故障報警停泵功能。進(jìn)水壓力控制設(shè)定上限壓力，開泵時水泵能根據(jù)設(shè)定壓力值自動升降轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)出水壓力，達(dá)到下限壓力時停泵。須設(shè)有手動開關(guān)泵按鈕，當(dāng)自動功能出現(xiàn)故障時須手動開關(guān)水泵，不至于影響用戶用水和市政管網(wǎng)運(yùn)行的安全。
控制系統(tǒng)動態(tài)性能要求：須平滑、穩(wěn)定的進(jìn)行調(diào)節(jié)，不產(chǎn)生調(diào)節(jié)震蕩，并且響應(yīng)速度合理。避免水流喘振、斷流和水擊現(xiàn)象出現(xiàn)。
恒壓控制穩(wěn)態(tài)精度要求：設(shè)定壓力與實際壓力差不得超過±0.01MPa。
中贏智能增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備應(yīng)采用水泵出水端壓力恒定控制或供水管路較不利點恒壓控制的方式。壓力值可以在現(xiàn)場試水時設(shè)定和調(diào)整，以達(dá)到用戶用水壓力滿意為準(zhǔn)。
中贏智能增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備具備以下特點
1、無負(fù)壓功能
設(shè)備與市政管網(wǎng)直接連接，設(shè)備工作時對管網(wǎng)不產(chǎn)生任何負(fù)壓影響，通過設(shè)備的微機(jī)控制系統(tǒng)及穩(wěn)流補(bǔ)償系統(tǒng)與真空抑制系統(tǒng)的有效工作，時刻自動監(jiān)測自動調(diào)節(jié)和適應(yīng)，實現(xiàn)預(yù)壓對吸程的自動補(bǔ)償，從而可以消除水泵運(yùn)行時產(chǎn)生負(fù)壓及吸程影響，不會對市政管網(wǎng)及其周圍用水戶造成影響，也絕不會使管道中出現(xiàn)負(fù)壓。
2、現(xiàn)場手動/自動操作轉(zhuǎn)換功能
設(shè)備為用戶提供了多路操作方式，設(shè)備控制面板具備手動和自動控制方式，由控制面板上的“手動/自動”轉(zhuǎn)換開關(guān)來選擇。當(dāng)選擇自動操作，并將“啟動、停止”轉(zhuǎn)換開關(guān)扭至啟動位置時，無須人為干預(yù)設(shè)備的運(yùn)行，設(shè)備在微機(jī)的控制之下按照設(shè)定的程序全自動運(yùn)行。
3、有水開機(jī)/無水停機(jī)功能
當(dāng)市政管網(wǎng)水量不滿足時，設(shè)備自動調(diào)整供水狀況，改變設(shè)備運(yùn)行曲線，進(jìn)行真空抑制和穩(wěn)流補(bǔ)償，使用水狀況與進(jìn)水狀況符合，當(dāng)補(bǔ)償量達(dá)到較大時市政管網(wǎng)也不能滿足需要時，設(shè)備自動停機(jī)，防止因水源不足而造成設(shè)備的損壞。當(dāng)市政管網(wǎng)恢復(fù)正常狀態(tài)時，設(shè)備自動開機(jī)。
4、自動恒壓功能
根據(jù)工程實際情況，可現(xiàn)場設(shè)定設(shè)備出水壓力，控制系統(tǒng)運(yùn)算速度快，時刻檢測出水壓力與設(shè)定壓力相比較，自動調(diào)節(jié)，使出水壓力非常恒定。
5、變頻自動轉(zhuǎn)換及定時交換功能
當(dāng)一臺水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)仍然不能滿足用水情況時，設(shè)備自動控制其他水泵投入運(yùn)行，并使水泵始終處于高效運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)一臺水泵長時間運(yùn)行時，設(shè)備可以自動調(diào)控到其它水泵工作，有效調(diào)控水泵運(yùn)行時間，使每一臺水泵的利用率趨于均等，避免因水泵利用率不平衡而造成水泵的損壞，從而大大延長設(shè)備的使用壽命。
6、管網(wǎng)自動補(bǔ)償增壓功能
設(shè)備與自來水管網(wǎng)直接串接，充分利用自來水管網(wǎng)原有壓力。采用變頻調(diào)速控制技術(shù)，對自來水的進(jìn)水壓力和出水設(shè)定壓力的差進(jìn)行補(bǔ)償，充分利用市政管網(wǎng)壓力，高效節(jié)能。
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