PLC 與變頻器組成的恒壓供水系統

0 引言

恒壓供水調速系統能夠實(shí)現水泵電動(dòng)機無(wú)級調速，可依據用水量的變化(實(shí)際上為供水管網(wǎng)的壓力變化)自動(dòng)調節系統的運行參數，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿(mǎn)足用水要求，是當今先進(jìn)、合理的節能型供水系統，且技術(shù)日趨成熟。

PLC 與變頻器應用到恒壓控制系統后，使系統運行可靠，控制精度高既節省了人力又節約了能源，同時(shí)在變頻器軟啟動(dòng)下，使電機、水泵的使用壽命得到延長(cháng)。

1 系統工作原理

1.1 變頻調速的節能原理

圖1 中曲線(xiàn)1 是閥門(mén)完全打開(kāi)時(shí)供水系統的阻力特性曲線(xiàn)，曲線(xiàn)2 是額定轉速時(shí)泵的揚程特性曲線(xiàn)，供水系統的工作點(diǎn)為A，流量為qa，揚程為ha，電動(dòng)機的軸功率與面積O-qa-A-ha-O 成正比。要將流量減少為qb的主要調節方法有兩種：傳統方法是保持電動(dòng)機(水泵)的轉速不變，將閥門(mén)關(guān)小，阻力特性如曲線(xiàn)3 所示，工作點(diǎn)移至B點(diǎn)流量為qb，揚程為hb，電動(dòng)機的軸功率與面積Oqb-B-hb-O成正比。采用變頻調速是保持閥門(mén)的開(kāi)度不變，降低電動(dòng)機(水泵)的轉速，這時(shí)揚程特性曲線(xiàn)如曲線(xiàn)4 所示，工作點(diǎn)移至C 點(diǎn)，流量仍為qb，但揚程為hc，電動(dòng)機的軸功率與面積O-qb-Chc-O成正比，實(shí)現了節能的目的。

1.2 系統控制方案及水泵循環(huán)投切原理

系統變頻調速由PLC 與變頻器共同完成，其原理如圖2 所示。在水站出水管處放置一個(gè)壓力傳感器，變送器負責將傳感器壓力信號轉換為1耀5 V直流電壓信號送入PLC 的閉環(huán)控制模塊，該信號與壓力給定值相比較，并經(jīng)PID運算，由模塊輸出一個(gè)4耀20 mA(也可為0耀10 V)的控制信號送往變頻器，控制變頻器輸出頻率，實(shí)現電動(dòng)機的無(wú)級調速，達到輸出供水管水壓穩定在所設定的壓力。

圖2中，接觸器K1，K2，K3 使水泵工作在工頻狀態(tài)，而K4 ，K5 ，K6 則與變頻器輸出相連使水泵工作在變頻狀態(tài)，考慮到每臺水泵不能同時(shí)工作在工頻與變頻狀態(tài)，在電氣設備上采用接觸器聯(lián)鎖保護。初始狀態(tài)，變頻器輸出連接在第一臺水泵電機上，管網(wǎng)壓力上升，當壓力小于給定值，需要加泵時(shí)，由變頻器的繼電器輸出端口發(fā)出信號到PLC，由PLC 控制切換過(guò)程。變頻器停止輸出(變頻器設置為自由停車(chē))，利用水泵的慣性將第一臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第二臺水泵上起動(dòng)并運行，以此類(lèi)推，將第二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第三臺水泵上起動(dòng)并運行。

需要減泵時(shí)，系統將依次將第一臺水泵停止，第二臺水泵停止，這時(shí)，變頻器連接在第三臺水泵上。

這種方式保證永遠有一臺水泵在變頻運行，三臺水泵中的任一臺都可能變頻運行。這樣，才能做到不論用水量如何改變都可保持管網(wǎng)壓力基本恒定，且各臺水泵運行的時(shí)間基本相同，這給維護和檢修帶來(lái)方便，并提高了系統的使用壽命。所以，大部分的供水廠(chǎng)家都基本采用此循環(huán)投切方案。

但此方案也有不足之處，就是在只有一臺變頻器運行并切換到工頻過(guò)程中會(huì )造成管網(wǎng)短時(shí)失壓，在設計時(shí)應充分地引起重視。另外，在圖2 中還可增加軟啟動(dòng)器作為備用。當變頻器或PLC出現故障時(shí)，可用軟起動(dòng)器手動(dòng)輪流起動(dòng)各泵運行以保證正常供水。

系統運行后，變頻器的輸出端不能連接電源，也不能在運行中帶載脫閘，切換過(guò)程應按以下的程序進(jìn)行。循環(huán)投切恒壓供水系統投入運行時(shí)，當變頻器的輸出頻率達到頻率上限(變頻器可設定為50 Hz)，運行60 s管網(wǎng)水壓未達到給定值，此時(shí)，該臺水泵需切換到工頻運行。切換過(guò)程是先關(guān)該臺水泵電磁閥，然后變頻器停車(chē)(停車(chē)方式設定為自由停車(chē))，水泵電機慣性運轉，考慮到電機中的殘余電壓，不能將電機立即切換到工頻，而是延時(shí)一段時(shí)間，到電機中的殘余電壓下降到較小值，保證與電源電壓不同相時(shí)造成的切換電流沖擊較小。例如某水廠(chǎng)160 kW水泵電機的切換時(shí)間為600 ms，連接在電機工頻回路中的空氣開(kāi)關(guān)容量

為400 A。關(guān)閥后停車(chē)，水泵電機基本上處于空載運轉，到600 ms 時(shí)電機的轉速下降不是很多，使切換時(shí)電流沖擊較小。切換完成后，再打開(kāi)電磁閥，已停車(chē)的變頻器起動(dòng)并運行另外的水泵。當變頻器輸出檢測到頻率下限(可設定為30 Hz)后，應該切除最早啟動(dòng)的工頻泵，切除工頻泵時(shí)，也應先關(guān)閥，后停車(chē)，這樣無(wú)“水錘”現象產(chǎn)生。上述這些操作都是由PLC控制自動(dòng)完成。

2 系統軟件實(shí)現

整個(gè)系統的執行過(guò)程全部是由PLC來(lái)自動(dòng)完成的，PLC 根據變頻器發(fā)出的頻率上限與下限信號來(lái)控制3臺水泵電機之間的循環(huán)投切，經(jīng)對比，3 臺水泵之間的切換是有規律可循的，因為在同一時(shí)間只有一臺水泵處在變頻狀態(tài)，所以用變頻水泵的狀態(tài)作為查詢(xún)狀態(tài)位，工頻狀態(tài)位作為次判斷位，來(lái)分步編寫(xiě)PLC的程序。系統選用日本立石公司的CPM2A 系列PLC，確定6 個(gè)交流接觸器的輸出分別為K1

(10.00)，K2(10.01)，K3(10.02)，K4(10.03)，K5(10.04)，K6(10.05)，變頻器頻率上限信號輸入為0.00，下限信號輸入為0.01。假設現在變頻器處在第一臺工頻，第二臺變頻狀態(tài)下，接觸器K1、K5 處在閉合狀態(tài)，即10.00、

10.04 輸出為1，其它輸出點(diǎn)輸出為0，則系統部分程序如圖3 所示。

圖3 中只是簡(jiǎn)單的程序思路，而切換過(guò)程中還要考慮時(shí)間延時(shí)以及電磁閥的動(dòng)作

問(wèn)題，這里不多介紹。

3 結語(yǔ)

以CPM2A 系列PLC和變頻器為控制器的多泵恒壓供水系統已在某學(xué)校投入使用，試驗結果證明，系統供水壓力穩定，控制精度高，運行可靠，節省電能，系統至今運行正常。