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PLC在變頻調(diào)速生活給水設(shè)備系統(tǒng)的應(yīng)用

1 引言

      交流變頻調(diào)速技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，它具有體積小、重量輕、安裝操作簡單、數(shù)據(jù)可靠、性能穩(wěn)定和節(jié)電效果明顯等特點(diǎn),是一項(xiàng)較為成熟的高科技成果。近年來，在國內(nèi)各行各業(yè)也相繼引進(jìn)交流變頻調(diào)速的各類產(chǎn)品，以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的需求。在城市高樓發(fā)展的今天，以前的給水設(shè)備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代人民生活的需要，給水廠的自動化改造迫在眉睫。如何保證在供水量波動的時候水壓恒定，采取變頻恒壓控制是現(xiàn)代供水控制系統(tǒng)的主要方式。它利用plc、傳感器、變頻器及水泵機(jī)組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使管網(wǎng)壓力保持恒定，代替了傳統(tǒng)的水塔供水控制方案，具有自動化程度高，高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，在小區(qū)供水和工廠供水控制中得到廣泛應(yīng)用，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2 變頻調(diào)速生活給水設(shè)備組成

      變頻調(diào)速生活給水設(shè)備系統(tǒng)以3臺15kw的水泵p1、p2、p3變頻恒壓運(yùn)行為例，以變頻器、可編程序控制器作為系統(tǒng)控制的核心部件，以設(shè)定壓力為控制目標(biāo)，以pid為控制算法，和變頻器組成恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)時刻跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)定值的偏差變化情況，經(jīng)變頻器內(nèi)部進(jìn)行pid運(yùn)算，由plc控制變頻與工頻切換，自動控制水泵電機(jī)投入臺數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)整恒壓供水。

2.1 變頻調(diào)速生活給水設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

      變頻調(diào)速生活給水設(shè)備plc選用日本三菱公司的fxos-20mr產(chǎn)品，水泵p1、p2、p3可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需plc的四個輸出信號控制，變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷由plc的一個輸出信號控制，變頻器極限頻率的檢測信號占用plc一個輸人點(diǎn)，設(shè)定水壓的上、下限壓力值，上、下限壓力值分別設(shè)在給定壓力值上下兩側(cè)與給定壓力略有偏差處，當(dāng)管網(wǎng)壓力處于上、下限位置，傳感器分別輸出開關(guān)信號進(jìn)入plc兩個輸人點(diǎn)，與變頻器的極限輸出頻率檢測信號一起，通過plc控制泵的變頻與工頻切換以及工頻運(yùn)行泵的切除。系統(tǒng)所需的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)量共為16個點(diǎn)，可編程控制器fxos-20mr能夠滿足系統(tǒng)的控制要求，fx系列plc的工作電源可以用交流220v電源，也可用直流24v電源，它具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等特點(diǎn)，可長期在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。該系統(tǒng)的i/o分布如附表所示。

      變頻器選用日本安川變頻器cimr-p5a45p5產(chǎn)品。通過變頻器面板設(shè)定一個給定頻率作為壓力給定值（14端），壓力傳感器反饋來的壓力信號（0～10v）接至變頻器端子的7端、8端，作為壓力反饋，變頻器根據(jù)壓力給定和實(shí)測壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速。變頻器端子的19端和20端是傳感器壓力設(shè)定的上、下限值，該信號進(jìn)plc，作為工頻切換的控制信息，由plc控制水泵的工頻或變頻運(yùn)行。變頻控制系統(tǒng)主回路如圖2所示。變頻器有2個作用，一是作為電機(jī)的軟起動裝置，限制電動機(jī)的啟動電流；二是改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

      交流接觸器組km2 km3分別控制泵1的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行；km4和 km5分別控制泵2變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行；km6和km7分別控制泵3的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行。

2.3 壓力傳感器

      變頻調(diào)速生活給水設(shè)備輸出壓力一般小于或等于0.6mpa，故系統(tǒng)選用ytz一150型帶電接點(diǎn)式的壓力傳感器，其水壓檢測范圍為0～1mpa，檢測精度為±0.01mpa，該傳感器將0～1mpa范圍的壓力對應(yīng)轉(zhuǎn)換成0～10v的電信號。

3 控制原理

      合上空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。將手動、自動開關(guān)打到自動上，km1合上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動運(yùn)行狀態(tài)，plc中程序首先接通km2，并起動變頻器。根據(jù)壓力設(shè)定值（根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定）與壓力實(shí)際值（來自于壓力傳感器）的偏差進(jìn)行pid調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號（irf）給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預(yù)先設(shè)定好的加速時間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。同時變頻器在運(yùn)行頻率到達(dá)上限（設(shè)定為工頻50hz），會將頻率到達(dá)信號送給plc，plc則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號和變頻器的運(yùn)行頻率是否到達(dá)上限的信號，由程序判斷是否要起動第2臺泵（或第3臺泵）。

      當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時間（程序設(shè)定為15s），則plc會將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速（時間設(shè)定為5s）起動下1臺泵變頻運(yùn)行。此時pid會繼續(xù)通過由遠(yuǎn)傳壓力表送來的檢測信號進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運(yùn)行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。3臺泵切換及變頻控制程序框圖如圖3所示。

      增泵工作過程：假定增泵順序?yàn)閘、2、3泵。開始時，1泵電機(jī)在plc控制下先投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限（50hz），并穩(wěn)定運(yùn)行15s后，如果供水壓力仍沒達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過程。在plc的邏輯控制下將1泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開關(guān)斷開，延時1s后，1泵電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時變頻器與2泵電機(jī)連接，控制2泵投入調(diào)速運(yùn)行。如果還沒到達(dá)設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運(yùn)行，控制3泵投入變頻運(yùn)行。

      減泵工作過程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當(dāng)供水壓力大于預(yù)置值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限（30hz），并穩(wěn)定運(yùn)行一段時間（30s）后，把變頻器控制的水泵停機(jī)，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺水泵由工頻運(yùn)行切換到變頻器調(diào)速運(yùn)行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當(dāng)最后一臺正在運(yùn)行的主泵處于低速運(yùn)行時，如果供水壓力仍大于設(shè)定值，則停機(jī)并啟動輔泵投入調(diào)速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能效果。

4 結(jié)束語

      該變頻調(diào)速生活給水設(shè)備系統(tǒng)邏輯控制采用plc控制變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速恒壓供水，使用方便，工作可靠，系統(tǒng)壓力恒定，具有較好的控制效果。該變頻調(diào)速生活給水設(shè)備系統(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，同時由于采用變頻器對電機(jī)實(shí)行軟起動，減少了設(shè)備損耗，延長了水泵、電機(jī)設(shè)備的使用壽命。變頻調(diào)速生活給水設(shè)備系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，參數(shù)超調(diào)波動范圍小，偏差能及時進(jìn)行控制。變頻器的加速和減速可根據(jù)工藝要求自動調(diào)節(jié)，控制精度高，能保證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，而且由于變頻調(diào)速器具有十分靈敏的故障檢測、診斷、數(shù)字顯示功能，提高了水泵運(yùn)行的可靠性。綜上所述，采用plc和變頻器為核心部件構(gòu)成的變頻調(diào)速生活給水設(shè)備系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，為供水領(lǐng)域的技術(shù)革新，開辟了切實(shí)有效的途徑。