1基基于于 PLC 的的新新型型变变频频调调速速恒恒压压供供水水系系统统作者 :陆有军 单位 :广州市白云泵业集团有限公司摘要 介绍了一种替代水塔供水的基于PLC 的恒压供水系统的构成和工 作原理 .系统采用变频调速方式自动调节水泵电机转速或加/减泵 .自 动完成泵组软启动及无冲击切换,使水压平稳过渡 .变频器故障时系统 仍可运行 ,保证不间断供水 .系统断电恢复后可自启动.各台水泵互为备 用,单台变频泵运行超过4 小时 (可根据实际情况现场设置)自动切换至 停运时间最长的水泵,使各泵进行轮休 ,延长了设备的机械使用寿命. 关键词 恒压供水 可编程控制器LOGO!(PLC) ABB 变频器 变频器内置 PID 调节器 引言 随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高, 变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于多层 住宅小区 等生活消防供水系统中.然而 ,由于新系统多会继续使用原有 系统的部分旧设备 (如水泵 ),在对原有供水系统进行变频改造的实践中, 往往会出现一些 意想不到的问题 .本文介绍的变频控制恒压供水系统, 是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中,根据尽量保留原 有设备的原则设计的,该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题, 既体现了变频控制恒压供水的技术优势,同时有效的节省了资金. 1 系统介绍 变频恒压供水系统原理及电控原理图见附图所示 ,它主要是由 PLC/变频器 /变频器内置 PID 调节器 /压力传感器 /液位传感器 /动力控 制线路以及 4 台水泵等组成 .用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮/ 转换开关来了解和控制系统的运行. 通过安装在出水管网上的压力传感器,把出口压力信号变成4-20mA 或 0-10V 的标准信号 经变频器外置接口 (AI2)送入 变频器内 部 PID 调 节器 ,经运算与给定压力 (内部设置 )进行比较 ,得出一调节 量,再由变频 器控制水泵的转速 ,调节系统供水量 ,使供水系统管网中压力保持在给定 压力上 ;当用水量超过一台泵的供水量时,变频 器给出加泵信号 ,通过 PLC 控制器加泵 .根据用水量的大小由PLC 控制工作泵数量的增减及 变频器对水泵调速 ,实现恒压供水 .当供水负载变化时 ,输入电机的电压 和频率也随之变化 ,这样就构成了经设定压力为基准的闭环控制系统.此外 ,系统还设有多种保护功能,尤其是硬件 /软件备用水泵功能 , 充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水.2 工作原理 2.1 运行方式 该系统有手动和自动两种运行方式:2(1)手动运行 搬动旋钮开关 启动或停止水泵 ,可根据需要分别控制1#-4#泵的启 停.该方式主要供检修及变频器故障时用. (2)自动运行 合上自动开关后 ,1#泵电机 变频接触器吸合变频运行,变频器输 出频率从 0HZ 上升 ,同时 变频器内置 PID 调节器接收到 来自压力 传感器的标准信号 ,经运算与给定压力参数进行比较,将调节参数 控制 变频器 输出 ,如压力不够 ,则频率上升到50HZ,延时后 ,1#泵由 变频切换为工频 ,启 2#泵变频 ,变频器逐渐上升频率至给定值,加泵 依次类推 :如用水是减小 ,则变频器输出频率减小,当输出频率降低至 减泵频率 (既零流量频率 +0.1Hz),按先启先停的原则 开始实行减 泵, 同时 根据 变频器内置 PID 调节器 给的调节 量使系统平稳运行 . 若有电源瞬时停电的情况,则系统停机 ;待电源恢复正常后 ,系统自 动恢复运行 ,然后按自动运行方式启动某台 泵变频 ,直至在给定压力 值上稳定运行 . 变频自动功能是该系统最基本的功能,系统自动完成对多台泵软起动 /停止 /循环变频的全部操作过程. 故障 功能 任何一台泵故障都不会影响其它泵的正常恒压供水,当出现缺 相/变频器故障 /液位下限时 ,系统会自动停机 ,并发出 故障 报警信号 ,通 知维修人员前来维修.若变频器故障 ,此时可切换至手动方式保证系 统不间断供水 . 2.2 系统功能介绍 一、 按先开先停的原则依次循环运行每台泵。 二、 定时换泵功能。（单台变频泵运行超过这个时间，将切换至下一 台停止运行时间最长的泵） 三、 小泵依次换大泵功能。 （每次 从小泵换到大泵运行时，大泵都 是停止运行时间最长的泵，而不是固定的某一台泵。） 四、 一个月限时功能。 （限时时间到，手动/自动全部不能使用。 去除限时后，可根据需要，很方便的再续一个月。很好的督促 了应收款的到位。 ） 五、 睡眠功能。（在无人用水或用户用水量少时，系统停止所有泵输 出。最大限度的节约能源。 ） 六、 无故障操作状态 （也就是说不管控制面板怎么操作，都不会 引起故障程序内部已做了保护） 七、 手动恒压控制（也就是说 ,手动也是恒值控制系统。避免了手 动操作时系统超压。 ） 八、 每次从停止搬到自动时，自动换泵的功能。（有效的解决了， 每次启动都从1 号泵顺序启动的问题,更好的保证了每台泵的平 均运行时间 。 ） 九、 定时允许小泵工作。 （在用水高峰期，禁止切换至小泵。此功 能可 每天 分三个时间段或更多时间段控制。进入时间段内，若当 时是小泵运行时，将继续保持小泵运行，只要小泵切换至大泵运 行，时间段内，系统将不再切至小泵运行。此功能避免了用水高3峰期，而系统又要求睡眠频率设置高，因睡眠或换泵引起高层用 户水压波动的问题。典型的是用户冲凉时，热水器的出水时冷时 热。 ） 十、 定时允许睡眠的功能。 （在用水高峰期，禁止系统睡眠。此功 能可分三个时间段或更多时间段控制。其功能也是为了防止水压 波动。）此功能与功能九二者选一。 十一 、 定时允许系统工作 。(此功能可分三个时间段或更多时间段 控制 。如:凌晨零点至五点无人用水,系统停止输出 。) 十二 、 无水保护功能 。(水位传感器检测到水池无水,将停止系统 输出 。再来水 时系统自启动 。) 十三 、 变频器故障保护 。(变频器 故障 后依次停止每台泵 。) 十四 、 各泵互为备用 ,任何一台泵出现故障不影响正常恒压供水.3 控制系统该系统 变频器采用北京ABB 电气传动系统有限公司的 ACS510 系列水泵专用变频器,该产品具有内置PID 控制器 ,矢量控制 , 过流 ,过压 ,欠压 ,变频器过热 ,变频器热保护 ,电机热保护 ,电机过热 ,失 速,保险丝断 ,外部故障 ,电子热保护 电机堵转 (V/F),电机过载 (V/F),变 频器过载保护功能 等增强了系统的安全性(具体的接线参见附图). PLC 采用的是 西门子 可编程序控 制器 LOGO!230RC+扩展模块 DM8 230R,I/O 点数 主机 为 12 点,扩展模块为 8 点,PLC 编程采用 LOGO!轻 松软件 V3.0 提供完整的编程环境,可进行离线编程和 离线 /在线 调试 (在电脑上运行此软件).为了提高整个系统的性价比,该系统采用开关 量的输入 /输出来控制电机的启停/定时切换 /软起动 /循环变频等 ,而电 机转速 /水压量等模拟量则由变频器内置 PID 调节器和变频器来控制.泵 组的切换示意如图2. 泵组的加 减泵信号来源于ABB 变频器的 输出 继电器 1 和 2,LOGO!的接收 端子对应于 I3 和 I4. 开始时 , 1#泵变频 启动 ,转速从 0Hz 开始随频率上升 ,如变频器频率到达50HZ 而此时 管 网压力低于设定压力时,延时一段时间 (避免由于干扰而引起误动作和 频繁启停 )后,变频器输出加泵信号,1#泵切换至工频运行 ,同时变频器 频率由 50HZ 滑停至 0HZ,2#泵变频启动 ,如水压仍不满足 ,则依次启动 3#/4#泵,泵的切换过程同上 ;4同样 ,若 3 台泵 (假设为 1#/2#和 3#)运行时 ,3#泵变频运行降到 减泵 频率时 ,此时水压仍 大于设定 值,则延时一段时间后使1#泵停止 ,若此 后水压仍 大于设定 值,则延时一段时间后使2#泵停止 .这样的切换过程 , 有效地减少泵的频繁启停,同时实际管网对水压波动做出反应之前,由 变频器迅速调节 ,使水压平稳过渡 ,从而有效的避免了高楼用户停水的情 况发生 . 4 注意事项 要使系统稳定的运行,有几个参数需特别注意: (1)变频转工频开关切换时间TMC 设置 TMC 是为了确保在加泵时,泵由变频转为工频的过程中,同一 台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损 坏变频器 ,同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲 击及对水泵的机械冲击,所以在允许范围内TMC 必须尽可能的小 . (2)上下限频率持续时间TH 和 TL 变频器运行的频率随管网用水量增大而升高,本系统以变频器运行 的频率是否达到 加泵减泵频率 /并保持一定的时间为依据来判断是否 加泵 (减泵 ),这个判断的时间就是TH 和 TL,如果设定值过大 ,系统 就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应;如果设定值过小 ,管5网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作;两种情况下都 会影响恒压供水的质量. (3)减泵频率和睡眠频率/睡眠延时 /睡眠唤醒 压力 . 前面已经提及减泵频率即零流量频率+0.1Hz,所未的零流量频率即 在用户无人用水时 ,变频器此刻的运行频率.实际应用时 ,一定要找 准这个频率 .睡眠频率应稍大于减泵频率;睡眠延时即变频器运行频 率睡眠频率始至进入睡眠时的时间;睡眠唤醒压力即系统已进入睡 眠,当输出压力低至此压力时系统唤醒.这些参数设置的好坏,直接 影响到整个系统的性能及节能效果.5 结束语 在供水系统中采用变频调速运行方式,系统可根据实际设定水压自 动调节水泵电机的转速或加减泵,使供水系统管网中的压力保持在给定 值,以求最大限度的节能/节水 /节地 /节资 ,并使系统处于可靠运行的状态,实 现恒压供水 ;减泵时采用 “先启先停 ”的切换方式 ,更能确保各泵使用 平均 ,延长设备的使用寿命;同时针对所用四台泵使用多年后/需要定期 进行检修的实际情况,增加了软件 /硬件 互为 备用功能 , 有效延长了设 备的使用寿命 ,同时每台泵配有一个空气开关,便于维修和故障切除, 在压力闭环控制 中,系统用水量任何变化,系统 均能使供水管网的服务 压力保持给定 ,大大提高了供水品质;变频器故障后仍能保障不间断供水,同 时实现故障消除后自启动,具有一定的先进性 .目前该系统已投入使用,效 果明显 . 感谢广州市轻工 业技师学院的各位老师对我的培育之情 !使我的技 术在原有的基础上 进步了 ,同时也感谢在座的各位评委老师 给我 这个 机会 ,特此感谢 ! 参考文献 1. LOGO!可编程序控制器操作手册. 2. 北京 ABB 电气传动系统有限公司的ACS510 用户使用 手册 . 题外的话 :若您对本厂的电控柜 (生活 /消防 /喷淋 /排污 /液位 /空调等 )有好的 建议和想法 ,请直接致电 :020-31205840 或发邮件至 LUYOUJUN2004163.COM 期待着您的好想法 ,我在此表示感谢 !