基于PLC的新型變頻調速恒壓供水系統
本文介紹了一種替代水塔供水的基于PLC的恒壓供水系統的構成和工作原理。系統采用變頻調速方式自動(dòng)調節水泵電機轉速或加、減泵。改變以往“先啟后?！狈绞?，自動(dòng)完成泵組軟啟動(dòng)及無(wú)沖擊切換，使水壓平穩過(guò)渡。變頻器故障時(shí)系統仍可運行，保證不間斷供水。系統斷電恢復后可自啟動(dòng)。采用硬件/軟件備用及鐘控功能，使各泵進(jìn)行輪休，延長(cháng)了設備的機械使用壽命。
引言
隨著(zhù)變頻調速技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統已逐漸取代原有的水塔供水系統，廣泛應用于多層住宅小區生活消防供水系統。然而，由于新系統多會(huì )繼續使用原有系統的部分舊設備（如水泵），在對原有供水系統進(jìn)行變頻改造的實(shí)踐中，往往會(huì )出現一些在理論上意想不到的問(wèn)題。本文介紹的變頻控制恒壓供水系統，是在對一個(gè)典型的水塔供水系統的技術(shù)改造實(shí)踐中，根據盡量保留原有設備的原則設計的，該系統很好的解決了舊設備需要頻繁檢修的問(wèn)題，既體現了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)有效的節省了資金。
1 系統介紹
變頻恒壓供水系統原理，它主要是由PLC、變頻器、PID調節器、TC時(shí)間控制器、壓力傳感器、液位傳感器、動(dòng)力控制線(xiàn)路以及4臺水泵等組成。用戶(hù)通過(guò)控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉換開(kāi)關(guān)來(lái)了解和控制系統的運行。
通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4-20mA的標準信號送入PID調節器，經(jīng)運算與給定壓力參數進(jìn)行比較，得出一調節參數，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調節系統供水量，使供水系統管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過(guò)一臺泵的供水量時(shí)，通過(guò)PLC控制器加泵。根據用水量的大小由PLC控制工作泵數量的增減及變頻器對水泵的調速，實(shí)現恒壓供水。當供水負載變化時(shí)，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環(huán)控制系統。
同時(shí)系統配備的時(shí)間控制器和PID控制器，使其具有定時(shí)換泵運行功能（即鐘控功能，由時(shí)間控制器實(shí)現）和雙工作壓力設定功能（PID控制器和時(shí)間控制器實(shí)現）。此外，系統還設有多種保護功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時(shí)維修和系統的正常供水。
正常情況（無(wú)泵檢修）時(shí)，各泵的運行順序為1#，2#，3#，4#。
2 工作原理
2.1 運行方式
該系統有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運行方式：
⑴. 手動(dòng)運行
按下按鈕啟動(dòng)或停止水泵，可根據需要分別控制1#-4#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時(shí)用。
⑵. 自動(dòng)運行
合上自動(dòng)開(kāi)關(guān)后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0Hz上升，同時(shí)PID調節器接收到自壓力傳感器的標準信號，經(jīng)運算與給定壓力參數進(jìn)行比較，將調節參數送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50Hz，1#泵由變頻切換為工頻，啟2#變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類(lèi)推；如用水量減小，從先啟的泵開(kāi)始減，同時(shí)根據PID調節器給的調節參數使系統平穩運行。
若有電源瞬時(shí)停電的情況，則系統停機；待電源恢復正常后，系統自動(dòng)恢復運行，然后按自動(dòng)運行方式啟動(dòng)1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩定運行。
變頻自動(dòng)功能是該系統最基本的功能，系統自動(dòng)完成對多臺泵軟起動(dòng)、停止、循環(huán)變頻的全部操作過(guò)程。
2.2 故障處理
2.2.1 故障報警
當出現缺相、變頻器故障、液位下限、超壓、差壓等情況時(shí)，系統皆能發(fā)出聲響報警信號；特別是當出現缺相、變頻器故障、液位下限、超壓時(shí)，系統還會(huì )自動(dòng)停機，并發(fā)出聲響報警信號，通知維修人員前來(lái)維修。此外，變頻器故障時(shí)，系統自動(dòng)停機，此時(shí)可切換至手動(dòng)方式保證系統不間斷供水。
2.2.2 水泵檢修
為維護和檢修水泵，要求在系統正常供水狀態(tài)下，在一段時(shí)間間隔內使某一臺水泵停運，系統設有水泵強制備用功能（硬件備用），可隨意備用某一臺水泵，同時(shí)不影響系統正常運行；為了使水泵進(jìn)行輪休，系統還設有軟件備用功能（鐘控功能，由時(shí)間控制器實(shí)現），工作泵與備用N泵具有周期定時(shí)切換功能，周期間隔由時(shí)間控制器設定：1小時(shí)每次～96小時(shí)每次連續可調。
3 PLC控制系統
該系統采用的是歐姆龍可編程序控制器SYSMAC CPM2A系列，I/O點(diǎn)數為60點(diǎn)，PLC編程采用OMRON CX-Programmer，它是Omron PLC的32位視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線(xiàn)編程和在線(xiàn)連接和調試，并能實(shí)現梯形圖與語(yǔ)句表的相互轉換。為了提高整個(gè)系統的性?xún)r(jià)比，該系統采用開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出來(lái)控制電機的啟停、定時(shí)切換、軟起動(dòng)、循環(huán)變頻及故障的報警等，而電機轉速、水壓量等模擬量則由PID調節器和變頻器來(lái)控制。
泵組的切換。開(kāi)始時(shí)，若硬件、軟件皆無(wú)備用（兩者同時(shí)有效時(shí)硬件優(yōu)先），1#泵變頻啟動(dòng)，轉速從0開(kāi)始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時(shí)水壓還在下限值，延時(shí)一段時(shí)間（避免由于干擾而引起誤動(dòng)作）后，1#泵切換至工頻運行，同時(shí)變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，2#泵變頻啟動(dòng)，如水壓仍不滿(mǎn)足，則依次啟動(dòng)3#、4#泵，泵的切換過(guò)程同上；若開(kāi)始時(shí)1#泵備用，則直接啟2#變頻，轉速從0開(kāi)始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時(shí)水壓還在下限值，延時(shí)一段時(shí)間后，2#泵切換至工頻運行，同時(shí)變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，3#泵變頻啟動(dòng)，如水壓仍不滿(mǎn)足，則啟動(dòng)4#泵，泵的切換過(guò)程同上；若1#、2#泵都備用，則直接啟3#變頻，具體泵的切換過(guò)程與上述類(lèi)同。
同樣，若3臺泵（假設為1#、2#和3#）運行時(shí)，3#泵變頻運行降到0Hz，此時(shí)水壓仍處于上限值，則延時(shí)一段時(shí)間后使1#泵停止，變頻器頻率從0Hz迅速上升，若此后水壓仍處于上限值，則延時(shí)一段時(shí)間后使2#泵停止。這樣的切換過(guò)程，有效地減少泵的頻繁啟停，同時(shí)在實(shí)際管網(wǎng)對水壓波動(dòng)做出反應之前，由變頻器迅速調節，使水壓平穩過(guò)渡，從而有效的避免了高樓用戶(hù)短時(shí)間停水的情況發(fā)生。
以往的變頻恒壓供水系統在水壓高時(shí)，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進(jìn)行調節。這種切換的方式理論上要比直接切工頻的方式先進(jìn)，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設備的使用壽命。而在該系統中，直接停工頻泵，同時(shí)由變頻器迅速調節，只要參數設置合適，即可實(shí)現泵組的無(wú)沖擊切換，使水壓過(guò)渡平穩，有效的防止了水壓的大范圍波動(dòng)及水壓太低時(shí)的短時(shí)缺水現象，提高了供水品質(zhì)。
4 注意事項
要使系統穩定的運行，有幾個(gè)參數需特別注意：
⑴. 變頻轉工頻開(kāi)關(guān)切換時(shí)間TMC
設置TMC是為了確保在加泵時(shí)，泵由變頻轉為工頻的過(guò)程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對應的交流接觸器不會(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)大而對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，所以在允許范圍內TMC必須盡可能的小。
⑵. 上下限頻率持續時(shí)間TH和TL
變頻器運行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高，本系統以變頻器運行的頻率是否達到上限（下限）、并保持一定的時(shí)間為依據來(lái)判斷是否加泵（減泵），這個(gè)判斷的時(shí)間就是TH（TL）。如果設定值過(guò)大，系統就不能迅速的對管網(wǎng)用水量的變化做出反應；如果設定值過(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。
5 結束語(yǔ)
在供水系統中采用變頻調速運行方式，系統可根據實(shí)際設定水壓自動(dòng)調節水泵電機的轉速或加減泵，使供水系統管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節能、節水、節地、節資，并使系統處于可靠運行的狀態(tài)，實(shí)現恒壓供水；減泵時(shí)采用“先啟先?！钡那袚Q方式，相對于“先啟后?！狈绞?，更能確保各泵使用平均以延長(cháng)設備的使用壽命；同時(shí)針對所用四臺泵均已使用多年、需要定期進(jìn)行檢修的實(shí)際情況，增加了硬件/軟件備用功能，有效延長(cháng)了設備的使用壽命；壓力閉環(huán)控制，系統用水量任何變化均能使供水管網(wǎng)的服務(wù)壓力保持給定，大大提高了供水品質(zhì)；變頻器故障后仍能保障不間斷供水，同時(shí)實(shí)現故障消除后自啟動(dòng)，具有一定的先進(jìn)性。目前該系統已投入使用，效果明顯。
