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基于PLC和變頻器的供水智能系統(tǒng)

1 引言

      供水智能系統(tǒng)采用變頻器和可編程控制器plc等現(xiàn)代控制設(shè)備和技術(shù)實現(xiàn)恒定水壓供水，是供水領(lǐng)域技術(shù)革新的一項有效措施，以往采用的水塔供水既不穩(wěn)定又不經(jīng)濟，更重要的是浪費了大量的能源，本文介紹的變頻恒壓供水系統(tǒng)以其有效的實用性和經(jīng)濟性，徹底解決了上述問題，是一項頗有實用價值的調(diào)速系統(tǒng)，為現(xiàn)有的供水系統(tǒng)技術(shù)改造提供了切實可行的途徑。

2 供水智能系統(tǒng)控制的原理

      基于s7-200的變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理，是利用s7-200的可編程控制器和變頻器作為控制核心，時刻跟隨管網(wǎng)的壓力與壓力設(shè)定值的偏差變化情況，利用變頻器檢測實際水壓值，再將實際水壓值和設(shè)定值進行比較，按照變頻器內(nèi)部的pid規(guī)律運算后，自動控制水泵電機的轉(zhuǎn)速；通過plc輸出控制變頻與工頻切換；自動控制水泵電機投入臺數(shù)和水泵電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)整恒壓供水，在保持恒壓下達到控制流量的目的；同時利用“先啟先?！钡脑瓌t，自動巡檢每天水泵的運行時間，保證每臺水泵的工作時間一樣。

      本文以遼寧千山水泥廠的恒壓供水項目為例，設(shè)計了一套恒壓供水系統(tǒng)（見附圖），整個供水系統(tǒng)主要包括兩個部分：清水泵恒壓控制和循環(huán)水泵恒壓控制。清水泵主要是生活用水，循環(huán)水泵主要是工業(yè)用水，清水泵和循環(huán)水泵都由s7-200控制，清水泵是一拖二，循環(huán)水泵是一拖三，兩者的控制要求是一樣的。本文重點介紹循環(huán)水泵控制系統(tǒng)。

供水智能系統(tǒng)控制要求：

(1)控制系統(tǒng)具有手動、自動兩種工作方式，手動用于設(shè)備調(diào)試、檢修及其特殊情況下的供水。正常情況下，設(shè)備置于中控自動位，實現(xiàn)自動運行。

(2)當(dāng)工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)處于自動時，可以根據(jù)設(shè)定壓力自動進行控制，保證恒壓供水。

(3)當(dāng)工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)處于手動時，由人工在柜面上通過電位器調(diào)節(jié)各水泵轉(zhuǎn)速。

(4)清水泵泵正常情況下為一用一備，兩臺水泵互為備用；循環(huán)泵正常情況下為兩用一備，三臺水泵互為備用，由可編程控制器控制三臺水泵之間的自動啟停。

(5)系統(tǒng)具有運行、報警、故障等信號，均為無源常開點。

3 供水智能系統(tǒng)工作過程

      變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)構(gòu)成由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、水位傳感器等組成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動三臺電動機的啟動、運行與調(diào)速，三臺電機循環(huán)使用的方式運行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如附圖所示。

      根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況，一般只需要一臺泵變頻工作就能滿足生產(chǎn)需要，在用水高峰時期或特殊情況下需要一臺泵變頻運行一臺泵工頻運行，且保證每臺泵工作的時間一樣，循環(huán)使用每臺泵。

分析自動控制系統(tǒng)的工作過程，可以分為以下三種情況：

(1) 第一種情況

      泵1在變頻器的帶動下變頻運行，當(dāng)用水量增大時，變頻器達到最大50hz；這時泵1由變頻變?yōu)楣ゎl，泵2變頻運行；泵1沒有出現(xiàn)故障，而用水量又減小，在plc可編程控制器控制下，停止泵1工頻運行，只有泵2變頻運行，這期間一旦泵1出現(xiàn)故障，在plc可編程控制器控制下，停止泵1的運行，讓泵2變頻運行以保證供水壓力恒定。

(2) 第二種情況

      泵2在變頻器的帶動下變頻運行，當(dāng)用水量增大時，變頻器達到最大50hz；這時泵2由變頻變?yōu)楣ゎl，泵3變頻運行；泵2沒有出現(xiàn)故障，而用水量又減小，在plc可編程控制器控制下，停止泵2工頻運行，只有泵3變頻運行，這期間一旦泵2出現(xiàn)故障，在plc可編程控制器控制下，停止泵2的運行，讓泵3變頻運行以保證供水壓力恒定。

(3) 第三種情況

      泵3在變頻器的帶動下變頻運行，當(dāng)用水量增大時，變頻器達到最大50hz；這時泵3由變頻變?yōu)楣ゎl，泵1變頻運行；泵3沒有出現(xiàn)故障，而用水量又減小，在plc可編程控制器控制下，停止泵3工頻運行，只有泵1變頻運行，這期間一旦泵1出現(xiàn)故障，在plc可編程控制器控制下，停止泵3的運行，讓泵1變頻運行以保證供水壓力恒定。

在plc程序設(shè)計中，必須認真考慮這三種情況和三種情況的循環(huán)，才能保證系統(tǒng)實現(xiàn)正常的切換與長期穩(wěn)定的運行。

4 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

4.1 變頻器硬件設(shè)計

      變頻器選用abb/acs400型7.5kw變頻器產(chǎn)品，適配電機7.5kw，該變頻器基本配置中帶有pid功能，通過變頻器面板設(shè)定一個給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來的一個壓力信號（4~20ma）接在變頻器的輔助，作為壓力反饋，變頻器根據(jù)壓力給定和實測壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，控制管網(wǎng)壓力保持在給定壓力值上，變頻器的極限輸出頻率的檢測輸出信號端進plc，作為泵變頻與工頻切換的控制信號，變頻器的極限輸出頻率通過面板可以設(shè)定，一般為50hz。變頻器的故障輸出端分別進plc可編程控制器和故障指示燈，plc可編程控制器讓故障泵停止工作，切換到正常泵，同時讓故障指示燈亮，提醒人們。變頻器面板上有故障復(fù)位按鍵，一般的故障用復(fù)位按鍵復(fù)位，可以重新啟動變頻器；變頻器的運行與停止端子接到plc可編程控制器的輸出端；變頻器的u、v、w輸出端并聯(lián)3個接觸器分別接到3個泵上面，變頻器可分別帶動3個泵，3個泵還可以通過另外3個接觸器并聯(lián)到工頻電源上。

4.2 plc硬件設(shè)計

      根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)數(shù)字量輸入點總有8個，數(shù)字量輸出點9個，plc可編程控制器選用西門子s7-200中的cpu224系列。i/o地址分配見附表。

5 注意事項

(1)變頻轉(zhuǎn)工頻開關(guān)切換時間t

      設(shè)置t是為了確保在加泵時，泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻的過程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對應(yīng)的交流接觸器不會同時吸合而損壞變頻器，同時為了避免工頻啟動時啟動電流過大而對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，此時間要設(shè)置的合理，太小空氣開關(guān)很容易跳閘，根據(jù)經(jīng)驗這個時間一般為2~3s左右，最好用plc上面的電位器來根據(jù)實際情況來調(diào)整。

(2)上下限頻率持續(xù)時間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(tǒng)以變頻器運行的頻率是否達到上限（下限）、并保持一定的時間為依據(jù)來判斷是否加泵（減泵），這個判斷的時間就是th（tl）。如果設(shè)定值過大，系統(tǒng)就不能迅速的對管網(wǎng)用水量的變化做出反應(yīng)；如果設(shè)定值過小，管網(wǎng)用水量的變化時就很可能引起頻繁的加減泵動作；兩種情況下都會影響恒壓供水的質(zhì)量。由于沒有顯示面板，所以用plc上面的電位器來根據(jù)實際情況來調(diào)整。

6 結(jié)束語

      供水智能系統(tǒng)邏輯控制采用plc，壓力調(diào)節(jié)采用帶pid控制的變頻器，使用方便，工作可靠，系統(tǒng)壓力恒定，無沖擊，具有較好的控制效果。在實際運行中，可以根據(jù)用戶實際需要，通過改變壓力給定，進行任意設(shè)定，在系統(tǒng)進行增泵或減泵過程中，水壓波動允許的范圍內(nèi)，一旦增泵或減泵過程結(jié)束，壓力立即穩(wěn)定到設(shè)定值，這個過程前后不到30s時間，很好地滿足了用戶用水要求。供水智能系統(tǒng)采用變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)實現(xiàn)了高效節(jié)能，節(jié)能效率可達40%左右，同時由于采用變頻器對電機實行軟起動，減少了設(shè)備損耗，延長了水泵、電機設(shè)備的使用壽命。運行結(jié)果表明，采用plc和變頻器為核心部件構(gòu)成的變頻恒壓供水系統(tǒng)，有著很強的實用性，具有壓力穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等特點，為供水領(lǐng)域的技術(shù)革新，開辟了切實有效的途徑。