基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計彭小紅1，劉國東2 (1湛江海洋大學(xué) 廣東 湛江 524000；2茂名市建設(shè)銀行 廣東 茂名525000)摘要：以一個生活區(qū)的恒壓供水系統(tǒng)為例，介紹了應(yīng)用PLC實現(xiàn)變頻恒壓供水的方法。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理和軟件實現(xiàn)，并給出了有關(guān)控制軟件的流程圖和PLC功能圖。 關(guān)鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；恒壓供水系統(tǒng)；壓力 Design of ConstantPressure Water Supply Systemwith Changing Frequency and Speed AbilitiesBase on PLC PENG Xiaohong1，LIU

2、Guodong2 (1Zhanjiang Ocean University，Zhanjiang，524000，China；2Maoming Branch of China Construction Bank，Maoming，525000，China)Abstract：This paper takes a constant pressure water supply system of a life area as an example，and introduced the methodachieves constant pressure water supply by frequency sp

3、eed control using PLCIt is detailed to introduce the systems hardwareconstruction，work principle and realizes with software，and give out flow chart concerning control software and PLC functiondiagramKeywords：PLC；frequency speed regulation；constant pressure water supply system；pressure 日常的生活用水量隨季節(jié)、晝夜

4、、上下班的時間不同而有較大變化，因而經(jīng)常出現(xiàn)供水用水的不平衡，主要表現(xiàn)在水壓上，用水多而供水少則水壓低，用水少而供水多則水壓高。某公司住宅區(qū)由于自來水管網(wǎng)的水壓較低，自來水通常不能到達(dá)住宅的較高樓層。要用水泵再次將水送至樓頂?shù)母呶凰?，再供?yīng)給用戶。但是，這種二次供水方式不可避免造成污染，影響居民的身體健康。為保證小區(qū)的供水正常，我們利用PLC，配以不同功能的傳感器，根據(jù)網(wǎng)管的壓力，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，使水管中的壓力始終保持在合適的范圍。這種變頻恒壓供水系統(tǒng)直接取代水塔、高位水箱及傳統(tǒng)的氣壓罐供水裝置。另外水泵耗電功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系，所以水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能效果非常明顯，平均

5、耗電量較通常供水方式節(jié)省40。結(jié)合使用可編程控制器，可實現(xiàn)循環(huán)變頻，電機(jī)軟啟動，具有短路保護(hù)、過流保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長了設(shè)備的使用壽命。1系統(tǒng)設(shè)計 (1)原理系統(tǒng)采用3臺水泵并聯(lián)運(yùn)行方式，壓力傳感器將主水管網(wǎng)水壓變換為電信號，經(jīng)模擬量輸入模塊，輸入PLC，PLC根據(jù)給定的壓力設(shè)定值與實際檢測值進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制信號經(jīng)模擬量輸出模塊至變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的供電電壓和頻率。當(dāng)用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)用水量大到水泵全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時，PLC給定的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行

6、，以保持壓力的連續(xù)性，同時將下一臺備用泵用變頻器起動后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若2臺泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍不能滿足壓力的要求，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，再將一臺備用泵投入變頻運(yùn)行。當(dāng)用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現(xiàn)，PLC首先將最先工頻運(yùn)行的泵停掉，以減少供水量。當(dāng)上述2個信號仍存在時，PLC再停掉第2臺工頻運(yùn)行的電機(jī)，直到最后一臺泵用變頻器恒壓供水。所有水泵電機(jī)從停止到啟動及從啟動到停止都由變頻器來控制，實現(xiàn)帶載軟啟動，避免了啟動大電流給水泵電機(jī)帶來沖擊，相對延長了電機(jī)的使用壽命。同時，系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關(guān)

7、”的順序關(guān)泵，工作泵與備用泵不固定死，這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運(yùn)行時間，有效地防止因為備用泵長期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率，降低了維護(hù)費(fèi)用。 (2)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)選用了西門子公司的S7-214PLC，輔以輸入/輸出擴(kuò)展模塊組成，主要檢測元件有光電開關(guān)、壓力檢測開關(guān)，共計12個輸入信號。執(zhí)行部件有電機(jī)、變頻調(diào)速器、聲光報警器等，共3個輸出點(diǎn)。PLC主要完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲、報警、控制變頻器完成壓力調(diào)節(jié)等功能。3臺水泵由變頻器直接驅(qū)動，進(jìn)行恒壓控制，變頻器的起動、停止分為手動和PLC控制。控制面板上設(shè)有一個手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，PLC對該開關(guān)的狀態(tài)實時

8、檢測，當(dāng)選擇手動功能時，PLC只進(jìn)行檢測報警，由人工通過面板上的按鈕和開關(guān)進(jìn)行水泵的起、停和切換。當(dāng)選擇自動功能時，所有控制、報警均由PLC完成?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖1所示。2系統(tǒng)軟件為方便調(diào)試和編程，系統(tǒng)控制器采用模塊化編程，主要由手動運(yùn)行模塊、自動運(yùn)行模塊和故障診斷與報警模塊組成。 (1)手動運(yùn)行模塊當(dāng)系統(tǒng)處于手動運(yùn)行時，PLC只接收各電路保護(hù)信號和各傳感器信號，并由此判斷各工作水泵的運(yùn)行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障的情況下，輸出報警信號。水泵的起、停和切換由人工通過面板上的按鈕和開關(guān)來實現(xiàn)。 (2)自動運(yùn)行模塊自動運(yùn)行模塊包括系統(tǒng)的初始化、開機(jī)命令的檢測、數(shù)據(jù)采集子程序、控制量運(yùn)算子程序、置初值子程序

9、、電機(jī)控制子程序等。模塊流程圖如圖2所示。其中：數(shù)據(jù)采集子程序完成對主水管壓力的數(shù)據(jù)采集。 控制量運(yùn)算子程序完成變頻器控制量的計算和控制量的輸出，其中控制量的計算按PID控制規(guī)律進(jìn)行。電機(jī)控制子程序完成對3臺水泵的運(yùn)行和停止控制。由于變頻器的輸出頻率與水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度直接相關(guān)，用水量大時，變頻器輸出頻率升高，水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度大；用水量小時，頻率降低，水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度小。因此程序根據(jù)變頻器的輸出頻率的大小就可以判斷和控制水泵的工作狀態(tài)。當(dāng)頻率上升到50 Hz(即水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)時)仍不能滿足供水需要時，則PLC自動將第一臺泵切換到工頻運(yùn)行；第2臺泵由變頻器供電投入運(yùn)行，如果第2臺泵電機(jī)達(dá)到滿轉(zhuǎn)速時仍不能滿

10、足供水要求，則PLC自動將第2臺泵切換到工頻運(yùn)行，第3臺泵由變頻器供電投入運(yùn)行，依此規(guī)律逐個投入運(yùn)行；當(dāng)2臺泵都處于工頻全速運(yùn)行方式，第3臺泵處于變頻運(yùn)行工作方式時，如果此時用水量減小，變頻器輸出頻率下降，當(dāng)頻率到達(dá)一定的下限Fmin時，供水量仍大于用水量，則系統(tǒng)自動將第三臺泵停止運(yùn)行。同樣，第三臺泵停機(jī)后，如果此時供水量還大于用水量，則系統(tǒng)自動將第二臺泵停止運(yùn)行，依此類推。程序功能圖如圖3所示。 (3)故障診斷和報警輸出模塊 變頻器具有短路、過載等保護(hù)功能，當(dāng)變頻器所驅(qū)動的水泵電機(jī)發(fā)生短路、過載等故障時，變頻器將自動切斷一次供電回路，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并輸出報警信號。系統(tǒng)把各故障點(diǎn)相應(yīng)的接觸器、斷

11、路器等元件的輔助觸點(diǎn)接到PLC，PLC掃描輸入這些觸點(diǎn)的狀態(tài)，并通過PLC程序?qū)⑦@些狀態(tài)存放在數(shù)據(jù)存儲區(qū)，再結(jié)合控制程序和設(shè)備預(yù)置狀態(tài)進(jìn)行邏輯分析，判斷設(shè)備或元件是否出了故障，如果發(fā)生故障，則切斷該泵的接觸器，然后對變頻器復(fù)位，再將備用水泵的接觸器接通，啟動變頻器運(yùn)行備用泵，同時輸出該泵故障報警信號。如電機(jī)故障指示燈亮等。各I/O點(diǎn)對應(yīng)的故障信息如表1所示，報警回路梯形圖如圖4所示。 3結(jié)語變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。采用PLC作為控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。另外，S7-214PLC基本單元提供一個RS-485接口，可以與樓宇監(jiān)控中心進(jìn)行通訊，實