PLC和变频器在住宅小区恒压供水中的应用
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某住宅区由于自来水管网的水压较低,自来水通常不能到达住宅的较高楼层。传统的供水方
式利用蓄水池蓄水,用水泵再次将水送至楼顶的高位水箱,再供应给用户。蓄水池中的水一
般是由市政自来水管网供给,这样,有压力的水进入水池后变成了零压力,造成大量的能源
白白浪费,这种供水方式不可避免通过蓄水池和高位水箱造成二次污染,影响居民的身体健
康。但是为保证小区的供水正常,我们利用PLC,配以稳流罐、负压消除器和不同功能的传
感器等,根据网管的压力,通过变频器控制水泵的转速,使水管中的压力始终保持在合适的
范围。这种变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置。不对市政
供水管网产生负压,适用于一切需要增高水压、恒定流量的给水系统。另外水泵耗电功率与
电机转速的三次方成正比关系,所以水泵调速运行的节能效果非常明显,平均耗电量较通常
供水方式节省40%。结合使用可编程序控制器,可实现循环变频,电机软启动,具有短路
保护、过流保护功能,工作稳定可靠,大大延长了设备的使用寿命。
1 系统设计
(1)原理
系统采用2~3台水泵并联运行方式,压力传感器将主水管网水压变换为电信号,经模
拟量输入模块输入PLC,PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算,输出控制
信号经模拟量输出模块至变频器,调节水泵电机的供电电压和频率。当用水量较小时,一台
泵在变频器的控制下稳定运行,当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力稳定时,
PLC给定的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到,PLC自动将原工作在变频
状态下的泵投入到工频运行,以保持压力的连续性,同时将下一台备用泵用变频器起动后投
入运行,以加大管网的供水量保证压力稳定。若2台泵运转仍不能满足压力的要求,则依次
将变频工作状态下的泵投入到工频运行,再将一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时,
首先表现为变频器已工作在最低速信号有效,这时压力上限信号如仍出现,PLC首先将最先
工频运行的泵停掉,以减少供水量。当上述2个信号仍存在时,PLC再停掉第2台工频运行
的电机,直到最后一台泵用变频器恒压供水。
所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制,实现带载软启动,避免
了启动大电流给水泵电机带来冲击,相对延长了电机的使用寿命。同时,系统供水采用变频
泵循环方式,以“先开先关”的顺序关泵,工作泵与备用泵不固定,这样,既保证供水系统
有备用泵,又保证系统泵有相同的运行时间,有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象,
提高了设备的综合利用率,降低了维护费用。
(2)系统硬件
系统选用了西门子公司的S7-200(CPU224XPCN)PLC,主要检测元件有水位检测、执行
继电器状态等,共计14个输入信号。执行部件有电机、变频调速器、声光报警器等,共10
个输出点。模拟量检测有压力检测、变频器运行频率检测和压力比对检测,共2个输入、1
个输出量。PLC主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制变频器完成压力调节等
功能。水泵分别由变频器软起动,旁路工频运行,进行恒压控制,变频器的起动、停止分为
使用触摸屏或文本显示器等设备软控制和PLC自动控制。控制面板上设有一个手动/自动转
换开关,PLC对该开关的状态实时检测,当选择手动功能时,PLC只进行检测报警,由人工
通过面板上的按钮和开关进行水泵的工频起、停。
当选择自动功能时,所有控制、报警均由PLC完成。系统原理图如图1所示。
2 系统软件
为方便调试和编程,系统控制器采用模块化编程,主要由手动运行模块、自动运行模块
和故障诊断与报警模块组成。
(1)手动运行模块
当系统处于手动运行时,PLC只接收各电路保护信号和各传感器信号,并由此判断各工
作水泵的运行状态,在出现故障的情况下,输出报警信号。水泵的起、停和切换由人工通过
面板上的按钮和开关来实现。
(2)自动运行模块
自动运行模块包括系统的初始化、开机命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程
序、置初值子程序、电机控制子程序等。自动运行模块流程图如图2所示。其中:数据采集
子程序完成对主水管压力的数据采集。
控制量运算子程序完成变频器控制量的计算和控制量的输出,其中控制量的计算按PID
控制规律进行。
电机控制子程序完成对3台水泵的运行和停止控制。由于变频器的输出频率与水泵的运
转速度直接相关,用水量大时,变频器输出频率升高,水泵的运转速度大;用水量小时,频
率降低,水泵的运转速度小。因此程序根据变频器的输出频率的大小就可以判断和控制水泵
的工作状态。当频率上升到50Hz(即水泵全速运转)时仍不能满足供水需要时,则PLC自
动将第一台泵切换到工频运行;第2台泵由变频器供电投入运行,如果第2台泵电机达到满
转速时仍不能满足供水要求,则PLC自动将第2台泵切换到工频运行,第3台泵由变频器供
电投入运行,依此规律逐个投入运行;当2台泵都处于工频全速运行方式,第3台泵处于变
频运行工作方式时,如果此时用水量减小,变频器输出频率下降,当频率到达一定的下限
Fmin(设定变频器频率下限)时,供水量仍大于用水量,则系统自动将第三台泵停止运行。
同样,第三台泵停机后,如果此时供水量还大于用水量,则系统自动将第二台泵停止运行,
依此类推。电机控制子程序功能图如图3所示。
(3)故障诊断和报警输出模块
变频器具有短路、过载等保护功能,当变频器所驱动的水泵电机发生短路、过载等故障
时,变频器将自动切断一次供电回路,进入保护状态并输出报警信号。系统把各故障点相应
的接触器、断路器等元件的辅助触点接到PLC,PLC扫描输入这些触点的状态,并通过PLC
程序将这些状态存放在数据存储区,再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析,判断设
备或元件是否出了故障,如果发生故障,则切断该泵的接触器,然后对变频器复位,再将备
用水泵的接触器接通,启动变频器运行备用泵,同时输出该泵故障报警信号。如电机故障指
示灯亮等。
3 结语
变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。采用PLC作为控制
器,硬件结构简单,成本低,系统实现水泵电机无级调速,依据用水量的变化自动调节系统
的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。另外,S7-200(CPU224XPCN)
PLC基本单元提供二个RS-485接口,一个与触摸屏或文本显示器(系统参数显示、设定、
系统运行软控制设备)等设备通讯控制,另一个可以与楼宇监控中心进行通讯,实现无人远
程控制。