變頻器與PLC在恒壓供水中的成功應(yīng)用
1. 引言隨著變頻調(diào)速技術(shù)和可編程控制器的飛速發(fā)展，以及其應(yīng)用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要裝置之一，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛使用，在其它領(lǐng)域(如民用和家庭自動化)的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。
由于變頻調(diào)速技術(shù)和可編程程序控制器的應(yīng)用靈活方便，在恒壓供水控制柜及其系統(tǒng)中亦得到廣泛的應(yīng)用。采用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達到恒壓供水的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果以及明顯的節(jié)能效果。
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
變頻恒壓供水控制柜及其系統(tǒng)原理如圖一;它主要有PLC、變頻器、壓力變送器、液位傳感器、動力及控制線路以及泵組組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運行。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把出口壓力信號變成4～20mA標(biāo)準信號送入變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，經(jīng) PID運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得到4～20mA參數(shù)，4～20mA信號送至變頻器?？刂葡到y(tǒng)由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，根據(jù)用水量的不同，變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速不同、工作頻率也就不同，在變頻器設(shè)置中設(shè)定一個上限頻率和下限頻率檢測，當(dāng)用水量大時，變頻器迅速上升到上限頻率，此時，變頻器輸出一個開關(guān)信號給PLC;當(dāng)用水處于低峰時，變頻器輸出達到下限頻率，變頻器也輸出一個開關(guān)信號給PLC;兩個信號不會同時產(chǎn)生。當(dāng)產(chǎn)生任何一個信號時，信號即反饋給PLC，PLC通過設(shè)定的內(nèi)部程序驅(qū)動I/O端口開關(guān)量的輸出來實現(xiàn)切換交流接觸器組，以此協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機臺數(shù)，并完成電機的啟停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整投入工作的電機臺數(shù)和控制電機組中一臺電機的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進而達到恒壓供水的目的。
3、工作原理
該系統(tǒng)有手動和自動兩種運行方式。手動方式時，按下按鈕啟動和停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#~3#泵的啟停，該方式主要供設(shè)備調(diào)試、自動有故障和檢修時使用。自動運行時，首先由1#水泵變頻運行，變頻器輸出頻率從0HZ上升，同時PID調(diào)節(jié)器把接收的信號與給定壓力比較運算后送給變頻器控制。如壓力不夠，則頻率上升到50HZ，變頻器輸出一個上限頻率到達信號給PLC，PLC接收到信號后經(jīng)延時，1#泵變頻迅速切換為工頻，2#泵變頻啟動，若壓力仍達不到設(shè)定壓力，則2#泵由變頻切換成工頻，3#泵變頻啟動;如用水量減少，PLC控制從先起的泵開始切除，同時根據(jù)PID調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運行，始終保持管網(wǎng)壓力。
若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機，待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動恢復(fù)到初始狀態(tài)開始運行。變頻自動功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵的啟動、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。
4、變頻器
變頻器采用艾默生電氣公司生產(chǎn)的EV2000系列變頻器。EV2000采用獨特的控制方式，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速驅(qū)動，滿足通用變頻器高性能化的要求，具有超出同類產(chǎn)品的防跳閘功能和適應(yīng)惡劣電網(wǎng)溫度、濕度和粉塵能力，極大提高產(chǎn)品可靠性。
EV2000具有實用的PI(圖二)、簡易PLC、靈活的輸入輸出端子、脈沖頻率給定、停電和停機參數(shù)存儲選擇。頻率給定通道與運行命令通道捆綁，零頻回差控制等，為設(shè)備提供集成度一體化解決方案，對降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性具有極大價值。PI參數(shù)的設(shè)定將直接反饋變頻器控制中的響應(yīng)速度和精度，零頻運行閾值和零頻回差的設(shè)定可以避免變頻器在低頻率輸出水泵低速運行(水泵在變頻器輸出15HZ以下時的效率很低)，使變頻器低于某一頻率時自動停止輸出，即不影響恒壓供水的要求，又把效率提至最高。
5、PLC控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用三菱FX-1s30MR，I/O點數(shù)為30點，繼電器輸出，PLC編程采用FX—20P—E手持式編程器或三菱PLC專用編程軟件 SWOPC— FX/WIN—C，PLC可編程程序控制器及軟件提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程、在線連接和調(diào)試。為了提高整個系統(tǒng)的性價比，該系統(tǒng)采用可編程控制器的開關(guān)量輸入輸出來控制電機的起停、自動投入、定期切換，供水泵的變頻及故障的報警等，而電機的轉(zhuǎn)速、設(shè)定壓力、頻率、電流、電壓等模擬信號量及實際運行參數(shù)則由變頻器及其內(nèi)置PID來顯示和控制。
三菱PLC的編程指令簡單易懂且程序設(shè)計靈活，本系統(tǒng)PLC主體程序用STL指令與狀態(tài)繼電器S，STL指令可以編制生產(chǎn)流程和工作與順序圖非常接近的程序，順序功能圖中的每一步與其他步是完全隔離開的，根據(jù)控制要求將這些程序段按一定的順序組合在一起，就可以成功地完成控制任務(wù)。FX系列 PLC的狀態(tài)繼電器編制順序控制程序時一般與STL指令一起使用。
泵組切換示意圖如圖三，工作條件滿足，開始工作時，1#泵變頻啟動，泵的轉(zhuǎn)速隨變頻器輸出頻率的上升而逐漸升高，如變頻器的頻率達到50HZ而此時水壓還未達到設(shè)定值，變頻器檢測到上限頻率并輸出一個開關(guān)信號給PLC，延時一段時間后，1#泵迅速切換至工頻運行，同時解除變頻器運行信號，使變頻器頻率降為 0HZ，然后2#泵變頻啟動，若壓力仍未達到，則2#泵切換至工頻，3#泵變頻啟動，在運行中始終保持一臺泵變頻運行，當(dāng)壓力達到設(shè)定值時變頻輸出將為 0HZ，同時變頻器輸出一個下限頻率信號至PLC，由PLC決定切除1#工頻泵，此時由一臺工頻泵和一臺變頻泵運行，如果此時壓力達到設(shè)定值，變頻器的輸出為0HZ，同時輸出下限信號給PLC，PLC解除2#工頻泵，只由3#泵變頻運行來維持管網(wǎng)壓力。當(dāng)壓力下降，變頻器頻率升至50HZ輸出信號，延時后 3#泵切換為工頻，1#泵變頻啟動，若壓力仍不滿足則1#變切換為1#工，2#泵變頻運行，如果壓力仍達不到，2#變切換為2#工，啟動3#變，三臺泵同時工作以保證供水要求。
這樣的切換過程有效地減少泵的頻繁起停，同時在實際管網(wǎng)對水壓波動做出反應(yīng)之前，由變頻器迅速調(diào)節(jié)，使水壓平穩(wěn)過渡，從而有效的避免了高樓用戶短時間停水的情況發(fā)生。
以往的變頻恒壓供水控制柜及其系統(tǒng)在水壓高時，通常時采用停變頻泵，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行調(diào)節(jié)。這種切換的方式理論上要比直接切換工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁起停，從而減少設(shè)備的使用壽命。而在該系統(tǒng)中采用直接停工頻泵的運行方式，同時由變頻器迅速調(diào)節(jié)，只要參數(shù)設(shè)置合適，即可實現(xiàn)泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止了水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時間缺水的現(xiàn)象，提高了供水品質(zhì)。
6、注意事項
要使系統(tǒng)穩(wěn)定快速準確的運行，應(yīng)注意一下參數(shù)：
1) 變頻、工頻切換時間T
切換時間T在PLC程序中設(shè)定，設(shè)置T時為了確保在加泵時，泵由變頻轉(zhuǎn)換為工頻過程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對對應(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大而對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，所以在允許的范圍內(nèi)時間T必須盡可能小。
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)以變頻運行的頻率是否達到上限(下限)，并保持一定的時間來判斷是否加、減泵，這個判斷時間就是 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)用水量變化時就很可能引起頻繁的加減泵工作。
7、結(jié)束語
該系統(tǒng)采用PLC和變頻器結(jié)合，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，實現(xiàn)了真正意義上的無人職守的全自動循環(huán)倒泵、變頻運行，保證了各臺水泵運行效率的最優(yōu)和設(shè)備的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)啟動平穩(wěn)，消除了啟動大電流沖擊，由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵的使用壽命，可以消除啟動和停機時的水錘效應(yīng)。該設(shè)計系統(tǒng)是大型公共社區(qū)如高校、居民小區(qū)等處的性能、價格比較高的優(yōu)選方案。并通過在青島科技大學(xué)一期泵房近兩年的使用，運行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，得到了用戶一致好評。
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