基于PLC的多泵循環(huán)增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)
基于PLC的多泵循環(huán)增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)
1 引言
增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備恒壓供水在城市自來(lái)水管網(wǎng)系統(tǒng)、住宅小區(qū)生活消防用水系統(tǒng)、樓宇中央空調(diào)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域中均有應(yīng)用。增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備恒壓供水是指用戶(hù)端在任何時(shí)候，不管用水量的大小總能保持管網(wǎng)中水壓的基本恒定。在恒壓供水系統(tǒng)中可根據(jù)壓力給定的理想值信號(hào)及管網(wǎng)水壓的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，變頻器根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制管網(wǎng)水壓的目的。本文介紹基于PLC控制的多臺(tái)水泵循環(huán)變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。
2 增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備控制要求
某中心給水泵站擔(dān)負(fù)周邊高層小區(qū)的生活用水二次加壓任務(wù)。包括3臺(tái)22KW生活水泵、1臺(tái)7.5KW夜間補(bǔ)壓水泵。3臺(tái)生活水泵用水高峰時(shí)段需要工作在“1工1變”狀態(tài)，其它時(shí)段工作在“1變”狀態(tài)，深夜用水低谷僅用7.5KW補(bǔ)壓泵工作在工頻即可。
3 增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)主要由三菱FX-2N系列PLC控制器、三菱FR-A540變頻器、PID調(diào)節(jié)器、壓力變送器、浮球水位計(jì)（開(kāi)關(guān)）、低壓電氣設(shè)備及水泵組成。
3.1主回路設(shè)計(jì)
采用一拖多的方式，每臺(tái)電機(jī)水泵既可工頻運(yùn)行又可變頻運(yùn)行。主回路如圖1。
變頻器用水高峰期3臺(tái)水泵一臺(tái)工頻運(yùn)行一臺(tái)變頻運(yùn)行另一臺(tái)處于待機(jī)狀態(tài)，并每周循環(huán)一次，既便于維護(hù)和檢修作業(yè)，又不至于停止供水。利用PLC編程可實(shí)現(xiàn)此功能。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2。一般用水時(shí)段有一臺(tái)水泵處于變頻狀態(tài)，其中應(yīng)特別注意，為了保護(hù)機(jī)電設(shè)備在工頻——變頻狀態(tài)切換過(guò)程中應(yīng)先將變頻器輸出停止，延時(shí)1s時(shí)間后再啟動(dòng)，此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)短暫失壓現(xiàn)象，但實(shí)際應(yīng)用中這種影響并不明顯。
3.2 變頻器頻率（速度）設(shè)定的方法
（1）利用變頻器本身的多段速度設(shè)定法
三菱FR-A540變頻器本身有多段速度的設(shè)定功能，以七段速度為例，七段調(diào)速如下表：
操作模式：Pr.79=3
速度段 1 2 3 4 5 6 7
運(yùn)行頻率 15HZ 20HZ 25HZ 30HZ 35HZ 40HZ 45HZ
變頻器
參數(shù)設(shè)定 Pr.4=15 Pr.5=20 Pr.6=25 Pr.24=30 Pr.25=35 Pr.26=40 Pr.27=45
接點(diǎn) RH RM RL RM、RL RH、RL RH、RM RH、RM、RL
相應(yīng)PLC I/O分配 Y11 Y12 Y13 Y12、Y13 Y11、Y13 Y11、Y12 Y11、Y12、Y13
表1 變頻器七段速度表
這種控制方式下，當(dāng)前水位若在下限則PLC輸出高一級(jí)的變頻信號(hào)給變頻器，當(dāng)七段速度均啟動(dòng)工作但仍未達(dá)到上限，則啟動(dòng)工頻。若已達(dá)到高水位，則PLC輸出低一級(jí)的變頻信號(hào)給變頻器。相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3。
（2）利用壓力傳感器信號(hào)經(jīng)PLC運(yùn)算給出變頻器運(yùn)行頻率設(shè)定信號(hào)
利用變頻器本身的多段速度控制僅需要水壓上限和下限兩個(gè)信號(hào)，控制方式簡(jiǎn)單，編程方便。但控制精度不高。通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器（本項(xiàng)目選擇PMC系列電子陶瓷壓力傳感器），將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的DC4~20mA的模擬量信號(hào)送入PLC的擴(kuò)展A/D單元，經(jīng)過(guò)A/D變換，利用PLC采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)方法計(jì)算出此時(shí)變頻器應(yīng)運(yùn)行的頻率，將相應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)再通過(guò)PLC擴(kuò)展D/A轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，此時(shí)變頻器工作在Pr.79=2的外部操作模式，由2、5端子之間的電壓值決定其頻率輸出。硬件原理圖見(jiàn)圖4。
由于涉及到PLC的A/D、D/A單元，其軟件編程需注意這兩個(gè)單元初始化的方法及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健３绦蛉鐖D5。
（3） 利用壓力傳感器給出信號(hào)經(jīng)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行頻率設(shè)定的方法
除了3.2.（2）中的方法外，目前應(yīng)用較廣泛的是通過(guò)傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的DC4~20mA的模擬量信號(hào)后，將該信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)過(guò)PID儀表將壓力設(shè)定值與傳感器的反饋值進(jìn)行比較計(jì)算后，給出一個(gè)變頻器的頻率給定值。其原理圖如圖6。
PID調(diào)節(jié)器控制原理
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，由于供水系統(tǒng)管道長(zhǎng)、管徑大、管網(wǎng)的充壓比較慢，故系統(tǒng)屬于一個(gè)大滯后系統(tǒng)，僅采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制并不是較好的選擇，實(shí)際運(yùn)用中采用3.2.（2）與3.2.（3）相配合的方式將更有利于理想控制的實(shí)現(xiàn)。其硬件如圖7所示。
4結(jié)束語(yǔ)
多泵循環(huán)增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它取代了傳統(tǒng)的水塔、高水位箱或氣壓罐，不但大大的改善了系統(tǒng)的性能，而且節(jié)能環(huán)保，具有良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。
中贏智能增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備簡(jiǎn)介
智能增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備是一種新型的清潔衛(wèi)生、高效節(jié)能的變頻調(diào)速供水方式，也被業(yè)界稱(chēng)為管網(wǎng)疊壓供水。它無(wú)需建立水池，直接連接在市政自來(lái)水管道上并充分利用自來(lái)水原有壓力節(jié)約了大量的電能和設(shè)備投資，其節(jié)能效果可達(dá)50%以上。
智能增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備應(yīng)具備的控制功能要求：須具有兩臺(tái)泵定時(shí)切換功能。故障報(bào)警停泵功能。進(jìn)水壓力控制設(shè)定上限壓力，開(kāi)泵時(shí)水泵能根據(jù)設(shè)定壓力值自動(dòng)升降轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)出水壓力，達(dá)到下限壓力時(shí)停泵。須設(shè)有手動(dòng)開(kāi)關(guān)泵按鈕，當(dāng)自動(dòng)功能出現(xiàn)故障時(shí)須手動(dòng)開(kāi)關(guān)水泵，不至于影響用戶(hù)用水和市政管網(wǎng)運(yùn)行的安全。
控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要求：須平滑、穩(wěn)定的進(jìn)行調(diào)節(jié)，不產(chǎn)生調(diào)節(jié)震蕩，并且響應(yīng)速度合理。避免水流喘振、斷流和水擊現(xiàn)象出現(xiàn)。
恒壓控制穩(wěn)態(tài)精度要求：設(shè)定壓力與實(shí)際壓力差不得超過(guò)±0.01MPa。
中贏智能增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備應(yīng)采用水泵出水端壓力恒定控制或供水管路較不利點(diǎn)恒壓控制的方式。壓力值可以在現(xiàn)場(chǎng)試水時(shí)設(shè)定和調(diào)整，以達(dá)到用戶(hù)用水壓力滿(mǎn)意為準(zhǔn)。
中贏智能增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備具備以下特點(diǎn)
1、無(wú)負(fù)壓功能
設(shè)備與市政管網(wǎng)直接連接，設(shè)備工作時(shí)對(duì)管網(wǎng)不產(chǎn)生任何負(fù)壓影響，通過(guò)設(shè)備的微機(jī)控制系統(tǒng)及穩(wěn)流補(bǔ)償系統(tǒng)與真空抑制系統(tǒng)的有效工作，時(shí)刻自動(dòng)監(jiān)測(cè)自動(dòng)調(diào)節(jié)和適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)壓對(duì)吸程的自動(dòng)補(bǔ)償，從而可以消除水泵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓及吸程影響，不會(huì)對(duì)市政管網(wǎng)及其周?chē)盟畱?hù)造成影響，也絕不會(huì)使管道中出現(xiàn)負(fù)壓。
2、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)/自動(dòng)操作轉(zhuǎn)換功能
設(shè)備為用戶(hù)提供了多路操作方式，設(shè)備控制面板具備手動(dòng)和自動(dòng)控制方式，由控制面板上的“手動(dòng)/自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)選擇。當(dāng)選擇自動(dòng)操作，并將“啟動(dòng)、停止”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)扭至啟動(dòng)位置時(shí)，無(wú)須人為干預(yù)設(shè)備的運(yùn)行，設(shè)備在微機(jī)的控制之下按照設(shè)定的程序全自動(dòng)運(yùn)行。
3、有水開(kāi)機(jī)/無(wú)水停機(jī)功能
當(dāng)市政管網(wǎng)水量不滿(mǎn)足時(shí)，設(shè)備自動(dòng)調(diào)整供水狀況，改變?cè)O(shè)備運(yùn)行曲線(xiàn)，進(jìn)行真空抑制和穩(wěn)流補(bǔ)償，使用水狀況與進(jìn)水狀況符合，當(dāng)補(bǔ)償量達(dá)到較大時(shí)市政管網(wǎng)也不能滿(mǎn)足需要時(shí)，設(shè)備自動(dòng)停機(jī)，防止因水源不足而造成設(shè)備的損壞。當(dāng)市政管網(wǎng)恢復(fù)正常狀態(tài)時(shí)，設(shè)備自動(dòng)開(kāi)機(jī)。
4、自動(dòng)恒壓功能
根據(jù)工程實(shí)際情況，可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定設(shè)備出水壓力，控制系統(tǒng)運(yùn)算速度快，時(shí)刻檢測(cè)出水壓力與設(shè)定壓力相比較，自動(dòng)調(diào)節(jié)，使出水壓力非常恒定。
5、變頻自動(dòng)轉(zhuǎn)換及定時(shí)交換功能
當(dāng)一臺(tái)水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)仍然不能滿(mǎn)足用水情況時(shí)，設(shè)備自動(dòng)控制其他水泵投入運(yùn)行，并使水泵始終處于高效運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)一臺(tái)水泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，設(shè)備可以自動(dòng)調(diào)控到其它水泵工作，有效調(diào)控水泵運(yùn)行時(shí)間，使每一臺(tái)水泵的利用率趨于均等，避免因水泵利用率不平衡而造成水泵的損壞，從而大大延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
6、管網(wǎng)自動(dòng)補(bǔ)償增壓功能
設(shè)備與自來(lái)水管網(wǎng)直接串接，充分利用自來(lái)水管網(wǎng)原有壓力。采用變頻調(diào)速控制技術(shù)，對(duì)自來(lái)水的進(jìn)水壓力和出水設(shè)定壓力的差進(jìn)行補(bǔ)償，充分利用市政管網(wǎng)壓力，高效節(jié)能。
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