基于臺達(dá)PLC與變頻器實(shí)現(xiàn)自動變頻給水設(shè)備自動恒壓控制
基于臺達(dá)PLC與變頻器實(shí)現(xiàn)自動變頻給水設(shè)備自動恒壓控制
1 前言
常規(guī)的供水系統(tǒng)采用水泵定速控制，通過改變閥門的大小的方法調(diào)節(jié)流量和壓力，以達(dá)水壓恒定。這種方式在運(yùn)行中存在以下問題。
（1）人工操作存在調(diào)節(jié)滯后，整個系統(tǒng)穩(wěn)定性差，自動化程度低，使得溢水管經(jīng)常排水造成資源浪費(fèi)；
（2）水泵定速運(yùn)行，不僅造成電能的浪費(fèi)，而且由于泵長期高速運(yùn)行，易使軸承損壞，影響泵的使用壽命，且備用水泵出現(xiàn)過銹死的現(xiàn)象；
（3）每年夏天用水高峰時段水壓不能得到保證，當(dāng)出現(xiàn)了突發(fā)性電網(wǎng)故障時，由于水量不足給企業(yè)生產(chǎn)造成不便；
為了提供恒壓供水，因而對飲料公司供水系統(tǒng)進(jìn)行改造就顯得非常重要。可編程序控制器（簡稱PLC）是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。具有通用性好，可靠性高，安裝靈活，擴(kuò)展方便，性價比高等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且其總線與網(wǎng)絡(luò)能力越來越強(qiáng)，可方便地與上位機(jī)組成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性價比和高效能運(yùn)作。
本文采用臺達(dá)公司的PLC和變頻器產(chǎn)品研制開發(fā)了一種自動變頻給水設(shè)備控制系統(tǒng)，可有效減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，提高供水系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行程度，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性，避免硬件老化損失。
2 自動變頻給水設(shè)備系統(tǒng)簡介
為改善生產(chǎn)環(huán)境，某大型飲料公司投資清潔水技改工程并建成一座日產(chǎn)水5萬頓的供水系統(tǒng)，分別建設(shè)了抽水泵系統(tǒng)、加壓泵系統(tǒng)和高位水池。根據(jù)公司用水需求特點(diǎn)，從抽水泵系統(tǒng)過來的水一部分直接供給生產(chǎn)用水部門，一部分則需通過加壓泵輸送到高位水池，而供給生產(chǎn)用水部門的水壓與供給高位水池的水壓相差較大。同時高位水池距抽水泵房較遠(yuǎn)達(dá)十多公里，高位水池的液位高低和加壓泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及如何與抽水泵系統(tǒng)“聯(lián)動”也是較難解決的。
鑒于以上特點(diǎn)，從技術(shù)可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度綜合考慮，我們設(shè)計(jì)了用PLC控制與變頻器控制相結(jié)合的自動變頻給水設(shè)備，同時通過主水管線壓力傳遞較經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)了加壓泵系統(tǒng)與抽水泵系統(tǒng)“遠(yuǎn)程聯(lián)動”的控制目的。
3 自動變頻給水設(shè)備系統(tǒng)方案
自動變頻給水設(shè)備系統(tǒng)的控制以臺達(dá)的DVP-EH型DVP64EH00R PLC為技術(shù)平臺，DOP-A57CST觸摸屏為操作界面，VFD110B43A變頻器作為執(zhí)行構(gòu)件。觸摸屏通過COM2口與DVPEH PLC 的COM口相連，采用MODBUS協(xié)議。PLC通過RS485口控制變頻器（便于擴(kuò)充），支持MODBUS協(xié)議。另外還包括施耐德公司的軟啟動器、電機(jī)保護(hù)器、數(shù)據(jù)采集及其輔助設(shè)備組成（見圖1）。
3.1 抽水泵系統(tǒng)
整個抽水泵系統(tǒng)有150KW深井泵電機(jī)四臺，90KW深井泵電機(jī)兩臺，采用變頻器循環(huán)工作方式，六臺電機(jī)均可設(shè)置在變頻方式下工作。采用一臺150KW和一臺90KW的軟起動150KW和90KW的電機(jī)。當(dāng)變頻器工作在50HZ，管網(wǎng)壓力仍然低于系統(tǒng)設(shè)定的下限時，軟起動器便自動起動一臺電機(jī)投入到工頻運(yùn)行，當(dāng)壓力達(dá)到高限時，自動停掉工頻運(yùn)行電機(jī)。
自動變頻給水設(shè)備系統(tǒng)為每臺電機(jī)配備電機(jī)保護(hù)器，是因?yàn)殡姍C(jī)功率較大，在過載、欠壓、過壓、過流、相序不平衡、缺相、電機(jī)空轉(zhuǎn)等情況下為確保電機(jī)的良好使用條件，達(dá)到延長電機(jī)的使用壽命的目的。
自動變頻給水設(shè)備系統(tǒng)配備水位顯示儀表，可進(jìn)行高低位報(bào)警，同時通過PLC可確保取水在合理水位的水質(zhì)監(jiān)控，同時也保護(hù)電機(jī)制正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況。
自動變頻給水設(shè)備系統(tǒng)配備流量計(jì)，既能顯示一段時間的累積流量，又能顯示瞬時流量，可進(jìn)行出水量的統(tǒng)計(jì)和每臺泵的出水流量監(jiān)控。
3.2 公司內(nèi)不同壓力供水需求的解決
為穩(wěn)定可靠地滿足公司內(nèi)部分區(qū)域供水太力（0.4~0.45Mpa）低于主管網(wǎng)水壓力（0.8~0.9Mpa）的要求，配備穩(wěn)壓減壓閥來調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為0.1~0.8Mpa。
3.3 加壓泵系統(tǒng)
由于抽水泵房距離高位水池較遠(yuǎn)，直接供水到高位水池抽水泵的揚(yáng)程不足，為此在距離高位水池落差為36米處設(shè)計(jì)有一加壓泵房，配備立式離心泵兩臺（一用一備）電機(jī)功率為75KW，揚(yáng)程36米。該加壓泵的控制系統(tǒng)需考慮以下條件：
（1）若高位水池水位低和主管有水，則打開進(jìn)水電動蝶閥和起動加壓泵向高位水池供水；
（2）若高位水池水位滿且主管有水，則給出報(bào)警信號并關(guān)閉加壓泵和進(jìn)水電動蝶閥；
（3）若主管無水表明用水量增大或抽水泵房停止供水，必，須開啟出水電動蝶閥由高位水池向主管補(bǔ)充不。
像抽水泵一樣，我們?yōu)榧訅罕门鋫淞塑浧饎悠骱碗姍C(jī)保護(hù)器，確保加壓泵長期可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)，同時配備了高位水池的水位傳感器和數(shù)顯儀和缺水傳感器。
為保證整個主水管網(wǎng)的恒壓供不，當(dāng)高位水池滿且主水管有水時，加壓泵停止，此時主管壓力將“憋壓”，終導(dǎo)致主管壓力上升，并將此壓力傳遞到抽水泵房，抽水泵的控制系統(tǒng)檢測到此壓力進(jìn)行恒壓變頻控制，進(jìn)而達(dá)到整個主管網(wǎng)的恒壓供水，這是整個控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
4 自動變頻給水設(shè)備系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能
4.1 全自動平穩(wěn)切換，恒壓控制
主水管網(wǎng)壓力傳感器的壓力信號4~20mA送給數(shù)字PID控制器，控制器根據(jù)壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測值進(jìn)行PID運(yùn)算，并給出信號直接控制變頻器的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當(dāng)用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)用水量大到變頻器全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓和穩(wěn)定時，控制器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)下泵投入到工頻運(yùn)行，以保持壓力的連續(xù)性，同時將一臺備用的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。若兩臺泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，而將另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)為變頻器已工作在較低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現(xiàn)，PLC首先將工頻運(yùn)行的泵停掉，以減少供水量。當(dāng)上述兩個信號仍存在時，PLC再停掉一臺工頻運(yùn)行的電機(jī)，直到末后一臺泵用主頻器恒壓供水。另外，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)六臺泵為兩組，每臺泵的電機(jī)累計(jì)運(yùn)行時間可顯示，24小時輪換一次，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)的泵有相同的運(yùn)行時間，確保了泵的可靠壽命?？刂葡到y(tǒng)圖見圖2。
4.2 半自動運(yùn)行
當(dāng)PLC系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，自動控制系統(tǒng)失靈，這時候系統(tǒng)工作處于半自動狀態(tài)，即一臺泵具有變頻自動恒壓控制功能，當(dāng)用水量不夠時，可手動投入另外一臺或幾臺工頻泵運(yùn)行。
4.3 手動
當(dāng)壓力傳感器故障或變頻器故障時，為確保用水，六臺泵可分別以手動工頻方式運(yùn)行。
5 實(shí)施效果
實(shí)際運(yùn)行證明本控制系統(tǒng)構(gòu)成了多臺深井泵的自動控制的較經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，在軟件設(shè)計(jì)中充分考虎變頻與工頻在切換時的瞬間壓力與電流沖擊，每臺泵均采用軟起動是解決該問題關(guān)鍵。變頻器工作的上下限頻率及數(shù)字PID控制的上下限控制點(diǎn)的設(shè)定對系統(tǒng)的誤差范圍也有不可忽視的作用。
①采用自動變頻給水設(shè)備，消除了主管網(wǎng)壓力波動，保證了供水質(zhì)量，而且節(jié)能效果明顯，并延長了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。
②用穩(wěn)壓減壓閥經(jīng)濟(jì)地解決了不同用水壓力的問題。
③拓寬運(yùn)用變頻恒壓控制原理，較好地解決了加壓泵房與抽水泵房的遠(yuǎn)程通訊總是并達(dá)到異地連鎖控制的目的。
④在抽水泵房設(shè)置連續(xù)液位顯示，并將信號傳與PLC，防止泵缺水燒壞電機(jī)，設(shè)定的取水位置，確保水的質(zhì)量。
⑤電機(jī)既有電機(jī)保護(hù)器，又有軟起動器，克服了起動時的大電流沖擊，相對延長了電機(jī)制使用壽命。
⑥由于采用PLC控制的壓力自動控制，可以實(shí)現(xiàn)無人遠(yuǎn)程操作，系統(tǒng)的PLC預(yù)留有RS485接口，可與公司總調(diào)度室計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。
⑦由于系統(tǒng)采用閉環(huán)恒壓控制，電機(jī)在滿足主水很容易網(wǎng)的壓力的前提下，節(jié)能效果顯著，年節(jié)電61萬度，折合為人民幣36萬元。
⑧通過采用變頻器控制，可在不同季節(jié)、節(jié)假日、日夜及上下班等全面調(diào)控水量，按日節(jié)水100噸計(jì)，則年可節(jié)水36500噸。
總之，采用該P(yáng)LC控制的自動變頻給水設(shè)備肯定能保證該大型飲料廠的足量用水，同時很大程度上降低了維修的勞動強(qiáng)度和延長了設(shè)備的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了真正的自動控制，不僅可解決了現(xiàn)供水系統(tǒng)存在的問題，而且節(jié)能效果顯著。因此，從節(jié)能和改善供水條件上有著重大的價值。
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