PLC及變頻調速技術(shù)在箱式泵站恒壓供水中的應用
0 引言
供水系統是國民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多，而最主要的缺點(diǎn)是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。變頻調速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機無(wú)極調速技術(shù)，它以其獨特優(yōu)良的控制性能被廣泛應用于速度控制領(lǐng)域，特別是箱式泵站恒壓供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著(zhù)嚴格的要求，因而變頻調速技術(shù)得到了更加深入的應用。箱式泵站恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn)、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節約電能、自動(dòng)化程度高，在箱式泵站恒壓供水中可完成以下功能：
（1）維持水壓恒定；
（2）控制系統可手動(dòng)/自動(dòng)運行；
（3）多臺泵自動(dòng)切換運行；
（4）系統睡眠與喚醒。當外界停止用水時(shí)，系統處于睡眠狀態(tài)，直至有用水需求時(shí)自動(dòng)喚醒；
（5）在線(xiàn)調整PID參數；
（6）泵組及線(xiàn)路保護檢測報警，信號顯示等。
將管網(wǎng)的實(shí)際壓力經(jīng)反饋后與給定壓力進(jìn)行比較，當管網(wǎng)壓力不足時(shí)，變頻器增大輸出頻率，水泵轉速加快，供水量增加，迫使管網(wǎng)壓力上升。反之水泵轉速減慢，供水量減小，管網(wǎng)壓力下降，保持恒壓供水。
1 箱式泵站恒壓供水系統硬件構成
箱式泵站恒壓供水系統采用壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置，實(shí)現所需功能。
安裝在管網(wǎng)干線(xiàn)上的壓力傳感器，用于檢測管網(wǎng)的水壓，將壓力轉化為4～20mA的電流信號，提供給PLC與變頻器。
變頻器是水泵電機的控制設備，能按照水壓恒定需要將0～50Hz的頻率信號供給水泵電機，調整其轉速。ACS變頻器功能強大，預置了多種應用宏，即預先編置好的參數集，應用宏將使用過(guò)程中所需設定的參數數量減小到最小，參數的缺省值依應用宏的選擇而不同。系統采用PID控制的應用宏，進(jìn)行閉環(huán)控制。該宏提供了6個(gè)輸入信號：?jiǎn)?dòng)/停止（DI1、DI5）、模擬量給定（AI1）、實(shí)際值（AI2）、控制方式選擇（DI2）、恒速（DI3）、允許運行（DI4）；3個(gè)輸出信號：模擬輸出（頻率）、繼電器輸出1（故障）、繼電器輸出2（運行）；DIP開(kāi)關(guān)選擇輸入0～10V電壓值或0～20mA電流值（系統采用電流值）。變頻器根據給定值AI1和實(shí)際值AI2，即根據恒壓時(shí)對應的電壓設定值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號，利用PID控制宏自動(dòng)調節，改變頻率輸出值來(lái)調節所控制的水泵電機轉速，以保證管網(wǎng)壓力恒定要求。
根據箱式泵站恒壓供水實(shí)際情況與需求，利用一臺變頻器控制3臺水泵，因此除改變水泵電機轉速外，還要通過(guò)增減運行泵的臺數來(lái)維持水壓恒定，當運行泵滿(mǎn)工頻抽水仍達不到恒壓要求時(shí)，要投入下一臺泵運行。反之，當變頻器輸出頻率降至最小，壓力仍過(guò)高時(shí)，要切除一臺運行泵。所以不僅需要開(kāi)關(guān)量控制，還需數據處理能力，采用FX－4AD（4模擬量入）獲得模擬量信號。它在應用上的一個(gè)重要特征就是由PLC自動(dòng)采樣，隨時(shí)將模擬量轉換為數字量，放在數據寄存器中，由數據處理指令調用，并將計算結果隨時(shí)放在指定的數據接觸器中。通過(guò)其可將壓力傳感器電流信號和變頻器輸出頻率信號轉換為數字量，提供給PLC[1>，與恒壓對應電流值、頻率上限、頻率下限（考慮到水泵電機在低速運行時(shí)危險，必須保證其頻率不低于20Hz，因此頻率上限設為工頻50Hz，下限設為20Hz）進(jìn)行比較，實(shí)現泵的切換與轉速的變化。
箱式泵站恒壓供水系統在設計時(shí)應使水泵在變頻器和工頻電網(wǎng)之間的切換過(guò)程盡可能快，以保證供水的連續性，水壓波動(dòng)盡可能小，從而提高供水質(zhì)量。但元件動(dòng)作過(guò)程太快，會(huì )有回流損壞變頻器。為了防止故障的發(fā)生，硬件上必須設置閉鎖保護，即1Q與4Q，2Q與5Q，3Q與6Q不能同時(shí)閉合。
2 箱式泵站恒壓供水系統軟件設計
箱式泵站恒壓供水控制系統軟件是指用梯形圖語(yǔ)言編制的對3臺泵進(jìn)行控制的程序。它對3臺泵的控制，主要解決系統的手動(dòng)及自動(dòng)切換、各元件和參數的初始化、信號及通訊數據的預處理、3臺泵的啟動(dòng)、切換及停止的條件、順序、過(guò)程等問(wèn)題。
當變頻器輸出頻率達到頻率上限，供水壓力未達到預設值時(shí)，發(fā)出加泵信號，投入下1臺泵供水。當供水壓力達到預設值，變頻器輸出頻率降到頻率下限時(shí)，發(fā)出減泵信號，切除在工頻運行方式中的1臺泵。系統剛啟動(dòng)時(shí)，情況簡(jiǎn)單，首先啟動(dòng)一號泵即可。但考慮3臺泵聯(lián)合運行時(shí)情況復雜，任1臺或2臺泵可能正在工頻自動(dòng)方式下運行，而其他泵則可能在變頻器控制下運行，因此必須預先設定增減水泵的順序。即獲得加泵信號后，按照1號泵、2號泵、3號泵的順序優(yōu)先考慮。獲得減泵信號后，按照3號泵、2號泵、1號泵的順序優(yōu)先考慮。
為了防止故障的發(fā)生，軟件上也必須設置保護程序，保證1Q與4Q、2Q與5Q、3Q與6Q不能同時(shí)閉合。在加減泵時(shí)必須設置元件動(dòng)作順序及延時(shí)，防止誤動(dòng)作發(fā)生。
考慮到系統工作環(huán)境對運行狀態(tài)的影響，在設計中采用硬件、軟件上的雙重濾波來(lái)消除干擾的影響。硬件上變頻器提供了濾波時(shí)間常數，當模擬輸入信號變化時(shí)，63％的變化發(fā)生在所定義的時(shí)間常數中；軟件上采用數字濾波的方式，系統采用平均值的方法。
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