李綺華

某小區(qū)占地150000m2,其中綠化面積53%,綠化日均用水量300m3,最高用水量70m3/h。小區(qū)引水工程由二級(jí)泵組組成,兩級(jí)泵組之間建有50m3的低位調(diào)節(jié)池。一級(jí)泵房由兩臺(tái)7.5kW流量為100m3/h的水泵(一用一備),引河水入調(diào)節(jié)池。兩臺(tái)7.5kW流量為50m3/h的水泵(一用一備),電接點(diǎn)壓力表和壓力罐組成的穩(wěn)壓供水控制系統(tǒng),將調(diào)節(jié)池的水送入小區(qū)各用水點(diǎn)。系統(tǒng)投入使用不到4年,由于啟動(dòng)頻繁,故障變高,對小區(qū)綠化工作帶來很大影響,二級(jí)泵房的設(shè)備改造勢在必行。根據(jù)二級(jí)泵房的重要性及小區(qū)情況,結(jié)合市場上恒壓供水系統(tǒng)的性價(jià)比,二級(jí)泵房采用PLC及變頻器進(jìn)行系統(tǒng)改造。

一、恒壓供水系統(tǒng)簡述

改造后的綠化供水系統(tǒng)原理,如圖1所示。系統(tǒng)由原來的兩臺(tái)7.5kW水泵改為三臺(tái)流量為22m3/h、揚(yáng)程為36m的5.5kW水泵組成,水泵的總流量提高到66m3/h,電接點(diǎn)壓力表改成遠(yuǎn)傳壓力表。由于氣壓罐具有小流量調(diào)節(jié)、貯能保壓、消除水錘、消除壓力抖動(dòng)的作用,有利于壓力表的正確測控使用,故保留了原來的氣壓罐;使用原來的浮球,用于新系統(tǒng)的缺水保護(hù)信號(hào);增加了由接觸器組、PLC和變頻器等組成的控制柜,由PLC控制變頻器改變水泵的轉(zhuǎn)速來穩(wěn)定系統(tǒng)壓力。

管網(wǎng)壓力通過安裝在出水管網(wǎng)上的遠(yuǎn)傳壓力表,變換成0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與設(shè)定壓力信號(hào),送入模擬量I/O輸入輸出模塊;經(jīng)轉(zhuǎn)換后送至PLC的內(nèi)置數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器;經(jīng)PID控制程序的運(yùn)算,得出一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù),返回給模擬量I/O模塊轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的0～10V的電壓信號(hào)送給變頻器,由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量,使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在設(shè)定壓力。根據(jù)用水壓的大小,由PLC控制工作水泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵電機(jī)的調(diào)速,實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí),輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化,構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

二、主要電氣元件及原理圖

1.供水系統(tǒng)主電路

如圖2所示,水泵電機(jī)分別為M1、M2、M3。接觸器KM1,KM3,KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行;接觸器KM2,KM4,KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行;QF1、QF2、QF3、QF4、QF5分別為控制柜總電源、水泵主電路、變頻器的斷路器。FNR-P11S為變頻器。

2.供水系統(tǒng)控制電路

如圖3、4所示,圖中SA1是為手動(dòng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)。手動(dòng)狀態(tài)時(shí)可以通過面板上六個(gè)按鈕SB1-SB6任意直接“啟動(dòng)/停止”每一臺(tái)電機(jī)。自動(dòng)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。KA0和FU1、FU2、FU3組成控制柜的缺相保護(hù)及控制電路的短路保護(hù)。KA4為自動(dòng)運(yùn)行時(shí)缺水保護(hù)繼電器,使用24V直流電壓。KA5為變頻器的控制繼電器,通過其常開、常閉觸點(diǎn)控制變頻器的啟動(dòng)和關(guān)斷。外置鐘控KT可以在上班時(shí)間內(nèi)自動(dòng)開泵供水,還能應(yīng)對臨時(shí)供水需求。各泵的工頻及變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制采用了電氣互鎖。

3.PLC控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)地址分配及選型

如表1所示,系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點(diǎn)4個(gè),開關(guān)量輸出點(diǎn)7個(gè);模擬量輸入點(diǎn)2個(gè),模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)。選用西門子S7-200系列PLCCPU224與模擬量I/O模塊EM235(4AI/1AO)組成控制系統(tǒng)。

4.變頻器泵用標(biāo)準(zhǔn)

變頻器采用富士的泵用標(biāo)準(zhǔn)5000P11S系列的FRN5.5P11S-4CX。KA5的常開觸點(diǎn)接變頻器的端子FWD,控制變頻器正轉(zhuǎn);常閉觸點(diǎn)接變頻器的端子X8,使變頻器在PLC切換電機(jī)時(shí)立即停止輸出。模擬量I/O模塊的V0、M0分別接變頻器的端子12、11,以實(shí)現(xiàn)用EM235的輸出電壓的信號(hào)控制變頻器運(yùn)行頻率。變頻器的上限頻率設(shè)置為50HZ,下限頻率為防止水泵轉(zhuǎn)速較低形成“空轉(zhuǎn)”,在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)設(shè)置為36HZ較合適。變頻器的參數(shù)設(shè)置,如表2所示。

三、PLC程序設(shè)計(jì)

PLC的梯形圖程序編程采用STEP7-Micro/WIN。它是西門子SIMATIC PLC的視窗軟件支持工具,可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試。整個(gè)程序由主程序OB1、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序SBR??_1、PID子程序PID0_EXE及PID中斷子程序PID0_INITX四部分組成。其中,PID子程序PID0_EXE及PID中斷子程序PID0_INITX由系統(tǒng)的指今向?qū)ё詣?dòng)生成。PID調(diào)節(jié)參數(shù)經(jīng)過多次調(diào)整后,又在現(xiàn)場用STEP 7-Micro/WIN的直觀的交互式PID調(diào)節(jié)控制面板在線自動(dòng)調(diào)節(jié)后將參數(shù)寫入PLC。

三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要,采取“先開先停”的原則接入和退出。在SA1轉(zhuǎn)為自動(dòng)方式時(shí),1#電機(jī)變頻運(yùn)行(此時(shí)Q0.1,Q1.1運(yùn)行);如果變頻器達(dá)到頻率上限(VD250=3200),則定時(shí)器T37開始計(jì)時(shí)(60S),計(jì)時(shí)完畢后關(guān)閉Q0.1、Q1.1,接通Q0.0(變頻器立即停止輸出頻率由50Hz停至0Hz,1#泵處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài),同時(shí)1#泵切換至工頻運(yùn)行),延時(shí)1S,延時(shí)完畢,Q0.3得電,為2#泵變頻啟動(dòng)做好準(zhǔn)備;Q0.3得電后,再延時(shí)1S后啟動(dòng)變頻器即Q1.1得電,1#電機(jī)工頻運(yùn)行,2#電機(jī)投入變頻運(yùn)行(此時(shí)Q0.0、Q0.3、Q1.1運(yùn)行);如果變頻器又達(dá)到頻率上限(VD250=3200),則定時(shí)器T37又開始時(shí)計(jì)時(shí)(60S),計(jì)時(shí)完畢后關(guān)閉Q0.3、Q1.1,接通Q0.2(2#泵電機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行),延時(shí)完畢后,則1#電機(jī)投入工頻運(yùn)行,2#電機(jī)投入工頻運(yùn)行,3#電機(jī)投入變頻運(yùn)行(此時(shí)Q0.0、Q0.2、Q0.5、Q1.1運(yùn)行)。

如果運(yùn)行在1#電機(jī)工頻運(yùn)行,2#電機(jī)工頻運(yùn)行,3#電機(jī)變頻運(yùn)行既有Q0.0、Q0.2、Q0.5、Q1.1運(yùn)行)的狀態(tài)下,變頻器出現(xiàn)頻率下限(VD250=0),則定時(shí)器T38開始計(jì)時(shí)(30S),計(jì)時(shí)完畢后關(guān)閉Q0.0,此時(shí)2#電機(jī)處于工頻運(yùn)行,3#電機(jī)處于變頻運(yùn)行既有 Q0.2、Q0.5、Q1.1運(yùn)行;如果變頻器又達(dá)到頻率下限(VD250=0),則定時(shí)器T38又開始計(jì)時(shí)(30S),計(jì)時(shí)完畢后,關(guān)閉Q0.2,此時(shí)僅3#電機(jī)處于變頻運(yùn)行(即Q0.5、Q1.1運(yùn)行)。

系統(tǒng)在投入電機(jī)時(shí)設(shè)置為“到達(dá)頻率上限后連續(xù)計(jì)時(shí)60S”,而在切除電機(jī)時(shí)設(shè)置為“到達(dá)頻率下限后30S”。這是為了防止運(yùn)行著的電機(jī)全速運(yùn)行壓力還低于給定壓力時(shí),能盡快投入電機(jī)使壓力升高,同時(shí)防止當(dāng)壓力在切換電機(jī)狀態(tài)附近波動(dòng)時(shí)頻繁切換電機(jī)。

程序中還考慮了三臺(tái)水泵電機(jī)變頻循環(huán)切換的功能。一臺(tái)電機(jī)單獨(dú)處于變頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí),當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間(2h)到時(shí),關(guān)閉該電機(jī)和變頻器,并延時(shí)2s,延時(shí)到后起動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行。各電機(jī)的控制除了硬件互鎖外在程序中又采用了軟元件的互鎖,提高了系統(tǒng)控制的可靠性和安全性。

系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)中,如果三臺(tái)水泵均發(fā)生過載故障時(shí)或變頻器出現(xiàn)故障時(shí),停機(jī)并報(bào)警;而系統(tǒng)檢測到EM235模塊故障時(shí)則直接停機(jī),有利于系統(tǒng)安全及快速檢修。

該工程試運(yùn)行一個(gè)月后,系統(tǒng)正式投入運(yùn)行。除了在試運(yùn)行期間做過幾次PID參數(shù)的自動(dòng)在線調(diào)整外,系統(tǒng)各部分運(yùn)行正常。日均用水量減少了近50m3,日均用電量少了近10kwh,與原來恒壓供水系統(tǒng)相比較,有一定的節(jié)能效果;水泵起動(dòng)平穩(wěn),起動(dòng)電流限制在額定電流以內(nèi),減少了水泵啟動(dòng)時(shí)對閥門及管網(wǎng)的沖擊;供水壓力穩(wěn)定,供水點(diǎn)的閥門故障也很少發(fā)生,整個(gè)改造工程取得了成功。

(作者單位:廣東省交通高級(jí)技工學(xué)校)