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        變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計與實際應(yīng)用

        2014-04-29 09:48:04林思克
        山東工業(yè)技術(shù) 2014年5期
        關(guān)鍵詞:PLC控制變頻調(diào)速

        林思克

        【摘 要】變頻調(diào)速恒壓供水在企業(yè)及高層生活小區(qū)的應(yīng)用越來越廣泛,其采用PLC作為控制器,硬件結(jié)構(gòu)簡便,成本低,并能自動實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速。本文根據(jù)供水單位的要求,設(shè)計了基于PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng),該系統(tǒng)滿足了用戶端在用水量發(fā)生變化時仍保持水壓恒定的用水要求。

        【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速;恒壓供水;無級調(diào)速;PLC控制

        隨著變頻器的快速迭代,變頻調(diào)速技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,特別是在供水行業(yè),由電動機、泵組、壓力儀表、變頻器、微控制器和傳感器等現(xiàn)代控制設(shè)備所構(gòu)建的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點,將我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平經(jīng)歷了一次飛躍。某一供水單位希望設(shè)計一套變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng),依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù),在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。

        1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的總體分析

        1.1 系統(tǒng)的功能要求

        恒壓供水要求用戶端不管用水量大小,總保持管網(wǎng)中水壓基本恒定,這樣,既可滿足各部位的用戶對水的需求,又不使電動機空轉(zhuǎn),造成電能的浪費[1]。某供水單位為實現(xiàn)恒壓供水這一目標(biāo),對系統(tǒng)提出了以下幾點要求:

        (1)三臺水泵中1臺備用,其余2臺處于工作狀態(tài)。為了提高設(shè)備的綜合利用率,工作泵與備用泵不固定;

        (2)三臺水泵均可實現(xiàn)變速、定速運行。但水泵運行的實際臺數(shù)(1臺還是2臺)和電機速度,還要由住戶用水量的高低來決定(進行不同頻率的切換);

        (3)系統(tǒng)具有“手動”、“自動”控制切換;

        (4)系統(tǒng)具有較完善的保護措施,以防止、避免事故的發(fā)生和擴大;

        (5)具有完整的報警功能;

        (6)對泵的操作要有手動和自動控制功能,手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。

        1.2 系統(tǒng)設(shè)計原理分析

        變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理如下:壓力傳感器將主管網(wǎng)水壓變換為電流信號,輸入PID調(diào)節(jié)運算,與給定值進行比較,得出一個調(diào)節(jié)參數(shù),再進入變頻器,變頻器根據(jù)要求調(diào)速,調(diào)節(jié)水泵電機的頻率。當(dāng)用水量較大時,一臺泵在變頻器的控制下恒壓運行,當(dāng)用水量大到水泵全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力達到設(shè)定值時,壓力傳感器上傳的信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)再到變頻器,變頻泵的頻率增大,轉(zhuǎn)速變大;如果用水量增加很多,使變頻器的輸出頻率達到最大值,仍不能使管網(wǎng)水壓達到設(shè)定值時,PLC就發(fā)出控制信號,將剛才運行的水泵切換為工頻狀態(tài),用變頻器起動另一個泵。由PLC控制兩臺泵同時工作,一臺變頻運行,一臺工頻運行,若還不能滿足,則再啟動備用泵,兩臺工頻,一臺變頻,如果此時還不能滿足需要,則全部設(shè)為工頻運行。相反,如果用水量減少,則按照相反的過程減少水泵的運行量。

        由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由PID回路調(diào)節(jié)給出的,所以對PLC來講,不需要有模擬量輸入接口和模擬量輸出接口。減少了連線和附加設(shè)備,降低了給水設(shè)備的成本,增加了整套設(shè)備的可靠性。且PID回路調(diào)節(jié)可以進行量綱的變換,因而可以進行供水壓力的直接設(shè)定,直觀可靠。

        2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的電路設(shè)計

        2.1 系統(tǒng)的總體規(guī)劃

        該系統(tǒng)主要由3臺水泵(兩臺生活水泵,一臺備用泵)、1臺變頻器(內(nèi)帶PID調(diào)節(jié)功能)、PLC、及線性壓力傳感器等組成。PLC控制各臺水泵的運行狀態(tài)(如工頻運行、變頻運行、停止),從而控制水泵的運行臺數(shù),在供水中利用PID回路調(diào)節(jié)功能將檢測到的現(xiàn)場壓力值與整定值進行比較[2]。比較后的信號送至變頻器,對變頻器進行調(diào)節(jié),從而達到控制電泵速度的目的。水泵的速度具體的調(diào)節(jié)是采用變頻調(diào)速技術(shù),利用變頻器對水泵進行速度控制。

        2.2 系統(tǒng)的主電路設(shè)計

        該系統(tǒng)包括3臺水泵電動機M1、M2、M3,其中M3為備用,系統(tǒng)為一臺變頻器依次控制每臺水泵實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),并實現(xiàn)恒壓控制。系統(tǒng)具有變頻及工頻兩種運行狀態(tài),當(dāng)變頻泵達到水泵額定轉(zhuǎn)速后,如水壓在所設(shè)定的判斷時間內(nèi)還不能滿足恒壓值時,系統(tǒng)自動將當(dāng)前變頻泵狀態(tài)切換為工頻狀態(tài),并指示下一臺泵為變頻泵[3]。主電路如圖1所示。

        2.3 PLC控制回路設(shè)計

        控制電路包括繼電器控制電路及PLC控制電路。

        (1)PLC外圍電路如圖2所示。

        上圖給出了系統(tǒng)的PLC控制電路。其中SA1為手動/自動控制轉(zhuǎn)換開關(guān),SA2為自動起/??刂妻D(zhuǎn)換開關(guān),P1表示壓力小于設(shè)定值時閉合,P2表示壓力大于設(shè)定值時閉合,SB1為1泵手動起動按鈕,SB2為1泵手動停止按鈕,SB3為2泵手動起動按鈕,SB4為2泵手動停止按鈕,SB5為3泵手動起動按鈕,SB6為3泵手動停止按鈕,SB7、SB8為變頻器的啟動和停止按鈕,SB9為關(guān)閉報警聲音按鈕,SB10為復(fù)位按鈕,X16、X17、X20、X21、X22分別接變頻器、PLC及各電機的故障節(jié)點;KA0~KA10為中間繼電器,它們分別控制KM0~KM6工作以及故障顯示和報警控制。

        2)繼電器外部連接圖如圖3所示。

        3 系統(tǒng)的工作流程(圖4)

        首先,開主電源和PLC電源,然后根據(jù)需要選擇手動或自動,如果選擇手動,則根據(jù)需要選擇各泵的運行,如果選擇自動,開變頻器后,系統(tǒng)會自動根據(jù)水壓情況調(diào)節(jié)水泵的運行,當(dāng)用水量大,水壓過小的時候,PLC和變頻器配合工作,根據(jù)需要來投入各泵的運行,變頻調(diào)速無法滿足時,PLC將各泵調(diào)整為工頻運行。當(dāng)水壓變大時,PLC和變頻器配合工作,切除相應(yīng)的泵運行,如果水壓一直過大時,PLC則調(diào)整1泵為變頻運行。

        4 小結(jié)

        本文結(jié)合供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀,根據(jù)某供水單位的要求,設(shè)計了一套以變頻調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動3臺(其中一臺為備用)電動機的啟動、運行與調(diào)速。PLC控制三臺水泵的手動和自動裝置,壓力表采集管網(wǎng)壓力信號,把此信號反饋到變頻器的PID環(huán)節(jié)進行控制,再經(jīng)變頻器進行內(nèi)部調(diào)整,從而輸出適當(dāng)?shù)念l率,調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速,進而利用PLC控制水泵電機的工頻和變頻之間的切換[5]。

        變頻恒壓供水在企業(yè)及高層生活小區(qū)的應(yīng)用越來越廣泛,它可取代傳統(tǒng)的水塔、高位水箱或氣壓罐等供水方式,它具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點。采用PLC作為控制器,硬件結(jié)構(gòu)簡單,成本低,系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速,依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù),在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。

        如果有需要,可加計算機控制和一些外圍設(shè)備或器件,使其與樓宇監(jiān)控中心進行通訊,進行界面管理和人機“對話”,實現(xiàn)遠程控制。

        【參考文獻】

        [1]張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000,55-56.

        [2]馮垛生.變頻器的應(yīng)用與維護[M].廣州:南華理工大學(xué)出版社,2001,26-27.

        [3]姚錫祿.變頻器控制技術(shù)與應(yīng)用[M].福州:福建科學(xué)技術(shù)出版社,2005,56-57.

        [4]高湘.給水工程技術(shù)及工程實例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002,56-58.

        [5]高欽和.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計實例[M].北京:人民郵電出版社, 2004,33-35.

        [責(zé)任編輯:薛俊歌]

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