摘要：介紹采用PLC進(jìn)行邏輯控制，用變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，自動(dòng)控制水泵投入的臺(tái)數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，在保持恒壓的狀況下，達(dá)到控制流量的目的。 關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；供水系統(tǒng) Abstract：A water supply system with constant pressure was introduced to which used PLC to process the logic control and employed inverter to adjust water pressure. It could automatically control the number of water pump and speed of A.C motor. Key words：inverter; water supply system 1、 概述 PLC自問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展異常迅猛。時(shí)至今日已擁有門(mén)類(lèi)齊全的各種功能模塊和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，其應(yīng)用范圍可以覆蓋現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，滿足各類(lèi)受控對(duì)象的不同控制要求。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它以其獨(dú)特的控制性被廣泛應(yīng)用在速度控制領(lǐng)域。將PLC與變頻器結(jié)合可大大優(yōu)化傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的供不系統(tǒng)，大體有兩種：一種是采用高位水箱，另一種是采用恒速泵打水。前者造價(jià)較高，投資成本大。后者使泵滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)法調(diào)節(jié)水量，因些浪費(fèi)電能。以上兩種方式還有著共同的缺點(diǎn)，就是管道中水壓不穩(wěn)，時(shí)高時(shí)低。 如今，供水系統(tǒng)已越來(lái)越多地采用變頻恒壓供水。例如，某化工廠的廢水處理采用循環(huán)系統(tǒng)，將生產(chǎn)車(chē)間的廢水收集至廢水池，經(jīng)一系列物理、化學(xué)處理后，回送至車(chē)間使用。該控制系統(tǒng)主要由兩部分組成，即水處理系統(tǒng)和自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)。自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)車(chē)間瞬時(shí)變化的用水量，以及與其對(duì)應(yīng)的壓力兩種參數(shù)，通過(guò)PLC和變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)數(shù)及臺(tái)數(shù)，來(lái)改變水泵出口的壓力和流量，使車(chē)間的用水壓力保持恒定值。 2、 系統(tǒng)構(gòu)成 供水系統(tǒng)如圖1所示。P1、P2為加壓泵，用于向車(chē)間加壓供水，F(xiàn)1、F2為手動(dòng)閥門(mén)，F(xiàn)3、F4為止回閥。正常供水時(shí)，F(xiàn)1、F2為開(kāi)啟狀態(tài)，只有在檢修時(shí)才關(guān)閉。蓄水池內(nèi)設(shè)有液位控制，當(dāng)蓄水池內(nèi)水位過(guò)低，它會(huì)向PLC發(fā)送信號(hào)使系統(tǒng)停機(jī)，以防水泵抽空。該系統(tǒng)設(shè)有選擇開(kāi)關(guān)，可選擇系統(tǒng)在自動(dòng)和手動(dòng)狀態(tài)下工作。當(dāng)選擇手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可分別通過(guò)按鈕控制兩臺(tái)泵單獨(dú)在工頻下運(yùn)行與停止，這主要用于定期檢修臨時(shí)供水。當(dāng)選擇自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)恒壓變量供水。 3、 工作原理 系統(tǒng)工作原理如圖2所示。PLC首先利用變頻器軟啟動(dòng)一臺(tái)加壓泵，此時(shí)安裝在管網(wǎng)上的傳感器將實(shí)測(cè)的管網(wǎng)壓力反饋給變頻器，與預(yù)先通過(guò)變頻大面板設(shè)定的給定壓力值進(jìn)行比較，通過(guò)變頻器內(nèi)部PID運(yùn)算，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率。 具體地說(shuō)，在某一壓力下，當(dāng)用水量增大時(shí)，管路壓力下降，產(chǎn)生偏差，該信號(hào)被送入控制器進(jìn)行處理，控制器產(chǎn)生一定的電信號(hào)控制變頻器升頻，水泵轉(zhuǎn)速升高，供水增加，壓力恢復(fù)。反之，用水量減少時(shí)，工作原理同上所述。由于整個(gè)過(guò)程壓力偏差較小，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒壓，實(shí)際上，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)高速過(guò)程。 在用水量較大時(shí)，變頻器輸出頻率接近工頻，而管網(wǎng)壓力仍達(dá)不到壓力設(shè)定值，PLC將當(dāng)前工作的變頻切換到工頻下工作，并關(guān)斷變頻器，再將變頻器切換到另一臺(tái)泵，由變頻器軟啟動(dòng)該泵，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)工頻一臺(tái)變頻雙泵供水。隨著用水量減少，變頻器輸出頻率下降，當(dāng)降到頻率下限，而壓力仍能達(dá)壓力設(shè)定值時(shí)，PLC將工頻工作泵切除，只由剩下的單泵變頻供水。系統(tǒng)無(wú)論單泵變頻工作，還是雙泵一臺(tái)工頻一臺(tái)變耨工作，始終控制管網(wǎng)壓力與給定壓力值保持一致，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。 水泵切換程序如圖3所示，是根據(jù)設(shè)定的壓力與壓力傳感器測(cè)定的現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)之差△P來(lái)控制的。當(dāng)△P>0時(shí)，增加輸出電流的大小，提高變頻器的輸出頻率，從而使變頻泵轉(zhuǎn)速加快，實(shí)際水壓得以提高；當(dāng)△P<0時(shí)，則變頻泵轉(zhuǎn)速降低，實(shí)際水壓減少，△P減少。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，直至△P=0。由此，實(shí)際壓力在設(shè)定壓力附近波動(dòng)，保證壓力恒定。如果實(shí)際壓力太小，某臺(tái)調(diào)速泵調(diào)整到最大供水量仍不足以使△P=0，則該臺(tái)變頻泵切換至工頻，而增加下一臺(tái)泵為變頻工作；，如果實(shí)際壓力過(guò)大，本臺(tái)調(diào)速泵調(diào)整到最小供水量仍不足使△P=0，則關(guān)閉上次轉(zhuǎn)換成工頻的水泵，再進(jìn)行調(diào)整。這樣每臺(tái)泵在工頻和變頻之間切換，做到先開(kāi)先停，后開(kāi)后停，即所謂的循環(huán)調(diào)頻。各泵均衡運(yùn)行，合理利用資源，延長(zhǎng)泵的使用壽命，減少維護(hù)量和維護(hù)費(fèi)用。 4、 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 變頻器硬件設(shè)計(jì) 變頻器選用日本三菱變頻器FR-E540-4K產(chǎn)品，適配電機(jī)4kW。該變頻器基本配置中帶有PID功能，通過(guò)變頻器面板設(shè)定一個(gè)給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來(lái)的壓力信號(hào)（0-10V）接至變頻器的輔助輸入端作為壓力反饋，變頻器根據(jù)壓力給定和實(shí)測(cè)壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，控制管網(wǎng)壓力保持在給定壓力值上。 4.2 PLC硬件設(shè)計(jì) PLC選用日本三菱公司的FXos-14MR產(chǎn)品。加壓泵P1、P2可變頻工作，也可工頻工作，共四個(gè)工況，需PLC的四個(gè)輸出信號(hào)控制。變頻器的的與關(guān)斷由PLC的一個(gè)輸出信號(hào)控制，蓄水池水位過(guò)低及聲響報(bào)警分別占用PLC一個(gè)輸入點(diǎn)和一個(gè)輸出點(diǎn)，加壓泵P1、P2的過(guò)載信號(hào)進(jìn)PLC一個(gè)輸入點(diǎn)，有緊急情況和發(fā)生供電相序故障等，需要緊急停車(chē)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)急停按鈕，占用PLC一個(gè)輸入點(diǎn)，以控制整個(gè)系統(tǒng)全線停車(chē)。系統(tǒng)分自動(dòng)和手動(dòng)工作方式，由一個(gè)選擇開(kāi)關(guān)K控制，它連接PLC一個(gè)輸入點(diǎn)。 該控制系統(tǒng)中，安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器將0-0.4MPa范圍的壓力對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換成0-10V電信號(hào)，反饋給變頻器，作為壓力反饋。該傳感器可靠性好，還可設(shè)定水壓的上、下壓力值。它們分別設(shè)在給定壓力值上下兩側(cè)與給定壓力略有偏差處。當(dāng)管網(wǎng)壓力處于上、下限位置，傳感器分別輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)PLC兩個(gè)輸入點(diǎn)，與變頻器的極限輸出頻率檢測(cè)信號(hào)一起，通過(guò)PLC控制泵的變頻與工頻切換以及控制工頻工作泵的切除。 系統(tǒng)所需的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)量共為14個(gè)點(diǎn)，F(xiàn)Xos-14MR PLC共有8個(gè)輸入點(diǎn)，6個(gè)輸出點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求。FX系列PLC具有搞干擾能力強(qiáng)，可靠性高等特點(diǎn)，可長(zhǎng)期在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。 4.3 系統(tǒng)參數(shù)的確定 該供水系統(tǒng)的用水量變化較大，要求系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力及良好的穩(wěn)定性。因此在確定PID參數(shù)時(shí)要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)固性和靈敏度，P參數(shù)盡可能大，以保證系統(tǒng)有良好的穩(wěn)定性，在集中供水時(shí)保證系統(tǒng)壓力在設(shè)計(jì)要求的恒壓范圍內(nèi)；I、D參數(shù)的選取應(yīng)保證系統(tǒng)具有良好的靈敏度和搞干擾性。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出各參數(shù)的取值，P：60-80；I：10-15；D：1-3。 變頻到工頻的切換采用時(shí)間原則，即水泵電機(jī)變頻工作到額定的轉(zhuǎn)速后，撤銷(xiāo)變頻，自由減速一定時(shí)間，待轉(zhuǎn)速略有降低后立即投入工頻工作。時(shí)間的長(zhǎng)短要使工頻接入時(shí)其啟動(dòng)電流在額定電流的150%內(nèi)，而且保證電機(jī)與變頻器連接的接觸器安全斷開(kāi)。 5、 應(yīng)用效果 該系統(tǒng)于2001年7月正式投入運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)： ① 節(jié)能通過(guò)調(diào)整頻率來(lái)改變泵的轉(zhuǎn)速，使泵處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能約35%。 ② 延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命 由于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流為額定電流的5-7倍，沖擊轉(zhuǎn)矩很大。變頻啟動(dòng)是一種軟啟動(dòng)方式，可避免對(duì)電機(jī)的機(jī)械沖擊，且保護(hù)了管路系統(tǒng)。 ③ 有可靠的保護(hù)措施 高可靠性是PLC最突出的特點(diǎn)之一。由于變頻器自身設(shè)置過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護(hù)，消除了電機(jī)因過(guò)載或單相運(yùn)行而燒壞電機(jī)的現(xiàn)象，確保了安全生產(chǎn)。 ④ 減少設(shè)備的磨損 由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都降至額定的轉(zhuǎn)速以下，水泵電機(jī)工作電流下降，電機(jī)溫升明顯下降，使泵及管路的磨損程度大大減少。 ⑤ 提高了工作效率 系統(tǒng)能自動(dòng)控制泵的啟停，不需專(zhuān)人啟動(dòng)泵及調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度。因而工作效率大為提高，節(jié)約了人力資源成本。