《PLC在變頻恒壓供水裝置中的應(yīng)用》

【專(zhuān)家解說(shuō)】：作 者 :廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院 莫慧芳 摘 要 :本文介紹了采用PLC控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，由PLC進(jìn)行邏輯控制，由變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。變頻器、可編程控制器作為系統(tǒng)控制的核心部件，經(jīng)變頻器內(nèi)部PID運(yùn)算，通過(guò)PLC控制變頻與工頻切換，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓變量供水。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠等特點(diǎn)。 英文摘 要 :In this paper, the control principle of VVVF providing-water system is introduced, we use PLC to carry on logic control and use inverter to modulate pressure. Through PID control principle in inverter, we realize Closed-loop control in VVVF Providing-water System. The result indicates that the system has the stable pressure, simple structure, and reliable work. 關(guān)鍵詞: PLC 變頻器 供水系統(tǒng) 1 引言 交流變頻調(diào)速技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，它具有體積小、重量輕、安裝操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)可靠、性能穩(wěn)定和節(jié)電效果明顯等特點(diǎn),是一項(xiàng)較為成熟的高科技成果。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)也相繼引進(jìn)交流變頻調(diào)速的各類(lèi)產(chǎn)品，以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需求。在城市高樓發(fā)展的今天，以前的給水設(shè)備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代人民生活的需要，給水廠的自動(dòng)化改造迫在眉睫。如何保證在供水量波動(dòng)的時(shí)候水壓恒定，采取變頻恒壓控制是現(xiàn)代供水控制系統(tǒng)的主要方式。它利用PLC、傳感器、變頻器及水泵機(jī)組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使管網(wǎng)壓力保持恒定，代替了傳統(tǒng)的水塔供水控制方案，具有自動(dòng)化程度高，高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，在小區(qū)供水和工廠供水控制中得到廣泛應(yīng)用，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 2 恒壓供水系統(tǒng)組成 系統(tǒng)以3臺(tái)15kW的水泵P1、P2、P3變頻恒壓運(yùn)行為例，以變頻器、可編程序控制器作為系統(tǒng)控制的核心部件，以設(shè)定壓力為控制目標(biāo)，以PID為控制算法，和變頻器組成恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)時(shí)刻跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)定值的偏差變化情況，經(jīng)變頻器內(nèi)部進(jìn)行PID運(yùn)算，由PLC控制變頻與工頻切換，自動(dòng)控制水泵電機(jī)投入臺(tái)數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)整恒壓供水。 圖1 恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng) 2.1 PLC硬件設(shè)計(jì) PLC選用日本三菱公司的FxOS-20MR產(chǎn)品，水泵P1、P2、P3可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需PLC的四個(gè)輸出信號(hào)控制，變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷由PLC的一個(gè)輸出信號(hào)控制，變頻器極限頻率的檢測(cè)信號(hào)占用PLC一個(gè)輸人點(diǎn)，設(shè)定水壓的上、下限壓力值，上、下限壓力值分別設(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)入PLC兩個(gè)輸人點(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工頻運(yùn)行泵的切除。系統(tǒng)所需的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)量共為16個(gè)點(diǎn)，可編程控制器Fxos-20MR能夠滿足系統(tǒng)的控制要求，F(xiàn)X系列PLC的工作電源可以用交流220V電源，也可用直流24V電源，它具有抗干擾能力強(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。該系統(tǒng)的I/O分布如附表所示。 2.2 變頻器硬件設(shè)計(jì) 變頻器選用日本安川變頻器CIMR-P5A45P5產(chǎn)品。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(14端)，壓力傳感器反饋來(lái)的壓力信號(hào)(0~10V)接至變頻器端子的7端、8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。變頻器端子的19端和20端是傳感器壓力設(shè)定的上、下限值，該信號(hào)進(jìn)PLC，作為工頻切換的控制信息，由PLC控制水泵的工頻或變頻運(yùn)行。變頻控制系統(tǒng)主回路如圖2所示。變頻器有2個(gè)作用，一是作為電機(jī)的軟起動(dòng)裝置，限制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流;二是改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。 圖2 變頻控制主回路原理圖 圖2中交流接觸器組KM2 KM3分別控制泵1的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行;KM4和 KM5分別控制泵2變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行;KM6和KM7分別控制泵3的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行。 2.3 壓力傳感器 本供水系統(tǒng)輸出壓力一般小于或等于0.6Mpa，故系統(tǒng)選用YTZ一150型帶電接點(diǎn)式的壓力傳感器，其水壓檢測(cè)范圍為0~1MPa，檢測(cè)精度為±0.01MPa，該傳感器將0~1MPa范圍的壓力對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換成0~10V的電信號(hào)。 3 控制原理 合上空氣開(kāi)關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。將手動(dòng)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)上，KM1合上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，PLC中程序首先接通KM2，并起動(dòng)變頻器。根據(jù)壓力設(shè)定值(根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定)與壓力實(shí)際值(來(lái)自于壓力傳感器)的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號(hào)(IRF)給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號(hào)及預(yù)先設(shè)定好的加速時(shí)間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。同時(shí)變頻器在運(yùn)行頻率到達(dá)上限(設(shè)定為工頻50Hz)，會(huì)將頻率到達(dá)信號(hào)送給PLC，PLC則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號(hào)和變頻器的運(yùn)行頻率是否到達(dá)上限的信號(hào)，由程序判斷是否要起動(dòng)第2臺(tái)泵(或第3臺(tái)泵)。 當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時(shí)間(程序設(shè)定為15s)，則PLC會(huì)將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速(時(shí)間設(shè)定為5s)起動(dòng)下1臺(tái)泵變頻運(yùn)行。此時(shí)PID會(huì)繼續(xù)通過(guò)由遠(yuǎn)傳壓力表送來(lái)的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運(yùn)行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。3臺(tái)泵切換及變頻控制程序框圖如圖3所示。 圖3 系統(tǒng)控制程序框圖 增泵工作過(guò)程:假定增泵順序?yàn)閘、2、3泵。開(kāi)始時(shí)，1泵電機(jī)在PLC控制下先投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置值時(shí)變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限(50Hz)，并穩(wěn)定運(yùn)行15s后，如果供水壓力仍沒(méi)達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過(guò)程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，延時(shí)1s后，1泵電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器與2泵電機(jī)連接，控制2泵投入調(diào)速運(yùn)行。如果還沒(méi)到達(dá)設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運(yùn)行，控制3泵投入變頻運(yùn)行。 減泵工作過(guò)程:假定減泵順序依次為3、2、1泵。當(dāng)供水壓力大于預(yù)置值時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限(30Hz)，并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間(30s)后，把變頻器控制的水泵停機(jī)，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺(tái)水泵由工頻運(yùn)行切換到變頻器調(diào)速運(yùn)行，并繼續(xù)減泵工作過(guò)程。如果在晚間用水不多時(shí)，當(dāng)最后一臺(tái)正在運(yùn)行的主泵處于低速運(yùn)行時(shí)，如果供水壓力仍大于設(shè)定值，則停機(jī)并啟動(dòng)輔泵投入調(diào)速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能效果。 4 結(jié)束語(yǔ) 該系統(tǒng)邏輯控制采用PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速恒壓供水，使用方便，工作可靠，系統(tǒng)壓力恒定，具有較好的控制效果。該系統(tǒng)采用變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能，節(jié)能效率可達(dá)40%左右，同時(shí)由于采用變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)行軟起動(dòng)，減少了設(shè)備損耗，延長(zhǎng)了水泵、電機(jī)設(shè)備的使用壽命。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，參數(shù)超調(diào)波動(dòng)范圍小，偏差能及時(shí)進(jìn)行控制。變頻器的加速和減速可根據(jù)工藝要求自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制精度高，能保證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，而且由于變頻調(diào)速器具有十分靈敏的故障檢測(cè)、診斷、數(shù)字顯示功能，提高了水泵運(yùn)行的可靠性。綜上所述，采用PLC和變頻器為核心部件構(gòu)成的變頻恒壓供水系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，為供水領(lǐng)域的技術(shù)革新，開(kāi)辟了切實(shí)有效的途徑。