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PLC在變頻調速生活給水設備系統的應用

1 引言

      交流變頻調速技術在國內外得到了廣泛的應用，它具有體積小、重量輕、安裝操作簡單、數據可靠、性能穩定和節電效果明顯等特點,是一項較為成熟的高科技成果。近年來，在國內各行各業也相繼引進交流變頻調速的各類產品，以滿足生產現場的需求。在城市高樓發展的今天，以前的給水設備已經遠遠不能滿足現代人民生活的需要，給水廠的自動化改造迫在眉睫。如何保證在供水量波動的時候水壓恒定，采取變頻恒壓控制是現代供水控制系統的主要方式。它利用plc、傳感器、變頻器及水泵機組組成閉環控制系統，使管網壓力保持恒定，代替了傳統的水塔供水控制方案，具有自動化程度高，高效節能的優點，在小區供水和工廠供水控制中得到廣泛應用，并取得了明顯的經濟效益。

2 變頻調速生活給水設備組成

      變頻調速生活給水設備系統以3臺15kw的水泵p1、p2、p3變頻恒壓運行為例，以變頻器、可編程序控制器作為系統控制的核心部件，以設定壓力為控制目標，以pid為控制算法，和變頻器組成恒壓閉環控制系統，如圖1所示。系統時刻跟蹤管網壓力與壓力設定值的偏差變化情況，經變頻器內部進行pid運算，由plc控制變頻與工頻切換，自動控制水泵電機投入臺數和電機轉速，實現閉環自動調整恒壓供水。

2.1 變頻調速生活給水設備硬件設計

      變頻調速生活給水設備plc選用日本三菱公司的fxos-20mr產品，水泵p1、p2、p3可變頻運行，也可工頻運行，需plc的四個輸出信號控制，變頻器的運行與關斷由plc的一個輸出信號控制，變頻器極限頻率的檢測信號占用plc一個輸人點，設定水壓的上、下限壓力值，上、下限壓力值分別設在給定壓力值上下兩側與給定壓力略有偏差處，當管網壓力處于上、下限位置，傳感器分別輸出開關信號進入plc兩個輸人點，與變頻器的極限輸出頻率檢測信號一起，通過plc控制泵的變頻與工頻切換以及工頻運行泵的切除。系統所需的輸入/輸出點數量共為16個點，可編程控制器fxos-20mr能夠滿足系統的控制要求，fx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，可靠性高等特點，可長期在惡劣的工業環境下工作。該系統的i/o分布如附表所示。

      變頻器選用日本安川變頻器cimr-p5a45p5產品。通過變頻器面板設定一個給定頻率作為壓力給定值（14端），壓力傳感器反饋來的壓力信號（0～10v）接至變頻器端子的7端、8端，作為壓力反饋，變頻器根據壓力給定和實測壓力，調節輸出頻率，改變水泵轉速。變頻器端子的19端和20端是傳感器壓力設定的上、下限值，該信號進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行。變頻控制系統主回路如圖2所示。變頻器有2個作用，一是作為電機的軟起動裝置，限制電動機的啟動電流；二是改變異步電動機的轉速，實現恒壓供水。

      交流接觸器組km2 km3分別控制泵1的變頻運行和工頻運行；km4和 km5分別控制泵2變頻運行和工頻運行；km6和km7分別控制泵3的變頻運行和工頻運行。

2.3 壓力傳感器

      變頻調速生活給水設備輸出壓力一般小于或等于0.6mpa，故系統選用ytz一150型帶電接點式的壓力傳感器，其水壓檢測范圍為0～1mpa，檢測精度為±0.01mpa，該傳感器將0～1mpa范圍的壓力對應轉換成0～10v的電信號。

3 控制原理

      合上空氣開關，供水系統投入運行。將手動、自動開關打到自動上，km1合上，系統進入全自動運行狀態，plc中程序首先接通km2，并起動變頻器。根據壓力設定值（根據管網壓力要求設定）與壓力實際值（來自于壓力傳感器）的偏差進行pid調節，并輸出頻率給定信號（irf）給變頻器。變頻器根據頻率給定信號及預先設定好的加速時間控制水泵的轉速以保證水壓保持在壓力設定值的上、下限范圍之內，實現恒壓控制。同時變頻器在運行頻率到達上限（設定為工頻50hz），會將頻率到達信號送給plc，plc則根據管網壓力的上、下限信號和變頻器的運行頻率是否到達上限的信號，由程序判斷是否要起動第2臺泵（或第3臺泵）。

      當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時間（程序設定為15s），則plc會將當前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速（時間設定為5s）起動下1臺泵變頻運行。此時pid會繼續通過由遠傳壓力表送來的檢測信號進行分析、計算、判斷，進一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設定值的上、下限偏差范圍之內。3臺泵切換及變頻控制程序框圖如圖3所示。

      增泵工作過程：假定增泵順序為l、2、3泵。開始時，1泵電機在plc控制下先投入調速運行，其運行速度由變頻器調節。當供水壓力小于壓力預置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉速上升，反之下降。當變頻器的輸出頻率達到上限（50hz），并穩定運行15s后，如果供水壓力仍沒達到預置值，則需進入增泵過程。在plc的邏輯控制下將1泵電機與變頻器連接的電磁開關斷開，延時1s后，1泵電機切換到工頻運行，同時變頻器與2泵電機連接，控制2泵投入調速運行。如果還沒到達設定值，則繼續按照以上步驟將2泵切換到工頻運行，控制3泵投入變頻運行。

      減泵工作過程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當供水壓力大于預置值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限（30hz），并穩定運行一段時間（30s）后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于預置值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調速運行，并繼續減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當最后一臺正在運行的主泵處于低速運行時，如果供水壓力仍大于設定值，則停機并啟動輔泵投入調速運行，從而達到節能效果。

4 結束語

      該變頻調速生活給水設備系統邏輯控制采用plc控制變頻器實現調速恒壓供水，使用方便，工作可靠，系統壓力恒定，具有較好的控制效果。該變頻調速生活給水設備系統采用變頻器調節水泵轉速，使系統實現了高效節能，節能效率可達40％左右，同時由于采用變頻器對電機實行軟起動，減少了設備損耗，延長了水泵、電機設備的使用壽命。變頻調速生活給水設備系統采用閉環控制，參數超調波動范圍小，偏差能及時進行控制。變頻器的加速和減速可根據工藝要求自動調節，控制精度高，能保證生產工藝穩定，而且由于變頻調速器具有十分靈敏的故障檢測、診斷、數字顯示功能，提高了水泵運行的可靠性。綜上所述，采用plc和變頻器為核心部件構成的變頻調速生活給水設備系統，具有很強的實用性，為供水領域的技術革新，開辟了切實有效的途徑。