典型的變頻恒壓供水自動(dòng)限制系統(tǒng)分析摘要隨著社會(huì)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，城市高層建筑和智能小區(qū)的供水問題日益突出。一方面要求提高供水質(zhì)量，不要因?yàn)閴毫Φ牟▌?dòng)造成供水障礙；另一方面要求保證供水的牢靠性和平安性。針對(duì)這兩方面的要求，出現(xiàn)了一種新的智能供水方式，這就是采納PLC和變頻器限制的恒壓供水系統(tǒng)。本文分析的是以供水變頻泵為限制對(duì)象，采納PLC和變頻器兩種高科技產(chǎn)品與繼電—接觸器傳統(tǒng)限制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)的一套自動(dòng)限制系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的水塔供水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造供應(yīng)了新的思路。關(guān)鍵詞：變頻恒壓供水；PLC；變頻器；自動(dòng)限制系統(tǒng)；分析傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在奢侈水力、電力資源；效率低；牢靠性差；自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)峻影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動(dòng)牢靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定牢靠的限制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特殊是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級(jí)加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機(jī)時(shí)能減小電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗。基于PLC和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代限制技術(shù)于一體。采納該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和牢靠性，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今日尤為重要，所以探討設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。典型的變頻恒壓供水自動(dòng)限制系統(tǒng)包含三臺(tái)水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。采納變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速，運(yùn)行切換采納“先啟先停”的原則。壓力傳感器檢測(cè)當(dāng)前水壓信號(hào)，送入PLC與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運(yùn)算，從而限制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而變更水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來變更供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值旁邊。本系統(tǒng)主要由變頻器、可編程限制器、壓力變送器和現(xiàn)場(chǎng)的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中有1個(gè)貯水池，3臺(tái)水泵，采納部分流量調(diào)整方法，即3臺(tái)水泵中只有1臺(tái)水泵在變頻器限制下作變速運(yùn)行，其余水泵做恒速工頻運(yùn)行。PLC依據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)限制各個(gè)水泵之間切換，并依據(jù)壓力檢測(cè)值和給定值之間偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出給變頻器限制其輸出頻率，調(diào)整流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。一、工藝分析及限制要求1.1工藝分析PLC限制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程限制器、壓力變送器和現(xiàn)場(chǎng)的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)，該系統(tǒng)的限制流程圖如圖1.1所示：圖1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)限制流程圖變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為限制目標(biāo)，在限制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓限制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2所示：圖1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實(shí)時(shí)地測(cè)量參考點(diǎn)的水壓，檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為4—20mA的電信號(hào)，此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號(hào)為模擬量，故必需通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，限制變頻器的輸出頻率，從而限制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而限制水泵的供水流量，最終運(yùn)用戶供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。1.2限制要求基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下：(1)由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計(jì)采納白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。(2)在用水量小的狀況下，假如一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避開某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長(zhǎng)。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間工作的狀況下。(3)考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。(4)三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能，對(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)限制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)運(yùn)用。(5)系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。二、變頻恒壓供水限制系統(tǒng)及硬件設(shè)計(jì)2.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采納環(huán)型拓?fù)湫褪?總體結(jié)構(gòu)采納三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式,分別為調(diào)度指揮限制中心以太網(wǎng)、1000M工業(yè)以太網(wǎng)及接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)由主干千兆光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、調(diào)度指揮限制中心骨干路由網(wǎng)關(guān)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)以及連接用光纖、光配等組成。主干網(wǎng)絡(luò)的布置以調(diào)度室和水廠的交換機(jī)為核心,其它子系統(tǒng)交換機(jī)為系統(tǒng)以后的改造、信號(hào)的上傳預(yù)留接口,全部交換機(jī)形成環(huán)網(wǎng),并通過光纖彼此相連,從而使得各個(gè)子系統(tǒng)的信號(hào)可以匯總傳送到調(diào)度室交換機(jī)上。交換機(jī)采納西門子SCALANCEX-400工業(yè)交換機(jī)。工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)采納西門子的最新工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)PROFINET網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高牢靠性、豐富的網(wǎng)絡(luò)管理功能、模塊化結(jié)構(gòu)和較少的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。2.2PLC硬件設(shè)計(jì)PLC是整個(gè)變頻恒壓供水限制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中全部輸入號(hào)的采集、全部輸出單元的限制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。因此我們?cè)谶x擇PLC時(shí)，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的實(shí)力和編程軟件的便利與否等多方面因素。由于恒壓供水自動(dòng)限制系統(tǒng)限制設(shè)備相對(duì)較少，因此PLC選用德國(guó)SIEMENS公司的S7-200型。PLC和上位機(jī)的通信采納PC/PPI電纜，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口(PPI)協(xié)議，PC/PPI電纜可以便利實(shí)現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機(jī)的通信接口RS232的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級(jí)口令愛護(hù)，可以對(duì)程序?qū)嵤┢桨矏圩o(hù)。依據(jù)限制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有肯定的預(yù)留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226，其開關(guān)量輸出為16點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入CPU226為24點(diǎn)，輸入形式為+24V直流輸入。由于實(shí)際中須要模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)，所以須要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個(gè)模擬輸入(AIW)，1個(gè)模擬輸出(AQW)信號(hào)通道。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。EM235模塊可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。2.3電氣原理圖典型的變頻恒壓供水自動(dòng)限制系統(tǒng)主電路圖如圖2.1所示：三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2、M3，它們分別帶動(dòng)水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別限制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別限制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行；FR1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載愛護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；FU為主電路的熔斷器。本系統(tǒng)采納三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即3臺(tái)水泵中只有1臺(tái)水泵在變頻器限制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行，在用水量小的狀況下，假如變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避開某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長(zhǎng)。因此在同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪番做變頻泵。圖2.1變頻恒壓供水自動(dòng)限制系統(tǒng)主電路圖2.4I/O地址安排依據(jù)以上限制要求統(tǒng)計(jì)限制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)如表2.1所示：表2.1輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào)名稱代碼地址編號(hào)輸入信號(hào)供水模式信號(hào)(1-白天，0-夜間)SA1I0.0水池水位上下限信號(hào)SLHLI0.1變頻器報(bào)警信號(hào)SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號(hào)1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號(hào)水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報(bào)警指示燈HL8Q1.2白天模式運(yùn)行指示燈HL9Q1.3報(bào)警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復(fù)位限制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號(hào)UfAQW0PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖2.2所示：圖2.2PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個(gè)輸入量，其中包括4個(gè)數(shù)字量和1個(gè)模擬量。壓力變送器將測(cè)得的管網(wǎng)壓力輸入PLC的擴(kuò)展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關(guān)SA1用來限制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入I0.0；液位變送器把測(cè)得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)，窗口比較其輸出高電平1，送入I0.1；變頻器的故障輸出端與PLC的I0.2相連，作為變頻器故障報(bào)警信號(hào)；開關(guān)SB7與I0.3相連作為試燈信號(hào)，用于手動(dòng)檢測(cè)各指示燈是否正常工作。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有11個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和1個(gè)模擬量輸出信號(hào)。Q0.0~Q0.5分別輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行信號(hào)；Q1.1輸出水位超限報(bào)警信號(hào)；Q1.2輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào)；Q1.3輸出白天模式運(yùn)行信號(hào)；Q1.4輸出報(bào)警電鈴信號(hào)；Q1.5輸出變頻器復(fù)位限制信號(hào)；AQW0輸出的模擬信號(hào)用于限制變頻器的輸出頻率。PLC程序參考文獻(xiàn)[1]李麗敏,葉洪海,張玲玉.PLC恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表.2008(01)[2]李巧紅.基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)探討[J].中國(guó)科技信息.2008(20)[3]李貴生.基于PLC的恒壓供水自動(dòng)限制系統(tǒng)