PLC用于供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及原理介紹

該系統(tǒng)采用PLC作為控制中心，完成PID閉環(huán)運(yùn)算、多泵上下行切換、顯示、故障診斷等功能，由變頻器調(diào)速方式自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供水的目的。

一、前言

隨著控制技術(shù)的發(fā)展與完善，變頻器及PLC在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用愈來愈廣，PLC與變頻器的可靠性與靈活性得到了用戶的認(rèn)可。同時(shí)傳統(tǒng)的水塔供水方式暴露了很多缺點(diǎn)：水的二次污染，用水高低峰的不平衡，管道閥門易損壞，維修保養(yǎng)費(fèi)用過高等等。在此條件下各種恒壓供水方式應(yīng)運(yùn)而生，其中由變頻器、PLC控制的方式尤為普遍，這種方式的特點(diǎn)：系統(tǒng)穩(wěn)定，功能強(qiáng)大，變頻器用于供水更加節(jié)能，所以廣泛應(yīng)用在多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng)中，現(xiàn)在好多場(chǎng)合也有應(yīng)用，比如中央空調(diào)系統(tǒng)、供水加壓站、集中供熱等，這種方式經(jīng)受了時(shí)間的考驗(yàn)，已有很多的應(yīng)用實(shí)例。本文介紹的系統(tǒng)在寶雞某電廠家屬區(qū)已從98年運(yùn)行至今，系統(tǒng)穩(wěn)定，性能可靠，得到了用戶的肯定和好評(píng)。

二、系統(tǒng)組成：

1、原理框圖：參見圖一所示。

圖一、恒壓供水原理框圖

2、系統(tǒng)概述：

該系統(tǒng)由四臺(tái)大泵（22KW）與一臺(tái)小泵（5.5KW）組成;PLC部分由西門子可編程控制器S7-200系列的CPU226，文本顯示器TD200組成;變頻器采用三菱FR-A540系列，功率22KW。

用戶所需的生活用水壓力、消防用水壓力、運(yùn)行方式等參數(shù)在TD200文本顯示器上設(shè)定，壓力傳感器把用戶管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)換為0-10V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送進(jìn)PLC模擬量模塊EM235，PLC通過采樣程序及PID閉環(huán)程序與用戶設(shè)定壓力構(gòu)成閉環(huán)，運(yùn)算后轉(zhuǎn)換為PLC模擬量輸出信號(hào)送給變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供水的目的。

該系統(tǒng)有各個(gè)泵的運(yùn)行時(shí)間累計(jì)功能，通過PLC的數(shù)據(jù)區(qū)保持可以斷電記憶。每次起動(dòng)時(shí)先起動(dòng)1#小泵，當(dāng)用水量超過一臺(tái)泵的供水能力時(shí)，PLC通過程序?qū)崿F(xiàn)泵的延時(shí)上行切換，切換原則為當(dāng)前未運(yùn)行的大泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最少的先投入;當(dāng)壓力超過時(shí)，PLC通過程序?qū)崿F(xiàn)泵的延時(shí)下行切換，切換原則為當(dāng)前正在運(yùn)行的大泵運(yùn)行時(shí)間最多的先撤出。直到滿足設(shè)定壓力為止。追求的最終目標(biāo)為壓力恒定。

當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，變頻器的輸出電壓與頻率變化自動(dòng)調(diào)節(jié)泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

系統(tǒng)還可通過PLC的實(shí)時(shí)時(shí)鐘自動(dòng)定時(shí)供水，用戶在TD200上設(shè)定每天最多6段（段數(shù)也可設(shè)定）定時(shí)供水，比如早上6：00到8：30，中午11：20到1：30等。

系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)顯示各種參數(shù)，如設(shè)定壓力，運(yùn)行壓力，水位高度，運(yùn)行方式，實(shí)時(shí)時(shí)間，日歷，各個(gè)泵的運(yùn)行時(shí)間累計(jì)（精確到秒），運(yùn)行狀態(tài)，故障信息等等。為了不使系統(tǒng)中TD200畫面顯得死板，在PLC程序中控制TD200中的畫面定時(shí)切換，動(dòng)態(tài)顯示;

系統(tǒng)還有故障自診斷功能，各泵發(fā)生過載、缺相、短路、傳感器斷線、傳感器短路、水位下限、水壓超高、水壓超低、變頻器故障等，都會(huì)有聲光報(bào)警，TD200上同時(shí)顯示故障類型，通知設(shè)備維修人員處理，并可記憶故障發(fā)生時(shí)間及班次，以便追查原因及相關(guān)責(zé)任。

3、工作原理：

3.1 自動(dòng)手動(dòng)方式

（1）手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可按下按鈕起動(dòng)停止水泵在工頻狀態(tài)下運(yùn)行，完全脫離開PLC及變頻器的控制，該功能主要用在檢修及自動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的應(yīng)急供水方式中。

（2）自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，全部泵的運(yùn)行依程序自動(dòng)工作。

上行過程：當(dāng)在自動(dòng)運(yùn)行方式時(shí)，按下TD200上的起動(dòng)軟健，系統(tǒng)先起動(dòng)1#小泵，PLC程序控制模擬量模塊EM235給定變頻器一固定頻率輸出，此時(shí)若用 PID運(yùn)算輸出直接控制變頻器則（設(shè)定壓力大，運(yùn)行壓力為零，所以運(yùn)算輸出最大）變頻器依設(shè)定的上升時(shí)間運(yùn)行，升速太快，系統(tǒng)沖擊很大。等泵運(yùn)行一會(huì)兒，管網(wǎng)壓力積累后，再用PID運(yùn)算輸出控制變頻器。具體時(shí)間和頻率與管網(wǎng)系統(tǒng)有關(guān)，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)這兩個(gè)參數(shù)在TD200上設(shè)定調(diào)整。管網(wǎng)越大，時(shí)間越長(zhǎng)。

當(dāng)1#小泵到達(dá)50HZ后，系統(tǒng)壓力仍偏低，則延時(shí)一段時(shí)間后，系統(tǒng)靠PLC程序把1#泵切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)由PLC輸出一個(gè)開關(guān)量給變頻器的MRS端子，變頻器瞬間禁止輸出，此時(shí)PLC把運(yùn)行時(shí)間最少的泵變頻接觸器接通后，撤掉禁止輸出，相應(yīng)的泵變頻起動(dòng)運(yùn)行;延時(shí)切斷1#小泵，系統(tǒng)中相應(yīng)的一臺(tái)大泵變頻運(yùn)行，壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，若系統(tǒng)壓力平衡，則頻率穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)的范圍，若頻率到達(dá)50HZ后壓力仍然偏低，則再投入一臺(tái)大泵，比較剩下的泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，時(shí)間少的先行投入，以此類推。注意，上行中，只要有一臺(tái)大泵運(yùn)行，則1#小泵要斷開，大泵與小泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，小泵的效率很低。

下行過程：當(dāng)系統(tǒng)壓力偏高，變頻器運(yùn)行在18HZ左右（18HZ以下泵的效率很低，經(jīng)驗(yàn)值）時(shí)，PLC程序判斷運(yùn)行在工頻狀態(tài)的泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間（若只有一臺(tái)泵不作判斷），運(yùn)行時(shí)間最多的泵延時(shí)先行撤出，在撤出的瞬間，PLC控制變頻器運(yùn)行頻率在50HZ，要不系統(tǒng)沖擊過大，容易有水垂現(xiàn)象，延時(shí)一會(huì)兒后，再把 PID運(yùn)算輸出投入即可;以此類推。注意：下行過程中，到最后一臺(tái)大泵運(yùn)行時(shí)，頻率在18HZ左右，系統(tǒng)壓力仍然偏高時(shí)，則把1#小泵切換到變頻運(yùn)行。這種情況在夜間可能發(fā)生，當(dāng)供水管網(wǎng)很大時(shí)，也許沒有這個(gè)可能性。

三、注意事項(xiàng)：

1、該系統(tǒng)中有泵的工頻變頻上行切換，為了系統(tǒng)的快速響應(yīng)，切換時(shí)間最好越短越好，切換時(shí)時(shí)間差很小，所以各個(gè)泵的變頻接觸器與工頻接觸器最好用可逆接觸器，電氣線路與PLC程序中也要有互鎖功能。以免發(fā)生意外短路事故。對(duì)系統(tǒng)或變頻器造成危害。

2、變頻器上行下行切換時(shí)間設(shè)定，如果設(shè)定值過大，則系統(tǒng)不能迅速對(duì)管網(wǎng)的用水量做出反應(yīng);如果設(shè)定值過小，則可能引起系統(tǒng)頻繁的投入泵，撤出泵的動(dòng)作;為此，PLC程序中增加判斷設(shè)定壓力與運(yùn)行壓力在臨界切換狀態(tài)時(shí)，只要不超過允許的誤差范圍內(nèi)，不做泵的切換。

3、變頻器在上行切換時(shí)，必須要有瞬間禁止輸出功能，變頻器沒有此功能可用自由停車功能;所以選擇變頻器時(shí)要注意這點(diǎn)。