PLC的微機(jī)變頻給水設(shè)備中的節(jié)能控制系統(tǒng)
PLC的微機(jī)變頻給水設(shè)備中的節(jié)能控制系統(tǒng)
引言
隨著我國城鄉(xiāng)建設(shè)的迅速發(fā)展,水、電供應(yīng)不足的矛盾越來越成為人們關(guān)注的問題。例如,人們?nèi)粘Ｉ钪械挠盟吭絹碓酱?一天中的用水量的波動(dòng)也越來越大。以往的供水系統(tǒng)中,水泵的選取往往是按較大供水量來確定,而實(shí)際的用水量在不斷變化。高峰用水時(shí)間較短,這樣水泵在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)有較大余量,不僅水泵效率低,供水壓力不穩(wěn),而且造成大量電力、水資源的浪費(fèi);并且以往依靠手動(dòng)操作控制泵的啟動(dòng)、停止,也已不能滿足要求。這里,介紹一種變頻控制的恒壓供水系統(tǒng),它既能解決人工操作的繁雜勞動(dòng)和精神壓力,又能節(jié)約能源。
微機(jī)變頻給水設(shè)備系統(tǒng)介紹
該微機(jī)變頻給水設(shè)備控制系統(tǒng)主要裝置包括：可編程控制器（PLC）、變頻器、壓力傳感器、PID控制器以及相關(guān)軟件控制單元。該裝置形成一套完整的、全自動(dòng)的、智能的恒壓供水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠以三種方式工作，分別為全自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)操作方式，其中后兩種是在全自動(dòng)方式出現(xiàn)故障時(shí)的彌補(bǔ)。
2全自動(dòng)恒壓供水控制原理
當(dāng)主水管網(wǎng)壓力傳感器的壓力信號(hào)4~20mA送給數(shù)字PID控制器，控制器根據(jù)壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行PID運(yùn)算，并給出信號(hào)直接控制變頻器的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當(dāng)用水量不是很大時(shí)，一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)用水量大到變頻器全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時(shí)，控制器的壓力下限信號(hào)與變頻器的高速信號(hào)同時(shí)被PLC檢測(cè)到，PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的泵，投入到工頻運(yùn)行，以保持壓力的連續(xù)性，同時(shí)將一臺(tái)備用的泵用變頻器起動(dòng)后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量，保證壓力穩(wěn)定。若兩臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，而將另一臺(tái)備用泵投入變頻運(yùn)行。當(dāng)用水量減少時(shí)，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在較低速信號(hào)有效，這時(shí)壓力上限信號(hào)如仍出現(xiàn)，PLC首先將工頻運(yùn)行的泵停掉，以減少供水量。當(dāng)上述兩個(gè)信號(hào)仍存在時(shí)，PLC再停掉一臺(tái)工頻運(yùn)行的電機(jī)，直到末后一臺(tái)泵用主頻器恒壓供水[4]。另外，控制系統(tǒng)設(shè)兩臺(tái)泵為一組，每臺(tái)泵的電機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間可顯示，24小時(shí)輪換一次，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)的泵有相同的運(yùn)行時(shí)間，確保了泵的可靠壽命。
微機(jī)變頻給水設(shè)備恒壓供水控制系統(tǒng)的編程
本程序用富士專用的FLEX PLC編程器編譯[1]，利用梯形圖清晰直觀地展示各設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況等等。具體編程思想如下：
首先選擇利用FLEX PLC的輸入繼電器、輸出繼電器以及內(nèi)部繼電器，確定本設(shè)計(jì)方案所包括的儀器儀表。即一臺(tái)富士NB系列PLC、兩臺(tái)7.5KW水泵、一臺(tái)富士G11/P11變頻器、一臺(tái)壓力傳感器、一臺(tái)SR90系列PID調(diào)節(jié)器、若干個(gè)空氣開關(guān)、斷路器、中間繼電器等。根據(jù)PLC接線原理圖（如圖2所示），進(jìn)行詳細(xì)接線，并參考FUJI NB系列可編程控制器得參考手冊(cè)，對(duì)PLC輸入輸出端子進(jìn)行定義。
微機(jī)變頻給水設(shè)備系統(tǒng)操作說明
4.1自動(dòng)控制
1. 設(shè)定用戶需要的目標(biāo)壓力值
系統(tǒng)送電之后，控制柜面板上的電源指示燈點(diǎn)亮，其下方的溫控表將會(huì)有顯示：PV---.---、SV---.---。其中PV---.---表示水管網(wǎng)中的實(shí)測(cè)壓力值,SV---.---表示用戶需要的目標(biāo)壓力值.用戶可按動(dòng)▲、▼鍵使 SV---.--- 中的數(shù)字發(fā)生改變，直到顯示用戶需要的水管網(wǎng)的壓力值時(shí)按下ENT鍵，結(jié)束目標(biāo)壓力值設(shè)定。
2.選擇需要開啟的泵組
自動(dòng)/停/手動(dòng)開關(guān)向左45度扳動(dòng)一次時(shí)，泵組處于啟動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)將選擇1號(hào)泵組啟動(dòng)；控制柜面板上的自動(dòng)/停/手動(dòng)開關(guān)扳到垂直位置時(shí)，四臺(tái)泵組均處于停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)將自動(dòng)/停/手動(dòng)開關(guān)再次向左45度扳動(dòng)一次時(shí)，系統(tǒng)將選擇2號(hào)泵啟動(dòng)；
3.變頻自動(dòng)工作開始
當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某臺(tái)泵組的啟動(dòng)信號(hào)以后，便會(huì)使變頻器開始升頻工作，此時(shí)水管網(wǎng)中的壓力開始上升，即PV---.---中的顯示值開始上升，并不斷趨向于用戶設(shè)定的SV---.---中的目標(biāo)壓力值。當(dāng)水管網(wǎng)中的壓力和用戶的設(shè)定的目標(biāo)壓力值相吻合（即PV---.---中的顯示值和SV---.---中的顯示值相吻合）時(shí)，變頻器的輸出頻率便會(huì)穩(wěn)定[3]。
4.2自動(dòng)控制中的部分功能
1.自動(dòng)切換至工頻
2.故障泵組自動(dòng)退出運(yùn)行
3.定期倒換工作泵組
微機(jī)變頻給水設(shè)備恒壓供水控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
1.采用變頻恒壓供水，消除了主管網(wǎng)壓力波動(dòng)，保證了供水質(zhì)量，而且節(jié)能效果明顯，并延長(zhǎng)了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。
2.用穩(wěn)壓減壓閥經(jīng)濟(jì)地解決了不同用水壓力的問題。
3.拓寬運(yùn)用變頻恒壓控制原理，較好地解決了加壓泵房與抽水泵房的遠(yuǎn)程通訊總是并達(dá)到異地連鎖控制的目的。
4.在抽水泵房設(shè)置連續(xù)液位顯示，并將信號(hào)傳與PLC，防止泵缺水燒壞電機(jī)，設(shè)定的取水位置，確保水的質(zhì)量。
5.電機(jī)既有電機(jī)保護(hù)器，又有軟起動(dòng)器，克服了起動(dòng)時(shí)的大電流沖擊，相對(duì)延長(zhǎng)了電機(jī)制使用壽命。
6.由于采用PLC控制的壓力自動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)無人遠(yuǎn)程操作，系統(tǒng)的PLC預(yù)留有RS485接口，可與公司總調(diào)度室計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。
7.通過采用變頻器控制，可在不同季節(jié)、節(jié)假日、日夜及上下班等全面調(diào)控水量。
微機(jī)變頻給水設(shè)備概述
微機(jī)變頻給水設(shè)備是由防倒流裝置（根據(jù)需要設(shè)置），穩(wěn)流罐，防負(fù)壓裝置，水泵機(jī)組，限壓保護(hù)裝置，膨脹罐（根據(jù)需要設(shè)置），控制儀表，控制柜，閥門，管路系統(tǒng)，配套附件等組成，從供水管網(wǎng)直接吸水，通過壓力傳感器檢測(cè)出壓力，將檢測(cè)值和設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算出在市政自來水管網(wǎng)的原有壓力的基礎(chǔ)上需要增加的壓力值，確定水泵投入臺(tái)數(shù)和變頻器輸出頻率，調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速以符合用水曲線實(shí)現(xiàn)恒壓供水或變壓供水。微機(jī)變頻給水設(shè)備較大程度利用了市政管網(wǎng)自來水的原水壓力，對(duì)市政管網(wǎng)不產(chǎn)生負(fù)壓，用不銹鋼穩(wěn)流灌和管件，減少了用水的二次污染，是新一代供水領(lǐng)域的節(jié)能產(chǎn)品。
微機(jī)變頻給水設(shè)備功能特點(diǎn)
1、自動(dòng)消除負(fù)壓
微機(jī)變頻給水設(shè)備系統(tǒng)與市政自來水管網(wǎng)直接吸水疊壓供水而不造成市政管網(wǎng)出現(xiàn)負(fù)壓。采用高品質(zhì)的材料和附件設(shè)備，通過吸收、改良，自主研發(fā)了多功能、采用電子防負(fù)壓智能技術(shù)，能夠提供高水準(zhǔn)的精密控制的成套設(shè)備，綜合已經(jīng)達(dá)到較高水平。
2、疊壓節(jié)能
微機(jī)變頻給水設(shè)備在運(yùn)行時(shí)借助市政自來水的壓力，在原有管網(wǎng)壓力的基礎(chǔ)上疊加所需的壓力差，差多少，補(bǔ)多少，充分利用管網(wǎng)的余壓，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)或調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)一直高效率點(diǎn)運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)水壓力能滿足設(shè)計(jì)壓力時(shí)，水泵進(jìn)入休眠節(jié)能狀態(tài)。因此大大節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用，符合國家節(jié)能的要求。
3、壓力控制
微機(jī)變頻給水設(shè)備實(shí)時(shí)通過壓力傳感器檢測(cè)出口壓力，將檢測(cè)值和設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算出在市政自來水管網(wǎng)余的壓基礎(chǔ)上需要增加的壓力值，確定水泵投入臺(tái)數(shù)和變頻器輸出頻率，調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)疊壓恒壓供水或疊壓變壓供水的控制。
4、自動(dòng)化程度高
系統(tǒng)具有手動(dòng)啟動(dòng)停止、自動(dòng)啟動(dòng)停止方式、預(yù)留遠(yuǎn)距離操作接口、備用泵自動(dòng)切換、壓力控制（恒壓/變壓）、高低電壓保護(hù)、欠相保護(hù)、漏電保護(hù)、過載保護(hù)、過熱保護(hù)、跳閘保護(hù)等功能，系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行無須專人值守，人機(jī)界面，可遠(yuǎn)程調(diào)整、監(jiān)測(cè)和維護(hù)。
5、衛(wèi)生
系統(tǒng)全密封運(yùn)行，異物不能進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，不與空氣直接接觸。如防負(fù)壓裝置啟動(dòng)時(shí)，膜濾裝置將空氣中的細(xì)菌擋住，不進(jìn)入系統(tǒng)，防止用水二次污染。穩(wěn)流罐和主要過流部件均采用304不銹鋼制造，確保用水衛(wèi)生，滿足人們對(duì)飲用水越來越高的要求，也符合涉水衛(wèi)生規(guī)范。
6、停電不停水
系統(tǒng)直接和市政自來水管網(wǎng)相連，在停電時(shí)加壓泵雖停止工作，但自來水管網(wǎng)壓力依舊可維持低區(qū)用戶供水，即使在停水時(shí)，用戶也可以靠穩(wěn)流灌存水維持短時(shí)間供水。
7、斷水或缺水保護(hù)
系統(tǒng)在進(jìn)水?dāng)嗨蛉彼畷r(shí)，設(shè)備停止運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備恢復(fù)進(jìn)水且達(dá)到設(shè)定條件時(shí)，設(shè)備自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。
8、節(jié)省投資、節(jié)省運(yùn)行和維護(hù)成本
系統(tǒng)沒設(shè)蓄水池等儲(chǔ)水設(shè)施，節(jié)省占地面積，降低建筑負(fù)荷，從而節(jié)省了大筆土建投資費(fèi)用。
系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行無須專人值守，也沒有水質(zhì)處理儀器，免去定期清洗、消毒等工作；減少了系統(tǒng)滴、漏、益流的損失。故節(jié)能效果十分顯著。
9、安裝簡(jiǎn)單快捷
設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)只需將設(shè)備大件組裝起來，連接進(jìn)、出水管法蘭即可，施工周期短，安裝簡(jiǎn)單。
10、備用泵
系統(tǒng)配備一臺(tái)備用泵，備用泵的供水能力不小于較大一臺(tái)工作泵的供水能力，確保在水泵更換易損件或更換水泵時(shí)不影響設(shè)備供水能力。
微機(jī)變頻給水設(shè)備結(jié)構(gòu)及組成
微機(jī)變頻給水設(shè)備是由防倒流裝置（根據(jù)需要設(shè)置），穩(wěn)流罐，水泵機(jī)組，限壓保護(hù)裝置，膨脹罐（可選），控制儀表，控制柜，閥門，管路系統(tǒng)，配套附件等組成。
控制柜
獨(dú)立研發(fā)的多功能智能疊壓供水設(shè)備專用控制柜，設(shè)備采用日本深川公司 新技術(shù)專業(yè)供水變頻器或同等檔次知名品牌變頻器，知名品牌的電器元件和控制模塊，保證控制柜穩(wěn)定可靠，控制方式靈活，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境的電磁污染小。
平滑控制技術(shù)
控制系統(tǒng)擁有壓力平滑控制技術(shù)。如果沒有平滑控制技術(shù)，設(shè)備往往會(huì)出現(xiàn)過高的情況。在加減泵或出現(xiàn)水量變化較大的情況下，壓力波動(dòng)比較大。采用平滑控制技術(shù)后，系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際反饋壓力自動(dòng)控制加減速速度，使系統(tǒng)的壓力更加穩(wěn)定。
壓力自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)
根據(jù)系統(tǒng)阻力特性，當(dāng)流量越大時(shí)，系統(tǒng)的阻力越大。為了滿足系統(tǒng)在較大用水量時(shí)有足夠的揚(yáng)程來克服系統(tǒng)阻力，一般廠家在設(shè)定系統(tǒng)壓力時(shí)只能按較大流量所需的壓力來設(shè)置，當(dāng)小流量用水時(shí)壓力過剩造成能量浪費(fèi)。公司研制的控制系統(tǒng)擁有壓力平滑控制技術(shù)，可以根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)定壓力，在小流量用水時(shí)運(yùn)行在低壓力值，隨著用水量的增大，系統(tǒng)按照水力特性，逐漸增大系統(tǒng)的使用壓力。從而較大限度地節(jié)省了電能。
合理性的水泵選型
一些設(shè)備生產(chǎn)廠家往往由于技術(shù)力量不足，對(duì)水泵的特性不了解。由于水泵的工作點(diǎn)決定了系統(tǒng)的節(jié)能率以及設(shè)備的使用壽命，公司的技術(shù)人員擁有豐富的水泵與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，不僅僅考慮了水泵的單機(jī)性能，還充分考慮了水泵的并聯(lián)性能，使系統(tǒng)更合理。
不銹鋼穩(wěn)流罐
穩(wěn)流罐為304 不銹鋼材料制成，表面拋光或亞光外理。配備防負(fù)壓裝置和液位裝置，在管網(wǎng)壓力波動(dòng)時(shí)穩(wěn)流罐內(nèi)的水能作為補(bǔ)充起到穩(wěn)流作用。
水泵機(jī)組
水泵采用丹麥格蘭富多級(jí)立式離心泵或國內(nèi)知名企業(yè)水泵，止回閥、球閥或蝶閥，儀表、進(jìn)出水管、管件這些材質(zhì)采用304不銹鋼或還保材料，這些和機(jī)組底座一起構(gòu)成水泵機(jī)組。
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