PLC变频调速恒压供水技术在某自来水厂中的应用.pdf

3 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 3年第 5期 P L C 变频 调速恒 压供水 技 术 在某 自来水厂 中的应 用 莫慧芳 ， 饶明辉 ， 陈瑞 广州科技 贸易职业学院 机电系， 广州 5 1 1 4 4 2 摘要 介绍 了采用 P L C控制的变频调速恒压供 水技术在 自来水厂二级泵站 系统 中的应用 ， 采 用 P L C和变频器进行压力调节 ， 经变频器内部 P I D运算 ， 自动控制水泵投入的 台数和 电机转速 ， 实 现恒压变量供水。运行结果表明， 该系统具有结构简单、 工作可靠、 节约电能等特点。 关键词 P L C； 变频调速 ； 恒压供水 系统； 二级泵站 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 3 0 5 0 0 3 60 3 App l i c a t i o n o f c o n s t a nt pr e s s ur e wa t e r s up pl y i ng t e c h no l o g y u s i ng PLC a nd VVVF i n wa t e r p l a nt MO Hu i f a ng，RAO Mi ng h u i ，CHEN Rui G u a n g z h o u V o c a t i o n a l C o l l e g e o fT e c h n o l o g yB u s i n e s s ， G u a n g z h o u 5 1 1 4 4 2 ，C h i n a Abs t r a c tI n t h i s t e x t ，a c o n s t a n t p r e s s u r e wa t e r s u p p l y i n g s y s t e m u s i n g PLC a n d VVVF wa s i n t r o d u c e d，a n d a n e x a mp l e o f u s i n g P LC a n d VVVF t o t r a n s f o r m f r e q u e nc y i s g i v e n i n wa t e r p l a n t t wo l e v e l p u mpi n g s t a t i o n．By u s i n g PI D c o n t r o l a r i t hme t i c i n i n v e r t e r ，i t c o u l d a u t o ma t i c a l l y c o n t r o l n u mb e r o f wa t e r pu mp a n d s p e e d o f AC mo t o r ，a u t o ma t i c a l l y r e a l i z i n g wa t e r u nd e r c o ns t a n t p r e s s u r e ． Th e r e s u l t s i nd i c a t e d i t h a s l o t s o f a d v a n t a g e s o f s i mp l y s t r uc t u r e，c r e d i b l e o p e r a t i o n a n d s a v i n g e n e r g y． Ke y wo r d s PL C；VVVF；wa t e r s u p p l y s y s t e m ；t wo l e v e l p u mpi ng s t a t i o n 0 引言 近年来 ， 自来水厂的给水设备 已经远远不能满足 现代人民生活的需要 ， 在大部分新建、 改造 的 自动化 水厂的水泵房 ， 多配备了变频器。如何保证在供水量 波动的时候水压恒定 ， 采取变频恒压控制是现代供水 控制系统的主要方式J 。它利用 P L C 、 传感器 、 变频 器及水泵机组组成闭环控制系统 ， 使管网压力保持恒 定， 代替了传统的水塔供水控制方案， 具有自动化程 度高， 高效节能 的优 点 。该文 以某水厂二级泵站 系统设计为例 ， 给出了 P L C 、 变频器控制多台水泵 自 动切换运行控制方法 ， 以达到恒压供水的目的。 1 系统硬件设计 某 自 来水厂给水二级泵站， 从清水池抽水至水 塔及用户家中， 清水池中安装 3台水泵机组， 其中 1 泵电机容量为 2 2 0 k W， 2 泵 、 3 泵电机容量均为 1 3 5 k W， 以变频器 、 P L C作为系统控制 的核心部件 ， 收稿 日期 2 0 1 3 0 7一 O 6 作者简介 莫慧芳 1 9 8 0 ， 广东肇庆人 ， 自动化讲师， 教研室主 任 ， 研究 方向为智能控 制。 以设定压力和反馈压力为控制 目标 ， 以 P I D为控制 算法 ， 和变频器 组成恒压 闭环控制 系统 ， 如图 1 所示。二级泵站的反馈信号取 自出水管处压力表 ， 系统时刻跟踪管网压力与压力设定值的偏差变化情 况 ， 经变频器 内部进行 P I D运算 ， 由 P L C控制 变频 与工频切换 ， 自动控制水泵电机投入 台数和 电机转 速 ， 实现闭环 自动调整恒压供水 。 送水 图 1 恒压供水 闭环控制 系统框 图 1 ． 1 P L C硬件设计 P L C选用 日本三菱公司的 F X 2 2 4 M R产品， l 泵 、 2 泵 、 3 泵可变频工作 ， 也可工频工作 ， 需 P L C 的 6个输出信号控制 ， 变频器的运行与关断 由 P L C 的一个输出信号控制， 变频器极限频率的检测信号 占用 P L C一个输 入点 ， 当管 网压 力处于上 、 下 限位 置， 传感器分别输出开关信号进 P L C两个输人点， 与变频器的极限输出频率检测信号一起， 通过 P L C 控制泵的变频与工频切换 以及工频工作泵 的切除。 2 0 1 3年第 5期 工业仪表与自动化装置 3 7 系统所 需的输A／ 输 出点数量共 为 1 8个 ， 选用此可 编程控制器是因为它具有抗干扰能力强 、 可靠性高 等特点 ， 可长期在恶劣 的工业环境下工作 。该 系 统 的 I ／ O分布见表 1 。 表 1 P LC I ／ o 分配表 输入点 输入信号 输出点 输出信号 根 据 I ／ O表给 出 P L C控制 回路原理 图如 图 2 所示 。 2 2 0VA C ＼ ＼ ＼ I ＼ I 丢 动 C O M l 扁 停 著 ] 荐 1答 1 善 f 1 N C OM X o X I X2 X3 X4 X X6 X7 X l O XI I XI 2 X1 3 P L C r I C O M C O M 。 I Y 。 I C O M Y 1 C O M 2 I Y 2 C O M I Y ， IC O M 4 l Y I Y s lY l Y ， I Y lnY l 0 V D O M I F R l 一 K M 7 K M 6 于 K M 7 L K M s 于 产 斗| 半举 ] 由 I 2 2 0V A C I l l F R 3 图 2控制 回路系统原理 图 其中交流接触器组 K M 和 K M， 分别控制 1 泵 的变频运行 和工频 运行 ； K M 和 K M 分别控 制 2 泵变频运行 和工频 运行 ； K M 和 K M 分别控 制 3 泵的变频运行和工频运行 。 1 ． 2压力传感器 该供水系统输出压力一般 ≤0 ． 6 M P a ， 故系统 选用 Y T Z一1 5 0型带 电接点式 的水 压传感器 ， 其水 压检测范围为 0～1 MP a ， 检测精 度为 0 ． 0 1 M P a ， 该传感器将 0～1 M P a范围的压力对应转换成0～1 0 V的电信号。 1 ． 3 变频器硬件设计 变频器选用 日本安川变频器 C I MRP S A 4 5 P 5产 品， 结构如图 3所示。在 P I D控制下 ， 使用一个 0 V 对应 0 MP a ， 1 0 V对应 1 MP a的压力传感器调节水泵 的供水压力 ， 通过变频器面板设定一个给定频率作为 压力给定值 1 4 端 ， 压力传感器反馈来的压力信号 0～1 0 V 接至变频器 的 7端、 8端， 作为压力反馈 ， 变频器根据压力给定和实测压力 ， 调节输 出频率 ， 改 变水泵转速。变频器的 1 9端和 2 0端是传感器压力 设定的上、 下限值， 该信号进 P L C ， 作为工频切换的控 制信息 ， 由 P L C控制水泵的工频或变频运行。 该系统所用变频器参数是根据系统的控制参数 来设定 的。二级泵站系统的控制参数 二级泵站水 管低水压值设为 0 ． 3 MP a ， 恒水压值设为 0 ． 4 5 MP a ， 高水压值设为 0 ． 5 M P a ， 由此设定变频器输出频率 上、 下限为 5 0 H z 、 3 0 H z 。 2 2 0V AC l 1 1 2 1 2 3 CI MR． P 5 A4 5 P 5 l 3 4 1 4 5 l 5 6 P I D 1 6 l● ● 一 7 1 7 8 1 8 9 l 9 l 0 2 0 图3 变频器结构图 2系统软件设计 泵的 自动投切 只有在 P L C全 自动控制方式下 才能实现。当变频器频率升至 5 0 Hz 或降至 3 0 H z ， 管网压力仍不能满足要求时， P L C将执行投／ 切泵程 序 。系统控制流程如图 4所示。 图 4 系统流程 图 3 系统实现过程 根据 日用水量变化曲线 ， 用水高峰集中在早、 中、 晚 3个时段 ， 而在深夜用水量处于低谷 ， 改变不同时 段的压力给定值， 则能更进一步起到节能的作用。在 M M m L N k 一 一 3 8 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 3年第 5期 P L C控制程序中， 按 2 4 h设定 2 4个时段 ， 在每个时段 内的压力给定值是根据 日用水量变化曲线设定。 首先确定出 P I D参数 ， 即确定 比例常数 ， 积分 时间常数 和微分时间常数 。在该系统 中变频器 1 看做P I D调节器 传函为 K 1 5 ， 水泵 ‘ 1 和管路均可看做一阶陨性环节 ， 如图5所示。对现场 测得的数据 ， 利用对数频率特性确定 出 P I D参数的范 围， 再逐步调节确定出P I D参数。在该系统中P I D参 数整定为 0 ． 9 1 ， 2 ． 5 s ， 0 ． 0 0 2 s 。 工频运行 的泵停掉 ， 以减少供水量 。情况未变 ， P L C 再停掉一 台工频运行 的电机 ， 直到最后一 台泵用变 频器恒压供水 。 减泵工作过程 假定减泵顺序依次 为 3 泵 、 2 泵 、 1 泵 。变频器 的输出频率达到下限 3 0 Hz ， 并 稳定运行一段时间 3 0 S 后 ， 管网压力仍 高于压力 设定值时 ， P L C将开始计时 ， 5 S 后如果供水压力仍 大于预置值 ， 则 P L C切 除恒压泵 ， 将下 一 台水泵 由 工频切换到变频器调速运行 ， 同时变频器频率将升 高 ； 若仍未满足要求 ， 则继续减泵工作过程。 雎 力 僵4 结论 图 5 P I D控制框 图 合上空气开关， 供水系统投入运行 。将开关打到 自动， K M 合上 ， 系统进入全 自动运行状态， P L C中程 序首先接通 K M ， 根据压力设定值 P 。 蛤 定 根据管网压 力要求设定 与压力实际值 P 。 供 水 来 自于压力传感器 的偏差进行P I D调节， 并输出 频率给定信号 I R F 给调 节变频器的输出频率， 实现管网的恒压供水。 供水系统实现的 自动投切泵运行功能如下 1 当用水量较小 时， 一 台泵在变频器 的控制下 稳定运行。用水高峰期 ， 水流量较大 ， 当变频器运行 频率达到频率上限值 ， 并 保持一段时 间 程序设定 为 1 5 S ， 管 网压力还达不到给定时 ， 传感器的压力 下限信号与变频器的上限信号同时被 P L C检测到， P L C会将当前变频运行泵切换为工频运行 ， 并 迅速 时间设定为 5 S 启 动下 一台泵 变频 运行 ， 加 大管 网的供水量。若 2台泵运转仍不能达到管 网的压力 要求 ， 则继续将变频工作状态 下的泵投入到工频运 行 ， 将下一台备用泵投入变频运行。 增泵工作过程 假定增泵顺序为 1 泵 、 2 泵 、 3 泵。开始时， 1 泵 电机在 P L C控制下 由变频 调速运 行。当供水压力小于压力预置值时变频器输 出频率 升高， 水泵速度上升。当变频器的输出频率达到上 限 5 0 H z ， 并稳定运行 1 5 S 后 ， 如果供水压力仍没 达到预置值 ， P L C开始计时， 5 s 后 由 P L C控制断开 接触器 K M ， 再延时 1 s ， 接触器 K M 接通， 1 泵电 机切换 到工频运行 ， 同时 2 泵电机投入调速运行 。 如果还没到达设定值 ， 则继续按照 以上步骤将 2 泵 切换到工频运行 ， 控制 3 泵投人变频运行。 2 当用水量较小时 ， 变频器输出频率 已到达下 限频率， 这时被调节量仍超过了给定值， P L C首先将 该系统逻辑控制采用 P L C控制变频器实现调 速恒压供水 ， 使用方便 ， 工作可靠 ， 系统压力恒定 ， 具 有较好 的控制效果 6 J 。 1 该系统采用变频器调节水泵转速 ， 使系统实 现了高效节能， 节能效率可达 3 0 ％左 右 ， 水泵 电机 功率因素提高到了 0 ． 9 。同时由于采用变频器对 电 机实行软启动 ， 减少 了设备损 耗 ， 延长了水泵 、 电机 的使用 寿命 ； 2 系统采用闭环控制 ， 出水管水压设定值可根 据用水量任意调节 ， 参数超调波动范 围小 ， 偏差能及 时进行控制 ， 最大限度地节约资源 ； 3 变频器 的加速和减 速可根据工艺要求 自动 调节 ， 控制精度高 ， 能保证生产工艺稳定 ， 提 高了产 品的质量和产量 ， 而且 由于变频调速器具有 十分灵 敏的故障检测 、 诊 断、 数字显示功能 ， 提高 了电机水 泵运行的可靠性 。 P L C和变频器构成的恒压供水系统成功应用在 某 自 来水厂， 实现了真正意义上的无人值守的自动 循环切换水泵 、 变频运行 ， 提高了供水质量 ， 达到了 节水的 目的。 参考文献 [ 1 ] 于斌， 李新勤． 1 3 3 6 P L U S 1 I 型交流变频器在净化水供水 系统中的应用[ J ] ． 电气传动 ， 2 0 0 1 ， 3 1 3 5 9 6 0 ． [ 2 ] 唐世钢， 王树 田． P L C系列可编程序控制器[ M] ． 武汉 华 中理工大学出版杜， 1 9 9 3 6 6 6 7 ． [ 3 ] 王鲜芳， 杜志勇． P L C的 P I D指令在变频调速恒压供水 系统中的应用[ J ] ． 给水排水 ， 2 0 0 5 ， 3 1 3 1 0 11 0 2 ． [ 4 ] 钟肇新， 范建东． 可编程序控制器[ M] ． 广州 华南理工 大学出版社 ， 2 0 0 4 1 9 41 9 5 ． [ 5 ] 陈学军 ， 林海波． 变频恒压控制中 P L C自动切换程序设 计[ J ] ． 机电产品开发与创新， 2 0 0 9 ， 1 8 5 9 8 ． [ 6 ] 吕国芳， 刘希涛． 基于 P L C的 P I D控制算法在恒压供水 系统中的应用[ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 0 5 ， 2 6 8 5 3 5 4 ．