基于PLC与变频调速的中水处理系统.pdf

D OI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 3 ． 0 7 ． 0 1 8 基于P L C与变频调速的中水处理系统 唐振 西 广东华城建筑设计有限公司， 广东广州 5 1 0 6 2 0 摘要利用P L C与变频器控制设计了中水处理系统 ，介绍了选用P L C及变频器的原因 ，强调了该系统的先进性。水池液 位决定水泵的启动与停止 ，具体由P L C 执行，运行过程水泵的速度 由变频器控制。采用 P L C 控制与变频调速，节能效果 与经济效益显著。 关键词P L C ；变频调速；中水处理系统 中图分类 号T P 2 7 3 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 3 0 7 0 0 6 3 0 4 Th e Re c l a i me d W a t e r Tr e a t me n t S y s t e m Ba s e d o n PLC a n d Fr e q u e n c y Co n v e r t e r TANG Zh e n - x i G u a n g d o n g P r o v i n c e H u a c h e n g A r c h i t e c t u r a l D e s i g n C o ． ，L t d ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 2 0 ，C h i n a Abs t r a c t Us i n g PL C a n d i n v e r t e r c o n t r o l t o d e s i g n a r e c l a i me d wa t e r t r e a t me n t s y s t e m． I n t r o du c e s t h e s e l e c t i o n o f P LC a n d f r e q u e n c y c o n v e r t e r a n d e mp h a s i z e s t h e a d v an c e me n t o f t h e s y s t e m． Ta n k l e v e l d e c i d e d t o s t o p o r s t a r t t h e wa t e r p u mp，t h e s p e c i fi c i mp l e me n t a t i o n b y P L C， d u r i n g t h e o p e r a t i o n， t h e s p e e d o f t h e p u mp i s c o n t r o l l e d b y a f r e q u e n c y c o n v e rt e r ．Us i n g t h e P LC c o n t r o l and f r e q u e n c y c o n t rol ，e n e r g y s a v i n g e ffe c t a n d e c o n o mi c b e n e fi t s a r e r e ma r k a b l e ． Ke y wo r d s P LC；f r e q ue n c y c o n v e rt e r ；r e c l a i me d wa t e r t r e a t me n t s y s t e m 0 前 言 P L C控制是 自动控制系统中比较广泛的，也 可节省一些 中继 ，定 时器及 电箱的空 间。利用变 频器调速可节能降耗。因为变频器以改变电动机 的电源频率，从而改变电机输人电压的方法，利 用P L C与变频器控制大大提高了自动化程度。原 来可 口可乐公司的废水直接经处理后 ，排到珠江 河 的。厂 区洗地与冲厕所都用 自来水 ，用水量较 大 ，使成本较大。中水处理系统项 目完成后，按 计划投入使用 ，把废水经处理后 ，即经 中水处理 系统后的水，作为厂区洗地与冲厕所用水 ，大大 的节约用 自来水 每 日约 1 5 方水 ，合理利用废 水，从而降低成本，创造效益。 1 采用 P L C控制的原因 整个系统的控制输入点及输出点较多，废水 池的水位由低水位和高水位组成，分别以K 1 与 K 2 表示。清水池水位由低水位、中水位和高水位 组 成 ，分别 以 K 3与 K 4 及 K 5 表 示 ，如图 1 所示 。 这是控制系统硬件需要 P L C控制的必要性。 a 废水池 b 清水池 图1 水位示意图 由于中继控制与 P L C控制有不 同之处。利用 P L C 控制可以减少中继的使用 ，P L C的中继 ，它 的触点无数对任用，实物中继的触点有限对数。 收稿 日期 2 0 1 30 61 9 墨 露 自动化 而且 中间继 电器的故障率较高 ，中间继 电器 的触 点 因种种 原 因或线 圈 的故 障 ，造成 不能正 常工 作 ，特别是没设 岗位 的，也不能及 时被发现 ，给 后果带来不少 的麻烦 。比如由中间继电器故 障引 起 电机 不转或控 转 ，甚 至误转最 终导致烧 坏 电 机 ，即 自控系统 中所说 的失控现象 。用 P L C控制 故 障率较低 ，并且可靠 ，不会产生误动作造成空 转甚至失控的现象 ，可编程序控制器作为一种通 用的 自动控制装置 ，在不改变系统硬件接线的情 况下 ，通过改变程序的办法 ，可改变被控对象 的 运行方式 ，即可编程序控制器的通用性和灵活性 校好 。这在 中间继 电器 回路 系统 中是无 法实 现 的 ，因为在中间继 电器构成的控制系统都是按 预 先设定好的时间或条件顺序地工作 ，若要改变控 制顺序就必需 改变控制系统的硬件接线。因中继 控制有以上的不足，不得不采用P L C 。 P L C与 中间继电器控制的重要 区别之一就是 工作方式不 同，中问继电器控制是按 “ 并行”方 式工作的 ，或者说是同时执行的 ，只要形成 电流 通路 ，可能同时有好几个电器动作。而P L C是按 顺 序扫 描 的方 式工作 ，也就 是说 P L C是 以 “ 串 行 ”方式工作的 。它是循 环地 、连续地顺序逐条 指 令执行 程序 ，任意一 时刻它 只能执行一 条指 令 。P L C的这种串行工作方式可避免 中间继 电器 控制 的触点竞争和时序失配的问题。所 以控制系 统采用P L C控制。 本控制系统选用较好的 三菱牌 P L C，型号为 F X 一 3 0 MR，又因为P L C 具有以下特点。 1 可靠性高 ，抗干扰能力强。可编程序控 制器 的生产厂家 ，在硬件方面和软件方面上采取 了一系列抗干扰措施 ，并且采用 了冗余设计和差 异设计 ，进一步提高 了可靠性。可编程序控制器 的平均无故障时间可达几十万小时，这是一个难 以置信的数字 ，也就是说 ，一台可编程序控制器 可连续运行 3 0 年不出故障。大概到 目前为止没有 一 种工业控制设备有如此高的可靠性。一般说， 可编程序控制器的系统 中发生 的故掌绝大多数是 由传感器，执行器等外围部件所造成的。适合用 于无人看管的 自控设备 岗位。 2 适应性 强 ，应用 灵活 。为设 计带 来方 便 ，根据整个 系统的控制需要而灵活选用 ，满足 系统大小不同及功能繁简各异的控制需要 。 3 编程方便 ，易于使用。可编程序控制器 的编程可采用与继 电器电路极为相 同的梯形 图语 言 ，简单 易懂 ，深受现场 电气技术人员 的欢迎 。 即使是普通的工人 ，也能在较短的时间内掌握。 4 控制系统 的设计安装 及调试 比较方便 。 可编程 序控制器 中含有大 量 的相 当于 中间继 电 器 ，时间继 电器 以及计数器等软元件 ，又用序代 替硬件接线 ，安装接线工作量少 。设计人员要有 可编程序控制器 ，就可以进行控制 系统 的设计 ， 并且在实验室进行模拟调试。 5 维修方便 ，并且工作量小 。可编程序控 制器有完善的 自诊断 ，监视功能 。可编程序控制 器对于其 内部 的工作状态 ，均有显示 ，工作人员 通过它可以查出故障原因， 便于迅速处理。 6 功能完善。除基本 的逻辑控制 ，定时和 计数等功能外，还可以配合模块控制。 由于具有上述的优点。使得可编程序控制器 的应用范围极为广泛 ，因而本控制 系统采用 P L C 控制 。 2采用变频器调速的原 因 科学技术 的进步 ，大功率晶体管电子技术的 迅 速发展 ，交流 电动机变频 调速技术 已广泛 应 用 。其性能胜过任何一种交流调速方式 ，而且结 构简单 。在节能及减少维修 ，提高产量 ，保证质 量等方面都取得了明显的经济效益 。变频器调速 具有精度 高 ，稳定 性好 以及 噪音小 ，可连续 调 速 ，起动电流小 ，最高速度不受电源影响。中水 处理 系统采 用西 门子型 号 MM4 3 0 ，7 ． 5 k W 输入 3 8 0 V的变频器 。经过过滤后的清水作为淋花及洗 地用 ，一天当中，有的时间段需用水量大 ，有 的 时间段需用水量较小 ，为了适应节能降耗 的前提 要求 ，用水量多的时间段尽量加大转速抽水 ，利 用变频器调速及 P I D控制功能 ，完全达到上述要 求 。在用水量较少 的时间段 ，水泵慢转 ，起到节 约 用电 的效 果 ，利用 变频器调 速也达 到所需要 求 ，也更好 的节约用 电，对用户来说节约成本 ， 说大一点为国家节省能源。这是该系统采用变频 器的理 由。 变频器具有 以下 的特点 变频器有过电流保 护 ，过载保护 ，过热及短路保护 ，并且对电机具 唐振 西基于P L C与变频调速的中水处理系统 工业自动 有过载超速 ，防止失速过电流。急加速时 ，如果 电机跟踪不好 ，则过 电流保护电路动作 ，运转就 不 能继续 进行 ，在 负载 电流减 少之 前要进 行控 制 ，抑制频率上升或使频率下降。防止失速在生 过电压等的保护功能。 3 控制系统的组成 该 控制 系统 的组成 主要 由废 水 回收控 制 系 统 和变 频控 制系统 。可 口可乐 公 司的工业 废水 汇流 到废水池 里 ，且废水池设高水位及低水 位 。 由水泵 把废水 抽到过 滤 系统进 行过滤 ，过 滤后 的水排 到清水 池里 ，这个 系统 属于废 水 回 收制 系 统 ，由液位 控制水 泵启 动泵 抽废水 。清 水通 过 水泵抽 到淋 花及洗 地 的地方 ，这 一系统 统称为变频控制系统 ，具体的速度根据用水而自 动调速 。如 图2 所示。 常工作 ，水位在 中位 时 l 或 2 样 泵启动且速度 由变 频调速 。变频器根据用水量的大小 ，由压力变送 器监测压力的大小，通过 P I D 控制变频的输入信 号从而控制 了水泵的速度 ，如设定供水正常压力 图2控制系统组成 4系统的控制原理 废水汇流到废水池后 ，废水池有高水位及低 水位 ，废水池低水位 3 泵停止抽 水 ，废水池高水位 3 泵开始抽水 到过滤系统 ，废水池水位处于高 水位与低水位之间 ，3 泵正常抽 水。低位与高位用浮球来检测 ， 作 为 P L C的输 入信号 ，通过 P L C 全 自动控制 3 泵工作 以及停止。 清水池也分高中低水位且用 浮球来 监 测 ，抽 清水 由 1 泵及 2 泵互为备用 ，由时间来 控制 ， 早 晚早晚轮流 自动切换来 控制 。 手动可两台同时工作 ，也可单独 工作 。以下叙述变频控制 ，清水 池低位时，1 或2 泵停，水位处 于 高与 中水位之 间 l 或 2 泵正 图3 主 电路 为六公斤 ，此时 电机慢速运转 ，节约用电 ，用水 量大 ，水压 自然下降 ，即低于六公斤 ，压力传感 输出信号到P I D表 ，经过 P I D的调节，而输出信 号控制变频器的输出频率，使抽水泵加速抽水。 过一段时 间少用水 ，水压超过控制值 ，P I D调节 变频器输出频率减小，使压力在控制值的范围之 内。总而言之 ，水泵 的速度 由变频控制 ，变频 由 实际用水压力信号控制，电机的启动与停止 由 P L C 控制，而P L C 根据具体的水位监测信号反馈 到 P L C的输入端。 因没有废水 的情况下 ，清水池安装 了 自来水 SB 0 S B1 SB 2 S B3 S B 4 S B 5 K1 K2 K 3 K 4 K5 KM0 K M1 KM2 K M3 KM4 KM5 图4 I ／ O接线图 自动化 供水 ，即该系统有补水攻能。废水没有或大量用 水 ，使 清水池 水位 到低 水位 时 ，电池 阀开启动 作 ，自来水补到清水池 中，当达到清水池的中水 位时电磁阀 自动关闭。 5 控制 系统设计 控制的主电路部分如 图3 所示 。 P L C的I ／ O接线图如图4 所示。 P I D信号 回路简 图如图5 所示 。 压 力 P I D 传感 器 控制器 变频器 图5 P I D信号回路简图 梯形图部分如图6 所示。 图6 梯形图 P L C的I ／ O分配表部分如表 1 所示 。 6 经济效益 该系统投入使用以来，运行正常，实现无人 看管。经过处理后的水 ，用于洗地淋花，冲洗手 问以及其他用水等等，每天用这些水约2 2 0 m ，为 可口可乐公司每一天节约8 8 0 元人民币。 7结束语 可 口可乐有限公司的废水 回收这个工程是笔 者独 自设计并亲 自安装及调试 。以上所述是笔者 对该工程的整个控制系统的控指过程描述。在调 表 1 I ， O分配表 输入 元件代号 名称 输入继 电器 S B O 变频启动按钮 X 0 S Bl 停止按钮 X1 S B 2 1 工频选择按钮 X2 S B 3 2 工频选择按钮 X 3 S B 4 l 变频选择按钮 X 4 S B 5 1 变频选择按钮 X 5 K 1 废水池低水位 X 6 K 2 废水池高水位 X 7 K 3 清水池低水位 Xl 0 K 4 清 水池 中水位 Xl 1 K 5 清水池高水位 X 1 2 输 出点 变频接触器 K MO Y 0 1 泵变频接触器 K M1 Y1 2 泵变频接触器 K M2 Y2 3 泵接触器 K M3 Y 3 1 泵工频接触器 KM 4 Y 4 2 泵工频接触器 K M5 Y5 试过程中也出现了问题，如液位高低不太理想 ， P I D参数多次修改 ，最后达到较好的状态 。作 为 一 个工程设计者 ，刚接 到工程经过深思熟虑 ，反 复研究控制系统的可行性 。经过理论可行性的依 据判定 ，实践也行得通 ，这项工程投入使用到现 在 ，各方面都较好 。这说明经过努力学习 ，能够 扩大业务技术知识范 围，从而大大提高了设计水 平 。 参考文献 [ 1 ]刘介 才． 工厂供 电 [ M]． 北京 机械工业 出版社 ， 2 01 0 ． [ 2 ]方承远． 工厂电气控制技术 [ M]． 北京机械工业出 版 社 ，2 0 0 0 ． 作者简介唐振西，男，1 9 7 2 年生，广东清远人，助理T 程师。研究领域供电配电及电气 自动化。 编辑 向飞