PLC的微機變頻給水設(shè)備中的節(jié)能控制系統(tǒng)
PLC的微機變頻給水設(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,而實際的用水量在不斷變化。高峰用水時間較短,這樣水泵在很長一段時間內(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;并且以往依靠手動操作控制泵的啟動、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和精神壓力,又能節(jié)約能源。
微機變頻給水設(shè)備系統(tǒng)介紹
該微機變頻給水設(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、半自動和手動操作方式，其中后兩種是在全自動方式出現(xiàn)故障時的彌補。
2全自動恒壓供水控制原理
當主水管網(wǎng)壓力傳感器的壓力信號4~20mA送給數(shù)字PID控制器，控制器根據(jù)壓力設(shè)定值與實際檢測值進行PID運算，并給出信號直接控制變頻器的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時，控制器的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵，投入到工頻運行，以保持壓力的連續(xù)性，同時將一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量，保證壓力穩(wěn)定。若兩臺泵運轉(zhuǎn)仍，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。當用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在較低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現(xiàn)，PLC首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當上述兩個信號仍存在時，PLC再停掉一臺工頻運行的電機，直到末后一臺泵用主頻器恒壓供水[4]。另外，控制系統(tǒng)設(shè)兩臺泵為一組，每臺泵的電機累計運行時間可顯示，24小時輪換一次，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)的泵有相同的運行時間，確保了泵的可靠壽命。
微機變頻給水設(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)計方案所包括的儀器儀表。即一臺富士NB系列PLC、兩臺7.5KW水泵、一臺富士G11/P11變頻器、一臺壓力傳感器、一臺SR90系列PID調(diào)節(jié)器、若干個空氣開關(guān)、斷路器、中間繼電器等。根據(jù)PLC接線原理圖（如圖2所示），進行詳細接線，并參考FUJI NB系列可編程控制器得參考手冊，對PLC輸入輸出端子進行定義。
微機變頻給水設(shè)備系統(tǒng)操作說明
4.1自動控制
1. 設(shè)定用戶需要的目標壓力值
系統(tǒng)送電之后，控制柜面板上的電源指示燈點亮，其下方的溫控表將會有顯示：PV---.---、SV---.---。其中PV---.---表示水管網(wǎng)中的實測壓力值,SV---.---表示用戶需要的目標壓力值.用戶可按動▲、▼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)的壓力值時按下ENT鍵，結(jié)束目標壓力值設(shè)定。
2.選擇需要開啟的泵組
自動/停/手動開關(guān)向左45度扳動一次時，泵組處于啟動狀態(tài)，系統(tǒng)將選擇1號泵組啟動；控制柜面板上的自動/停/手動開關(guān)扳到垂直位置時，四臺泵組均處于停止狀態(tài)。當將自動/停/手動開關(guān)再次向左45度扳動一次時，系統(tǒng)將選擇2號泵啟動；
3.變頻自動工作開始
當系統(tǒng)檢測到某臺泵組的啟動信號以后，便會使變頻器開始升頻工作，此時水管網(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---.---中的目標壓力值。當水管網(wǎng)中的壓力和用戶的設(shè)定的目標壓力值相吻合（即PV---.---中的顯示值和SV---.---中的顯示值相吻合）時，變頻器的輸出頻率便會穩(wěn)定[3]。
4.2自動控制中的部分功能
1.自動切換至工頻
2.故障泵組自動退出運行
3.定期倒換工作泵組
微機變頻給水設(shè)備恒壓供水控制系統(tǒng)的優(yōu)點
1.采用變頻恒壓供水，消除了主管網(wǎng)壓力波動，保證了供水質(zhì)量，而且節(jié)能效果明顯，并延長了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。
2.用穩(wěn)壓減壓閥經(jīng)濟地解決了不同用水壓力的問題。
3.拓寬運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程通訊總是并達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，并將信號傳與PLC，防止泵缺水燒壞電機，設(shè)定的取水位置，確保水的質(zhì)量。
5.電機既有電機保護器，又有軟起動器，克服了起動時的大電流沖擊，相對延長了電機制使用壽命。
6.由于采用PLC控制的壓力自動控制，可以實現(xiàn)無人遠程操作，系統(tǒng)的PLC預(yù)留有RS485接口，可與公司總調(diào)度室計算機網(wǎng)絡(luò)進行連接。
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。
微機變頻給水設(shè)備概述
微機變頻給水設(shè)備是由防倒流裝置（根據(jù)需要設(shè)置），穩(wěn)流罐，防負壓裝置，水泵機組，限壓保護裝置，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出壓力，將檢測值和設(shè)定值進行比較，計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現(xiàn)恒壓供水或變壓供水。微機變頻給水設(shè)備較大程度利用了市政管網(wǎng)自來水的原水壓力，對市政管網(wǎng)不產(chǎn)生負壓，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。
微機變頻給水設(shè)備功能特點
1、自動消除負壓
微機變頻給水設(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、采用電子防負壓智能技術(shù)，能夠提供高水準的精密控制的成套設(shè)備，綜合已經(jīng)達到較高水平。
2、疊壓節(jié)能
微機變頻給水設(shè)備在運行時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，補多少，充分利用管網(wǎng)的余壓，系統(tǒng)自動調(diào)整水泵運行臺數(shù)或調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)一直高效率點運行。當進水壓力能滿足設(shè)計壓力時，水泵進入休眠節(jié)能狀態(tài)。因此大大節(jié)省了運行費用，符合國家節(jié)能的要求。
3、壓力控制
微機變頻給水設(shè)備實時通過壓力傳感器檢測出口壓力，將檢測值和設(shè)定值進行比較，計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，確定水泵投入臺數(shù)和變頻器輸出頻率，調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)疊壓恒壓供水或疊壓變壓供水的控制。
4、自動化程度高
系統(tǒng)具有手動啟動停止、自動啟動停止方式、預(yù)留遠距離操作接口、備用泵自動切換、壓力控制（恒壓/變壓）、高低電壓保護、欠相保護、漏電保護、過載保護、過熱保護、跳閘保護等功能，系統(tǒng)全自動運行無須專人值守，人機界面，可遠程調(diào)整、監(jiān)測和維護。
5、衛(wèi)生
系統(tǒng)全密封運行，異物不能進入系統(tǒng)內(nèi)部，不與空氣直接接觸。如防負壓裝置啟動時，膜濾裝置將空氣中的細菌擋住，不進入系統(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，用戶也可以靠穩(wěn)流灌存水維持短時間供水。
7、斷水或缺水保護
系統(tǒng)在進水斷水或缺水時，設(shè)備停止運行。當設(shè)備恢復進水且達到設(shè)定條件時，設(shè)備自動恢復正常運行。
8、節(jié)省投資、節(jié)省運行和維護成本
系統(tǒng)沒設(shè)蓄水池等儲水設(shè)施，節(jié)省占地面積，降低建筑負荷，從而節(jié)省了大筆土建投資費用。
系統(tǒng)全自動運行無須專人值守，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、安裝簡單快捷
設(shè)備現(xiàn)場只需將設(shè)備大件組裝起來，連接進、出水管法蘭即可，施工周期短，安裝簡單。
10、備用泵
系統(tǒng)配備一臺備用泵，備用泵的供水能力不小于較大一臺工作泵的供水能力，確保在水泵更換易損件或更換水泵時不影響設(shè)備供水能力。
微機變頻給水設(shè)備結(jié)構(gòu)及組成
微機變頻給水設(shè)備是由防倒流裝置（根據(jù)需要設(shè)置），穩(wěn)流罐，水泵機組，限壓保護裝置，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，對環(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，壓力波動比較大。采用平滑控制技術(shù)后，系統(tǒng)可以根據(jù)實際反饋壓力自動控制加減速速度，使系統(tǒng)的壓力更加穩(wěn)定。
壓力自動補償技術(shù)
根據(jù)系統(tǒng)阻力特性，當流量越大時，系統(tǒng)的阻力越大。為了滿足系統(tǒng)在較大用水量時有足夠的揚程來克服系統(tǒng)阻力，一般廠家在設(shè)定系統(tǒng)壓力時只能按較大流量所需的壓力來設(shè)置，當小流量用水時壓力過剩造成能量浪費。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)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)定壓力，在小流量用水時運行在低壓力值，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，對水泵的特性不了解。由于水泵的工作點決定了系統(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)計和調(diào)試經(jīng)驗，不僅僅考慮了水泵的單機性能，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。配備防負壓裝置和液位裝置，在管網(wǎng)壓力波動時穩(wěn)流罐內(nèi)的水能作為補充起到穩(wěn)流作用。
水泵機組
水泵采用丹麥格蘭富多級立式離心泵或國內(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，這些和機組底座一起構(gòu)成水泵機組。
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