PLC與變頻器實現智能無負壓給水設備系統控制
PLC與變頻器實現智能無負壓給水設備系統控制
1 前言
常規的供水系統采用水泵定速控制，通過改變閥門的大小的方法調節流量和壓力，以達水壓恒定。這種方式在運行中存在以下問題。
（1）人工操作存在調節滯后，整個系統穩定性差，自動化程度低，使得溢水管經常排水造成資源浪費；
?。?）水泵定速運行，不僅造成電能的浪費，而且由于泵長期高速運行，易使軸承損壞，影響泵的使用壽命，且備用水泵出現過銹死的現象；
?。?）每年夏天用水高峰時段水壓不能得到保證，當出現了突發性電網故障時，由于水量不足給企業生產造成不便；
為了提供恒壓供水，因而對飲料公司供水系統進行改造就顯得非常重要。可編程序控制器（簡稱PLC）是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。具有通用性好，可靠性高，安裝靈活，擴展方便，性價比高等一系列優點，而且其總線與網絡能力越來越強，可方便地與上位機組成控制系統，實現系統的高性價比和高效能運作。
本文采用PLC和變頻器產品研制開發了一種智能無負壓給水設備控制系統，可有效減輕工作人員的負擔，提高供水系統的優化運行程度，增強系統抗干擾性，避免硬件老化損失。
2 智能無負壓給水設備系統簡介
為改善生產環境，某大型飲料公司投資清潔水技改工程并建成一座日產水5萬頓的供水系統，分別建設了抽水泵系統、加壓泵系統和高位水池。根據公司用水需求特點，從抽水泵系統過來的水一部分直接供給生產用水部門，一部分則需通過加壓泵輸送到高位水池，而供給生產用水部門的水壓與供給高位水池的水壓相差較大。同時高位水池距抽水泵房較遠達十多公里，高位水池的液位高低和加壓泵系統的設計以及如何與抽水泵系統“聯動”也是較難解決的。
鑒于以上特點，從技術可靠和經濟實用角度綜合考慮，我們設計了用PLC控制與變頻器控制相結合的自動恒壓控制供水系統，同時通過主水管線壓力傳遞較經濟地實現了加壓泵系統與抽水泵系統“遠程聯動”的控制目的。
3 智能無負壓給水設備系統方案
系統的控制以DVP-EH型DVP64EH00R PLC為技術平臺，DOP-A57CST觸摸屏為操作界面，VFD110B43A變頻器作為執行構件。觸摸屏通過COM2口與DVPEH PLC 的COM口相連，采用MODBUS協議。PLC通過RS485口控制變頻器（便于擴充），支持MODBUS協議。另外還包括施耐德公司的軟啟動器、電機保護器、數據采集及其輔助設備組成（見圖1）。
3.1 抽水泵系統
整個抽水泵系統有150KW深井泵電機四臺，90KW深井泵電機兩臺，采用變頻器循環工作方式，六臺電機均可設置在變頻方式下工作。采用一臺150KW和一臺90KW的軟起動150KW和90KW的電機。當變頻器工作在50HZ，管網壓力仍然低于系統設定的下限時，軟起動器便自動起動一臺電機投入到工頻運行，當壓力達到高限時，自動停掉工頻運行電機。
智能無負壓給水設備系統為每臺電機配備電機保護器，是因為電機功率較大，在過載、欠壓、過壓、過流、相序不平衡、缺相、電機空轉等情況下為確保電機的良好使用條件，達到延長電機的使用壽命的目的。
系統配備水位顯示儀表，可進行高低位報警，同時通過PLC可確保取水在合理水位的水質監控，同時也保護電機制正常運轉工況。
系統配備流量計，既能顯示一段時間的累積流量，又能顯示瞬時流量，可進行出水量的統計和每臺泵的出水流量監控。
3.2 公司內不同壓力供水需求的解決
為穩定可靠地滿足公司內部分區域供水太力（0.4~0.45Mpa）低于主管網水壓力（0.8~0.9Mpa）的要求，配備穩壓減壓閥來調節，可調范圍為0.1~0.8Mpa。
3.3 加壓泵系統
由于抽水泵房距離高位水池較遠，直接供水到高位水池抽水泵的揚程不足，為此在距離高位水池落差為36米處設計有一加壓泵房，配備立式離心泵兩臺（一用一備）電機功率為75KW，揚程36米。該加壓泵的控制系統需考慮以下條件：
?。?）若高位水池水位低和主管有水，則打開進水電動蝶閥和起動加壓泵向高位水池供水；
（2）若高位水池水位滿且主管有水，則給出報警信號并關閉加壓泵和進水電動蝶閥；
?。?）若主管無水表明用水量增大或抽水泵房停止供水， 須開啟出水電動蝶閥由高位水池向主管補充不。
像抽水泵一樣，我們為加壓泵配備了軟起動器和電機保護器，確保加壓泵長期可靠地運轉，同時配備了高位水池的水位傳感器和數顯儀和缺水傳感器。
為保證整個主水管網的恒壓供不，當高位水池滿且主水管有水時，加壓泵停止，此時主管壓力將“憋壓”， 終將導致主管壓力上升，并將此壓力傳遞到抽水泵房，抽水泵的控制系統檢測到此壓力進行恒壓變頻控制，進而達到整個主管網的恒壓供水，這是整個控制系統設計的關鍵。
4 系統實現功能
4.1 全自動平穩切換，恒壓控制
主水管網壓力傳感器的壓力信號4~20mA送給數字PID控制器，控制器根據壓力設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速以使管網的壓力穩定。當用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩定運行；當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網的壓和穩定時，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下泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續性，同時將一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網的供水量保證壓力穩定。若兩臺泵運轉仍，則依次將變頻工作狀態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，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。另外，控制系統設計六臺泵為兩組，每臺泵的電機累計運行時間可顯示，24小時輪換一次，既保證供水系統有備用泵，又保證系統的泵有相同的運行時間，確保了泵的可靠壽命。控制系統圖見圖2。
4.2 半自動運行
當PLC系統出現問題時，自動控制系統失靈，這時候系統工作處于半自動狀態，即一臺泵具有變頻自動恒壓控制功能，當用水量不夠時，可手動投入另外一臺或幾臺工頻泵運行。
4.3 手動
當壓力傳感器故障或變頻器故障時，為確保用水，六臺泵可分別以手動工頻方式運行。
5 實施效果
實際運行證明本控制系統構成了多臺深井泵的自動控制的較經濟結構，在軟件設計中充分考虎變頻與工頻在切換時的瞬間壓力與電流沖擊，每臺泵均采用軟起動是解決該問題關鍵。變頻器工作的上下限頻率及數字PID控制的上下限控制點的設定對系統的誤差范圍也有不可忽視的作用。
①采用變頻恒壓供水，消除了主管網壓力波動，保證了供水質量，而且節能效果明顯，并延長了主管網及其閥門的使用壽命。
②用穩壓減壓閥經濟地解決了不同用水壓力的問題。
?、弁貙掃\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。
?、茉诔樗梅吭O置連續液位顯示，并將信號傳與PLC，防止泵缺水燒壞電機，設定的取水位置，確保水的質量。
?、蓦姍C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。
?、抻捎诓捎肞LC控制的壓力自動控制，可以實現無人遠程操作，系統的PLC預留有RS485接口，可與公司總調度室計算機網絡進行連接。
?、哂捎谙到y采用閉環恒壓控制，電機在滿足主水很容易網的壓力的前提下，節能效果顯著，年節電61萬度，折合為人民幣36萬元。
⑧通過采用變頻器控制，可在不同季節、節假日、日夜及上下班等全面調控水量，按日節水100噸計，則年可節水36500噸。
總之，采用該PLC控制的智能無負壓給水設備肯定能保證該大型飲料廠的足量用水，同時很大程度上降低了維修的勞動強度和延長了設備的使用壽命，實現了真正的自動控制，不僅可解決了現供水系統存在的問題，而且節能效果顯著。因此，從節能和改善供水條件上有著重大的價值。
隨著社會經濟技術的發展進步，市政供水系統水質標準逐步提高，供水能力不斷增強。為適應社會發展要求，自動給水設備必然朝著一定的目標發展，這個目標就是高效節能、無水源污染、低噪音、操作方便、運行可靠。
中贏智能無負壓給水設備直接以市政管網為水源、形成連續密閉的接力增壓供水方式， 避免了傳統2次增壓供水系統造成的水質標準降低和各種水源污染問題， 保持了市政水源的水質標準充分利用市政水源本身壓力熱能，差多少補多少，切實有效地、較大限度地發揮了變頻調速的節能效果。
中贏智能無負壓給水設備設計中很好地解決了接力增壓供水方式帶來的2大問題：
（1）水泵大幅變工況運行問題。
（2）對市政水源的緩沖與削峰補償問題。
設計了全變頻控制系統，可很好的適應于水泵大幅變工況運行。采用部分（單合）水泵變頻調速的技術方案時，專門選配了無過載水泵。特別配套設計了各種緩沖罐、水源罐、對市政水源具有良好的緩沖作用和削峰補償作用可避免對市政水源的過度抽吸。
智能無負壓給水設備系列產品設計充分考慮了應用的靈活性，可滿足不同地區不同地區不同戶具體工程應用要求的差異。
智能無負壓給水設備產品特點：
（1）高效節能：充分利用市政水源本身具有的壓力熱能，差多少補多少，切實有效地、較大限度地發揮了變頻調速的節能效果。
（2）潔凈衛生：構成連續密閉的增壓供水方式， 保持了市政水源的國家水質衛生標準，從根本上避免了增壓系統造成的水質標準降低和各種水源污染問題。
（3）避免浪費：不僅淘汰了高位水箱，還取消了地面（地下）水池水箱，避免了水箱溢流，定期清洗造成的水源浪費。
（4）運行噪聲低：智能無負壓給水設備系列產品采用全變頻調整方案時，大部分時間特別在夜間處于低噪聲運行工況。
（5）設計了全密閉的、兼有緩沖作用和動態補償作用的水源箱罐，與目前市場所謂無負壓罐相比，更具有實際意義，并使控制系統得以簡化。
（6）充分總結了本公司及國內外變頻給水設備的設計制造經驗，采用規范通用的控制系統技術方案，可換用任意廠商的變頻器、調節器、PLC和其他元器件，調試維修特別方便，為產品的終身售后服務奠定了良好基礎，不會因技術進步而導致售后服務問題。
（7）具有較高智能性，設計中充分考慮了機、電、儀協調配合，具有欲速則不達的檢測監視和簡單方便的人機交互功能。具有全面的故障保護功能和對策，變頻器故障保護時，自動降級運行（成為工頻自動給水設備），自動系統故障時，還可手動操作應急備用，贏得維修時間。
（8）可按要求選配各種通訊接口、協議，從而可連接各種人機界面、監控計算機，可與各種控制網絡，通信網絡相接，適用于較復雜的運行控制和聯網監控要求?？蔀橛脩糸_發配套監控軟件。
智能無負壓給水設備運行原理
智能無負壓給水設備的應用，是以市政管網為水源，形成密閉的連續接力增壓供水方式，其應用與通常的經為了減小直接抽吸對市政供水的影響，一般應在設備入口管道上串接一個承壓貯水容器。主要起緩沖作用（動態補償作用）的水罐稱為緩沖罐；平時無動態緩沖作用僅在市政管無水壓時才起備用水源作用的水罐稱為水源罐。大容積的承壓水池也是水源罐的一種形式（一般采用鋼筋混凝土現場施工建造。
配套緩沖罐的接力增壓設備與配套水源罐的接力增壓設備運行原理有一定差異，下面分別予以說明。
1、配套緩沖罐的設備
成套設備一般由緩沖罐、水泵機組、氣壓罐控制柜及控制儀表組成，各部分說明如下：
a、緩沖罐：是接在設備入口處的穩流補償罐，簡稱穩流緩沖罐，對市政供水具有動態補償作用。
b、水泵機組：選用具有非過載特性的水泵，其工作特性可以適應水源的較大范圍內的壓力變化，不會產生過載現象。
c、氣壓罐：其作用與通常2次增壓供水設備中的氣壓罐相同，本系列標準產品采用的隔膜式微型氣壓罐，主要利用其保壓功能，有利于設備的智能化自動節能控制。
d、變頻控制柜：可采用全變頻控制系統，即所有水泵均采用變頻調速拖動，也可采用部分變頻控制系統（設備標準配置只有1臺泵為變頻調速拖動）。
e、旁通管路：如果市政供水平時能夠滿足水壓要求，僅在供水高峰時壓力不足，可加載旁通管路，可使市政下拉供水與增壓供水實現自動切換運行。
智能無負壓給水設備運行說明
（1）當市政管網高壓時，設備處于停機狀態，市政水源過緩沖罐、旁通管路直接向用戶管網供水。
（2）當市政管網欠壓時，設備自動啟動，在原不水壓基礎上變頻調速增壓（恒壓）供水，由于是按“差額補償”的原則增壓，所以在全流量范圍即滿足了用戶恒壓供水的需求，同時又實現了高效節能運行。運行過程中密閉的緩沖罐相當一段管路，衛生的自來水不斷流過水源罐，不會遭受外界二次污染。
（3）設備運行中，緩沖罐部分容積為壓縮空氣（其壓力與市政水壓相同），因而貯存了一定壓力勢能，靠此貯能可大大減緩各種沖擊對市政水源的影響，同時對市政供水具有動態的削峰補償作用。當市政服務壓力從P2降至P1時，緩沖罐提供的較大補償水量與緩沖罐總容積關系為：
V＃＝（1-P1/P2） V總＝KV總
V＃－供水高峰市政壓力從P2降至P1期間水源罐給出的補償水量（m3）
P1－市政供水高峰期較低壓力
P2－市政供水高峰期前的壓力
V總－水源罐的總容積（m3）
例：供水高峰期，市政水源壓力從20mH2O降至mH2O，則在該期間水源罐給出的補償水量為 V＃＝（1-15/30） V總＝0.5V總（m3），占總容積的50％。顯然這是一種切實有效的動態補償作用，如果所有用戶的增壓設備均具有這種補償作用，則總體上對市政供水可起到一定削峰填谷的效果，高峰期間管網服務壓力不至于下降得太低。
（4）緩沖罐上配有控制儀表，當市政管網壓力低于設定下限值時可自動停機（禁止運行），防止過度抽吸市政水源及防止抽水運行。
2、配套水源罐的設備（箱式無負壓供水設備）
成套設備一般由自動隔離閥（選購件）、水源罐（水箱）、水泵機組、氣壓罐、變頻控制柜（含控制儀表）組成。各部分說明如下：
a、自動隔離閥或節流裝置（選購件）：用于隔離市政水源，可任意設定動作壓力，當市政水源壓力低于該值時，隔離裝置動作，切換到水源罐或承壓水池供水。也可考慮使用廉價的節流裝置代替隔離閥，限制較大進水流量，供水不足部分靠水源罐補償。
b、水源罐：給水運行時罐內全部容積充滿了水，由于無壓縮空氣貯能，對各種沖擊的緩沖作用和對市政水源的動態補償效果不如緩沖罐。但當市政水源壓力太低，水源罐出水（供水）大于進水量時，罐內貯水容積可全部用來補償市政水源的不足。
水源罐提供補償水量期間，靠真空抑制器使空氣自動進入罐體，可避免對高下管網造成負壓抽吸作用（即所謂無負壓無吸程）。 水源罐只能串接在進水管路中使用。
c、承壓水池：一般為鋼筋混凝土結構，與水源罐工作原理相同，因其容積大，對市政供水具有很好的削峰填谷作用，適用于全國各地各種市政水源情況。當市政供水管網因故停水期間可由承壓水池提供一定時間的供水水源，適用于客戶要求高可靠供水的場合。
d、水泵機組：選用本公司具有非過載特性的水泵，其工作特性可適應市政水源的較大范圍內的壓力變化，不會產生過載現象。
e、氣壓罐：其作用與通常2次增壓供水設備中的氣壓罐相同，標準產品設計中采用隔膜微型氣壓罐，主要利用其保壓功能，有利于設備的智能化自動節能控制。
f、變頻控制柜：可選擇采用全變頻技術方案，即所有水泵均采用變頻拖動，也可采用部分變頻技術方案（只有一臺泵為變頻調速拖動）。
g、旁通管路：如果市政供水平時滿足水氣要求，僅在供水高峰時壓力不足，可加載旁通管路，使市政直接供水與增壓供水自動切換運行。
智能無負壓給水設備運行說明
（1）當市政管網高壓時，設備處于停機狀態，市政水源通過水源罐、旁通管路直接向用戶管網供水。
（2）當市政管網欠壓時，設備自動啟動，在原有水壓基礎上變頻調速增壓（恒壓）供水，由于按“差額補償”原則增壓，所以在全流量范圍即滿足了用戶恒壓供水的需求，同時又實現了高效節能運行。運行過程中密閉的罐只相當于一段管路，新鮮衛生的自來水不斷流過水源罐（或承壓水池），不會遭受外界污染。
（3）當市政水源壓力太低，自來水進水小于設備供水（水源罐出水）時，靠水源罐貯水容積來補償市政水源的不足。水源罐提供的較大補償水量與水源罐總容積相同V補＝V總。
水源罐提供補償水量期間，靠真空抑制（自動進、排氣閥），使空氣自動進入罐體，可避免對市政管網造成負 抽吸作用
（4）為進一步減小直接抽吸對市政水源的影響，可選購一只水源隔離閥及控制儀表，從而可任意設定允許抽吸的較低壓力，當市政水源入口壓力降到允許抽吸的較低壓力時，水源隔離裝軒會自動啟動，設備將切換到以補償罐為水源自動供水。也可考慮選購廉價的節流裝置代替隔離閥，限制自來水進水流量，供水不足部分靠水源罐補償。即所謂無負壓供水（管網疊壓供水），并可保證水源罐容積全部被有效利用。
（5）市政水源因故停水且水源罐貯水也己消耗完，設備會自動停機（禁止運行）。水源正常后自動恢復運行。
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