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PLC在無塔供水設備系統中的應用設計

無塔供水設備系統概述

      該無塔供水設備系統采用PLC作為控制中心，完成PID閉環運算、多泵上下行切換、顯示、故障診斷等功能，由變頻器調速方式自動調節水泵電機轉速，達到恒壓供水的目的。

前言

      隨著控制技術的發展與完善，變頻器及PLC在各個行業的應用愈來愈廣，PLC與變頻器的可靠性與靈活性得到了用戶的認可。同時傳統的水塔供水方式暴露了很多缺點：水的二次污染，用水高低峰的不平衡，管道閥門易損壞，維修保養費用過高等等。在此條件下各種恒壓供水方式應運而生，其中由變頻器、PLC控制的方式尤為普遍，這種方式的特點：系統穩定，功能強大，變頻器用于供水更加節能，所以廣泛應用在多層住宅小區生活消防供水系統中，現在好多場合也有應用，比如中央空調系統、供水加壓站、集中供熱等，這種方式經受了時間的考驗，已有很多的應用實例。本文介紹的系統在寶雞某電廠家屬區已從98年運行至今，系統穩定，性能可靠，得到了用戶的肯定和好評。

無塔供水設備系統概述：

      該無塔供水設備系統由四臺大泵（22KW）與一臺小泵（5.5KW）組成；PLC部分由西門子可編程控制器S7-200系列的CPU226，文本顯示器TD200組成；變頻器采用三菱FR-A540系列，功率22KW。用戶所需的生活用水壓力、消防用水壓力、運行方式等參數在TD200文本顯示器上設定，壓力傳感器把用戶管網壓力轉換為0-10V標準信號送進PLC模擬量模塊EM235，PLC通過采樣程序及PID閉環程序與用戶設定壓力構成閉環，運算后轉換為PLC模擬量輸出信號送給變頻器，調節水泵電機轉速，達到恒壓供水的目的。

      該無塔供水設備系統有各個泵的運行時間累計功能，通過PLC的數據區保持可以斷電記憶。每次起動時先起動1#小泵，當用水量超過一臺泵的供水能力時，PLC通過程序實現泵的延時上行切換，切換原則為當前未運行的大泵累計運行時間最少的先投入；當壓力超過時，PLC通過程序實現泵的延時下行切換，切換原則為當前正在運行的大泵運行時間最多的先撤出。直到滿足設定壓力為止。追求的最終目標為壓力恒定。

      當供水負載變化時，變頻器的輸出電壓與頻率變化自動調節泵的電機轉速，實現恒壓供水。

      無塔供水設備系統還可通過PLC的實時時鐘自動定時供水，用戶在TD200上設定每天最多6段（段數也可設定）定時供水，比如早上6：00到8：30，中午11：20到1：30等。

      無塔供水設備系統可動態顯示各種參數，如設定壓力，運行壓力，水位高度，運行方式，實時時間，日歷，各個泵的運行時間累計（精確到秒），運行狀態，故障信息等等。為了不使系統中TD200畫面顯得死板，在PLC程序中控制TD200中的畫面定時切換，動態顯示；系統還有故障自診斷功能，各泵發生過載、缺相、短路、傳感器斷線、傳感器短路、水位下限、水壓超高、水壓超低、變頻器故障等，都會有聲光報警，TD200上同時顯示故障類型，通知設備維修人員處理，并可記憶故障發生時間及班次，以便追查原因及相關責任。

無塔供水設備系統工作原理：

3．1 自動手動方式

      （1）手動運行時，可按下按鈕起動停止水泵在工頻狀態下運行，完全脫離開PLC及變頻器的控制，該功能主要用在檢修及自動系統出現故障時的應急供水方式中。

      （2）自動運行時，全部泵的運行依程序自動工作。

      上行過程：當在自動運行方式時，按下TD200上的起動軟健，系統先起動1#小泵，PLC程序控制模擬量模塊EM235給定變頻器一固定頻率輸出，此時若用 PID運算輸出直接控制變頻器則（設定壓力大，運行壓力為零，所以運算輸出最大）變頻器依設定的上升時間運行，升速太快，系統沖擊很大。等泵運行一會兒，管網壓力積累后，再用PID運算輸出控制變頻器。具體時間和頻率與管網系統有關，在現場調試時這兩個參數在TD200上設定調整。管網越大，時間越長。

      當 1#小泵到達50HZ后，系統壓力仍偏低，則延時一段時間后，無塔供水設備系統靠PLC程序把1#泵切換到工頻運行，同時由PLC輸出一個開關量給變頻器的MRS端子，變頻器瞬間禁止輸出，此時PLC把運行時間最少的泵變頻接觸器接通后，撤掉禁止輸出，相應的泵變頻起動運行；延時切斷1#小泵，系統中相應的一臺大泵變頻運行，壓力自動調節，若系統壓力平衡，則頻率穩定在一個相對的范圍，若頻率到達50HZ后壓力仍然偏低，則再投入一臺大泵，比較剩下的泵的累計運行時間，時間少的先行投入，以此類推。注意，上行中，只要有一臺大泵運行，則1#小泵要斷開，大泵與小泵同時運行時，小泵的效率很低。

      下行過程：當系統壓力偏高，變頻器運行在18HZ左右（18HZ以下泵的效率很低，經驗值）時，PLC程序判斷運行在工頻狀態的泵累計運行時間（若只有一臺泵不作判斷），運行時間最多的泵延時先行撤出，在撤出的瞬間，PLC控制變頻器運行頻率在50HZ，要不系統沖擊過大，容易有水垂現象，延時一會兒后，再把 PID運算輸出投入即可；以此類推。注意：下行過程中，到最后一臺大泵運行時，頻率在18HZ左右，系統壓力仍然偏高時，則把1#小泵切換到變頻運行。這種情況在夜間可能發生，當供水管網很大時，也許沒有這個可能性。

注意事項：

      1、該無塔供水設備系統中有泵的工頻變頻上行切換，為了系統的快速響應，切換時間最好越短越好，切換時時間差很小，所以各個泵的變頻接觸器與工頻接觸器最好用可逆接觸器，電氣線路與PLC程序中也要有互鎖功能。以免發生意外短路事故。對系統或變頻器造成危害。

      2、變頻器上行下行切換時間設定，如果設定值過大，則系統不能迅速對管網的用水量做出反應；如果設定值過小，則可能引起系統頻繁的投入泵，撤出泵的動作；為此，PLC程序中增加判斷設定壓力與運行壓力在臨界切換狀態時，只要不超過允許的誤差范圍內，不做泵的切換。

      3、變頻器在上行切換時，必須要有瞬間禁止輸出功能，變頻器沒有此功能可用自由停車功能；所以選擇變頻器時要注意這點。