基于臺達PLC與變頻器實現自動變頻給水設備自動恒壓控制

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；

（2）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；

（3）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。

      本文采用臺達公司的PLC和變頻器產品研制開發了一種自動變頻給水設備控制系統，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　自動變頻給水設備系統簡介

      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變頻給水設備，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　自動變頻給水設備系統方案

      自動變頻給水設備系統的控制以臺達的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。

      自動變頻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。

      自動變頻給水設備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。

      自動變頻給水設備系統配備流量計，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：

（1）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；

（3）若主管無水表明用水量增大或抽水泵房停止供水，必，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 自動變頻給水設備系統實現功能

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采用自動變頻給水設備，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。

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。

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。

⑦由于系統采用閉環恒壓控制，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控制的自動變頻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。