PLC的微机变频给水设备中的节能控制系统

引言  

　　随着我国城乡建设的迅速发展,水、电供应不足的矛盾越来越成为人们关注的问题。例如,人们日常生活中的用水量越来越大,24H中的用水量的波动也越来越大。以往的供水系统中,水泵的选取往往是按 大供水量来确定,而实际的用水量在不断变化。高峰用水时间较短,这样水泵在很长一段时间内有较大余量,不仅水泵效率低,供水压力不稳,而且造成大量电力、水资源的浪费;并且以往依靠手动操作控制泵的启动、停止,也已不能满足要求。这里,介绍一种变频控制的恒压供水系统,它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力,又能节约能源。  

微机变频给水设备系统介绍  

　　该微机变频给水设备控制系统主要装置包括：可编程控制器（PLC）、变频器、压力传感器、PID控制器以及相关软件控制单元。该装置形成一套完整的、全自动的、智能的恒压供水控制系统。该系统能够以三种方式工作，分别为全自动、半自动和手动操作方式，其中后两种是在全自动方式出现故障时的弥补。  

　　2全自动恒压供水控制原理  

　　当主水管网压力传感器的压力信号4~20mA送给数字PID控制器，控制器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下的泵，投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量，保证压力稳定。若两台泵运转仍，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在 低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到 后一台泵用主频器恒压供水[4]。另外，控制系统设两台泵为一组，每台泵的电机累计运行时间可显示，24小时轮换一次，既保证供水系统有备用泵，又保证系统的泵有相同的运行时间，确保了泵的可靠寿命。  

微机变频给水设备恒压供水控制系统的编程  

　　本程序用富士专用的FLEX PLC编程器编译[1]，利用梯形图清晰直观地展示各设备的运转状况等等。具体编程思想如下：  

　　首先选择利用FLEX PLC的输入继电器、输出继电器以及内部继电器，确定本设计方案所包括的仪器仪表。即一台富士NB系列PLC、两台7.5KW水泵、一台富士G11/P11变频器、一台压力传感器、一台SR90系列PID调节器、若干个空气开关、断路器、中间继电器等。根据PLC接线原理图（如图2所示），进行详细接线，并参考FUJI NB系列可编程控制器得参考手册，对PLC输入输出端子进行定义。  

微机变频给水设备系统操作说明  

　　4.1自动控制  

　　1. 设定用户需要的目标压力值  

　　系统送电之后，控制柜面板上的电源指示灯点亮，其下方的温控表将会有显示：PV---.---、SV---.---。其中PV---.---表示水管网中的实测压力值,SV---.---表示用户需要的目标压力值.用户可按动▲、▼键使 SV---.--- 中的数字发生改变，直到显示用户需要的水管网的压力值时按下ENT键，结束目标压力值设定。  

　　2.选择需要开启的泵组  

　　自动/停/手动开关向左45度扳动一次时，泵组处于启动状态，系统将选择1号泵组启动；控制柜面板上的自动/停/手动开关扳到垂直位置时，四台泵组均处于停止状态。当将自动/停/手动开关再次向左45度扳动一次时，系统将选择2号泵启动；   

　　3.变频自动工作开始  

　　当系统检测到某台泵组的启动信号以后，便会使变频器开始升频工作，此时水管网中的压力开始上升，即PV---.---中的显示值开始上升，并不断趋向于用户设定的SV---.---中的目标压力值。当水管网中的压力和用户的设定的目标压力值相吻合（即PV---.---中的显示值和SV---.---中的显示值相吻合）时，变频器的输出频率便会稳定[3]。  

　　4.2自动控制中的部分功能  

　　1.自动切换至工频  

　　2.故障泵组自动退出运行  

　　3.定期倒换工作泵组  

微机变频给水设备恒压供水控制系统的优点  

　　1.采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。  

　　2.用稳压减压阀经济地解决了不同用水压力的问题。  

　　3.拓宽运用变频恒压控制原理，较好地解决了加压泵房与抽水泵房的远程通讯总是并达到异地连锁控制的目的。  

　　4.在抽水泵房设置连续液位显示，并将信号传与PLC，防止泵缺水烧坏电机，设定的取水位置，确保水的质量。  

　　5.电机既有电机保护器，又有软起动器，克服了起动时的大电流冲击，相对延长了电机制使用寿命。  

　　6.由于采用PLC控制的压力自动控制，可以实现无人远程操作，系统的PLC预留有RS485接口，可与公司总调度室计算机网络进行连接。  

　　7.通过采用变频器控制，可在不同季节、节假日、日夜及上下班等全面调控水量。 

微机变频给水设备概述

      微机变频给水设备是由防倒流装置（根据需要设置），稳流罐，防负压装置，水泵机组，限压保护装置，膨胀罐（根据需要设置），控制仪表，控制柜，阀门，管路系统，配套附件等组成，从供水管网直接吸水，通过压力传感器检测出压力，将检测值和设定值进行比较，计算出在市政自来水管网的原有压力的基础上需要增加的压力值，确定水泵投入台数和变频器输出频率，调整水泵的转速以符合用水曲线实现恒压供水或变压供水。微机变频给水设备 大程度利用了市政管网自来水的原水压力，对市政管网不产生负压，用不锈钢稳流灌和管件，减少了用水的二次污染，是新一代供水领域的节能产品。

微机变频给水设备功能特点

1、自动消除负压

      微机变频给水设备系统与市政自来水管网直接吸水叠压供水而不造成市政管网出现负压。采用高品质的材料和附件设备，通过吸收、改良，自主研发了多功能、采用电子防负压智能技术，能够提供高水准的精密控制的成套设备，综合已经达到高水平。

2、叠压节能

      微机变频给水设备在运行时借助市政自来水的压力，在原有管网压力的基础上叠加所需的压力差，差多少，补多少，充分利用管网的余压，系统自动调整水泵运行台数或调整水泵转速，实现一直高度有效 点运行。当进水压力能满足设计压力时，水泵进入休眠节能状态。因此大大节省了运行费用，符合 节能的要求。

3、压力控制

      微机变频给水设备实时通过压力传感器检测出口压力，将检测值和设定值进行比较，计算出在市政自来水管网余的压基础上需要增加的压力值，确定水泵投入台数和变频器输出频率，调整水泵的转速实现叠压恒压供水或叠压变压供水的控制。

4、自动化程度高

      系统具有手动启动停止、自动启动停止方式、预留远距离操作接口、备用泵自动切换、压力控制（恒压/变压）、高低电压保护、欠相保护、漏电保护、过载保护、过热保护、跳闸保护等功能，系统全自动运行无须专人值守，人机界面，可远程调整、监测和维护。

5、卫生

      系统全密封运行，异物不能进入系统内部，不与空气直接接触。如防负压装置启动时，膜滤装置将空气中的细菌挡住，不进入系统，防止用水二次污染。稳流罐和主要过流部件均采用304不锈钢制造，确保用水卫生，满足人们对饮用水越来越高的要求，也符合 涉水卫生规范。

6、停电不停水

      系统直接和市政自来水管网相连，在停电时加压泵虽停止工作，但自来水管网压力依旧可维持低区用户供水，即使在停水时，用户也可以靠稳流灌存水维持短时间供水。

7、断水或缺水保护

      系统在进水断水或缺水时，设备停止运行。当设备恢复进水且达到设定条件时，设备自动恢复正常运行。

8、节省投资、节省运行和维护成本

      系统没设蓄水池等储水设施，节省占地面积，降低建筑负荷，从而节省了大笔土建投资费用。

      系统全自动运行无须专人值守，也没有水质处理仪器，免去定期清洗、消毒等工作；减少了系统滴、漏、益流的损失。故节能效果十分显著。

9、安装简单快捷

      设备现场只需将设备大件组装起来，连接进、出水管法兰即可，施工周期短，安装简单。

10、备用泵

      系统配备一台备用泵，备用泵的供水能力不小于 大一台工作泵的供水能力，确保在水泵更换易损件或更换水泵时不影响设备供水能力。

微机变频给水设备结构及组成

      微机变频给水设备是由防倒流装置（根据需要设置），稳流罐，水泵机组，限压保护装置，膨胀罐（可选），控制仪表，控制柜，阀门，管路系统，配套附件等组成。

控制柜

      独立研发的多功能智能叠压供水设备专用控制柜，设备采用日本深川公司 新技术专业供水变频器或同等档次 品牌变频器，    电器元件和控制模块，保证控制柜稳定可靠，控制方式灵活，抗干扰能力强，对环境的电磁污染小。

平滑控制技术

      控制系统拥有压力平滑控制技术。如果没有平滑控制技术，设备往往会出现过高的情况。在加减泵或出现水量变化较大的情况下，压力波动比较大。采用平滑控制技术后，系统可以根据实际反馈压力自动控制加减速速度，使系统的压力更加稳定。

压力自动补偿技术

      根据系统阻力特性，当流量越大时，系统的阻力越大。为了满足系统在 大用水量时有足够的扬程来克服系统阻力，一般厂家在设定系统压力时只能按 大流量所需的压力来设置，当小流量用水时压力过剩造成能量浪费。公司研制的控制系统拥有压力平滑控制技术，可以根据系统用水量的变化自动调节系统的设定压力，在小流量用水时运行在低压力值，随着用水量的增大，系统按照水力特性，逐渐增大系统的使用压力。从而 大限度地节省了电能。

合理性的水泵选型

      一些设备生产厂家往往由于技术力量不足，对水泵的特性不了解。由于水泵的工作点决定了系统的节能率以及设备的使用寿命，公司的技术人员拥有丰富的水泵与系统的设计和调试经验，不仅仅考虑了水泵的单机性能，还充分考虑了水泵的并联性能，使系统更合理。

不锈钢稳流罐

      稳流罐为304 不锈钢材料制成，表面抛光或亚光外理。配备防负压装置和液位装置，在管网压力波动时稳流罐内的水能作为补充起到稳流作用。

水泵机组

      水泵采用丹麦格兰富多级立式离心泵或国内知名企业水泵，止回阀、球阀或蝶阀，仪表、进出水管、管件这些材质采用304不锈钢或还保材料，这些和机组底座一起构成水泵机组。