基于PLC和变频器的供水智能系统

 

1 引言

      供水智能系统采用变频器和可编程控制器plc等现代控制设备和技术实现恒定水压供水，是供水领域技术革新的一项有效措施，以往采用的水塔供水既不稳定又不经济，更重要的是浪费了大量的能源，本文介绍的变频恒压供水系统以其有效的实用性和经济性，彻底解决了上述问题，是一项颇有实用价值的调速系统，为现有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径。

 

2 供水智能系统控制的原理

      基于s7-200的变频恒压供水系统的工作原理，是利用s7-200的可编程控制器和变频器作为控制核心，时刻跟随管网的压力与压力设定值的偏差变化情况，利用变频器检测实际水压值，再将实际水压值和设定值进行比较，按照变频器内部的pid规律运算后，自动控制水泵电机的转速；通过plc输出控制变频与工频切换；自动控制水泵电机投入台数和水泵电机的转速，实现闭环自动调整恒压供水，在保持恒压下达到控制流量的目的；同时利用“先启先停”的原则，自动巡检每天水泵的运行时间，保证每台水泵的工作时间一样。

      本文以辽宁千山水泥厂的恒压供水项目为例，设计了一套恒压供水系统（见附图），整个供水系统主要包括两个部分：清水泵恒压控制和循环水泵恒压控制。清水泵主要是生活用水，循环水泵主要是工业用水，清水泵和循环水泵都由s7-200控制，清水泵是一拖二，循环水泵是一拖三，两者的控制要求是一样的。本文重点介绍循环水泵控制系统。

供水智能系统控制要求：

(1)控制系统具有手动、自动两种工作方式，手动用于设备调试、检修及其特殊情况下的供水。正常情况下，设备置于中控自动位，实现自动运行。

(2)当工作方式转换开关处于自动时，可以根据设定压力自动进行控制，保证恒压供水。

(3)当工作方式转换开关处于手动时，由人工在柜面上通过电位器调节各水泵转速。

(4)清水泵泵正常情况下为一用一备，两台水泵互为备用；循环泵正常情况下为两用一备，三台水泵互为备用，由可编程控制器控制三台水泵之间的自动启停。

(5)系统具有运行、报警、故障等信号，均为无源常开点。

 

3 供水智能系统工作过程

      变频调速恒压控制系统构成由可编程控制器、变频器、水泵电机组、水位传感器等组成。系统采用一台变频器拖动三台电动机的启动、运行与调速，三台电机循环使用的方式运行，系统结构图如附图所示。

      根据现场生产的实际情况，一般只需要一台泵变频工作就能满足生产需要，在用水高峰时期或特殊情况下需要一台泵变频运行一台泵工频运行，且保证每台泵工作的时间一样，循环使用每台泵。

分析自动控制系统的工作过程，可以分为以下三种情况：

(1) 第一种情况

      泵1在变频器的带动下变频运行，当用水量增大时，变频器达到最大50hz；这时泵1由变频变为工频，泵2变频运行；泵1没有出现故障，而用水量又减小，在plc可编程控制器控制下，停止泵1工频运行，只有泵2变频运行，这期间一旦泵1出现故障，在plc可编程控制器控制下，停止泵1的运行，让泵2变频运行以保证供水压力恒定。

(2) 第二种情况

      泵2在变频器的带动下变频运行，当用水量增大时，变频器达到最大50hz；这时泵2由变频变为工频，泵3变频运行；泵2没有出现故障，而用水量又减小，在plc可编程控制器控制下，停止泵2工频运行，只有泵3变频运行，这期间一旦泵2出现故障，在plc可编程控制器控制下，停止泵2的运行，让泵3变频运行以保证供水压力恒定。

(3) 第三种情况

      泵3在变频器的带动下变频运行，当用水量增大时，变频器达到最大50hz；这时泵3由变频变为工频，泵1变频运行；泵3没有出现故障，而用水量又减小，在plc可编程控制器控制下，停止泵3工频运行，只有泵1变频运行，这期间一旦泵1出现故障，在plc可编程控制器控制下，停止泵3的运行，让泵1变频运行以保证供水压力恒定。

在plc程序设计中，必须认真考虑这三种情况和三种情况的循环，才能保证系统实现正常的切换与长期稳定的运行。

 

4 系统硬件的设计

4.1 变频器硬件设计

      变频器选用abb/acs400型7.5kw变频器产品，适配电机7.5kw，该变频器基本配置中带有pid功能，通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的一个压力信号（4~20ma）接在变频器的辅助，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上，变频器的极限输出频率的检测输出信号端进plc，作为泵变频与工频切换的控制信号，变频器的极限输出频率通过面板可以设定，一般为50hz。变频器的故障输出端分别进plc可编程控制器和故障指示灯，plc可编程控制器让故障泵停止工作，切换到正常泵，同时让故障指示灯亮，提醒人们。变频器面板上有故障复位按键，一般的故障用复位按键复位，可以重新启动变频器；变频器的运行与停止端子接到plc可编程控制器的输出端；变频器的u、v、w输出端并联3个接触器分别接到3个泵上面，变频器可分别带动3个泵，3个泵还可以通过另外3个接触器并联到工频电源上。

4.2 plc硬件设计

      根据系统要求，系统数字量输入点总有8个，数字量输出点9个，plc可编程控制器选用西门子s7-200中的cpu224系列。i/o地址分配见附表。

 

5 注意事项

(1)变频转工频开关切换时间t

      设置t是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，此时间要设置的合理，太小空气开关很容易跳闸，根据经验这个时间一般为2~3s左右，最好用plc上面的电位器来根据实际情况来调整。

(2)上下限频率持续时间th和tl

      变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是th（tl）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。由于没有显示面板，所以用plc上面的电位器来根据实际情况来调整。

 

6 结束语

      供水智能系统逻辑控制采用plc，压力调节采用带pid控制的变频器，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，无冲击，具有较好的控制效果。在实际运行中，可以根据用户实际需要，通过改变压力给定，进行任意设定，在系统进行增泵或减泵过程中，水压波动允许的范围内，一旦增泵或减泵过程结束，压力立即稳定到设定值，这个过程前后不到30s时间，很好地满足了用户用水要求。供水智能系统采用变频器调节水泵转速，使系统实现了高效节能，节能效率可达40%左右，同时由于采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。运行结果表明，采用plc和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统，有着很强的实用性，具有压力稳定、结构简单、工作可靠等特点，为供水领域的技术革新，开辟了切实有效的途径。