PLC与变频器实现智能无负压给水设备系统控制

 

1 前言

　　常规的供水系统采用水泵定速控制，通过改变阀门的大小的方法调节流量和压力，以达水压恒定。这种方式在运行中存在以下问题。

　　（1）人工操作存在调节滞后，整个系统稳定性差，自动化程度低，使得溢水管经常排水造成资源浪费；

　　（2）水泵定速运行，不仅造成电能的浪费，而且由于泵长期高速运行，易使轴承损坏，影响泵的使用寿命，且备用水泵出现过锈死的现象；

　　（3）每年夏天用水高峰时段水压不能得到保证，当出现了突发性电网故障时，由于水量不足给企业生产造成不便；

　　为了提供恒压供水，因而对饮料公司供水系统进行改造就显得非常重要。可编程序控制器（简称PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。具有通用性好，可靠性高，安装灵活，扩展方便，性价比高等一系列优点，而且其总线与网络能力越来越强，可方便地与上位机组成控制系统，实现系统的高性价比和高效能运作。

　　本文采用PLC和变频器产品研制开发了一种智能无负压给水设备控制系统，可有效减轻工作人员的负担，提高供水系统的优化运行程度，增强系统抗干扰性，避免硬件老化损失。

 

2　智能无负压给水设备系统简介

　　为改善生产环境，某大型饮料公司投资清洁水技改工程并建成一座日产水5万顿的供水系统，分别建设了抽水泵系统、加压泵系统和高位水池。根据公司用水需求特点，从抽水泵系统过来的水一部分直接供给生产用水部门，一部分则需通过加压泵输送到高位水池，而供给生产用水部门的水压与供给高位水池的水压相差较大。同时高位水池距抽水泵房较远达十多公里，高位水池的液位高低和加压泵系统的设计以及如何与抽水泵系统“联动”也是较难解决的。

　　鉴于以上特点，从技术可靠和经济实用角度综合考虑，我们设计了用PLC控制与变频器控制相结合的自动恒压控制供水系统，同时通过主水管线压力传递较经济地实现了加压泵系统与抽水泵系统“远程联动”的控制目的。

3　智能无负压给水设备系统方案

　　系统的控制以DVP-EH型DVP64EH00R PLC为技术平台，DOP-A57CST触摸屏为操作界面，VFD110B43A变频器作为执行构件。触摸屏通过COM2口与DVPEH　PLC 的COM口相连，采用MODBUS协议。PLC通过RS485口控制变频器（便于扩充），支持MODBUS协议。另外还包括施耐德公司的软启动器、电机保护器、数据采集及其辅助设备组成（见图1）。

　　

　　3.1 抽水泵系统

　　整个抽水泵系统有150KW深井泵电机四台，90KW深井泵电机两台，采用变频器循环工作方式，六台电机均可设置在变频方式下工作。采用一台150KW和一台90KW的软起动150KW和90KW的电机。当变频器工作在50HZ，管网压力仍然低于系统设定的下限时，软起动器便自动起动一台电机投入到工频运行，当压力达到高限时，自动停掉工频运行电机。

　　智能无负压给水设备系统为每台电机配备电机保护器，是因为电机功率较大，在过载、欠压、过压、过流、相序不平衡、缺相、电机空转等情况下为确保电机的良好使用条件，达到延长电机的使用寿命的目的。

　　系统配备水位显示仪表，可进行高低位报警，同时通过PLC可确保取水在合理水位的水质监控，同时也保护电机制正常运转工况。

　　系统配备流量计，既能显示一段时间的累积流量，又能显示瞬时流量，可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。

3.2 公司内不同压力供水需求的解决

　　为稳定可靠地满足公司内部分区域供水太力（0.4~0.45Mpa）低于主管网水压力（0.8~0.9Mpa）的要求，配备稳压减压阀来调节，可调范围为0.1~0.8Mpa。

　　3.3 加压泵系统

　　由于抽水泵房距离高位水池较远，直接供水到高位水池抽水泵的扬程不足，为此在距离高位水池落差为36米处设计有一加压泵房，配备立式离心泵两台（一用一备）电机功率为75KW，扬程36米。该加压泵的控制系统需考虑以下条件：

　　（1）若高位水池水位低和主管有水，则打开进水电动蝶阀和起动加压泵向高位水池供水；

　　（2）若高位水池水位满且主管有水，则给出报警信号并关闭加压泵和进水电动蝶阀；

　　（3）若主管无水表明用水量增大或抽水泵房停止供水， 须开启出水电动蝶阀由高位水池向主管补充不。

　　像抽水泵一样，我们为加压泵配备了软起动器和电机保护器，确保加压泵长期可靠地运转，同时配备了高位水池的水位传感器和数显仪和缺水传感器。

　　为保证整个主水管网的恒压供不，当高位水池满且主水管有水时，加压泵停止，此时主管压力将“憋压”， 终将导致主管压力上升，并将此压力传递到抽水泵房，抽水泵的控制系统检测到此压力进行恒压变频控制，进而达到整个主管网的恒压供水，这是整个控制系统设计的关键。

4 系统实现功能

　　4.1 全自动平稳切换，恒压控制

　　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和稳定时，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较低速信号有效，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，直到末后一台泵用主频器恒压供水。另外，控制系统设计六台泵为两组，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。控制系统图见图2。

　　

　　4.2 半自动运行

　　当PLC系统出现问题时，自动控制系统失灵，这时候系统工作处于半自动状态，即一台泵具有变频自动恒压控制功能，当用水量不够时，可手动投入另外一台或几台工频泵运行。

　　4.3 手动

　　当压力传感器故障或变频器故障时，为确保用水，六台泵可分别以手动工频方式运行。

5 实施效果

　　实际运行证明本控制系统构成了多台深井泵的自动控制的较经济结构，在软件设计中充分考虎变频与工频在切换时的瞬间压力与电流冲击，每台泵均采用软起动是解决该问题关键。变频器工作的上下限频率及数字PID控制的上下限控制点的设定对系统的误差范围也有不可忽视的作用。

　　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由于系统采用闭环恒压控制，电机在满足主水很容易网的压力的前提下，节能效果显著，年节电61万度，折合为人民币36万元。

　　⑧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，按日节水100吨计，则年可节水36500吨。

　　总之，采用该PLC控制的智能无负压给水设备肯定能保证该大型饮料厂的足量用水，同时很大程度上降低了维修的劳动强度和延长了设备的使用寿命，实现了真正的自动控制，不仅可解决了现供水系统存在的问题，而且节能效果显著。因此，从节能和改善供水条件上有着重大的价值。

 

    随着社会经济技术的发展进步，市政供水系统水质标准逐步提高，供水能力不断增强。为适应社会发展要求，自动给水设备必然朝着一定的目标发展，这个目标就是高效节能、无水源污染、低噪音、操作方便、运行可靠。

 

    中赢智能无负压给水设备直接以市政管网为水源、形成连续密闭的接力增压供水方式， 避免了传统2次增压供水系统造成的水质标准降低和各种水源污染问题， 保持了市政水源的水质标准充分利用市政水源本身压力热能，差多少补多少，切实有效地、较大限度地发挥了变频调速的节能效果。

 

中赢智能无负压给水设备设计中很好地解决了接力增压供水方式带来的2大问题：

    （1）水泵大幅变工况运行问题。

    （2）对市政水源的缓冲与削峰补偿问题。

    设计了全变频控制系统，可很好的适应于水泵大幅变工况运行。采用部分（单合）水泵变频调速的技术方案时，专门选配了无过载水泵。特别配套设计了各种缓冲罐、水源罐、对市政水源具有良好的缓冲作用和削峰补偿作用可避免对市政水源的过度抽吸。

 

    智能无负压给水设备系列产品设计充分考虑了应用的灵活性，可满足不同地区不同地区不同户具体工程应用要求的差异。

 

智能无负压给水设备产品特点：

    （1）高效节能：充分利用市政水源本身具有的压力热能，差多少补多少，切实有效地、较大限度地发挥了变频调速的节能效果。

    （2）洁净卫生：构成连续密闭的增压供水方式， 保持了市政水源的国家水质卫生标准，从根本上避免了增压系统造成的水质标准降低和各种水源污染问题。

    （3）避免浪费：不仅淘汰了高位水箱，还取消了地面（地下）水池水箱，避免了水箱溢流，定期清洗造成的水源浪费。

    （4）运行噪声低：智能无负压给水设备系列产品采用全变频调整方案时，大部分时间特别在夜间处于低噪声运行工况。

    （5）设计了全密闭的、兼有缓冲作用和动态补偿作用的水源箱罐，与目前市场所谓无负压罐相比，更具有实际意义，并使控制系统得以简化。

    （6）充分总结了本公司及国内外变频给水设备的设计制造经验，采用规范通用的控制系统技术方案，可换用任意厂商的变频器、调节器、PLC和其他元器件，调试维修特别方便，为产品的终身售后服务奠定了良好基础，不会因技术进步而导致售后服务问题。

    （7）具有较高智能性，设计中充分考虑了机、电、仪协调配合，具有欲速则不达的检测监视和简单方便的人机交互功能。具有全面的故障保护功能和对策，变频器故障保护时，自动降级运行（成为工频自动给水设备），自动系统故障时，还可手动操作应急备用，赢得维修时间。

    （8）可按要求选配各种通讯接口、协议，从而可连接各种人机界面、监控计算机，可与各种控制网络，通信网络相接，适用于较复杂的运行控制和联网监控要求。可为用户开发配套监控软件。

 

智能无负压给水设备运行原理

     智能无负压给水设备的应用，是以市政管网为水源，形成密闭的连续接力增压供水方式，其应用与通常的经为了减小直接抽吸对市政供水的影响，一般应在设备入口管道上串接一个承压贮水容器。主要起缓冲作用（动态补偿作用）的水罐称为缓冲罐；平时无动态缓冲作用仅在市政管无水压时才起备用水源作用的水罐称为水源罐。大容积的承压水池也是水源罐的一种形式（一般采用钢筋混凝土现场施工建造。

 

    配套缓冲罐的接力增压设备与配套水源罐的接力增压设备运行原理有一定差异，下面分别予以说明。

 

    1、配套缓冲罐的设备

    成套设备一般由缓冲罐、水泵机组、气压罐控制柜及控制仪表组成，各部分说明如下：

    a、缓冲罐：是接在设备入口处的稳流补偿罐，简称稳流缓冲罐，对市政供水具有动态补偿作用。

    b、水泵机组：选用具有非过载特性的水泵，其工作特性可以适应水源的较大范围内的压力变化，不会产生过载现象。

    c、气压罐：其作用与通常2次增压供水设备中的气压罐相同，本系列标准产品采用的隔膜式微型气压罐，主要利用其保压功能，有利于设备的智能化自动节能控制。

    d、变频控制柜：可采用全变频控制系统，即所有水泵均采用变频调速拖动，也可采用部分变频控制系统（设备标准配置只有1台泵为变频调速拖动）。

    e、旁通管路：如果市政供水平时能够满足水压要求，仅在供水高峰时压力不足，可加载旁通管路，可使市政下拉供水与增压供水实现自动切换运行。

 

智能无负压给水设备运行说明

    （1）当市政管网高压时，设备处于停机状态，市政水源过缓冲罐、旁通管路直接向用户管网供水。

    （2）当市政管网欠压时，设备自动启动，在原不水压基础上变频调速增压（恒压）供水，由于是按“差额补偿”的原则增压，所以在全流量范围即满足了用户恒压供水的需求，同时又实现了高效节能运行。运行过程中密闭的缓冲罐相当一段管路，卫生的自来水不断流过水源罐，不会遭受外界二次污染。

    （3）设备运行中，缓冲罐部分容积为压缩空气（其压力与市政水压相同），因而贮存了一定压力势能，靠此贮能可大大减缓各种冲击对市政水源的影响，同时对市政供水具有动态的削峰补偿作用。当市政服务压力从P2降至P1时，缓冲罐提供的较大补偿水量与缓冲罐总容积关系为：

 

    V＃＝（1-P1/P2）　V总＝KV总

    V＃－供水高峰市政压力从P2降至P1期间水源罐给出的补偿水量（m3）

    P1－市政供水高峰期较低压力 

    P2－市政供水高峰期前的压力

    V总－水源罐的总容积（m3）

 

    例：供水高峰期，市政水源压力从20mH2O降至mH2O，则在该期间水源罐给出的补偿水量为 V＃＝（1-15/30）　V总＝0.5V总（m3），占总容积的50％。显然这是一种切实有效的动态补偿作用，如果所有用户的增压设备均具有这种补偿作用，则总体上对市政供水可起到一定削峰填谷的效果，高峰期间管网服务压力不至于下降得太低。

 

    （4）缓冲罐上配有控制仪表，当市政管网压力低于设定下限值时可自动停机（禁止运行），防止过度抽吸市政水源及防止抽水运行。

 

    2、配套水源罐的设备（箱式无负压供水设备）

 

    成套设备一般由自动隔离阀（选购件）、水源罐（水箱）、水泵机组、气压罐、变频控制柜（含控制仪表）组成。各部分说明如下：

 

    a、自动隔离阀或节流装置（选购件）：用于隔离市政水源，可任意设定动作压力，当市政水源压力低于该值时，隔离装置动作，切换到水源罐或承压水池供水。也可考虑使用廉价的节流装置代替隔离阀，限制较大进水流量，供水不足部分靠水源罐补偿。

 

    b、水源罐：给水运行时罐内全部容积充满了水，由于无压缩空气贮能，对各种冲击的缓冲作用和对市政水源的动态补偿效果不如缓冲罐。但当市政水源压力太低，水源罐出水（供水）大于进水量时，罐内贮水容积可全部用来补偿市政水源的不足。

 

    水源罐提供补偿水量期间，靠真空抑制器使空气自动进入罐体，可避免对高下管网造成负压抽吸作用（即所谓无负压无吸程）。 水源罐只能串接在进水管路中使用。

 

    c、承压水池：一般为钢筋混凝土结构，与水源罐工作原理相同，因其容积大，对市政供水具有很好的削峰填谷作用，适用于全国各地各种市政水源情况。当市政供水管网因故停水期间可由承压水池提供一定时间的供水水源，适用于客户要求高可靠供水的场合。

 

    d、水泵机组：选用本公司具有非过载特性的水泵，其工作特性可适应市政水源的较大范围内的压力变化，不会产生过载现象。

 

    e、气压罐：其作用与通常2次增压供水设备中的气压罐相同，标准产品设计中采用隔膜微型气压罐，主要利用其保压功能，有利于设备的智能化自动节能控制。

 

    f、变频控制柜：可选择采用全变频技术方案，即所有水泵均采用变频拖动，也可采用部分变频技术方案（只有一台泵为变频调速拖动）。

 

    g、旁通管路：如果市政供水平时满足水气要求，仅在供水高峰时压力不足，可加载旁通管路，使市政直接供水与增压供水自动切换运行。

 

智能无负压给水设备运行说明

    （1）当市政管网高压时，设备处于停机状态，市政水源通过水源罐、旁通管路直接向用户管网供水。

    （2）当市政管网欠压时，设备自动启动，在原有水压基础上变频调速增压（恒压）供水，由于按“差额补偿”原则增压，所以在全流量范围即满足了用户恒压供水的需求，同时又实现了高效节能运行。运行过程中密闭的罐只相当于一段管路，新鲜卫生的自来水不断流过水源罐（或承压水池），不会遭受外界污染。

    （3）当市政水源压力太低，自来水进水小于设备供水（水源罐出水）时，靠水源罐贮水容积来补偿市政水源的不足。水源罐提供的较大补偿水量与水源罐总容积相同V补＝V总。

    水源罐提供补偿水量期间，靠真空抑制（自动进、排气阀），使空气自动进入罐体，可避免对市政管网造成负 抽吸作用

    （4）为进一步减小直接抽吸对市政水源的影响，可选购一只水源隔离阀及控制仪表，从而可任意设定允许抽吸的较低压力，当市政水源入口压力降到允许抽吸的较低压力时，水源隔离装轩会自动启动，设备将切换到以补偿罐为水源自动供水。也可考虑选购廉价的节流装置代替隔离阀，限制自来水进水流量，供水不足部分靠水源罐补偿。即所谓无负压供水（管网叠压供水），并可保证水源罐容积全部被有效利用。

    （5）市政水源因故停水且水源罐贮水也己消耗完，设备会自动停机（禁止运行）。水源正常后自动恢复运行。