基于PLC+变频器的高楼无压供水系统

1 引言

      目前的大型高层建筑和住宅小区的供水大多仍旧采用传统的固定频率三相交流电机拖动负载，采用高位水箱或气压罐加压等方式。随着季节、昼夜、时间等变化因素的影响，用水量相差很大, 管网水压不恒定，供水和用水之间不平衡。采用plc+变频器的调速高楼无压供水系统可以解决上述诸多问题。本设计用一台变频器控制多台水泵(一拖n)的控制方案, 具有供水系统运行平稳, 对电网冲击小, 节约能源等优点。

2 高楼无压供水系统水泵控制特性

      水泵特性控制曲线图1所示。若流量从q1降至q2，恒速泵扬程将升至b，因恒压线在cp处，通过反馈控制，变频器降频运行，水泵由n2减速，维持在n1点，以保持恒压cp，减少了bb′段扬程，节约了电能。根据管网实际需要，设定管网压力，系统配以压力传感器及plc，输出标准信号调节变频器输出频率，控制电机及水泵转速，实现以给定压力为目标的压力闭环自动控制。

3 电子陶瓷传感器pmc原理及特点

      检测元件的精度直接影响系统的控制质量。通常可以选用各种压力传感器检测管网压力。传统的压力传感器有利用弹性元件的，诸如电感压力传感器、电容压力传感器等。pmc系列压力传感器的构造与之不同，属于一体化的高精度仪器。它采用电子陶瓷技术，测量元件完全是固体形式。其工作原理是:使压力直接作用于电子陶瓷膜片，膜片出现位移后所产生的电容量被与其同体的电子元件检测、放大，最后转换成4～20ma的标准信号输出。由于结构的一体化，该元件具有相当强的抗冲击和抗过载能力，过压量达额定量程的百倍以上;由于压力测量元件中不用传统的介质物质，该元件具有极高测量精度，且几乎不受温度梯度的影响;该元件采用pfm方式传输信号，大大减少了现场干扰的影响，信号传输用普通导线完成，简单方便;同时该元件重量轻，体积小，安全可靠[1]。

4 高楼无压供水系统“一拖n”控制方案

4.1 控制方案

      以“一拖二”方案为例，先由变频器启动l#水泵运行，若工作频率已达到变频器的上限位50hz而压力仍低于规定值时，将1#水泵切换成工频运行，此时变频器的输出频率迅速下降为0，然后启动2#水泵，供水系统处于“一工一变”的运行状态; 若变频器再次达到上限值50hz而压力仍低于规定值时，将2#水泵也切换成工频运行，供水系统处于“二工一变”的运行状态。反之，若变频器工作频率已下降至下限位(一般设定为25～35hz)而压力仍高于规定值时，令1#水泵停机，供水系统又处于“一工一变”的运行状态; 若变频器工作频率又降至下限值而压力仍高于规定位时，令2#水泵停机，系统回复到一台水泵变频运行状态。如此循环运行。

4.2 变频与工频的切换

      当水泵电机由变频运行切换至工频运行时，必须经延时时间td，进入稳速运行后接触器自动合闸，以防止操作过电压; 而当水泵电机由工频运行切换至变频运行时，也必须经延时时间td后接触器再闭合，防止电动机运转产生的感应电势损坏变频器。td根据水泵电机的功率而定，功率越大，td越大，100kw电机取值约为2.5～3.5s。

4.3 电路触点互锁

      在电路设计和plc程序设计中，控制每台水泵工频/变频切换的两个接触器的辅助触点或者plc内部“软触点”必须相互联锁，以保证可靠切换，防止变频器输出端与工频电源发生短路而损坏。为杜绝切换时接触器主触点意外熔焊、辅助触点误动作而损坏变频器的事故，图2中的k1采用两台连体双重联锁的cjx2-n型联锁接触器。

5 高楼无压供水系统构成与功能

5.1 系统构成

      本高楼无压供水系统是闭环恒压供水系统，以plc为核心。选pmcl33型压力传感器作为出水口端压力检测元件，检测泵出口管网水压力作反馈信号，该元件可承受的相对压力最大测量范围达0～40mpa，最小测量范围为0～1kpa，所需电源要求电压为12.5～30v，精度±0.1%，压力传感器将出水口的压力信号线性转换为4～20ma dc标准信号送到plc。plc选用西门子s7-200系列可编程控制器，进行压力设定值与检测元件反馈值的比较、pi运算等调节器功能，通过参数自整定后输出标准控制信号，该信号再进入到变频控制器模拟信号输入端，控制变频器输出频率，最终达到控制水泵电机的转速，实现闭环控制。配以带有参数设置功能的变频器以及水泵电动机，综合系统供水质量及低成本要求，选用东芝vf-s7-170kw变频调速器一台，该变频器可以自动完成软启动，配有参数设置模块，对主要功能参数如加/减速时间、转矩提升、过热保护进行设置等。水泵电机选择变频运行、工频运行和自由停车三种方式，由plc依据压力情况自动切换，变频运行机组与启动柜之间有可靠的电路和软件互锁，以保证系统安全运行。当用户使用流量增大时，根据水泵特性，水泵出口压力降低，压力传感器将压力作反馈信号送到plc，通过调节后刷新输出，送给变频器，使变频器增大输出频率，水泵电机转速也随之增大，管网压力提高。反之亦然。

5.2 高楼无压供水系统运行特点

系统经过进一年的试运行，效果良好。技术指标完全达到设计要求。其主要特点是:

(1) 提高了功率因数，改善了电机电源质量，电机的功率与实际负荷相匹配，节能效果达27%左右;

(2) 运行电机软起动, 自由停车。电机均通过变频器由0～50hz缓慢加速起动，减少了机泵因突然高速起动所带来的影响，以及直接起动时起动电流对电网的冲击;

(3) 实现了水压自动控制，被调节量得到平稳的调节，增强了系统的稳定性和可靠性。

6 结束语

      本高楼无压供水系统是以plc为核心的闭环变频恒压供水系统，实际运行证明，系统运行良好，稳定可靠，达到了预期效果，适合于在高层建筑的供水行业中推广应用。