摘 要:水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,研究设计的基于plc控制的多泵循环变频恒压供水系统,采用可编程序控制器、变频器以及压力变送器等器件,完成逻辑控制、变频调速和数据采样等功能,使系统实现自动控制,达到节能的目的,提高了供水系统的质量。
关 键 词:可编程控制器;变频器;恒压供水
0 引言
水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统供水系统大多采用水塔、高位水箱或气压罐式增压设备,用水泵以高出实际用水高度的扬程来“提升”水量,其结果增大了水泵的轴功率和能耗。现研究设计的水塔水位控制系统采用变频调速恒压供水系统,实现水泵无级调速。依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求,是当今先进、合理的节能型供水系统[1]。水泵启动后,压力变送器向pid控制器提供控制点的压力信号,当该点的压力不等于设定值时,pid控制器通过调节变频器的输出频率以改变水泵的转速来调节管道压力,构成闭环反馈控制系统,因此用户水压调节及时,波动小,效果良好。并在控制系统的程序设计中充分考虑到负载均衡性原则,采取“先入先出”的排队策略,执行变频方式轮值,确保各水泵使用率基本均衡。
1 变频调速恒压供水
系统的原理
变频调速恒压供水系统主要由可编程控制器(plc)、变频器(内置pid)、压力变送器、低压电器及水泵等组成见图
1.图中m1~m3为水泵电机,p1~p3为水泵,km1~km6为电机起、停及互相切换的交流接触器。系统基本工作原理:由plc向变频器发出信号,控制水泵循环工作,当用水量大时,由plc控制全部水安装在出水管网上的压力变送器,将压力信号转换成标准的dc 0 v~10 v的模拟量信号送入变频器内的pid调节器,压力设定值与压力反馈值进行比较后,经pid计算输出一个执行值作为变频器的频率给定值,由变频器为水泵电机提供可变频率的电源,实现水泵电机的无级调速,调节管网出口处供水压力,达到恒压供水目的。为了保证水压反馈信号值的准确、不失值,对反馈信号设置滤波时间常数。在变频器功率范围内,图1中的电机数量可以增加,实现“一拖多机”的优化方案。
2 水塔水位控制系统的设计
按变频调速恒压供水系统原理设计的水塔水位控制系统框图如图2所示,市网自来水用水位控制器eq来控制注水阀yv1,只要水位低于高水位,则自动往水池注水。水池的高/低水位信号也直接送给plc,作为高/低水位报警。为了保证供水的连续性,水位的上下限距离较小。生活用水和消防用水共用三台水泵[3],平时电磁阀yv2处于失电状态,关闭消防管网,当火灾发生时,电磁阀yv2得电,关闭生活用水管网,三台水泵供消防用水使用,并维持消防用水的高压值。火灾解除后,三台水泵改为生活用水使用,并循环运行,维持生活用水的低恒压值。每台水泵电机既可以变频运行,又可以工频运行。当用水量较小时,一台水泵在变频器的控制下稳定运行,当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力稳定时,plc给定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水泵投入到工频运行,以保持压力的连续性,同时将下一台水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;若两台水泵运转仍不能满足压力的要求,则依次将变频工作状态下的水泵投入到工频运行,再将一台水泵投入变频运行;当用水量减少时,首先表现为变频器已工作在最低速信号有效,这时压力上限信号如仍出现,plc首先将最先工频运行的水泵停掉,以减少供水量,当上述两个信号仍存在时,plc再停掉第二台工频运行的水泵,直到最后一台泵用变频器恒压供水。所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制,实现带载软启动,避免了启动大电流给水泵电机带来冲击,延长了电机的使用寿命。同时系统供水采用变频运行水泵循环方式,以“先开先关”的顺序关水泵,这样,既保证供水系统有备用水泵,又保证系统水泵有相同的运行时间,有效地防止因为备用水泵长期不用发生锈死现象,提高了设备的综合利用率,降低了维护费用。
电气控制系统主电路见图3.交流接触器km1、km3、km5分别控制三台水泵电机m1、m2、m3的工频运行;交流接触器km2、km4、km6则分别控制m1、m2、m3的变频运行;fr1、fr2、fr3是热继电器,用于保护三台水泵电机的过载; qs1、qs2、qs3、qs4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关;fu1~fu3为主电路的熔断器。该系统工作于手动状态时,plc只进行检测报警,由人工通过面板上的按钮和开关进行水泵的起、停和切换;该系统工作于自动状态时,所有控制、报警均由plc完成。
3 水塔水位控制系统的软件设计
系统的自动控制功能主要是通过软件来实现的,结合前面所述变频调速恒压供水系统的控制要求,水塔水位控制系统的主程序流程见图4.利用定时器中断功能实现pid控制的定时采样及输出控制,三台水泵切换信号的生成、接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都由程序控制。在程序设计时充分考虑到负载均衡性原则,采取“先入先出”的排队策略,执行变频方式轮值,确保各水泵使用率基本均衡。生活及消防双恒压的两个恒定值是采用数字式方式直接在程序中设定的。生活供水时系统设定值为满量程的70%,消防供水时系统设定值为满量程的90%.pid回路增益和时间常数初步设定为:增益kc=0.25、采样时间ts=0.2 s、积分时间ti=30 min.根据具体情况需进一步调整以达到最优的控制效果。
为了恒定供水,在水压降落时要升高变频器的输出频率,当变频器达到上限频率且一台水泵还不能满足恒压要求时,则把变频运行的水泵切换到工频上运行,同时需要变频启动第二台或第三台水泵,直到满足供水要求。判断需不需要启动新水泵的标准就是变频器的输出频率是否达到设定的上限值。为了判断变频器工作频率达上限值的准确性,应滤去偶然的频率波动起的频率达到上限的情况。变频器控制水泵电机的每一次启动均为软启动,并规定各台水泵必须交替使用,任一台泵连续变频运行不得超过3 h,因此每次需启动新水泵时,将现行运行的水泵从变频器上切除,并换上工频电源运行,将变频器复位并用于新运行水泵的启动。三台水泵的工作循环控制是使用水泵号加1的方法实现(到3在加1时等于零),即用水泵的总数结合水泵号实现水泵的轮换工作。
4 结束语
本文研究设计的水塔水位控制系统采用可编程控制器、变频器依据用水量的变化通过pid压力变送器来实现变频驱动水泵电机无级调速,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求,从而达到恒压供水的目的。控制系统在程序设计时充分考虑到负载均衡性原则,采取“先入先出”的排队策略,执行变频方式轮值,确保各水泵使用率基本均衡。变频恒压供水改变了以往的定量供给方式,实现“按需分配”原则,因此变频恒压供水方式节省能源、操作方便、自动化程度高。
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