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基于PLC+變頻器的高樓無壓供水系統

1 引言

      目前的大型高層建筑和住宅小區的供水大多仍舊采用傳統的固定頻率三相交流電機拖動負載，采用高位水箱或氣壓罐加壓等方式。隨著季節、晝夜、時間等變化因素的影響，用水量相差很大, 管網水壓不恒定，供水和用水之間不平衡。采用plc+變頻器的調速高樓無壓供水系統可以解決上述諸多問題。本設計用一臺變頻器控制多臺水泵(一拖n)的控制方案, 具有供水系統運行平穩, 對電網沖擊小, 節約能源等優點。

2 高樓無壓供水系統水泵控制特性

      水泵特性控制曲線圖1所示。若流量從q1降至q2，恒速泵揚程將升至b，因恒壓線在cp處，通過反饋控制，變頻器降頻運行，水泵由n2減速，維持在n1點，以保持恒壓cp，減少了bb′段揚程，節約了電能。根據管網實際需要，設定管網壓力，系統配以壓力傳感器及plc，輸出標準信號調節變頻器輸出頻率，控制電機及水泵轉速，實現以給定壓力為目標的壓力閉環自動控制。

3 電子陶瓷傳感器pmc原理及特點

      檢測元件的精度直接影響系統的控制質量。通常可以選用各種壓力傳感器檢測管網壓力。傳統的壓力傳感器有利用彈性元件的，諸如電感壓力傳感器、電容壓力傳感器等。pmc系列壓力傳感器的構造與之不同，屬于一體化的高精度儀器。它采用電子陶瓷技術，測量元件完全是固體形式。其工作原理是:使壓力直接作用于電子陶瓷膜片，膜片出現位移后所產生的電容量被與其同體的電子元件檢測、放大，最后轉換成4～20ma的標準信號輸出。由于結構的一體化，該元件具有相當強的抗沖擊和抗過載能力，過壓量達額定量程的百倍以上;由于壓力測量元件中不用傳統的介質物質，該元件具有極高測量精度，且幾乎不受溫度梯度的影響;該元件采用pfm方式傳輸信號，大大減少了現場干擾的影響，信號傳輸用普通導線完成，簡單方便;同時該元件重量輕，體積小，安全可靠[1]。

4 高樓無壓供水系統“一拖n”控制方案

4.1 控制方案

      以“一拖二”方案為例，先由變頻器啟動l#水泵運行，若工作頻率已達到變頻器的上限位50hz而壓力仍低于規定值時，將1#水泵切換成工頻運行，此時變頻器的輸出頻率迅速下降為0，然后啟動2#水泵，供水系統處于“一工一變”的運行狀態; 若變頻器再次達到上限值50hz而壓力仍低于規定值時，將2#水泵也切換成工頻運行，供水系統處于“二工一變”的運行狀態。反之，若變頻器工作頻率已下降至下限位(一般設定為25～35hz)而壓力仍高于規定值時，令1#水泵停機，供水系統又處于“一工一變”的運行狀態; 若變頻器工作頻率又降至下限值而壓力仍高于規定位時，令2#水泵停機，系統回復到一臺水泵變頻運行狀態。如此循環運行。

4.2 變頻與工頻的切換

      當水泵電機由變頻運行切換至工頻運行時，必須經延時時間td，進入穩速運行后接觸器自動合閘，以防止操作過電壓; 而當水泵電機由工頻運行切換至變頻運行時，也必須經延時時間td后接觸器再閉合，防止電動機運轉產生的感應電勢損壞變頻器。td根據水泵電機的功率而定，功率越大，td越大，100kw電機取值約為2.5～3.5s。

4.3 電路觸點互鎖

      在電路設計和plc程序設計中，控制每臺水泵工頻/變頻切換的兩個接觸器的輔助觸點或者plc內部“軟觸點”必須相互聯鎖，以保證可靠切換，防止變頻器輸出端與工頻電源發生短路而損壞。為杜絕切換時接觸器主觸點意外熔焊、輔助觸點誤動作而損壞變頻器的事故，圖2中的k1采用兩臺連體雙重聯鎖的cjx2-n型聯鎖接觸器。

5 高樓無壓供水系統構成與功能

5.1 系統構成

      本高樓無壓供水系統是閉環恒壓供水系統，以plc為核心。選pmcl33型壓力傳感器作為出水口端壓力檢測元件，檢測泵出口管網水壓力作反饋信號，該元件可承受的相對壓力最大測量范圍達0～40mpa，最小測量范圍為0～1kpa，所需電源要求電壓為12.5～30v，精度±0.1%，壓力傳感器將出水口的壓力信號線性轉換為4～20ma dc標準信號送到plc。plc選用西門子s7-200系列可編程控制器，進行壓力設定值與檢測元件反饋值的比較、pi運算等調節器功能，通過參數自整定后輸出標準控制信號，該信號再進入到變頻控制器模擬信號輸入端，控制變頻器輸出頻率，最終達到控制水泵電機的轉速，實現閉環控制。配以帶有參數設置功能的變頻器以及水泵電動機，綜合系統供水質量及低成本要求，選用東芝vf-s7-170kw變頻調速器一臺，該變頻器可以自動完成軟啟動，配有參數設置模塊，對主要功能參數如加/減速時間、轉矩提升、過熱保護進行設置等。水泵電機選擇變頻運行、工頻運行和自由停車三種方式，由plc依據壓力情況自動切換，變頻運行機組與啟動柜之間有可靠的電路和軟件互鎖，以保證系統安全運行。當用戶使用流量增大時，根據水泵特性，水泵出口壓力降低，壓力傳感器將壓力作反饋信號送到plc，通過調節后刷新輸出，送給變頻器，使變頻器增大輸出頻率，水泵電機轉速也隨之增大，管網壓力提高。反之亦然。

5.2 高樓無壓供水系統運行特點

系統經過進一年的試運行，效果良好。技術指標完全達到設計要求。其主要特點是:

(1) 提高了功率因數，改善了電機電源質量，電機的功率與實際負荷相匹配，節能效果達27%左右;

(2) 運行電機軟起動, 自由停車。電機均通過變頻器由0～50hz緩慢加速起動，減少了機泵因突然高速起動所帶來的影響，以及直接起動時起動電流對電網的沖擊;

(3) 實現了水壓自動控制，被調節量得到平穩的調節，增強了系統的穩定性和可靠性。

6 結束語

      本高樓無壓供水系統是以plc為核心的閉環變頻恒壓供水系統，實際運行證明，系統運行良好，穩定可靠，達到了預期效果，適合于在高層建筑的供水行業中推廣應用。