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PLC在恒壓供水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
1 引言
恒壓供水系統(tǒng)對(duì)于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水壓力不足或短時(shí)斷水，可能會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備損壞。又如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。
基于上述情況對(duì)某生活區(qū)供水系統(tǒng)進(jìn)行了改造，采用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID相結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達(dá)到恒壓供水的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
供水系統(tǒng)由主供水回路、備用回路、儲(chǔ)水池及泵房組成，其中泵房裝有1#～3#共3臺(tái)150kW泵機(jī)。另外，還有多個(gè)電動(dòng)閘閥或電動(dòng)蝶閥控制各供水回路和水流量。由于該供水網(wǎng)較大，系統(tǒng)需要供水量每小時(shí)開2臺(tái)泵機(jī)向管網(wǎng)充壓，供水量大時(shí)，開3臺(tái)泵機(jī)同時(shí)向管網(wǎng)充壓。要想維持供水網(wǎng)的壓力不變，在管網(wǎng)系統(tǒng)的管道上安裝了壓力變送器作為反饋元件，為控制系統(tǒng)提供反饋信號(hào)，由于供水系統(tǒng)管道長(zhǎng)、管徑大，管網(wǎng)的充壓比較慢，故系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，不宜直接采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，而應(yīng)采用PLC參與控制的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。可編程序控制器選擇日本松下FP1-C40型，且配有A/D和D/A模塊，其原理框圖如圖1所示。變頻器選擇FRN1 60G7P-4實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速運(yùn)行。
控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、切換繼電器、壓力傳感器等部分組成�？刂坪诵膯卧狿LC根據(jù)手動(dòng)設(shè)定壓力信號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器的反饋信號(hào)經(jīng)PLC的分析和計(jì)算，得到壓力偏差和壓力偏差的變化率，經(jīng)過PID運(yùn)算后，PLC將0～5V的模擬信號(hào)輸出到變頻器，用以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及進(jìn)行電機(jī)的軟起動(dòng);PLC通過比較模擬量輸出與壓力偏差的值，通過I/O端口開關(guān)量的輸出驅(qū)動(dòng)切換繼電器組，以此來協(xié)調(diào)投入工作的電機(jī)臺(tái)數(shù)，并完成電機(jī)的起停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整電機(jī)組中投入工作的電機(jī)臺(tái)數(shù)和控制電機(jī)組中一臺(tái)電機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速，使動(dòng)力系統(tǒng)的工作壓力穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到恒壓供水的目的。
圖1 恒壓供水系統(tǒng)原理圖
3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和PLC的I/O分配
系統(tǒng)程序包括起動(dòng)子程序和運(yùn)行子程序，其流程圖如圖2所示。運(yùn)行子程序又包括模擬調(diào)節(jié)子程序(其流程圖如圖3所示)和電機(jī)切換子程序(流程圖略)，電機(jī)切換子程序又包括加電機(jī)子程序和減電機(jī)子程序(程序設(shè)計(jì)略)。PLC的輸入、輸出端子分配情況如附表所示。
圖 2 起動(dòng)程序流程圖
圖3 模擬調(diào)節(jié)流程圖
附表 可編程序控制器(C40)部分輸入、輸出端子分配
4 系統(tǒng)工作過程
加上起動(dòng)信號(hào)(X4)后，此信號(hào)被保持，當(dāng)條件滿足(即X2為“1”)時(shí)，開始起動(dòng)程序，此時(shí)由PLC控制1# 電機(jī)變頻運(yùn)行(此時(shí)Y0、Y6、Y7亮)，同時(shí)定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)(10s)，若計(jì)時(shí)完畢X2仍亮，則關(guān)閉Y0、Y6(Y7仍亮)，T2延時(shí)1s(延時(shí)是為了兩方面的原因:一是使開關(guān)充分熄弧，防止電網(wǎng)倒送電給變頻器，燒毀變頻器;二是讓變頻帶器減速為零，以重新起動(dòng)另一臺(tái)電機(jī))。延時(shí)完畢，則有1#機(jī)投入工頻運(yùn)行，2#機(jī)投入變頻運(yùn)行，此時(shí)Y1、Y2、Y6、Y7亮，同時(shí)定時(shí)器T1開始計(jì)時(shí)(10s)，若計(jì)時(shí)完畢X2仍未滅，則關(guān)閉Y2、Y6，(Y1、Y7仍亮，)T3延時(shí)1s，延時(shí)完畢，將2#機(jī)投入工頻運(yùn)行，3#機(jī)投入變頻運(yùn)行，(此時(shí)Y1、Y3、Y4、Y6、Y7亮，)再次等待Y7滅掉后，則整個(gè)起動(dòng)程序執(zhí)行完畢，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行調(diào)節(jié)程序，此后起動(dòng)程序不再發(fā)生作用，直到下一次重新起動(dòng)。在起動(dòng)過程中，無論幾臺(tái)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，X2一旦滅掉，則應(yīng)視為起動(dòng)結(jié)束(Y7滅掉)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)程序。綜合整個(gè)起動(dòng)過程，完成3臺(tái)電機(jī)的起動(dòng)最多需要22s的時(shí)間。
運(yùn)行過程中，若模擬調(diào)節(jié)器節(jié)上、下限值均未達(dá)到(即X1、X2滅)，則此時(shí)變頻器處于模擬調(diào)節(jié)狀態(tài)(此時(shí)相應(yīng)電機(jī)運(yùn)行信號(hào)和Y6亮)。
若達(dá)到模擬調(diào)節(jié)上限值(X1亮)，則定時(shí)器T4馬上開始定時(shí)(5s)。定時(shí)過程中監(jiān)控X1，若X1又滅掉，則關(guān)閉定時(shí)器，繼續(xù)摸擬調(diào)節(jié);若T4定時(shí)完畢，X1仍亮，則起動(dòng)一低速(Y8亮)，進(jìn)行多段速調(diào)節(jié)，同時(shí)定時(shí)器T5開始定時(shí)(3s)，定時(shí)完畢。若X1仍亮，則關(guān)閉此多段速，起動(dòng)一更低速(Y9)，同時(shí)定時(shí)器T6定時(shí)(10s)。定時(shí)完畢，若X1仍亮，則關(guān)掉Y9，此后X0很快會(huì)通，轉(zhuǎn)入切換動(dòng)作程序。在此兩級(jí)多段速調(diào)節(jié)過程中，無論何時(shí)，若X0亮，則會(huì)關(guān)閉相應(yīng)多段速和定時(shí)器，同時(shí)進(jìn)行切換動(dòng)作，即轉(zhuǎn)入切換程序。同樣，若無論何時(shí)，X1滅掉，則關(guān)閉運(yùn)行多段速和定時(shí)器，轉(zhuǎn)入模擬調(diào)節(jié)。
若達(dá)到模擬調(diào)節(jié)下限值(X2亮)，則定時(shí)器T7馬上開始定時(shí)(5s)，定時(shí)過程中監(jiān)控X2，若X2又滅掉，則關(guān)閉定時(shí)器，繼續(xù)摸擬調(diào)節(jié)，若T7定時(shí)完畢，X2仍亮，則起動(dòng)一高速(Y7、Y2)，進(jìn)行多段速調(diào)節(jié)，同時(shí)定時(shí)器T8開始定時(shí)(3s)，定時(shí)完畢。若X2仍亮，則關(guān)閉此多段速，起動(dòng)一更高速(Y8、Y9)，同時(shí)定時(shí)器T9定時(shí)(10s)，定時(shí)完畢。若X2仍亮，則關(guān)掉Y8、Y9，此后X3很快會(huì)通，轉(zhuǎn)入加電機(jī)動(dòng)作程序。在此兩級(jí)多段速調(diào)節(jié)過程中，無論何時(shí)，若X3亮，則會(huì)關(guān)閉相應(yīng)多段速和定時(shí)器，同時(shí)進(jìn)行加電機(jī)動(dòng)作，即轉(zhuǎn)入加電機(jī)程序。同樣，若無論何時(shí)，X2滅掉，則關(guān)閉運(yùn)行多段速和定時(shí)器，轉(zhuǎn)入模擬調(diào)節(jié)。
電機(jī)切換程序分為電機(jī)切除程序和加電機(jī)程序兩部分。此程序動(dòng)作的條件是:起動(dòng)結(jié)束后無論何時(shí)X0亮，一旦條件滿足，即由PLC根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)來決定相應(yīng)切換哪臺(tái)電機(jī)，切換時(shí)只能切換工頻運(yùn)行電機(jī)。
若工作狀態(tài)是1臺(tái)變頻1臺(tái)工頻，則立即切除工頻電機(jī)，然后計(jì)數(shù)值減1，即完成此過程，再由調(diào)節(jié)程序運(yùn)行，調(diào)節(jié)至滿足要求為止。
若3臺(tái)電機(jī)同時(shí)工作，則應(yīng)由PLC來決定切除哪臺(tái)工頻運(yùn)行電機(jī)。切除依據(jù)是3臺(tái)電機(jī)對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的大小，誰大切誰，切除掉一臺(tái)后，要由定時(shí)器定時(shí)(5s)等待，以便變頻器調(diào)節(jié)一段時(shí)間，防止連續(xù)切除動(dòng)作。這主要是考慮到本系統(tǒng)的非線性和大小慣性因素而采取的措施。 圖3運(yùn)行時(shí)模擬調(diào)節(jié)子程序流程圖加電機(jī)程序，其動(dòng)作程序是:起動(dòng)結(jié)束后無論何時(shí)X2亮，一旦條件滿足，立即關(guān)掉變頻運(yùn)行電機(jī)和變頻器，延時(shí)一段時(shí)間后(原因同上)，將原變頻運(yùn)行電機(jī)投入工頻運(yùn)行，同時(shí)打開變頻器和將要起動(dòng)電機(jī)的變頻開關(guān)，完成加電機(jī)。
同樣，若原有2臺(tái)電機(jī)工頻工作，則X2一亮，立即開始加另一臺(tái)電機(jī)(無延時(shí))，(加電機(jī)依據(jù)是判斷計(jì)數(shù)值，誰小加誰)但加電機(jī)完成以后，定時(shí)器要開始定時(shí)(5s)等待，讓變頻器調(diào)節(jié)一段時(shí)間，防止連續(xù)加電機(jī)動(dòng)作。其過程分為:1# → 2#、1# → 3#、2# → 3#、2# → 1#、3# → 2#、 3# → 1#。
5 結(jié)束語
用變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥門來實(shí)現(xiàn)恒壓供水相比較，節(jié)能效果十分顯著。其優(yōu)點(diǎn)是:起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊;由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等的使用壽命;可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng);在鍋爐和其他燃燒重油的場(chǎng)合，恒壓供油可使油的燃燒更加充分，大大地減輕了對(duì)環(huán)境的污染。
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