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自来水厂 PLC 变频恒压供水系统的研究与设计

作时间:2019-10-11  来源:  编辑:
   
摘要:城市用水量在一天内并不是一成不变的(如居民生活用水在下班后会增加),供水压力仅靠人工手动调节是很难缓解的,导致供水压力在用水需求量较大时不够、在用水需求量较小时过大的现象,资源被极大地浪费了。为有效解决这一问题,将先进的自动化技术、网络通讯技术及控制手段等融合到自来水厂的变频恒压供水系统,通过用户的用水需求来对供水量进行自动调节,并且保持供水管网压力在一个恒定值就迫在眉睫了,这正是本文的研究出发点。相较于传统的高位水箱、水塔及压力罐供水模式,利用变频器、传感器、PLC 等器件的有机组合构成的 PLC 变频恒压供水系统,具有较高的系统稳定性、运行经济性及节能性,极大地降低了设备投资成本,并且当用户的用水需求发生变化时,供水管网压力仍然保持在一个恒定值。
1 自来水厂 PLC 变频恒压供水系统的总体架构
自来水厂 PLC 变频恒压供水系统的总体架构如图1所示,其主要是利用 PLC 控制一台变频器拖动一台电动机的启动、运行与调速,其余电机采用软启动启动。当变频电机调速不能满足供水水压时,启动软启动电机,根据输出水压自动调整变频电机速度。采用循环使用的运行方式来实现管网压力的恒定和水泵电机的变频运行和工频运行的切换。
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根据设计功能和供水环境的特点,系统采用了如下三层控制结构 :(1)变频调速器。水泵的转速由变频器来进行调节,水泵的频率由变频器内置的 PID 调节器来实现模糊调节,从而实现用户用水需求量发生变化时,出水量能够相应地快速变化,保持供水管网压力保持在一个恒定值 ;(2)可编程逻辑控制器 PLC。系统自动控制程序被安装在 PLC 中,开关、按钮、模拟量信号和其他开关量信号输入被其采集,变频器、软启动器等电气元件能够被其发出的开关信号所控制,从而实现水泵的投切及工频、变频的转换。此外,当供水系统运行中出现异常情况时,PLC 可以通过采集到的信号来对异常状况进行快速分析判断,并根据分析判断结果来向工作人员发出警报 ;(3)上位机人机界面。系统参数的设定与修改、远程控制指令的下发等操作由上位机人机界面负责实施。
2 自来水厂 PLC 变频恒压供水系统的功能设计
第一,手动控制和全自动控制两种模式。在系统调试和水泵检修时通常采用手动控制模式,通过手动启停控制面板上的启动按钮来实现任意一台水泵的工频软启动和停止操作,从而对水泵的运转是否正常进行分析判断 ;全自动控制模式则用于系统正常运行时,通过预先设置好的运行参数和手动按下控制面板上的启动按钮,就能够根据用户用水量需求的变化和预先设置好的参数来对水泵运行台数和运行转速进行自动调节,从而确保系统处于非常优运行状态,达到安全可靠运行和节能的效果。
第二,管网供水压力的闭环控制。管网压力数据通过压力变送器得以实时采集,PLC 的模拟量采集模块接收管网压力数据后,经过 A/D 转换来转变为数字信号并传输给 PLC 的内置 PID 调节器,管网供水压力的闭环控制就可以通过 PID 调节得以实现。
第三,设置管网压力参数。供水压力在不同供水环境下是存在显著差异的,通过压力范围设定,系统可以根据环境变化或用户需求来自行设置管网压力参数。
第四,变频器运行状态的实时监控。变频器的各类运行状态数据(如输入电压、输出电压、运行频率、运行功率、输入电流、输出电流等)处于系统的实时监控下。
第五,设置重要参数的报警值。系统运行过程中难免会发生一些突发事件或故障,此时就需要通过设置重要参数的报警值来提醒工作人员及时进行检查维修,避免故障的进一步蔓延(如软启动器故障报警、管网超压报警及电机过流报警等)。以管网超压报警为例,当供水管网的压力值超过设定极限值时,系统就会根据预先设置好的信号来进行分析判断并采取必要的处理结果(发出声光警报信号或自动停机),防止事故的发生。
第六,远程通讯功能。上位机人接界面可以和通讯柜中的PLC 进行通讯,各水泵的运行状态及其他设备的运行参数被远程传输给上位机,同时上位机下发的控制指令也会远程下达给各类现场设备,从而实现系统整体运行状态的远程监控。
第七,人机交流。通过良好的人接界面,上位机与工作人员间可以进行直观且简单的交流(如工作人员在上位机上设置系统运行参数、查询某台水泵的历史运行数据和报警信息、远程遥控现场设备的启停等,生成和打印供水报表等)。第八,扩展和升级。系统在硬件选型时预留出一部分 I/O 点数和继电器数量,方便日后系统扩展和系统升级用。
3 结束语
为改变传统的人工手动控制局面,自来水厂必须将先进的自动化技术、网络通讯技术及控制手段等融合到变频恒压供水系统中,通过用户的用水需求来对供水量进行自动调节,从而解决人工手动控制对供水管网压力变化响应不及时、设备运行安全无法得到有效保障、资源浪费严重等问题,在提高供水系统自动控制水平和控制质量的基础上,切实降低自来水厂的生产运营成本,提高经济效益。
 
 
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