PLC控制的無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)
PLC控制的無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)
無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備概述
變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機(jī)無級調(diào)速驅(qū)動技術(shù)，它以其獨(dú)特優(yōu)良的控制性被廣泛應(yīng)用在速度控制領(lǐng)域。特別是在供水行業(yè)中，由于生產(chǎn)安全和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴(yán)格要求，變頻調(diào)速技術(shù)也得到了更加深入的應(yīng)用。
自來水廠日產(chǎn)水量60萬噸，擔(dān)負(fù)著市區(qū)及周邊地區(qū)70%以上的供水任務(wù)。自1999年年底六廠的三期工程投產(chǎn)后開始向縣供水，使得我廠的供水方式從單一的重力流供水變?yōu)橹亓α骱蛪毫α鹘Y(jié)合供水的方式。自向縣供水以來，由于考慮到現(xiàn)階段郫縣的用水量較少，從節(jié)約能耗的角度出發(fā)，我廠使用一臺泵同時(shí)向縣供水和提供我廠的自用高壓水。為了滿足六廠自用水壓力，保證廠內(nèi)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)設(shè)備（如消毒環(huán)節(jié)中的水射器）能正常工作，我廠自用水壓力須較恒定的控制在0.3 Mpa以上，采用變頻調(diào)速控制是保證壓力恒定較為有效的方法。根據(jù)我們對縣城區(qū)供水量的了解，發(fā)現(xiàn)縣全天各時(shí)段用水量變化較大（見后圖5），如果不對供水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，管網(wǎng)壓力的波動也會很大，容易出現(xiàn)管網(wǎng)失壓或爆管事故。采用變頻恒壓供水控制后，當(dāng)縣用水量較小時(shí)，這時(shí)相應(yīng)管道和泵出口壓力均較大，變頻恒壓控制方式將會降低泵的頻率，減小泵出水量，從而降低管網(wǎng)壓力；反之亦然。這樣，小時(shí)用水量變化較大也不會造成管網(wǎng)壓力有較大的波動。經(jīng)過長期運(yùn)行實(shí)踐，證明了變頻調(diào)速手段實(shí)現(xiàn)恒壓供水不僅保證廠內(nèi)自用高壓水壓力足夠且穩(wěn)定，而且保證了縣供水的安全可靠性。
無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備控制系統(tǒng)構(gòu)成
整個(gè)恒壓供水系統(tǒng)有兩組變頻泵，每組均由一臺變頻器和一臺水泵組成；系統(tǒng)以PLC為控制核心，由PLC采集壓力信號和輸出控制變頻泵的運(yùn)行。控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
PLC處理器選用的是Allen-Bradley公司的PLC-5型處理器，變頻泵選用的是ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的變頻器和水泵。系統(tǒng)由兩只量程為0~1.0Mpa的壓力變送器分別檢測兩臺水泵后的輸水管道的壓力，壓力變送器將檢測到的壓力信號轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號，送到PLC子站的模擬量輸入模板（1771-IFE），通過PLC的PID運(yùn)算，由模擬量輸出模板（1771-OFE）輸出4~20mA的電流控制變頻泵的運(yùn)行。
無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備控制原理及功能實(shí)現(xiàn)
3.1 PLC控制系統(tǒng)簡介
我廠采用Allen-Bradley公司的PLC-5型處理器通過DH+通訊方式構(gòu)建了全廠PLC工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，通過DH+網(wǎng)絡(luò)上的RSView工作站實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。RSView工作站是指運(yùn)行人機(jī)圖形界面軟件（RSView32）的計(jì)算機(jī)工作平臺，該工作站建在中心控制室，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場無人值守和運(yùn)行集中管理的調(diào)度中心。利用RSView32可以有效地對控制過程進(jìn)行監(jiān)視和控制，可以實(shí)現(xiàn)圖形化的人機(jī)對話界面，模擬生產(chǎn)運(yùn)行的流程，在模擬流程上更加直觀地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的全自動運(yùn)行監(jiān)視、遠(yuǎn)程人工直接干預(yù)操作（如PID指令運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定）、控制環(huán)節(jié)報(bào)警監(jiān)視等功能。控制界面如圖2。
圖2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制圖形界面（RSView工作站）
3.2 恒壓供水的控制原理
SAMI STAR變頻器具有REMOTE和LOCAL兩種操作方式。LOCAL操作方式下，通過LOCAL START/STOP開關(guān)啟停變頻器，通過f REF LOCAL INPUT0 輸入端口的電位開關(guān)人工調(diào)節(jié)變頻器工作頻率；通過LOCAL/REMOTE輸入點(diǎn)可以將變頻器切換到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通過REMOTE START/STOP輸入點(diǎn)進(jìn)行PLC遠(yuǎn)程啟停變頻器，通過f REF REMOTE INPUT0端口輸入頻率控制信號（百分比）控制變頻器工作頻率。根據(jù)供水量情況，我們把變頻器的工作頻率上限設(shè)定為水泵基頻，即頻率變化范圍控制在0~50Hz，在此范圍內(nèi)水泵運(yùn)行頻率和定子相壓成正比（及與變頻器輸入頻率成正比），這使得變頻器輸入、水泵運(yùn)行頻率和泵的輸出壓力成較好的線形關(guān)系，可得到較好的控制效果。SAMI STAR變頻器對用戶開放的I/0接口位于TERMINAL BLOCK CARD上，主要使用的有：X11-1（REMOTE START/STOP）；X11-4（LOCAL/REMOTE）；X11-13/14（f REF REMOTE INPUT0、4~20mA信號輸入）；X11-15/16（輸出4~20mA變頻器運(yùn)行頻率信號）；X11-17/18（輸出4~20mA變頻泵運(yùn)行電流信號）。變頻器由PLC遠(yuǎn)程控制時(shí)，啟動是由PLC向X11-4輸出信號，使變頻器切換到外部設(shè)備控制方式（REMOTE方式），再向X11-1輸出信號，啟動變頻器。在恒壓調(diào)節(jié)時(shí)，PLC處理器把檢測到的壓力信號作為反饋值，與PID運(yùn)算的壓力設(shè)定值（由調(diào)度人員根據(jù)情況在REView上設(shè)定）進(jìn)行比較，再經(jīng)過PID運(yùn)算得到調(diào)節(jié)后的修正值，通過模擬量輸出模板（1771-OFE）輸出到X11-13/14，作為REMOTE方式下變頻器的頻率控制信號，由于該信號是相對變頻器工作頻率上限的百分比，所以變頻器將輸入信號進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算后轉(zhuǎn)為真實(shí)工作頻率。
為了使三期變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)與全廠自動控制網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地結(jié)合起來，全面實(shí)現(xiàn)對恒壓供水系統(tǒng)的運(yùn)行情況和設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制，更加安全可靠地實(shí)現(xiàn)恒壓供水，我們使用PLC進(jìn)行PID運(yùn)算和監(jiān)控。PID閉環(huán)反饋控制原理如圖3：
PLC的PID運(yùn)算調(diào)節(jié)通過該型處理器專用PID指令完成，通過設(shè)置各參數(shù)即可由PLC完成PID運(yùn)算調(diào)節(jié)。PID程序段流程如圖4。PID指令必須以相同的時(shí)間間隔周期性地執(zhí)行，可采用計(jì)時(shí)器，定時(shí)中斷或?qū)崟r(shí)采樣的等方法，此處選用了定時(shí)方法；PV是PID指令采樣的壓力控制反饋值，SP是PID指令的壓力控制設(shè)定值，KP為PID的比例增益，KI為PID的積分增益，KD為PID的微分增益，這五個(gè)控制參數(shù)作為主要的PID參數(shù)參與控制，確定PID參數(shù)時(shí)要兼顧系統(tǒng)靈敏性和穩(wěn)定性，由于我們恒壓控制要求和設(shè)備的性能條件，參數(shù)設(shè)定更強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性（及KI），由于微分環(huán)節(jié)有放大噪聲的特點(diǎn)，我們將KD盡量設(shè)置得較小；SWM為PID指令轉(zhuǎn)為手動直接調(diào)頻的開關(guān)，SO設(shè)定為PID指令的在手動控制輸出方式時(shí)的輸出值，當(dāng)變頻器從PID自控調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為手動直接調(diào)頻時(shí)，SO替代PID運(yùn)算結(jié)果作為轉(zhuǎn)換時(shí)的輸出值，將SO設(shè)定為控制值就可實(shí)現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換，減小變頻器運(yùn)行頻率的震蕩。DB為PID指令的死區(qū)設(shè)定值，輸出超出死區(qū)時(shí)PID指令通過自動運(yùn)算限制輸出超出限定范圍。
3.3 相關(guān)控制功能實(shí)現(xiàn)
為了防止運(yùn)行時(shí)由于壓力變送器不可預(yù)見的故障造成PLC的PID運(yùn)算調(diào)節(jié)失實(shí)，從而造成管網(wǎng)壓力失恒引發(fā)失壓或爆管的嚴(yán)重事故。我們分別在1#和2#變頻泵后輸水管上安裝壓力變送器，可以同時(shí)測到出廠輸水管線上的壓力；在PLC程序上對壓力信號進(jìn)行了相應(yīng)的處理，在程序中設(shè)置選擇軟開關(guān)，調(diào)度人員可以在RSView上將其中一臺壓力變送器的值設(shè)定為“控制反饋值”，另一臺壓力變送器的值則設(shè)為“參考反饋值”（見圖2：變頻恒壓供水系統(tǒng)控制圖形界面（RSView工作站））；對1#壓力和2#壓力值進(jìn)行比較，相差0.1Mpa時(shí)，判斷為，其中一只壓力變送器出現(xiàn)故障，變頻器控制轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)程直接手動調(diào)頻控制（通過RSView設(shè)置運(yùn)行）。壓力變送器正常工作時(shí)，“控制反饋值”經(jīng)過平均濾波處理后，分別比較壓力報(bào)警上限和下限值，如果超出控制范圍，變頻器控制轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)程直接手動調(diào)頻控制，否則“控制反饋值”作為PID調(diào)節(jié)的參數(shù)PV。
同時(shí)為了在就地手動控制實(shí)現(xiàn)在控制現(xiàn)場對變頻泵進(jìn)行開停控制和運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視。我們在變頻泵工作現(xiàn)場安裝了A-B公司的PanelView圖形工作終端，該工作終端提供圖形交互界面和觸摸輸入方式，以從站的方式與PLC進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制命令的交換，提供就地監(jiān)控操作的通道。
無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備運(yùn)行效果分析
4.1 有效保證縣供水和我廠自用水壓力穩(wěn)定，提高我廠供水安全可靠性
圖5為數(shù)據(jù)庫采集的2001年某日我廠恒壓變頻泵出水壓力、頻率變化以及郫縣供水和自用水流量、管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)關(guān)系圖。
從圖中數(shù)據(jù)可看出縣小時(shí)供水量變化很大，如果采用定速泵進(jìn)行供水必然會導(dǎo)致高峰供水時(shí)段內(nèi)管網(wǎng)供水壓力不足，夜間用水量較小時(shí)管網(wǎng)壓力過高，造成爆管現(xiàn)象。采用變頻恒壓控制后，變頻器的頻率隨縣用水量的變化而變化，及時(shí)調(diào)節(jié)我廠對郫縣供水量，從而使郫縣城區(qū)管網(wǎng)壓力在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化（0.23-0.27Mpa）。另一方面，雖然我廠自用水秒流量變化不大，但由于我廠自用水和縣供水為同一水泵加壓后，分作兩條支流，縣用水量的變化必然也會導(dǎo)致自用水壓力不穩(wěn)定，采用恒壓變頻控制方式，基本克服了這種變化因素。從上圖曲線也可看出，我廠自用水壓力基本恒定不變。這樣保證了我廠加氯水射器等重要設(shè)備的正常工作，保證了正常的消毒工藝流程，從而保證我廠出廠水水質(zhì)，提高我廠供水的安全可靠性。
4.2 高效節(jié)能
通過采用變頻調(diào)速恒壓控制，可在不同季節(jié)、全天不同時(shí)段內(nèi)有效即時(shí)地調(diào)控水量，這樣在用水量較低時(shí)，大大節(jié)約供水量，減少電耗。
在設(shè)定壓力內(nèi)跟隨用水量供水，避免了傳統(tǒng)供水方式的損耗，降低噸水消耗。
4.3 提高自動化水平
根據(jù)我廠建立自動控制系統(tǒng)的原則“分散控制、集中管理、現(xiàn)場無人值守”，無負(fù)壓穩(wěn)壓給水技術(shù)的應(yīng)用提高了我廠自控系統(tǒng)的整體水平，真正作到了操作簡便安全，現(xiàn)場無人職守，運(yùn)行安全可靠。
中贏無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備產(chǎn)品概述：
中贏無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備是我公司專業(yè)技術(shù)人員在氣壓給水設(shè)備的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種能直接與自來水管網(wǎng)連接、且對自來水管網(wǎng)不產(chǎn)生任何負(fù)作用的成套給水設(shè)備。它可以取代蓄水池，能直接供水或間接供水，形成連續(xù)密閉的接力增壓供水方式。避免了二次增壓供水系統(tǒng)造成的能源的二次浪費(fèi)和二次污染，我公司生產(chǎn)的設(shè)備與其它廠家的產(chǎn)品不同，因解決了自動采樣控制等有關(guān)技術(shù)方面問題。而采用的是隔膜式負(fù)壓罐，完全保證水源與空氣隔絕。絕對保持了市政水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；充分利用市政水源本身壓力勢能，差多少，補(bǔ)多少，切實(shí)有效地、最大限度地發(fā)揮了變頻調(diào)速的節(jié)能效果；大幅度地節(jié)省了基建投資并縮短了施工工期。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)中很好地解決了接力增壓供水方式帶來的2大問題：
1) 水泵大幅變工況運(yùn)行問題。設(shè)計(jì)了全變頻控制系統(tǒng)。可更好的適應(yīng)于水泵在大幅工況運(yùn)行問題。
2) 特別配套設(shè)計(jì)了各種緩沖罐、水源罐，對市政水源有很好的緩沖與削峰補(bǔ)償作用，避免對市政水源的過度抽吸。 產(chǎn)品設(shè)計(jì)充分考慮應(yīng)用的靈活性，自適應(yīng)性強(qiáng)，可滿足不同用戶具體工程應(yīng)用要求的差異。
中贏無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備工作條件：
具有足夠承重能力的混凝土平臺或能保證正常工作要求的平整地面
電源：TN-S制、3相5線、380V（+10%、-15%）、50Hz（±5%）、接地電阻小于4歐
環(huán)境：室內(nèi)安裝使用、0-40℃不凍結(jié)、90%RH以下不結(jié)露、無腐蝕、易燃、易爆氣體
海拔1000m以下，5.9m/s（0.6g）以下。
中贏無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備產(chǎn)品特點(diǎn)：
1、 無需建高位水箱、地面（地下）水池水箱-潔凈衛(wèi)生、高效、節(jié)能、節(jié)資
經(jīng)濟(jì)衛(wèi)生、充分利用市政水源本身壓力勢能，最大限度地發(fā)揮了變頻調(diào)速的節(jié)能效果。實(shí)踐證明：使用直聯(lián)式中贏無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備可節(jié)省50%以上的興建水池費(fèi)用，與其他供水設(shè)備相比，可節(jié)電20%-40%。
2、 運(yùn)行噪聲低
采用變頻調(diào)速運(yùn)行，特別是采用全變頻控制系統(tǒng)，大部分時(shí)間特別是夜間處于低速低噪聲運(yùn)行工況。
3、 采用全密閉的兼有緩沖及動態(tài)補(bǔ)償作用的隔膜罐，與目前市場上的普通無負(fù)壓給水設(shè)備更有實(shí)際意義。并使控制系統(tǒng)得以簡化。
4、 產(chǎn)品先進(jìn)，質(zhì)量可靠，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，通用性好
采用規(guī)范通用的控制系統(tǒng)技術(shù)方案，產(chǎn)品中關(guān)鍵零部件,如:電機(jī)、水泵軸承、變頻器、調(diào)節(jié)器、PLC、和其他元器件采用了國際、國內(nèi)名牌，還可換用任意廠商的相應(yīng)部件，調(diào)試維修方便。
5、 功能全、智能化程度高，自適應(yīng)性強(qiáng)
中贏無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備采用了先進(jìn)的變頻控制技術(shù)、軟起動、有過載，短路、過壓、欠壓、缺相、過熱和失速保護(hù)等功能。在異常情況下能進(jìn)行信號報(bào)警、自檢、故障判斷等，還可根據(jù)用水量的高低自動調(diào)節(jié)供水流量。變頻器故障時(shí)自動降級運(yùn)行（成為工頻自動給水設(shè)備），自動系統(tǒng)故障時(shí)，還可手動操作應(yīng)急備用，贏得維修時(shí)間。
6、 個(gè)性化設(shè)計(jì)、壽命長
若用戶需要，可設(shè)計(jì)符合用戶需要參數(shù)的設(shè)備及安裝形式。
可按要求選配各種通訊接口、協(xié)議，從而可連接各種人機(jī)界面、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、可與各種控制網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)相接，適用于特殊、復(fù)雜的運(yùn)行控制和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控要求。可為用戶開發(fā)配套監(jiān)控軟件。
中贏無負(fù)壓穩(wěn)壓給水設(shè)備主要用途：
適用于任何自來水壓力不足地區(qū)的加壓供水。
1、工礦企業(yè)的生產(chǎn)、生活用水及各種補(bǔ)水系統(tǒng)；
2、新建住宅小區(qū)或?qū)懽謽巧钣盟?/span>
3、已建好的水池，可以采用無負(fù)壓供水設(shè)備與水池共用的供水方式，進(jìn)一步節(jié)能；
4、對原有氣壓供水設(shè)備進(jìn)行改造，可以充分利用原有的氣壓罐；
5、各種循環(huán)系統(tǒng)，自來水廠的中間加壓泵站。
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