基于PLC的新型变频调速恒压供水系统

引言
       随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。本文介绍的变频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。
       1、 系统介绍
     变频恒压供水系统原理如图1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。
     通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
     同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。
     正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#，4#。
       2 、工作原理
       2.1 运行方式
       该系统有手动和自动两种运行方式：
        ⑴. 手动运行
       按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-4#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。
        ⑵. 自动运行
       合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。
     若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。
     变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。
       2.2 故障处理
        2.2.1 故障报警
       当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。
        2.2.2 水泵检修
       为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用N泵具有周期定时切换功能，周期间隔由时间控制器设定：1小时每次～96小时每次连续可调。
       3、 PLC控制系统
     该系统采用的是欧姆龙可编程序控制器SYSMAC CPM2A系列，I/O点数为60点，PLC编程采用OMRON CX-Programmer，它是Omron PLC的32位视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。
     泵组的切换示意图如图2。开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上；若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上；若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。
     同样，若3台泵（假设为1#、2#和3#）运行时，3#泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器频率从0Hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。
     以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。
       4、 注意事项
     要使系统稳定的运行，有几个参数需特别注意：
       ⑴. 变频转工频开关切换时间TMC
       设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内TMC必须尽可能的小。
        ⑵. 上下限频率持续时间TH和TL
     变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是TH（TL）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。
       5、 结束语
     在供水系统中采用变频调速运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态，实现恒压供水；减泵时采用“先启先停”的切换方式，相对于“先启后停”方式，更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命；同时针对所用四台泵均已使用多年、需要定期进行检修的实际情况，增加了硬件/软件备用功能，有效延长了设备的使用寿命；压力闭环控制，系统用水量任何变化均能使供水管网的服务压力保持给定，大大提高了供水品质；变频器故障后仍能保障不间断供水，同时实现故障消除后自启动，具有一定的先进性。目前该系统已投入使用，效果明显。