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基于PLC和變頻器的全自動(dòng)給水系統(tǒng)研究

1　引言

      隨著變頻器技術(shù)的日益成熟，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。全自動(dòng)給水系統(tǒng)以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在小區(qū)供水和工廠供水控制中發(fā)揮了很大的作用。

      根據(jù)某洗衣機(jī)進(jìn)水電磁閥生產(chǎn)廠家的需要，為了給該廠電磁閥性能測(cè)試生產(chǎn)線(xiàn)提供基準(zhǔn)恒壓水源，本文利用PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)的全自動(dòng)給水系統(tǒng),能較好地滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，水壓精度較高。為了不浪費(fèi)水資源，系統(tǒng)還具有自動(dòng)水循環(huán)功能。

2　全自動(dòng)給水系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)原理

      全自動(dòng)給水系統(tǒng)的基本控制策略是:采用可編程控制器(plc)與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，即根據(jù)實(shí)際設(shè)定水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和水泵的數(shù)量,自動(dòng)補(bǔ)償用水量的變化，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值,既可以滿(mǎn)足生產(chǎn)供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

      變頻調(diào)速全自動(dòng)給水系統(tǒng)由變頻器、泵組電機(jī)、供水管網(wǎng)、儲(chǔ)水箱、智能pid調(diào)節(jié)器、壓力變送器、plc控制單元等部分組成，控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。其中變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化，同時(shí)變頻器還可作為電機(jī)軟啟動(dòng)裝置，限制電機(jī)的啟動(dòng)電流。壓力變送器的作用是檢測(cè)管網(wǎng)水壓。智能pid調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的pid調(diào)節(jié)。plc控制單元?jiǎng)t是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時(shí)還是變頻器的驅(qū)動(dòng)控制，根據(jù)用水量的實(shí)際變化，自動(dòng)調(diào)整其它工頻泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。變頻器和plc的應(yīng)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動(dòng), 消除了對(duì)電網(wǎng)、電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的沖擊控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，延長(zhǎng)機(jī)電設(shè)備的使用壽命。

3　全自動(dòng)給水系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

      全自動(dòng)給水系統(tǒng)采用三套電機(jī)-水泵對(duì)水網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水，每臺(tái)電機(jī)均可工作在變頻方式或工頻方式，但每次僅有一臺(tái)電機(jī)工作在變頻調(diào)速狀態(tài)。工作時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選擇，變頻器根據(jù)實(shí)際水壓的變化,不斷地調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速,通過(guò)調(diào)節(jié)流量達(dá)到恒定水壓的目的。另外,可編程序控制器根據(jù)當(dāng)前水泵的供水情況對(duì)其進(jìn)行合理切換, 及時(shí)增泵和減泵，實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

3.1　全自動(dòng)給水系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)

      電控系統(tǒng)的主電路由3臺(tái)電機(jī)分別為m1、m2和m3。接觸器km1、km2、km3分別控制電機(jī)m1、m2和m3變頻或工頻運(yùn)行，fr1、fr2、fr3分別為3臺(tái)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)的熱繼電器，qs1、qs2、qs3、qs4分別為變頻器和3臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開(kāi)關(guān)，fu1為主電路的熔斷器，vvvf為通用變頻器。

3.2　智能pid調(diào)節(jié)器和變頻器接線(xiàn)圖

      變頻器選用三墾公司的shf系列，功率分別為7.5kw，1.5kw和15kw，變頻器采用模擬量控制方式。通過(guò)變頻器對(duì)電機(jī)水泵實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。圖2為pid調(diào)節(jié)器和變頻器的接線(xiàn)圖。變頻器根據(jù)pid調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，及時(shí)調(diào)節(jié)輸出頻率，改變電機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量,使供水管網(wǎng)中的壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力值上。

3.3　全自動(dòng)給水系統(tǒng)plc輸入/輸出地址分配

      根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)的分析，本系統(tǒng)選用中達(dá)電通公司的dvp60es00t2 plc實(shí)現(xiàn)控制，共有60點(diǎn)輸入輸出，其中36個(gè)輸入點(diǎn)，24個(gè)晶體管輸出點(diǎn)，交流供電，其環(huán)境溫度、抗沖擊、抗噪聲等性能指標(biāo)均能滿(mǎn)足要求，附表為plc輸入/輸出地址分配表。

4　全自動(dòng)給水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括plc的程序設(shè)計(jì)和變頻器的功能參數(shù)設(shè)定。這里主要討論plc的程序設(shè)計(jì)。

plc的程序設(shè)計(jì)包括手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的程序設(shè)計(jì)，手動(dòng)部分是通過(guò)按鈕控制電機(jī)在工頻下運(yùn)行和停止，主要考慮系統(tǒng)調(diào)試或檢修時(shí)用。

      當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)打到"自動(dòng)"時(shí)，系統(tǒng)能夠進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，由plc和變頻器聯(lián)合控制各臺(tái)電機(jī)的投入或切除、工頻或變頻運(yùn)行方式。供水系統(tǒng)共有3臺(tái)泵組電機(jī)，在根據(jù)水壓決定投入泵組臺(tái)數(shù)后，只有最初投入的電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，其它后投入的電機(jī)則在工頻下全速運(yùn)行，泵組電機(jī)的切換過(guò)程由邏輯控制單元plc實(shí)現(xiàn)。

      圖3為選擇p1泵為變頻泵，p2、p3泵為工頻泵時(shí)的plc狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。假設(shè)增泵順序?yàn)閜1、p3和p2，當(dāng)供水設(shè)備開(kāi)始工作時(shí)，先起動(dòng)變頻泵p1，當(dāng)管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在一定數(shù)值上。當(dāng)用水量增加時(shí)，水壓降低，壓力變送器把水管出口變化了的總管實(shí)際壓力信號(hào)變成4～20 ma的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入智能pid調(diào)節(jié)器, pid回路調(diào)節(jié)器經(jīng)運(yùn)算,得出調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，使變頻器的輸出頻率上升，水泵的轉(zhuǎn)速提高，水壓上升。如果用水量增加很多，使變頻器的輸出頻率達(dá)到最大值(50hz)時(shí)，