变频器和PLC变频恒压供水系统对高楼给水的影响力

 

 

1 引言

　　随着各住宅小区的宿舍楼等一座座高楼拔地而起，相应的生活用水量也大幅度增加。人们对进步供水质量的要求越来越高，另外人们的节能意识及对运行的可靠性的要求越来越强。采用变频器及PLC技术实现的变频恒压供水系统，不仅能进步供水质量，而且在节约能源和运行可靠性具有较好的改善。其中，采用变频调速的主要目的是通过调速来恒定用水管道的压力以达到节能的目的，恒压供水则是为了满足用户对流量的要求。

　　变频恒压给水系统应用PLC技术是为了实现系统的软启动，减少手动操纵或抚慰操纵，同时替换部分继电器减少机械触点的故障，增强可靠性。下面笔者根据这方面的工作经验谈谈在恒压供水系统设计和实践过程中的一些思路和做法。

2 PLC变频恒压供水系统中变频器的工作原理

　　在恒压供水控制系统中，关键技术主要是变频技术。目前效率最高、性能最好的系统是变压变频调速控制系统。

2．1变频器的基本构成

　　变频器的基本构成如图1所示，由主回路（包括整流器、滤波器、逆变器）和控制电路组成。

　　整流器的作用是把三相交流整流成直流。滤波器是用来缓冲直流环节和负载之间的无功能量。逆变器最常见的结构形式是利用六个半导体器件开关组成的三相桥式逆变电路，有规律地控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。

　　控制电路主要是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。

2．2变频器基本原理

　　变频器的基本原理是利用逆变器中的开关元件，由控制电路按一定的规律控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一系列等幅而不等宽的矩形脉冲波形，来近似等效于正弦电压波。图2所示出正弦波的正半周，并将其分为n等分（n=12）。每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等幅矩形所代替。这样，由n个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的正半周等效。

　　正弦波的负半周也可以用相同的方法来等效。可采用正弦波与三角波相交的方案来确定各分段矩形脉冲的宽度。当逆变器输出端需要升高电压时，只要增大正弦波相对三角波的幅值，这时逆变器的输出的矩形脉冲幅值不变而宽度相应增大，达到了调压的要求。当逆变器的输出端需要变频时，只要改变正弦波的频率就可以了。

 

3 PLC变频恒压供水系统控制系统总体设计

　　过往的供水控制系统投资多，采用的模式为多台小功率水泵供水。在运行实践中暴露出主控电路设计不公道和逻辑控制设计不公道的现象。

　　新系统总体设计方案如图3所示。在该供水系统的控制电路中除采用了变频器（VVVF），还采用一些先进控制装置如数字调节器（PID）、可编程控制器（PLC）等，这些装置都是以电脑芯片为内核完成各自不同的控制功能。

　　为简化控制电路，根据负荷需要，使用一台18．5KW大容量水泵供水。为进步使用的安全系数，选用一台日本富士22．5KW变频器进行水泵调速，该变频器内置PID调节功能，但不具备参数监视功能。为能有效监视调节工况，特选数字显示调节器进行监视和控制，以备实现串级PID控制。鉴于外部I／O可控点数未几，可编程控制器PLC选用20点即可满足控制要求。

 

4 PLC变频恒压供水系统水位检测电路设计

4．1水位检测开关

　　考虑到水位检测装置要求故障率少，运行可靠，为简化检测环节，设计中采用结构简单的浮子式水位检测开关，但为防止信号串扰，另外增加了一个隔离转换装置。该装置内选用了干簧继电器用以进步开关接点的可靠性和使用寿命。

4．2水位检测逻辑控制

　　水位检测逻辑控制功能如前所述完全由可编程控制器PLc编程实现，减少了硬件配置，进步了运行的可靠性和应用的灵活性。PLC的I／O地址分配见图4（a）所示，简化梯形图如图4（b）所示。其逻辑电路主要完成如下功能，见图4（b）所示。

　　（1）水位信号保持功能水位开关检测分别由PLC的常开接点实现。由于水位由于簧管的常开接点来检测，只有在水面越过该点时闭合，低于该点即断开，因此信号需由PLC保持。

　　（2）水位信号显示、报警、保护功能水位正常时01002动作，使输出绿灯亮。水位低时01003动作，使输出红灯亮，且通过其常闭接点停供水泵。水位高时20000、01000同时启动，使输出黄灯亮（闪光l5秒转平光）且无条件停蓄水泵。

 

5 PLC变频恒压供水系统操纵保护功能设计

　　除了常规保护功能外还增加了人性化操纵功能。考虑到泵短时间内的频繁启动对泵运行不利，故设置1分钟内只答应连续启动两次，第三次需延时3分钟后进行，以利泵的散热，延长设备使用寿命，减少功耗。编程时可采用定时器和计数器配合来实现。这项功能在启停调试设备过程中得到检验。

 

6  PLC变频恒压供水系统自启动功能设计

（1）自启动概述

　　为了方便运行维护职员，有两种情况可以考虑自启动：

　　①系统断电一段时间后恢复供电的自启动，系统在正常运行工况下忽然停电时，假如其它检测无异常则来电后可实现自启动，这一点在夜间更为重要，可给维护职员带来方便，此项功能得到了维护职员的认可。

　　②低水位使泵跳闸后水位恢复时的自启动管网用水负荷过大或蓄水水压过低流量减少造成的低水位，会引起供水泵跳闸。在水位恢复正常后可实现自启动。

（2）自启功能的实现

　　“自启动条件”有两个：一是计数器C103接点，二是“水位正常”信号接点。由于计数器C103具有停电记忆特性，所以只要水位恢复正常时01002闭合就可自启动。其过程是：微分继电器20006（13）产生的微分信号由20009继电器保持，再经时间继电器"1"020延时后使其输出的常开接点"1"020（见图4b）接通启动回路，则水泵重新运转。

（3）自启动的预置

　　自启动功能可根据用户需要事先预置，否则，该功能会被屏蔽。设计方案如下：

　　①预置和解除均借用运行状态下的启动按钮。预置时按动启动按钮三下使计数器C103启动，则其常开接点C103闭合。解除自启功能：按住启动按钮1秒，使计数器C103复位或按停止按钮使泵停运的同时也解除了自启动设置。

　　②预置的显示借用水位正常灯（闪光3秒），解除借用高水位报警灯（闪光3秒）。

 

7 结束语

　　上述PLC变频恒压供水控制系统经投进使用，各项设计功能运行正常，供水质量有了很大进步，单位大功率设备用电量也明显减少。期间，还经历了系统实际异常情况自动处理的考验，如“储水罐满水后的蓄水泵自动跳闸”、“电力网停电来电后的供水泵自启动”、“电源缺相报警”等，这些功能都得到了很好的验证。