自來水加壓站PLC控制變頻加壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)
自來水加壓站PLC控制變頻加壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)
1. 引言
變頻加壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時缺水時，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時使產(chǎn)品報廢和設(shè)備損壞。又如當(dāng)發(fā)生火警時，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以某些用水區(qū)采用恒壓轟水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。
在舊加壓設(shè)備中，恒壓供水一般采用起動或停止加壓站的水泵和調(diào)節(jié)出口閥開度來實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)是采用繼電接觸器控制線路，這種系統(tǒng)線路復(fù)雜，維護(hù)困難，操作麻煩，工人要24小時值班看守，勞動強度大。所以有必要對之進(jìn)行改造，提高自動化水平。
本文介紹的用于某自來水加壓站快速起動變頻加壓給水設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，采用松下電工生產(chǎn)的FP3型可編程序控制器（PLC）進(jìn)行控制，用研華工控機進(jìn)行監(jiān)控，自動化程度高，整個工作程序自動完成，能清楚地顯示各個設(shè)備的實時狀態(tài)，并自動調(diào)節(jié)水壓。
變頻加壓給水設(shè)備系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)，如水壓超限報警、閥門故障報警、水位超限報警并處理、水泵電機電流過流報警并處理等。
2. 變頻加壓給水設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制要求
變頻加壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)由主供水回路、備用回路、2個清水池及泵房組成
其中泵房裝有1# ~ 6#共6臺150kW泵機。另外還有多個（V1 ~ V23）電動閘閥控制各供水回路和水流量。
要求該變頻加壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)具有如下基本操作功能。
?。?）當(dāng)市政自來水壓力高于設(shè)定壓力21.56×104Pa時，直接由市自來水供水。
?。?）當(dāng)市自來水低于設(shè)定壓力，但不低于下壓力7.84×104Pa時，采用直抽水加壓供水方案。即逐步起動2臺泵機向管網(wǎng)充壓。當(dāng)檢測到市自來水高于設(shè)定壓力時，再轉(zhuǎn)換成市自來水直接供水。
（3）當(dāng)自來水壓力持續(xù)低于2.94× 104Pa或出現(xiàn)確切負(fù)壓信號時，應(yīng)立即轉(zhuǎn)換成抽池水加壓，但此時應(yīng)保證水池水位高于最低限水位的條件。
（4）當(dāng)采用直抽水或抽池水加壓供水時，應(yīng)能自動調(diào)節(jié)其總出口水壓為給定值，調(diào)節(jié)誤差小于等于± 10%。
3. 變頻加壓給水設(shè)備PLC控制系統(tǒng)設(shè)計
變頻加壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)的檢測點以及控制量較多，是一個規(guī)模較大的測控系統(tǒng)。根據(jù)其特點，我們選用了松下電工的FP3可編程序控制器作為控制裝置。該控制器與其它可編程序控制器相比，具有一些明顯的優(yōu)點，如FP3采用了模塊化設(shè)計，可根據(jù)實際需要靈活組裝，使用方便，I/O分配采用自由編程方式；容量大，程序量只受掃描周期限制，而掃描周期可在一定范圍內(nèi)自行更改；具有A/D、D/A、脈沖輸出、位置控制等高級單元，可實現(xiàn)“共享存儲器”；另外還有一些特殊的功能。
變頻加壓給水設(shè)備供水PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1虛框內(nèi)所示。系統(tǒng)包括一個電源單元、一個CPU單元、一個上位機聯(lián)結(jié)單元，還有I/O 單元和A/D單元。上位機采用研華工控機ABB公司組態(tài)軟件，上位機聯(lián)結(jié)單元通過C?/FONT>NET適配器與之通訊。工控機對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，顯示器顯示了整個加壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各個閥門與水泵的實時狀態(tài)、讀出各個水壓及流量、閥門的開度、水池水位等參數(shù)，并有各種報警實時顯示和故障記錄。
系統(tǒng)既有模擬量輸入，也有開關(guān)量輸入。模擬量通過A/D模塊輸入，共27個通道。I/O各有96個點。
4. 變頻加壓給水設(shè)備PLC的軟件設(shè)計
根據(jù)恒壓供水操作要求，PLC控制系統(tǒng)要隨時監(jiān)控市自來水以及供水口的情況來決定是否要起動水泵，或是采用直抽水充壓方案還是采用抽水池水充壓的方案。控制系統(tǒng)的程序較復(fù)雜。
在控制過程中，供水口的水壓自動調(diào)節(jié)是一個重要和較有特色的設(shè)計部分之一，在此著重介紹實現(xiàn)自動恒壓功能的軟件設(shè)計。
由于供水系統(tǒng)管道長、管徑大，閥門的開、關(guān)、管網(wǎng)充壓都較慢，故系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)。同時因為是在舊設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，要利用現(xiàn)有的設(shè)備，故并未采用調(diào)速調(diào)壓，而是采用下述多種方法對水壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。首先采用分段調(diào)節(jié)法，把水壓偏差分為四段，即10%、20%、30%、40%，當(dāng)檢測到偏差較小時，輸出的控制量（蝶閥的增量）較小，且操作周期亦較大；當(dāng)偏差較大時，則輸出的控制量較大而操作周期較小，使其快速減小偏差而又避免過大超調(diào)。另外，在偏差小于等于± 10%時，再加上模糊控制，根據(jù)D ek=ek-ek-1的值來確定是否調(diào)節(jié)蝶閥開度，使誤差進(jìn)一步減少，保證其小于等于± 10%的誤差要求。當(dāng)調(diào)節(jié)閥門開度仍不能使偏差進(jìn)入允許范圍時，用起動或停止1臺或1臺以上水泵的方法來調(diào)節(jié)水壓。通過這樣多種調(diào)節(jié)水壓方法相結(jié)合，可使出水口水壓得到滿意的調(diào)節(jié)效果。
5. 結(jié)論
本文所設(shè)計的PLC變頻加壓給水設(shè)備供水監(jiān)控系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于某工業(yè)區(qū)，運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全滿足其設(shè)計要求，具有操作方便、可靠性強、數(shù)據(jù)完整、監(jiān)控及時等突出優(yōu)點，并大大地減輕了操作工人的勞動強度、縮短了操作時間，受到了操作人員、維護(hù)人員、管理人員的好評。該監(jiān)控系統(tǒng)的成功設(shè)計，也為類似系統(tǒng)的舊設(shè)備改造提供了可取的經(jīng)驗。
變頻加壓給水設(shè)備簡介
一般規(guī)定城市管網(wǎng)的水壓只保證6層以下樓房的用水，其余上部各層均須提升水壓才能滿足用水要求。傳統(tǒng)的方法是水塔、高位水箱或氣壓罐式增壓設(shè)備，其設(shè)備一次投資費用高，并且必須由水泵高于實際用水高度的壓力來提升水量，其結(jié)果往往增大了水泵的軸功率和能量損耗，在使用這些傳統(tǒng)的供水方式，還容易造成水的二次污染。
變頻加壓給水設(shè)備是中贏供水公司根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)、生活、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程等用水的規(guī)律研制開發(fā)的高新技術(shù)產(chǎn)品。它集變頻調(diào)速技術(shù)、PLC技術(shù)、PID控制技術(shù)，壓力傳感技術(shù)等為一體，可組成完整的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。該設(shè)備通過安裝在供水管網(wǎng)上的高靈敏度壓力傳感器來檢測供水管網(wǎng)在用水量變化時的壓力變化，不斷的向智能傳輸變化的信號，經(jīng)智能判斷運算并與設(shè)定的壓力比較后，向控制器發(fā)出改變頻率的指令，控制器通過改變頻率來改變水泵電機的轉(zhuǎn)速和啟用臺數(shù)，自動調(diào)節(jié)峰谷用水量，保證供水管網(wǎng)壓力恒定，以 滿足用戶用水的需要。
變頻加壓給水設(shè)備主要特點:
■ 采用微機控制、壓力分級控制及手動控制等三種不同控制方式，確保設(shè)備的可靠性。
■ 能夠?qū)崿F(xiàn)電機軟啟動，大大減少啟動負(fù)荷和壓力波動，實現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能效果顯著。
■ 采用高可靠性管路附件及電器無觸點控制方式，大大提高了設(shè)備使用壽命。
■ 系統(tǒng)配備小型緩沖壓力調(diào)節(jié)罐，大大減輕管網(wǎng)的水錘現(xiàn)象。還配備小流量定壓泵，起小流量范圍內(nèi)的供水及保證消防系統(tǒng)常備壓的作用。
■ 設(shè)有斷相、過壓、過流、過載、失速及無水等各種保護(hù)功能及故障顯示和報警裝置。
■ 設(shè)備占地面積和高度較小，靈活機動，安裝調(diào)試方便，省工省時，節(jié)省投資。
變頻加壓給水設(shè)備講述：
變頻加壓給水設(shè)備無需建造水池、水箱，占有空間相對較少，節(jié)省設(shè)備的初期投資和節(jié)省了沖洗水池，給水池消毒的費用。該設(shè)備為全封閉式結(jié)構(gòu)，真正消除供水二次污染，為綠色環(huán)保新型變頻給水設(shè)備 。目前通用的變頻恒壓供水，取消了地面水池，減少了水質(zhì)的二次污染，但興建和使用地下水池的費用和地下水池對水質(zhì)的污染也是一個問題。因此無負(fù)壓增壓變頻給水設(shè)備 將是變頻變頻給水設(shè)備 發(fā)展與延伸。
變頻加壓給水設(shè)備優(yōu)點：
1）高效節(jié)能：充分利用市政水源本身具有的壓力熱能，差地區(qū)補地區(qū)，切實有效地、最大限度地發(fā)揮了變頻調(diào)速的節(jié)能效果。
2）潔凈衛(wèi)生：構(gòu)成連續(xù)密閉的增壓供水方式，完全保持了市政水源的國家水質(zhì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，從根本上避免了增壓系統(tǒng)造成的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)降低和各種水源污染問題。
3）杜絕浪費：不僅淘汰了高位水箱，還徹底地取消了地面（地下）水池水箱，完全杜絕了水箱溢流，定期清洗造成的水源浪費。
4）變頻加壓給水設(shè)備運行噪聲低：系列產(chǎn)品采用全變頻調(diào)整方案時，大部分時間特別在夜間處于低噪聲運行工況。
5）設(shè)計了全密閉的、兼有緩沖作用和動態(tài)補償作用的水源箱罐，與目前市場所謂無負(fù)壓罐相比，更具有實際意義，并使控制系統(tǒng)得以簡化。
6）該系列產(chǎn)品控制系統(tǒng)充分總結(jié)了本公司及國內(nèi)外變頻給水設(shè)備的設(shè)計制造經(jīng)驗，采用規(guī)范通用的控制系統(tǒng)技術(shù)方案，可換用任意廠商的變頻器、調(diào)節(jié)器、PLC和其他元器件，調(diào)試維修特別方便，為產(chǎn)品的終身售后服務(wù)奠定了良好基礎(chǔ)，不會因技術(shù)進(jìn)步而導(dǎo)致售后服務(wù)問題。
7）該系列產(chǎn)品控制系統(tǒng)具有較高智能性，設(shè)計中充分考慮了機、電、儀協(xié)調(diào)配合，具有欲速則不達(dá)的檢測監(jiān)視和簡單方便的人機交互功能。具有全面的故障保護(hù)功能和對策，變頻器故障保護(hù)時，自動降級運行（成為工頻自動給水設(shè)備），自動系統(tǒng)故障時，還可手動操作應(yīng)急備用，贏得維修時間。
8）變頻加壓給水設(shè)備可按要求選配各種通訊接口、協(xié)議，從而可連接各種人機界面、監(jiān)控計算機，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)雜的運行控制和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控要求?？蔀橛脩糸_發(fā)配套監(jiān)控軟件。
變頻加壓給水設(shè)備原理：
直接供水型 就是直接利用市政管網(wǎng)的壓力。
直接供水。
一般適用于市政管網(wǎng)壓力稍高的地區(qū)或水廠附近壓力較高的范圍內(nèi)。缺點就是水量、水壓不能保證。但是全自動變頻加壓給水設(shè)備對于規(guī)模較小的管網(wǎng)這種供水方案的經(jīng)濟性能很好。不需要任何其他設(shè)備或措施。
水箱供水：
變頻加壓給水設(shè)備將市政管網(wǎng)的水引至屋頂水箱。然后靠水箱與用水器具的高差。重力供水?？朔怂畨核康牟环€(wěn)定性。但是。由于水箱可能存在的二次污染。而且。水箱體積較大。因此這種方式不提倡，水箱、管網(wǎng)聯(lián)合型 平時水量水壓足夠時。直接由市政網(wǎng)供水。超壓時。多余水進(jìn)入屋頂水箱。當(dāng)壓力或水量不足時。水箱靠重力自動向用戶供水。物理結(jié)構(gòu)上就是正常的直接供水的主干管伸頂接入水箱。并由水箱設(shè)一出水管。該方案減小了水箱的體積。并使水不需要都進(jìn)入水箱停留這一步驟。
變頻加壓給水設(shè)備的主要構(gòu)件
（控制柜）控制系統(tǒng)性能優(yōu)越、功能齊全、可靠性高：變頻控制系統(tǒng)的主要電器元器件配件都是進(jìn)口品牌產(chǎn)品，我們產(chǎn)品的基本配置是：
1、可編程控制器(PLC)采用德國西門子產(chǎn)品。
2、接觸器、熱保護(hù)是德國西門子或者是法國施耐德產(chǎn)品，接觸器的容量比配用電機容量提高兩個檔次，例如7.5KW電機額定電流 15A，我們配用32A的接觸器，保證控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。
3、變頻器選用日本三墾品牌產(chǎn)品或者是瑞士ABB品牌變頻器。
4、中間繼電器選用法國施耐德產(chǎn)品。
5、其余輔助元器件均是國內(nèi)知名品牌產(chǎn)品-空氣開關(guān)為正泰集團產(chǎn)品
變頻加壓給水設(shè)備特點：
保證管網(wǎng)壓力，調(diào)節(jié)峰值用水，水箱入口處采用了智能化的電磁閥來控制進(jìn)水壓力及水位。當(dāng)管網(wǎng)壓力下降加壓泵從水箱取水時，可通過智能控制，當(dāng)水箱水位低于一定液位時，再打開電磁閥從管網(wǎng)中放水，此時保證取水口一定的壓力，此措施一可以避開高峰用水，起調(diào)峰作用；二是避免了普通水箱的零壓力泄水，對管網(wǎng)壓力是一個很好的保護(hù)作用。
變頻加壓給水設(shè)備運行可靠性：當(dāng)用水高峰時，或自來水停水時，由水箱供水，大大提高用戶用水的可靠性，完全符合自來水供水規(guī)范。
控制系統(tǒng)先進(jìn)。建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，隨時監(jiān)控設(shè)備運轉(zhuǎn)情況。該系統(tǒng)采用了一款新型的中贏供水專用供水控制器和相應(yīng)配套的一體化文本顯示器（HMI）外加GSM通信模塊組成的無線監(jiān)控文本顯示。該系統(tǒng)使原來控制系統(tǒng)全面開放升級，從原來的獨立單元升級成具有通訊功能的控制系統(tǒng)，文本顯示器與PLC集成一體化，PLC與GSM通信模塊能過RS232通信口連接，實現(xiàn)系統(tǒng)的通訊化，由于GSM通信模塊與現(xiàn)行移動通信網(wǎng)絡(luò)接軌，使客戶即使遠(yuǎn)離控制現(xiàn)場，只要他身處無線移動通信網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋的地方，就可時時了解系統(tǒng)信息，利用手機發(fā)送命令修改系統(tǒng)功能參數(shù)，甚至控制系統(tǒng)運行，真正意義實現(xiàn)了最簡捷便利的系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
環(huán)保無污染。此成套設(shè)備中水箱、水泵、管路及閥門等涉水材料均采用食品級不銹鋼材料，密封供水，不會產(chǎn)生二次污染，衛(wèi)生環(huán)保。
設(shè)備節(jié)能。當(dāng)自來水壓力能滿足用戶用水要求，增壓泵通過變頻控制處于休眠狀態(tài)；當(dāng)非高峰用水時，自來水壓力又達(dá)不到用戶用水壓力，水泵可以在自來水水壓（0.2—0.5MPa）的基礎(chǔ)上疊加增壓，差多少，補多少，充分利用余壓，節(jié)約電能。節(jié)能效果顯著。
變頻加壓給水設(shè)備亦用于改造原有老式泵房設(shè)備，改造后同樣可以達(dá)到高效節(jié)能、自動恒壓供水的目的。
變頻加壓給水設(shè)備能根據(jù)用戶的實際用水量和使用壓力自動檢測，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速(耗電量)，使設(shè)備始終處于高效率的工作狀態(tài)。
供水管網(wǎng)壓力穩(wěn)定
設(shè)備由微機構(gòu)成自動閉環(huán)控制，能在0.5秒內(nèi)使變化的壓力恢復(fù)正常，壓力調(diào)節(jié)精度為設(shè)定值的±5%。
占地小、投資少，安裝工期短。生活變頻給水加壓設(shè)備相比節(jié)約占地3~16倍，比建水塔節(jié)約投資15%~60%。設(shè)備體積小，組裝、安裝調(diào)試方便，運輸及安裝工期短。
保護(hù)功能全，運行安全可靠，操作方便生活變頻給水加壓設(shè)備主機采用進(jìn)口變頻調(diào)速器，自身具有欠壓、過壓、過流、過載、短路、過熱、失速防止等保護(hù)功能，無故障運用達(dá)10萬小時以上。
設(shè)備配電控制部分，采用智能化控制原理，操作方便實用，設(shè)備工作狀況一目了然，便于非專業(yè)人員很快熟練掌握。供水功能全，保險系數(shù)高生活變頻給水加壓設(shè)備局部出現(xiàn)故障時，能啟用應(yīng)急功能繼續(xù)供水。
設(shè)備可與市政供水網(wǎng)自動并網(wǎng)運行，并具有雙恒壓功能，即能滿足生活生產(chǎn)用水的正常壓力和流量，有能在出現(xiàn)火情時自動轉(zhuǎn)換為高壓大流量供水，可一機多用。
變頻加壓給水設(shè)備安裝使用及保養(yǎng)：
一.本設(shè)備安裝應(yīng)選擇通風(fēng)良好、灰塵少、不潮濕的場地，環(huán)境濕度為-10℃－40℃。在室外應(yīng)設(shè)防雨，防雷等設(shè)施。
二.為方便設(shè)備安裝、保養(yǎng)、設(shè)備四周應(yīng)留70cm空間，人孔處應(yīng)保留1.5m空間，四周地面應(yīng)設(shè)排水溝。
三、選定場地后，要處理好地基、在用砼澆注或用磚石砌筑罐體支承座。待基座完全固化后，再吊裝罐體并放穩(wěn)，隨后安裝附件，接通電源。
四、在試車前，應(yīng)先關(guān)閉供水閥，檢查各密封閥情況，不允許有泄露現(xiàn)象，開車后，應(yīng)注意機泵轉(zhuǎn)向。當(dāng)壓力表指針到上限時，機泵自動停止。打開供水閥，即可正常供水、如需定時供水，可把選擇開關(guān)扳到手動位置。
五、本設(shè)備泵機組應(yīng)經(jīng)常檢查，定期保養(yǎng)并加注潤滑油。離心泵和止回閥如發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象，應(yīng)及時緊固法蘭螺絲或更換石棉根，檢查機泵底腳螺栓不能松動，以防損壞機器。
六、電器自動控制系統(tǒng)，應(yīng)防水、防塵、經(jīng)常檢查線路絕緣情況，連接螺栓是否松動和保險絲完好等情況。壓力表外部最好用透明材料包裹，以防損壞。
七、罐體如發(fā)現(xiàn)漆皮脫落，應(yīng)及時涂漆保養(yǎng)，以延長使用壽命。
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