变频器-PLC在供水控制系统的应用

摘 要:作者介绍了以变频器-PLC为核心构成系统的控制原理、接口组成、软件设计及系统优点。变频器-PLC调控技术在水压控制系统成功应用,有效地解决了控制负荷波动大,调节频繁的难题,证明了变频调速控制系统优越的技术性能和极其显著的经济效益,具有很好的推广应用价值和进一步的研究价值。

　　
　　1.引言
　　目前,在水位控制中有很大一部分水泵电机是不变速拖动系统,不变速电机的电能大多消耗在适应供水量的变化而频繁的开停水泵中。这样不但使电机工作在低效区、减短电机的使用寿命,而且电机的频繁开停使设备故障率很高,导致水资源严重浪费,系统的维护、维修工作量较大。
　　随着高位生活用水和工业用水逐渐增多,传统的控制方法已经落后。原先用人工进行水位控制,由于无法每时每刻对水位进行准确的定位监测,很难准确控制水泵的起停;使用浮标或机械等水位控制装置使供水状况有了一些改变,但由于机械装置的故障多,可靠性差,给维修带来很大的麻烦。
　　变频技术以其在节能与恒压方面的优越性能可以解决水压控制系统存在的以上问题。考虑选用单片机或PLC与变频器结合为核心构成的系统都能达到较好的控制效果。但在软件设计上,PLC比单片机的编程更简洁、直观;从硬件接口考虑,单片机电路稍微复杂一些;从经济方面考虑,由于PLC工艺的日渐成熟,小型PLC的成本与单片机相差无几,由于要根据现场情况调整系统参数,PLC的软件中时间参数的调整更简单,这样更有利于售后服务人员掌握。基于以上原因,选用了OMRON的 CPM1系列PLC与ABB的变频器作为控制核心,再加上PSW7调节器与WSP300压力变送器,控制效果非常好,软件设计简单,硬件接口简易可行、可靠性高,整个系统的性价比非常高。
　　在供水系统中引进变频器结合小型PLC技术,不仅改变传统用阀门控制水量多少,而且在节能、恒压控制等方面均有非常好的效果,本文介绍了变频器——PLC调控技术在水泵控制中的应用。
　　
　　2.控制系统的原理
　　控制系统用一台变频器可以带三台水泵,每台水泵既可以工作在常规工频泵模式,也可以工作在变频泵模式。每台泵只能处于变频或工频其中一种工作模式,通过两个继电器互锁保证它的安全与可靠。系统的结构如图一所示,利用安置在的生活用水中的压力变送器将水的压力信号传输到调节器,根据与调节器的设定值和报警上下限比较,送信号给PLC与变频器,系统的起停泵分别由调节器的压力下限信号和变频器的频率下限信号决定,假如压力低,调节器给PLC一个压力下限信号,PLC启动变频器,并使一号泵处于变频工作状态, 输出的频率逐渐增大,经过一段时间的调节,如压力还低,这时,PLC让一号泵处于工频状态工作,使二号泵处于变频工作状态泵,如压力还低,则让二号泵处于工频状态工作,使三号泵处于变频工作状态,如此类推。当压力达到调节器上限报警值时,调节器输出降低,变频器频率降低,低到频率下限设定值,这时变频器给出一个频率下限信号给PLC,PLC根据先启先停的原则控制泵的运行顺序,例如,PLC收到频率下限信号时, 系统中泵的状态是一号工频,二号工频,三号变频,这时一号泵最先启动,所以先停,接着如压力还高,则停二号泵。系统采用了每次都进行低速启动,高速运行以提高运行效率。
　　控制系统结构图如下:
　　3.系统的软件设计
　　本控制系统的软件以OMRON公司的CX-PROGRAMER软件进行梯形图设计,通过专用电缆把程序下装到PLC中。
　　CX-PROGRAMRER软件的梯形图是逐行扫描,频率大约100ms一次,PLC软件设计思路是列出所有泵可能的运行状态,每种状态处理两种情况,有压力下限信号时增加泵,当无压力下限而有频率下限信号时减少泵,按照先启先停的原则,可列出水泵运行的所有组合状态。
　　状态1: 0 00;表示三个水泵都在停止状态;
　　状态2: B 00;表示1#水泵在变频状态,其它为停止状态;
　　状态3: 0 B0; 状态4: 0 0 B;
　　状态5: B 0G;表示1#水泵在变频状态,2#在停止,3#在工频状态;
　　状态6: B G0; 状态7: 0 B G;
　　状态8: G B0; 状态9: G 0 B;
　　状态10:0 GB;
　　状态11:B G G;表示1#水泵在变频状态,2#在工频,3#在工频状态
　　状态12:G BG; 状态13:G GB;
　　其中状态6、状态7、、状态9,由于次序启动、先启先停的原则是不可能出现,可以不考虑。状态1只有增加泵处理程序,状态11,状态12,状态13,只有减少泵处理程序。梯形图输入、输出点的含义可对照硬件接口图所示。
　　本文由于篇幅原因,只给出部分梯形图。以下是状态1:000的处理程序。
　　以上为启动时的处理程序,后面程序以此类推,只要列出泵的各种状态,给出相应的处理程序即可,最后的故障处理就是当有缺水信号或变频器故障信号时把所有的泵与变频器都停止。
　　
　　4.系统的优点
　　采用变频器——PLC恒压供水装置有以下几个优点:
　　A:节电效益高。传统水泵电机均采用大容量电机,用阀门控制水量恒定,造成电能浪费。
　　变频系统,无论工作参数如何,电机的效率不会降低,电机的功率因数会得到提高。
　　B:运行可靠、稳定。系统中的核心部件——变频调速器本身的可靠性很高,一般情况下可连续使用10万/h以上。系统还采用软启动方式,不存在电气冲击,不污染电网,而且变频器自带欠压、过压、过流、过载、过热以及失速等各种保护功能。系统对管网压力波动采取阻尼滤波处理,供水恒压精度较高,通常能控制在0.002Mpa范围内。
　　C:结构简单,操作简便。装置的控制系统采用集成度高,配套方案灵活多样,由可编程控制器得到水泵运行的各种组合。调速范围广,对水量变化的适应能力强。
　　D:使用寿命长,自动化程度高,无需人看管,维护量少。
　　以上系统在实际的应用中效果显著,如将PLC与变频器中自带编程器的功能集成,可开发成一些专用的变频器,这样系统的可靠性与健壮性大大增强,应用更加简单,系统的总成本也会下降。
　　
　　5.结束语
　　可以预见:未来的变频技术会向以下方向发展:
　　(1)高性能化
　　包括内部的整流电路、逆变电路都采用高频PWM电路从而使输入、输出都是正弦波;对于大容量变频器采用多重化和多机并联;降低变频器自身损耗,实现高效率化;实现自动调谐或自优化、遥控和远控;更加面向用户,进一步提高可使用性和维修性:向着小型、轻量发展,以及降低成本等。
　　(2)智能化
　　包括两个方面:尽量减少硬件,实现硬件软件化;采用智能电力电子器件和其他智能化部件。集成化是智能化的基础。
　　(3)全数字化
　　近年来,各种现代控制理论、专家系统、模糊控制及神经元控制等都是发展的热点,将使电力电子控制技术发展到一个崭新的阶段。预计21世纪全数字控制的应用将更加广泛深入,甚至取代模拟控制。
　　(4)系统化
　　变频技术的发展与其相关技术的发展是分不开的,在21世纪变频技术的发展是将电网、整流器、逆变器、电动机、生产机械和控制系统等作为一个整体、从系统上进行考虑的。 □