摘要:详细介绍了基于可编程逻辑控制器（plc）技术和变频器控制技术的恒压供水系统的构成、功能及其内部功能模块的设计方案.设计研发的计算机远程监控软件,结合可编程逻辑控制器的即时通信功能,实现了对供水设备的远程监控,有效的增强了小区提高了恒压供水系统的智能化程度，提高了管理水平。
关键词:自动变频恒压供水;可编程逻辑控制器;通信;远程系统设计
在我国传统的小区之中，其供水模式一般采用：高位水箱供水、恒速泵加压供水等。当然存在着许多缺点如：供水效率低、单位时间能耗大、供水系统自动化程度低、供水系统可靠性差、系统维护工作复杂等。笔者根据某新建小区的实际用水情况,设计了一套小区全自动变频恒压供水系统,方案能够提高供水效率，减少单位时间能耗，增强系统可靠性, 结合可编程逻辑控制器的即时通信功能,并辅以远程监控软件,能够完成对小区供水状况的时时监控.
1恒压供水系统硬件设计
某新建小区供水状态呈现低流量连续变化的特点,设计方案使用多台不同的水泵采用并联供水。此方案由多台水泵和一台变频器组成,能够实现根据用户用水量不同来合理调节同时运行水泵台数。此种设计方式具有节能、高效、维护便利等特点。此系统还同时装备了一台小流量泵来维系夜晚小区供水流量较小时的正常的泄漏和水压。
水泵循环系统的切换模式由三菱fx2n-32mrplc来控制实现,供水系统的恒压系统是由压力变送器、pid调节器和变频器组成的闭环调节组合而成。同时根据水位检测系统、电机故障分析等方式,来设计供水系统，其总体结构如图1.
为实现系统的在一般的环境下能正常稳定运行,需要对控制电路加以完善的保护措施。首先, 通过对各不同主泵电机的工频/变频运行接触器实施互锁操作,同时禁止变频器的输出端误接到工频电源上;其次,系统的变频器是按照其电机容量来进行相应的布置,因此对不同电机的变频模式也需要进行互锁;再次,在可编程逻辑控制器输出端与交流接触器线圈两者之间通过中间继电器来完成强、弱电压的隔离,同时也需要在系统中设置热继电器和空气开关等以方便对电机的保护.
2plc控制程序的设计
2.1供水系统控制程序设计
供水系统整体设计方案
考虑到该系统主要是应用在小型社区之中，在供水高峰时采用恒压供水的方式，在设计中通过使用变频器来控制四台不同水泵的设计方法。本文的控制核心系统使用西门子公司的s 7—200 plc与6se 6430变频器，通过对小区用供水管网的压力采集，与早前设计的压力值进行比较，如供水频率发生变化的情况下灵活开关水泵。与设定压力值比较来控制变频泵的流速及定量泵的闭合，已达到恒压变量的供水的目的，最终满足用户高峰用水需求减少水资源的浪费。当用户管网压力低于设定压力时，控制器通过压力传感器检测，输出控制信号起动其中一台水泵作变频运行，通过控制变频泵使用户管网压力与设定压力值相等。如用户用水量较大，变频器输出频率为50 fiz，变频泵转速达到最高，用户管网压力低于设定压力，控制器将变频泵切换成工频运行，待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台水泵，由4台工频泵和一台变量泵同时供水。经过变量泵的调节，如管网压力仍低于设定值，控制器以同样的方式将运行频率为50 hz的变频泵切换成工频运行，而后继续起动另外一台水泵作变频运行，直至满足用户用水要求。当用户用水量较少，变量泵转速降到一定程度时，控制器自动停止最先运行的定量泵，并根据管网压力调整变量泵转速，使管网压力始终保持恒定。这样每台水泵的起动均经变频器控制，全部机组实现循环软起动，即每台泵的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升，并遵循“先开的泵先停，先停的泵先开”的原则。当外来管网压力达到设定压力值时，则控制器完全停止各泵工作，由外界管网直接向用户供水。具体供水电路如图2所示
图2 供水系统的总体电路图
(一) 状态转换:增加主泵状态是指使主泵状态由变频运行转为工频运行,同时通过变频来启动一台新水泵的切换过程.为避免在状态切换时电动机反电动势所产生的对系统有影响的冲击电流,在方案设计时可以合理的利用变频器的自由停车命令bx,同时使用定子绕组与变频器逆变桥上的续流二极管所组成的电路回路，对其进行快速灭磁[2].
(二) 程手动监控状态:通过辅助继电器m3、m4的不同状态以完成对系统自动运行或远程手动监控状态的选择.当辅助继电器m3、m4状态为“10”时,系统状态为远程手动监控状态,同时辅以设计出来的计算机软件的监控程序以实现对系统自动运行的远程控制.
(三) 故障处理:如果系统出现故障，将自动发出声光报警信号,同时自动进入故障处理状态:(1)系统发生欠水位故障:停止全部电机运行,防止水泵空转. (2)系统发生变频器故障:系统将自动进入工频运行状态,当三台主泵电机都处于工频状态.为防止出现停开一台水泵而造成水压不足或增开一台水泵又超压造成系统频繁切换的情况,系统选择增加延时的模式来解决此问题.同时设定延时时间为10 min. (3)系统发生电机故障:自动锁定故障电机,由故障电机转为下一台电机运行.此时系统在“一辅泵两主泵”的状态下运行.
3远程监控系统设计
由于供水泵站离水电管理部门较远,为保证能够及时对供水系统的状况进行了解,方便远程控制管理,设计方案中集合了由计算机、plc技术通信模块集合而成的监控系统,此设计方案能有效的对供水状况的进行远程监控[3].
4 供水及远程系统的应用
本文选取国外某小区来测试该设计的可行性及节电节水效果。有住户4000人左右，距离自来水公司距离约6公里。平时用水高峰时间较为集中，导致小区供水环境并不稳定，6层以上在高峰期得不到充足的供水，不能满足该小区的用水需求。根据该小区的实际情况，自来水公司使用该供水方案进行了改造，通过实地测试，得出了具体的节电节水功效。为了保证稳定供水，在小区内新建了一个50吨蓄水池，同时使用4台15 kw 泵构成一个完整的全自动恒压供水系统。系统自动调节供水量，以保证自来水管网的压力稳定，通过恒压变频的供水方案，能较好的完成节能节水的目的。系统运行时当住户管网压力低于设定压力值时，压力传感器将检测到的压力数据传输给控制器，控制器自动将变频泵切换成工频状态运行，如果变频器的输出功率下降为最低值，再接通另一台水泵工作，此时由一台变频泵和一台工频泵对小区进行供水。如果经过变频泵的作用，住户管网压力仍低于设定值，系统将自己运行下一台变频水泵，最终达到对所有住户供水的目的。高峰期一过，住户用水需求降低，则系统将自动先行停止定量泵，再根据此时住户管网压力自动调节变量泵转速，使住户管网压力保持恒定的状态[4]。
通过对该国外小区一年的实地测试，原来供应一顿水的耗电量为0.363度，安装此系统之后供应一吨水的耗电量为0．252，节电率为(0．363—0．252)／0．363=30.57％。该小区年供水量100万吨左右，按2／3的供水系统需加压计算，年节电达到7.43万度左右。经过测试小区原每月用水64598吨，安装此系统后每月用水62325吨，一年累计节水达2.7万吨左右。因此安装此系统不但稳定、可靠还具有良好的节电节水效果。
参考文献:
[1]吴小雨.恒压变量供水装置中plc的应用[j].低压电器,2002(1):42-45.
[2]彭巨光,谢勇.异步电机变频起动、切换的分析与研究[j].电机电器技术, 2003(1):22-23.
[3]龙迎春.利用plc的通信功能实现供水泵站的远程监控[j].微计算机信息,2006(4):99-101.
[4]郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术[m].南京:东南大学出版社,2003.