《恒压供水在厂区消防系统中的控制改造》
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[摘 要]采用变频器和可编程控制器PLC等现代控制设备和技术实现恒定水压供水,是供水领域技术革新的一项有效措施,本文介绍的变频恒压供水系统以其有效的实用性和经济性,彻底解决了上述问题,是一項颇有实用价值的调压系统,为现有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径.
[关键词]恒压、供水、消防水、PLC、控制
中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0243-01
1.引言
采用变频器和可编程控制器PLC等现代控制设备和技术实现恒定水压供水,是供水领域技术革新的一项有效措施,以往采用的储气罐供水既不稳定又不经济,更重要的是浪费了大量的能源,且在发生火灾等紧急情况时无法满足消防水系统恒压供水的要求.本文介绍的变频恒压供水系统以其有效的实用性和经济性,彻底解决了上述问题,是一项颇有实用价值的调压系统,为现有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径.
2.控制原理
基于S7-200的变频恒压供水系统的工作原理,是利用S7-200的可编程控制器和变频器作为控制核心,时刻跟随管网的压力与压力设定值的偏差变化情况,利用变频器检测实际水压值,再将实际水压值和设定值进行比较,按照变频器内部的PID规律运算后,自动控制水泵电机的转速；通过PLC输出控制变频与工频切换；自动控制水泵电机投入台数和水泵电机的转速,实现闭环自动调整恒压供水,在保持恒压下达到控制流量的目的；同时利用“先启先停”的原则,自动巡检每天水泵的运行时间,保证每台水泵的工作时间一样.
本文以热电有限公司气体分公司的消防恒压供水系统为例,设计了一套恒压供水系统（见附图）,本文重点介绍一拖三消防泵控制系统.
控制要求：
（1）控制系统具有手动、自动两种工作方式,手动用于设备调试、检修及其特殊情况下的供水.正常情况下,设备置于中控自动位,实现自动运行.
（2）当工作方式转换开关处于自动时,可以根据设定压力自动进行控制,保证恒压供水.
（3）当工作方式转换开关处于手动时,由人工在柜面上通过电位器调节各水泵转速.
（4）清水泵泵正常情况下为一用一备,两台水泵互为备用；循环泵正常情况下为两用一备,三台水泵互为备用,由可编程控制器控制三台水泵之间的自动启停.
（5）系统具有运行、报警、故障等信号,均为无源常开点.
3.系统工作过程
变频调速恒压控制系统构成由可编程控制器、变频器、水泵电机组、水位传感器等组成.系统采用一台变频器拖动三台电动机的启动、运行与调速,三台电机循环使用的方式运行,系统结构图如附图所示.
根据现场生产的实际情况,一般只需要一台泵变频工作就能满足生产需要,在用水高峰时期或特殊情况下需要一台泵变频运行一台泵工频运行,且保证每台泵工作的时间一样,循环使用每台泵.极特殊情况需要两台甚至三台水泵同时运行.
分析自动控制系统的工作过程,可以分为以下四种情况：
（1） 第一种情况
泵1在变频器的带动下变频运行,当用水量增大时,变频器达到最大50Hz；这时泵1由变频变为工频,泵2变频运行；泵1没有出现故障,而用水量又减小,在PLC可编程控制器控制下,停止泵1工频运行,只有泵2变频运行,这期间一旦泵1出现故障,在PLC可编程控制器控制下,停止泵1的运行,让泵2变频运行以保证供水压力恒定.
（2） 第二种情况
泵2在变频器的带动下变频运行,当用水量增大时,变频器达到最大50Hz；这时泵2由变频变为工频,泵3变频运行；泵2没有出现故障,而用水量又减小,在PLC可编程控制器控制下,停止泵2工频运行,只有泵3变频运行,这期间一旦泵2出现故障,在PLC可编程控制器控制下,停止泵2的运行,让泵3变频运行以保证供水压力恒定.
（3） 第三种情况
泵3在变频器的带动下变频运行,当用水量增大时,变频器达到最大50HZ；这时泵3由变频变为工频,泵1变频运行；泵3没有出现故障,而用水量又减小,在PLC可编程控制器控制下,停止泵3工频运行,只有泵1变频运行,这期间一旦泵1出现故障,在PLC可编程控制器控制下,停止泵3的运行,让泵1变频运行以保证供水压力恒定.
在PLC程序设计中,必须认真考虑这三种情况和三种情况的循环,才能保证系统实现正常的切换与长期稳定的运行.
（4）第四种情况
当发生火灾等特殊情况,消防水管道压力持续降低,当降低到设定值的时候启动1台泵的工频运行以保持消防系统正常压力,如果一台泵不能满足要求,则继续启动第2台消防泵,甚至启动第3台.以确保系统管网的压力稳定.
4.系统硬件的设计
4.1 变频器硬件设计
变频器选用西门子MICROMASTER430型11kW变频器产品,适配电机11kW,该变频器基本配置中带有PID功能,通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值,压力传感器反馈来的一个压力信号（4～20mA）接在变频器的辅助,作为压力反馈,变频器根据压力给定和实测压力,调节输出频率,改变水泵转速,控制管网压力保持在给定压力值上,变频器的极限输出频率的检测输出信号端进PLC,作为泵变频与工频切换的控制信号,变频器的极限输出频率通过面板可以设定,一般为50Hz.变频器的故障输出端分别进PLC可编程控制器和故障指示灯,PLC可编程控制器让故障泵停止工作,切换到正常泵,同时让故障指示灯亮,提醒人们.变频器面板上有故障复位按键,一般的故障用复位按键复位,可以重新启动变频器；变频器的运行与停止端子接到PLC可编程控制器的输出端；变频器的U、V、W输出端并联3个接触器分别接到3个泵上面,变频器可分别带动3个泵,3个泵还可以通过另外3个接触器并联到工频电源上.
4.2 PLC硬件设计
根据系统要求,系统数字量输入点总有3个,数字量输出点11个,PLC可编程控制器选用西门子S7-200中的CPU224系列.实现了恒压供水的功能.
5.结束语
该系统逻辑控制采用PLC,压力调节采用带PID控制的变频器,使用方便,工作可靠,系统压力恒定,无冲击,具有较好的控制效果.在实际运行中,可以根据用户实际需要,通过改变压力给定,进行任意设定,在系统进行增泵或减泵过程中,水压波动允许的范围内,一旦增泵或减泵过程结束,压力立即稳定到设定值,这个过程前后不到30s时间,很好地满足了用户用水要求.该系统采用变频器调节水泵转速,使系统实现了高效节能,节能效率可达40%左右,同时由于采用变频器对电机实行软起动,减少了设备损耗,延长了水泵、电机设备的使用寿命.运行结果表明,采用PLC和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统,有着很强的实用性,具有压力稳定、结构简单、工作可靠等特点,为供水领域的技术革新,开辟了切实有效的途径.
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