基于PLC 和變頻器控制的恒壓供水系統

周曉東

大廠回族自治縣城鄉供水總公司，河北 廊坊 065300

0 引言

在城鄉供水系統中，隨著高層建筑的廣泛建設以及居民小區的規模化發展，原有的高位水塔供水系統已經不能滿足恒壓供水的要求，采用變頻恒壓控制是現代供水控制系統的新型方式，變頻恒壓供水系統可有效地降低“水錘”對泵體沖擊、節約電能、維持管網水壓恒定、實現無人值守等。具有較大的經濟和社會意義。本文論述了一種基于PLC的變頻恒壓供水系統。利用PLC加以不同功能的傳感器、變頻器，根據壓力傳感器測得管網壓力的大小及變化來控制加壓泵的轉速及數量，使水管的壓力始終保持在合適的范圍內，從而達到恒壓供水的目的。

1 恒壓供水系統原理

恒壓供水的基本思路是：采用電機調速裝置控制泵的轉速，并自動調整泵的運行臺數，完成供水壓力的閉環控制，在管網流量變化時達到穩定供水壓力和節能的目的。系統的控制目標是泵站總管的出水壓力。系統任意設定供水壓力值，其與反饋總管的壓力值通過PID調節后控制調速裝置，以調節加壓泵的運行速度，從而調節系統的供水壓力。與傳統的恒速泵供水系統、水塔高位水箱供水系統和氣壓罐供水系統相比，調速恒壓供水系統具有供水質量高、靈活性強、能耗少、電動機起制動平穩、無水錘效應等優點，從而獲得了廣泛應用。

2 系統總體設計

2.1 系統概況

本系統擬在控制2臺55kW和3臺30kW加壓泵相互配合完成恒壓供水。本文將以“一拖三”（一臺變頻器拖動三臺加壓泵，加壓泵功率為30kW），“一拖二”（一臺變頻器拖動兩臺加壓泵，加壓泵功率為55kW）的設備介紹PLC與變頻器組成的恒壓供水系統的工作原理。同時為了確保不間斷供水的要求，另外備有55kW加壓泵變頻器一臺，3臺30kW加壓泵可降壓啟動。當水池水位低于下限時系統自動關閉，防止加壓泵干抽。

2.2 系統原理圖

2.3 主控線路圖（見右圖）

2.4 工作原理

系統可有兩種運行方式：自動運行和手動運行。

2.4.1 自動方式

1）啟動程序

在自動運行方式下開始啟動運行時，首先檢測水池水位，若水池水位符合設定水位要求，1號泵變頻交流接觸器吸合，電機與變頻器1連通，變頻器1輸出頻率從O開始上升，此時壓力變送器檢測壓力信號反饋變頻器1，經PID運算后變頻器1自動控制頻率輸出；如壓力不夠，則頻率上升至50Hz，延時一定時間后，再次檢測壓力信號，如壓力仍然不夠，變頻器1輸出信號反饋PLC，將1號泵切換為工頻，2號泵變頻交流接觸器吸合，變頻啟動2號加壓泵，頻率逐漸上升，當2號泵頻率至50Hz，經過延時檢測后壓力仍不能達到設定值時，變頻器1信號反饋PLC，4號泵變頻交流接觸器吸合，電機與變頻器2連通，同時停止1號泵運行，變頻器2輸出頻率從O開始上升直至出水壓力達到設定壓力，當壓力經延時檢測后仍不能達到要求時，變頻器1輸出信號反饋PLC，將2號泵切換為工頻，3號泵變頻交流接觸器吸合，變頻啟動3號加壓泵，頻率逐漸上升依次類推增加加壓泵。加壓泵啟動的規律為任意兩30kW加壓泵運行時，如壓力不夠，則啟動55kW加壓泵，當兩臺30kW加壓泵兩臺55kW加壓泵都運行時，如壓力不夠，則啟動剩下的30kW加壓泵。

2）加壓泵切換程序

如用水量減小，出水壓力超過設定壓力，變頻器降低輸出頻率，減少出水量來穩定出水壓力。若變頻器輸出頻率低于某一設定值(加壓泵出水頻率，一般為25 Hz)，而出水壓力仍高于設定壓力值時，PLC開始計時，若在一定時間內，出水壓力降低到設定壓力，PLC放棄計時，繼續變頻調速運行；若在計時時間內出水壓力仍高于設定壓力，則根據先投先停和優先停30kW加壓泵再停55kW加壓泵的原則。PLC將發出指令停止正在運行的加壓泵中運行時間最長的工頻泵，直至出水壓力達到設定值。

3）水池水位檢測

在自動供水的過程中，PLC實時檢測水池水位，若水位低于設定的報警水位時，蜂鳴器發出缺水報警信號；若水位低于設定的停機水位時，停止全部加壓泵工作，防止加壓泵干抽，并發出停機報警信號；若水池水位高于設定的水池上限水位時，蜂鳴器發出報警信號提示關閉水源泵。

4）變頻器故障處理

當變頻器1突然發生故障，蜂鳴器報警，PLC檢測是否有55kW加壓泵空閑，如果有就將運行中55kW加壓泵切為工頻運行，并變頻啟動空閑55kW加壓泵，如果沒有或啟動后仍然達不到設定壓力，則PLC發出信號指令，根據壓力情況依次啟動加壓泵(采用降壓啟動方式)，此時PLC切換泵則根據實際水壓。當變頻器3突然發生故障，蜂鳴器報警，PLC發出指令切掉故障變頻器啟用備用變頻器，并保持故障前55kW加壓泵運行狀況。

2.4.2 手動運行方式

選擇此方式時，按啟動按鈕或停止按鈕，可根據需要而分別啟停各加壓泵（啟動方式為變頻器軟啟動）。當啟動一個加壓泵后，再啟動另一個加壓泵時，前一個啟動的加壓泵自動轉為工頻運行，為了保證變頻器充分軟啟動，每個加壓泵軟啟動間隔為30s。這種方式僅供檢修或控制系統出現故障時使用。

2.5 傳感器的作用

本設計使用到了壓力傳感器和液位傳感器。壓力傳感器是實現閉環控制必不可少的裝置，它將壓力信號反饋給變頻器進行PID調節。液位傳感器是決定系統師父能夠運行和發出警報的必不可少的裝置，對系統的正常運行起到了重要作用。

3 系統設計特點

變頻恒壓供水系統的最顯著優點就是節約電能，節能量通常在10%～40%。從單臺水泵的節能來看，流量越小，節能量越大。PLC、變頻器運行穩定，并設有故障應急處理功能，從而保證了不間斷高質量供水。本設計采用兩種型號加壓泵供水并設有變頻工頻轉換，根據起停泵規律，從而解決了壓力臨界值時加壓泵的頻繁啟動停止問題，對延長加壓泵使用壽命有很大的幫助。3臺30kW加壓泵在變頻器故障時采用降壓啟動，節省了一定的費用。

4 結論

在供水系統中采用變頻調速運行方式，根據實際需壓力的變化自動調節水泵電機的轉速或加減泵，實現恒壓供水，節能降耗；變頻器故障后仍能自動運行，基本保障了不間斷供水。采用變頻器對電機實行軟啟動，啟動平穩，啟動電流可限制在額定電流以內，減少了設備損耗，延長了使用壽命。總之，采用以PLC和變頻器為核心的恒壓供水系統具有很強的實用性。

[1]王樹主.交頻調速系統設計與應用[M].機械工業出版社，2006.

[2]曾毅主.變頻調速控制系統的設計與維護[M].山東科學技術出版社，2002.

[3]俞國亮.PLC原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2005.